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短-连续碳纤维同步增强热塑性复合材料预浸线材制备及3D打印工艺分析

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机械工程学报 2024年第11期60卷 283-295页

作者：王福吉王公硕王洪全付饶吴博王琦大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室大连116024 大连理工大学辽宁省先进复合材料高性能制造重点实验室大连116024

碳纤维增强热塑性复合材料3D打印技术,是实现先进复合材料复杂结构件一体化制造的有效途径。由于短纤维不连续、连续纤维间基体的载荷传递能力弱,3D打印短或连续碳纤维等单一形态纤维增强热塑性复合材料的力学性能提升进入瓶颈期。发展... 详细信息

碳纤维增强热塑性复合材料3D打印技术,是实现先进复合材料复杂结构件一体化制造的有效途径。由于短纤维不连续、连续纤维间基体的载荷传递能力弱,3D打印短或连续碳纤维等单一形态纤维增强热塑性复合材料的力学性能提升进入瓶颈期。发展短-连续碳纤维同步增强热塑性复合材料(Short-continuous carbon fiber synchronous reinforced thermoplastic composites,S/C-CFRTP)3D打印技术,是突破复合材料复杂结构件高质量制造技术瓶颈的重要途径。然而,由于含短纤维的基体熔融黏度大、3D打印温压时变性强,现有原位浸渍工艺难以保证基体对连续纤维的充分浸渍,导致3D打印S/C-CFRTP力学性能较差,无法满足工程应用需求。提高纤维-基体浸渍程度是实现S/C-CFRTP高质量3D打印的关键。基于离线浸渍方法,提出同步增强预浸线材制备及3D打印工艺。研究了同步增强预浸线材制备工艺路线、参数对其浸渍程度、纤维含量及抗拉强度的影响,提出了“混合-浸渍-定形”工艺路线、“小制丝速度-大出口直径”工艺参数的预浸线材高质量制造策略,其抗拉强度达448.70 MPa。同时,通过对比不同打印工艺成形样件的空隙、纤维含量和抗拉性能,发现预浸线材挤出工艺将S/C-CFRTP的空隙率降低近一半,纤维含量提高约7%,抗拉强度和模量提升约18.6%和11.6%,达约430.45 MPa和38.51 GPa。

关键词：短-连续碳纤维同步增强热塑性复合材料预浸线材 3D打印浸渍程度抗拉性能

低温轧制对高强高导Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金性能及析出行为的影响

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金属学报 2024年第3期60卷 405-416页

作者：李龙健李仁庚张家郡曹兴豪康慧君王同敏大连理工大学材料科学与工程学院辽宁省凝固控制与数字化制备技术重点实验室大连116024 南京工业大学先进轻质高性能材料研究中心南京210009

随着现代工业中交通、电气、航空航天、电子等领域的快速发展,对铜合金的性能要求越来越高。强度和导电率是相互矛盾的性质,实现铜合金兼具高强度和高导电率是现代铜工业发展的重要课题。采用真空熔炼、低温轧制、时效处理等工艺制备了C... 详细信息

随着现代工业中交通、电气、航空航天、电子等领域的快速发展,对铜合金的性能要求越来越高。强度和导电率是相互矛盾的性质,实现铜合金兼具高强度和高导电率是现代铜工业发展的重要课题。采用真空熔炼、低温轧制、时效处理等工艺制备了Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb(质量分数,%)合金,研究了低温轧制对Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金显微组织、力学性能和导电性能的影响,分析了时效工艺对析出相种类、形貌和分布的影响。结果表明,Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金主要由Cr相、富Zr相、Cr2Nb相及Cu基体相组成。450℃短时(30 min)时效后Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金即可析出纳米级fcc结构的Cr析出相,在长时间(300 min)时效后,会形成bcc结构的Cr析出相。Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金经过低温轧制和时效处理后,在Cu基体中形成了纳米析出相、纳米变形孪晶和位错等混合组织并获得了优异的综合性能。低温轧制Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金450℃时效30 min后,抗拉强度为700 MPa,导电率为73.29%IACS;450℃时效300 min后,导电率可达79.81%IACS,此时,抗拉强度、屈服强度和硬度分别为646 MPa、606 MPa和212 HV。结合实验结果和对强度贡献计算表明,位错强化和析出强化是Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金的主要强化机制。

关键词： Cu-1Cr-0.2Zr-0.25Nb合金低温轧制析出相强度导电率

POEM法制备微米级Cu球形粒子的传热与凝固行为模拟研究

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稀有金属材料与工程 2024年第1期53卷 124-135页

作者：王旭东李鹏宇汤思璠岳怡心姚曼董伟大连理工大学材料科学与工程学院辽宁大连116024 大连理工大学辽宁省凝固控制与数字化制备技术重点实验室辽宁大连116024

脉冲微孔喷射法(POEM)制备微米级球形粒子是典型的无容器传热和凝固过程,制备出的球形粒子具有粒径均一、圆整度高、热履历一致等特点,对流和辐射主导的传热机制对其制备工艺、凝固过程和组织控制至关重要。针对脉冲微孔喷射法微米级球... 详细信息

脉冲微孔喷射法(POEM)制备微米级球形粒子是典型的无容器传热和凝固过程,制备出的球形粒子具有粒径均一、圆整度高、热履历一致等特点,对流和辐射主导的传热机制对其制备工艺、凝固过程和组织控制至关重要。针对脉冲微孔喷射法微米级球形金属粒子的制备过程、冷却传热与凝固特征,本研究建立了三维球坐标系下的粒子传热与凝固数值计算模型,考虑纯Cu粒子在无约束凝固过程中的对流和辐射换热特点,采用温度回升法处理纯金属的凝固潜热,计算了金属粒子在凝固过程不同阶段的温度变化与分布特点,考察了粒子凝固进程中的温度梯度、冷却速率、液固界面推进与凝固速度;模拟分析粒子的对流、辐射换热特征及贡献强度,探讨了不同制备工艺对粒子对流换热的影响,为POEM法微米级球形粒子制备工艺的优化和凝固过程调控提供参考。

关键词：球形金属粒子脉冲微孔喷射法传热与凝固对流和辐射换热数值模拟

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弹性磨抛轮加工硅片面形预测模型及试验验证

表面技术 2024年第3期53卷 22-27,46页

作者：高尚任佳伟康仁科张瑜李天润大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室辽宁大连116024

目的为分析弹性磨抛轮磨削硅片面形精度变化的影响因素,优化加工参数以获得良好的磨削面形。方法通过建立考虑弹性磨抛轮转速、硅片转速、偏心距等参数的弹性磨抛轮磨粒运动轨迹模型,结合单颗磨粒切削深度,提出了弹性磨抛轮加工硅片的... 详细信息

目的为分析弹性磨抛轮磨削硅片面形精度变化的影响因素,优化加工参数以获得良好的磨削面形。方法通过建立考虑弹性磨抛轮转速、硅片转速、偏心距等参数的弹性磨抛轮磨粒运动轨迹模型,结合单颗磨粒切削深度,提出了弹性磨抛轮加工硅片的材料去除非均匀性预测方法,建立了基于弹性磨抛轮磨削硅片的面形预测模型,并通过不同转速比下的磨削试验验证了预测模型的准确性。结果面形预测模型仿真出的面形与弹性磨抛轮加工试验后的硅片面形一致,均呈“凸”形,且PV值随转速比的增大而增大。转速比为1时,磨削后硅片面形PV值为0.54μm,仿真模型计算出的PV值为0.49μm,转速比为5时,磨削后硅片面形PV值为2.12μm,仿真模型计算出的PV值为2.38μm。结论磨削试验面形PV值与模型计算面形PV值的预测误差小于13%,建立的面形预测模型能够成功预测硅片的面形规律,可以分析加工参数对硅片面形的影响规律。由面形预测模型分析可知,转速比对硅片面形精度有影响,且随着转速比的增加,硅片面形不断恶化,因此在实际加工中,应选择较小的转速比进行加工,以获得更优的硅片面形精度。

关键词：磨抛轮硅片面形仿真磨粒切削深度去除均匀性磨削

纤维缠绕复合材料压力容器封头厚度的逐层预测方法

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复合材料学报 2024年第7期41卷 3796-3802页

作者：张行任明法王磊祖磊何景轩大连理工大学工程力学系大连116024 大连理工大学机械工程学院大连116024 高性能精密制造全国重点实验室大连116024 辽宁省先进复合材料高性能制造重点实验室大连116024 西安航天动力技术研究所西安710025 燃烧、热结构与内流场国防科技重点实验室西安710072

受纤维缠绕成型工艺和封头段变曲率/厚度等的影响,复合材料压力容器封头段受力状态较为复杂,实现对封头段缠绕层厚度的逐层精准预测,对于构建高精度有限元模型、指导工程应用具有重要意义。针对上述问题,本文基于双公式法及三次样条函数... 详细信息

受纤维缠绕成型工艺和封头段变曲率/厚度等的影响,复合材料压力容器封头段受力状态较为复杂,实现对封头段缠绕层厚度的逐层精准预测,对于构建高精度有限元模型、指导工程应用具有重要意义。针对上述问题,本文基于双公式法及三次样条函数法,发展了一种复合材料压力容器封头缠绕层厚度逐层预测方法,研究了极孔半径、单层纱带厚度和缠绕层数对封头厚度和赤道圆处缠绕角的影响。结果表明:随着极孔半径增大及单层纱带厚度减小,封头段纤维缠绕层厚度极值逐渐减小,赤道圆处缠绕角度的变化随极孔半径与单层纱带厚度减小逐层减小;进一步地,通过对比封头段每层缠绕层厚度,发现各缠绕层厚度由内层到外层随着平行圆半径增大呈现先变大后减小最终趋于相同的趋势。

关键词：复合材料压力容器封头厚度逐层预测三次样条函数缠绕角

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酚醛树脂气凝胶复合材料热物性参数预测方法

航空学报 2024年第6期45卷 338-348页

作者：张春云陈雄斌刘健崔苗大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连116024 大连理工大学辽宁省空天飞行器前沿技术重点实验室大连116024 北京空天技术研究所北京100074

针对酚醛树脂气凝胶复合材料(IPC)碳化过程热物性参数动态变化和难以准确测量的问题,基于试验测量信息,通过求解瞬态非线性热传导反问题,提出了一种预测IPC碳化过程热物性参数的新方法。采用改进的梯度算法对瞬态非线性热传导反问题进... 详细信息

针对酚醛树脂气凝胶复合材料(IPC)碳化过程热物性参数动态变化和难以准确测量的问题,基于试验测量信息,通过求解瞬态非线性热传导反问题,提出了一种预测IPC碳化过程热物性参数的新方法。采用改进的梯度算法对瞬态非线性热传导反问题进行求解,预测随温度变化的热物性参数。引入复变量求导法准确计算灵敏度矩阵,提高预测精度。结果表明,与传统的梯度算法相比,该算法在求解瞬态非线性热传导反问题时具有很好的稳定性、精度和效率,计算时间由75 s降至35 s。测点温度计算值和试验测量值的平均相对误差为3.279%,采用该算法预测IPC碳化过程等效导热系数精度高。该工作为获取热防护材料的高温热物性参数提供了一种有效方法,为碳化型热防护材料的工程设计提供了关键参数。

关键词：热防护酚醛树脂气凝胶复合材料等效导热系数参数预测梯度算法

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薄壁结构件的正向吸附辅助支撑钻削工艺研究

航空制造技术 2024年第7期67卷 54-60页

作者：王福吉王一成付饶杜长霖赵猛大连理工大学机械工程学院大连116024 大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室大连116024 辽宁省先进复合材料高性能制造重点实验室大连116024

航空航天领域中薄壁结构件的连接装配要求加工高精度的连接孔,但此类结构件钻削加工时变形大、易振动,严重影响制孔精度和表面质量,传统装夹方法存在装夹跨距大、难以充分有效支撑等问题。本文提出通过正向吸附辅助支撑,提高薄壁结构件... 详细信息

航空航天领域中薄壁结构件的连接装配要求加工高精度的连接孔,但此类结构件钻削加工时变形大、易振动,严重影响制孔精度和表面质量,传统装夹方法存在装夹跨距大、难以充分有效支撑等问题。本文提出通过正向吸附辅助支撑,提高薄壁结构件加工时的局部刚度,进而提高薄壁结构件的加工质量,并通过仿真和试验相结合的方式研究了正向吸附辅助支撑对薄壁结构件钻削加工的影响。结果表明,在本文仿真和试验条件下,正向吸附辅助支撑可使钻削位置刚度提升40倍以上,孔壁粗糙度值降低67%以上,圆度公差降低60%以上,孔径偏差降低50%以上,同一孔的靠近出口、入口位置的孔径偏差降低90%以上。可见,正向吸附辅助支撑可显著提高薄壁结构件的制孔精度和质量。

关键词：正向吸附辅助支撑薄壁结构件钻削刚度变形

基于温度原位监测的微反应器在HNS微流道制备过程中的应用

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火炸药学报 2024年第6期47卷 559-565,I0005页

作者：黄健时育坤和欣张松韩瑞山周继明张方吴梦希刘军山大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室辽宁大连116024 大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室辽宁大连116024 陕西应用物理化学研究所瞬态化学效应与控制全国重点实验室陕西西安710061

针对含能材料微流道制备过程中缺乏温度原位监测手段的问题,提出一种集成薄膜温度传感器的微反应器系统;微反应器由包含薄膜温度传感器的玻璃基片与包含微流道的硅基片键合组成;微流道的上游、中游、下游分别放置了3个温度传感器,以实... 详细信息

针对含能材料微流道制备过程中缺乏温度原位监测手段的问题,提出一种集成薄膜温度传感器的微反应器系统;微反应器由包含薄膜温度传感器的玻璃基片与包含微流道的硅基片键合组成;微流道的上游、中游、下游分别放置了3个温度传感器,以实现微反应过程中高空间分辨率的温度测量;基于该微反应器,搭建了六硝基茋(HNS)连续化微流道制备系统,实时监测了HNS微纳米化及球形化过程中的温度变化。结果表明,微反应器具有精度高、耐腐蚀、可观测的优点;HNS微纳米化是一个放热反应,流体最大温升为6.4℃,由于HNS的逐渐析出,流体中的固体含量增大,流速变慢,流体温度的分布发生变化;在HNS球形化过程中,两相流体的混合是一个放热过程,流体最大温升为2.3℃;微流道中游处的温度明显高于上游与下游,说明当液滴流动至中游时,HNS微球已经制备完成。

关键词：物理化学微反应器薄膜温度传感器实时温度监测六硝基芪 HNS 微流控

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倾斜基板铝合金增材制造尺寸规律及性能研究

机械工程学报 2024年

作者：杨超雄张兆栋沙禹垚刘黎明大连理工大学辽宁省先进连接技术重点实验室大连理工大学材料科学与工程学院

电弧增材制造效率高，成本低，可以实现铝合金的快速成形，但考虑实际待修复制造工件工况复杂，体积过大不易搬运或者拆卸困难等因素，需要对倾斜状态下电弧增材制造工艺进行研究。采用MIG电弧增材制造工艺在倾斜45°基板上制备5083铝... 详细信息

电弧增材制造效率高，成本低，可以实现铝合金的快速成形，但考虑实际待修复制造工件工况复杂，体积过大不易搬运或者拆卸困难等因素，需要对倾斜状态下电弧增材制造工艺进行研究。采用MIG电弧增材制造工艺在倾斜45°基板上制备5083铝合金，利用实验和数学模型相结合的方法研究了电弧增材制造过程中各参数(焊接电流I、焊接速度v、焊枪高度L)对试件成形尺寸(熔宽W、层高H、峰值偏移量μ)的影响规律，利用拉伸试验、扫描电子显微镜(SEM)等实验方法，研究了倾斜基板增材制造5083铝合金不同位置处的气孔缺陷，Mg元素含量以及力学性能差异。结果表明，数学模型预测效果较为准确，各参数影响规律与实验相验证，倾斜基板下焊接电流对熔宽的影响最大，焊接速度对层高的影响最大，焊枪高度的影响较小。利用耦合参数制造的铝合金结构件成形较好，尺寸稳定层间熔合良好，未发现明显裂纹。倾斜基板下制造的5083铝合金不同位置处的断口形貌，断裂方式以及气孔分布均表现出不同程度的各向异性，横向平均抗拉强度为330 MPa，最大延伸率为16.67%，纵向平均抗拉强度为296 MPa，最大延伸率为15.11%，可以认为横向拉伸性能要优于纵向的拉伸性能。

关键词：倾斜基板微重力增材制造正交试验成形尺寸力学性能