铝合金-BFRP粘接接头的服役高温老化力学性能及失效预测EI北大核心CSCD

选取50℃和80℃的高温老化环境,结合设计的测试夹具测得高温老化0,10,20,30天后铝合金-BFRP(玄武岩纤维增强树脂基复合材料)粘接接头在1 mm/min加载速率下的准静态抗拉强度与剪切强度,并对接头的失效断面进行宏观分析。结果表明:80℃高温老化后,胶黏剂发生后固化反应,力学性能增强,BFRP发生化学键断裂,玻璃化转变温度(T g)降低;老化30天后,接头的抗拉强度下降,剪切强度上升;30天后拉伸接头失效断面出现分层,剪切接头出现胶层内聚与纤维撕裂的混合失效;50℃高温老化后,胶黏剂的力学性能略微上升,拉伸接头的失效强度变化不大,失效模式以纤维撕裂和分层为主;剪切接头的失效强度略微上升,失效模式以胶层内聚为主。根据二次应力准则对抗拉强度和剪切强度进行曲线拟合;根据响应面原理,建立失效准则随老化时间的响应面方程,用以对铝合金-BFRP粘接结构胶层的裂纹产生和扩展进行预测。     

高温老化对玄武岩纤维增强树脂复合材料-铝合金单搭接接头失效的影响

为了研究持续高温环境对车用新材料粘接结构力学性能的影响,加工了铝合金-铝合金（Al-Al）和玄武岩纤维增强树脂复合材料-铝合金（BFRP-Al）单搭接接头,在高温（80℃）环境下进行了0天（未老化）、5天、10天、15天的老化实验,并对胶粘剂和BFRP复合材料进行了DSC和FTIR测试,分析高温老化后胶粘剂、BFRP复合材料的玻璃化转变温度（T_g）和化学成分变化,通过准静态拉伸测试获得老化后接头的失效载荷,并对其失效模式进行分析。研究结果表明:高温环境下,胶粘剂会发生后固化及氧化反应,BFRP复合材料发生热分解及氧化反应;Al-Al接头的失效载荷随老化周期的增加而不断增大,老化前后的失效模式均为内聚失效,其性能变化主要由胶粘剂决定;BFRP-Al接头的失效载荷先增加后减小,不同老化周期的接头均发生内聚和撕裂的混合失效,其性能变化由胶粘剂和BFRP复合材料共同作用决定,且随着老化周期的增加,BFRP复合材料撕裂面积不断增大,BFRP-Al接头的失效模式越来越倾向于玄武岩纤维/树脂界面的破坏,BFRP复合材料老化对接头失效载荷的影响越来越显著。      

服役温度对铝合金-碳纤维增强树脂复合材料粘接接头准静态失效的影响

为了研究服役温度对铝合金-碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料粘接接头准静态失效的影响，本文加工了铝合金-CFRP复合材料粘接接头。考虑车辆实际运行工况下的服役温度，选取低温(?40℃)、常温(20℃)和高温(80℃)三种环境温度，结合设计的Arcan夹具对铝合金-CFRP复合材料粘接接头分别进行1 mm/min和100 mm/min的准静态试验，得到不同温度下铝合金-CFRP复合材料对接接头(BJs)、45°嵌接接头(45°SJs)和剪切接头(TSJs)的准静态失效强度，并结合失效断面对接头失效形式进行分析，建立了失效准则方程和三维响应曲面。结果表明:不同加载速率下的铝合金-CFRP复合材料粘接接头失效强度在高温环境下均呈明显的下降趋势，在低温环境下均呈一定程度的上升趋势。高温下的失效模式为胶层的内聚失效，低温下的失效模式中纤维撕裂的比例上升。相对于1 mm/min加载速率下的准静态失效强度，各温度和应力状态下的铝合金-CFRP复合材料粘接接头在100 mm/min加载速率下的准静态失效强度明显提高。      

高温环境下碳纤维增强树脂复合材料的层间力学性能老化行为与失效预测

为了研究碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料层间力学性能在高温环境中的老化失效行为,设计了CFRP复合材料层间拉伸和层间剪切实验,在高温(80℃)环境中进行0(未老化)、 120 h、 240 h、 360 h、 480 h、 600 h和720 h的老化测试,分析CFRP层间失效强度和失效形式随老化时间的变化规律,得到随高温老化的二次应力准则响应面。建立CFRP复合材料层间力学性能预测模型,得到不同老化衰减系数下的退化模型,并通过CFRP复合材料层间仿真模型进行了验证。结果表明:随着高温老化时间的增加,层间拉伸和层间剪切强度总体上都发生了一定程度的退化,层间拉伸时更容易发生碳纤维丝剥离,层间剪切发生局部的树脂剥离,纤维之间的分层更加明显,高温老化使树脂与纤维丝的界面结合力显著下降。通过CFRP复合材料层间力学性能随高温老化的二次应力准则,计算不同老化时间后的内聚力模型参数,预测CFRP复合材料在高温老化条件下的层间强度,发现仿真与实验误差小于10%,说明了CFRP复合材料层间失效预测模型的准确性。     

石英纤维增强聚酰亚胺蜂窝的研究

研究聚酰亚胺胶粘剂的结构与性能,蜂窝复合材料的高低温压缩性能。结果表明:聚酰亚胺胶粘剂具有较高的高低温拉伸搭接剪切强度,室温和200℃的搭接剪切强度分别为24.64MPa和18.36MPa,满足蜂窝芯材的粘接性能;石英纤维增强的聚酰亚胺蜂窝复合材料400℃压缩强度和压缩模量分别为1.72MPa和27.22MPa。     

交变载荷对CFRP复合材料-铝合金粘接接头剩余强度的影响

为了给碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料粘接结构的安全设计及应用提供参考,针对CFRP复合材料-铝合金对接接头,研究了拉-拉交变载荷作用下的疲劳寿命特性及剩余强度变化规律。设计专用夹具,完成接头的制作及固化,并测试其拉伸、剪切准静态失效强度,在此基础上进行不同载荷水平下的疲劳寿命测试。选取特定载荷水平,测试不同循环次数后的接头剩余强度,并对失效形式进行观察分析。结果表明:CFRP复合材料-铝合金对接接头强度-寿命（S-N）曲线在单对数坐标上符合线性函数规律;随着交变载荷循环周期的增加,接头剩余强度呈先慢后快的下降趋势,而且在较大的载荷水平下,下降幅度更为明显;经历交变载荷循环前、后接头失效形式发生改变,由局部CFRP复合材料表层撕裂转变为局部界面破坏。结合试验测试所获得的初始失效准则,并引入疲劳退化因子,建立内聚力模型对交变载荷作用下的粘接接头强度衰减进行数值模拟,结果表明所建立模型能够有效预测交变载荷作用下的接头剩余强度。      

一种双马来酰亚胺耐高温胶粘剂的研制

研制了一种双马来酰亚胺胶粘剂, 固化温度低于300℃, 可按传统工艺固化, 具有良好的耐热性, 400℃有2.0M Pa 以上剪切强度, 可用于铝合金或复合材料的粘接, 或作为复合材料基体树脂用于航空航天工业, 以满足其耐热性的要求, 保证航空航天器安全可靠地工作。      

低温暴露对碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸力学性能的影响

针对低温暴露对碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料力学性能影响进行研究,对低温0℃、?20℃、?40℃、?60℃暴露100 h、200 h、300 h、400 h、500 h后,对CF/EP的复合材料拉伸力学性能影响展开研究,利用SEM电镜扫描分析损伤机制,根据试验结果提出了一种预测CF/EP复合材料低温暴露后剩余强度的预测公式。试验结果表明,在长时间低温暴露后,CF/EP复合材料拉伸强度随低温暴露时间的增长呈现出先增后降的趋势;低温暴露时间低于300 h时,CF/EP复合材料拉伸强度随温度下降先增后降,暴露时间高于300 h后,拉伸强度随温度下降逐渐降低;CF/EP复合材料拉伸弹性模量随低温暴露时间的增长呈现逐渐上升趋势,温度越低,上升趋势越明显。SEM结果表明,低温暴露后,纤维与环氧树脂黏结程度增强,有利于荷载传递,CF/EP复合材料拉伸强度增大,破坏形貌上表现为纤维上包裹更多树脂;长时低温暴露后,由于纤维与基体收缩系数不同导致微裂纹产生,在受到荷载时裂纹进一步扩散,不利于荷载传递,使拉伸强度下降,破坏形貌上表现为纤维成束凝集,纤维束间距增大。基于初始试验,本文提出了一种基于初始试验的CF/EP复合材料低温暴露后剩余强度预测模型,试验与预测结果吻合较好,由于考虑了同种材料在不同低温和暴露时间耦合作用下的等效作用,可减少相同材料在不同低温与暴露时间下的试验次数,因此具备一定参考价值。      

基于深度信念网络的玄武岩纤维增强树脂复合材料耐久性预测

采用紫外线老化试验箱模拟大气环境中的紫外线进行加速老化试验,对玄武岩纤维增强树脂复合材料（BFRP）及环氧树脂在紫外线环境中的耐久性进行了研究。通过BFRP及环氧树脂经紫外线老化后的拉伸强度、弹性模量、断裂延伸率的变化,结合深度信念网络（DBN）的方法,预测BFRP及环氧树脂拉伸强度、弹性模量的变化趋势;并提出以同批次非破坏性试件的弹性模量作为BFRP耐久性的评价指标。结果表明,随着老化时间的延长,BFRP及环氧树脂的拉伸强度及断裂延伸率均先提高后下降,但弹性模量趋于平缓下降; DBN得到的预测值与试验值相对误差基本在10%以内,表明DBN进行BFRP及环氧树脂耐久性预测的有效性;以非破坏性试件的弹性模量来评价BFRP的耐久性更具科学性。      

碳纤维/聚苯硫醚热塑性复合材料电阻焊接工艺

本文针对航空器结构用碳纤维/聚苯硫醚(CF/PPS)复合材料为研究对象，开展电阻焊接工艺研究；利用CF/PPS复合材料混编织物作为电阻元件，成功制备了CF/PPS复合材料层板电阻焊接接头；重点利用Taguchi方法和方差分析获取CF/PPS复合材料层板电阻焊接最佳工艺参数(电流为12 A，压力为1.5 MPa，时间为30 min)及各参数对焊接接头剪切强度的贡献(电流为83.37%，压力为9.55%，时间为6.02%)。最佳焊接工艺参数焊接的接头单搭接剪切强度约为17.88 MPa；同时，对最佳参数焊接试样(H-LSS)和较低剪切强度试样(L-LSS)的焊接接头截面和剪切失效断口形貌进行了观察和分析。结果表明:H-LSS试样的焊缝区域树脂填充和浸润良好，且主要剪切失效形式为层间剪切失效，即为纤维与树脂基体脱黏及CF/PPS织物复合材料断裂混合失效；L-LSS试样的焊缝区域树脂填充和浸润较差，存在较多空隙，且剪切失效形式为焊缝界面脱黏失效。      

超声强化氨基化多壁碳纳米管改性环氧黏接接头性能研究

目的 探究超声处理对氨基化多壁碳纳米管(MWCNTs–NH₂)改性环氧黏接接头黏接性能和热稳定性的影响,为强化MWCNTs–NH₂改性环氧胶黏剂与铝合金的黏接提供参考。方法 通过机械搅拌与声波破碎的方法将质量分数为0.75%的MWCNTs–NH₂添加到环氧胶黏剂基体中,使用MWCNTs–NH₂改性环氧胶黏剂制备铝合金黏接接头,基于超声辅助黏接工艺在铝合金黏接过程中进行超声处理。通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分析MWCNTs–NH₂改性环氧胶黏剂基体官能团的变化情况。采用单搭接剪切强度试验测定黏接接头的拉伸剪切强度。通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)观察黏接接头拉伸失效断面以及铝合金与胶黏剂间的黏接界面。通过热失重分析仪(TGA)测试并记录胶黏剂试样质量随温度变化的曲线。结果 经超声处理后,MWCNTs–NH₂与树脂基体间的化学反应增强。与纯环氧黏接接头相比,超声处理后的MWCNTs–NH_2...     

基于激光毛化的铝合金/CFRTP激光连接特性研究

目的 针对目前铝合金和碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)直接连接接头强度低的问题,对铝合金表面进行预处理,以提升异种材料的激光连接强度。方法 通过激光毛化工艺在铝合金表面预制微织构,然后利用光纤激光连接铝合金与CFRTP,研究了激光焊接工艺参数对铝合金与CFRTP焊接接头拉剪性能的影响。结果 当激光功率为750 W、焊接速度为0.2 m/min时,铝合金/CFRTP接头拉剪力达到最大值5 209 N,是未激光毛化的接头拉剪力的2.29倍。通过扫描电镜(SEM)对断口进行分析,发现界面断裂形式主要为CFRTP脱出和剪切断裂。采用SEM及能谱仪(EDS)对接头截面进行分析,发现结合界面处存在微观机械嵌合作用,同时在界面处存在元素过渡层。结论 随着激光功率的增大,焊接接头的拉剪力增大,但焊接功率较大会导致热输入过大,造成树脂发生热分解,导致焊接接头拉剪力降低。随着焊接速度的增大,焊接热输入降低,导致焊接过程中树脂熔化量减少,焊接接头的拉剪力降低。界面的机械嵌合作用使焊接接头具有较高的结合强度。     

Experimental and numerical investigation of the influence of imperfect bonding on the strength of NCF double-lap shear joints

The influence of imperfect bonding, owing to partial lack of adhesive, on the strength of composite non-crimp fabric (NCF) double-lap shear (DLS) joints was experimentally and numerically investigated. Fabrics were layered and compacted using a thermoplastic veil while infiltration of the preforms was done using the vacuum assisted process. Paste adhesive bonding was carried out by implementing the novel insertion squeeze flow process. Quality of adhesive bonding was tested using X-ray imaging and ultrasonic C-scan inspection. The tensile lap shear strength of the DLS joints was determined experimentally. Digital macrographs revealed that the specimens failed due to shear failure of the adhesive (debonding) and fracture of the composite boundary layer. As a second approach, a mesomechanical model based on the FE method and the (homogenized) progressive failure analysis method was developed. In the model, the areas without adhesion, as detected by the C-scans, were included. Numerical simulations of failure initiation and progression at the NCF joint and the adhesive indicated that it is possible to predict the strength and failure mechanisms of the imperfect bonded DLS joints.     

金属-复合材料胶接凹槽形貌增强及参数设计

金属-复合材料混合接头广泛存在于航空、船舶及汽车等领域,具有凹槽形貌的共固化金属-复合材料接头可保持复合材料结构的完整性和纤维的连续性。在被连接金属表面设计了±45°凹槽,评估了表面形貌对钢-玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)接头胶接性能的影响,设计了单搭接拉伸剪切试验,验证胶接接头的剪切性能;在模拟中引入随机Weibull分布,定义内聚单元材料参数,结合矢量化用户材料(Vectorized user material,VUMAT)子程序模拟了接头的渐进失效过程,并建立±45°凹槽结构的代表性体积单元(Representative volume element,RVE)模型,分析了凹槽宽度和深度等参数对胶接接头的性能影响。研究表明,±45°凹槽结构可以显著提高钢-GFRP胶接接头的剪切强度,数值模拟强度和破坏模式与试验吻合;凹槽深度和宽度对结构胶接性能的影响显著,本文可为金属-复合材料接头的设计提供参考。      

Failure of carbon composite-to-aluminum joints with combined mechanical fastening and adhesive bonding

Composite-to-aluminum double lap joints were tested to obtain the failure loads and modes for three types of joints: adhesive bonding, bolt fastening and adhesive-bolt hybrid joining. A film type adhesive FM73 and a paste type adhesive EA9394S were used for aluminum and composite bonding. A digital microscope camcorder was used to monitor the failure of the joints. It was found that hybrid joining improves joint strength when the mechanical fastening is stronger than the bonding, as when the paste type adhesive is used. On the other hand, when the strength of the bolted joint is lower than that of the bonded joint, as when the film type adhesive is used, bolt joining contributes little to the strength of the hybrid joint.     

AA5052薄板磁脉冲胶焊复合接头动态力学性能研究

目的 研究AA5052铝合金薄板在高速冲击载荷下的磁脉冲胶焊复合接头的动态力学性能,探究不同载荷速率对该胶焊复合接头力学和失效行为的影响规律.方法 利用磁脉冲焊接系统成功制备了胶焊复合连接试件.采用万能拉伸试验机、高速拉伸试验系统,结合全场应变测量系统,获得胶焊复合接头的力学性能规律,以及渐进失效过程和搭接区应变变化....