结构储电碳纤维复合材料研究进展

复合材料化是航空、航天、国防、交通等装备结构升级的重要趋势。碳纤维复合材料的力学性能优异,同时兼具良好的导电特性,可用于存储和释放电能,实现结构的承载和储/放电一体化,从而达到材料多功能化和结构轻量化。结构储电复合材料通常是采用碳纤维织物作为电极材料,采用具有结构承载和离子导电的多功能聚合物基体为固态电解质,玻璃纤维织物等作为隔膜材料。本文主要对典型结构储电复合材料进行综述,包括结构电池、结构介电电容器和结构超级电容器,详细阐述了三种结构储电复合材料的组分材料、器件工作原理及多功能特性等。通过对比三种结构储电复合材料,概括了结构储电复合材料所面临的问题和挑战,提出了结构储电复合材料的发展趋势。      

电阻法在单丝碳纤维复合材料体系界面相传载能力评价中的应用

为研究纤维增强树脂基复合材料中界面相应力传递性能差异,对T300碳纤维单丝进行拉伸实验,同步测量碳纤维单丝的电阻和应变对应关系,采集的数据表明二者存在线性关系,通过计算得到其灵敏系数K.然后搭建二维加载平台对斜十字模型进行拉伸,并通过数码偏光显微镜实时观察加载状态下的应力分布,结果表明中心区域应力均匀.在此基础上,将单丝碳纤维电阻测量法和斜十字模型相结合,利用灵敏系数确定斜十字模型中碳纤维与基体的界面相剪切应力,结合电阻法中灵敏系数来确定单丝复合材料体系界面相应力传递效率,结论实现了混合载荷下界面相力学性能的测量.     

碳基复合材料烧蚀性能研究

利用以星型交流电弧加热器为核心的地面模拟系统对碳基复合材料再入过程中的烧蚀性能进行了模拟,并通过材料表面温度测量、图像采集和发射光谱在线检测等手段对烧蚀过程实时监测,为确定碳基复合材料的烧蚀机理,表征材料使用性能及材料优化设计提供必要的理论基础.     

最优化方法在动态载荷时程重构中的应用研究

动态载荷的时程重构是自感知智能化结构研究的重要内容。基于最优化理论提出了一种动态载荷时程的重构方法。首先基于一个模态空间的正向模型，设计一个最优化状态跟踪器并构造出性能指标J，将载荷时程的重构转变成一个两点边值问题的求解。通过求解Riccati矩阵方程实现了多输入、多输出系统的动态载荷时程的重构。相比传统的方法，该方法表现出较高的识别精度和较强的实用性，并通过算例验证了该方法的有效性。     

热压釜成型复合材料波纹梁工艺工时估算

成本估算是目前复合材料领域开发研究的关键问题之一,而工艺工时估算又是制造成本估算的核心。本文中建立复合材料制造工艺工时估算模型,以热压釜成型复合材料波纹梁为研究对象进行理论分析和实验研究,给出此估算模型中估算变量和方程参数的确定方法并应用最小二乘法将所得数据进行拟合,其结果与实验结果基本一致。介绍了估算模型中参数随制件曲度变化的修正方法,为实现不同结构设计的工时估算提供指导。     

开孔金属泡沫有效热导率的理论分析与实验研究

采用能量守恒定律和光学厚近似法,建立了开孔金属泡沫有效热导率的计算模型,分析了温度和压力等因素对传热的影响,并应用高温真空石墨加热炉对开孔金属泡沫的有效热导率进行了实验测量.理论值与测量值基本吻合,各个测量点的平均相对误差<5%,最大相对误差低于10%.结果表明,开孔泡沫金属的有效热导率随温度和压力的增加而增大,在低温情况下(T<100℃),开孔泡沫金属内部的传热机制主要为固体导热;在高温情况下(T>400℃),辐射成为开孔泡沫金属的主导传热机制;在低压下,气体导热可以忽略不计,但随着压力的增大,气体导热加大对传热的影响.     

用均匀化方法预报平纹织物的渗透率

建立了平纹织物的细观结构模型,采用均匀化方法预报了其渗透率,与文献中的实验结果比较验证了本文中方法的合理性,同时还对平纹织物纤维预制体细观结构进行了参数研究。对3种平纹玻璃布预制体进行了渗透率测量,与理论预报进行了比较,表明本文中所建立的方法预报的渗透率与实验结果在同一数量级。     

形状记忆合金驱动主动变形波纹板结构的有限元分析

NiTi形状记忆合金作为一种功能材料,具有输出回复力大、性能稳定等优点,故可以将其用作主动变形结构中的驱动元件。将NiTi形状记忆合金带与波纹板结构以离散点的形式相联接,制作形状记忆合金驱动主动变形波纹板结构。对形状记忆合金通电驱动,利用其产生的拉伸或收缩力,达到控制结构主动变形的目的。同时,为预报该结构的变形响应,应用有限元软件ANSYS进行数值模拟。针对现有的通用有限元分析软件中没有模拟形状记忆合金形状记忆效应的单元和材料模型的问题,根据形状记忆合金材料本身的特殊性,提出“负热应变”的方法。在试验的基础上(即通过试验获得具有一定预应变的形状记忆合金在不同温度点上的回复应力、应变,进而利用本构关系求得不同温度下形状记忆合金的弹性模量)建模分析,最终获得不同温度下波纹板结构的变形响应曲线。预报结果与试验结果比较吻合,验证了该方法的正确性,为形状记忆合金驱动器的设计、模拟以及制作提供参考和依据。     

固化过程中模具与复合材料构件相互作用分析

通过在模具与复合材料之间引入剪切层的方法, 建立预报相互作用下构件变形的有限元模拟程序, 模拟结果与文献中的实验结果基本吻合。同时建立了剪切层性能参数预报模型, 经实验与模拟结果的对比证明, 该模型能够对不同工艺条件下及不同结构尺寸的复合材料构件的固化变形进行较为准确地模拟。      

光纤布拉格光栅监测复合材料固化

复合材料层合板在固化成型过程中形成的残余应变和应力是影响材料质量的重要因素,它与预浸料铺层在固化工艺过程中产生的应变密切相关。在研究和测试了光纤布拉格光栅应变和温度传感器传感特性的基础上,将二者埋入复合材料预浸料铺层,在热压釜成型工艺过程中监测了材料内部的温度和应变发展历程,由此获得对称正交层合板的宏观残余应变。监测结果表明,单向和对称正交层合板在固化结束后都将产生收缩,对称正交层合板铺层内的残余应变平行于纤维方向为压应变,垂直于纤维方向为拉应变。光纤光栅传感器为复合材料固化监测及层合板残余应力分析提供了一种新的工具,为实现复合材料从制造到服役的全寿命、一体化监测提供了可能。