碳纤维复合材料承力筒长桁预制工艺技术

叙述了某型号卫星碳纤维复合材料承力筒长桁预制件的研制技术。运用介电损耗仪研究树脂基体在固化过程中的性能变化,以确定预浸料吸胶及预制件预压的工艺规范。预制件的成型采用软硬模相结合的方法,所研制的长桁预制件的性能满足了碳承力筒研制总工艺的要求,并通过了碳承力筒的地面力学性能试验。     

环氧树脂电子束固化微观结构及其影响因素

采用扫描电镜对不同固化时间下电子束固化环氧树脂的微观结构进行观察和分析,探讨其形成过程,并研究了树脂分子结构、相对分子质量、树脂体系组分及辐射条件对微观结构的影响. 实验结果表明,环氧树脂经电子束固化后形成片层结构,树脂分子结构和分子量对其固化微结构的影响不大;不同结构、分子量的环氧树脂电子束固化过程中均会经历预聚体结构—圆片网络—圆片形成—圆片增长的生长过程,故其微观结构都呈现圆片状形貌;随着辐射剂量的增加,圆片逐渐增大;存在最佳引发剂用量,使圆片尺寸达到最小.      

厚截面层合板非同步固化的三维有限元分析

建立了描述厚截面复合材料固化压实过程的三维有限元模型并进行了模型有效性验证,计算了400层AS4/3501-6层合板在固化过程中的温度场、固化度、粘性、树脂体积含量和厚度压缩率情况.模型计算结果表明：在固化过程中,层合板的中间层会出现高于保温平台约49K的温度峰值;层合板沿厚度方向的温度和固化度的非同步现象明显;层合板的中部存在明显的局部温度过热和快速固化区域,该区域内的树脂粘性变化剧烈、树脂流动时间缩短,阻碍了该区域及层合板下部的多余树脂流入吸胶膜,并最终导致了固化结束后树脂的不均匀分布,靠近吸胶膜的上表面树脂体积含量约为41%,靠近模具的下表面约为46.5%;层合板的最终固化压实率在15.7%左右.     

不饱和聚酯树脂与双马来酰亚胺的共聚改性

利用双马来酰亚胺(BMI)作为共聚单体与不饱和聚酯(UP)树脂进行共聚反应,使其玻璃化转变温度、弹性储能模量、拉伸和弯曲性能都有大幅度的提高,尤其是70?℃下力学性能有明显改观.利用红外光谱法测定了上述共聚树脂体系中不饱和聚酯、苯乙烯、双马来酰亚胺各自双键的聚合反应程度,分别为70.83%,95.46%和97.69%.实验结果表明由于BMI的参与,大大提高了UP树脂的固化反应活性.试样的断口形貌表明上述共聚树脂呈均相组织结构.     

低黏度环氧树脂硼胺-酸酐复合固化体系研究

为探究低黏度环氧树脂复合固化反应机理,研究了低黏度环氧树脂硼胺-酸酐复合固化体系的流变性能和固化反应过程,分析了硼胺-酸酐复合比例对复合固化体系流变特性和固化反应过程的影响;利用流变学参数确定了复合固化体系的固化起始时间、凝胶时间点及基于阿伦尼乌斯方程的固化反应活化能。研究结果表明,随着硼胺-酸酐复合固化体系中酸酐复合比例的增加,体系固化反应获得促进,其固化起始时间和凝胶点均降低,同时基于阿伦尼乌斯方程的固化反应活化能降低;采用非等温差示扫描量热（DSC）对硼胺-酸酐复合固化体系过程进行分析,结果表明硼胺-酸酐复合固化体系存在相对独立的双放热峰,随着酸酐复合比例的增加,低温放热峰的峰值增大,高温放热峰的峰值减小,且双峰的峰值温度向高温方向移动。根据2种固化剂的固化反应机理分析,环氧树脂硼胺-酸酐复合固化体系中硼胺固化剂和酸酐固化剂既存在相互协同效应又存在相互竞争作用。      

含孔隙缺陷三维五向编织复合材料偏轴拉伸力学性能分析

针对孔隙缺陷对材料力学性能的重要影响,在材料细观模型中引入随机分布的孔隙缺陷,研究了含孔隙缺陷三维五向编织复合材料的偏轴拉伸力学性能。基于2种典型编织角试件,讨论了孔隙率对材料正轴力学性能的影响,通过与实验数据对比,确定了材料的孔隙率。结合周期性边界条件施加偏轴拉伸载荷,获取了不同偏轴角度下材料的应力-应变曲线,并预测了材料的强度性能。模拟了典型偏轴角度下材料的细观损伤起始、演化过程,分析了材料的失效机理,为其他复合材料结构孔隙缺陷问题及偏轴载荷问题数值分析提供了一定的参考。      

双酚B型氰酸酯的制备与性能

研究了碱性催化法合成非晶态双酚B型氰酸酯的制备工艺,利用红外光谱(FTIR)、核磁共振(NMR)、热分析(DSC)、流变仪等方法分析了双酚B型氰酸酯的结构性能和工艺特性,研究和测试了树脂固化物介电性能、耐热性能和力学性能.研究结果表明,制备的双酚B型氰酸酯纯度高,200 ℃时的凝胶时间在100 min以上;该型氰酸酯具有较低的粘度(η_25℃=470 mPa·s,η_40℃=210 mPa·s),适于室温树脂传递模塑(RTM,Resin Transfer Molding)成型工艺;250 ℃固化后的介电常数为2.75,介质损耗角正切0.007(10 GHz),玻璃化转变温度299 ℃,弯曲强度174 MPa,模量3.2 GPa,综合性能优异.     

不同通道中气泡的形态变化及运动条件分析

孔隙是影响复合材料性能的主要因素之一,为了消除孔隙,提高产品质量,对复合材料成型过程中气泡运动特性的研究是十分必要的.利用预浸料片层模拟系统,考察了气泡在不同运动通道中穿出的形态变化过程;分析了外加压力、树脂粘度、气泡大小、网格面积等因素对气泡穿出行为的影响;同时提出了气泡穿出的约束条件.研究结果表明,随着树脂粘度的增加,气泡体积和空隙面积的减少,气泡穿出所需的临界压力将逐渐增大.该研究结果将为热压成型过程中气泡运动模型的建立提供实验依据.      

BP神经网络预测复合材料热压罐成型均匀性

复合材料热压罐成型过程中的固化度差值是复合材料固化度均匀性的主要表征参数之一。基于3层BP神经网络,以复合材料双平台固化工艺曲线的加热速率、保温时间和保温温度为输入参数,建立了成型过程任一时刻最大固化度差值的快速估算模型。仿真复合材料热压罐成型过程,得到最大固化度差值作为试验样本数据,对BP神经网络进行训练,训练结束后对该模型的准确性进行验证。结果表明:该BP神经网络估算模型准确性和效率较高,为复合材料热压罐成型最大固化度差值的估算提供了一种快速有效的新方法。      

碳纤维复合材料C形结构热隔膜成型工艺

采用自行设计的热隔膜成型工艺实验装置,制备了C形结构碳纤维复合材料预成型体,测试了成型过程中预成型体和模具温度的变化规律,并考察了成型温度、预成型体尺寸对C形预成型体表面质量和内部缺陷的影响.结果表明:热隔膜成型过程中,采用模具预热的方法与红外灯辐射相配合,可保证预浸料温度的分布均匀性;成型温度过低时,预浸料粘性大、层间滑移能力差,导致预成型体拐角处出现纤维褶皱,并且内部孔隙偏多;预成型体的外形尺寸与模具尺寸接近,则预成型体易受隔膜架桥、变形量过大影响而出现翘曲等缺陷,因此预成型体与模具之间的尺寸比例应控制在一定范围内.     

复合材料开孔层压板压缩长期强度预测

Accelerated testing methodology (ATM) predicts long-term strength in low temperature with short-term in high temperature, which is based on the viscoelasticity of matrix and the time-temperature superposition principle (TTSP). The strain invariant failure theory (SIFT) was modified by using micro maximum strain criteria to judge fiber tensile and compressive failure. Master curve of storage modulus of epoxy resin and the time-temperature shift factors were tested from dynamic mechanical analysis(DMA). Master curves of SIFT critical parameters were constructed by tension and compression test for unidirectional carbon fiber reinforced plastics (CFRP) under various temperatures with the time-temperature shift factors of matrix resin. Long-term compression strength of open-hole composite laminates was predicted based on SIFT/ATM combined method. The damage process of fiber and matrix was simulated by progressive damage analysis as well. Good agreement between numerical results and experiments was observed, which demonstrates the applicability of this method.     

碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究

为了研究高应变率载荷对于碳纤维增强树脂基复合材料变形破坏行为的影响,通过应变率修正式对复合材料的刚度与强度进行修正,建立了可考虑应变率效应的复合材料损伤数值模型,采用该模型对不同应变率条件下层板结构的面内破坏行为进行了模拟并与文献实验进行了对比分析。计算结果表明:本文所构建的数值模型可以有效预测树脂基层板结构在不同应变率条件下的破坏特征,并在材料刚度与强度硬化现象的预测方面有着较高精度;对于0°、90°铺层主导的试件,由于其力学性能近似为线性,数值模型在强度预测方面获得了较高精度;而对于±45°铺层主导试件,其在不同应变率条件下表现出较强的非线性损伤特性,因此模型在其强度性能预测方面存在一定误差。     

复合材料的冲击吸能与动态黏弹特性

考察了玻璃纤维、炭纤维、芳纶和UHMWPE纤维复合材料(分别称为GFRP,CFRP,AFRP和DFRP)层板的低速冲击吸能,并采用高载动态热机械分析仪EPLEXOR500分析了其纤维复丝的动态黏弹性的载荷敏感性.结果表明:冲击吸能明显受纤维性能及层板破坏模式的影响,呈韧性破坏的AFRP和DFRP的冲击吸能明显高于呈脆性破坏的GFRP和CFRP.在动态热机械分析中,静载增大使得储能模量升高但损耗角正切减小,动载增大时正好相反,且在这些影响中有机纤维复丝动态黏弹性较无机纤维复丝表现出更显著的载荷敏感性和非线性.4种层板的吸能大小与其纤维复丝储能模量载荷敏感性的强弱以及损耗角正切大小的顺序相同:DFRP>AFRP>GFRP>CFRP,反映出材料宏观冲击性能与表征其微观结构特征的黏弹性能的相关性.      

混杂纤维复合材料轴向剪切模量的预测

为混杂纤维复合材料有效轴向模量的计算发展了一个能够考虑纤维截面影响的广义自洽模型:即假定各相纤维的共焦点椭圆柱体细观单元嵌在同一宏观上均匀化的复合材料中.利用解析函数的保角变换与罗朗级数展开,获得了相应问题的封闭解.根据复合材料平均应力与应变关系,获得了预测有效轴向模量的形式简单的代数方程.当各相纤维模量相同时,所得方程退化为已有的预测单相纤维复合材料纵向剪切模量的代数方程.     

纳米改性环氧树脂固化反应及表面与摩擦性能

利用纳米粉末橡胶结合无机纳米氧化铝以改善环氧树脂的表面强度性能和摩擦性能.采用差示扫描量热法(DSC,Differential Scanning Calorimeter)研究了纳米改性环氧树脂的固化反应动力学; 采用动态超微硬度表征了纳米复合材料的表面强度; 评价了纳米改性环氧树脂复合材料的摩擦系数.结果表明, 纳米复合材料与环氧树脂具有相同的固化反应机理, 单一纳米粒子的加入降低了固化反应的表观活化能, 两种纳米粒子的复配使用增加了固化反应的表观活化能.纳米粒子使固化反应程度下降, 导致固化反应热显著下降.复配使用纳米氧化铝和纳米粉末橡胶能够改善环氧树脂复合材料的摩擦系数、表面硬度和弹性模量, 实现了对表面强度性能和摩擦性能的优化.     

基于理想界面的均匀化方法

评述了分析单向纤维增强复合材料及纺织复合材料宏观等效弹性性能的有代表性的力学模型,指出了各力学模型的特点.针对经典力学模型分析结构复杂的纺织复合材料的力学性能的局限性,直接从组分相的本构方程出发,分别将应力、应变张量在相间界面分解成互相正交的2个部分:面内分量和面外分量. 在理想界面条件下,考虑了纤维与基体的相互作用,建立了基于理想界面的均匀化方法.选取CCA模型分析了单向纤维增强复合材料的弹性性能,得到了满意的结果.     

航空用国产碳纤维/双马树脂复合材料湿热特性

针对1种航空用国产T700级碳纤维和4种双马树脂（QY9611、5429、QY9512、QY8911-4）,采用3种湿热条件（100℃水煮、70℃水浸、70℃/85%相对湿度）对其复合材料单向层板进行湿热处理,通过研究吸湿量、扩散系数、显微结构、化学成分、耐热温度及力学性能,分析了复合材料的湿热特性。结果表明,4种复合材料在3种湿热条件下的吸湿行为均符合Fick第二扩散定律,100℃水煮时平衡吸湿量和扩散系数最大,70℃/85%相对湿度时两者最小。4种复合材料吸湿速度有明显区别,这与其原材料形式和成型工艺不同有关。湿热处理未导致复合材料内部产生损伤和化学变化,主要引起增塑效应,导致玻璃化转变温度降低。复合材料的90°拉伸性能测试结果表明,高温和吸湿耦合作用下复合材料力学性能衰减更为明显,破坏模式由基体开裂转变为界面脱黏和开裂。      

微珠提高玻纤/环氧树脂抗原子氧剥蚀的研究

采用一种新的抗原子氧剥蚀技术来提高航天器用玻璃纤维/环氧树脂复合材料抗原子氧剥蚀的性能,即在玻璃纤维/环氧树脂中加入不与原子氧反应的超细空心微珠颗粒制备出能抗原子氧剥蚀的复合材料.通过对空心微珠/玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备和原子氧剥蚀效应地面模拟试验,发现空心微珠的加入可以有效提高玻璃纤维/环氧树脂抗原子氧剥蚀的性能,在60 h的原子氧试验中,加有空心微珠的复合材料的原子氧剥蚀率可以减小到未添加空心微珠材料时的11％.