内嵌聚偏氟乙烯热塑层的纤维增强热固性复合材料管压缩性能测试评价EI北大核心CSCD

内嵌聚偏氟乙烯(PVDF)表面粗糙度、增强层厚度和缠绕角度是影响内嵌PVDF热塑层的纤维增强热固性复合材料管压缩性能的重要因素。以24 mesh石英砂表面喷砂处理后的内嵌PVDF管为芯模,采用湿法缠绕技术制备不同结构参数的复合材料管。采用压缩实验测试分析如上3种因素对复合材料管压缩性能的影响,并分析其破坏模式与失效机理。结果表明,PVDF经24 mesh喷砂处理后制备的复合材料管压缩强度提高了34.6%,压缩模量减小了46.2%;随增强层厚度的增加,压缩强度逐渐减小后趋于稳定,压缩模量先减小后增大到最大值;随缠绕角度的增大,压缩强度和压缩模量逐渐减小。     

内衬聚偏二氟乙烯热塑功能层的玻璃纤维复合材料缠绕管弯曲性能测试评价

增强层缠绕角度和聚偏二氟乙烯(PVDF)表面粗糙度是影响内衬PVDF热塑功能层的玻璃纤维复合材料缠绕管弯曲性能的重要因素。采用3种规格的石英砂对PVDF管进行喷砂处理以获得不同的表面粗糙度,以PVDF管为芯模,采用湿法缠绕制作复合材料管。采用四点弯曲测试方法,测试分析如上2种因素对复合材料管弯曲性能的影响。结果表明,PVDF内衬层经过24mesh喷砂处理后,随者缠绕角度的增大,缠绕管的弯曲强度逐渐减小,而曲率半径先增大后减小,其中采用[+45/-45]4缠绕结构的复合材料管曲率半径最小。随喷砂颗粒增大,复合材料管弯曲强度和曲率半径略有增大,弯曲失效后刚度退化趋于缓慢。     

混杂比对单向碳-玻层间混编复合材料0°压缩和弯曲性能的影响

本文研究了相同铺层方式下不同混杂比对单向碳-玻(碳纤维-玻璃纤维)层间混编复合材料的0°压缩和弯曲性能的影响。以碳-玻层间混编形式向纯玻纤织物中混入碳纤维,对复合材料的0°压缩强度、0°压缩模量、弯曲强度和弯曲模量均有一定的提高作用,三种碳纤混杂比不同的复合材料0°压缩强度较纯玻纤结构分别提高了22.72%、26.95%、11.43%,混杂比不同所导致的试样破坏程度也各不相同。混杂复合材料0°压缩模量随碳纤含量增加逐渐增大。三种碳纤混杂比复合材料弯曲强度基本一致,而弯曲弹性模量随碳纤含量增加逐渐增大。     

炭纤维复合材料及与钢内衬复合管状件轴向压缩性能研究

研究了不同材料体系、不同工艺条件制备的炭纤维复合材料管状件轴向压缩性能以及钢内衬外加炭纤维复合材料复合管状件的动态和静态压缩性能对比,结果表明,采用单向预浸料纵向(或轴向)铺层与纤维缠绕相结合的成型工艺较纤维缠绕工艺制备的管状件轴向压缩强度更高;钢内衬外加复合材料复合管状件的动态轴向压缩强度明显高于静态压缩强度,钢内衬...     

复合材料干纤维增强回转体结构缠绕线型设计

复合材料干纤维缠绕增强结构可解决纤维缠绕树脂基复合材料结构耐冲击性差、低温环境树脂易失效等问题。干纤维增强结构缠绕过程中,纤维束重叠、压缩导致干纤维缠绕增强层各处厚度不一,会对缠绕线型稳定性产生影响。为满足缠绕线型稳定,研究了测地线干纤维缠绕增强层厚度变化及分布规律,分析了纱带宽度、极孔尺寸及芯模结构等参数对增强层厚度的影响,考虑芯模厚度的变化,逐层更新干纤维缠绕增强结构数学模型,进行了缠绕轨迹计算,获得测地线缠绕线型。缠绕实验表明：理论仿真获得的复合材料干纤维缠绕增强容器增强层厚度准确,缠绕线型稳定,无滑纱现象,验证了纤维厚度与缠绕轨迹计算方法的可行性和干纤维增强层厚度仿真的正确性。     

多角度交替缠绕复合圆筒的剩余应力算法及水压试验

针对含薄壁钢内衬碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）多角度交替缠绕复合圆筒的剩余应力计算问题,基于正交各向异性材料的厚壁圆筒理论和弹性叠加理论,提出了考虑卸去芯模影响的多角度交替缠绕下CFRP各层和钢内衬剩余应力的逐层叠加算法,研究了恒缠绕张力下,芯模厚度和螺旋层缠绕角对CFRP各层和钢内衬剩余应力的影响。计算表明：芯模厚度越大则CFRP层剩余应力越低,但芯模厚度过大将减弱缠绕张力对钢内衬的强化效应;螺旋层缠绕角约65°时,环向层剩余应力出现极小值,螺旋层剩余应力和内衬剩余应力均出现极大值。针对缠绕张力对钢内衬的强化效应,通过水压试验加载过程中钢内衬声发射特征与复合圆筒外壁应变测试,测得的钢内衬屈服载荷与理论预测值一致,基本证实了算法的有效性。为提高CFRP层缠绕质量,基于等剩余应力假设,提出了多角度交替缠绕张力制度优化设计思路,适用于内压管的张力制度优化。     

复合材料横向压缩性能的研究

本文考察了由两种力学性能不同的基体制备的玻璃纤维、碳纤维和碳/玻混杂纤维复合材料的横向压缩性能及破坏特征,导出了估算复合材料横向压缩强度半经验公式,其估算值与实测值比较吻合。      

湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料梁阻尼特性的细观力学分析

基于复合材料细观力学,利用能量耗散原理及宏观应变能法建立了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料层合梁的阻尼预测模型。利用MATLAB软件编写了湿热环境下玻/碳纤维混杂复合材料损耗因子的计算程序,研究了纤维铺设角度、体积分数、铺层顺序以及湿热效应对玻/碳纤维混杂复合材料层合梁阻尼性能的影响规律。结果表明：湿热环境导致材料产生湿热应变是影响阻尼特性的主要机理;玻/碳纤维混杂复合材料层合梁的损耗因子均随温度及吸水浓度的增大而增大,且温度的影响远大于吸水浓度的影响;纤维体积分数越高,受湿热影响程度越大;铺层角度对损耗因子影响远高于湿热、混杂方式、纤维体积分数的影响。     

复合材料纤维张力缠绕预应力场动态特性

复合材料纤维张力缠绕技术通过提高纤维的张力水平可充分发挥纤维高强、高模优势,在成型过程中对结构进行预紧,成为解决高速转动部件径向变形大、界面强度低等问题新的有效途径。将每一层纤维的张力缠绕等效为一个含预应力复合材料薄环的叠加,基于正交各向异性复合材料缠绕层和各向同性金属芯模弹性变形理论,建立了纤维张力缠绕力学解析模型,得到芯模和缠绕层预应力场随缠绕层数及缠绕张力的变化规律,并通过复合材料纤维张力工艺试验验证了力学解析模型的正确性。研究发现了纤维张力缠绕中预应力“饱和”现象,并确定了影响张力缠绕预应力场的两个主要参数:缠绕层环径向刚度比E_θ/E_r和张力大小T（r）,为复合材料纤维张力缠绕成型工艺提供理论支撑。      

纤维缠绕复合材料环形容器设计优化(英文)

纤维缠绕环形容器可充分利用空间,节省结构质量和消除系统质心漂移,目前在很多工业领域中发挥着日益重要的作用。本文基于复合材料层合理论和测地线缠绕原理,提出了纤维缠绕环形压力容器的线型优化设计方法。应用微分几何,导出了圆环面上测地缠绕轨迹和纤维不架空判据。以初始缠绕角和缠绕层厚度为变量,对结构重量进行最小化设计,得到了对应于不同管径比的优化缠绕线型。对优化线型进行了计算机缠绕仿真,并给出了缠绕铺层的各向正轴应力分布。结果表明,优化设计的缠绕线型模式精确可靠,满足纤维缠绕的基本要求。纤维缠绕角度大小更趋于合理,从而能充分发挥缠绕结构的力学性能,减经系统重量,使优化得到的环形容器结构性能比传统测地线缠绕环形容器有很大提高。本文的设计计算方法可直接用于复合材料环形气瓶的初步设计。     

碳纤维-玻璃纤维层内混杂单向增强环氧树脂复合材料拉伸性能

采用不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维层内经向混编单轴向织物制备了混杂纤维增强环氧树脂复合材料, 研究了不同混杂结构和不同混杂比的碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料拉伸性能的变化及破坏形式。0°拉伸结果表明:同种混杂织物的不同混杂结构中, 碳纤维相对集中的完全对齐结构强度最高, 不同混杂比织物的完全对齐结构强度相当;碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的模量遵循混合定律。90°拉伸结果表明:纤维与树脂间的界面结合强度为碳纤维/树脂>玻璃纤维/树脂, 碳纤维-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的强度、模量与材料厚度方向上界面的不同形式(单一或交替界面、碳纤维或玻璃纤维的分布位置等)有关, 与碳纤维的含量基本无关。      

纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮的预应力简化分析

在纤维束缠绕时施加张紧力,使得固化成型后的飞轮内部形成一定的预加径向压应力,这是提高飞轮径向强度的有效方法之一。基于过盈配合的思想建立了计算张紧力缠绕导致的复合材料飞轮内部预应力和变形的简化模型和方法。通过算例分析发现:等张力缠绕产生的环向应力在半径方向上先减小后增大,径向压应力不断变小;变张力缠绕过程中,张紧力由小逐渐变大时,飞轮的径向压应力增大,径向强度提高;飞轮设计中仅仅依靠张紧力缠绕是不够的,还必须和固化成型后的厚壁筒之间的过盈套装一起来设计合理的径向预加压应力。     

考虑纤维体积含量变化的纤维缠绕厚壁柱形结构的等强度设计

纤维缠绕厚壁柱形管道或容器在缠绕张力作用下会使缠绕纤维层的应力状态不断变化,形成沿壁厚力学性能非均匀的结构。依据缠绕过程中的纤维束应力状态分析和纤维束本构关系,获得了纤维体积含量与所受应力状态的关系。基于正交各向异性本构关系和双层筒模型的离散叠加法,建立了给定缠绕张力确定纤维缠绕厚壁柱形结构剩余张力的计算方法,并计算了等张力缠绕纤维层的纤维体积含量沿壁厚的分布。利用Tsai-Wu失效准则研究了纤维体积含量非均匀的厚壁柱形结构的纤维层强度。研究表明:缠绕工艺使内层纤维体积含量和强度均略高于外层,纤维缠绕厚壁柱形结构的强度分析和设计时应考虑这种影响;利用变化的缠绕张力设计可以实现强度比沿壁厚的均匀分布。     

纤维缠绕聚合物基复合材料压力容器的可靠性设计

为对纤维缠绕聚合物基复合材料( FWRP) 压力容器进行可靠性设计和安全测评, 引入可靠性理论; 应用统计学原理, 以同一失效概率为标准进行FWRP 压力容器结构设计, 以取代目前应用的传统安全系数法设计。根据国家标准制备8 个玻璃纤维缠绕复合材料( GFWRP) 压力容器, 通过实验获得纤维强度、缠绕角、几何尺寸、爆破压力等随机变量特征值。GFWRP 压力容器结构可靠性设计值(纤维缠绕壁厚) 与实验结果基本吻合, 并明显小于传统安全系数法设计值。通过对不同纤维强度随机分布可靠性设计理论计算结果的比较, 确知纤维强度的离散程度是FWRP 压力容器可靠性设计的重要影响因素。传统安全系数设计法只考虑纤维强度(均值) 大小, 而无视纤维强度随机分布特征值对FWRP 压力容器结构抗力的影响, 显然是不合理的。可靠性设计实现了安全性与经济性的有效统一。      

一种氰酸酯-环氧树脂作为卫星结构件复合材料基体的评价

制备了氰酸酯树脂质量分数为75%的氰酸酯-环氧树脂（CE75）及高模碳纤维增强CE75（CF/CE75）的复合材料,研究了该树脂的工艺性,确定了其固化制度,考察了树脂的耐热性和力学性能,并在模拟空间环境条件下,考察了高模CF/CE75复合材料管件的力学性能和真空逸气性能。试验结果表明,CE75树脂具有良好的工艺性,适合湿法缠绕成型工艺。CE75树脂固化物表现出良好的耐热性,其玻璃化转变温度为195.6℃,起始热分解温度为368.6℃。高模CF/CE75复合材料抗空间环境性能优异,在真空环境下,复合材料真空逸气性能满足航天标准要求,经冷热循环（-196~130℃）200次后,管件力学性能保持率大于96%。高模CF/CE75复合材料是抗空间环境材料的理想候选材料。     

相容剂对长玻纤增强热塑性聚氨酯弹性体/聚乳酸复合材料性能的影响

采用熔体浸渍工艺制备长玻纤增强热塑性聚氨酯弹性体(TPU)/聚乳酸(PLA)复合材料;以苯乙烯-丙烯腈接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯(SAG)作为相容剂,热塑性弹性体聚氨酯作为增韧剂,聚乳酸为基体树脂,考察苯乙烯-丙烯腈接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯用量对长玻璃纤维增强聚TPU/PLA复合材料性能的影响。结果表明,加入苯乙烯-丙烯腈接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯能改善长玻璃纤维增强聚TPU/PLA复合材料的相容性;长玻璃纤维增强聚TPU/PLA复合材料的拉伸强度、缺口冲击强度、弯曲强度和模量等力学性能及储能模量随着苯乙烯-丙烯腈接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯用量的增加呈先增加后降低的趋势,而长玻璃纤维增强聚TPU/PLA复合材料的损耗因子则随苯乙烯-丙烯腈接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯含量的增加呈现降低后增加的趋势;通过复合材料的形态分析表明,加入相容剂的复合材料中玻璃纤维与基体树脂界面强度增加,且玻璃纤维表面有一层包覆的树脂基体;通过分析得出,当相容剂添加量为6%时,长玻璃纤维增强聚TPU/PLA复合材料的拉伸强度、弯曲强度和模量、缺口冲击强度等力学性能最优。     

聚酰亚胺纤维与碳纤维缠绕复合气瓶性能对比研究

本文主要研究高性能国产聚酰亚胺纤维在复合材料气瓶上的应用,并表征其与进口碳纤维的性能差距.采用国产聚酰亚胺纤维进行缠绕成型工艺优化与复合材料性能测试分析,在测试数据及工艺优化基础上针对其进行了复合材料气瓶的强度设计.分别采用聚酰亚胺纤维、进口T300、T700以及T800碳纤维缠绕成型复合材料气瓶,进行水压爆破压强的测试,并引进声发射检测技术对其在水压过程中的损伤信号进行监测分析.结果表明聚酰亚胺纤维缠绕工艺性良好,与树脂界面结合优异,适用于湿法缠绕成型工艺.复合材料拉伸强度达到1 708 MPa,纤维的强度发挥率高达80%,相比于碳纤维复合材料其呈现出较好的断裂韧性,有利于减少复合材料气瓶在水压下的应力损伤.缠绕成型的聚酰亚胺纤维复合材料气瓶容器特征系数(PV/W)高达32.2 km,其在航空航天、医用、汽车、核工业等领域具有广阔的应用前景.     

高刚度环氧树脂与高模碳纤维的界面相容和性能匹配

自行开发了一种高刚度环氧树脂（5182树脂）,研究了5182树脂的增刚机制、耐热性能和力学性能。结果表明,原位生成的酰亚胺刚性链段及增加的多交联位点提高了5182树脂交联网络的刚性,其玻璃化转变温度达228℃,拉伸模量达到4 375 MPa。采用高刚度5182树脂制备了国产BHM3和东丽M40J高模碳纤维增强高刚度环氧树脂复合材料,考察了高模碳纤维/高刚度环氧树脂单丝复合材料的界面黏结性能和断面微观形貌,并评价了高模碳纤维/高刚度环氧树脂单向复合材料的宏观力学性能。结果表明,由于树脂模量的提高及界面破坏区域由碳纤维表面转移到环氧树脂区,高模碳纤维/高刚度环氧树脂复合材料的界面剪切强度最高达106.8 MPa,宏观力学性能优异,尤其弯曲性能和层间剪切强度大幅提高。      

单向连续碳纤维-玻璃纤维层间混杂增强环氧树脂基复合材料的力学性能

为了研究连续单向纤维的层间混杂方式对复合材料力学性能及破坏方式的影响,采用碳纤维-玻璃纤维体积比为1∶1,以拉-挤成型法制备了具有不同层间混杂结构的连续单向纤维增强环氧树脂基复合材料,并研究了不同层间混杂结构的连续单向碳纤维-玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能及破坏形式。结果表明：具有层间混杂结构的复合材料抗拉强度处于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料之间,复合材料的拉伸断裂方式为劈裂;具有层间混杂结构的复合材料的层间剪切强度均优于纯碳纤维/环氧树脂复合材料和纯玻璃纤维/环氧树脂复合材料,复合材料的剪切断裂方式为层间断裂。