CN108240988A - 复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料连接结构自然暴露试验结果的评价方法，包括获取试样和前处理、形貌观察、损伤检测、力学性能测试和数据分析等步骤。该方法通过从宏观‑细观‑微观多层次的分析复合材料连接结构的外观形貌和微观组织变化结果，并结合损伤表征和力学性能测试结果，建立微观组织变化和力学性能变化规律的联系，能够更准确、真实地反映复合材料连接结构在自然环境腐蚀作用和老化作用交互影响下的性能变化规律，促进复合材料连接结构环境适应性试验技术的发展。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料环境适应性技术领域，特别是涉及复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法。
背景技术
复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
复合材料可分为常用和先进两类，先进复合材料指用高性能增强体如碳纤维、芳纶等由高性能耐热高聚物构成的复合材料。应装备轻质化、高性能、小型化要求，先进复合材料以其高比强度、高比模量及性能可设计等优势，成为航空航天结构材料领域的重要组成部分。复合材料一般由基体材料和增强材料复合而成；基体材料主要是各种金属材料，增强材料一般采用各种纤维材料，其中增强材料在复合材料中起主要作用，用来提供刚度和强度，而基体材料用来支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷。受复合材料制备工艺限制，航空航天大型复合材料构件的装配过程中需要通过大量的连接结构(如铆接或螺接等)来进行连接，复合材料连接结构保证了飞机及其它航空航天器的整体性，可以有效提高飞行器的机动性能。然而，由于复合材料连接结构的层合板存在装配孔(如铆接孔或螺接孔等)，切断了纤维的连续性，导致装配孔周边应力状态极其复杂，成为承载的薄弱环节。据统计，飞行器结构的破坏有70％以上都是发生在连接部位。同时紧固件材料和复合材料层合板为异质材料，在潮湿环境下易发生电化学腐蚀；另外，复合材料本身在高温、高湿条件下也会发生老化。腐蚀和老化的共同作用必然对复合材料力学性能造成损伤，导致结构的承载能力降低。因此，准确的对复合材料连接结构的腐蚀及老化机理深入了解成为了研究者重点关注的研究热点。
在复合材料连接结构的腐蚀及老化机理研究方面，主要包括两种方法：自然环境试验和实验室模拟环境试验。目前开展的工作主要集中在通过加速腐蚀的方法研究连接结构腐蚀及老化效应的实验室模拟环境试验方面，而最能真实可靠反映复合材料连接结构腐蚀、老化行为特征的自然环境试验却开展得很少。目前，针对复合材料连接结构在自然环境中的腐蚀及老化行为，还没有形成系统有效的评价方法。因此，亟需提出一套适用于复合材料连接结构自然暴露试验结果的评价方法。
发明内容
基于此，有必要针对现有复合材料连接结构自然暴露试验结果的评价方法缺失的问题，提供一种复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，可以从宏观-细观-微观多层次表征经自然环境试验的复合材料连接结构的外观形貌、组织结构到力学性能退化规律。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。
复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，包括以下步骤：
试样获取及前处理：按照试验周期取自然环境暴露的试样，对试样进行冲洗、烘干处理，测量试样的尺寸，并做好记录；所述试样由紧固件和层合板组成，所述层合板上设有装配孔，所述层合板上位于所述装配孔附近设有检测区域；所述紧固件穿过所述装配孔将所述层合板连接固定；所述层合板的材料为复合材料，所述复合材料由基体和增强体复合而成；
形貌观察：目测观察所述紧固件的表面和所述检测区域，利用相机对所述紧固件和所述检测区域的表面进行照相，得到所述紧固件的表面及所述检测区域的表面的宏观形貌；利用金相显微镜观察得到所述紧固件和所述检测区域的微观形貌特征；利用带能谱分析的扫描电镜分析确定所述紧固件的表面被腐蚀后的产物组成成分；
损伤检测：对所述检测区域进行无损检测，探测所述检测区域的复合材料中基体断裂、界面脱粘和纤维断裂以及分层缺陷；
力学性能测试：对所述试样进行挤压性能测试，得到所述试样的强度随暴露时间的退化规律；挤压性能测试过程中利用声发射设备记录所述试样的损伤扩展情况，并测试所述紧固件和所述检测区域的应变场随加载的变化规律；
数据分析：结合所述试验周期各阶段试验数据进行对比分析，得到自然环境暴露条件下所述紧固件的表面和所述检测区域的形貌变化规律，以及所述试样的老化和腐蚀机理。
上述复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，通过从宏观-细观-微观多层次表征经过自然环境试验的复合材料连接结构试样的外观形貌和微观组织变化结果，并结合损伤表征和力学性能测试手段，建立微观组织变化和力学性能变化规律的联系，能够更准确、真实地反映复合材料连接结构在自然环境腐蚀作用和老化作用交互影响下的性能变化规律，促进复合材料连接结构环境适应性试验技术的发展。
在其中一个实施例中，所述自然环境暴露的试样为户外自然环境暴露的试样、棚下自然环境暴露的试样或库房自然环境暴露的试样。
在其中一个实施例中，所述基体断裂、界面脱粘和纤维断裂为利用3D-X射线扫描对所述检测区域进行探测，获得所述检测区域的基体开裂、界面脱粘和纤维断裂损伤情况。
3D-X射线扫描是以非破坏性X射线透视技术，将待测物体做360°自传，进而收集每个角度的穿透图像，之后利用电脑运算重构出待测物体的实体图像。
在其中一个实施例中，所述分层缺陷为利用超声C扫描对所述检测区域进行探测、得到所述检测区域的分层损伤情况。
超声C扫描技术是将超声检测与微机控制和微机进行数据采集、存贮、处理、图像显示集合在一起的技术。使用计算机控制超声换能器(探头)在工件上纵横交替搜查，将探测特定范围内(指工件内部)的反射波强度以辉度的形式连续显示处理，这样就可以绘制出工件内部缺陷横截面图形，这个横截面与超声波声束是垂直的，即工件内部缺陷横截面在计算机显示器上的纵横坐标，分别代表工件截面的纵横坐标。
在其中一个实施例中，采用水浸超声C扫描对所述检测区域进行分层缺陷的探测分析。
在其中一个实施例中，所述超声C扫描的图像采样分辨率为0.05×0.05mm2～0.2×0.2mm2，信号采样频率为30～50MHz。
在其中一个实施例中，所述紧固件和所述检测区域的应变场是通过非接触全场应变测量系统(Vic-3D)测得。
在其中一个实施例中，宏观形貌观察步骤还包括用相机对所述试样的原始状态和自然环境暴露试验后的状态进行拍摄，以便于自然环境试验的前后对试样的外观形貌进行对比分析。
在其中一个实施例中，所述紧固件为铆接件或螺接件，所述紧固件的材料为钛合金、不锈钢或铝合金。
在其中一个实施例中，所述层合板的基体材料为热塑性树脂或热固性树脂的的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述层合板中增强体材料为高模量碳纤维、高强度碳纤维或高导热碳纤维中的一种或多种。
附图说明
图1为一实施例复合材料连接结构试样示意图。
图2为一实施例复合材料连接结构试样自然环境暴露试验现场图。
图3为一实施例复合材料连接结构试样装配孔区域微观照片。
图4为一实施例复合材料连接结构试样装配孔区域超声C扫描图。
图5为一实施例复合材料连接结构试样螺接部位3D-X射线扫描图。
图6为一实施例复合材料连接结构试样挤压强度测试曲线图。
图7为一实施例复合材料连接结构试样挤压测试后损伤探测情况图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，包括以下步骤：
试样获取及前处理：按照试验周期取自然环境暴露的试样，对试样进行冲洗、烘干处理，测量试样的尺寸，并做好记录。
具体的，试样由紧固件和层合板组成，层合板上设有装配孔，层合板上位于装配孔附近区域为检测区域；紧固件穿过装配孔将层合板连接固定；层合板的材料为由基体和增强体复合而成的复合材料。
其中自然环境暴露的试样为户外自然环境暴露的试样、棚下自然环境暴露的试样或库房自然环境暴露的试样。
形貌观察：目测观察紧固件的表面和检测区域，利用相机对紧固件和检测区域的表面进行照相，得到紧固件的表面和检测区域的宏观形貌特征；利用金相显微镜观察得到紧固件和检测区域的微观形貌特征；利用带能谱分析的扫描电镜分析确定紧固件的表面被腐蚀后的产物组成成分。
损伤检测：对检测区域进行无损检测，探测检测区域的复合材料中基体断裂、界面脱粘和纤维断裂以及分层缺陷。
力学性能测试：对试样进行挤压性能测试，得到试样的强度随暴露时间的退化规律，挤压性能测试过程中利用声发射设备记录试样的损伤扩展情况，并测试紧固件和检测区域的应变场随加载的变化规律。
数据分析：结合试验周期各阶段试验数据进行对比分析，得到自然环境暴露条件下紧固件的表面和检测区域的形貌变化规律，以及试样的老化和腐蚀机理。
上述复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，通过从宏观-细观-微观多层次表征经过自然环境试验的复合材料连接结构试样的外观形貌和微观组织变化结果，并结合损伤表征和力学性能测试手段，建立微观组织变化和力学性能变化规律的联系，能够更准确、真实地反映复合材料连接结构在自然环境腐蚀作用和老化作用交互影响下的性能变化规律，促进复合材料连接结构环境适应性试验技术的发展。
在其中一个实施例中，利用三维X射线扫描对检测区域进行探测，获得检测区域的复合材料基体开裂、界面脱粘和纤维断裂等损伤情况；利用超声C扫描对检测区域进行探测分析、得到层合板检测区域的分层损伤的情况。
在其中一个实施例中，采用水浸超声C扫描对层合板检测区域进行分层缺陷的探测分析。
在其中一个实施例中，超声C扫描的图像采样分辨率为0.05×0.05mm2～0.2×0.2mm2，信号采样频率为30～50MHz。
在其中一个实施例中，试样的紧固件和检测区域的应变场是通过非接触全场应变测量系统(Vic-3D)测得。
在其中一个实施例中，力学性能分析是通过利用万能拉力试验机对试样进行力学性能测试。
在其中一个实施例中，万能拉力试验机的加载速率为0.5mm/min～2.0mm/min。
在其中一个实施例中，宏观形貌观察步骤还包括用相机对试样的原始状态和自然环境暴露试验后的状态进行拍摄，便于用来对比分析试样形貌变化。
在其中一个实施例中，在宏观形貌观察过程中，对试样有明显变化的区域进行标记。
在其中一个实施例中，紧固件为铆接件或螺接件，紧固件的材料为钛合金、不锈钢或铝合金。
在其中一个实施例中，复合材料的基体材料为热塑性树脂或热固性树脂的的一种或多种。
在其中一个实施例中，复合材料的增强体材料为高模量碳纤维、高强度碳纤维或高导热碳纤维中的一种或多种。
以下为具体实施例。
实施例1
复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，包括以下步骤：
试样获取及前处理：按试验周期取自然环境试验的复合材料连接结构试样，对试样进行冲洗、烘干处理，测量试样的尺寸，并做好记录。
具体的，取回自然环境试验的复合材料连接结构试样，用去离子水对取回的试样进行冲洗，冲洗干净后在60℃烘干箱放置2小时，烘干表面水分后，待观察。
宏观形貌观察：目测观察试样，得到试样紧固件的表面和层合板上检测区域的形貌变化特征。
进一步的，用相机对试样的正面、反面及侧面拍照，与试样原始状态进行对比，得到试样紧固件的表面和检测区域的形貌变化特征，并对有明显变化的区域做标记。
细观-微观形貌分析：利用金相显微镜观察紧固件和检测区域的形貌特征；利用带能谱分析的扫描电镜确定紧固件表面物质的元素组成，进一步确定紧固件的表面被腐蚀后的产物组成成分。
具体的，将试样进行拆卸，利用金相显微镜依次放大100倍、500倍和1000倍对紧固件和检测区域进行观察；再利用带能谱分析的扫描电镜放大至10000倍观察紧固件的表面和检测区域的形貌变化情况，记录紧固件的表面形态和检测区域的复合材料基体开裂、界面脱粘和纤维断裂情况，并利用能谱分析扫描电镜分析紧固件表面物质的元素组成，确定紧固件的表面被腐蚀后的产物成分。
可以理解的是，为了方便观察试样的微观形貌，可根据实际情况来调节金相显微镜和扫描电镜的放大倍数，目的是为了清楚地观察到试样的细观-微观形貌特征。
损伤检测：对检测区域进行无损检测，探测检测区域的复合材料基体开裂、界面脱粘、纤维断裂和分层损伤情况。
具体的，利用超声C扫描对检测区域进行无损伤检测。
进一步的，利用水浸超声C扫描进行无损伤检测，室温条件下，将超声C扫描的探头和试样均浸入水中进行检测，图像采样分辨率设为0.1×0.1mm2，信号采样频率设为40MHz，探测检测区域的分层、复合材料基体开裂、纤维断裂和界面脱粘等损伤情况。
可以理解的是，超声C扫描的图像采样分辨率和信号采样频率可根据实际需要来进行设置，只要是超声C扫描仪器能够设定的参数均可。
力学性能测试：对试样进行挤压性能测试，得到试样的强度随暴露时间的退化规律；挤压性能测试过程中利用声发射设备记录试样的损伤扩展情况，并测试试样紧固件和检测区域的应变场随加载的变化规律。
具体的，利用万能拉力试验机对紧固件开展力学性能测试，为了减少测试过程中的偏心现象，采用Al加强片对试样两端进行保护，加载速率为0.5mm/min，在加载过程中使用声发射探测检测区域的损伤扩展及失效情况，同时测试试样的紧固件和检测区域的应变随加载的变化规律。
可以理解的是，万能拉力试验机测试试样力学性能过程中的加载速率是可根据试样的具体材料和试样规格来进行调整。
最后，进行数据分析：结合各阶段试验数据进行对比分析，得到自然环境暴露条件下紧固件的表面和检测区域的形貌变化规律，以及所述试样的老化和腐蚀机理。
实施例2
试样准备：选择如图1所示的复合材料连接结构试样，复合材料连接结构由紧固件和层合板构成，层合板上设有装配孔，紧固件穿过装配孔将两块层合板连接固定，其紧固件是螺接件(图1a)或铆接件(图1b)，紧固件的材料为钛合金，且紧固件无涂层防护，层合板材料为T700/QY8911双马复合材料；并从正面、反面及侧面等各方位对原始状态的试样进行拍照，获得试样原始状态的照片。
可以理解的是，本实施例对复合材料连接结构试样的层合板材料、连接方式以及紧固件的材料、紧固件有无涂层防护均不做限定。只要是属于合格的复合材料连接结构均可以用来作为自然环境试验的试样。复合材料连接结构中相互连接的基材板中至少有一种是复合材料层合板。试样连接方式可以为铆接或螺接等，试样紧固件的材料可选自钛合金、不锈钢或铝合金等；复合材料的基体材料为热塑性树脂或热固性树脂，可选自环氧复合材料、双马、聚酰亚胺复合材料中的一种或多种，复合材料的增强体为高强度碳纤维、高导热碳纤维或高模量碳纤维，其中纤维体积分数为60％～70％。
试样自然环境试验：根据复合材料连接结构的服役环境，确定试样的自然试验环境，如图2所示，将试样安装在事先准备的安装架上，暴露于自然环境中进行试验。
可以理解的是，自然环境包括寒冷气候自然环境、寒温气候自然环境、暖温气候自然环境、干热气候自然环境、亚湿热气候自然环境、湿热气候自然环境等。进一步，自然环境试验包括于户外、棚下或库房自然暴露试验。
获取试样：按周期取回自然环境试验的试样，并做好记录；将每次取回的试样均冲洗干净，于60℃条件下烘干表面水分。
具体的，可根据实际情况设计试样取样周期，本实施例的取样周期设为：3个月、6个月、12个月、24个月、36个月。
宏观形貌观察：用相机从正面、反面及侧面等各个方位对试样拍照(如图1所示)，并与试样原始状态的照片进行对比，观察试样宏观形貌变化特征。
细观-微观形貌观察：将取回的试样进行拆卸，利用金相显微镜依次放大100倍、500倍和1000倍对紧固件和层合板靠近装配孔附近区域(即检测区域)进行观察(如图3所示)；再利用带能谱分析的扫描电镜放大至10000倍观察紧固件的表面和检测区域的形貌变化情况，并利用带能谱分析的扫描电镜分析紧固件表面物质元素构成，确定紧固件的表面被腐蚀后的产物成分。
损伤检测：利用水浸超声C扫描探测检测区域的损伤情况，将超声C扫描图像采样分辨率设为0.1×0.1mm2，信号采样频率设为40MHz，将超声C扫描的探头和试样均浸入水中，在室温下进行测试，探测检测区域的分层损伤情况(如图4所示)；利用3D-X射线扫描检测区域的复合材料基体开裂、纤维断裂和界面脱粘等损伤破坏情况(如图5所示)。
力学性能测试：利用万能拉力试验机对试样开展力学性能测试，为了减少测试过程中的偏心现象，采用Al加强片对试样两端进行保护，加载速率为0.5mm/min，获得挤压性能测试曲线(如图6所示)。在加载过程中通过非接触全场应变测量系统(Vic-3D)测试连接区域(即紧固件和检测区域)应变随加载的变化规律。挤压测试后，使用3D-X射线仪探测损伤情况(如图7所示)。
数据分析：结合各阶段试验数据进行对比分析，得到自然环境暴露条件下紧固件的表面和检测区域的形貌变化规律，以及试样的老化和腐蚀机理。
需要说明的是，以上图1～7所示为试样原始状态所拍摄的照片或测试结果。
随着复合材料及其连接结构在飞行器中的广泛应用，为保障飞机结构的长寿命、高可靠、低维修成本等要求，大量军用装备迫切地需要开展复合材料及其连接结构的腐蚀及老化研究。通过从宏观-细观-微观多层次的分析复合材料连接结构的外观形貌和微观组织变化结果，并结合损伤表征和力学性能测试手段，建立复合材料连接结构的微观组织变化和力学性能变化规律之间联系，能够更准确、真实地反映复合材料连接结构在自然环境腐蚀作用和老化作用交互影响下的性能变化规律，促进复合材料连接结构环境适应性试验技术的发展；同时利用该方法对不同材料连接结构的自然环境暴露试验结果进行评价，可以指导复合材料连接结构的选材。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
试样获取及前处理：按照试验周期取自然环境暴露的试样，对试样进行冲洗、烘干处理，测量试样的尺寸，并做好记录；所述试样由紧固件和层合板组成，所述层合板上设有装配孔，所述层合板上位于所述装配孔附近设有检测区域；所述紧固件穿过所述装配孔将所述层合板连接固定；所述层合板的材料为复合材料，所述复合材料由基体和增强体复合而成；
形貌观察：目测观察所述紧固件和所述检测区域，利用相机对所述紧固件和所述检测区域的表面进行照相，得到所述紧固件的表面及所述检测区域的表面的宏观形貌；利用金相显微镜观察得到所述紧固件和所述检测区域的微观形貌特征；利用带能谱分析的扫描电镜分析确定所述紧固件的表面被腐蚀后的产物组成成分；
损伤检测：对所述检测区域进行无损检测，探测所述检测区域的复合材料中基体断裂、界面脱粘、纤维断裂以及分层缺陷；
力学性能测试：对所述试样进行挤压性能测试，得到所述试样的强度随暴露时间的退化规律；挤压性能测试过程中利用声发射设备记录所述试样的损伤扩展情况，并测试所述紧固件和所述检测区域的应变场随加载的变化规律；
数据分析：结合所述试验周期各阶段试验数据进行对比分析，得到自然环境暴露条件下所述紧固件的表面和所述检测区域的形貌变化规律，以及所述试样的老化和腐蚀机理。
2.根据权利要求1所述的复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，其特征在于，所述自然环境暴露的试样为户外自然环境暴露的试样、棚下自然环境暴露的试样或库房自然环境暴露的试样。
3.根据权利要求1所述的复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，其特征在于，所述基体断裂、界面脱粘和纤维断裂为利用三维X射线对所述检测区域进行探测，获得所述检测区域的基体断裂、界面脱粘和纤维断裂损伤情况。
4.根据权利要求1所述的复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，其特征在于，所述分层缺陷为利用超声C扫描对所述检测区域进行探测、获得所述检测区域的分层损伤情况。
5.根据权利要求4所述的复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，其特征在于，所述超声C扫描是采用水浸超声C扫描，图像采样分辨率为0.05×0.05mm2～0.2×0.2mm2，信号采样频率为30～50MHz。
6.根据权利要求1所述的复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，其特征在于，所述紧固件和所述检测区域的应变场是通过非接触全场应变测量系统测得。
7.根据权利要求7所述的复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，其特征在于，所述挤压性能测试过程中，采用Al加强片对所述试样的两端进行保护。
8.根据权利要求1～7任一所述的复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，其特征在于，所述紧固件为铆接件或螺接件，所述紧固件的材料为钛合金、不锈钢或铝合金。
9.根据权利要求1～7任一所述的复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，其特征在于，所述基体的材料为热塑性树脂或热固性树脂的一种或多种。
10.根据权利要求1～7任一所述的复合材料连接结构自然暴露试验结果评价方法，其特征在于，所述增强体的材料为高模量碳纤维、高强度碳纤维或高导热碳纤维中的一种或多种。
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|---|---|
| CN (1) | CN108240988A (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109297896A (zh) * | 2018-10-31 | 2019-02-01 | 中国兵器工业第五九研究所 | 一种复合固体推进剂老化机理一致性评价方法 |
| CN109612914A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-04-12 | 中国地质大学（北京） | 一种碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法 |
| CN110108664A (zh) * | 2019-04-16 | 2019-08-09 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 一种复合材料横担缺陷的无损检测方法 |
| CN110625403A (zh) * | 2019-08-16 | 2019-12-31 | 广州瑞松北斗汽车装备有限公司 | 板件连接方法、前地板生产方法及前地板生产线 |
| CN111624151A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-09-04 | 航天科工防御技术研究试验中心 | 一种紧固件自然大气环境试验可靠性评价方法 |
| CN112903954A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-04 | 大连理工大学 | 一种面向金属基材构筑成形的界面愈合性能评价方法 |
| CN114397309A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-04-26 | 威凯检测技术有限公司 | 一种复合型透明光伏背板可靠性评价方法 |
| CN115290539A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-11-04 | 上海回天新材料有限公司 | 一种使用x-ray检测导热界面材料的装置及方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014047555A (ja) * | 2012-08-31 | 2014-03-17 | Nichiha Corp | 複合断熱板およびそれを使用した断熱構造 |
| CN103698199A (zh) * | 2013-09-26 | 2014-04-02 | 北京航空航天大学 | 一种基于细观力学退化模型的复合材料结构失效分析方法 |
| CN104483327A (zh) * | 2014-12-30 | 2015-04-01 | 芜湖赛宝信息产业技术研究院有限公司 | 一种树脂基复合材料机械连接结构损伤识别和分析方法 |
| CN105181553A (zh) * | 2015-09-10 | 2015-12-23 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种碳纤维复合材料层合板孔隙率无损检测试样甄选方法 |
| CN106018250A (zh) * | 2016-05-20 | 2016-10-12 | 复旦大学 | 一种核电用工程塑料辐照老化损伤原因的综合评定方法 |
-
2017
- 2017-06-23 CN CN201710486388.4A patent/CN108240988A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014047555A (ja) * | 2012-08-31 | 2014-03-17 | Nichiha Corp | 複合断熱板およびそれを使用した断熱構造 |
| CN103698199A (zh) * | 2013-09-26 | 2014-04-02 | 北京航空航天大学 | 一种基于细观力学退化模型的复合材料结构失效分析方法 |
| CN104483327A (zh) * | 2014-12-30 | 2015-04-01 | 芜湖赛宝信息产业技术研究院有限公司 | 一种树脂基复合材料机械连接结构损伤识别和分析方法 |
| CN105181553A (zh) * | 2015-09-10 | 2015-12-23 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种碳纤维复合材料层合板孔隙率无损检测试样甄选方法 |
| CN106018250A (zh) * | 2016-05-20 | 2016-10-12 | 复旦大学 | 一种核电用工程塑料辐照老化损伤原因的综合评定方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| CMH-17协调委员会: "《复合材料手册 第1卷》", 31 December 2014, 上海交通大学出版社 * |
| CMH-17协调委员会: "《复合材料手册 第3卷》", 31 January 2015, 上海交通大学出版社 * |
| ESENDEMIR Ü, CABIOG̅LU A M.: "Investigating bearing strength of pin-loaded composite plates in different environmental conditions", 《JOURNAL OF REINFORCED PLASTICS AND COMPOSITES》 * |
| SONG M H , KWEON J H , KIM S K , ET AL.: "An experimental study on the failure of carbon/epoxy single lap riveted joints after thermal exposure", 《COMPOSITE STRUCTURES》 * |
| 刘明，孙志华，张晓云，蔡健平: "复合材料自然环境老化试验方法", 《第十八届玻璃钢/复合材料学术年会论文集》 * |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109297896A (zh) * | 2018-10-31 | 2019-02-01 | 中国兵器工业第五九研究所 | 一种复合固体推进剂老化机理一致性评价方法 |
| CN109612914A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-04-12 | 中国地质大学（北京） | 一种碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法 |
| CN110108664A (zh) * | 2019-04-16 | 2019-08-09 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 一种复合材料横担缺陷的无损检测方法 |
| CN110625403A (zh) * | 2019-08-16 | 2019-12-31 | 广州瑞松北斗汽车装备有限公司 | 板件连接方法、前地板生产方法及前地板生产线 |
| CN110625403B (zh) * | 2019-08-16 | 2022-04-19 | 广州瑞松北斗汽车装备有限公司 | 板件连接方法、前地板生产方法及前地板生产线 |
| CN111624151A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-09-04 | 航天科工防御技术研究试验中心 | 一种紧固件自然大气环境试验可靠性评价方法 |
| CN112903954A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-04 | 大连理工大学 | 一种面向金属基材构筑成形的界面愈合性能评价方法 |
| CN114397309A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-04-26 | 威凯检测技术有限公司 | 一种复合型透明光伏背板可靠性评价方法 |
| CN114397309B (zh) * | 2021-11-29 | 2024-03-19 | 威凯检测技术有限公司 | 一种复合型透明光伏背板可靠性评价方法 |
| CN115290539A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-11-04 | 上海回天新材料有限公司 | 一种使用x-ray检测导热界面材料的装置及方法 |
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