含孔CFRP正交层合板的双轴拉伸力学行为

采用加载臂开槽的中心开孔等厚度十字形试样,实验研究了正交对称铺层碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）层合板在双轴拉伸载荷作用下的力学行为,分析了3种双轴加载比对其拉伸强度和破坏行为的影响。研究表明:纤维被切断的铺层部分在拉伸作用下容易与其相邻铺层脱粘,导致层合板承载力下降;等双轴加载时,在孔边的被切断纤维与连续纤维间基体在横向拉伸和纵向剪切组合作用下首先开裂;非等双轴加载时,在垂直于快速拉伸方向的铺层中沿孔边应力集中处先出现基体裂纹;随着加载比的增大,快速拉伸方向的细观结构损伤随载荷的增大发展更快,刚度下降更快,破坏时主裂纹的扩展方向更趋于垂直于快速拉伸方向;强度包络线的分析表明快速拉伸方向的拉伸强度随加载比的增大呈缓慢增大的趋势。      

正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸行为

采用细观力学方法对正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场。采用断裂力学方法、 临界基体应变能准则、 应变能释放率准则及Curtin统计模型4种单一失效模型确定了90°铺层横向裂纹间距、 0°铺层基体裂纹间距、 纤维/基体界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与4种单一损伤模型结合, 对各损伤阶段应力-应变曲线进行了模拟, 建立了复合材料强韧性预测模型。与室温下正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变曲线进行了对比, 各个损伤阶段的应力-应变、 失效强度及应变与试验数据吻合较好。分析了90°铺层横向断裂能、 0°铺层纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能、 纤维Weibull模量对复合材料损伤及拉伸应力-应变曲线的影响。      

国产碳纤维增强树脂基复合材料应变不变量性能

应变不变量失效理论是一种新型的基于物理失效模式的复合材料强度理论, 广泛应用于复合材料结构失效分析。根据该理论, 建立了碳纤维增强树脂基复合材料微观力学模型, 获取树脂基体和纤维不同位置的机械应变放大系数和热应变放大系数。对国产复合材料CCF300/5228、CCF300/5428和T700/5428不同铺层角单向层合板进行拉伸试验, 并根据试验结果得到对应复合材料的应变不变量性能。分析了增强体纤维和树脂基体对复合材料应变不变量性能的影响; 并将应变不变量失效理论应用于国产复合材料失效分析。结果表明碳纤维增强树脂基复合材料应变不变量性能中的第一应变不变量和基体Von-Mises应变临界值取决于树脂, 而纤维Von-Mises应变临界值取决于增强体纤维; 应变不变量失效理论能够用于国产复合材料失效分析。      

针刺C/C复合材料面内拉伸强度预测

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则及指数型损伤演化规律研究无纬布层及针刺纤维束损伤,采用弹塑性本构研究网胎层损伤,采用内聚力牵引分离定律和二次应力破坏准则分析界面损伤。通过两步法计算了孔隙对材料性能的折减效果,并得到上述4个子区域的力学性能,通过ABAQUS UMAT预测了材料的面内拉伸应力-应变曲线及各子区域损伤起始、演化与失效过程,非线性趋势及拉伸强度数值与试验数值吻合较好,验证了该模型有效性。      

玄武岩纤维增强复合材料抗弹性能试验研究

摘要：为了研究玄武岩纤维增强复合材料的抗弹性能,利用不同树脂基体制作了玄武岩纤维增强复合材料靶板试件,进行了弹道测试。研究了玄武岩纤维增强复合材料的抗侵彻性能和典型破坏模式,并分析了不同树脂基体和不同铺层方式对靶板防弹效果的影响。研究表明,玄武岩纤维增强复合材料在受弹体侵彻时,主要呈现局部破坏,破坏形式是迎弹面的纤维剪切失效、背弹面的拉伸断裂失效。另外,根据轻型防护的要求,提出设计新型防护结构的思路。研究结果可以为轻型复合装甲设计提供参考。     

碳纤维增强树脂复合材料和铝合金温热自冲铆接工艺及接头力学性能

为研究传统自冲铆(SPR)工艺连接碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)和铝合金的损伤问题,制备三种典型铺层结构的自冲铆接头,研究铺层结构对接头表面宏观损伤形貌的影响。在不同测试温度下对CFRP进行力学试验,研究温度对CFRP力学性能及失效的影响。基于CFRP的温热力学性能,以减小接头损伤为目的,创新性提出了CFRP和铝合金的温热自冲铆接(WSPR)工艺,对比了两种铆接工艺获得接头中CFRP的损伤差异。制备CFRP和铝合金的WSPR接头,研究铺层角度对接头力学性能和失效过程的影响。研究表明:常温下铆接时,钉头附近区域易出现宏观裂纹缺陷,主要以平行于纤维方向的基体裂纹和垂直于纤维方向的纤维裂纹形式存在。在树脂基体的玻璃化转变温度下,CFRP在横向和剪切方向的延展性大幅度提高,导致WSPR接头的CFRP表面无宏观裂纹,同时减小了分层损伤面积。铺层角度影响接头的拉剪力学性能及失效过程,[0/90/0]_s铺层接头的力学性能最优。      

3D混杂梯度结构碳/碳复合材料微观结构和性能研究

采用Z-PIN与粘胶基碳纤维毡、粘胶基碳纤维平纹织物、聚丙烯氰基碳纤维平纹织物制备了3D混杂梯度纤维预制体,多相碳素基体经丙烯等温化学气相渗透(ISO-CVI)和煤焦油沥青高压浸渍碳化(HPIC)复合工艺制备,分析研究了多相碳素基体的组织特征、Z向增强体对粘胶基碳纤维织物碳/碳复合材料(RCC)和聚丙烯氰基碳纤维织物碳/碳复合材料(ACC)层间性能的影响以及失效模式.碳基体的微观组织结构为各向同性层、光滑层和粗糙层多相复合体,粘胶基碳纤维表面和聚丙烯氰基碳纤维表面沉积碳的微观组织存在差异性.采用高密度Z-PIN增强体可提高层间性能40%～60%.失效模式为层间和纤维束内裂纹扩展,基体组织和纤维类型对层间性能的影响很小.     

双向等轴拉伸载荷下二维编织陶瓷基复合材料的应力-应变行为预测

将二维编织结构简化为(0°/90°)s正交铺层结构。采用含损伤变量的剪滞分析理论,解得双向等轴拉伸载荷下,0°层和90°层开裂后各层的应力分布;基于随机基体裂纹演化理论,随机纤维损伤和最终失效理论,确定了0°层和90°层沿纤维方向的应力-应变关系,以及切线拉伸模量与施加载荷之间的关系;然后,将切线拉伸模量代入正交铺层结构的剪滞分析中,进而预测出二维编织陶瓷基复合材料在双向等轴拉伸载荷下的应力-应变关系。预测结果表明:在双向等轴拉伸载荷下,二维编织陶瓷基复合材料的横向和纵向应力-应变曲线基本相同,与单向加载时的应力-应变曲线相近。     

湿热环境下复合材料含孔层合板静力拉伸性能及工程估算模型

湿热环境下的复合材料结构件力学性能预测对其工程应用具有重要意义。文中针对复合材料层合板静力拉伸性能和强度预测问题,开展6种湿热环境下复合材料含孔层合板的静力拉伸试验,分析其结构失效响应及损伤表征。基于应力场强法建立湿热环境下复合材料含孔层合板工程估算模型,与有限元渐进损伤模型和试验结果进行对比,分析了湿热环境对含孔层合板力学性能和拉伸失效的影响。结果表明,工程估算模型预测结果与有限元及试验结果误差范围较小,可用于预测温度和吸湿率对含孔层合板拉伸失效强度的影响;相比于室温干态,75℃吸湿饱和态下试件拉伸失效强度下降了6.1%;25℃干态和75℃吸湿饱和态下含孔层合板0°铺层出现最为严重的纤维拉伸失效,90°铺层出现最为严重的基体拉伸失效,纤维拉伸失效和基体拉伸失效为层合板主要破坏模式;通过扫描电镜对75℃吸湿饱和态下层合板厚度方向微观形貌进行分析,发现试件0°方向纤维与树脂的脱粘程度加重且出现明显的裂痕,90°方向纤维分布较为齐整,但黏附的树脂较少。     

各向异性复合材料开孔板拉伸强度预测及模型验证

基于有限断裂力学方法建立了一种预测多向复合材料开孔板拉伸强度的通用和半经验模型。该模型同时采用基于应力形式的失效准则和基于能量形式的失效准则预测失效。模型仅需铺层弹性常数、无缺口层合板的强度以及0°铺层的断裂韧性等参数。基于线弹性断裂力学建立了多向复合材料层合板的断裂韧性与0°铺层断裂韧性之间的关系, 进而预测了任意铺层复合材料开孔板发生纤维主导拉伸失效时的强度。将模型预测结果与开孔板拉伸强度的试验数据进行了对比验证, 预测误差最大为9.7%, 与点应力和平均应力等方法的对比表明, 该模型的预测精度高于传统的特征长度方法。      

All fiber on-axis coupling scheme between single mode fiber and GRIN fiber

In this paper we present a simple and novel method to maximize on-axis coupling efficiency to radially symmetric fibers without the need for extra free space optical elements. The method is based on inserting a segment of step-index multimode fiber (MMF), cleaved to a particular length, between the input fiber and the output fiber (OF). The MMF segment modifies the input field to match the guided modes in the OF. Using this technique we show that, by inserting an appropriate length MMF segment, it is theoretically possible to obtain a coupling coefficient as high as ?0.8 dB between a single mode fiber and a graded index ring-shaped fiber and ?0.32 dB for a multi-shell fiber. Our experimental measurements showed good agreement with theoretical predictions for the ring fiber.     

芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维制备工程用纤维/水泥复合材料的适用性

研究了两种高强合成纤维在工程用纤维/水泥复合材料制备过程中的适用性,其中,芳纶纤维的表面为亲水性,超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维的表面为憎水性。研究结果表明:工程用芳纶纤维/水泥复合材料拉伸破坏过程中无应变硬化能力且表现为单裂纹破坏现象;工程用UHMWPE纤维/水泥复合材料拉伸破坏过程中表现出良好的应变硬化能力和多裂纹开裂特性。因此,两种纤维相比,UHMWPE纤维适宜于工程用纤维/水泥复合材料的制备。随着水胶比的降低,工程用UHMWPE纤维/水泥复合材料抗拉强度增大,但应变硬化能力降低,因此,在制备工程用UHMWPE纤维/水泥复合材料的过程中,应协调纤维抗拉强度和基体与纤维之间界面过渡区的品质。      

Tunable Brillouin-erbium fiber laser incorporating a low-cost biconic tapered fiber

A new method of tuning a multi-wavelength Brillouin-erbium fiber laser (BEFL) within a Fabry–Perot cavity by incorporating a low-cost biconic tapered fiber is reported. The biconic tapered fiber was fabricated using a flame elongation technique and it was incorporated into the BEFL system to position the self-lasing cavity modes over a tuning range of 5.5 nm within the erbium-doped fiber gain profile. By injecting the Brillouin pump near to the tunable self-lasing cavity modes, it suppresses the modes and generates stable cascaded Brillouin–Stokes lines with more than 20 dB signal-to-noise ratio.     

光纤饱和吸收体稳频窄线宽光纤激光器

结合光纤饱和吸收体与光纤光栅法布里-珀罗标准具,研制出了全光纤结构1550nm单频窄线宽掺铒光纤环形激光器.采用两个976nm激光二极管双向抽运作为抽运源,高掺杂浓度铒光纤作为增益介质,以行波腔消除空间烧孔效应,利用光纤光栅法布里-珀罗标准具窄带选模特性,以10m长低掺铒光纤饱和吸收体稳频,得到了十分稳定的窄线宽激光输出.激光器抽运阈值功率21mW,在抽运光功率为145mW时输出光功率39mW,斜率效率30%,信噪比大于50dB.采用延迟自外差方法精确测量光纤激光器线宽小于10kHz.     

Dual wavelength erbium-doped fiber laser using a tapered fiber

A tapered fiber is fabricated by heating and stretching a piece of optical fiber after the polymer protective cladding has been removed. An equidistant comb-like transmission spectrum, with a spacing of 1.6?nm and an extinction ratio of more than 5?dB, was obtained by the tapered fiber due to the multibeam interferences of the cladding modes. The tapered fiber was applied in a ring erbium-doped fiber laser (EDFL) to generate dual-wavelength lasing oscillations. The EDFL operates at wavelengths of 1557.0?nm and 1558.6?nm with a stable peak power and a signal-to-noise ratio of more than 40?dB.     

非对称光纤反射镜的可调谐光纤激光器

提出一种非对称窄带光纤环形反射镜结构的可调谐掺铒光纤激光器。980nm泵浦光对掺铒有源光纤进行抽运,高双折射光纤、偏振控制器（PC）和光纤耦合器构成窄带光纤反射镜,窄带光纤反射镜和普通光纤反射镜组成激光谐振腔,利用窄带光纤反射镜工作带宽纳米量级的特性得到单纵模激光。调整偏振控制器改变反射镜对不同波长的反射率,实现可变波长的激光输出。实验表明,该激光器的工作带宽为8nm,120mW泵浦光条件下最大输出功率为4mW,3dB带宽（脉冲的半高宽度）小于0．2nm,边模抑制比为20dB以上,在1527nm～1535nm的波长范围内观察到稳定激光输出。     

黄麻纤维/聚酯纤维复合材料的阻燃改性

应用两种水性磷系阻燃剂——磷酸铵类阻燃剂(DAG-50)和磷酸酯类阻燃剂(DAG-80)及其复配阻燃剂对天然黄麻纤维进行阻燃改性,并与皮芯结构聚酯纤维制备成黄麻纤维/聚酯纤维复合材料,通过燃烧测试、SEM、红外、热失重、热失重-红外联用等技术分析了此两种阻燃剂及复配阻燃剂对黄麻纤维及其黄麻纤维/聚酯纤维复合材料的阻燃效果及阻燃机制,并筛选出适合黄麻纤维/聚酯纤维复合材料产业化的阻燃改性配方。结果表明,阻燃剂DAG-50阻燃改性效果良好,但容易析出于黄麻纤维表面。阻燃剂DAG-80能较为均匀地包覆在黄麻纤维表面,阻燃改性效果好,但其价格较高。DAG-50与DAG-80形成的复配阻燃剂,阻燃效果好,既避免了单独使用DAG-50时阻燃剂易析出问题,且复配阻燃剂接近中性,避免设备腐蚀。综合考虑成本与阻燃性能,使用DAG-50与DAG-80复配阻燃剂比例为2∶1且浓度为55wt%时,可达到黄麻纤维/聚酯纤维复合材料B1级阻燃。     

利用WDM光纤耦合器的光纤光栅传感解调技术

根据 WDM 光纤耦合器波长解调方案的工作原理、偏振特性以及影响系统波长分辨力的因素,提出一种改进的利用 WDM 光纤耦合器的光纤光栅传感解调技术。该技术在原技术的基础上,采用偏振控制器控制入射光偏振状态,提高了解调的精度和稳定性。对 WDM 光纤耦合器的多次波长扫描结果表明,采用偏振控制器后,其波长误差可减小到 5pm 左右。实验采用 1540/1560nm的 WDM 光纤耦合器对单点光纤光栅应变传感器进行静态解调,结果表明:按此技术开发的解调系统具有 0.01nm 波长分辨力和 10nm 的波长线性解调范围。     

Tunable graphene-based Q-switched erbium-doped fiber laser using fiber Bragg grating

A graphene-based Q-switched erbium-doped fiber laser (EDFL) with a tunable fiber Bragg grating (TFBG) acting as a wavelength tuning mechanism is proposed and demonstrated. The proposed setup utilizes a newly-developed ‘ferrule-to-ferrule transfer’ technique to obtain a single graphene layer that allows for Q-switch operation in the EDFL using a highly doped-gain medium. A TFBG is used as a wavelength tuning mechanism with a tuning range of 10 nm, covering the wavelength range from 1547.66 nm to 1557.66 nm. The system has a wide repetition rate range of over 206.613 kHz from 1.387 kHz to 208.000 kHz with pulse durations of between 94.80 μs to 0.412 μs. The laser output is dependent on the pump power, with energy per pulse of 4.56 nJ to 16.26 nJ. The system is stable, with power and wavelength variations of less than 0.47 dBm and 0.067 nm. The output pulse train is free from self-mode locking and pulse jitters.     

纤维复合吸波材料的研究进展

从损耗机理出发,分类介绍了纤维复合吸波材料的研究情况,对国内外关于以磁性纤维、导电纤维、介电纤维、混杂纤维作为吸收剂的研究现状作了总结和评价,提出了纤维复合吸波材料的发展方向。