起圈织物泡沫夹芯复合材料Ⅰ/Ⅱ型断裂韧性研究

夹芯复合材料在受到弯曲、剪切和冲击等载荷作用下易发生脱层损伤。脱层损伤程度与Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性密切相关。起圈织物由于在其厚度方向引入环状纤维束，增强了与芯层的结合能力，使其在抗分层方面性能优良。本文主要研究起圈织物泡沫夹芯复合材料的Ⅰ/Ⅱ型界面断裂韧性。根据试验标准分别制作了平纹织物泡沫夹芯复合材料和起圈织物泡沫夹芯复合材料。采用双悬臂梁试验（Double cantilever beam, DCB）和末端缺口挠曲试验（End notch flexure, ENF）对上述试验件的增韧机理进行了研究。研究表明，环状纤维束的引入大大提高了界面性能。起圈结构相较于平纹结构的Ⅰ型断裂韧性GⅠC提高了434%，Ⅱ型断裂韧性GⅡC提高了400%。通过建立有限元模型，采用内聚力模型来描述裂纹的扩展，数值结果与试验结果吻合较好。     

穿孔泡沫夹层复合材料低速冲击性能试验研究

针对普通泡沫夹层复合材料层间性能较弱的问题，提出在泡沫上预先打孔的方法，在泡沫芯材中形成胶钉从而提高泡沫夹层材料的力学性能，并对穿孔泡沫夹层复合材料的低速冲击性能进行了研究。通过手糊和真空辅助成形工艺制备穿孔泡沫夹层复合材料试验件，对其进行不同能量的低速冲击试验，记录接触力、冲头位移和能量吸收率等力学响应，并采用目视检测和超声C扫无损检测两种方法确定冲击损伤的范围，探究胶钉密度、打孔深度和泡沫槽宽等变量对穿孔泡沫夹层复合材料低速冲击阻抗性能的影响。试验结果表明，随着冲击能量的增加，最大接触力、最大冲头位移和残余变形均增加，凹坑深度和内部损伤面积也增大，同时结构的能量吸收率也有所提高；适当地增加胶钉密度和泡沫槽宽能提高穿孔泡沫夹层材料的低速冲击阻抗性能，而泡沫孔深度对其冲击性能的影响较小。     

泡沫夹层结构复合材料热膨胀模压法工艺研究

在传统泡沫夹层结构复合材料成型工艺基础上,探索了一种新型的夹层结构成型工艺。传统工艺需要热压罐、真空袋等外部设备来为成型提供压力,文中提出了利用泡沫本身热膨胀和刚性模具的限制作用,为泡沫夹层结构复合材料提供成型压力。通过对泡沫芯材的模压发泡工艺的控制、监测,分析了夹层结构成型时内部产生压力的大小。同时,对其弯曲强度和剥离强度进行了表征。实验结果表明:控制芯材密度、发泡温度和发泡时间能有效地提高夹层结构的成型压力和力学性能。     

高温真空绝热板的制备及性能研究

根据真空绝热原理提出一种可在高温环境下使用的新型高温真空绝热板(High-temperature vacuum insulation panel,HT-VIP)。在多孔碳化硅泡沫芯材表面包覆多层碳纤维布,通过化学气相渗透(Chemical vapor infiltration,CVI)热解碳的方法对外壳碳纤维体进行增密,然后采用聚合物浸渍裂解(Polymer infiltration and pyrolysis,PIP)工艺制备玻璃碳对材料进行致密化处理,最后采用低压化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)工艺沉积SiC涂层对材料进行封装,制备出一种具有耐高温、密度低、强度高、低导热以及抗热冲击的新型高温真空绝热复合材料。制备的致密碳纤维增强复合材料,材料内部为真空状态,材料密度为0.81g/cm3,抗压强度为8.75 MPa。当温度为100~900℃时,高温VIP有效热导热系数从0.20 W/mK逐渐增加到1.16 W/mK,比C/C和C/SiC复合材料低一个数量级。     

钛合金蜂窝壁板隔热性能试验研究

针对钛合金蜂窝夹层结构的隔热性能进行试验研究。试验中研究了在300 ℃稳态条件下,蜂窝芯格尺寸、芯格高度和芯格壁厚等参数对隔热性能的影响规律;分析了各几何参数对隔热性能的敏感度;测试了不同温度条件下钛合金蜂窝夹层结构壁板的等效导热系数。试验结果表明：增大蜂窝芯格尺寸和芯格高度,减少芯格壁厚均有利于提高蜂窝壁板的隔热效果;不同几何参量对钛合金蜂窝夹层结构隔热效果的影响敏感程度从大到小依次为：芯体高度、芯格尺寸和芯体壁厚;钛合金蜂窝壁板的等效导热系数随温度的升高而增大,相同温度下钛合金蜂窝壁板的等效导热系数约为钛合金材料的3%~5%。     

SGF/PP泡沫复合材料的发泡效果和力学性能

用单螺杆挤出机及型内二步法发泡工艺制备了短玻璃纤维(Short glass fiber,SGF)增强聚丙烯(Polypropylene,PP)泡沫复合材料,研究了SGF的质量分数对泡沫复合材料的泡孔形貌、界面粘结和力学性能的影响。结果表明,SGF的引入提高了共混体系的熔体强度,能够获得泡径细小且分布均匀的闭孔结构;偶联剂的表面包覆改善了SGF与PP的相容性,显著增强了两者的界面结合;随着增强纤维的加入,SGF/PP泡沫复合材料的冲击韧度和抗弯强度均呈现先增后降的变化趋势,并在SGF的含量为20%时达到最大值;研究发现,适量的SGF在共混体系中分散均匀且与基体的界面结合和共混体系的发泡效果得到显著改善,决定了SGF/PP泡沫复合材料能够获得优异的力学性能。     

张力场对复合材料层板组合梁连接强度的影响

基于纯剪切方板后屈曲阶段边界受力分析,设计了考虑蒙皮支持刚度的复合材料"工"形层板组合梁试验件,采用对角拉伸加载方式,考察了腹板后屈曲张力场对层板组合梁连接强度的影响,并采用基于黏聚区模型的有限元方法对试验进行了仿真分析,研究了界面的失效过程与机理。研究表明:腹板后屈曲阶段形成的张力场在连接界面上产生附加的剥离载荷,使界面呈现Ⅰ/Ⅱ型复合受力状态,加速界面破坏;考虑蒙皮支持刚度的剪切试验在腹板发生失稳后使蒙皮产生法向变形,一定程度上减弱了界面剥离载荷的增加,梁结构的破坏载荷略有提高;试验的破坏模式表现为腹板的纤维压缩破坏和缘条-蒙皮界面的Ⅰ/Ⅱ型复合断裂;黏聚区模型能够很好地模拟复合材料界面的破坏,仿真与试验基本一致。     

铝合金皱褶芯材夹层板当量导热系数

设计并制作了13个不同几何特征参数的铝合金皱褶芯材夹层板.在一定假设条件下,运用工程软件ANSYS对它们的当量热传导系数进行了数值计算,分析了V-型皱褶芯材夹层板几何特征参数对其基本热传导性能的影响.同时,进行了当量热传导系数的实验测定,通过对比分析,验证了数值计算结果.给出了常温下皱褶芯材夹层板的当量热传导系数随皱褶板几何特征参数的变化关系,为皱褶芯材夹层板在航空航天隔热防热结构中的应用提供了参考依据.     

泡沫夹层T型接头失效分析与局部几何参数设计

对泡沫夹层T型接头进行失效分析,并对其局部几何尺寸进行参数化设计.建立了泡沫夹层T型接头的3D有限元模型,分析了结构在拉伸,弯曲和剪切荷下的关键部位,失效载荷和失效形式;分析结果与实验值吻合较好.然后,针对以上关键部位,建立T型接头的参数化模型,分析接头转角的加强片长度、泡沫垫高度和泡沫垫底角对结构效率的影响.结果表明,局部几何参数设计能显著提高了T型接头的结构效率.     

T300/648复合材料湿热老化机理研究

为分析T300/648复合材料在贮存环境下服役的可靠性,选取71℃,RH70%、71℃,RH85%、85℃,RH70%、85℃,RH85%四组不同温度与湿度条件对T300/648复合材料进行加速湿热老化试验,并研究了老化后材料的化学结构、断口的微观形貌以及力学性能变化。研究表明,T300/648复合材料在湿热老化后材料的整体化学结构未发生变化,材料内部基体与纤维间界面脱粘显示材料的均匀性已经破坏。与界面及基体相关的力学性能均发生退化,且随着时间延长以及更加苛刻的老化条件性能下降更为显著。     

SiC_p/Al复合材料用SiC表面预氧化处理研究

通过对SiC颗粒的高温氧化和增重实验,研究了SiC高温氧化规律和氧化动力学,探讨了SiC高温氧化后SiC_p/Al复合材料的界面反应。结果表明,SiC颗粒氧化增重随氧化时间增加,先快速增加,后缓慢增加,符合抛物线规律。SiO_2氧化膜厚度随加热温度升高而增加。氧化温度低于900℃时氧化速度较慢,超过1 300℃时氧化膜厚度随氧化温度增加而增加不明显,SiC颗粒表面氧化处理应以氧化温度为1 100℃和氧化时间为10 h为宜。SiC颗粒氧化处理可使SiC_p/Al复合材料界面反应形成Al_2O_3界面相,而有效抑制了界面相Al_4C_3的产生。     

轻质点阵主动冷却壁板热流固耦合响应分析

提出一类以点阵材料为夹芯的新型轻质主动冷却壁板,研究了Ma=6条件下的该壁板的流固耦合传热性能及热结构响应性能,并从热防护、热强度和轻量化等几个方面与槽道式主动冷却结构进行了综合比较。采用三维流固耦合共轭传热数值计算方法,考虑了几种典型的点阵夹层结构与冷却液动态换热过程的相互影响,分析中考虑了碳氢燃料与合金材料热物理性质随温度的变化以及湍流换热,求解获得了流体与结构的三维瞬态温度场,并通过顺序耦合求解获得了结构的应力场。计算结果表明,在相同的热环境下,高孔隙率的轻质点阵夹层结构的流固界面换热性能远高于槽道式主动冷却结构,因此结构的最高温度也较低,同时应力集中问题也有所缓解。通过对不同构型的点阵夹层结构的比较发现,胞元构型对其传热性能和结构应力应变有显著的影响。     

镁合金消失模铸造充型过程中模样-金属界面行为的研究

通过直接观察充型过程和金属充型速度的标准方差分析技术研究了抽真空条件下镁合金消失模铸造充型过程中模样-金属界面行为。结果表明：在镁合金的浇注温度下，泡沫模样主要熔解为液态产物。在不抽真空时充型过程主要受模样-金属问热解产物的排除控制，金属前沿充型平稳并呈微凸形，充型速度很小并持续降低。然而，在抽真空条件下金属充型更多地受模样-金属界面处模样分解控制，金属前沿极不平稳并呈不规则的凹形，在充型过程中金属的充型速度变化很大并且无明显的规律可循。金属的充型速度随真空度提高而迅速增大，真空度与浇注温度对充型速度的影响具有很强的交互作用；进一步提高真空度，浇注温度成为影响充型过程最重要的因素，而真空度以及真空度与浇注温度的交换作用对充型速度的影响大为减弱。基于以上研究，提出了负压条件下镁合金消失模铸造充型过程中模样-金属界面处模样的热解和热解产物的排除行为模型。     

复合材料夹层结构模拟冰型设计与分析

为满足ARJ21-700飞机模拟冰型试飞试验的需要,设计了一种新型复合材料夹层结构模拟冰型,对其用材、加工方式、安装方法进行了选定。选取模拟冰型典型段,制作试验件,通过地面模拟试验,得出了模拟冰型的脱落破坏载荷。基于界面元法,在ABAQUS中使用内聚力单元模拟胶接界面,计算出模拟冰型的脱落破坏载荷,计算结果与试验结果吻合良好,说明了数值模拟方法的准确性。试验、计算得出的破坏载荷都高于冰型实际受载,证明了本文设计方案可行,该种复合材料夹层结构模拟冰型可用于ARJ21-700飞机的试飞试验。     

一种超宽频共形天线结构的力学性能测试

共形天线结构是一种将机载天线集成到飞机复合材料结构中的集承载、维形、隐身及通信功能于一体的多功能结构。本文采用对数螺旋天线作为内植传感器件,设计并制造了一种超宽频共形天线结构,通过面内压缩试验和三点弯曲试验对该型共形天线结构的力学性能进行了考核测试。试验结果表明,超宽频共形天线结构具有更优的力学性能。相对于未植入天线的复合材料夹层结构,超宽频共形天线结构的面内压缩刚度提高了112%,面内压缩强度提高了95%,结构压缩破坏模式由单纯的面芯分离变成了多个胶接界面分离和芯体剪切破坏的复合破坏模式,且强度分散性变大;超宽频共形天线结构面外弯曲刚度提高了26%,面外弯曲强度提高了17%,弯曲破坏模式由上蒙皮与芯体间的大面积面芯分离变成了压头下部局部蒙皮折断和芯体塌陷。     

复合材料夹层壳的一致有效大挠度理论

复合材料夹层壳是航空航天领域中重要的结构,但它的理论特别是非线性理论还需要进一步发展,才能满足工程应用的要求。本文根据能量误差一致原则和量阶分析方法,利用Lagrange描述法首先得到复合材料夹层壳的一致有效Green应变张量,协调方程和第二Piola-Kirchhoff应力张量。据此和几个基本假设进一步获得了复合材料夹层壳的内力、内力矩的本构方程。应变能密度函数和位能泛函。再利用最小位能原理,得到了平衡方程和边界条件。这些方程在小应变,中/小转动一阶近似的意义上是一致有效的。 根据Koiter伪扁壳概念,对已获得的方程作进一步的近似处理和推导,本文最后获得复合材料夹层伪扁壳的Donnell型方程。     

C/SiC复合材料的氧化行为仿真分析方法研究

对C/SiC复合材料高温氧化过程的准确预示，是提升C/SiC复合材料热结构设计水平的关键技术之一。本文结合C/SiC复合材料氧化机理、多孔介质流动理论和Fick扩散定律，得到了不同温度作用下C/SiC复合材料的氧化动力学方程并建立了氧化失重的数学表达式。开发了氧化扩展UEL子程序，对典型C/SiC复合材料试件氧化过程中氧、碳元素的分布和氧化扩展过程进行了分析，分析结果显示不同温度下的氧化失重与试验数据可以很好吻合。     

氧在熔融SiO2中扩散的分子动力学模拟

在高温干燥的氧气环境中,SiC材料将氧化生成SiO₂氧化膜,影响材料性能。SiO₂在SiC上的生长由氧气通过氧化物的扩散控制。由于温度条件限制,传统实验方法很难测定氧气在高温氧化物中的扩散。本文采用分子动力学研究不同温度下氧在熔融SiO₂中的扩散行为。基于Morse、L-J等势函数及其参数,模拟了高温下的无定形SiO₂结构,计算获得了氧在950、1 100、1 200、1 300及1 400 ℃温度下的均方位移曲线及扩散系数,分析了温度对气体扩散的影响作用,拟合了温度相关的Arrhenius公式。研究结果可为SiC基及其复合材料的氧化行为研究提供参考。     

热适配螺栓连接及其配合界面位置影响分析

针对高温下传统高温合金螺栓连接复合材料结构时的热膨胀不适配问题,研究与设计一种热适配新型结构分体式金属螺栓,具备较好的高温防松效果。推导了高温剩余轴力与多种参数之间的理论公式,分析配合界面位置对高温防松效果的影响;建立有限元模型,模拟螺栓温升时的轴力变化情况;进行热适配螺栓与普通螺栓常/高温静力拉伸对比试验,结果表明该种热适配螺栓有较好的高温防松效果,印证配合界面位置对高温防松效果的影响方式。     

航空发动机陶瓷基复合材料疲劳迟滞机理与模型研究进展

对陶瓷基复合材料疲劳迟滞机理与模型的研究进展进行综述。首先,简要回顾了陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用情况,综述了单向、铺层和编织陶瓷基复合材料细观疲劳失效模式与疲劳迟滞机理。总结出纤维增强陶瓷基复合材料基本的细观失效模式是:基体裂纹、纤维/基体界面脱粘和纤维断裂、铺层陶瓷基复合材料中的铺层/铺层界面脱粘以及编织陶瓷基复合材料中的纱线/纱线界面和纱线/基体界面脱粘。脱粘后的各类界面在循环载荷下的界面滑移是导致疲劳迟滞行为的根本原因。然后,详细分析了陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为力学建模研究历史与现状,指出了其中存在的问题。最后,对陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为研究的发展趋势进行了展望。