自动铺丝最小间隙路径规划与复合材料锥壳结构制造

自动铺丝技术（AFP）是提高复合材料构件制造效率和降低其制造成本的关键技术和重要手段。铺放轨迹的设计是控制自动铺丝工艺质量的关键。对于复杂的结构形式,合理的铺丝路径对保证可制造性及铺贴质量至关重要。本文针对简化后的后机身锥壳特征结构,研究了基于固定角法、测地线法和变角度法的自动铺丝轨迹算法设计,解决了铺放复杂曲面满覆盖问题;总结对比获得了不同铺丝轨迹方法的特点和适用范围。以保证工艺性并满足结构设计铺层方向为原则,选用了带宽为6.35 mm的自动铺丝预浸料完成工艺验证件制造,并通过有限元分析评估了自动铺丝轨迹算法的合理性。结果表明：该结构宜采用测地线法铺放0°方向铺层以减少褶皱;采用固定角法铺放90°方向铺层能够保证连续铺放;采用结合预浸窄带侧弯试验结果的变角度轨迹规划方法铺放此锥类构件±45°方向铺层能够保持最小间隙。铺丝间隙使锥壳结构单层等效模量下降约30%,整体强度下降约10%。因而在结构优化设计时需考虑自动铺丝工艺对安全裕度影响的因素。     

基于碳纳米管薄膜的复合材料层间增韧

通过浮动催化化学气相沉积法制备连续碳纳米管薄膜,并将其原位沉积到单向碳纤维织物表面,手工铺层后借助真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）工艺制备碳纳米管-碳纤维/环氧树脂复合材料层压板,研究不同面密度的碳纳米管薄膜对层压板Ⅱ型层间断裂韧性的影响。结果表明,随着碳纳米管薄膜面密度的增加,层压板Ⅱ型层间断裂韧性先逐渐提高,当碳纳米管薄膜面密度为9.64 g/m²时,层压板Ⅱ型层间断裂韧性最佳,与原始层压板相比提高了94%。碳纳米管通过桥接树脂裂纹、从树脂中拔出等方式提高层间断裂韧性。当碳纳米管面密度超过临界值时,会引起树脂浸润困难,导致增韧效果降低。     

纤维复合材料刚度设计的力学原理及其应用

针对航空用纤维复合材料,基于纤维与基体的协调变形规律和材料应变能密度的计算,导出了纤维复合材料的刚度表达式,研究了刚度矩阵的基本力学特性,给出了复合材料刚度矩阵元素与基体材料的刚度、纤维束的刚度及铺设方向的关系,提供了平面铺层和三维取向纤维复合材料的基本刚度设计公式和设计方法。最后给出工程应用设计方法的几个具体例子,并与其他理论和实验结果进行了对比。研究结果表明,在考虑材料制备工艺缺陷造成的刚度折减后,本文提出的设计公式及方法可应用于纤维复合材料的优化设计。     

新一代大型客机复合材料

 大量采用复合材料结构是新一代大型客机机体结构设计的突出特点,用量已达结构重量50%。复合材料结构不仅带来了明显的减重效益,而且带来了结构耐腐蚀、疲劳和维护等性能的改善提高。波音787飞机人性化设计的全复合材料机身使乘坐舒适性和便利性得到显著改善。民机复合材料结构技术重点研究解决了复合材料自然环境老化、大型翼面壁板整体成型、机身大开口区载荷重新分布和应力集中、地面维护装备冲击损伤、健康检测等关键技术问题,并且建立了以中模高强碳纤维/韧性环氧树脂复合材料热压罐成形工艺为主的大型客机复合材料结构材料体系。对复合材料机翼和机身结构的设计和工艺关键技术问题做了较为详尽的介绍。     

碳/碳复合材料表面纳米HAp/壳聚糖生物复合涂层的制备

以声化学法合成的纳米羟基磷灰石(HAp)为起始原料,以异丙醇作为分散介质,采用水热电泳沉积法在经壳聚糖(CS)溶液改性后的碳/碳复合材料(C/C)表面沉积纳米HAp/CS生物复合涂层.重点研究了水热条件下沉积电压对复合涂层的晶相组成、形貌和结构的影响规律.采用X-射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶变换红外光谱分析仪(FTIR)和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对所制备的涂层进行表征.结果表明:随着沉积电压的升高,涂层更加致密和均匀;同时水热环境有利于纳米HAp晶粒的生长,制备出的HAp/CS复合涂层不需要后续热处理.     

石墨纤维/改性氰酸酯复合材料的应用研究

采用环氧树脂对4,4-二氰酸酯基二苯基丙烷(BADCy)进行共聚改性,通过DSC分析,确定了固化工艺参数,并与石墨纤维(UHMCF)复合制成单向板,测试了不同后处理温度制得的单向板力学性能,并与现用UHMCF/树脂基复合材料单向板的力学性能进行了比较,测试了UHMCF/改性氰酸酯的空间环境性能;制备了UHMCF/改性氰酸酯结构件,测试其性能,并与现用UHMCF/树脂基复合材料同类结构件的性能进行了比较。结果表明:UHMCF/改性氰酸酯不论是单向板还是结构件的性能均优于现用UHMCF/树脂基复合材料的性能,且满足空间环境对航天器结构材料性能的要求。     

原位合成TiB_2/6351复合材料热压缩变形特性

采用Gleeble-1500D热模拟试验机对原位合成TiB2(质量分数,8%)/6351复合材料在不同变形温度和不同应变速率条件下的热变形特性进行了研究,利用透射电镜(TEM)和光学显微镜分析了压缩后试样的微观组织.结果表明, 材料的流变应力随变形温度的升高而降低,随应变速率的提高而增大;材料的流变行为主要表现为加工硬化、动态回复和动态再结晶;相应的显微组织特征为:位错网络、混乱的位错团和胞状结构,亚晶及等轴晶.在应变速率和变形温度均较低时,增强体颗粒周围的基体中形成高密度位错区,但随变形温度的升高而减少;在应变速率较高时,增强体颗粒和基体的界面处开裂甚至增强体颗粒本身发生破碎.     

Effect of interface debonding on matrix multicracking evolution of fiber-reinfroced ceramic-matrix composites

An analytical methodology was developed to investigate the effect of fiber/matrix interface debonding on matrix multicracking evolution of fiber-reinforced CMCs(ceramic-matrix composites). The Budiansky-Hutchinson-Evans shear-lag model was adopted to analyse the micro-stress field of the damaged composites. The critical matrix strain energy criterion, which presupposes the existence of an ultimate or critical matrix strain energy with matrix, was obtained to simulate the matrix multicracking evolution of CMCs. With the increase of the applied stress, the matrix multicracking and fiber/matrix interface debonding occurred to dissipate the additional energy entered into the composites. The fiber/matrix interface debonded length under matrix multicracking evolution was obtained by treating the interface debonding as a particular crack propagation problem. The conditions for no-debonding and debonding during the evolution of matrix multicracking were discussed in terms of two interfacial properties, i.e., the interface shear stress and interface debonded toughness. When the fiber/matrix interface was bonded, the matrix multicracking evolution was much more intense compared with the interface debonding; when the fiber/matrix interface was debonded, the matrix crack density increased with the increasing of interface shear stress and interface debonded energy. The theoretical results were compared with experimental data of unidirectional SiC/CAS(calcium alumina silicate), SiC/CAS-Ⅱ and SiC/borosilicate composites.      

复合材料加筋壁板的两步优化法

通过采用辅助层压板和添加极小弹性模量材料的复合材料加筋壁板有限元建模方法,应用MSC．PAT－RAN／NASTRAN的参数化建模与遗传算法相结合的复合材料加筋壁板的两步优化方法,对复合材料T型加筋壁板进行了从2000 N／mm到6000 N／mm压缩载荷下的结构优化分析。提出的基于参数化模型和遗传算法的复合材料加筋壁板的两步优化法分为壁板级优化和层压板级优化两部分,在壁板级优化得到最优的结构尺寸参数,在层板级优化得到最优的层压板铺层顺序。     

Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型开裂性能预测

基于Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型断裂韧性的试验结果、Z-pins增强机理,提出了Z-pins拔出的单线性软化模型.重点考虑了Z-pins直径范围内拔出位移的不一致性,在简单双悬臂梁（DCB）理论的基础上,获得了Z-pins增强陶瓷基复合材料层间Ⅰ型开裂性能的分析预测模型,预测结果与试验结果吻合较好.在此基础上,采用预测模型获得了不同Z-pins直径、裂纹长度下的裂尖能量释放率,并与理想弹簧元法进行了比较.结果表明:当裂尖靠近Z-pins时,随着Z-pins直径增大,两种方法所得的裂尖能释放率的差异逐渐增大,但总体来说差异的量级很小;随着裂纹长度的增加,裂尖逐渐远离Z-pins,两种方法所得的裂尖能释放率的存在较大的差异,不能忽略Z-pins直径范围内拔出位移不一的影响.