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科技前沿

专栏|国际著名复合材料研究中心与大学介绍(四):伦敦帝国理工学院复合材料研究中心
来源:武汉理工王继辉教授课题组  2018-07-30 18:00:00
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-6989.html
  伦敦帝国理工学院复合材料研究中心位于英国伦敦帝国理工学院的南肯辛顿校区。在过去的35年里,复合材料研究中心为航空、化学工程、化学、土木工程、机械工程和材料六大领域复合材料的应用提供技术支撑,形成了帝国理工学院复合材料的六大研究方向。由于复合材料研究中心的研究成员来自多个学科领域,因此,能够组成多样化的研究团队,该中心的研究涉及聚合物基、陶瓷基和金属基与纳米、短纤维和长纤维等复合材料。伦敦帝国理工学院复合材料研究中心的宗旨是成为世界领先的复合材料领域的先驱者,研究人员的目标是创造、运用并传播复合材料的先进理念,满足工业界的需求及保持不断成功。
 

 
  1 研究方向
  复合材料研究中心的工作通常将模型开发和实验研究相结合,包括从基本原理、探索性研究到针对工业界的迫切需求为重点的研究。复合材料研究中心的主要研究方向有以下六个方面:
 
  1.1 新型和多功能材料的合成
 
  新型与多功能材料具有传统材料所不具备的性能和功能,但也面临相当大的成型加工和表征的挑战。该方向的主要研究工作有:
 
  (1)具有刚度控制和形状记忆功能的复合材料
 
  (2)波纹夹芯结构韧性复合材料
 
  (3)具有储存/传递电能的结构复合材料
 
  (4)高损伤容限的碳纤维复合材料工程化研究
 
  (5)微米和纳米层次增强的分级纤维增强聚合物基复合材料
 
  (6)纳米碳管增强的轻金属基复合材料
 
  (7)纳米碳管增强的聚合物基复合材料
 
  (8)天然复合材料的合成
 
 
  1.2 复合材料的设计、寿命周期分析和回收利用
复合材料中心在复合材料设计领域具有丰富的经验,包括从航空航天到新兴基础设施的应用。具有复合材料生命周期分析的经验,包括回收,特别对由再生复合材料制造的构件性能的建模分析。
 
  (1)可空中飞行和潜水的无人机
 
  (2)多功能设计方法学
 
  (3)新一代轻量化结构的设计
 
  (4)复合材料与多学科设计优化
 
  (5)复合材料的回收和寿命分析
 
 
 
  1.3 复合材料的制造和修复
  复合材料中心拥有一支学识渊博、经验丰富的队伍,以及系列用于复合材料多样化研究与开发的设备。与此同时,团队精于复合材料成型和修理过程中的预测模拟。
 
  (1)交织复合材料在冲击损伤修复中的应用
 
  (2)空中添加建筑制造
 
  (3)多功能材料的制造
 
  (4)成型工艺的CFD数值模拟
 
  (5)多功能复合材料的增材制造
 
  (6)金属基复合材料的增材制造
 
  (7)复合材料组件的修复
 
  (8)热塑性复合材料的制造
 
 
  1.4 复合材料分析、模拟和预测
  复合材料中心的分析和预测:包括复合材料失效预测、损伤扩展模拟、冲击行为和材料设计。
 
  (1)非均质材料的随机模拟-复合材料强度的尺寸依赖性和量化不确定性
 
  (2)碳纳米管聚合物基复合材料机-电响应的建模
 
  (3)复合材料结构的爆炸响应:测试与模拟
 
  (4)复合材料失效模型与失效准则的发展
 
  (5)发展基于图像数值模型的颗粒增强复合材料微观结构与性能关系的预测模型
 
  (6)高填充聚合物基体损伤与变形过程预测的多尺度模拟
 
  (7)多功能复合材料的力学和电学模拟
 
  (8)多功能材料设计的拓扑优化
 
 
  1.5 实验力学
  实验研究可以深入理解这些材料的损伤和失效机制,并验证预测模型的有效性。
 
  (1)先进材料高应变率响应的测量
 
  (2)复合材料的环境效应
 
  (3)复合材料的层间断裂韧性
 
  (4)复合材料的分层与细观力学表征
 
  1.6 复合材料的测试与表征
 
  伦敦帝国理工学院复合材料中心在断口分析领域的工作世界领先,断口分析用于研究复合材料损伤和破坏过程,它是连接实验观察和预测模型间的桥梁。
 
  (1)复合材料断口分析
 
  (2)复合材料结构的健康监测
 
 
  2 仪器设备
 
  2.1 复合材料制备设备
 
  (1)裁布机
 
  (2)热压罐
 
  (3)热隔膜成型设备
 
  (4)压机
 
  (5)液体模塑成型设备
 
  (6)微型编织机
 
  (7)纤维缠绕机
 
  (8)3D打印机
 
  (9)复合材料修补机
 
  (10)水切割设备
 
  (11)复合材料加工设备
 
  (12)烘箱
 
 
  2.2 复合材料力学性能测试设备
 
  (1)原位微测试
 
  (2)撞击器
 
  (3)250吨液压伺服机械试验机
 
  (4)动态力学试验台架
 
  (5)电脉冲试验机
 
  (6)数字图形仪
 
 
  2.3 复合材料表征设备
  (1)超声波探伤仪
 
  (2)X射线仪
 
  (3)光学显微镜
 
  (4)检查显微镜
 
  (5)手套箱和恒电位仪
 
  (6)动态机械热分析仪
 
  (7)差示扫描量热仪
 
 
  3 中心人员
 
  伦敦帝国理工学院复合材料研究中心具有十分专业的科研团队,其中包括教授、博士生和本科生研究助理等。其研究人员涉及的领域广,包括飞机结构、机械工程、航空器设计、工程结构、先进结构设计和创新制造设计等。其研究人员主要有:Professor M H Ferri Aliabadi、Professor Alexander Bismarck、Dr Bamber R K Blackman、Dr Joao P Cabral、Dr Maria Charalambides、Prof Emile S Greenhalgh CEng FIMMM、Professor Silvestre Taveira Pinho、Dr Ajit Panesar等。
 
  M H Ferri Aliabadi教授于2005年加入帝国理工学院,2009-2017年担任帝国理工学院航空系主任,现为航空结构设计负责人。在此之前,M H Ferri Aliabadi教授担任沃特福德理工学院(WIT)损伤容限部门高级讲师和部门主任(1987-1997),伦敦大学玛丽皇后学院计算力学教授和航空航天工程系主任(1997-2004)。
 
 
  附  复合材料与材料创新
  复合材料与结构
 
  概述
 
  航空系开发的高精度建模工具可帮助工程师设计更有效的复合材料结构并避免高成本的原理样机试验。许多模拟研究以有限元(FE)方法为工具,通常包含定制算法,能够准确预测纤维增强复合材料的复杂破坏过程。最新的(FE)有限元工作内容包括研究层合板断裂过程的厚度依赖性及其在缺口拉伸断裂领域中的应用、复合材料螺栓连接应力的参数研究、复合材料分层的模型优化以及在准静态加载速度下,试样内层R曲线独立预测的三线性内聚规律。已经开发出基于有限元的分析方法来研究冲击和弹道载荷,能够用来获得渐进失效包括应变速率效应,并用于装甲装备的改进。无网格计算方法对于具有复杂结构的复合材料具有特殊的优势,帝国理工学院开发的一种技术在预测三维编织复合材料的刚度方面展现出了良好的性能。
 
  分析模拟也被用于解决一系列复杂的问题,包括预测飞机起飞和降落时跑道上被轮子卷起的石子的运动轨迹、夹层梁在冲击载荷下的性能以及可再生复合材料的失效发展机制。在高性能韧性复合材料技术(HiPerDuCT)项目中,有限元和分析模拟被广泛应用,可评估将延展性应用于高性能复合材料的潜在机理。
 
 
  多功能材料与小型智能化飞行器
  概述
 
  纵观复合材料的发展历程,它不仅可以储存电能还可作为结构材料使用。通过降低对其他电力储存系统的需求,这种材料对于制造更轻的飞行器举足轻重,它同样可以用于汽车、笔记本电脑和其他包含独立结构和电力系统领域。智能复合材料的概念方兴未艾,基于智能复合材料,发展的裂纹可以被转移和终止,并且任何基体的损伤可通过嵌入的自愈合材料进行修复。在另一种多功能复合材料中,抗弯强度可以显著降低,这种在材料可以应用于适应性和可展开结构。其他可实现自适应形状的结构设想尚在探索和开发中,包括双稳定结构、伪双稳定结构和多稳定结构。
 
  除了材料和结构方面,研究人员正在开发用于有效地抑制噪声技术的模拟工具,以降低噪声对飞行器舱内的影响。微型飞行器也是航空系一项令人振奋的新研究项目。对于微型机械和类跳跃昆虫式机器人的结构制造的初步研究,为未来的微型飞行器研究计划奠定了坚实的基础。
 
  伦敦帝国理工学院复合材料研究中心网址:https://www.imperial.ac.uk/aeronautics/research/aerospace-materials
文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-6989.html