结构阻尼混杂复合材料研究进展

纤维增强树脂基复合材料因其比强度比模量高、阻尼减振性能优异等优点已成为航空航天领域重要的结构材料。混杂化是实现复合材料结构承载与阻尼性能一体化的有效途径。本文以近十年结构阻尼混杂复合材料研究为基础,从微纳颗粒混杂、层内编织混杂、层间铺层混杂和插层结构混杂四个方面对结构阻尼混杂复合材料的阻尼减振性能进行了详细分析。指出了结构阻尼混杂复合材料在阻尼减振领域应用存在的问题并给出了建议。     

纤维增强AZ91镁基复合材料的阻尼性能

纤维增强的镁基复合材料中,通过在纤维表面沉积一层热解碳而获得了一种特殊的界面层,研究了该复合材料的阻尼性能。结果表明,温度低于170℃时,纤维表面的碳涂层显著提高了复合材料的阻尼性能,相应的阻尼机制归结于位错阻尼、界面阻尼和组元的本征阻尼;高于170℃时,由于界面阻尼和晶界阻尼的贡献,没有涂层的复合材料的阻尼性能超过了有涂层的复合材料。     

纤维增强金属基复合材料及基在航空发动机上的应用

回顾了纤维复合材料，尤其是金属基复合材料的发展及应用情况，对金属基复合材料应用中涉及的一些问题进行了讨论。鉴于西方发达国家航空新材料研究以及在航空发动机上应用取得的巨大成功，和我国金属基复合材料的研制、应用落后的现状，呼吁在未来航空发动机发展规划中要加大对金属基复合材料及其应用的研究，重视建立适合金属基复合材料结构强度的寿命预测分析系统。     

纤维增强树脂基复合材料阻尼特性的数值模拟

应用基于应变能的有限元方法研究了纤维增强复合材料的阻尼特性,此方法从单向复合材料的阻尼性能参数出发,通过有限元模态分析得到复合材料结构的模态损耗因子,与已有的理论分析和试验结果相比吻合较好,从而验证了该方法的合理性。该方法还可以比较三维应力分量对阻尼的贡献。本文将该方法应用于一种复合材料等间距正交网格加筋板的阻尼特性分析,考察了加筋对复合材料层合板阻尼特性的影响。     

国外复合材料及其检测技术的发展

1988年12月航空航天部技术考察团去美国访问了三个大学、二个公司和NASA的一个研究中心.本文重点介绍所考察的单位在复合材料方面的研究动态及超声无损探伤技术的发展新动向.一、复合材料研究动态1.新颖复合材料的研究当前美国的学校与科研单位研究重点是金属基和陶瓷基复合材料.德拉华大学复合材料试验室是国家材料研究试验中心,从78年开始研究金属基复合材料,如Al+SiC晶须,Mg+C纤维等材料.普度大学宇航学院为空军研究了钛基C纤维复合材料及铝合金中间夹Kev.纤维层压板的结构材料.NASA Langley 研究中心展示了硼铝与钛用扩散焊连接的蜂窝结结构.陶瓷     

纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

难切削材料的新的电火花磨削法

目前,一种高效率、低成本磨削耐热钢和金属基复合材料的新的电火花磨削法已开发成功。为适应汽车、飞机轻量化的需要,积极开发、利用多种新材料,如在耐热合金不锈钢SUS304、钛合金、铝中加入铁纤维,或者在铅中混合陶瓷粉构成的复合材料。但是对这些耐热钢和金属基复合材料进行CBN和金刚石砂     

复合材料预成形物三维编织技术

三维编织是一种新型的先进复合材料结构，是完全整体、连续、多向的纤维束网络。本文综述了三维编织技术中的二步法和四步法工艺，并作了对比和分析，为进一步研究编织结构复合材料的成形和性能提供了基础。     

SiC/TC4复合材料轴结构力学性能分析及试验验证

为了对连续纤维增强金属基SiC/TC4复合材料轴结构进行结构完整性研究,利用复合材料力学性能半经验公式、经典层合板理论与层合轴结构本构关系,建立与复合材料轴结构验证模型尺寸相同的有限元仿真计算模型,对连续纤维增强金属基复合材料轴结构在扭转载荷作用下的力学性能及响应进行预测与试验验证;并在验证的基础上对复合材料轴结构进行了力学性能进行了分析。结果表明:仿真计算结果与试验数值之间误差在5.7%以内,说明分析中使用的理论、方法与模型可靠;在复合材料轴结构总厚度4.5mm与铺层数不变的情况下,±45°交替铺层更有利于扭转刚度的提升,且复合材料层位于轴结构厚度的中间时,复合材料轴结构具有更高的结构效率。     

嵌入式中温共固化复合材料阻尼结构制作工艺及层间结合性能

嵌入式共固化复合材料阻尼结构层间易脱层问题的解决对这种新型阻尼结构的应用来说至关重要.本文根据中温固化玻璃纤维/环氧树脂复合材料固化工艺参数,提出用正交实验法研究嵌入复合材料层中的粘弹性阻尼薄膜的组分,探索用刷涂工艺在预浸料表面刷涂不同厚度的阻尼薄膜,然后利用固化工艺制作嵌入式共固化复合材料试件,最后通过阻尼层剪切实验,获得阻尼薄膜厚度与层间最大剪切应力的变化曲线.失效界面分析说明刷涂工艺制成的阻尼薄膜与玻璃纤维/环氧树脂预浸料共固化反应后在层间形成互穿网络结构(IPN)和物理融合,这使得嵌入式共固化复合材料具有更好的层间结合性能.     

连续纤维增强金属基复合材料涡轮轴结构承扭特性分析

为实现对该类复合材料部件结构完整性的设计分析,以连续纤维增强复合材料轴结构为研究对象,对比分析4种细观力学模型计算连续纤维增强金属基复合材料的力学性能参数;在此基础上,采用RVE(代表体积元)有限元模型计算的复合材料力学性能参数作为输入,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学分析模型.计算与对比分析不同材料方案下纤维增强金属基复合材料轴结构在扭转载荷作用下的变形量及承扭能力,当纤维体积分数一定时,方案4的变形量最小,方案2的临界屈曲转矩最大.      

碳纤维增强复合材料结构阻尼性能研究

碳纤维增强复合材料的阻尼性能对所应用结构的动态承载能力、可靠性和安全性有重要影响。复合材料阻尼机理复杂,很难采用理论方法研究。本文基于瞬态激励法原理,设计了悬臂梁振动试验,利用有理分式多项式法提取试样的模态频率和模态损耗因子。分别对603和603A两种树脂基体,各三种T300纤维铺层方向的复合材料试样进行了振动测试,获得了材料1 kHz以内的动刚度和阻尼特性。结果表明,基体材料组分和纤维铺层方向对碳纤维增强复合材料的结构刚度和阻尼性能有重要影响;603A基体的碳纤维增强复合材料具有较603基体材料更好的损耗因子。铺层方向对结构阻尼的影响主要是通过对结构刚度的影响而体现出来的,不同纤维铺层方向的复合材料试样刚度差别很大。     

二维三轴编织复合材料压缩失效行为的细观有限元模拟

为研究典型二维三轴编织复合材料（2DTBC）的压缩破坏机理,建立了细观有限元模拟方法体系。提出了反映编织复合材料真实几何特性的单胞模型建模策略,根据Murakami-Ohno损伤理论建立了各向异性损伤模型来模拟纤维束中的损伤起始和扩展行为,通过引入波动系数描述了纤维束的起伏状态,并采用内聚力单元来模拟界面分层。在此基础上,分析得到了二维三轴编织复合材料在压缩载荷下的破坏过程,研究了压缩载荷下纤维束和界面层的损伤演化,探讨了纤维束波动对压缩性能的影响规律。通过与相关试验结果对比,该模型能够准确预测二维三轴编织复合材料在面内压缩载荷下的力学响应和主要失效行为,以及自由边效应。细观失效过程分析结果表明,二维三轴编织复合材料轴向压缩的破坏是由轴向纤维束的纤维压缩失效主导的;横向压缩破坏则是由偏轴纤维束的纤维压缩失效引起的。     

三维编织复合材料力学性能试验研究

通过单向拉伸试验和三点弯曲试验，从宏观角度研究了三维编织复合材料的力学行为。研究选用了两种增强纤维、两种编织角、两种纤维体积含量等不同工艺参数所组成的16组试样，进行力学性能试验，探寻三维编织工艺参数与力学性能之间的关系，确定适合于编织复合材料的力学性能试验方法。     

硼/铝复合材料的力学性能与界面

本文研究热压工艺对硼纤维以及硼/铝复合材料强度的影响,并探讨纤维与基体间的结合模式。为此目的,用腐刻法从硼/铝复合材料中提取硼纤维,制得不同状态下的硼纤维强度的频率分布图。用X射线衍射与电子探针技术,检测界面附近的组成及元素分布。结果表明,碳化硼(B_4C)涂层有效地阻止硼—铝间的界面反应:硼/铝复合材料的抗拉强度随着界面结合状态的改善而提高;在复合过程中造成纤维降解的损伤,通常发生在纤维局部存在缺陷的地区。     

共固化复合材料粘弹阻尼结构的损耗因子研究

应用基于有限元的模态应变能法研究了共固化复合材料粘弹阻尼结构的损耗因子,同时考虑了粘弹性阻尼材料的频率依赖性和复合材料本身对振动能量的损耗,提出了该类型结构的有限元模型,并通过算例分析验证了该模型;考察了纤维增强复合材料本身的阻尼因素、柔性层的引入以及阻尼层的位置对复合材料粘弹阻尼结构损耗因子的影响,并给出了提高此类结构损耗因子的途径。     

一种新的三维四步编织复合材料几何模型及其在宏观弹性性能预测中的应用

 为了准确预测三维四步(1×1)编织复合材料的宏观弹性常数,提出了一种考虑纤维束三维几何结构和纤维束与基体相互作用、便于有限元网格划分的单胞几何模型,该模型精确地反映了纤维体积比。以该几何模型为基础,用六面体单元分别对纤维束和基体进行了网格划分,满足了纤维束与基体界面间的位移连续条件。采用有限元模型计算了编织复合材料的宏观弹性常数,与其他计算结果和实验结果的比较表明,该几何模型和有限元模型比较合理。     

不同织构纤维增强SiC基复合材料的抗损伤性能

以四种织构纤维编织体(2.5D,三维四向,三维五向,三维六向)增强的SiC基复合材料为研究对象,研究不同织构纤维编织体损伤给复合材料结构带来的影响,并从纺织学角度分析此种现象.结果表明,2.5D织构纤维编织体结构整体性较好,在表层纤维受损的情况下,依旧保持良好的三维整体性,所制备复合材料抗损伤性良好.而三维四向、三维五向和三维六向织构纤维编织体结构整体性较差,在表层纤维受损的情况下,纤维编织体的整体性遭到致命破坏,复合材料出现低应力断裂,抗损伤性很差.     

三维编织工艺参数对复合材料拉伸性能的影响

通过一系列的实验比较和分析研究 ,客观地评价了三维编织工艺参数对复合材料拉伸性能的影响。实验结果表明 :三维编织复合材料具有良好的力学性能 ,纤维表面编织角、纤维体积分数和纤维束细度对复合材料拉伸性能有较大的影响     

三维编织碳/酚醛复合材料高温热响应的数值计算

为了准确掌握高温条件下防热复合材料的热响应行为,对基体和纤维束分开建模,利用能量和质量守恒方程,并考虑热解过程中酚醛基体密度和材料热属性的变化,计算高温条件下三维编织碳/酚醛复合材料的热响应行为,预测复合材料温度场和热解度的分布规律,并给出质量损失率、炭层生成位置以及厚度的变化情况。结果表明:加热过程中,三维编织碳/酚醛复合材料的温度分布极不均匀,在加热面上基体温度明显高于纤维束温度,而在材料内部竖向纤维束温度反而高于基体温度;加热开始时炭层没有立刻产生,而是需要一段时间的过渡,在此过渡时间内炭层平均厚度为0。