高性能树脂基复合材料轻质结构3D打印与性能研究

树脂基复合材料轻质结构具有轻质、高性能等优点,广泛应用于航天航空、高速列车和船舶等领域。通过对传统树脂基复合材料轻质结构制造工艺的综述分析,发现传统制造工艺具有过程复杂、周期长和生产成本高等缺陷,限制了树脂基复合材料轻质结构的发展。3D打印是一种先进的零件成形工艺,可实现复杂结构零件的快速制造,为高性能复合材料轻质结构的一体化制造提供了可能。介绍了树脂基复合材料轻质结构3D打印的研究进展,提出了基于连续纤维增强热塑性复合材料3D打印的高性能复合材料轻质结构的一体化制造工艺,并对其性能开展了初步研究。     

石墨烯基磁性吸波复合材料的研究进展

石墨烯作为一种新型碳材料,具有诸多优异性能,在吸波材料研究领域显示出了潜在的应用价值。传统吸波材料由于存在吸收强度弱、吸收频带窄及密度大等缺点,很难达到"薄、宽、轻、强"的性能目标,为获得轻质高效的吸波材料,众多学者将石墨烯与磁性粒子相结合来制备兼具有介电损耗和磁损耗复合材料,既可增强吸波性能,又能降低材料密度,是当前吸波复合材料的研究热点之一。为了推动吸波材料的发展,本文对石墨烯基磁性吸波复合材料的最新研究进展进行了综述介绍。     

具有超疏水宽频吸波性能的磁功能化石墨烯气凝胶

三维“泡沫型”结构石墨烯气凝胶具有高比表面积及独特的多孔结构特性,使其成为了最具发展潜力的轻质宽频微波吸收材料。采用化学还原自组装法构筑含有金属乙酰丙酮络合物的石墨烯水凝胶,经冷冻干燥、原位热解过程成功制备Co磁性纳米粒子修饰的超疏水石墨烯气凝胶(Co@SMGA),通过粉末X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等手段测试表征复合材料的结构和物相组成,基于同轴法测试其电磁参数并利用Matlab模拟反射损耗。实验结果表明：煅烧温度对磁功能化石墨烯气凝胶复合材料的微波吸收性能有重要影响,煅烧温度450℃、超低填充量4 wt%的复合材料具有最优异的吸波性能,其最小反射损耗(RLmin)为-45.3 dB,匹配厚度为2.5 mm时,有效吸收带宽(EAB)达到6.5 GHz。     

高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印

3D打印技术是一种逐层成形的增材制造技术,而纤维增强树脂基复合材料是一种力学性能优异的先进结构材料,结合3D打印的工艺先进性和纤维的材料性能优势,提出新型的纤维增强树脂基复合材料3D打印工艺,为进一步促进两者共同发展与应用提供了可能。综述并分析了纤维增强树脂基复合材料3D打印技术的研究现状与瓶颈,提出了一种连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印工艺,将3D打印丝材制备、3D打印预成型体、3D打印预成型体固化分隔成3个独立的模块,并根据不同模块设计搭建了不同的试验平台及设备,成功制备得到了连续纤维增强热固性树脂基复合材料3D打印构件,还测试得出其(纤维含量为52%)拉伸强度及拉伸模量分别达到1325.14MPa和100.28GPa;弯曲强度及弯曲模量分别为1078.03MPa和80.01GPa;层间剪切强度为58.89MPa。大幅提高了纤维增强树脂基复合材料3D打印成型构件的力学性能。     

新型碳基复合吸波材料的制备及性能研究

在聚丙烯腈(PAN)聚合液中分别加入Fe,nano-Fe和FeC2O4.2H2O,经热处理后制备了三种新型的电磁损耗型碳基复合吸波材料.通过X射线衍射仪(XRD)对复合材料分别进行物相分析,三种复合材料中,Fe元素主要以Fe3O4的形式存在.根据所测得的介电常数和磁导率比较分析了三种碳基复合材料和纯碳材料的吸波性能,结果表明加入Fe和nano-Fe制备的碳基复合材料有效改善了纯碳材料的输入波阻抗匹配程度,提高了微波吸收性能.结果表明,加入Fe和nano-Fe制备的碳基复合材料,涂层厚度分别为1.9和2.2mm时,在12.7～ 18GHz频段内,反射损失值都小于- 10dB,有效吸收带宽为5.3GHz.涂层厚度均增至2.5mm,最小反射损失值分别达到- 46和- 29.8dB,有效改善了纯碳基体输入波阻抗匹配程度,提高了微波吸收性能.     

前沿碳系/铁氧体复合材料的吸波性能研究

采用雷达吸波材料(RAM)是提高飞机隐身性能的一种有效方法。介绍了RAM的吸波机理,简述了膨胀石墨酚醛树脂、石墨烯碳纳米管复合材料、陶瓷基多层纳米碳管复合材料、手性聚苯胺钡铁氧体复合材料、聚苯胺纳米镍铁氧体复合材料的制备方法,并分别比较分析了各个材料的吸波性能。纳米碳系吸波复合材料具有对X波段电磁波吸收作用强、质量轻、耐环境腐蚀的特点。聚苯胺陶瓷基复合材料具有热稳定性强、耐氧化和腐蚀的特点,其突出优势是在高温下,还能保持很高的吸波性能和机械性能。铁氧体复合材料具有电磁性能强、硬度高、化学稳定性高等特点,并且适用于X波段外电磁波的吸收,吸波范围广。     

混杂组元低频吸波阵列层板复合材料的吸波性能

采用电磁仿真运算的方法设计了方形和十字形混杂组元低频吸波阵列,采用模压工艺制备了基于混杂组元低频吸波阵列的吸波层板复合材料。研究了各单组元阵列本征吸波特性随单元结构变化的规律和混杂组元低频阵列本征吸收带的叠加效应。吸波性能测试结果表明,不同形状阵列单元的混杂可以有效拓宽阵列的本征吸收带宽,方形和十字形混杂组元阵列为双峰吸收阵列,吸收峰频率分别为3.1与4.5 GHz。混杂组元低频阵列的引入可以有效改善层板低频吸波性能,5 mm厚吸波阵列层板的反射率在2~6 GHz范围内-4.7 d B,6~16 GHz范围内-7 d B,阵列吸波层板的宽频吸波性能显著优于传统的阻抗渐变型吸波层板,阵列吸波层板力学性能与树脂基复合材料层板相当。     

高性能纤维增强树脂基复合材料3D打印及其应用探索

纤维增强树脂基复合材料具有优异的力学性能,能够实现轻质、高性能结构的制造,但传统的成型工艺过程复杂、成本高,难以实现纤维回收利用,限制了纤维增强树脂基复合材料的广泛应用.3D打印技术是一种新兴的零件成形工艺,将3D打印技术应用于纤维增强树脂基复合材料的制造,为实现复合材料低成本、绿色制造提供了可能性.综述了纤维增强树脂基复合材料3D打印技术研究的发展现状,提出了一种高性能连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺及其回收再制造策略.     

高熵陶瓷:吸波材料设计新策略北大核心CSCD

微波技术的进步促进了电磁防护技术的发展。吸波材料可以将过剩的电磁辐射以热量形式耗散,因此受到了广泛关注。面对复杂的电磁环境,寻找在1~18 GHz频段内兼具强吸收和宽频吸收性能的吸波材料具有重要意义。目前,吸波材料的设计方法主要包括制备纳米复相材料和掺杂改性。通过将介电损耗型和磁损耗型的材料在纳米尺度复合可以实现两种损耗机制的耦合,但制备工艺复杂、纳米填料分散性难以精确控制、高温热稳定性及抗氧化性差等问题是制约纳米复相材料应用的主要因素。超高温陶瓷具有高温热稳定性及抗氧化性好等优点,但阻抗匹配差使其难以作为吸波材料应用。通过设计和制备含有磁性组元的高熵陶瓷可以使超高温陶瓷材料兼具宽频吸收和强吸收的高效吸波性能。采用高熵设计方法可以同时调节导电性和增强磁损耗能力,为导电性良好的介电型吸波材料提供了调控阻抗匹配的新思路。     

航空电磁超材料研究进展及发展建议

电磁超材料是由亚波长微结构周期排列而成的人工复合材料,对电磁波有很强的传导调控作用或吸收作用,在航空武器装备隐身设计领域被广泛研究。本文首先介绍了电磁超材料的概念,综述了电磁调控型超材料、电磁吸收型超材料、主动可调型超材料和智能超材料的最新研究进展;然后介绍了航空电磁偏折超材料、电磁吸收超材料和频率选择超材料的隐身机理及应用研究现状,分析认为隐身机理丰富和可设计性强是电磁超材料有别于传统吸波材料的主要优势。从拓展吸波频谱、增强吸波性能、吸波智能可调三方面对电磁超材料提出发展建议,包括吸波频谱进一步向红外、激光、紫外波段拓展,宽频吸波性能进一步提升,吸波频带智能可调。     

耐高温陶瓷基结构吸波复合材料研究进展

陶瓷基结构吸波复合材料具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化等诸多优点,是解决武器装备热端隐身问题的关键材料,具有重要应用前景和战略意义。本文介绍了陶瓷吸波材料的微观-宏观多级设计方法,综述了掺杂改性碳化硅陶瓷、钡铁氧体陶瓷、聚合物转化陶瓷(PDCs)、3D打印多孔陶瓷及陶瓷蜂窝、连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFCMC)等新型陶瓷基复合材料的最新研究进展,展望了结构吸波一体化的陶瓷基复合材料的发展趋势,提出微观-宏观多级结构设计的纤维增强陶瓷基复合材料将是未来高温隐身材料领域的重要发展方向。     

含超材料的新型蜂窝夹层结构吸波复合材料

研究含超材料的新型蜂窝夹层结构复合材料的宽频吸波性能,分析吸波蜂窝高度和蜂窝介电性能对含超材料新型蜂窝夹层结构吸波复合材料吸波性能的影响规律。结果表明:吸波蜂窝高度增加有利于提升超材料结构单元的吸收效果;超材料吸波结构与吸波蜂窝的匹配效果随着吸波蜂窝介电性能的提升,先提高后降低,当吸波蜂窝介电常数实部介于1.59～1.84、介电常数虚部介于1.31～1.75时,匹配效果最好;引入超材料结构单元后,含超材料新型蜂窝夹层结构复合材料低频1～2 GHz频率范围的平均吸波性能显著提升,同时材料重量得到大幅度降低。     

Fe-Si-Al合金的制备及其微波电磁性能

以高纯Fe、Si、Al粉为原料,采用机械合金化法制备Fe-Si-Al合金粉末.利用X射线衍射仪、扫描电镜和矢量网络分析仪分别研究了机械合金化产物的相结构、形貌和Fe-Si-Al合金吸波材料在1～18GHz内的电磁性能.结果表明:采用机械合金化方法,球磨时间为80 h时制备得到了块状Fe-Si-Al合金粉末,并且得到的Fe-Si-Al合金粉末比原始铁粉具有较低的介电常数实部和虚部,其磁导率实部和虚部也有所增加.Fe-Si-Al合金吸波材料在低频具有优异的吸波性能,吸波材料厚度为3 mm时,在2～4 GHz频段内具有较低的反射率,在3 GHz处的最小反射率为-16 dB.随着厚度的增加,Fe-Si-Al合金吸波材料的最大吸收峰由高频向低频移动,同时吸收峰的宽度变窄,最小反射率减小,吸波能力增强.     

含镀金属碳纤维谐振子复合材料的成形技术及其电磁性能

研究采用红外辐照中温固化成形技术制备含有镀金属碳纤维谐振子（ＭＣＦｓ）的树脂基电磁功能复合材料，用微波矢量网络分析仪测试了复合材料的基本电磁性能。试验表明，含有ＭＣＦｓ的复合材料在作为厚度薄、重量轻的微波吸收复合材料时具有良好的设计性能。     

石墨烯增强Fe3O4/乙基纤维素复合微球吸波性能

多元复合材料有利于实现高效、轻质、宽频的吸波效果，在航空航天领域具有重要的研究与应用价值。通过乳化反应制备了以乙基纤维素(Ec)为骨架的还原氧化石墨烯(rGO)-Fe₃O₄/Ec复合微球，采用X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)和矢量网络分析仪(VNA)对复合微球的物相结构、微观形貌和电磁性能进行表征与分析。结果显示复合微球内部通过Ec与rGO、Fe₃O₄有序组合，Ec形成丰富的多孔结构，增强了微波多重反射和散射。当rGO含量为6.6wt%、厚度为1.8 mm时，在14.32 GHz处达到最小反射损耗(-30.35 dB)，有效吸收频宽为4.88 GHz(12.24～17.12 GHz)。     

石墨烯增强铝基纳米复合材料研究进展

石墨烯以其优异力学、物理性能以及独特二维结构成为铝基复合材料的理想纳米增强相.金属基纳米复合材料制备技术快速发展,促进了石墨烯增强铝基纳米复合材料在结构和功能材料领域中的广泛研究.石墨烯在铝基体中的分散以及石墨烯/铝的界面控制问题具有重要科学研究和工程应用价值.重点介绍石墨烯增强铝基纳米复合材料最新研究进展,主要包括石墨烯增强铝基纳米复合材料的分散和冶金成型技术及其结构表征和力学性能研究.实验表明石墨烯能够显著提高铝基体力学性能,但作者认为通过优化工艺参数、改善微观结构和控制结合界面能够进一步优化材料性能.此外,为实现工程应用,还需加强石墨烯增强铝基复合材料的腐蚀性能和热、电性等物理性能研究,并突破材料的低成本、大规模制备技术.本文还基于石墨烯独特二维结构和表面状态,对石墨烯的增强增韧机制进行了深入讨论.     

复合型雷达吸波材料结构优化设计的数值计算

基于多层复合型雷达吸波材料的设计要求构造了多目标优化的模型,将基本遗传算法(SGA)改进为自适应-混合遗传算法(MAHGA),通过数值计算为多层雷达吸波材料的结构优化提供了依据,依据计算结果制备了多层复合雷达吸波材料并进行了反射率和电磁参数测试实验,实验结果与计算结果吻合较好,复合材料具有良好的吸波性能,在8~18GHz低于-10dB的带宽可达7.8GHz,最大衰减量为-34.6dB,总厚度为3.5mm。     

双损耗Al2O3基多孔吸波材料的制备及其吸波性能

基于片状Al₂O₃陶瓷互锁结构强度高的特点,制备出夹杂石墨的高气孔率的Al₂O₃多孔陶瓷,并通过原位还原在多孔骨架中制备出Ni微粒,形成一种轻质的双损耗陶瓷基吸波材料。通过XRD、FE-SEM和EDS研究了还原温度对多孔吸波材料的组成、微观形貌、元素分布和吸波性能的影响。结果表明,还原温度升温至700 ℃可将多孔网络中Ni完全还原,形成以堆叠互锁Al₂O₃为基,夹杂片状石墨和孔表面覆盖Ni微粒的双损耗轻质吸波材料。当复合材料厚度为6.5 mm时,最小反射损耗为-35.01 dB,有效吸收带宽达到1.75 GHz。片状Al₂O₃锁定的石墨片构筑的导电网络,Ni微粒与基体之间的极化效应等共同促进复合材料良好的微波吸收性能。     

增材制造——面向航空航天制造的变革性技术

增材制造技术在航空航天应用方面具有单件小批量的复杂结构快速制造优势,未来将向着设计、材料和成形一体化方向发展。分析了增材制造在航空航天领域应用发展的3个层面,以航空发动机涡轮叶片增材制造、高性能聚醚醚酮（PEEK）及其复合材料、连续纤维增强树脂复合材料及太空3D打印为主题,介绍了增材制造技术国内外以及西安交通大学的研究状况。涡轮叶片应用增材制造工艺可以有效提高效率降低成本,未来向高性能的高温合金和陶瓷基复合材料增材制造技术发展。高性能轻质聚合物PEEK及其复合材料增材制造在高力学性能结构件、吸波功能件的成形中得到应用,将改变现有的设计与材料,推动结构与功能一体化发展。连续纤维复合材料增材制造将带动无模具纤维复合材料成形的新发展,在太空3D打印将改变未来航空航天制造模式。增材制造技术将给航空航天制造技术带来变革性发展。     

纳米复合镍粉雷达吸波涂层研究

采用机械化学法将纳米SiC包覆在镍粉表面制备复合吸波材料,将该材料喷涂在基体上制备吸波涂层,并研究了SiC在复合材料中的含量变化对涂层吸波性能的影响.研究表明,SiC含量为10%时,纳米复合涂层的吸波性能最佳.与镍粉吸波涂层相比,该纳米复合涂层中频段的吸波性能明显提高,发射率小于-5 dB的带宽由7 GHz增加到10.4 GHz,涂层最高吸收值达到-23.4 dB.