柔性导向三维正交结构复合材料预制体建模研究

针对碳纤维增强复合材料三维织物的表征问题,采用柔性导向三维织造技术,织造了三向正交结构复合材料预制体,根据织造工艺重复性与对称性的特点,建立了柔性导向三维正交结构预制体单元模型,并推导出织物单元体各向纤维体积含量的预测公式。然后,进行碳纤维预制体织造实验,织造了五组碳纤维三向正交结构织物,实测得到预制体中X／Y／Z三向纤维体积含量,并与建立的体积含量预测公式进行对比,证明了所建模型的适用性。最后分析了预制体纤维体积含量理论值与实测值产生偏差的原因,得出预制体中纤维束并非处于伸直状态等一系列结论。     

三维结构复合材料预制体轮廓约束机理

为实现三维结构复合材料预制体的高性能、快速成形织造，研究了基于柔性导向三维多针成形原理的预制体轮廓约束方法，利用图像处理技术获得了预制体纤维环形状特征，建立了工艺参数对纤维环形状特征影响的理论模型，搭建了纤维环成环试验装置，探究了织造针伸出长度、织造层数和织造高度对纤维环形状特征的影响规律。并通过该理论模型对纤维环进行形状特征调控，完成典型件的试织。结果表明，纤维环侧边高度以及最大内接圆直径随伸出长度和织造高度增大而增大，随织造层数增大而减小，该模型预测与实际测得的纤维环侧边高度及最大内接圆直径的最大相对误差分别为6.29%和4.63%，进一步通过调节织造高度来改变纤维环的形状特征，完成层数为90层的预制体织造，说明该理论模型可以准确描述纤维环形状特征，并可通过该模型对纤维环形状特征进行调控，扩大了预制体轮廓约束工艺窗口，为实现预制体轮廓自动、高质量约束提供了理论指导和实践基础。     

复合材料柔性导向三维织造防变形方法

针对三维结构复合材料预制体成型工艺,提出一种复合材料柔性导向三维分段织造和防变形方法,通过有限元分析得到一定预紧力条件下导向棒变形情况,确定每段织造区域的织造纤维层数,对导向棒做防变形处理,从最下段逐段织造逐段压实预制体。通过预制体织造对比试验发现,分段式织造和防变形处理能够有效地防止预制体织造过程中导向棒阵列的变形、控制预制体外形尺寸;分段压实预制体压实力减小,并能获得层密度较高的预制体。     

单胞法预测玻璃纤维平纹织物的渗透率

运用树脂在纤维束内和纤维束间的耦合流动模型,结合Darcy定律,建立平纹织物的单胞模型,模拟预测单胞Z方向的渗透率,并通过改变单胞厚度尺寸参数研究纤维体积分数与渗透率的关系。结果表明:单胞的渗透率随着纤维体积分数的增加而减小,模拟结果与Kozeny-Carman方程对比,二者偏差很小,且在纤维体积分数52.5%处重合,表明该计算方案是合理的。     

非弯折织物渗透率的数值预测

采用多孔介质模型替代纤维束区域的方法,数值计算预制件单胞模型的渗透率。平行和垂直方向纤维束分别用平行和垂直多孔介质区域替代,多孔介质阻力系数由最小二乘法拟合得出。首先验证了四方排列平行及垂直方向纤维单胞模型流场计算方法的可靠性;其次验证了纤维单胞多孔介质模型的可靠性;然后通过预制件单胞模型的研究,发现考虑束内渗透率的误差远小于不考虑束内的误差,说明考虑束内流动对准确模拟渗透率是有必要的;最后研究了预制件结构参数对渗透率和孔隙率的影响。纤维束宽度增大,预制件渗透率减小,孔隙率减小。纤维束高度增大,预制件渗透率增大,孔隙率不变。纤维束间距增大,预制件渗透率增大,孔隙率增大。     

针刺工艺对CFRP面内刚度的影响

针刺工艺将平面内短纤维转移到面外,引入缺陷导致复合材料面内性能降低。本文通过分析叠层针刺工艺过程对预制体的作用,建立了可直接由针刺工艺参数确定的复合材料单胞模型,用于计算针刺复合材料面内刚度,模型预测结果与实验结果吻合较好。研究了针刺密度、针刺深度及针刺针迹分布对材料面内刚度的影响,结果表明:在相同针刺针迹分布下,增大针刺密度、针刺深度会导致复合材料面内刚度降低,且针刺深度的影响大于针刺密度;针刺针迹的随机分布会造成材料性能的离散,且由微观结构变异导致的材料性能离散随针刺深度、针刺密度的增加而增大。     

静电纺丝热塑性聚氨酯纳米纤维的制备

将N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和四氢呋喃（THF）按体积比0：4、1：3、2：2、3：1、4：0混合作为溶剂,确定配比后,在不同浓度、电压下对热塑性聚氨酯（TPU）溶液进行静电纺丝。结果表明,DMF与THF的体积比对聚氨酯静电纺丝纤维的形貌、直径及其均匀性有明显影响,当混合溶液体积比为2：2,浓度为0．18g／mL,电压为26kV时,TPU纺丝液纺丝效果最佳,得到最理想的纤维;纤维直径随DMF含量的增多而减小,但当DMF含量过多时,纤维上容易出现液滴,纤维形貌变差;TPU纺丝液浓度增大,纤维直径增大;电压增大,纤维直径减小。     

网状增强相纤维棒几何建模及弹性性能研究

以网状增强相纤维棒为研究对象,采用单胞几何模型分析法将该纤维棒的整体结构分为内部单胞、外部单胞等类型,并分别建立了内单胞、外单胞的力学模型。研究结果表明:基于等应变-应力混合平均思想并结合桥联模型,可计算出复合材料内外不同结构的有效工程弹性常数。该方法可有效分析不同结构组成的纤维复合材料内部纤维束的排列方式、外部增强相各参数[如编织角、纤维束截面和纤维体积分数等]之间的关系、纤维体积分数对纤维复合材料工程弹性常数的影响规律等,通过对比仿真结果验证了该方法在预测不同结构复合材料弹性性能方面是可行的。     

连续碳纤维增强PPBES基复合材料的力学性能

以共聚型二氮杂萘联苯结构聚醚砜(PPBES)树脂为基体、连续碳纤维(CF)为增强体,通过溶液预浸、热压成型工艺制备单向复合材料.通过对树脂溶液黏度、复合材料纤维体积含量测试,复合材料样条三点弯曲、层间剪切试验,研究了纤维体积含量对复合材料力学性能的影响,并借助SEM断面形貌分析了复合材料受力破坏模式.结果表明:CF/PPBES复合材料的弯曲强度随纤维体积含量的增加呈现先增大后减小的趋势,极值出现在CF体积分数60％时;弯曲模量和层间剪切强度随纤维体积含量的增加呈现逐渐增大的趋势;复合材料受力破坏模式以树脂基体内部破坏为主.     

玻璃纤维增强PPBES基复合材料性能

以共聚型二氮杂萘联苯结构聚醚砜(PPBES)树脂为基体,连续玻璃纤维(GF)为增强体,通过溶液预浸,热压成型工艺制备单向复合材料。通过对树脂溶液黏度、复合材料纤维体积含量测试,并对复合材料样条进行三点弯曲、层间剪切试验,研究了纤维体积含量对复合材料力学性能的影响,借助断面形貌分析了复合材料受力破坏模式。结果表明,PPBES/GF复合材料的弯曲强度随纤维体积含量的增加呈现先增大后减小的趋势,极值出现在纤维体积含量为57%时,弯曲弹性模量和层间剪切强度随纤维体积含量的增加呈现逐渐增大的趋势,复合材料的受力破坏模式为界面脱粘破坏和树脂基体内部破坏同时存在。     

矿浆管道输送临界流速试验研究

为了精确计算矿浆管道输送的临界流速,根据前人试验数据,分析了浆体浓度、管道直径、浆体粒径组成及浆体密度等对临界流速的影响,并进行机理分析。在研究前人计算临界流速公式的基础上,提出计算临界流速公式新模型及临界流速的新定义,通过量纲分析拟合出临界流速计算新公式,并对新公式进行验证。结果表明,临界流速随着浆体浓度和管径的增加而增大,随颗粒粒径和管径比值的增大而减小。本文的试验临界流速实测值与计算值最大误差为2.69%,平均误差为1.29%;文献中试验的临界流速实测值与计算值平均误差分别为4.18%、10.25%、11.45%;临界流速计算新公式平均误差均在12%以内,满足稀悬液浆体管道输送临界流速的预测要求。     

纤维体积含量对炭／炭复合材料性能的影响

通过对不同纤维体积含量的炭／炭复合材料进行力学性能、导热、导电性能试验,分析了纤维体积含量对炭／炭复合材料性能的影响。初始坯体的纤维体积含量对炭／炭复合材料力学性能影响较大,导热、导电性能则与材料内部结构关联较大而与纤维体积含量的关系不大。预制坯体的纤维体积含量选为25％至30％为最好。     

纤维打团效应对纤维混凝土抗拉性能的影响

针对纤维在混凝土中存在的打团效应引入了纤维均分系数,并建立了六种纤维打团模型。基于复合材料的力学理论,分析了纤维打团效应对纤维混凝土(FRC)抗拉性能的影响。结果表明:纤维均分系数随打团纤维根数的增大而减少;纤维打团效应的存在导致纤维临界体积掺加率有一定程度的增大,FRC的抗拉强度有不同程度的减小;FRC抗拉强度的损失与纤维临界体积掺加率均随纤维打团含量的增大而增大;考虑纤维打团效应的FRC拉伸强度计算值与试验值较为接近。     

城市轨道交通隧道混杂纤维高性能混凝土耐久性能试验研究

抗侵蚀和抗冻性能对城市轨道交通隧道混凝土的长期使用具有重要的影响。基于此,制备了单掺和复掺钢纤维和玄武岩纤维的高性能混凝土试件,开展了抗压强度测试以及干湿循环和冻融循环后的抗压强度损失率和质量损失率测试,分析了硫酸盐侵蚀和冻融循环后高性能混凝土的耐久性能变化规律,确定了最佳的纤维掺量。结果表明：高性能混凝土的硫酸盐腐蚀质量损失率和抗压强度均随单掺纤维体积率的增大而先减小后增大;混掺玄武岩纤维和钢纤维的高性能混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力要优于单掺玄武岩纤维或钢纤维;适量的玄武岩纤维或钢纤维掺入有助于提高高性能混凝土的抗冻能力,纤维总掺量为1.2%,其抗冻性能最佳。     

展纱织物细观几何模型

在合理的假设基础上,通过建立的展纱织物增强结构二维几何结构模型,预测展纱织物内纤维束屈曲状态,建立展纱织物复合材料的纤维体积分数的理论公式,分析纤维束屈曲率与纤维体积含量之间的关系。理论计算结果与实测值的比较,表明所提出的细观几何模型是合理的。     

纤维膜萃取分离器内两相流动、传质特性的研究——进料顺序的影响

纤维膜萃取分离器是一种新型高效传质设备。今以苯甲酸水溶液-煤油为传质体系,在一套70mm×2630mm的有机玻璃纤维液膜萃取分离器冷态实验装置上,在纤维丝填充密度1.89%～5.08%、水-油或油-水体积流量比分别为3～6的操作区间内,考察了不同油、水进料顺序对纤维膜分离器内两相流动、传质性能的影响。结果表明,若水先引入,油后引入,体积传质系数随水-油体积流量比W/O的增大而减小;而在先油后水的情况下,体积传质系数随水-油体积流量比W/O的增大呈先增大后减小的趋势,并在水-油流量比W/O为5附近取得最大值;在两种进料方式下,体积传质系数均随纤维丝填充密度的递增而先增后减,并在填充密度为3.0%～3.5%之间取得最大值。根据实验数据,分别给出了对应两种进料顺序的传质系数计算关联式,计算值与实验值吻合较好。     

QW220/5284RTM复合材料的介电性能研究

采用RTM工艺制备了四种不同纤维体积含量的石英纤维增强环氧树脂基复合材料层板。研究了温度、吸湿、频率、纤维体积分数和后固化等因素对该复合材料体系介电性能的影响。结果表明,在30~150℃温度范围内,QW220/5284RTM复合材料的介电常数和介电损耗均随温度升高而增大;纤维体积分数为53%时,该复合材料体系的饱和吸湿率较低,约为0.44%,吸水后,介电常数和介电损耗都有一定程度的增加;室温下,7~18GHz频率范围内,该复合材料体系的介电常数和介电损耗随频率改变没有表现出明显和规律的变化;该复合材料体系的介电常数和介电损耗随着纤维体积分数的提高而分别增大和减小;后固化使该复合材料体系的介电常数和介电损耗均减小。QW220/5284RTM复合材料具有良好的介电性能,且介电性能具有较好的耐环境特性,可用于飞机透波结构。     

短纤维层间增强碳纤维复合材料层板的力学研究

以斜纹3k T300碳纤维布、环氧树脂和0.3~0.5 mm短切碳纤维为主要实验原料,使用短切纤维铺放装置将短切碳纤维定量铺放在碳纤维布表面,并铺层得到5块层间短切纤维增强的预制体,每块预制体含8层碳纤维布且每块预制体层间短切碳纤维铺放面密度分别为5,10,20,30,40 g/m2,并增设一块层数为8层、层间不含短切纤维增强的预制体作为对照组。采用真空辅助树脂灌注成型方式浸渍预制体后高温固化,得到层间含不同面密度短切纤维的碳纤维复合材料层合板,研究了不同面密度短切纤维含量对碳纤维复合材料层合板拉伸、弯曲以及层间剪切强度的影响。研究结果表明,当短切碳纤维铺放面密度为5 g/m2时,复合材料层板的拉伸、弯曲强度最好,在5~40 g/m2范围内,复合材料层板的层间剪切强度随短切碳纤维铺放面密度的增大而增大。     

玄武岩纤维混凝土耐高温性能分析

对不同玄武岩纤维体积率混凝土进行室内高温试验,总结与分析了温度和纤维体积率对混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和静弹性模量的影响规律。研究结果表明:玄武岩混凝土的抗压强度、抗拉强度和弹性模量均在200℃高温出现拐点,200℃高温后玄武岩纤维混凝土的力学性能均出现不同程度的降低;混凝土的力学性能随玄武岩纤维体积率的增大而呈现出先增大后减小的趋势,最优的玄武岩纤维体积率为0.15%;玄武岩再生混凝土的力学性能随再生骨料取代率的增大而减弱,再生骨料取代率不宜大于30%。     

沥青基C/C复合材料浸渍过程的模拟

研究了沥青基C／C复合材料的浸渍过程，把沥青对预制体的浸渍分为束间浸渍和束内浸渍两个阶段，并同时考虑了浸渍过程中沥青中的喹啉不溶物在预制体表面的沉积，建立了束间浸渍模型和束内浸渍模型。使用Matlab软件对模型进行求解并实现了模拟结果的图形化。结果显示：浸渍效率随浸渍压力、浸渍时间的增加而增加，速率逐渐变缓；浸渍效率随孔隙率的增加而增加，速率逐渐增大；浸渍效率以近似正比关系随纤维束平均半径的增加而增加，并随浸渍过程的进行逐渐减小。验证显示模拟结果较好地符合了实验数据，说明了该模型的合理性。