2007年 第24卷 第5期
2007, 24(5): 1-5.
摘要:
采用挤压铸造法制备不同体积分数的TiB2P/Al复合材料, 利用扫描电镜、 硬度计、 拉伸试验机等对复合材料的室温力学性能进行了研究, 系统地分析了体积分数和热处理工艺对材料力学性能的影响。结果表明: 挤压铸造TiB2P/Al复合材料的布氏硬度、 抗弯强度和弹性模量随增强相TiB2体积分数的增加而提高。45% TiB2P/Al复合材料T6处理后硬度和抗弯强度分别比退火态时提高了23%和40%, 但热处理状态对弹性模量的影响不大。
采用挤压铸造法制备不同体积分数的TiB2P/Al复合材料, 利用扫描电镜、 硬度计、 拉伸试验机等对复合材料的室温力学性能进行了研究, 系统地分析了体积分数和热处理工艺对材料力学性能的影响。结果表明: 挤压铸造TiB2P/Al复合材料的布氏硬度、 抗弯强度和弹性模量随增强相TiB2体积分数的增加而提高。45% TiB2P/Al复合材料T6处理后硬度和抗弯强度分别比退火态时提高了23%和40%, 但热处理状态对弹性模量的影响不大。
2007, 24(5): 6-12.
摘要:
采用粉末冶金方法制备碳化硅陶瓷颗粒(SiCP)增强金属铝基复合材料板(MMCs), 并采用热压扩散法制备功能梯度装甲板(FGM)。利用高速冲击空气炮系统, 对纯铝靶板和两种不同铺层结构的功能梯度装甲靶板进行侵彻试验, 并利用LS-DYNA软件对侵彻试验过程进行数值模拟分析, 同时考察等厚、 等面密度下SiC颗粒分布对抗侵彻性能的影响。研究结果表明, 功能梯度板的抗侵彻性能比纯铝板好, 而两种不同铺层结构功能梯度板的抗侵彻性能相差不大。数值计算结果与现有试验结果取得了较好的一致, 说明了数值模拟的有效性。从数值计算结果可以看出, 层状功能梯度板比等厚、 等面密度均质复合材料靶板的抗侵彻能力好, 并可近似地认为等厚、 等面密度下多层功能梯度板的抗侵彻性能对颗粒分布不敏感。
采用粉末冶金方法制备碳化硅陶瓷颗粒(SiCP)增强金属铝基复合材料板(MMCs), 并采用热压扩散法制备功能梯度装甲板(FGM)。利用高速冲击空气炮系统, 对纯铝靶板和两种不同铺层结构的功能梯度装甲靶板进行侵彻试验, 并利用LS-DYNA软件对侵彻试验过程进行数值模拟分析, 同时考察等厚、 等面密度下SiC颗粒分布对抗侵彻性能的影响。研究结果表明, 功能梯度板的抗侵彻性能比纯铝板好, 而两种不同铺层结构功能梯度板的抗侵彻性能相差不大。数值计算结果与现有试验结果取得了较好的一致, 说明了数值模拟的有效性。从数值计算结果可以看出, 层状功能梯度板比等厚、 等面密度均质复合材料靶板的抗侵彻能力好, 并可近似地认为等厚、 等面密度下多层功能梯度板的抗侵彻性能对颗粒分布不敏感。
2007, 24(5): 13-18.
摘要:
研究了纳米SiO2添加量对环氧复合钢板涂层硬度、 T弯和应变等机械性能的影响, 并通过盐雾试验和电化学交流阻抗技术对涂层的耐腐蚀性能进行了测试。研究表明, 纳米SiO2添加量为2.0%时, 涂层性能有较大的提高, 铅笔硬度从H提高到2H, T弯从4T改善到2T, 涂层的耐盐雾时间也由720h增加到1030h, 提高了40％以上。从电化学交流阻抗谱图得出, 添加量为2.0%的纳米SiO2复合涂层的阻抗值最大, 高于未添加纳米SiO2涂层的阻抗值近2个数量级。另外, 涂层的SEM照片显示, 纳米SiO2添加量为2.0%时, 颗粒较均匀地分散, 黏接紧密, 形成较为致密的复合涂层。
研究了纳米SiO2添加量对环氧复合钢板涂层硬度、 T弯和应变等机械性能的影响, 并通过盐雾试验和电化学交流阻抗技术对涂层的耐腐蚀性能进行了测试。研究表明, 纳米SiO2添加量为2.0%时, 涂层性能有较大的提高, 铅笔硬度从H提高到2H, T弯从4T改善到2T, 涂层的耐盐雾时间也由720h增加到1030h, 提高了40％以上。从电化学交流阻抗谱图得出, 添加量为2.0%的纳米SiO2复合涂层的阻抗值最大, 高于未添加纳米SiO2涂层的阻抗值近2个数量级。另外, 涂层的SEM照片显示, 纳米SiO2添加量为2.0%时, 颗粒较均匀地分散, 黏接紧密, 形成较为致密的复合涂层。
2007, 24(5): 19-22.
摘要:
以N, N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂, Iragure 184为光引发剂, 采用紫外光引发聚合的方法制备了高岭土/聚(丙烯酸-丙烯酰胺)高吸水性复合材料。研究了高岭土含量对复合树脂的吸水性、 吸水速率、 保水性及吸盐性等性能的影响, 并用红外吸收光谱(FTIR)、 X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)方法表征了复合材料的结构和形态。结果表明: 当高岭土的质量分数为15％时, 复合材料具有较好的性能, 其吸水倍率为1095g/g, 吸盐水倍率为94.7g/g, 吸水速率和保水性能明显改善。
以N, N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂, Iragure 184为光引发剂, 采用紫外光引发聚合的方法制备了高岭土/聚(丙烯酸-丙烯酰胺)高吸水性复合材料。研究了高岭土含量对复合树脂的吸水性、 吸水速率、 保水性及吸盐性等性能的影响, 并用红外吸收光谱(FTIR)、 X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)方法表征了复合材料的结构和形态。结果表明: 当高岭土的质量分数为15％时, 复合材料具有较好的性能, 其吸水倍率为1095g/g, 吸盐水倍率为94.7g/g, 吸水速率和保水性能明显改善。
2007, 24(5): 23-27.
摘要:
采用自行合成的分子两端、 一端带有NA端基和两端都不带NA端基的三种齐聚物, 以及化学组成相同、 分子链长不同的齐聚物和高聚物通过物理共混法对LP-15树脂进行增韧。比较了齐聚物的端基结构、 分子量大小对LP-15树脂耐热性、 冲击强度的影响, 讨论了其增韧机理。结果表明: 所有增韧体系中增韧剂与LP-15间均具有很好的相容性, 且保持了LP-15树脂原有良好的耐热性。但分子带NA端基与不带NA端基的齐聚物相比, 后者的增韧效果更好; 当分子两端均不带NA端基时, 分子链长的高聚物的增韧效果优于分子链短的齐聚物。
采用自行合成的分子两端、 一端带有NA端基和两端都不带NA端基的三种齐聚物, 以及化学组成相同、 分子链长不同的齐聚物和高聚物通过物理共混法对LP-15树脂进行增韧。比较了齐聚物的端基结构、 分子量大小对LP-15树脂耐热性、 冲击强度的影响, 讨论了其增韧机理。结果表明: 所有增韧体系中增韧剂与LP-15间均具有很好的相容性, 且保持了LP-15树脂原有良好的耐热性。但分子带NA端基与不带NA端基的齐聚物相比, 后者的增韧效果更好; 当分子两端均不带NA端基时, 分子链长的高聚物的增韧效果优于分子链短的齐聚物。
2007, 24(5): 28-32.
摘要:
以甲基磺酸(MSA)为溶剂通过溶液共混法制备了不同多壁碳纳米管(MWNTs)含量的多壁碳纳米管/聚亚苯基苯并二噁唑(MWNTs/PBO)复合材料, 用扫描电镜(SEM)对热处理前后复合材料的微结构进行了分析, 并对其导电、力学和耐热性能进行了研究。结果表明: MWNTs能均匀地分散在聚合物基体中, 并能形成一定的网络结构, 热处理后的复合材料较热处理前的结构更致密, 导电性能和力学性能都有所改善, 其中MWNTs质量分数为10％的热处理后复合材料与纯PBO聚合物相比, 体积电阻率降低约9个数量级, 而拉伸强度和拉伸模量分别提高了95％和53％, 耐热性能也有一定的提高。
以甲基磺酸(MSA)为溶剂通过溶液共混法制备了不同多壁碳纳米管(MWNTs)含量的多壁碳纳米管/聚亚苯基苯并二噁唑(MWNTs/PBO)复合材料, 用扫描电镜(SEM)对热处理前后复合材料的微结构进行了分析, 并对其导电、力学和耐热性能进行了研究。结果表明: MWNTs能均匀地分散在聚合物基体中, 并能形成一定的网络结构, 热处理后的复合材料较热处理前的结构更致密, 导电性能和力学性能都有所改善, 其中MWNTs质量分数为10％的热处理后复合材料与纯PBO聚合物相比, 体积电阻率降低约9个数量级, 而拉伸强度和拉伸模量分别提高了95％和53％, 耐热性能也有一定的提高。
2007, 24(5): 33-37.
摘要:
在用磷酸(PA)溶液处理芳纶纤维的基础上, 系统研究了适用于制备高性能芳纶纤维增强复合材料的缠绕环氧树脂基体, 测试了复合材料的力学性能和热机械性能, 讨论了树脂基体对芳纶纤维增强复合材料界面性能的影响。结果表明: 经过磷酸溶液处理的芳纶纤维表面存在一定量的极性官能团, 与缩水甘油酯类环氧树脂有良好的界面相容性; 经过优化的树脂体系其芳纶纤维增强复合材料的NOL环(Naval Ordnance Laboratory Ring)纤维强度转化率达到95％, 层间剪切强度(ILSS)达到79MPa, 界面剪切强度(IFSS)达到76MPa, 具有较好的界面性能。
在用磷酸(PA)溶液处理芳纶纤维的基础上, 系统研究了适用于制备高性能芳纶纤维增强复合材料的缠绕环氧树脂基体, 测试了复合材料的力学性能和热机械性能, 讨论了树脂基体对芳纶纤维增强复合材料界面性能的影响。结果表明: 经过磷酸溶液处理的芳纶纤维表面存在一定量的极性官能团, 与缩水甘油酯类环氧树脂有良好的界面相容性; 经过优化的树脂体系其芳纶纤维增强复合材料的NOL环(Naval Ordnance Laboratory Ring)纤维强度转化率达到95％, 层间剪切强度(ILSS)达到79MPa, 界面剪切强度(IFSS)达到76MPa, 具有较好的界面性能。
2007, 24(5): 38-43.
摘要:
以端氨基树枝状大分子PAMAM作为环氧树脂固化剂, 通过拉伸试验、 冲击试验、 DSC、 TGA研究了配比和固化温度对PAMAM与环氧树脂E-44的固化物性能的影响。 结果表明, 最佳固化温度为140℃, 但随着固化温度升高, 配比的影响表现出不同的规律: 80℃固化时, 最佳配比为0.47, 此时拉伸强度和冲击强度最佳, 玻璃化转变温度最高, 交联密度最大; 而在80℃以上固化时, 最佳配比逐渐向低配比方向移动, 140℃固化时, 最佳配比为0.28, 此时拉伸强度和冲击强度最佳, 玻璃化转变温度最高, 交联密度最大。固化物的密度和体积收缩率都是配比为0.47时最大, 而热稳定性都是配比为0.28时最佳。利用滴定法测定了固化物的固化度, 结果表明, 随着固化温度的升高, 低配比体系的固化度迅速提高并接近化学计量点配比体系的固化度。
以端氨基树枝状大分子PAMAM作为环氧树脂固化剂, 通过拉伸试验、 冲击试验、 DSC、 TGA研究了配比和固化温度对PAMAM与环氧树脂E-44的固化物性能的影响。 结果表明, 最佳固化温度为140℃, 但随着固化温度升高, 配比的影响表现出不同的规律: 80℃固化时, 最佳配比为0.47, 此时拉伸强度和冲击强度最佳, 玻璃化转变温度最高, 交联密度最大; 而在80℃以上固化时, 最佳配比逐渐向低配比方向移动, 140℃固化时, 最佳配比为0.28, 此时拉伸强度和冲击强度最佳, 玻璃化转变温度最高, 交联密度最大。固化物的密度和体积收缩率都是配比为0.47时最大, 而热稳定性都是配比为0.28时最佳。利用滴定法测定了固化物的固化度, 结果表明, 随着固化温度的升高, 低配比体系的固化度迅速提高并接近化学计量点配比体系的固化度。
2007, 24(5): 44-49.
摘要:
采用石墨、 炭纤维填充改善热塑性聚酰亚胺(TPI)材料的导热性能, 研究了填料物性对材料力学性能和导热行为的影响。在此基础上, 用Nielsen理论模型和有限元方法模拟了复合材料的导热行为, 进一步探讨了填料形状对材料导热系数的影响。研究表明: 炭纤维、 石墨填充TPI均能提高复合材料的导热性能; 用Nielsen理论模型预测石墨、 炭纤维填充TPI材料导热系数与实验值存在一定偏差; 采用有限元法模拟二维复合材料稳态导热行为, 能有效地预测复合材料的导热系数。基于材料内部热流分布模拟分析发现, 填料自身导热性能对复合材料导热行为的影响不明显; 与圆形填料相比, 方形填料改善材料导热性能效果显著。
采用石墨、 炭纤维填充改善热塑性聚酰亚胺(TPI)材料的导热性能, 研究了填料物性对材料力学性能和导热行为的影响。在此基础上, 用Nielsen理论模型和有限元方法模拟了复合材料的导热行为, 进一步探讨了填料形状对材料导热系数的影响。研究表明: 炭纤维、 石墨填充TPI均能提高复合材料的导热性能; 用Nielsen理论模型预测石墨、 炭纤维填充TPI材料导热系数与实验值存在一定偏差; 采用有限元法模拟二维复合材料稳态导热行为, 能有效地预测复合材料的导热系数。基于材料内部热流分布模拟分析发现, 填料自身导热性能对复合材料导热行为的影响不明显; 与圆形填料相比, 方形填料改善材料导热性能效果显著。
2007, 24(5): 50-54.
摘要:
研制了一种Z向玻璃纤维增强酚醛泡沫的高阻燃性复合材料, 并试验分析了承力柱高度、 分布密度、 排布方式及缝编纱细度、 缝合面板层数等结构参数对复合材料力学性能的影响。结果表明: 与普通泡沫夹芯复合材料相比, Z向增强泡沫夹芯复合材料的力学性能得到了大幅度提升; 在承力柱分布密度相同的条件下, Z向增强泡沫夹芯复合材料的力学性能基本不随承力柱排布方式而变化; 承力柱高度、 分布密度及缝编纱细度、 缝合面板层数等结构参数对Z向增强泡沫夹芯复合材料的力学性能有重要影响。
研制了一种Z向玻璃纤维增强酚醛泡沫的高阻燃性复合材料, 并试验分析了承力柱高度、 分布密度、 排布方式及缝编纱细度、 缝合面板层数等结构参数对复合材料力学性能的影响。结果表明: 与普通泡沫夹芯复合材料相比, Z向增强泡沫夹芯复合材料的力学性能得到了大幅度提升; 在承力柱分布密度相同的条件下, Z向增强泡沫夹芯复合材料的力学性能基本不随承力柱排布方式而变化; 承力柱高度、 分布密度及缝编纱细度、 缝合面板层数等结构参数对Z向增强泡沫夹芯复合材料的力学性能有重要影响。
2007, 24(5): 55-60.
摘要:
针对玻璃纤维/环氧复合材料, 采用真空袋和热压机工艺, 研究了层板中孔隙含量、 形态及其分布规律, 考察了成型温度、 工艺压力、 预浸料吸湿量、 铺层方式等因素对孔隙缺陷的影响, 并应用Kardos气泡模型对实验结果进行了理论分析。结果表明: 孔隙缺陷的主要影响因素随工艺方法而变化, 单向层板中孔隙率的分布规律有着很好的一致性; 同时Kardos气泡模型可用于判断孔隙缺陷的形成状况。
针对玻璃纤维/环氧复合材料, 采用真空袋和热压机工艺, 研究了层板中孔隙含量、 形态及其分布规律, 考察了成型温度、 工艺压力、 预浸料吸湿量、 铺层方式等因素对孔隙缺陷的影响, 并应用Kardos气泡模型对实验结果进行了理论分析。结果表明: 孔隙缺陷的主要影响因素随工艺方法而变化, 单向层板中孔隙率的分布规律有着很好的一致性; 同时Kardos气泡模型可用于判断孔隙缺陷的形成状况。
2007, 24(5): 61-65.
摘要:
采用溶液共混法制备了炭纤维(CF)增强羟基磷灰石(HA)/聚乳酸(PLA)三元复合生物材料。研究了该复合材料的力学性能和体外降解性能。CF/HA/PLA复合材料具有优异的力学性能, 弯曲强度和弯曲模量均随着HA含量的增加先升高后降低, 存在一个峰值, 可分别达到430MPa和26GPa。在PBS模拟体液中降解3个月, 弯曲强度和弯曲模量分别下降到初始值的30%和36%。SEM照片显示, 降解是从复合材料的界面开始的, 降解3个月后, 界面结合处出现缝隙, 吸水率增加到5%, 质量损失只有1.6%。PBS模拟体液的pH值下降在0.1之内, 有利于骨折部位的愈合。实验结果表明, 该复合材料的机械性能满足骨折内固定材料技术指标的要求。
采用溶液共混法制备了炭纤维(CF)增强羟基磷灰石(HA)/聚乳酸(PLA)三元复合生物材料。研究了该复合材料的力学性能和体外降解性能。CF/HA/PLA复合材料具有优异的力学性能, 弯曲强度和弯曲模量均随着HA含量的增加先升高后降低, 存在一个峰值, 可分别达到430MPa和26GPa。在PBS模拟体液中降解3个月, 弯曲强度和弯曲模量分别下降到初始值的30%和36%。SEM照片显示, 降解是从复合材料的界面开始的, 降解3个月后, 界面结合处出现缝隙, 吸水率增加到5%, 质量损失只有1.6%。PBS模拟体液的pH值下降在0.1之内, 有利于骨折部位的愈合。实验结果表明, 该复合材料的机械性能满足骨折内固定材料技术指标的要求。
2007, 24(5): 66-71.
摘要:
制备了由纤维增强树脂复合材料层与黏弹阻尼材料层交替层合的7层各向异性层合阻尼结构, 借助动态热机械分析仪(DMA Q800)首次考察了不同的结构应变振幅和不同的边界条件对该结构内耗温度频率特性的影响, 为新型减振降噪阻尼结构的理论分析与应用提供相应的实验研究依据。结果表明: 在不同的边界条件和常温(25℃)下, 各向异性层合阻尼结构的内耗都随着结构应变振幅的增加而减少, 且结构内耗峰所对应的温度随应变振幅的增加而向低温方向移动; 当结构应变振幅相同时, 单悬臂梁模式下的结构内耗最高, 双悬臂梁模式下次之, 三点弯曲模式下最低。
制备了由纤维增强树脂复合材料层与黏弹阻尼材料层交替层合的7层各向异性层合阻尼结构, 借助动态热机械分析仪(DMA Q800)首次考察了不同的结构应变振幅和不同的边界条件对该结构内耗温度频率特性的影响, 为新型减振降噪阻尼结构的理论分析与应用提供相应的实验研究依据。结果表明: 在不同的边界条件和常温(25℃)下, 各向异性层合阻尼结构的内耗都随着结构应变振幅的增加而减少, 且结构内耗峰所对应的温度随应变振幅的增加而向低温方向移动; 当结构应变振幅相同时, 单悬臂梁模式下的结构内耗最高, 双悬臂梁模式下次之, 三点弯曲模式下最低。
2007, 24(5): 72-76.
摘要:
为了研制碳化硅吸波纤维, 首次采用聚二甲基硅烷(PDMS)和二茂铁合成聚铁碳硅烷(PFCS), PFCS经多孔熔融纺丝、 空气不熔化和在N2中1320℃连续烧成, 可制得连续含铁碳化硅(SiC(Fe))吸波纤维; 用SiC(Fe)纤维与环氧树脂制备的结构材料具有良好的吸波性能。XPS剖面分析、 Raman光谱表明: 纤维表面有一层厚约100nm的富碳层, 由表及里铁的含量逐渐增加; 随着温度的升高游离碳的排列逐渐规整化。研究了碳对纤维性能的影响, 结果表明: 游离碳的存在有利于纤维电阻率的降低, 复介电常数和介电损耗的增大。
为了研制碳化硅吸波纤维, 首次采用聚二甲基硅烷(PDMS)和二茂铁合成聚铁碳硅烷(PFCS), PFCS经多孔熔融纺丝、 空气不熔化和在N2中1320℃连续烧成, 可制得连续含铁碳化硅(SiC(Fe))吸波纤维; 用SiC(Fe)纤维与环氧树脂制备的结构材料具有良好的吸波性能。XPS剖面分析、 Raman光谱表明: 纤维表面有一层厚约100nm的富碳层, 由表及里铁的含量逐渐增加; 随着温度的升高游离碳的排列逐渐规整化。研究了碳对纤维性能的影响, 结果表明: 游离碳的存在有利于纤维电阻率的降低, 复介电常数和介电损耗的增大。
2007, 24(5): 77-83.
摘要:
在1600℃不同真空度下, 采用热蒸发硅的方法, 在石墨基板和聚丙烯腈(PAN)炭纤维两种碳源基体原位生长具有一定取向的碳化硅纳米晶须——垂直于石墨片表面森林状和试管刷状碳化硅纳米晶须阵列。通过X射线衍射及场发射扫描电镜, 发现晶须为3C-SiC, 直径约100nm, 长度约50μm。炭纤维表面的产物顶端多为针尖状, 而石墨片表面的产物多为六方棱柱状。因其纳米尺寸效应, 在380nm波长的光激发下, 所制晶须在波长为468nm 附近出现光致发光峰。透射电镜、 多点衍射电子衍射图表明, 所制得的3C-SiC晶须为单晶, 其生长方向为3C-SiC的[111]方向。基于反应过程中硅熔体与碳源分离的事实, 讨论了3C-SiC晶须阵列生长的气固反应机理。
在1600℃不同真空度下, 采用热蒸发硅的方法, 在石墨基板和聚丙烯腈(PAN)炭纤维两种碳源基体原位生长具有一定取向的碳化硅纳米晶须——垂直于石墨片表面森林状和试管刷状碳化硅纳米晶须阵列。通过X射线衍射及场发射扫描电镜, 发现晶须为3C-SiC, 直径约100nm, 长度约50μm。炭纤维表面的产物顶端多为针尖状, 而石墨片表面的产物多为六方棱柱状。因其纳米尺寸效应, 在380nm波长的光激发下, 所制晶须在波长为468nm 附近出现光致发光峰。透射电镜、 多点衍射电子衍射图表明, 所制得的3C-SiC晶须为单晶, 其生长方向为3C-SiC的[111]方向。基于反应过程中硅熔体与碳源分离的事实, 讨论了3C-SiC晶须阵列生长的气固反应机理。
2007, 24(5): 84-89.
摘要:
采用有机泡沫浸渍工艺制备了高孔隙率的钙磷多孔陶瓷支架, 将多孔陶瓷样品浸于明胶溶液中渗涂得到陶瓷/明胶复合支架; 采用复合明胶涂层的方法对钙磷多孔陶瓷支架进行增强处理, 在不破坏多孔支架孔隙特征的情况下, 成功地在样品的孔壁上复合了明胶涂层。复合明胶涂层提高了样品的压缩强度和压缩模量, 与未涂覆样品相比, 涂敷样品受压时的应变特性发生了明显变化。尤其是渗涂5%明胶溶液的多孔样品, 在保持高孔隙率(82.8%)的条件下其压缩强度和压缩模量分别由原来的1.04MPa 和 0.105GPa增加到5.17MPa和0.325GPa。研究结果表明, 孔壁上复合明胶涂层可以有效地增强多孔陶瓷支架。
采用有机泡沫浸渍工艺制备了高孔隙率的钙磷多孔陶瓷支架, 将多孔陶瓷样品浸于明胶溶液中渗涂得到陶瓷/明胶复合支架; 采用复合明胶涂层的方法对钙磷多孔陶瓷支架进行增强处理, 在不破坏多孔支架孔隙特征的情况下, 成功地在样品的孔壁上复合了明胶涂层。复合明胶涂层提高了样品的压缩强度和压缩模量, 与未涂覆样品相比, 涂敷样品受压时的应变特性发生了明显变化。尤其是渗涂5%明胶溶液的多孔样品, 在保持高孔隙率(82.8%)的条件下其压缩强度和压缩模量分别由原来的1.04MPa 和 0.105GPa增加到5.17MPa和0.325GPa。研究结果表明, 孔壁上复合明胶涂层可以有效地增强多孔陶瓷支架。
2007, 24(5): 90-96.
摘要:
对两种致密度的2D-C/SiC复合材料进行了层向动态压缩性能试验研究, 两种致密度材料通过控制CVI(Chemical vapor infiltration)工艺参数得到。试验在SHPB装置上进行, 使用改变波形整形器几何尺寸的方法基本实现恒应变率加载。试验结果表明: 动态压缩应力-应变曲线呈明显的非线性, 与静态试验相比两种致密度试样均有一定的应变率强化效果, 即随着应变率的增加, 抗压强度提高, 失效应变减小, 剪切损伤角增大。致密度提高后抗压强度明显增加但失效应变减小, 且表现出脆性特征, 剪切损伤角也明显增大。动态试验数据有较大的分散性, 低、 高致密度试样动态破坏强度的Weibull分布系数分别为8.36和5.27。SEM观察发现, 低致密度试样纤维束断口不平整, 高致密度试样断口相对平整; 纤维束多发生整束剪断, 动态条件下纤维破碎多于静态。
对两种致密度的2D-C/SiC复合材料进行了层向动态压缩性能试验研究, 两种致密度材料通过控制CVI(Chemical vapor infiltration)工艺参数得到。试验在SHPB装置上进行, 使用改变波形整形器几何尺寸的方法基本实现恒应变率加载。试验结果表明: 动态压缩应力-应变曲线呈明显的非线性, 与静态试验相比两种致密度试样均有一定的应变率强化效果, 即随着应变率的增加, 抗压强度提高, 失效应变减小, 剪切损伤角增大。致密度提高后抗压强度明显增加但失效应变减小, 且表现出脆性特征, 剪切损伤角也明显增大。动态试验数据有较大的分散性, 低、 高致密度试样动态破坏强度的Weibull分布系数分别为8.36和5.27。SEM观察发现, 低致密度试样纤维束断口不平整, 高致密度试样断口相对平整; 纤维束多发生整束剪断, 动态条件下纤维破碎多于静态。
2007, 24(5): 97-102.
摘要:
在1500℃、 1600℃、 1650℃和1750℃氩气中保温3h, 使Fe-Si在石墨基板上熔化并敷展, 分别在熔层表面获得SiC颗粒层、 SiC颗粒与晶须混合层、 SiC晶须层和SiC腾空薄膜。XRD分析确定所有产物均为3C-SiC; TEM和SAED分析表明, SiC晶须为3C-SiC单晶, 生长方向为[111]。基于上述结果, 提出不同温度下C与熔体中的Si经不同反应路径, 生成不同形貌SiC的反应机理: 低温时(≤1500℃), Fe提高了熔体中C的饱和溶解度, 以液-固(LS)反应生成SiC颗粒; 较高温度时(1500~1750℃), 借助Fe的催化作用, 以气-液-固(VLS)机理生成SiC晶须; 更高温度时(≥1750℃), 气-液-固(VLS)变得无序, 生成SiC腾空连续膜。
在1500℃、 1600℃、 1650℃和1750℃氩气中保温3h, 使Fe-Si在石墨基板上熔化并敷展, 分别在熔层表面获得SiC颗粒层、 SiC颗粒与晶须混合层、 SiC晶须层和SiC腾空薄膜。XRD分析确定所有产物均为3C-SiC; TEM和SAED分析表明, SiC晶须为3C-SiC单晶, 生长方向为[111]。基于上述结果, 提出不同温度下C与熔体中的Si经不同反应路径, 生成不同形貌SiC的反应机理: 低温时(≤1500℃), Fe提高了熔体中C的饱和溶解度, 以液-固(LS)反应生成SiC颗粒; 较高温度时(1500~1750℃), 借助Fe的催化作用, 以气-液-固(VLS)机理生成SiC晶须; 更高温度时(≥1750℃), 气-液-固(VLS)变得无序, 生成SiC腾空连续膜。
2007, 24(5): 103-108.
摘要:
以BCl3-C3H6-H2为反应体系, 采用化学气相沉积法(CVD)在炭纤维束上制备了B-C体系材料, 研究了沉积温度的影响。利用SEM和XPS对BC<em>x层的微结构、 元素含量和化学结构进行表征, 并结合化学反应过程, 探讨了导致沉积产物形貌、 成分和键结合状态的差异原因。结果表明, 沉积温度对B-C层生长速率和断面形貌均有较大影响: 900℃沉积时, 沉积较慢, 断面平整; 1000℃时, 沉积速度加快, 断面呈显著片层状结构; B-C层内B元素原子含量随沉积温度升高而降低; 沉积产物内B元素键结合状态有: B4C、 B替代C、 BC2O、 BCO2和B2O3。沉积温度不仅影响B元素键结合状态, 而且还影响各结合状态的含量。B4C在900℃时含量为0, 在1000℃时达到最大值32.5at%; B替代C在900℃时含量最高, 然后随温度升高而下降, 在1050℃时其含量又有所升高。
以BCl3-C3H6-H2为反应体系, 采用化学气相沉积法(CVD)在炭纤维束上制备了B-C体系材料, 研究了沉积温度的影响。利用SEM和XPS对BC<em>x层的微结构、 元素含量和化学结构进行表征, 并结合化学反应过程, 探讨了导致沉积产物形貌、 成分和键结合状态的差异原因。结果表明, 沉积温度对B-C层生长速率和断面形貌均有较大影响: 900℃沉积时, 沉积较慢, 断面平整; 1000℃时, 沉积速度加快, 断面呈显著片层状结构; B-C层内B元素原子含量随沉积温度升高而降低; 沉积产物内B元素键结合状态有: B4C、 B替代C、 BC2O、 BCO2和B2O3。沉积温度不仅影响B元素键结合状态, 而且还影响各结合状态的含量。B4C在900℃时含量为0, 在1000℃时达到最大值32.5at%; B替代C在900℃时含量最高, 然后随温度升高而下降, 在1050℃时其含量又有所升高。
2007, 24(5): 109-112.
摘要:
采用等离子喷涂法在涂覆SiC内涂层的炭/炭复合材料表面制备了Cr-Al-Si外涂层。采用XRD和SEM分析了涂层的物相组成及微观结构, 并测试了复合涂层炭/炭复合材料试样在1500℃静态空气中的抗氧化性能。结果表明: 合金外涂层主要由Al3.21Si0.47、 Cr3Si及Al2O3组成, 厚度约为120μm, 无穿透性裂纹; 多孔结构单一β-SiC内涂层的防氧化能力较差, 氧化10h后涂层试样的氧化失重就接近10%, 外加Cr-Al-Si涂层后, 涂层试样的氧化性能显著提高, 氧化61 h后试样的失重仅为5.3%。
采用等离子喷涂法在涂覆SiC内涂层的炭/炭复合材料表面制备了Cr-Al-Si外涂层。采用XRD和SEM分析了涂层的物相组成及微观结构, 并测试了复合涂层炭/炭复合材料试样在1500℃静态空气中的抗氧化性能。结果表明: 合金外涂层主要由Al3.21Si0.47、 Cr3Si及Al2O3组成, 厚度约为120μm, 无穿透性裂纹; 多孔结构单一β-SiC内涂层的防氧化能力较差, 氧化10h后涂层试样的氧化失重就接近10%, 外加Cr-Al-Si涂层后, 涂层试样的氧化性能显著提高, 氧化61 h后试样的失重仅为5.3%。
2007, 24(5): 113-118.
摘要:
采用包埋法和预涂-烧结法相结合的组合工艺在炭/炭(C/C)复合材料表面制得SiC-Glass复合涂层, 并借助X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对该复合涂层进行了表征, 研究了涂层C/C试样在不同温度下的氧化动力学规律。结果表明: 复合涂层具有双层结构, 包埋SiC内层由β-SiC相和少量游离硅相组成, 外层由MoSi2颗粒掺杂的硼硅酸盐玻璃构成; 内外层之间结合紧密; 在1300~1600℃的空气气氛中, SiC-Glass涂层表现出良好的抗氧化性能, 其氧化激活能为118.1kJ/mol, 氧化主要受控于氧在Glass层中的体扩散速率; 在1600℃空气气氛中氧化65h后, SiC-Glass涂层C/C试样的氧化失重率仅为1.02%。
采用包埋法和预涂-烧结法相结合的组合工艺在炭/炭(C/C)复合材料表面制得SiC-Glass复合涂层, 并借助X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对该复合涂层进行了表征, 研究了涂层C/C试样在不同温度下的氧化动力学规律。结果表明: 复合涂层具有双层结构, 包埋SiC内层由β-SiC相和少量游离硅相组成, 外层由MoSi2颗粒掺杂的硼硅酸盐玻璃构成; 内外层之间结合紧密; 在1300~1600℃的空气气氛中, SiC-Glass涂层表现出良好的抗氧化性能, 其氧化激活能为118.1kJ/mol, 氧化主要受控于氧在Glass层中的体扩散速率; 在1600℃空气气氛中氧化65h后, SiC-Glass涂层C/C试样的氧化失重率仅为1.02%。
2007, 24(5): 119-124.
摘要:
利用木材苯酚液化物合成纺丝液, 熔融纺丝制成新的炭纤维原丝, 研究了纺丝液合成因素对原丝性能的影响。试验结果表明: 增加合成纺丝液时液化原料中的苯酚/木材比(液固比), 则原丝的力学性能提高明显, 其中液固比由3增加至4时, 原丝拉伸强度增加了近9倍; 合成剂用量的增加却导致原丝力学性能的降低, 当合成剂用量为6%时, 原丝的拉伸强度和拉伸模量降幅较明显, 而断裂伸长率的最大降幅却出现在合成剂用量为4%时; 原丝的拉伸强度和拉伸模量随合成温度的升高而增加, 但增幅较小, 断裂伸长率随合成温度的升高却呈下降趋势, 且从110℃升高到115℃时断裂伸长率降幅较大; 原丝的力学性能随合成纺丝液升温时间的增加而先升高后降低, 升温时间为40min时制备的炭纤维原丝的力学性能最优。
利用木材苯酚液化物合成纺丝液, 熔融纺丝制成新的炭纤维原丝, 研究了纺丝液合成因素对原丝性能的影响。试验结果表明: 增加合成纺丝液时液化原料中的苯酚/木材比(液固比), 则原丝的力学性能提高明显, 其中液固比由3增加至4时, 原丝拉伸强度增加了近9倍; 合成剂用量的增加却导致原丝力学性能的降低, 当合成剂用量为6%时, 原丝的拉伸强度和拉伸模量降幅较明显, 而断裂伸长率的最大降幅却出现在合成剂用量为4%时; 原丝的拉伸强度和拉伸模量随合成温度的升高而增加, 但增幅较小, 断裂伸长率随合成温度的升高却呈下降趋势, 且从110℃升高到115℃时断裂伸长率降幅较大; 原丝的力学性能随合成纺丝液升温时间的增加而先升高后降低, 升温时间为40min时制备的炭纤维原丝的力学性能最优。
2007, 24(5): 125-129.
摘要:
建立了一种三维机织复合材料多尺度的黏弹性分析模型。首先构造了微观尺度纱线束胞元和细观尺度复合材料周期结构胞元两级有限元模型, 由微观尺度胞元分析得到纱线束的弹性常数, 再代入细观尺度胞元计算出复合材料的平均弹性常数。两级胞元模型均施加周期边界条件, 保证了胞元边界上位移和应力满足周期性和连续性。随后分别建立了树脂基体和浸润树脂纱线束的蠕变模型, 用实验标定树脂的蠕变参数, 代入微观尺度胞元进行蠕变计算来修正纱线束蠕变模型的参数。最后将树脂和纱线束的蠕变本构关系应用于细观尺度胞元, 得到材料宏观平均的应力-应变响应, 模拟了三维机织复合材料的蠕变实验曲线。本文模型对于该种复合材料弹性常数和蠕变性能的预测, 均与实验吻合。
建立了一种三维机织复合材料多尺度的黏弹性分析模型。首先构造了微观尺度纱线束胞元和细观尺度复合材料周期结构胞元两级有限元模型, 由微观尺度胞元分析得到纱线束的弹性常数, 再代入细观尺度胞元计算出复合材料的平均弹性常数。两级胞元模型均施加周期边界条件, 保证了胞元边界上位移和应力满足周期性和连续性。随后分别建立了树脂基体和浸润树脂纱线束的蠕变模型, 用实验标定树脂的蠕变参数, 代入微观尺度胞元进行蠕变计算来修正纱线束蠕变模型的参数。最后将树脂和纱线束的蠕变本构关系应用于细观尺度胞元, 得到材料宏观平均的应力-应变响应, 模拟了三维机织复合材料的蠕变实验曲线。本文模型对于该种复合材料弹性常数和蠕变性能的预测, 均与实验吻合。
2007, 24(5): 130-135.
摘要:
针对炭纤维三维织物电化学改性处理过程复杂和处理效果难于表征的问题, 提出了采用数值模拟的方法进行分析的方案。针对三维织物的结构特点, 采用"宏观均匀模型"的基本思想, 构建了三维织物电化学改性数学模型。利用该模型对织物改性过程进行数值模拟, 形象地描述了织物整体改性条件, 直观地评价了织物整体改性效果。同时发现三维织物存在内外处理效果不均一的现象, 其根本原因是织物内电解质浓度分布不均一。对此提出了三维织物间歇式电化学改性处理方案, 以改善织物内外处理效果的均一性。
针对炭纤维三维织物电化学改性处理过程复杂和处理效果难于表征的问题, 提出了采用数值模拟的方法进行分析的方案。针对三维织物的结构特点, 采用"宏观均匀模型"的基本思想, 构建了三维织物电化学改性数学模型。利用该模型对织物改性过程进行数值模拟, 形象地描述了织物整体改性条件, 直观地评价了织物整体改性效果。同时发现三维织物存在内外处理效果不均一的现象, 其根本原因是织物内电解质浓度分布不均一。对此提出了三维织物间歇式电化学改性处理方案, 以改善织物内外处理效果的均一性。
2007, 24(5): 136-141.
摘要:
功能梯度材料具有复杂的细部结构, 其内部构造远比匀质材料复杂, 因此其构件动力分析很难求得其解析解。本文中提出了一种新颖的功能梯度构件动力分析的细观元法, 其目的在于建立材料的宏观性能与其组分材料性能及细观构造之间的定量关系, 以便揭示不同的材料组合及其变异所具有不同的宏观性能的内在机制。利用细观元法对含有空隙、 杂质及组分突变等情况下的功能梯度构件进行动力分析, 求得其三维固有频率及振型的三维分布。从而可知空隙、 杂质及组分突变均对功能梯度材料构件的宏观动力特性有很大的影响。
功能梯度材料具有复杂的细部结构, 其内部构造远比匀质材料复杂, 因此其构件动力分析很难求得其解析解。本文中提出了一种新颖的功能梯度构件动力分析的细观元法, 其目的在于建立材料的宏观性能与其组分材料性能及细观构造之间的定量关系, 以便揭示不同的材料组合及其变异所具有不同的宏观性能的内在机制。利用细观元法对含有空隙、 杂质及组分突变等情况下的功能梯度构件进行动力分析, 求得其三维固有频率及振型的三维分布。从而可知空隙、 杂质及组分突变均对功能梯度材料构件的宏观动力特性有很大的影响。
2007, 24(5): 142-148.
摘要:
对T300/BMP-316单向层合板静载及疲劳加载各主方向损伤失效进行了试验研究, 为建立该材料各主方向疲劳加载剩余刚度退化表达式及剩余强度退化表达式提供了依据。同时, 获得了该材料剪切非线性因子, 给出了面内剪切疲劳加载试验循环过程中剪切刚度计算公式, 使用渗透剂增强的X射线图像技术对试样静载及疲劳破坏损伤状态进行了无损检测, 并对损伤失效机理形式进行了分析探讨。试验表明, 层合板结构应力分析中考虑材料剪切应力-应变的非线性效应是非常必要的。
对T300/BMP-316单向层合板静载及疲劳加载各主方向损伤失效进行了试验研究, 为建立该材料各主方向疲劳加载剩余刚度退化表达式及剩余强度退化表达式提供了依据。同时, 获得了该材料剪切非线性因子, 给出了面内剪切疲劳加载试验循环过程中剪切刚度计算公式, 使用渗透剂增强的X射线图像技术对试样静载及疲劳破坏损伤状态进行了无损检测, 并对损伤失效机理形式进行了分析探讨。试验表明, 层合板结构应力分析中考虑材料剪切应力-应变的非线性效应是非常必要的。
2007, 24(5): 149-153.
摘要:
基于结构的可靠性, 研究了复合材料结构的稳定性约束优化设计方法。考虑材料及载荷的不确定性, 通过结构可靠性分析的响应面法和有限元法的结合, 对复合材料结构稳定性进行可靠性分析; 利用优化软件iSIGHT集成可靠性分析程序, 实现了以铺层层数及铺层角度为设计变量的复合材料结构稳定性约束问题的可靠性优化方法。对层合板及层合圆柱进行算例分析, 验证了本文中可靠性优化方法的有效性, 为工程实际中的复合材料结构稳定性约束优化设计问题提供借鉴。
基于结构的可靠性, 研究了复合材料结构的稳定性约束优化设计方法。考虑材料及载荷的不确定性, 通过结构可靠性分析的响应面法和有限元法的结合, 对复合材料结构稳定性进行可靠性分析; 利用优化软件iSIGHT集成可靠性分析程序, 实现了以铺层层数及铺层角度为设计变量的复合材料结构稳定性约束问题的可靠性优化方法。对层合板及层合圆柱进行算例分析, 验证了本文中可靠性优化方法的有效性, 为工程实际中的复合材料结构稳定性约束优化设计问题提供借鉴。
