形状记忆聚合物复合材料及其在空间可展开结构中的应用

综述了形状记忆聚合物复合材料及其在空间可展开结构中的应用。形状记忆聚合 物是一种智能主动变形的高分子材料,该材料在外界激励作用下能够产生较大的可回复变形 ,可应用于智能主动变形结构。首先简述了形状记忆聚合物的研究现状,然后分别介绍 了颗粒、短纤维和连续纤维增强的形状记忆聚合物复合材料的研究现状,并重点评述了三种 复合材料的电-热致驱动变形性能。此外,本文还介绍了纤维增强形状记忆复合材料在空间 可展开结构上的应用,主要包括可展开铰链、可伸缩梁和可展开天线等。
     

炭纤维增强聚合物基复合材料的热氧老化机理

从基体、纤维和纤维/基体界面的角度,探讨了炭纤维增强聚合物基复合材料(CFRPMCs)的热氧老化机理。总结了纤维性能、纤维取向、纤维体积含量、织物结构、树脂性能、纤维/基体界面强度等因素对CFRPMCs热氧老化性能的影响规律,并简要分析了目前提高CFRPMCs热氧老化性能的方法。研究指出,立体织物增强的聚合物基复合材料能够很好地克服传统层合复合材料热氧老化后易分层的缺点,采用立体织物来增强聚合物,将会是今后提高CFRPMCs热氧稳定性的一个主要发展方向。     

复合材料壳体挂机飞行一体化结构 优化设计分析

针对固体火箭发动机复合材料壳体挂机飞行一体化结构优化设计问题,提出了基于拓扑优化和多参数目标驱动优化相结合的两步设计法。首先针对挂机飞行金属结构进行拓扑优化,优化后结构质量由8.6 kg降低至6.0 kg,实现了结构轻量化设计目的;然后针对复合材料挂机飞行一体化结构进行多参数目标驱动优化并进行参数敏感性分析,结构整体质量由6.0 kg进一步降低至5.94 kg。参数敏感性分析结果表明,挂飞连接支座上肢板厚度为关键尺寸,而挂飞结构外缠绕层宽度对整体结构强度贡献较小。静力载荷试验结果表明,壳体及挂机结构应变在10～140 k N前应变与载荷基本呈线性增长,当超过140 k N后挂机结构外部环向纤维开始断裂,挂机结构出现破坏,载荷设计值与实验值相对误差为15.6%,这是由于载荷试验采用单一吊耳加载而导致结构受力过于集中而相对容易发生破坏。     

基于线粘弹性的埋入式聚合物光纤传感器应变传递研究

以埋入固体火箭发动机纤维缠绕壳体的聚合物光纤传感器为研究对象,分析了传感器与复合材料基体之间界面应变传递机理。考虑到光纤传感器和中间粘贴层为高分子聚合物,建立了包含纤芯、包层、中间粘贴层和材料基体的多层界面线粘弹性应变传递模型,推导了应变传递率和平均应变传递率,同时分析了多个中间粘贴层的应变传递情况。结果表明,聚合物光纤传感器所测的应变低于复合材料基体的真实应变,准静态应变传递率低于瞬时应变传递率,随着时间的推移,应变传递率会下降。     

纤维长度对树脂基复合材料模压制品的影响

纤维长度及分布对树脂基热固性复合材料模压制品性能有重要影响。通过用不同长度的纤维制备复合材料,并制作试样进行力学性能试验,短切纤维在树脂基热固性复合材料中分布均匀,复合材料性能好,且质量稳定。而长纤维虽有助于提高制品的拉伸强度,但各向异性特点显著,性能数据离散度大,不利于产品整体性能的提高。     

影响行波型超声马达真空低温性能的因素

在真空低温的苛刻环境下,测试了盘形行波型超声马达的负载特性和转速稳定性。引 入输出总功率的概念,分析了在真空低温下超声马达的驱动特性变化情况。针对超声马达的 结构组成,探讨了几个影响非常态下超声马达驱动性能的因素,如胶粘剂、摩擦材料、压电 陶瓷等,为非常态下的超声马达结构设计提供指导。结果表明,随着温度降低,压电陶瓷的 压电性能下降,但采用低温胶制作定子时,超声马达在低真空和低温-80℃环境 下仍能运行。Ekonol基复合材料的摩擦性能受温度的影响较小,适合低温使用。
     

温度与湿度在各种复合材料的纤维/基体界面上产生的应力

本文采用弹塑性细观力学分析法研究了由于降温和随后的吸湿作用,在复合材料中,特别是在纤维/基体界面上所产生的应力。分析了四种聚合物基体复合材料,它们是高、中、低模量的石墨纤维、S 玻璃纤维与常用结构环氧为基体的复合材料。假定纤维体积含量为60%,采用了 GY—70,HMS 和 AS 石墨纤维、S 玻璃纤维和 Hercules 3501环氧的实测性能数据。     

轴棒法编织三维四向C/C复合材料压缩及弯曲性能

通过对轴棒法编织三维四向C/C复合材料进行压缩、弯曲实验,观测了材料在不同载荷下的应力-应变曲线以及压缩性能和弯曲性能数据,采用扫描电镜对断面形貌进行分析,并研究了材料的破坏机理.结果表明,轴棒法编织三维四向C/C复合材料具有良好的力学性能,编织结构对复合材料性能有较大影响,材料的轴向压缩强度大于径向,但轴向弯曲性能低...     

声表面波器件用压电陶瓷材料

在阐述声表面波技术后,介绍了声表面波器件用的压电陶瓷材料的种类、基本性能和特点.对压电陶瓷材料的使用要求有:有适合制造叉指电极的良好表面;声表面波传输衰减要小;有很高的机电耦合系数;温度特性好;一致性、重现性好.在与压电晶体作对比的基础上,分析了压电陶瓷材料的主要优缺点.设计性能良好的声表面波器件,主要取决于叉指电极设计、压电材料和工艺加工的好坏.最后着重叙述钨锂酸铟声表面波压电材料的特点和研制过程.     

复合材料壳体固化成型过程残余应力和形变分析

大尺寸复合材料固化过程因加热不均,出现较大的温度梯度,进而导致固化不均匀;温度梯度和固化度梯度使得壳体内出现热应变和固化收缩应变,最终形成残余应力和结构形变。为分析复合材料壳体固化过程的结构变形,本文结合壳体的实际成型过程,考虑树脂的固化放热、固化收缩和复合材料的各向异性特性,采用CHILE(α)弹性模型,对复合材料壳体固化成型过程的热传递、残余应力衍化及固化变形进行数值研究。研究结果表明,凝胶点前,复合材料仅受到热膨胀作用;凝胶点后至降温前,受到热膨胀和固化收缩的共同作用,壳体先快速收缩后膨胀;降温阶段,壳体缓慢收缩。固化完成后,壳体的固化变形约为0.08,残余应力约为10~6N/m~2。     

碳纤维复合材料贮箱内压和低温承载行为研究

碳纤维增强聚合物复合材料具有轻质高强的优异特性,是液氢液氧燃料贮箱的理想材料。然而液氢液氧燃料贮箱在服役时要承受极低温度载荷,复合材料贮箱箱体的低温结构可靠性尚未可知。开展了碳纤维/环氧复合材料缠绕贮箱结构在温度和内压载荷下的变形及损伤研究,分别进行了常温/低温抗渗漏测试,结合应变测量、声发射监测、氦质谱检漏等方法分别研究了内压以及低温工况对复合材料贮箱的应变分布及损伤泄漏状态影响机制。研究结果表明,封头与圆筒区域交界处易产生应变集中,低温载荷导致复合材料局部小幅度基体损伤及纤维/基体界面脱粘,但并未影响贮箱箱体承压性能和气密性。本研究可为未来大型航天器减质设计提供参考。     

碳-芳纶混杂正交三向复合材料疲劳性能实验研究

采用三维机织工艺结合树脂传递模塑(RTM)技术制备了两种碳-芳纶混杂正交三向复合材料,即z向纱均采用芳纶纤维,经纬纱分别为炭纤维和经纬纱间隔排列炭纤维和芳纶纤维的混杂正交三向复合材料,以恒定应力幅值、应力比和频率,开展了复合材料经向拉伸疲劳性能试验,通过与炭纤维复合材料的对比,分析了碳-芳纶混杂方式对复合材料拉伸疲劳性能(疲劳寿命、疲劳破坏特征和疲劳后强度/刚度)的影响。当z向纱选用芳纶纤维,面内经纬纱为炭纤维的混杂复合材料经向拉伸疲劳寿命表现出正混杂效应;当进一步混入芳纶纤维,面内经纬纱为炭纤维和芳纶纤维间隔排列正交三向复合材料疲劳寿命表现为负混杂效应,对疲劳刚度损失有一定的抑制作用。可见,炭纤维正交三向复合材料中引入芳纶纤维,对其复合材料拉伸疲劳性能有重要影响,通过设计纤维混杂方式和混杂比例可进一步提高复合材料疲劳性能。     

热防护中的粒状剥蚀问题研究

粒状剥蚀是机械剥蚀的主要形式之一,对纤维复合材料的热防护性能有重要影响。通过理论分析得到了烧蚀达到稳定状态时纤维形状的表达式,在此基础上建立了粒状剥蚀问题的力学分析模型。通过受力分析,采用莫尔破坏准则建立了判断纤维复合材料是否发生粒状剥蚀的条件。根据判别条件,材料纤维和基体的性能差异、外流场速度以及纤维尺寸都将显著地影响纤维复合材料的剥蚀性能。     

纤维缠绕复合材料及混杂复合材料的双轴力学性能

本文对碳纤维(CF),Kevlar 49纤维(KF),玻璃纤维(GF)及其层内混杂复合材料压力容器的成型工艺和双轴力学性能进行了试验研究。对容器在内压作用下因刚度退化所引起的非线性应力应变行为,用逐步线性刚度退化理论进行拟合,所得理论值和实验结果相当吻合。水压试验和应变测试表明,在KF压力容器中加入CF,并使强度基本不变的前提下,可明显提高容器的刚度,基体的开裂强度有可能提高近3倍。若CF—GF层内混杂,则表现出较大的负混杂效应。     

混杂纤维复合材料受拉构件的最优混杂比研究

基于复合材料力学中的复合定律和断裂应变破坏准则,讨论了混杂纤维复合材料的断裂特性,得到了以纤维层拉伸强度和拉伸模量表示的两种纤维混杂复合材料受拉构件的临界混杂比和拉伸强度;并讨论了最优混杂比的选取方法。算例表明,文中给出的最优混杂比的确定,就是一种满应力的优化设计,它可用于固体火箭发动机混杂纤维缠绕壳体的初步设计。     

Vectran织物复合材料冲击响应与失效模式分析

文章以Vectran纤维织物与涂覆低温硅胶的Vectran织物复合材料为研究对象,通过低速冲击实验研究了材料的冲击响应与破坏模式,分析了冲击速率、冲头尺寸与冲头形状对材料冲击特性的影响。实验结果表明:Vectran纤维织物冲击破坏模式主要为主纱线的拉伸破坏,以及冲头非接触区域纱线的弹塑性变形与滑移;涂覆硅胶的Vectran织物复合材料冲击破坏模式主要为纤维断裂和拔出;织物复合材料具有明显的应变速率效应。     

可重复使用运载器复合材料低温贮箱应用研究

轻质高强度低温贮箱是发展可重复使用运载器（RLV）的关键技术之一。本文论证了聚合物复合材料作为低温贮箱材料的必要性和可行性,介绍了复合材料低温贮箱的研制现状,对聚合物基体和纤维选择、设计技术、复合材料的成型及其性能测试等进行了探讨,指出了复合材料低温贮箱的发展趋势,并就我国复合材料低温贮箱的发展给出了建议。     

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构数值分析

对某固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体轴压载荷作用下裙与筒段连接区(裙连接区)进行了有限元结构分析。依照壳体的结构特征和受力特性建立了裙连接区3D简化分析模型,通过对某芳纶纤维壳体仿真结果和实验数据的对比分析,验证了模型简化的合理性和有限元结果的正确性;最后对某炭纤维缠绕复合材料壳体裙连接区进行了数值分析和壳体连接区结构方案改进。结果表明,增加补强层厚度和提高补强层纤维模量可有效降低应变极值,改善结构应力分布,经改进的结构设计方案承载能力可提高20%。     

纤维缠绕厚壁柱形压力容器的应力和变形

研究了各向同性材料内胆对称缠绕纤维的厚壁圆柱形容器在内外压力作用下的变形和应力.采用正交各向异性本构关系和轴对称厚壁筒理论,利用解析方法获得了纤维层和内胆的变形和应力,以及纤维方向的应力;对壁厚较厚和不同缠绕角,更准确地揭示纤维向应力和内胆应力.比较了分别用玻璃纤维环氧和炭纤维环氧缠绕铝内胆和钢内胆的容器在内压作用下,不同缠绕角方案中内胆和纤维向应力分布.研究表明,壁厚对不同缠绕角容器的应力和变形影响不同,总体影响较小;从降低内胆的等效应力和充分发挥纤维纵向强度角度看,炭纤维缠绕铝筒最好;横向强度和剪切强度是缠绕复合材料容器的主要控制参数,缠绕工艺需要提高这些指标以充分发挥纤维纵向强度.     

碳纤维增强树脂基复合材料固化残余应力评估方法研究现状

在碳纤维增强树脂基复合材料设计及制备阶段，对成型过程残余应力进行准确的测试、评估，可为结构优化、工艺参数制定、模具参数选择等提供理论依据，也为后续应用阶段残余应力对复合材料构件性能结构稳定性影响研究提供基础。文中概述了碳纤维增强树脂基复合材料固化残余应力的形成机制，介绍了测试方法以及仿真模拟的原理、特点及在碳纤维增强树脂基复合材料残余应力评估中的应用，对仿真所需的主要性能参数的数值、测试方法进行了总结，基于仿真方法的多种优势，认为该方法为残余应力评估重点发展方向，提出该方法未来的研究重点，为进一步优化热物理、力学等性能时变特性模型，提高仿真模型的准确性，并将性能测试方法标准化；建立各类树脂、纤维仿真数据库；进行各类型复合材料构件的残余应力仿真结果准确度的验证研究。