材料开发与应用

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本刊定位于“成为船舶及海洋工程材料技术交流平台，加强材料界学术交流，促进船舶行业和海洋工程领域技术创新和产业发展”。主要刊载各类金属材料、高分子聚合物材料、无机非金属材料、复合材料以及腐蚀与防护、失效分析、测试评价等技术相关的高水平论文。

主编：廖志谦

执行主编：马玉璞

副主编：全识俊

主管：中国船舶集团有限公司

主办：洛阳船舶材料研究所; 中国造船工程学会船舶材料学术委员会

编辑出版：《材料开发与应用》杂志社

ISSN 1003-1545

CN 41-1149/TB

2023年第38卷第4期

栏目

船用复合材料
组织与性能
工艺研究
腐蚀与防护

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船用复合材料

双面静水压下含点阵增强柱和空腔的夹芯板水下声振计算方法研究

赖喜悦, 陈美霞, 周志伟

2023, 38(4): 1-10.

[摘要](100) [PDF 4585KB](33)

摘要:
随着潜艇工作深度不断增加,含点阵增强柱和空腔的复合材料夹芯板因其高强度和声振性能可设计性强的优良特性逐渐被应用于外部壳体结构。为建立一种考虑双面静水压的含点阵增强柱和空腔的复合材料夹芯板水下声振计算方法,研究高潜深环境下双面高静水压对围壳等内部充水结构声振性能的影响,本研究利用多层次均质化等效方法将含增强柱和空腔的水下复合材料夹芯板芯层等效为正交各向异性材料,得到均质夹芯板模型,然后基于应变能密度相等将横向双面静水压等效为面内均布载荷,对基于LW理论模型的均质夹芯板的水下振动方程进行修正,进而提出了一种考虑双面静水压的含点阵增强柱和空腔的复合材料板水下声振计算方法。最后,利用数值计算方法对本研究方法的准确性进行了验证,结果表明理论解与数值解吻合较好。该方法可以较准确的预报双面静水压对含点阵增强柱和空腔的复合材料夹芯板声振性能的影响。

基于颗粒阻尼的水下吸声构件结构设计与性能研究

郑嘉琦, 杜佳伟, 胡旭, 王云明, 周华民

2023, 38(4): 11-18.

[摘要](60) [PDF 5816KB](14)

摘要:
现代声呐探测技术的提高对水下吸声构件在低频声波的吸收性能提出了新的要求,而现有基于空腔、颗粒散射、声子晶体等结构的水下构件仍难以达到良好的吸声效果。针对以上需求,本研究设计了基于颗粒阻尼结构的水下吸声构件,通过在水下吸声阻尼聚合物中加入颗粒阻尼单元高效耗散机械能。通过离散元模型计算出颗粒材质、填充率、尺寸等参数对于单元耗散能量的影响,并进一步探究了颗粒阻尼单元在声激励下的运动规律与能量耗散效果,对于改进水下吸声构件以及提升其吸声效果提供一种参考。

干纤维自动铺放-液体成型技术进展研究

聂玉强, 付晨辰, 彭运松

2023, 38(4): 19-26.

[摘要](65) [PDF 6370KB](19)

摘要:
相较于传统预浸料预制体需要热压罐固化,干纤维自动铺放结合液体成型技术可以实现非热压罐制造复合材料,从而降低制造成本、缩短制造周期。本研究针对干纤维自动铺放-液体成型技术,从干纤维铺放材料、干纤维自动铺放设备以及干纤维自动铺放工艺技术进展三个方面进行概述,并对其未来在船舶领域的应用进行展望。

船用封闭曲面铺放成型过程中的断纱控制轨迹规划算法

刘茜茜, 彭运松, 刘琛, 张浩天, 张晨旭, 王显峰

2023, 38(4): 27-35,42.

[摘要](58) [PDF 9683KB](8)

摘要:
自动铺放技术作为一种先进的复合材料成型技术,广泛适用于加工形状复杂的复合材料构件。本研究以压辊压实量、角度偏差以及曲率半径作为评价指标,通过对不同轨迹规划算法进行对比,选取适用于船用封闭曲面的轨迹规划算法。以重叠因子为约束条件对轨迹进行满覆性分析,提出一套适用于复杂曲面的增减纱算法,实现重叠与间隙的均匀分布。基于船用封闭曲面结构提出分区轨迹优化算法,降低了断纱数量。最后在封闭曲面上进行仿真与实验分析,验证算法的正确性。

结构阻尼复合材料热老化性能研究

杨瑞瑞, 康逢辉, 吴医博, 郭万涛, 李想

2023, 38(4): 36-42.

[摘要](46) [PDF 4554KB](11)

摘要:
结构阻尼复合材料具有高比强度、高比模量、高阻尼等特性,用于船舶领域具有减振降噪的优良特性。为了研究结构阻尼复合材料在热环境下性能演变规律,本研究以玻纤复合材料及共固化阻尼改性的结构阻尼复合材料为研究对象,开展了结构阻尼复合材料力学性能、阻尼性能,及其耐湿热老化性能研究。研究发现:经阻尼处理后,复合材料的阻尼性能提高了1倍;短时热老化试验,对阻尼复合材料的力学和阻尼性能影响较小;通过长期热老化试验并根据阿伦尼乌斯方程,建立了结构阻尼复合材料的寿命方程,并推算出其最高使用温度为82.1℃,满足预期使用需求。

低频相控阵超声检测用于船用复合材料缺陷定量分析研究

冀冰, 庄亚

2023, 38(4): 43-49,80.

[摘要](36) [PDF 4244KB](3)

摘要:
研究了低频相控阵超声检测技术用于船用复合材料缺陷定量分析的问题。首先针对典型船用复合材料的相控阵聚焦声场进行分析,包括典型材料声速对小缺陷检出能力的影响、不同频率和合成孔径对近场长度的影响以及不同聚焦深度的声场仿真,提出不同厚度典型船用复合材料的相控阵超声频率和合成孔径推荐原则。为了验证该原则的准确性,通过实测不同深度的Φ3 mm的小缺陷,运用TCG校准的方式对TCG曲线的线性和小缺陷的检测效果进行验证。实现了对典型船用复合材料近表面和内部缺陷的定量分析,达到了较好的检测效果。

船舶用阻燃树脂基体复合材料研究进展

刘翔, 周恒, 郭颖, 赵晓娟, 杨瑞瑞, 李桂阳, 李伟明, 李想, 郭万涛, 黄伟, 赵彤

2023, 38(4): 50-60.

[摘要](60) [PDF 2907KB](21)

摘要:
复合材料的阻燃性能限制了其在船舶结构中的应用,树脂基体复合材料阻燃性能的好坏主要取决于树脂本身的阻燃性能。作者分别对复合材料中常用的三类树脂基体进行了总结研究:乙烯基环氧树脂在船舶领域已得到了广泛应用,但在某些要求阻燃的场合,乙烯基环氧树脂的应用受限。工业界和学术界针对阻燃乙烯基环氧树脂开展了大量工作,通过加入含磷笼型聚倍半硅氧烷(POSS)阻燃剂,显著提高了其阻燃性能,耐热性能和力学性能也有所提高;酚醛树脂是一种具有高阻燃性能的树脂类别,采用多种浸渍工艺将其制备成玻璃纤维或碳纤维增强预浸料,经过模压或热压罐等工艺方式可制备出力学性能良好、阻燃性能优异的复合材料产品。采用发泡工艺制备玻璃纤维增强酚醛发泡复合材料,其在更加轻量化的同时,仍具有良好的力学性能和阻燃性能;邻苯二甲腈树脂同样具有优异的阻燃性能,玻璃纤维、碳纤维增强的邻苯二甲腈复合材料热释放速率满足美军MIL-STD-2031中潜艇材料测定标准,邻苯二甲腈玻璃纤维复合材料的烟密度也远低于常见树脂复合材料的。阻燃乙烯基环氧树脂、酚醛树脂和氰基树脂优异的阻燃性能和良好的力学性能使其在水面舰艇和潜艇部件上具有广阔的应用前景。

碳纤维编织复合材料层合板抗侵彻性能研究

罗锡林, 魏建辉, 李飘, 刘志康, 刘加一

2023, 38(4): 61-68.

[摘要](60) [PDF 8307KB](10)

摘要:
通过弹道冲击实验开展了碳纤维编织复合材料层合板的抗侵彻性能研究,进行了动态响应分析和损伤模式分析。建立了基于Hashin失效和Yeh分层失效准则的渐进损伤模型,运用ABAQUS有限元软件模拟了碳纤维编织复合材料层合板的侵彻失效过程,采用Lambert-Jonas公式拟合了柱状弹侵彻层合板弹道极限曲线,对比分析了碳纤维编织复合材料层合板侵彻实验与数值模拟的弹道极限速度及损伤形貌。结果表明,层合板侵彻损伤模式主要为分层、纤维断裂和基体开裂失效,弹道极限速度数值模拟结果与实验结果吻合较好。

超高分子量聚乙烯增强波纹夹芯结构的自由振动特性

康瑞, 李雪

2023, 38(4): 69-74.

[摘要](44) [PDF 7687KB](2)

摘要:
金属波纹夹芯结构因超轻、结构性能好(比刚度/强度)、主动冷却能力强、易于制造和维修等诸多优点被广泛应用于高铁、船舶、建筑等领域,然而其阻尼特性较差,在外部载荷激励下容易产生结构振动和噪声。为了提高金属波纹夹芯结构的振动阻尼特性,且同时增强夹芯结构的承载能力,本研究提出采用超高分子量聚乙烯增强金属波纹夹芯结构,并通过试验模态法分析自由层和约束层两种不同增强方式对波纹夹芯结构固有频率和结构阻尼特性的影响。结果表明,自由层和约束层超高分子量聚乙烯增强的金属波纹夹芯结构相比于全金属波纹夹芯结构,阻尼特性得到显著提高。

多层碳纤维毡复合材料的电磁屏蔽性能研究

吴师, 罗文, 陈润华

2023, 38(4): 75-80.

[摘要](38) [PDF 4474KB](3)

摘要:
通过对多层碳纤维毡(CFF)/环氧树脂(EP)复合材料的厚度、碳毡含量以及碳黑填充的设计,制备了多种多层结构碳纤维毡复合材料,研究了多层碳纤维毡复合材料的屏蔽性能。结果表明:随着厚度的增加,多层结构复合材料的屏蔽效能呈增高趋势;随碳毡含量的升高,多层结构复合材料的单位厚度屏蔽效能逐渐增高;碳黑(CB)的添加能进一步提升材料的屏蔽效能,碳黑填充位置的不同对多层结构复合材料的屏蔽效能影响较大;在4.00 GHz时, CFF-CB-GFF结构的屏蔽效能可达到约71 dB,可作为优良的结构功能一体化屏蔽材料。

组织与性能

不同碳链长度的硅烷偶联剂对纳米SiO₂改性研究

咸春龙, 李钦哲, 柳江砚, 雷鹏, 吴航, 王福会

2023, 38(4): 81-88.

[摘要](89) [PDF 5442KB](30)

摘要:
使用不同碳链长度的硅烷偶联剂(甲基三甲氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷)分别对纳米SiO₂进行改性。采用FTIR、XPS、XRD、TGA等表征方法研究了SiO₂粒子改性前后的化学结构和接枝率;采用激光粒度测试和TEM研究了纳米SiO₂颗粒的粒径分布和微观形貌;采用沉降实验和接触角观察了纳米SiO₂粒子的水中分散性状态及其亲疏水性能。结果表明,硅烷偶联剂成功接枝在了纳米SiO₂颗粒表面。随着硅烷偶联剂碳链长度的增加,改性后SiO₂平均粒径呈现先减小后增大的趋势,团聚现象减弱。经十六烷基三甲氧基硅烷改性的纳米SiO₂颗粒接触角从11.7°提高至108.2°,由亲水性转变为疏水性。

HIP对新型高温钛合金ZTi700SR微观组织及拉伸性能的影响

曹恒, 刘茵琪, 刘喜波

2023, 38(4): 89-91.

[摘要](68) [PDF 4976KB](19)

摘要:
以一种使用温度在700℃的新型高温钛合金材料为研究对象,研究了热等静压工艺(HIP)对其材料力学性能及微观组织性能的影响。结果表明:新型高温钛合金ZTi700SR的铸态组织为魏氏组织,组织特征为片层状α相+晶间β相+晶界α相,HIP使α相粗化;HIP后ZTi700SR钛合金的室温及高温抗拉强度略有降低,伸长率有所提高;HIP后,材料的抗拉断口韧窝尺寸减小,材料更加致密。

工艺研究

CuNi90/10合金电子束焊接工艺研究

陈利阳, 雷小伟, 殷亚运, 吕晓辉, 符成学

2023, 38(4): 92-97,110.

[摘要](65) [PDF 6881KB](12)

摘要:
对10 mm厚CuNi90/10合金进行电子束焊接试验。液态金属表面张力较小,导致焊接工艺窗口较窄,较大的热输入将导致正面下凹,单面焊双面成形效果不如钛合金的;采用优化的参数可实现正面轻微下凹,同时保证背面成形基本良好。按照优化参数进行试板电子束焊接,并进行GTAW盖面。对焊接试板进行了射线检测和渗透检测,均满足NB/T 47013-2015的Ⅰ级标准;对焊接接头按照NB/T 47014-2011进行了力学、工艺性能测试,测试结果均满足标准要求。电子束焊接区域柱状晶特征明显,焊缝冲击性能优良,冲击功可达200 J以上,同时焊缝区硬度相比母材的有所下降。电子束焊接区域为典型的大深宽比形貌,焊缝区为枝晶α,热影响区为孪晶α;富镍α表现为较亮形貌,富铜α表现为较暗形貌。

腐蚀与防护

氮掺杂碳点在盐酸溶液中对碳钢的缓蚀作用

商丹妮, 吴尚浩, 孟怡君, 刘畅, 王金科, 马菱薇

2023, 38(4): 98-110.

[摘要](47) [PDF 12528KB](12)

摘要:
碳点因其优异的性能在缓蚀剂开发领域具有巨大的应用潜力。本研究以柠檬酸铵为原料,在180℃热解不同时间(1 h、1.5 h、2 h),合成具有不同形貌结构的氮掺杂碳点(N-CDs),分析了碳点制备条件对其作为Q235碳钢缓蚀剂的性能影响规律。采用极化曲线和电化学阻抗谱,结合表面分析技术,说明了N-CDs的缓蚀机理。结果表明,当热解时间为1.5 h时,N-CDs的缓蚀效率最高,200 mg/L N-CDs1.5在1 M HCl溶液中的缓蚀效率达到91.6%。N-CDs作为混合型缓蚀剂能够减缓碳钢的阳极和阴极腐蚀反应,通过物理、化学吸附形成保护膜,并且提高了金属表面的疏水性,从而有效抑制了碳钢的腐蚀萌生与发展。本研究为发展高效、绿色的新型缓蚀剂提供了新的思路。

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