2006年 第23卷 第4期
2006, 23(4): 1-8.
摘要:
应力自感知水泥基复合材料是在传统的水泥或砂浆中添加特定导电材料或纳米材料复合而成的具有压阻效应的材料。利用这类材料的电阻率与其自身压应力存在一定对应关系的特性, 可以制成性能独特的应力自感知水泥基复合材料传感器。此类传感器因具有造价低、耐久性好、埋设工艺简单以及与混凝土材料相容性好等特性, 有望成为混凝土结构长期健康监测的新一代传感装置。本文作者从原材料选择、搅拌工艺、电阻测试方法以及传感器测试系统等多方面综合评述了应力自感知水泥基复合材料的研究进展。同时指出, 为促进其在工程中的应用, 对碳纤维水泥石电阻率的离散性、稳定性以及多向约束受力下电阻率的变化曲线等问题都必须进一步深入研究。
应力自感知水泥基复合材料是在传统的水泥或砂浆中添加特定导电材料或纳米材料复合而成的具有压阻效应的材料。利用这类材料的电阻率与其自身压应力存在一定对应关系的特性, 可以制成性能独特的应力自感知水泥基复合材料传感器。此类传感器因具有造价低、耐久性好、埋设工艺简单以及与混凝土材料相容性好等特性, 有望成为混凝土结构长期健康监测的新一代传感装置。本文作者从原材料选择、搅拌工艺、电阻测试方法以及传感器测试系统等多方面综合评述了应力自感知水泥基复合材料的研究进展。同时指出, 为促进其在工程中的应用, 对碳纤维水泥石电阻率的离散性、稳定性以及多向约束受力下电阻率的变化曲线等问题都必须进一步深入研究。
2006, 23(4): 9-14.
摘要:
测试了高温条件下环氧树脂在玻璃纤维单向织物和碳纤维单向织物平面内的毛细浸润行为, 探讨了温度、纤维-液面夹角对浸润特性的影响规律, 分析了树脂与纤维接触形成的弯液面对测试结果的影响。研究结果表明, 升高温度、增大纤维2液面夹角均有利于提高浸润速度和浸润质量。
测试了高温条件下环氧树脂在玻璃纤维单向织物和碳纤维单向织物平面内的毛细浸润行为, 探讨了温度、纤维-液面夹角对浸润特性的影响规律, 分析了树脂与纤维接触形成的弯液面对测试结果的影响。研究结果表明, 升高温度、增大纤维2液面夹角均有利于提高浸润速度和浸润质量。
2006, 23(4): 15-18.
摘要:
以聚苯胺( PANI) 原位聚合改性聚氨酯( PU) 树脂为基体, 锆钛酸铅( PZT) 陶瓷为功能相, 制备了0-3 型压电复合材料, 研究了复合材料极化和电性能。结果表明: 适量PANI 能够有效地提高0-3 型复合材料的极化和压电性能。随着PANI 含量增加, 复合材料的压电系数d33和机电耦合系数kp 迅速增大。当PANI 体积分数为4 %时, 复合材料的d33 = 34 pC/ N , kp = 0.25 , 均达到最大值。复合材料的介电常数和介电损耗随PANI含量的增加而上升。
以聚苯胺( PANI) 原位聚合改性聚氨酯( PU) 树脂为基体, 锆钛酸铅( PZT) 陶瓷为功能相, 制备了0-3 型压电复合材料, 研究了复合材料极化和电性能。结果表明: 适量PANI 能够有效地提高0-3 型复合材料的极化和压电性能。随着PANI 含量增加, 复合材料的压电系数d33和机电耦合系数kp 迅速增大。当PANI 体积分数为4 %时, 复合材料的d33 = 34 pC/ N , kp = 0.25 , 均达到最大值。复合材料的介电常数和介电损耗随PANI含量的增加而上升。
2006, 23(4): 19-23.
摘要:
主要研究非平面界面的新型多层高分子复合材料在不同温度和压力下的吸声性能。制备了非平面界面的新型多层高分子复合材料和平面界面的传统多层高分子复合材料, 并在声管中测试其吸声系数。结果表明, 在所研究的频率范围内, 新型多层高分子复合材料吸声系数大于传统的多层高分子复合材料吸声系数; 这种新型多层高分子复合材料吸声系数峰值随温度的升高向低频方向移动, 而随压力变化不大。因此, 合理设计多层高分子复合材料的界面形状可以提高复合材料的吸声性能。
主要研究非平面界面的新型多层高分子复合材料在不同温度和压力下的吸声性能。制备了非平面界面的新型多层高分子复合材料和平面界面的传统多层高分子复合材料, 并在声管中测试其吸声系数。结果表明, 在所研究的频率范围内, 新型多层高分子复合材料吸声系数大于传统的多层高分子复合材料吸声系数; 这种新型多层高分子复合材料吸声系数峰值随温度的升高向低频方向移动, 而随压力变化不大。因此, 合理设计多层高分子复合材料的界面形状可以提高复合材料的吸声性能。
2006, 23(4): 24-28.
摘要:
研究了质子注入对二硫化钼/ 聚芳醚砜(MoS2 / PES-C) 复合材料摩擦学行为的影响, 并用红外光谱和X射线光电子能谱研究了质子注入引起的复合材料结构变化。结果表明, 质子注入导致MoS2 / PES-C 复合材料中基体PES-C 的部分降解, 并最终在复合材料表面层形成一种富碳结构, 质子注入过程中填料MoS2 没有发生明显的化学变化。摩擦磨损实验表明, 质子注入能够提高其耐磨性, 尤其剂量达到1. 25 ×1016 ions/ cm2 时, 其摩擦系数和磨损率同时降低。磨损机理分析表明, 质子注入后复合材料的磨损机理从未注入质子的粘着磨损和塑性变形转变为疲劳磨损。
研究了质子注入对二硫化钼/ 聚芳醚砜(MoS2 / PES-C) 复合材料摩擦学行为的影响, 并用红外光谱和X射线光电子能谱研究了质子注入引起的复合材料结构变化。结果表明, 质子注入导致MoS2 / PES-C 复合材料中基体PES-C 的部分降解, 并最终在复合材料表面层形成一种富碳结构, 质子注入过程中填料MoS2 没有发生明显的化学变化。摩擦磨损实验表明, 质子注入能够提高其耐磨性, 尤其剂量达到1. 25 ×1016 ions/ cm2 时, 其摩擦系数和磨损率同时降低。磨损机理分析表明, 质子注入后复合材料的磨损机理从未注入质子的粘着磨损和塑性变形转变为疲劳磨损。
2006, 23(4): 29-35.
摘要:
在分析T800 碳纤维表面上胶剂的基础上, 系统研究了适用于制备高性能T800 碳纤维复合材料的树脂基体, 测试了树脂浇注体及其复合材料的力学性能和热机械性能, 研究了树脂基体对T800 碳纤维复合材料界面性能的影响。结果表明, T800 碳纤维表面上胶剂中酯基含量较高, 与缩水甘油酯类环氧树脂有良好的界面相容性, 经复配和优化的树脂体系其T800 碳纤维复合材料的层间剪切强度达到138 MPa , NOL 环拉伸强度达到2530MPa , 玻璃化温度( Tg ) 达到213 ℃, 具有优异的界面性能和耐热性能。
在分析T800 碳纤维表面上胶剂的基础上, 系统研究了适用于制备高性能T800 碳纤维复合材料的树脂基体, 测试了树脂浇注体及其复合材料的力学性能和热机械性能, 研究了树脂基体对T800 碳纤维复合材料界面性能的影响。结果表明, T800 碳纤维表面上胶剂中酯基含量较高, 与缩水甘油酯类环氧树脂有良好的界面相容性, 经复配和优化的树脂体系其T800 碳纤维复合材料的层间剪切强度达到138 MPa , NOL 环拉伸强度达到2530MPa , 玻璃化温度( Tg ) 达到213 ℃, 具有优异的界面性能和耐热性能。
2006, 23(4): 36-40.
摘要:
采用石墨/ 二硫化钼填充改性聚苯酯/ 聚四氟乙烯复合材料, 研究了复合材料的力学性能和摩擦磨损性能。研究表明, 石墨和MoS2 的加入不仅能够很好地改善Ekonol/ PTFE 复合材料的力学性能, 使复合材料的拉伸强度、弯曲强度和硬度均有所提高, 而且还使Ekonol/ PTFE 复合材料的摩擦系数增加, 磨损体积减小, 耐磨性能显著提高。当Ekonol 含量为5 % , 石墨/ 二硫化钼总含量为8 %时, 拉伸强度、弯曲强度分别提高了31 %和41 % ,硬度值约提高了713 %。SEM 分析表明, Ekonol/ 石墨/ MoS2 / PTFE 复合材料的磨损主要以粘着磨损为主。
采用石墨/ 二硫化钼填充改性聚苯酯/ 聚四氟乙烯复合材料, 研究了复合材料的力学性能和摩擦磨损性能。研究表明, 石墨和MoS2 的加入不仅能够很好地改善Ekonol/ PTFE 复合材料的力学性能, 使复合材料的拉伸强度、弯曲强度和硬度均有所提高, 而且还使Ekonol/ PTFE 复合材料的摩擦系数增加, 磨损体积减小, 耐磨性能显著提高。当Ekonol 含量为5 % , 石墨/ 二硫化钼总含量为8 %时, 拉伸强度、弯曲强度分别提高了31 %和41 % ,硬度值约提高了713 %。SEM 分析表明, Ekonol/ 石墨/ MoS2 / PTFE 复合材料的磨损主要以粘着磨损为主。
2006, 23(4): 41-46.
摘要:
采用凝胶浇注成型工艺制备了纳米碳管/ 羟基磷灰石复合材料坯体。研究了p H 值、分散剂、固相含量(纳米碳管和羟基磷灰石在料浆中的质量分数) 、分散工艺等因素对料浆和复合材料坯体性能的影响, 对坯体的力学性能进行了测试, 借助扫描电镜分析了坯体的微观组织。实验发现, 料浆的p H 值应控制在10～12 的范围内;聚甲基丙烯酸铵的浓度为0. 6 %时, 羟基磷灰石悬浮体流动性最好; 十二烷基磺酸钠的浓度在SDS/ CNTs = 1 %～2 %时, 纳米碳管/ 羟基磷灰石复相料浆的粘度最低; 采用球磨法制备的复相料浆固相含量达到55 % , 复合材料坯体的抗弯强度达到57. 403 MPa 。
采用凝胶浇注成型工艺制备了纳米碳管/ 羟基磷灰石复合材料坯体。研究了p H 值、分散剂、固相含量(纳米碳管和羟基磷灰石在料浆中的质量分数) 、分散工艺等因素对料浆和复合材料坯体性能的影响, 对坯体的力学性能进行了测试, 借助扫描电镜分析了坯体的微观组织。实验发现, 料浆的p H 值应控制在10～12 的范围内;聚甲基丙烯酸铵的浓度为0. 6 %时, 羟基磷灰石悬浮体流动性最好; 十二烷基磺酸钠的浓度在SDS/ CNTs = 1 %～2 %时, 纳米碳管/ 羟基磷灰石复相料浆的粘度最低; 采用球磨法制备的复相料浆固相含量达到55 % , 复合材料坯体的抗弯强度达到57. 403 MPa 。
2006, 23(4): 47-51.
摘要:
模仿珍珠层结构, 采用蒸发诱导自组装的方法, 在石英片表面制备了聚三缩丙二醇双丙烯酸酯( PTPG-DA) / SiO2 纳米复合薄膜, 采用FT-IR、XRD 和TEM 等分析技术对薄膜结构进行了表征, 测试了其摩擦力学行为, 并初步讨论了纳米复合薄膜的形成机理。结果表明, 所制备的薄膜具有有机/ 无机有序交替的层状纳米复合结构, 其聚合前的层间距为2. 65 nm , 聚合后的层间距为2. 35 nm。聚合后的纳米复合薄膜具有较好的减摩性能。
模仿珍珠层结构, 采用蒸发诱导自组装的方法, 在石英片表面制备了聚三缩丙二醇双丙烯酸酯( PTPG-DA) / SiO2 纳米复合薄膜, 采用FT-IR、XRD 和TEM 等分析技术对薄膜结构进行了表征, 测试了其摩擦力学行为, 并初步讨论了纳米复合薄膜的形成机理。结果表明, 所制备的薄膜具有有机/ 无机有序交替的层状纳米复合结构, 其聚合前的层间距为2. 65 nm , 聚合后的层间距为2. 35 nm。聚合后的纳米复合薄膜具有较好的减摩性能。
2006, 23(4): 52-59.
摘要:
为了明确二氧化硅/ 木材复合材料的微观结构与物理性能, 通过EDAX 及XRD 的测定分析了溶胶2凝胶法制备的二氧化硅/ 木材复合材料的微观结构, 通过应力松弛、介电性质、热重、表面显微硬度的测定分析了该材料的物理性能。结果表明: 生成的二氧化硅与增重率呈正相关, 在纤维饱和点以下, 生成的二氧化硅存在于细胞壁中。XRD 衍射峰位置没有改变, 增重率增大, 峰强减弱, 结晶度减小。应力松弛量变小, 材料内部的结合力增强, 分子间产生了交联结合。介电常数值增大, 介电损耗随着频率的增加呈先增加后减小的趋势, 室温下, 出现最大峰值的频率均在log f = 6. 5 Hz 附近。热失重过程中, 快速失重的起始温度提高, 残余质量增加, 表面显微硬度提高。
为了明确二氧化硅/ 木材复合材料的微观结构与物理性能, 通过EDAX 及XRD 的测定分析了溶胶2凝胶法制备的二氧化硅/ 木材复合材料的微观结构, 通过应力松弛、介电性质、热重、表面显微硬度的测定分析了该材料的物理性能。结果表明: 生成的二氧化硅与增重率呈正相关, 在纤维饱和点以下, 生成的二氧化硅存在于细胞壁中。XRD 衍射峰位置没有改变, 增重率增大, 峰强减弱, 结晶度减小。应力松弛量变小, 材料内部的结合力增强, 分子间产生了交联结合。介电常数值增大, 介电损耗随着频率的增加呈先增加后减小的趋势, 室温下, 出现最大峰值的频率均在log f = 6. 5 Hz 附近。热失重过程中, 快速失重的起始温度提高, 残余质量增加, 表面显微硬度提高。
2006, 23(4): 60-64.
摘要:
采用座滴法研究了反应烧结SiC/ Co-Cr 体系的润湿性。与反应烧结SiC/ 纯Co 体系进行对比, 研究了Cr 含量、实验温度和保温时间对润湿角的影响及活性元素的作用。结果表明, 加入适量的活性元素Cr 能够显著提高体系的润湿性。当体系的Cr 含量分别为5 % , 7 %和42 %时, 体系的润湿角较小, 润湿性比较好。SiC/ Co-Cr体系和SiC/ 纯Co 体系的润湿过程均属于反应性润湿, 实验温度和保温时间对体系的润湿角影响较大。微观结构研究和XRD 分析表明, 对于SiC/ 纯Co 体系, 界面区域发生了化学反应, 生成了CoSi , 减小了润湿角。加入活性元素Cr 以后, 由于Cr 元素与基体发生反应, 生成Cr23C6 , 进一步降低了体系的界面能, 提高了润湿性。
采用座滴法研究了反应烧结SiC/ Co-Cr 体系的润湿性。与反应烧结SiC/ 纯Co 体系进行对比, 研究了Cr 含量、实验温度和保温时间对润湿角的影响及活性元素的作用。结果表明, 加入适量的活性元素Cr 能够显著提高体系的润湿性。当体系的Cr 含量分别为5 % , 7 %和42 %时, 体系的润湿角较小, 润湿性比较好。SiC/ Co-Cr体系和SiC/ 纯Co 体系的润湿过程均属于反应性润湿, 实验温度和保温时间对体系的润湿角影响较大。微观结构研究和XRD 分析表明, 对于SiC/ 纯Co 体系, 界面区域发生了化学反应, 生成了CoSi , 减小了润湿角。加入活性元素Cr 以后, 由于Cr 元素与基体发生反应, 生成Cr23C6 , 进一步降低了体系的界面能, 提高了润湿性。
2006, 23(4): 65-71.
摘要:
采用复合电铸工艺, 在硫酸铜镀液中加入纳米氧化铝颗粒制备了纳米颗粒弥散增强铜基复合材料, 利用扫描电镜、电子透镜对复合材料的表面、拉伸断面和摩擦磨损表面的形貌以及微观组织进行了观察, 并对显微硬度、拉伸性能、磨损性能及电阻率进行了研究。结果显示, 氧化铝颗粒及其团聚体以纳米级尺寸弥散分布在铜基体中, 且与铜基体结合良好。复合材料的硬度最大增幅达42 %。氧化铝颗粒含量在1. 26 %时, 复合材料的拉伸强度和延伸率分别高达385 MPa 、26 %。相对电铸纯铜, 复合材料的耐磨性能明显提高, 而复合材料的电阻率最大增幅小于6 %。
采用复合电铸工艺, 在硫酸铜镀液中加入纳米氧化铝颗粒制备了纳米颗粒弥散增强铜基复合材料, 利用扫描电镜、电子透镜对复合材料的表面、拉伸断面和摩擦磨损表面的形貌以及微观组织进行了观察, 并对显微硬度、拉伸性能、磨损性能及电阻率进行了研究。结果显示, 氧化铝颗粒及其团聚体以纳米级尺寸弥散分布在铜基体中, 且与铜基体结合良好。复合材料的硬度最大增幅达42 %。氧化铝颗粒含量在1. 26 %时, 复合材料的拉伸强度和延伸率分别高达385 MPa 、26 %。相对电铸纯铜, 复合材料的耐磨性能明显提高, 而复合材料的电阻率最大增幅小于6 %。
2006, 23(4): 72-77.
摘要:
采用水煮溶解造孔剂法, 即先制备孔隙呈梯度分布的钨骨架、后渗铜的方法, 制备了W/ Cu 功能梯度材料, 并对钨铜在纵截面的分布进行了检测, 数据表明在纵截面上钨铜呈梯度分布。利用水淬法模拟其服役状况并用有限差分方法对产生的非稳态热应力进行了分析。结果表明, 热应力的最大值总是出现在两端, 由于富钨端相对密度较低, 裂纹总是在该端出现, 模拟结果与实验结果相一致。
采用水煮溶解造孔剂法, 即先制备孔隙呈梯度分布的钨骨架、后渗铜的方法, 制备了W/ Cu 功能梯度材料, 并对钨铜在纵截面的分布进行了检测, 数据表明在纵截面上钨铜呈梯度分布。利用水淬法模拟其服役状况并用有限差分方法对产生的非稳态热应力进行了分析。结果表明, 热应力的最大值总是出现在两端, 由于富钨端相对密度较低, 裂纹总是在该端出现, 模拟结果与实验结果相一致。
2006, 23(4): 78-82.
摘要:
采用电磁离心铸造( EMCC) 工艺制备SiCP/ Al 复合材料, 实验了两种不同粒度的SiCP 颗粒增强Al 基体, 测定了不同励磁电压下颗粒在基体中的分布, 测试了不同粒度增强基体均匀分布的材料的硬度和耐磨性。结果发现电磁搅拌更容易使小粒度的颗粒分布均匀。励磁电压为100 V 时的颗粒分布比励磁电压为50 V 时的颗粒分布更均匀。均匀分布的小颗粒增强基体的复合材料的硬度和耐磨性有很大提高。
采用电磁离心铸造( EMCC) 工艺制备SiCP/ Al 复合材料, 实验了两种不同粒度的SiCP 颗粒增强Al 基体, 测定了不同励磁电压下颗粒在基体中的分布, 测试了不同粒度增强基体均匀分布的材料的硬度和耐磨性。结果发现电磁搅拌更容易使小粒度的颗粒分布均匀。励磁电压为100 V 时的颗粒分布比励磁电压为50 V 时的颗粒分布更均匀。均匀分布的小颗粒增强基体的复合材料的硬度和耐磨性有很大提高。
2006, 23(4): 83-87.
摘要:
采用最小能量函数法对碳基复合材料超高温烧蚀气态产物进行了计算。并用“星形”等离子发生器和等离子体火炬对碳基复合材料进行了高温烧蚀实验, 获得了不同温度、压力下的高温烧蚀气态产物光谱。光谱检测的烧蚀气态产物与采用最小能量函数法计算的气态产物完全一致, 表明采用最小能量函数法计算碳基复合材料超高温烧蚀气态产物, 求解方法正确、合理、有效。该方法不仅能够计算不同温度、压力下的碳基复合材料超高温烧蚀气态产物, 还可用来计算混杂碳基复合材料这种更加复杂的烧蚀体系。
采用最小能量函数法对碳基复合材料超高温烧蚀气态产物进行了计算。并用“星形”等离子发生器和等离子体火炬对碳基复合材料进行了高温烧蚀实验, 获得了不同温度、压力下的高温烧蚀气态产物光谱。光谱检测的烧蚀气态产物与采用最小能量函数法计算的气态产物完全一致, 表明采用最小能量函数法计算碳基复合材料超高温烧蚀气态产物, 求解方法正确、合理、有效。该方法不仅能够计算不同温度、压力下的碳基复合材料超高温烧蚀气态产物, 还可用来计算混杂碳基复合材料这种更加复杂的烧蚀体系。
2006, 23(4): 88-94.
摘要:
以纳米SiO2 为载体, 以其富集水的表面吸附层作为纳米反应器制备了Ag 纳米粒子, 研究了水浓度对吸附和反应的影响。体系中NaOH 加入量一定的条件下, 硅胶表面NaOH 的平衡吸附量随着水浓度(0 、0105 %、0110 %、0125 %、0150 %、1. 00 %) 的增加而增加, 且存在两个突变区域(由0 增至0105 %和由0125 %增至0150 %) 。通过XRD、TEM 分析发现生成的银粒子(或氧化银) 团聚现象随水浓度的增加而逐渐减弱, 在硅胶表面分布越来越均匀, 晶粒粒径也逐渐减小。当水浓度约为0. 50 %时, 生成的Ag 或Ag2O 粒子粒径多数在5 nm 以下, 且均匀分布在SiO2 表面。根据Ag + 的还原机理和吸附过程基本原理, 认为吸附水层的形成导致生成Ag 粒子的反应场所由硅胶表面转移到吸附水层中, 造成了Ag 粒子形貌的变化。
以纳米SiO2 为载体, 以其富集水的表面吸附层作为纳米反应器制备了Ag 纳米粒子, 研究了水浓度对吸附和反应的影响。体系中NaOH 加入量一定的条件下, 硅胶表面NaOH 的平衡吸附量随着水浓度(0 、0105 %、0110 %、0125 %、0150 %、1. 00 %) 的增加而增加, 且存在两个突变区域(由0 增至0105 %和由0125 %增至0150 %) 。通过XRD、TEM 分析发现生成的银粒子(或氧化银) 团聚现象随水浓度的增加而逐渐减弱, 在硅胶表面分布越来越均匀, 晶粒粒径也逐渐减小。当水浓度约为0. 50 %时, 生成的Ag 或Ag2O 粒子粒径多数在5 nm 以下, 且均匀分布在SiO2 表面。根据Ag + 的还原机理和吸附过程基本原理, 认为吸附水层的形成导致生成Ag 粒子的反应场所由硅胶表面转移到吸附水层中, 造成了Ag 粒子形貌的变化。
2006, 23(4): 95-99.
摘要:
以普通硅酸盐水泥为基体材料, 以碳纤维为功能组分, 采用压力成型法制备了碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC) 。用SEM 和孔结构分析仪对复合材料的微观结构进行了分析, 同时研究了其机敏特性。结果表明:较大成型压力制备的复合材料孔隙率明显低于较小成型压力制备的复合材料。不同成型压力制备的复合材料电阻率均随温度升高而呈先增大后减小的趋势。较小成型压力制备的CFRC , 其临界温度为75～100 ℃; 较大成型压力制备的CFRC , 其临界温度为100～120 ℃。循环载荷下, 碳纤维水泥基复合材料电阻的相对变化与载荷之间呈现明显的一一对应关系, 较大成型压力制备的CFRC 在每个循环过程中电阻相对变化的幅度明显大于较小成型压力制备的CFRC , 更适合应用于结构的实时、动态的健康监测和损伤评估。
以普通硅酸盐水泥为基体材料, 以碳纤维为功能组分, 采用压力成型法制备了碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC) 。用SEM 和孔结构分析仪对复合材料的微观结构进行了分析, 同时研究了其机敏特性。结果表明:较大成型压力制备的复合材料孔隙率明显低于较小成型压力制备的复合材料。不同成型压力制备的复合材料电阻率均随温度升高而呈先增大后减小的趋势。较小成型压力制备的CFRC , 其临界温度为75～100 ℃; 较大成型压力制备的CFRC , 其临界温度为100～120 ℃。循环载荷下, 碳纤维水泥基复合材料电阻的相对变化与载荷之间呈现明显的一一对应关系, 较大成型压力制备的CFRC 在每个循环过程中电阻相对变化的幅度明显大于较小成型压力制备的CFRC , 更适合应用于结构的实时、动态的健康监测和损伤评估。
2006, 23(4): 100-105.
摘要:
基于SHS 反应火焰喷涂技术, 采用Ti-B4C-C 喷涂体系, 在钢基表面制备了TiC- TiB2 复相陶瓷涂层。通过对SHS 火焰喷涂陶瓷涂层的电子显微观察和X射线衍射及能谱分析, 探讨了SHS 反应火焰喷涂TiC- TiB2复相陶瓷涂层的组织结构及成因。研究发现, 涂层是一种复相非均质、传统热喷涂层状涂层特征不明显的亚稳结构。涂层由占主体的TiC0.7N0.3 、TiC0.2N0.8 、TiB2 相和少量TiO2 、Ti2O、Ti3O5 相及气孔组成。涂层中有三类特征各异的组织, 即尺度在微2纳米级呈团簇状分布的组织, 尺寸在1～3μm 之间呈等轴状颗粒分布的组织和呈深黑色的不规则气孔。三类组织是由在喷涂粒子与基材接触之前, 喷涂团聚粉粒经飞行燃烧和反应合成形成的熔融陶瓷液滴(又分为实心和空心两类) 和不规则陶瓷颗粒(其形状与原喷涂团聚颗粒一样, 但组织结构已发生转变,基本成为陶瓷相) 与基材碰撞变形、冷却凝固、快速结晶形成的。
基于SHS 反应火焰喷涂技术, 采用Ti-B4C-C 喷涂体系, 在钢基表面制备了TiC- TiB2 复相陶瓷涂层。通过对SHS 火焰喷涂陶瓷涂层的电子显微观察和X射线衍射及能谱分析, 探讨了SHS 反应火焰喷涂TiC- TiB2复相陶瓷涂层的组织结构及成因。研究发现, 涂层是一种复相非均质、传统热喷涂层状涂层特征不明显的亚稳结构。涂层由占主体的TiC0.7N0.3 、TiC0.2N0.8 、TiB2 相和少量TiO2 、Ti2O、Ti3O5 相及气孔组成。涂层中有三类特征各异的组织, 即尺度在微2纳米级呈团簇状分布的组织, 尺寸在1～3μm 之间呈等轴状颗粒分布的组织和呈深黑色的不规则气孔。三类组织是由在喷涂粒子与基材接触之前, 喷涂团聚粉粒经飞行燃烧和反应合成形成的熔融陶瓷液滴(又分为实心和空心两类) 和不规则陶瓷颗粒(其形状与原喷涂团聚颗粒一样, 但组织结构已发生转变,基本成为陶瓷相) 与基材碰撞变形、冷却凝固、快速结晶形成的。
2006, 23(4): 106-111.
摘要:
在白水泥中掺加常温可逆温致变色微胶囊制备了先进功能水泥基复合材料。该材料的颜色随温度变化可在低温时的蓝、绿、红色和高温时的白色之间可逆变化, 其变色温度约在42～58 ℃。方差分析判断结果表明,掺加10 %蓝温致变色颜料微胶囊对细度、强度有明显影响。细度下降约37 % , 标准稠度用水量增加约13 % , 凝结时间变化不大, 安定性合格; 在同流动度条件下, 硬化水泥浆体3 、7 、28 d 抗折强度均下降20 %左右, 抗压强度下降30 %～40 %。所研究的常温可逆温致变色功能水泥基复合材料具有低温下吸收太阳能、高温下反射太阳能、且能随温度进行可逆转换的吸热绝热功能, 符合建筑物冬暖夏凉的要求。
在白水泥中掺加常温可逆温致变色微胶囊制备了先进功能水泥基复合材料。该材料的颜色随温度变化可在低温时的蓝、绿、红色和高温时的白色之间可逆变化, 其变色温度约在42～58 ℃。方差分析判断结果表明,掺加10 %蓝温致变色颜料微胶囊对细度、强度有明显影响。细度下降约37 % , 标准稠度用水量增加约13 % , 凝结时间变化不大, 安定性合格; 在同流动度条件下, 硬化水泥浆体3 、7 、28 d 抗折强度均下降20 %左右, 抗压强度下降30 %～40 %。所研究的常温可逆温致变色功能水泥基复合材料具有低温下吸收太阳能、高温下反射太阳能、且能随温度进行可逆转换的吸热绝热功能, 符合建筑物冬暖夏凉的要求。
2006, 23(4): 112-118.
摘要:
在三维六向编织物纱线运动规律的基础上, 建立了单胞模型, 推导了编织参数之间的数学关系。基于该模型, 采用改进的刚度平均化方法, 导出了三维六向编织复合材料的工程弹性常数, 分析了编织角和纤维体积含量对弹性性能的影响。结果表明, 三维六向编织复合材料具有良好的力学性能, 由于面内纬纱的加入, 使面内的力学性能得到了提高。
在三维六向编织物纱线运动规律的基础上, 建立了单胞模型, 推导了编织参数之间的数学关系。基于该模型, 采用改进的刚度平均化方法, 导出了三维六向编织复合材料的工程弹性常数, 分析了编织角和纤维体积含量对弹性性能的影响。结果表明, 三维六向编织复合材料具有良好的力学性能, 由于面内纬纱的加入, 使面内的力学性能得到了提高。
2006, 23(4): 119-123.
摘要:
从复合材料的基本力学特征和多墙结构承载的基本力学原理出发, 结合工程实践的具体需求, 对该结构建立承载能力计算模型, 推导计算承载能力的公式, 特别是多墙结构后屈曲承载能力的分析, 并编写了一套分析软件。通过实例计算, 并与实验结果进行对比, 发现该软件具有计算精度高、计算时间短的优点。可解决飞机设计面临的复合材料多墙结构的承载能力的计算问题。
从复合材料的基本力学特征和多墙结构承载的基本力学原理出发, 结合工程实践的具体需求, 对该结构建立承载能力计算模型, 推导计算承载能力的公式, 特别是多墙结构后屈曲承载能力的分析, 并编写了一套分析软件。通过实例计算, 并与实验结果进行对比, 发现该软件具有计算精度高、计算时间短的优点。可解决飞机设计面临的复合材料多墙结构的承载能力的计算问题。
2006, 23(4): 124-128.
摘要:
为对纤维缠绕聚合物基复合材料( FWRP) 压力容器进行可靠性设计和安全测评, 引入可靠性理论; 应用统计学原理, 以同一失效概率为标准进行FWRP 压力容器结构设计, 以取代目前应用的传统安全系数法设计。根据国家标准制备8 个玻璃纤维缠绕复合材料( GFWRP) 压力容器, 通过实验获得纤维强度、缠绕角、几何尺寸、爆破压力等随机变量特征值。GFWRP 压力容器结构可靠性设计值(纤维缠绕壁厚) 与实验结果基本吻合, 并明显小于传统安全系数法设计值。通过对不同纤维强度随机分布可靠性设计理论计算结果的比较, 确知纤维强度的离散程度是FWRP 压力容器可靠性设计的重要影响因素。传统安全系数设计法只考虑纤维强度(均值) 大小, 而无视纤维强度随机分布特征值对FWRP 压力容器结构抗力的影响, 显然是不合理的。可靠性设计实现了安全性与经济性的有效统一。
为对纤维缠绕聚合物基复合材料( FWRP) 压力容器进行可靠性设计和安全测评, 引入可靠性理论; 应用统计学原理, 以同一失效概率为标准进行FWRP 压力容器结构设计, 以取代目前应用的传统安全系数法设计。根据国家标准制备8 个玻璃纤维缠绕复合材料( GFWRP) 压力容器, 通过实验获得纤维强度、缠绕角、几何尺寸、爆破压力等随机变量特征值。GFWRP 压力容器结构可靠性设计值(纤维缠绕壁厚) 与实验结果基本吻合, 并明显小于传统安全系数法设计值。通过对不同纤维强度随机分布可靠性设计理论计算结果的比较, 确知纤维强度的离散程度是FWRP 压力容器可靠性设计的重要影响因素。传统安全系数设计法只考虑纤维强度(均值) 大小, 而无视纤维强度随机分布特征值对FWRP 压力容器结构抗力的影响, 显然是不合理的。可靠性设计实现了安全性与经济性的有效统一。
2006, 23(4): 129-135.
摘要:
为了求解缝合层合板中单层的弹性常数, 基于单层面内纤维走向与绕流流场中流线形状的相似性, 建立了与缝合单胞相对应的有限空间定常二维无粘性不可压理想流体的无旋绕流流场模型, 流场的几何边界与单胞的边界一致, 绕流物面与缝线截面形状一致。用该流场的速度变化描述单胞面内纤维体积含量的变化, 用流线形状描述缝线周围面内纤维的变形。以流场模型为基础, 用细观力学方法和均匀化方法求得缝合单层的弹性常数,结果与实验值吻合。最后用流场模型分析了缝合参数对缝合单层弹性常数的影响。
为了求解缝合层合板中单层的弹性常数, 基于单层面内纤维走向与绕流流场中流线形状的相似性, 建立了与缝合单胞相对应的有限空间定常二维无粘性不可压理想流体的无旋绕流流场模型, 流场的几何边界与单胞的边界一致, 绕流物面与缝线截面形状一致。用该流场的速度变化描述单胞面内纤维体积含量的变化, 用流线形状描述缝线周围面内纤维的变形。以流场模型为基础, 用细观力学方法和均匀化方法求得缝合单层的弹性常数,结果与实验值吻合。最后用流场模型分析了缝合参数对缝合单层弹性常数的影响。
2006, 23(4): 136-142.
摘要:
为了求解缝合层合板的弹性常数, 基于用流场模型计算缝合单层弹性性能的思想, 建立流场模型计算各种铺层方向缝合单层的弹性性能。以相应的流场模型为基础, 结合细观力学方法和均匀化方法, 计算了0°和45°缝合单层的弹性常数。最后应用改进的均匀化方法, 求得了6 组缝合层合板的弹性常数, 计算结果与实验结果吻合较好。
为了求解缝合层合板的弹性常数, 基于用流场模型计算缝合单层弹性性能的思想, 建立流场模型计算各种铺层方向缝合单层的弹性性能。以相应的流场模型为基础, 结合细观力学方法和均匀化方法, 计算了0°和45°缝合单层的弹性常数。最后应用改进的均匀化方法, 求得了6 组缝合层合板的弹性常数, 计算结果与实验结果吻合较好。
2006, 23(4): 143-148.
摘要:
研究了弹性耦合对复合材料桨叶动特性和气弹稳定性的影响, 所采用的结构模型考虑了剪切变形、剖面面外翘曲变形和复合材料弹性耦合。推导出同时考虑剪切和翘曲影响的小应变、中等变形梁的应变2位移关系,并构造出21 个自由度梁单元, 应用Hamilton 原理推导出桨叶运动的有限元方程。在此基础上, 对三种不同构型的复合材料桨叶进行固有频率计算和气弹稳定性分析。计算结果表明: 尽管复合材料弹性耦合对桨叶固有频率的影响非常小, 但却改变了固有振型分布, 使桨叶挥舞-摆振-扭转运动之间存在耦合; 弹性耦合对桨叶气弹稳定性有很大的影响; 正的挥舞2扭转耦合使得摆振一阶稳定性增加, 负的挥舞2扭转耦合却使摆振一阶稳定性下降。
研究了弹性耦合对复合材料桨叶动特性和气弹稳定性的影响, 所采用的结构模型考虑了剪切变形、剖面面外翘曲变形和复合材料弹性耦合。推导出同时考虑剪切和翘曲影响的小应变、中等变形梁的应变2位移关系,并构造出21 个自由度梁单元, 应用Hamilton 原理推导出桨叶运动的有限元方程。在此基础上, 对三种不同构型的复合材料桨叶进行固有频率计算和气弹稳定性分析。计算结果表明: 尽管复合材料弹性耦合对桨叶固有频率的影响非常小, 但却改变了固有振型分布, 使桨叶挥舞-摆振-扭转运动之间存在耦合; 弹性耦合对桨叶气弹稳定性有很大的影响; 正的挥舞2扭转耦合使得摆振一阶稳定性增加, 负的挥舞2扭转耦合却使摆振一阶稳定性下降。
2006, 23(4): 149-154.
摘要:
对NiTi 形状记忆合金纤维拔出的力学模型进行了探讨。在恒温状态下, 考虑纤维和基体间的界面摩擦力, 分别用两种本构理论, 即Tanaka 的指数模型和C. Liang 的余弦模型, 讨论了形状记忆合金纤维在变轴力作用下的拉伸问题。推导了形状记忆合金纤维拔出量的表达式, 并给出数值计算结果。由指数模型和余弦模型得到的结果非常吻合, 证明了这种理论方法是正确的。
对NiTi 形状记忆合金纤维拔出的力学模型进行了探讨。在恒温状态下, 考虑纤维和基体间的界面摩擦力, 分别用两种本构理论, 即Tanaka 的指数模型和C. Liang 的余弦模型, 讨论了形状记忆合金纤维在变轴力作用下的拉伸问题。推导了形状记忆合金纤维拔出量的表达式, 并给出数值计算结果。由指数模型和余弦模型得到的结果非常吻合, 证明了这种理论方法是正确的。
2006, 23(4): 155-163.
摘要:
借助于几何概率中的一些相关理论, 从理论分析的角度, 对表面为凸形曲线或曲面的二维和三维任意形状粒子建立了表观界面过渡区厚度统计平均值和实际界面过渡区厚度之间的定量关系。结果表明, 对于二维凸形粒子, 截面分析法所得的表观界面过渡区厚度的统计平均值与实际界面过渡区厚度之间的比值小于π/ 2 。精确比值与粒子的形状有关。如果实际界面过渡区厚度与粒子的尺寸相比可以忽略的话, 截面分析法所得的表观界面过渡区厚度的统计平均值与实际界面过渡区厚度之间的比值约等于π/ 2 。对于三维凸形粒子, 截面分析法所得的表观界面过渡区厚度的统计平均值与实际界面过渡区厚度之间的比值小于2 , 比值的精确解与粒子的形状有关。如果实际界面过渡区厚度与粒子的尺寸相比可以忽略的话, 截面分析法所得的表观界面过渡区厚度的统计平均值与实际界面过渡区厚度之间的比值约等于2 。
借助于几何概率中的一些相关理论, 从理论分析的角度, 对表面为凸形曲线或曲面的二维和三维任意形状粒子建立了表观界面过渡区厚度统计平均值和实际界面过渡区厚度之间的定量关系。结果表明, 对于二维凸形粒子, 截面分析法所得的表观界面过渡区厚度的统计平均值与实际界面过渡区厚度之间的比值小于π/ 2 。精确比值与粒子的形状有关。如果实际界面过渡区厚度与粒子的尺寸相比可以忽略的话, 截面分析法所得的表观界面过渡区厚度的统计平均值与实际界面过渡区厚度之间的比值约等于π/ 2 。对于三维凸形粒子, 截面分析法所得的表观界面过渡区厚度的统计平均值与实际界面过渡区厚度之间的比值小于2 , 比值的精确解与粒子的形状有关。如果实际界面过渡区厚度与粒子的尺寸相比可以忽略的话, 截面分析法所得的表观界面过渡区厚度的统计平均值与实际界面过渡区厚度之间的比值约等于2 。
2006, 23(4): 164-168.
摘要:
利用Rayleigh-Ritz 法研究了复合材料非对称正交薄层板的固化变形。建立了考虑几何非线性的固化变形分析模型, 预报了其固化后的变形形状及变形量。利用热压釜工艺进行了实验研究。实验发现, 方板边缘发生了较大的向内卷曲变形, 板边缘附近理论预报值与实验结果差别较大, 在距板边缘一定距离内理论预报值和实验结果吻合较好, 矩形板实验结果与理论预报值吻合良好。
利用Rayleigh-Ritz 法研究了复合材料非对称正交薄层板的固化变形。建立了考虑几何非线性的固化变形分析模型, 预报了其固化后的变形形状及变形量。利用热压釜工艺进行了实验研究。实验发现, 方板边缘发生了较大的向内卷曲变形, 板边缘附近理论预报值与实验结果差别较大, 在距板边缘一定距离内理论预报值和实验结果吻合较好, 矩形板实验结果与理论预报值吻合良好。
2006, 23(4): 169-174.
摘要:
对复合材料开口缝合补强结构进行了实验研究。测试了不同缝合参数(针距、行距、边距、单重和双重缝合) 补强的含孔复合材料层板的拉伸强度, 研究了孔边应力集中、应变集中对强度、刚度等力学性能参数的影响, 分析讨论了孔边及邻近区域应变集中及应变分布的规律, 得到不同缝合参数、孔边不同位置以及不同载荷条件下的应变集中系数。结合实验结果和分析讨论, 给出了含孔复合材料层板缝合补强的缝合设计参数。
对复合材料开口缝合补强结构进行了实验研究。测试了不同缝合参数(针距、行距、边距、单重和双重缝合) 补强的含孔复合材料层板的拉伸强度, 研究了孔边应力集中、应变集中对强度、刚度等力学性能参数的影响, 分析讨论了孔边及邻近区域应变集中及应变分布的规律, 得到不同缝合参数、孔边不同位置以及不同载荷条件下的应变集中系数。结合实验结果和分析讨论, 给出了含孔复合材料层板缝合补强的缝合设计参数。
2006, 23(4): 175-179.
摘要:
对复合材料旋转壳的失稳问题进行了有限元推导, 建立了考虑横向剪切变形的旋转壳稳定性分析模型。在应变向量阵中引入了横向剪切应变, 从而考虑了剪切的影响。为了避免剪切自锁, 刚度的计算采用一点高斯积分法, 几何刚度的推导采用Stricklin 法。最终将稳定性问题归结为特征值问题。数值算例表明, 对于各向同性和复合材料旋转壳, 横向剪切变形均使其临界载荷降低。在稳定性分析中, 横向剪切变形对各向同性材料旋转壳的影响较小, 对复合材料的影响较大。
对复合材料旋转壳的失稳问题进行了有限元推导, 建立了考虑横向剪切变形的旋转壳稳定性分析模型。在应变向量阵中引入了横向剪切应变, 从而考虑了剪切的影响。为了避免剪切自锁, 刚度的计算采用一点高斯积分法, 几何刚度的推导采用Stricklin 法。最终将稳定性问题归结为特征值问题。数值算例表明, 对于各向同性和复合材料旋转壳, 横向剪切变形均使其临界载荷降低。在稳定性分析中, 横向剪切变形对各向同性材料旋转壳的影响较小, 对复合材料的影响较大。
2006, 23(4): 180-184.
摘要:
利用NdFeB 磁粉、聚酰亚胺制备了粘结NdFeB 磁体。研究了磁粉粒度、偶联剂用量、粘结剂用量、成型压力和粘结剂性能对粘结磁体磁性能及力学性能的影响。实验结果表明,合理的粒度配比(粗∶细为33∶67) 、偶联剂用量(磁粉0. 9 %) 、粘结剂用量(磁粉3. 2 %) 、合适的压力(600 MPa) 以及以聚酰亚胺作为粘结剂,可以获得具有较好磁性能和力学性能的粘结NdFeB 磁体。
利用NdFeB 磁粉、聚酰亚胺制备了粘结NdFeB 磁体。研究了磁粉粒度、偶联剂用量、粘结剂用量、成型压力和粘结剂性能对粘结磁体磁性能及力学性能的影响。实验结果表明,合理的粒度配比(粗∶细为33∶67) 、偶联剂用量(磁粉0. 9 %) 、粘结剂用量(磁粉3. 2 %) 、合适的压力(600 MPa) 以及以聚酰亚胺作为粘结剂,可以获得具有较好磁性能和力学性能的粘结NdFeB 磁体。
