2008年 第25卷 第3期
2008, 25(3): 1-7.
摘要:
为了研究树脂共混改性对连续炭纤维增强高性能热塑性树脂基复合材料性能及破坏模式的影响，以二氮杂萘联苯结构聚醚砜酮(PPESK)及其共混树脂为基体，T700 炭纤维为增强纤维，通过溶液预浸，热压成型工艺制备单向复合材料。通过对共混树脂溶液黏度测试，复合材料样条三点弯曲、层间剪切和孔隙率试验，并借助SEM断面形貌分析，研究了聚醚酰亚胺(PEI)和聚醚砜(PES)的加入对PPESK复合材料力学性能以及受力破坏模式的影响。结果表明，PEI或PES的加入使复合材料的力学性能提高，孔隙率降低，复合材料受力破坏模式由脱粘破坏向树脂基体内部破坏转变。
为了研究树脂共混改性对连续炭纤维增强高性能热塑性树脂基复合材料性能及破坏模式的影响，以二氮杂萘联苯结构聚醚砜酮(PPESK)及其共混树脂为基体，T700 炭纤维为增强纤维，通过溶液预浸，热压成型工艺制备单向复合材料。通过对共混树脂溶液黏度测试，复合材料样条三点弯曲、层间剪切和孔隙率试验，并借助SEM断面形貌分析，研究了聚醚酰亚胺(PEI)和聚醚砜(PES)的加入对PPESK复合材料力学性能以及受力破坏模式的影响。结果表明，PEI或PES的加入使复合材料的力学性能提高，孔隙率降低，复合材料受力破坏模式由脱粘破坏向树脂基体内部破坏转变。
2008, 25(3): 8-11.
摘要:
采用原位聚合的方法制备了有机化处理过的纳米TiO2粒子质量分数分别为1wt%、3wt%、5wt%和10wt%的4种纳米TiO2/聚乳酸复合材料。SEM结果表明，当纳米粒子质量分数较低时，纳米TiO2在聚乳酸基体中呈现均匀稳定分散，而质量分数较高时则发生团聚。通过力学和热学等性能测试发现复合材料的最大热分解温度、玻璃化转变温度和力学性能相对于聚乳酸有较大幅度提高，其中纳米TiO2的质量分数为3wt%时改善效果最明显，其最大热分解温度、玻璃化转变温度分别比聚乳酸提高了25.3℃和4.9℃，拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量分别提高了83.6%、6.73%和129.4%。
采用原位聚合的方法制备了有机化处理过的纳米TiO2粒子质量分数分别为1wt%、3wt%、5wt%和10wt%的4种纳米TiO2/聚乳酸复合材料。SEM结果表明，当纳米粒子质量分数较低时，纳米TiO2在聚乳酸基体中呈现均匀稳定分散，而质量分数较高时则发生团聚。通过力学和热学等性能测试发现复合材料的最大热分解温度、玻璃化转变温度和力学性能相对于聚乳酸有较大幅度提高，其中纳米TiO2的质量分数为3wt%时改善效果最明显，其最大热分解温度、玻璃化转变温度分别比聚乳酸提高了25.3℃和4.9℃，拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量分别提高了83.6%、6.73%和129.4%。
2008, 25(3): 12-19.
摘要:
用戊二醛作交联剂对皮革下脚料中提取的胶原水解物进行交联改性，采用溶胀度表征了材料的交联程度。探讨了戊二醛用量、胶原蛋白浓度和丙三醇含量对材料溶胀度的影响，并使用红外光谱对交联产物进行了表征。以改性胶原蛋白为基体、剑麻纤维为增强相，制备了剑麻纤维/胶原蛋白复合材料。用扫描电子显微镜对复合材料的形貌进行了表征，探讨了剑麻纤维的表面处理、纤维含量以及长度对复合材料力学性能的影响。结果表明，对剑麻纤维表面进行碱处理可以改善纤维的表面结构，增加纤维与基体的界面粘结，提高复合材料的力学性能。当剑麻纤维质量分数为15 %、纤维长度为 7～8 mm时，复合材料具有较好的力学性能。该复合材料可望在包装垫隔材料方面得以应用。
用戊二醛作交联剂对皮革下脚料中提取的胶原水解物进行交联改性，采用溶胀度表征了材料的交联程度。探讨了戊二醛用量、胶原蛋白浓度和丙三醇含量对材料溶胀度的影响，并使用红外光谱对交联产物进行了表征。以改性胶原蛋白为基体、剑麻纤维为增强相，制备了剑麻纤维/胶原蛋白复合材料。用扫描电子显微镜对复合材料的形貌进行了表征，探讨了剑麻纤维的表面处理、纤维含量以及长度对复合材料力学性能的影响。结果表明，对剑麻纤维表面进行碱处理可以改善纤维的表面结构，增加纤维与基体的界面粘结，提高复合材料的力学性能。当剑麻纤维质量分数为15 %、纤维长度为 7～8 mm时，复合材料具有较好的力学性能。该复合材料可望在包装垫隔材料方面得以应用。
2008, 25(3): 20-24.
摘要:
对3种炭纤维增强树脂基复合材料(T300/NY9200Z、T300/QY8911和T700S/5228)层合板进行了落锤冲击实验，并对冲击后试样进行了冲击后压缩性能测试。通过对凹坑深度-单位厚度冲击能量(d-e)曲线，损伤面积-凹坑深度(S-d)曲线和冲击后压缩破坏应变-凹坑深度(ε-d)曲线的对比分析，讨论了这3种复合材料层合板的低速冲击性能(即损伤阻抗和损伤容限) 。利用热揭层技术对拐点前后的复合材料损伤状态进行了观察，对损伤机制进行了讨论。实验结果表明，在3种材料的d-e曲线，S-d曲线和ε-d曲线上均存在对应的拐点，该拐点同时也是不同损伤形式的转变点。凹坑深度在小于拐点时 , 损伤形式以基体裂纹和分层损伤为主，凹坑深度大于拐点时，分层损伤基本不再扩展， 损伤的发展主要以纤维断裂的扩展为主。
对3种炭纤维增强树脂基复合材料(T300/NY9200Z、T300/QY8911和T700S/5228)层合板进行了落锤冲击实验，并对冲击后试样进行了冲击后压缩性能测试。通过对凹坑深度-单位厚度冲击能量(d-e)曲线，损伤面积-凹坑深度(S-d)曲线和冲击后压缩破坏应变-凹坑深度(ε-d)曲线的对比分析，讨论了这3种复合材料层合板的低速冲击性能(即损伤阻抗和损伤容限) 。利用热揭层技术对拐点前后的复合材料损伤状态进行了观察，对损伤机制进行了讨论。实验结果表明，在3种材料的d-e曲线，S-d曲线和ε-d曲线上均存在对应的拐点，该拐点同时也是不同损伤形式的转变点。凹坑深度在小于拐点时 , 损伤形式以基体裂纹和分层损伤为主，凹坑深度大于拐点时，分层损伤基本不再扩展， 损伤的发展主要以纤维断裂的扩展为主。
2008, 25(3): 25-30.
摘要:
制备了不同铝粉含量的尼龙12覆膜复合粉末，利用扫描电镜(SEM)，能谱分析(EDX)，差示扫描量热分析(DSC)，热失重分析(TG)对粉末材料的形貌以及热性能进行了表征。对复合粉末进行激光烧结成形，并研究了不同铝粉含量对烧结件尺寸精度以及力学性能的影响。结果表明：尼龙与铝粉表面粘结良好，烧结过程中尼龙熔融，铝粉均匀分布在尼龙基体中；随着铝粉含量的增多，烧结件的弯曲强度和模量显著提高，冲击强度逐渐降低；铝粉质量分数为50 wt%时，烧结试样的弯曲强度和模量与纯尼龙烧结试样相比分别提高了62. 1%和122.3%；铝粉含量的增多能够有效抑制尼龙基体的收缩，提高烧结件的精度。
制备了不同铝粉含量的尼龙12覆膜复合粉末，利用扫描电镜(SEM)，能谱分析(EDX)，差示扫描量热分析(DSC)，热失重分析(TG)对粉末材料的形貌以及热性能进行了表征。对复合粉末进行激光烧结成形，并研究了不同铝粉含量对烧结件尺寸精度以及力学性能的影响。结果表明：尼龙与铝粉表面粘结良好，烧结过程中尼龙熔融，铝粉均匀分布在尼龙基体中；随着铝粉含量的增多，烧结件的弯曲强度和模量显著提高，冲击强度逐渐降低；铝粉质量分数为50 wt%时，烧结试样的弯曲强度和模量与纯尼龙烧结试样相比分别提高了62. 1%和122.3%；铝粉含量的增多能够有效抑制尼龙基体的收缩，提高烧结件的精度。
2008, 25(3): 31-38.
摘要:
用不同溶剂通过两步法制备MoS2填充芳香和半脂肪聚醚酰亚胺(PEI)复合膜，采用乙酸酐和三氟乙酸酐(TFAA)封端。 利用IR Prestige-21红外光谱仪表征纯PEI亚胺化程度；采用SDT Q600 测试纯 PEI的热转变与热稳定性能；用M2200型环块摩擦试验机考察干摩条件下分子柔顺性、封端剂、填料比例对PEI润滑膜摩擦因数-时间(μ-t)曲线的影响，以及载荷、填料比例对稳定服役阶段μ平均值μ的影响；采用扫描电镜观察磨损表面形貌，分析磨损机制。结果表明，半脂肪族PEI分子设计在不明显降低热稳定性能的前提下，显著降低了聚合物的Tg。PEI润滑膜的μ值随着摩擦时间的增加先上升后下降，但波动时间较短，μ随后逐渐升高直至润滑失效。柔性结构、三氟乙酸酐封端和适当的填料比有利于改善摩擦性能，填充 70 wt% MoS2的氟化酸酐封端PEI-2具有最低为0.027的μ值。PEI润滑膜的μ值还与载荷、MoS2料比有关。
用不同溶剂通过两步法制备MoS2填充芳香和半脂肪聚醚酰亚胺(PEI)复合膜，采用乙酸酐和三氟乙酸酐(TFAA)封端。 利用IR Prestige-21红外光谱仪表征纯PEI亚胺化程度；采用SDT Q600 测试纯 PEI的热转变与热稳定性能；用M2200型环块摩擦试验机考察干摩条件下分子柔顺性、封端剂、填料比例对PEI润滑膜摩擦因数-时间(μ-t)曲线的影响，以及载荷、填料比例对稳定服役阶段μ平均值μ的影响；采用扫描电镜观察磨损表面形貌，分析磨损机制。结果表明，半脂肪族PEI分子设计在不明显降低热稳定性能的前提下，显著降低了聚合物的Tg。PEI润滑膜的μ值随着摩擦时间的增加先上升后下降，但波动时间较短，μ随后逐渐升高直至润滑失效。柔性结构、三氟乙酸酐封端和适当的填料比有利于改善摩擦性能，填充 70 wt% MoS2的氟化酸酐封端PEI-2具有最低为0.027的μ值。PEI润滑膜的μ值还与载荷、MoS2料比有关。
2008, 25(3): 39-44.
摘要:
为探讨乙炔炭黑水泥基复合材料的压敏性，验证了利用基于埋入式环状电极的四电极法测试复合材料电阻的可行性；研究了一次加载至破坏时乙炔炭黑水泥基复合材料的电阻率变化规律，并通过在弹性阶段的加载考察了乙炔炭黑水泥基复合材料压敏性的重现性；分析了测试电流和试件偏压对压敏性的影响。研究结果表明，基于埋入式环状电极的四电极法测试压敏水泥基材料的电阻误差小于10 %，用于复合材料电阻的测试是可行的。掺量15 vol%的乙炔炭黑水泥基复合材料一次加载至破坏，电阻率变化率最大可达55 %，弹性阶段电阻率变化率可达35 %以上，且其压敏性基本不受测试电流和试件偏压的影响。乙炔炭黑是制备具有高感知灵敏度的压敏水泥基材料的一种有效功能组分。
为探讨乙炔炭黑水泥基复合材料的压敏性，验证了利用基于埋入式环状电极的四电极法测试复合材料电阻的可行性；研究了一次加载至破坏时乙炔炭黑水泥基复合材料的电阻率变化规律，并通过在弹性阶段的加载考察了乙炔炭黑水泥基复合材料压敏性的重现性；分析了测试电流和试件偏压对压敏性的影响。研究结果表明，基于埋入式环状电极的四电极法测试压敏水泥基材料的电阻误差小于10 %，用于复合材料电阻的测试是可行的。掺量15 vol%的乙炔炭黑水泥基复合材料一次加载至破坏，电阻率变化率最大可达55 %，弹性阶段电阻率变化率可达35 %以上，且其压敏性基本不受测试电流和试件偏压的影响。乙炔炭黑是制备具有高感知灵敏度的压敏水泥基材料的一种有效功能组分。
2008, 25(3): 45-50.
摘要:
分析了Tefernol-D颗粒体积含量为 53 %的环氧基磁致伸缩复合材料的显微结构,测试了Terfenol-D/环氧树脂复合材料及相应Tefernol-D的动静态磁致伸缩性能及增量磁导率,通过阻抗频率谱分析计算得到了2种材料的弹性模量、磁机械耦合系数和截止频率等重要的性能参数。结果表明,由于树脂基体隔断了Terfenol-D颗粒间的导通,与Terfenol-D相比,Terfenol-D/环氧树脂复合材料的动静态磁致伸缩性能及磁导率、弹性模量、磁机械耦合系数均有不同程度的降低,但其许用频率却提高了2个数量级,因此更适用于高频超声领域。
分析了Tefernol-D颗粒体积含量为 53 %的环氧基磁致伸缩复合材料的显微结构,测试了Terfenol-D/环氧树脂复合材料及相应Tefernol-D的动静态磁致伸缩性能及增量磁导率,通过阻抗频率谱分析计算得到了2种材料的弹性模量、磁机械耦合系数和截止频率等重要的性能参数。结果表明,由于树脂基体隔断了Terfenol-D颗粒间的导通,与Terfenol-D相比,Terfenol-D/环氧树脂复合材料的动静态磁致伸缩性能及磁导率、弹性模量、磁机械耦合系数均有不同程度的降低,但其许用频率却提高了2个数量级,因此更适用于高频超声领域。
2008, 25(3): 51-56.
摘要:
采用树脂浇注成型法制备了0-3型铌镁锆钛酸铅(PMN)/环氧树脂(EP)复合材料,并用差示扫描量热仪(DSC)研究了PMN对环氧树脂固化性能的影响。介电性能研究表明,随着PMN质量分数的增加,介电常数和5介电损耗都呈非线性增大;在小于 10 Hz频率范围内,介电常数随频率增大迅速降低,这主要是受复合材料界面极化影响,频率较高时,介电常数变化较小,表现出较好的频率稳定性;在测试频率范围内,介电损耗随频率的升高略有降低,但变化幅度很小。动态热机械分析(DMA)表明,复合材料的储能模量随PMN含量的增加而增大,损耗模量和阻尼损耗因子的峰值及阻尼温域受PMN含量的影响较大,当 PMN含量为87. 24 wt %时在90℃附近观察到新的阻尼损耗因子峰出现,且该峰对应的温度不随频率的改变而移动,该阻尼损耗因子峰可能为复合材料的介电损耗耗能所致。
采用树脂浇注成型法制备了0-3型铌镁锆钛酸铅(PMN)/环氧树脂(EP)复合材料,并用差示扫描量热仪(DSC)研究了PMN对环氧树脂固化性能的影响。介电性能研究表明,随着PMN质量分数的增加,介电常数和5介电损耗都呈非线性增大;在小于 10 Hz频率范围内,介电常数随频率增大迅速降低,这主要是受复合材料界面极化影响,频率较高时,介电常数变化较小,表现出较好的频率稳定性;在测试频率范围内,介电损耗随频率的升高略有降低,但变化幅度很小。动态热机械分析(DMA)表明,复合材料的储能模量随PMN含量的增加而增大,损耗模量和阻尼损耗因子的峰值及阻尼温域受PMN含量的影响较大,当 PMN含量为87. 24 wt %时在90℃附近观察到新的阻尼损耗因子峰出现,且该峰对应的温度不随频率的改变而移动,该阻尼损耗因子峰可能为复合材料的介电损耗耗能所致。
2008, 25(3): 57-62.
摘要:
为了解决液态电解质锂离子电池存在的安全性问题,以偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物(PVDF-HFP)为基体,通过加入高氯酸锂(LiClO4) 、增塑剂(碳酸丙烯酯和碳酸二甲酯) 、纳米二氧化硅等,制备出了具有高电导率的复合凝胶聚合物电解质。用 X射线衍射仪测试聚合物电解质的结构,用交流阻抗法测定其电导率,用线性伏安扫描法研究了该聚合物电解质体系的电化学稳定性,并以其为电解质制备成锂离子电池进行充放电测试。结果表明,在20℃ 时复合凝胶聚合物电解质的电导率最高可达7. 56×10-3 S/ cm , 该电解质在4.6 V 以下电化学窗口稳定,以其为电解质的锂离子电池具有良好的电化学性能,说明纳米SiO2/LiClO4/PVDF-HFP复合凝胶聚合物电解质能满足锂离子电池的应用。
为了解决液态电解质锂离子电池存在的安全性问题,以偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物(PVDF-HFP)为基体,通过加入高氯酸锂(LiClO4) 、增塑剂(碳酸丙烯酯和碳酸二甲酯) 、纳米二氧化硅等,制备出了具有高电导率的复合凝胶聚合物电解质。用 X射线衍射仪测试聚合物电解质的结构,用交流阻抗法测定其电导率,用线性伏安扫描法研究了该聚合物电解质体系的电化学稳定性,并以其为电解质制备成锂离子电池进行充放电测试。结果表明,在20℃ 时复合凝胶聚合物电解质的电导率最高可达7. 56×10-3 S/ cm , 该电解质在4.6 V 以下电化学窗口稳定,以其为电解质的锂离子电池具有良好的电化学性能,说明纳米SiO2/LiClO4/PVDF-HFP复合凝胶聚合物电解质能满足锂离子电池的应用。
2008, 25(3): 63-67.
摘要:
使用硬脂酸对羟基磷灰石表面进行改性,制备了纳米羟基磷灰石/聚碳酸酯(n-HA/PC)复合生物材料,利用透射电子显微镜(TEM) 、红外光谱(FTIR) 、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等对羟基磷灰石和复合生物材料微观组成结构进行了表征。结果表明: 弱结晶结构的纳米羟基磷灰石经表面改性后,硬脂酸通过离子键吸附在其表面,形成有效的有机包覆层;与聚碳酸酯复合时,通过氢键与聚合物结合,改善了n-HA与PC聚合物的界面相容性;制备的n-HA/PC复合材料与自然骨力学性能相匹配。
使用硬脂酸对羟基磷灰石表面进行改性,制备了纳米羟基磷灰石/聚碳酸酯(n-HA/PC)复合生物材料,利用透射电子显微镜(TEM) 、红外光谱(FTIR) 、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等对羟基磷灰石和复合生物材料微观组成结构进行了表征。结果表明: 弱结晶结构的纳米羟基磷灰石经表面改性后,硬脂酸通过离子键吸附在其表面,形成有效的有机包覆层;与聚碳酸酯复合时,通过氢键与聚合物结合,改善了n-HA与PC聚合物的界面相容性;制备的n-HA/PC复合材料与自然骨力学性能相匹配。
2008, 25(3): 68-72.
摘要:
研究了纳米羟基磷灰石/聚碳酸酯(n-HA/ PC)生物复合材料在模拟体液(SBF)中的表面变化,并用傅里叶红外光谱(FTIR) 、X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对材料的表面变化进行了分析。结果表明,n-HA/PC生物复合材料在模拟体液(SBF)中浸泡后,表面会沉积碳酸化羟基磷灰石(CHA),随着浸泡时间的延长,沉积层变厚,CHA晶体形貌变得规整。对n-HA/PC复合材料进行了细胞实验，通过四唑盐(MTT)检测和扫描电镜观察,表明n-HA/PC复合材料无细胞毒性,细胞形态正常,是一种有应用前景的可承力骨修复替代材料。
研究了纳米羟基磷灰石/聚碳酸酯(n-HA/ PC)生物复合材料在模拟体液(SBF)中的表面变化,并用傅里叶红外光谱(FTIR) 、X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对材料的表面变化进行了分析。结果表明,n-HA/PC生物复合材料在模拟体液(SBF)中浸泡后,表面会沉积碳酸化羟基磷灰石(CHA),随着浸泡时间的延长,沉积层变厚,CHA晶体形貌变得规整。对n-HA/PC复合材料进行了细胞实验，通过四唑盐(MTT)检测和扫描电镜观察,表明n-HA/PC复合材料无细胞毒性,细胞形态正常,是一种有应用前景的可承力骨修复替代材料。
2008, 25(3): 73-77.
摘要:
利用棒状谷氨酸钠晶体作为造孔粒子,采用可溶盐造孔法,制备了三维连通的大孔径多孔磷酸钙骨水泥支架,分别将明胶(Gelatin) 、聚乳酸2羟基乙酸共聚物(PLGA) 、聚乳酸(PLA) 、聚己内酯(PCL) 、聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)灌注到多孔磷酸钙骨水泥(CPC)支架的孔隙中以改善支架材料的力学性能。结果表明,5 种高分子材料与水的接触角大小顺序为PHBV > PCL > PLA > PL GA > Gelatin , 复合支架材料的强度随高分子材料与水接触角的减小而增大;除PHBV外,其余4种均有明显的增强效果,其中Gelatin/CPC复合支架增强效果最好,强度达到2. 25 MPa±0. 02 MPa ,是CPC支架强度的25倍。经过增强的大孔径多孔磷酸钙骨水泥复合支架可用作骨组织工程支架材料。
利用棒状谷氨酸钠晶体作为造孔粒子,采用可溶盐造孔法,制备了三维连通的大孔径多孔磷酸钙骨水泥支架,分别将明胶(Gelatin) 、聚乳酸2羟基乙酸共聚物(PLGA) 、聚乳酸(PLA) 、聚己内酯(PCL) 、聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)灌注到多孔磷酸钙骨水泥(CPC)支架的孔隙中以改善支架材料的力学性能。结果表明,5 种高分子材料与水的接触角大小顺序为PHBV > PCL > PLA > PL GA > Gelatin , 复合支架材料的强度随高分子材料与水接触角的减小而增大;除PHBV外,其余4种均有明显的增强效果,其中Gelatin/CPC复合支架增强效果最好,强度达到2. 25 MPa±0. 02 MPa ,是CPC支架强度的25倍。经过增强的大孔径多孔磷酸钙骨水泥复合支架可用作骨组织工程支架材料。
2008, 25(3): 78-83.
摘要:
基于 Biot 固结原理和达西定律 , 建立了二维树脂流动与纤维密实模型 , 采用有限元方法实现了L形层板热压成型过程树脂压力分布、 层板变形的预测。通过对AS4 炭纤维/环氧 3501-6 等厚层板厚度变化的模拟结果与实验数据的对比分析 , 证明了数学模型和有限元程序的可靠性。以阳模成型 90° 铺层 S-2玻璃纤维/环氧 648L 形层板为例 , 对工艺过程层板厚度变化进行了分析。模拟结果表明 : 剪切模量对拐角以及拐角与平板过渡区域的变形影响较大 ; 平板长度对拐角区域变形影响较明显 , 对平板区的变形影响较小。采用热压罐制备了 90° 铺层S-2玻璃纤维/环氧 648阳模成型 L 形层板 , 实验数据表明 , 固化后层板呈现拐角区厚、 平板区薄的厚度不均现象 , 并且平板长度对拐角区厚度变化影响较显著 , 这与数值预测结果具有较好的一致性。
基于 Biot 固结原理和达西定律 , 建立了二维树脂流动与纤维密实模型 , 采用有限元方法实现了L形层板热压成型过程树脂压力分布、 层板变形的预测。通过对AS4 炭纤维/环氧 3501-6 等厚层板厚度变化的模拟结果与实验数据的对比分析 , 证明了数学模型和有限元程序的可靠性。以阳模成型 90° 铺层 S-2玻璃纤维/环氧 648L 形层板为例 , 对工艺过程层板厚度变化进行了分析。模拟结果表明 : 剪切模量对拐角以及拐角与平板过渡区域的变形影响较大 ; 平板长度对拐角区域变形影响较明显 , 对平板区的变形影响较小。采用热压罐制备了 90° 铺层S-2玻璃纤维/环氧 648阳模成型 L 形层板 , 实验数据表明 , 固化后层板呈现拐角区厚、 平板区薄的厚度不均现象 , 并且平板长度对拐角区厚度变化影响较显著 , 这与数值预测结果具有较好的一致性。
2008, 25(3): 84-92.
摘要:
为研制低成本树脂膜熔渗(RFI)工艺用环氧树脂膜 , 以环氧树脂 E51、高温潜伏性固化剂三氟化硼单乙胺和乙二醇为原料 , 采用正交设计方法对配方进行优化 , 并通过控制预聚反应程度的方法进行合成实验。对所研制树脂膜的化学流变特性进行测试研究 , 结果表明 , 树脂膜在130℃工作温度下 , 最低黏度达360 mPa· s , 小于1000 mPa· s的低黏度时间达 32 min , 凝胶时间为 48 min , 并且室温不粘手 , 可任意弯曲 , 适用于RFI工艺。通过不同升温速率的DSC扫描 , 分析了预聚原液和树脂膜的反应活化能 , 发现树脂膜反应活化能比预聚原液高 , 而且树脂膜的反应活化能随着固化度增加而增加。以双 Arrhenius公式为理论基础建立了树脂膜黏度和凝胶时间的预测函数 , 实验结果表明二者均具有良好的适用性。根据 RFI工艺对黏度的要求创立了熔渗力因子的表达方程 , 并通过该方程确定了理论最佳熔渗温度为128. 4 ℃。
为研制低成本树脂膜熔渗(RFI)工艺用环氧树脂膜 , 以环氧树脂 E51、高温潜伏性固化剂三氟化硼单乙胺和乙二醇为原料 , 采用正交设计方法对配方进行优化 , 并通过控制预聚反应程度的方法进行合成实验。对所研制树脂膜的化学流变特性进行测试研究 , 结果表明 , 树脂膜在130℃工作温度下 , 最低黏度达360 mPa· s , 小于1000 mPa· s的低黏度时间达 32 min , 凝胶时间为 48 min , 并且室温不粘手 , 可任意弯曲 , 适用于RFI工艺。通过不同升温速率的DSC扫描 , 分析了预聚原液和树脂膜的反应活化能 , 发现树脂膜反应活化能比预聚原液高 , 而且树脂膜的反应活化能随着固化度增加而增加。以双 Arrhenius公式为理论基础建立了树脂膜黏度和凝胶时间的预测函数 , 实验结果表明二者均具有良好的适用性。根据 RFI工艺对黏度的要求创立了熔渗力因子的表达方程 , 并通过该方程确定了理论最佳熔渗温度为128. 4 ℃。
2008, 25(3): 93-97.
摘要:
用径向技术测量了缝合预制件的渗透率 , 研究了缝针型号、 缝合参数对渗透率的影响。实验结果表明渗透率随缝合密度和缝针直径的增加而增加 , 100号缝针且缝合密度低于 0. 66 pts/ m 时除外 ; 缝针和缝合线同时对渗透率起作用 , 缝针起促进作用 , 缝线起阻碍作用 , 与未缝合的织物相比 , 缝线的质量比仅占 0. 18 % , 渗透率增加 58. 6 %。用一维流动技术测量了缝合和未缝合预制件的横向渗透率 , 研究了铺层方向与缝合密度对横向渗透率的影响 , 实验表明横向渗透率随缝合密度增加而显著提高。
用径向技术测量了缝合预制件的渗透率 , 研究了缝针型号、 缝合参数对渗透率的影响。实验结果表明渗透率随缝合密度和缝针直径的增加而增加 , 100号缝针且缝合密度低于 0. 66 pts/ m 时除外 ; 缝针和缝合线同时对渗透率起作用 , 缝针起促进作用 , 缝线起阻碍作用 , 与未缝合的织物相比 , 缝线的质量比仅占 0. 18 % , 渗透率增加 58. 6 %。用一维流动技术测量了缝合和未缝合预制件的横向渗透率 , 研究了铺层方向与缝合密度对横向渗透率的影响 , 实验表明横向渗透率随缝合密度增加而显著提高。
2008, 25(3): 98-104.
摘要:
应用静电纺丝技术制备多壁碳纳米管/聚氨酯(MWNTs/PU)复合微/纳米纤维 , 将该复合纤维收集成无纺布薄膜 , 采用扫描电子显微镜 (SEM)和透射电子显微镜 (TEM)观察了纤维的微观形貌和结构 , 分别利用X射线衍射(XRD)和差示扫描量热法(DSC)测试了复合纤维的结晶行为及玻璃态转变温度 , 并测试了纤维薄膜的拉伸力学性能随 MWNTs含量的变化关系。结果表明 , 一定含量的 MWNTs能有效地分散于 PU 溶液中 , 并能成功地纺出 MWNTs/PU 复合微/纳米纤维。随 MWNTs在 PU 纤维中含量的增加 , 纤维的直径变细 , 复合纤维的玻璃态转变温度提高。在所研究的含量范围内 , 无纺布的拉伸强度和断裂伸长率随 MWNTs 含量的增加而有所增大。
应用静电纺丝技术制备多壁碳纳米管/聚氨酯(MWNTs/PU)复合微/纳米纤维 , 将该复合纤维收集成无纺布薄膜 , 采用扫描电子显微镜 (SEM)和透射电子显微镜 (TEM)观察了纤维的微观形貌和结构 , 分别利用X射线衍射(XRD)和差示扫描量热法(DSC)测试了复合纤维的结晶行为及玻璃态转变温度 , 并测试了纤维薄膜的拉伸力学性能随 MWNTs含量的变化关系。结果表明 , 一定含量的 MWNTs能有效地分散于 PU 溶液中 , 并能成功地纺出 MWNTs/PU 复合微/纳米纤维。随 MWNTs在 PU 纤维中含量的增加 , 纤维的直径变细 , 复合纤维的玻璃态转变温度提高。在所研究的含量范围内 , 无纺布的拉伸强度和断裂伸长率随 MWNTs 含量的增加而有所增大。
2008, 25(3): 105-109.
摘要:
通过假设检验验证了Weibull及Gauss分布模型对玄武岩纤维丝束强度统计分析的适用性,并用2种分布模型对BF-CSH-01、BF-CMD-02和BF-CAH-01 等3种纤维不同长度丝束的拉伸强度分布进行了统计分析。当纤维种类和试样长度变化时,采用2种模型统计的丝束强度的变化规律一致,即3种纤维中BF-CSH-01强度最高,BF-CMD-02的强度分散性最小;同种纤维中,随着试样长度的增加,丝束强度下降,强度分散性减小。2种分布模型相比,采用Weibull 模型计算的丝束强度略高于 Gauss模型,但强度分散性稍大。
通过假设检验验证了Weibull及Gauss分布模型对玄武岩纤维丝束强度统计分析的适用性,并用2种分布模型对BF-CSH-01、BF-CMD-02和BF-CAH-01 等3种纤维不同长度丝束的拉伸强度分布进行了统计分析。当纤维种类和试样长度变化时,采用2种模型统计的丝束强度的变化规律一致,即3种纤维中BF-CSH-01强度最高,BF-CMD-02的强度分散性最小;同种纤维中,随着试样长度的增加,丝束强度下降,强度分散性减小。2种分布模型相比,采用Weibull 模型计算的丝束强度略高于 Gauss模型,但强度分散性稍大。
2008, 25(3): 110-114.
摘要:
超声波在炭纤维织物复合材料中树脂囊界面声压反射系数可达 21 %，在层间界面的反射则与树脂层的厚度和声波频率有关，在缺陷界面则会产生绝对反射。研究了入射声波在织物复合材料内部树脂囊、编织纤维束和层间界面产生的声波反射信息，揭示织物复合材料内部铺层和层间界面微结构的三维分布特征。结果表明，采用高分辨率超声成像方法，可以较好地再现织物复合材料中的树脂囊和纤维束形状、取向、铺层方向及层间界面等三维分布特征，为织物复合材料提供一种有效的微结构表征和缺陷检测方法。
超声波在炭纤维织物复合材料中树脂囊界面声压反射系数可达 21 %，在层间界面的反射则与树脂层的厚度和声波频率有关，在缺陷界面则会产生绝对反射。研究了入射声波在织物复合材料内部树脂囊、编织纤维束和层间界面产生的声波反射信息，揭示织物复合材料内部铺层和层间界面微结构的三维分布特征。结果表明，采用高分辨率超声成像方法，可以较好地再现织物复合材料中的树脂囊和纤维束形状、取向、铺层方向及层间界面等三维分布特征，为织物复合材料提供一种有效的微结构表征和缺陷检测方法。
2008, 25(3): 115-120.
摘要:
为验证现行夹层结构压剪试验方法对高剪切模量夹层结构的适用性 , 应用有限元分析了影响该试验方法测量精度的因素 , 结果表明加载金属板端部弯曲效应对试验精度有较大影响 , 对高剪切模量芯材的夹层结构影响更甚 , 当剪切模量高于 100 MPa时其误差可超过 6 %。根据对试验系统参数的分析 , 提出了一种改进的压剪试验方法 , 改变加载方式降低弯曲效应 , 对于剪切模量小于 500 MPa的夹层结构 , 可以将弯曲效应引起的误差降低到小于 3 %; 同时发现新的加载方式对夹具尺寸参数变化的灵敏度降低 , 有利于提高试验的可靠性。
为验证现行夹层结构压剪试验方法对高剪切模量夹层结构的适用性 , 应用有限元分析了影响该试验方法测量精度的因素 , 结果表明加载金属板端部弯曲效应对试验精度有较大影响 , 对高剪切模量芯材的夹层结构影响更甚 , 当剪切模量高于 100 MPa时其误差可超过 6 %。根据对试验系统参数的分析 , 提出了一种改进的压剪试验方法 , 改变加载方式降低弯曲效应 , 对于剪切模量小于 500 MPa的夹层结构 , 可以将弯曲效应引起的误差降低到小于 3 %; 同时发现新的加载方式对夹具尺寸参数变化的灵敏度降低 , 有利于提高试验的可靠性。
2008, 25(3): 121-126.
摘要:
以2种织物材料为基材,采用化学镀铜的方法,进行铜镀层和吸波涂层复合材料的试验研究。分析了铜镀层的成分结构、织物种类、叠层顺序等因素对复合材料在9. 35 GHz下反射率的影响规律,并探讨了铜镀层对吸波特性的影响机制。研究表明,对于织物基材先涂敷吸波涂层再化学镀铜的复合结构,与未氧化的铜镀层相比,空气中氧化8天的铜镀层使无纺布吸波复合材料的反射率峰值由 - 11 dB降低至 - 13. 2 dB。对于织物基材先化学镀铜再涂敷吸波涂层的复合结构,40℃ 镀铜与常温镀铜相比,在反射率曲线峰值接近的情况下,吸波材料总厚度下降了约 1. 4 mm,说明铜镀层可用于改进吸波材料的微波吸收效果。
以2种织物材料为基材,采用化学镀铜的方法,进行铜镀层和吸波涂层复合材料的试验研究。分析了铜镀层的成分结构、织物种类、叠层顺序等因素对复合材料在9. 35 GHz下反射率的影响规律,并探讨了铜镀层对吸波特性的影响机制。研究表明,对于织物基材先涂敷吸波涂层再化学镀铜的复合结构,与未氧化的铜镀层相比,空气中氧化8天的铜镀层使无纺布吸波复合材料的反射率峰值由 - 11 dB降低至 - 13. 2 dB。对于织物基材先化学镀铜再涂敷吸波涂层的复合结构,40℃ 镀铜与常温镀铜相比,在反射率曲线峰值接近的情况下,吸波材料总厚度下降了约 1. 4 mm,说明铜镀层可用于改进吸波材料的微波吸收效果。
2008, 25(3): 127-131.
摘要:
对高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiCP/Al)复合材料的拉伸、压缩和三点弯曲特性进行了实验研究。结果表明:高体积分数SiCP/Al复合材料与低体积分数SiCP/Al复合材料相比,没有明显的线性屈服阶段。进一步的加载-卸载实验表明,在外载荷作用下,材料宏观上呈现一种类似金属材料的塑性,卸载后留有较大的残余应变,再次加载时沿上次卸载路线上升,而且拉应力导致的残余应变大于压应力。三点弯曲时材料内部产生残余塑性变形的潜力最大,切线模量更稳定。宏观断口分析表明,金属基体的非均匀分布导致产生局部渐进的微屈服,是使材料性能宏观上类似塑性材料的主要原因。制备过程中的残余应力和基体内部的微缺陷是拉应力比压应力产生更大残余应变的主要原因。
对高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiCP/Al)复合材料的拉伸、压缩和三点弯曲特性进行了实验研究。结果表明:高体积分数SiCP/Al复合材料与低体积分数SiCP/Al复合材料相比,没有明显的线性屈服阶段。进一步的加载-卸载实验表明,在外载荷作用下,材料宏观上呈现一种类似金属材料的塑性,卸载后留有较大的残余应变,再次加载时沿上次卸载路线上升,而且拉应力导致的残余应变大于压应力。三点弯曲时材料内部产生残余塑性变形的潜力最大,切线模量更稳定。宏观断口分析表明,金属基体的非均匀分布导致产生局部渐进的微屈服,是使材料性能宏观上类似塑性材料的主要原因。制备过程中的残余应力和基体内部的微缺陷是拉应力比压应力产生更大残余应变的主要原因。
2008, 25(3): 132-137.
摘要:
使用溶胶-凝胶法在硼酸铝晶须表面制备ZnAl2O4涂层,采用挤压铸造法制备了ZnAl2O4涂覆的硼酸铝晶须增强6061Al 复合材料。研究了ZnAl2O4涂覆对复合材料界面润湿性、室温拉伸性能以及高温热暴露后界面热稳定性的影响。试验结果表明: 纳米ZnAl2O4涂覆能够明显提高复合材料的界面润湿性 , 从而提高复合材料的室温拉伸性能; 均匀的ZnAl2O4涂覆能有效地阻碍界面反应,使复合材料具有良好的热稳定性能。研究了涂覆对复合材料在铸态及高温热暴露后拉伸断裂行为的影响。未涂覆硼酸铝晶须增强的铝基复合材料在拉伸变形过程中晶须以折断为主,ZnAl2O4涂覆硼酸铝晶须增强的铝基复合材料在拉伸变形过程中晶须以拔出为主。
使用溶胶-凝胶法在硼酸铝晶须表面制备ZnAl2O4涂层,采用挤压铸造法制备了ZnAl2O4涂覆的硼酸铝晶须增强6061Al 复合材料。研究了ZnAl2O4涂覆对复合材料界面润湿性、室温拉伸性能以及高温热暴露后界面热稳定性的影响。试验结果表明: 纳米ZnAl2O4涂覆能够明显提高复合材料的界面润湿性 , 从而提高复合材料的室温拉伸性能; 均匀的ZnAl2O4涂覆能有效地阻碍界面反应,使复合材料具有良好的热稳定性能。研究了涂覆对复合材料在铸态及高温热暴露后拉伸断裂行为的影响。未涂覆硼酸铝晶须增强的铝基复合材料在拉伸变形过程中晶须以折断为主,ZnAl2O4涂覆硼酸铝晶须增强的铝基复合材料在拉伸变形过程中晶须以拔出为主。
2008, 25(3): 138-143.
摘要:
用静电纺丝技术成功制备出复合中空TiO2/SiO2纳米纤维。用动态热分析仪、红外光谱仪、X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜和X射线能谱仪等分析技术对样品进行了表征。分析结果表明, 得到的产物为复合中空TiO2/SiO2纳米纤维 , 以非晶SiO2为外壳 , 内壁由粒径为 50 nm的晶态TiO2粒子组成 , 复合中空纳米纤维平均直径 2μm , 长度 > 100μm。讨论了复合中空纳米纤维的形成机制 , 复合纤维在烧结过程中 , 芯层 TiO2纳米粒子向外表面扩散 , 与壳层 SiO2粒子形成新化学键 , 得到复合中空纳米纤维。
用静电纺丝技术成功制备出复合中空TiO2/SiO2纳米纤维。用动态热分析仪、红外光谱仪、X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜和X射线能谱仪等分析技术对样品进行了表征。分析结果表明, 得到的产物为复合中空TiO2/SiO2纳米纤维 , 以非晶SiO2为外壳 , 内壁由粒径为 50 nm的晶态TiO2粒子组成 , 复合中空纳米纤维平均直径 2μm , 长度 > 100μm。讨论了复合中空纳米纤维的形成机制 , 复合纤维在烧结过程中 , 芯层 TiO2纳米粒子向外表面扩散 , 与壳层 SiO2粒子形成新化学键 , 得到复合中空纳米纤维。
2008, 25(3): 144-148.
摘要:
采用溶胶-凝胶法制备了纳米CoFe2O4/SiO2复合材料。利用 X射线衍射(XRD) 、 透射电镜( TEM) 、 振动样品磁强计(VSM)和 Mssbauer 效应研究了纳米复合材料结构、 晶粒尺寸及磁性。结果表明 , 样品中CoFe2O4的晶粒尺寸随着热处理温度的提高而增加 , 非晶态 SiO2的存在有效地抑制了CoFe2O4晶粒的生长。VSM结果表明 , 样品的比饱和磁化强度和矫顽力随CoFe2O4晶粒尺寸的增加而变大。Mssbauer 效应结果表明 , 随着热处理温度的提高 , 样品从超顺磁和磁有序的混合状态转变为完全的磁有序状态。
采用溶胶-凝胶法制备了纳米CoFe2O4/SiO2复合材料。利用 X射线衍射(XRD) 、 透射电镜( TEM) 、 振动样品磁强计(VSM)和 Mssbauer 效应研究了纳米复合材料结构、 晶粒尺寸及磁性。结果表明 , 样品中CoFe2O4的晶粒尺寸随着热处理温度的提高而增加 , 非晶态 SiO2的存在有效地抑制了CoFe2O4晶粒的生长。VSM结果表明 , 样品的比饱和磁化强度和矫顽力随CoFe2O4晶粒尺寸的增加而变大。Mssbauer 效应结果表明 , 随着热处理温度的提高 , 样品从超顺磁和磁有序的混合状态转变为完全的磁有序状态。
2008, 25(3): 149-153.
摘要:
建立了一种复合材料层压板在准静态压痕力作用下的损伤阻抗的预测方法。首先分别针对基体破坏、分层、 纤维断裂等失效模式引入相应的失效变量 , 并建立不同失效模式下的刚度折减方法 , 然后采用基于应变描述的 Hashin和 Yeh失效准则并结合有限元方法 , 对复合材料层压板在准静态压痕力作用下的破坏过程进行渐进损伤分析 , 在此基础上进一步预测了层压板的损伤阻抗。采用商用有限元软件 ABAQUS/Standard 的 UMAT用户子程序实现数值模拟。计算结果表明 , 分层起始与扩展是导致载荷2位移曲线发生第1次卸载的主要原因 , 当接触力达到其最大值时出现较明显的纤维断裂。分层起始载荷和最大接触力的预测结果与实验数据吻合良好。
建立了一种复合材料层压板在准静态压痕力作用下的损伤阻抗的预测方法。首先分别针对基体破坏、分层、 纤维断裂等失效模式引入相应的失效变量 , 并建立不同失效模式下的刚度折减方法 , 然后采用基于应变描述的 Hashin和 Yeh失效准则并结合有限元方法 , 对复合材料层压板在准静态压痕力作用下的破坏过程进行渐进损伤分析 , 在此基础上进一步预测了层压板的损伤阻抗。采用商用有限元软件 ABAQUS/Standard 的 UMAT用户子程序实现数值模拟。计算结果表明 , 分层起始与扩展是导致载荷2位移曲线发生第1次卸载的主要原因 , 当接触力达到其最大值时出现较明显的纤维断裂。分层起始载荷和最大接触力的预测结果与实验数据吻合良好。
2008, 25(3): 154-159.
摘要:
提出了一个细观力学模型 , 用于预测非线性黏弹聚合物基复合材料的有效性质。该方法利用广义割线模量方法对单积分型热力学本构进行线性化 , 并运用 Laplace变换技术将黏性问题转化为弹性问题。利用热力学本构拟合高密度聚乙烯的实验数据 , 得到基体的材料参数。 利用该模型计算了玻璃微珠填充高密度聚乙烯复合材料(GB/HDPE)在恒应变率下的应力应变关系 , 计算结果与文献实验结果吻合较好。数值计算结果表明 GB/HDPE复合材料表现出明显的非线性力学行为。 该细观力学模型可以很好地预测复合材料非线性黏弹性性质。
提出了一个细观力学模型 , 用于预测非线性黏弹聚合物基复合材料的有效性质。该方法利用广义割线模量方法对单积分型热力学本构进行线性化 , 并运用 Laplace变换技术将黏性问题转化为弹性问题。利用热力学本构拟合高密度聚乙烯的实验数据 , 得到基体的材料参数。 利用该模型计算了玻璃微珠填充高密度聚乙烯复合材料(GB/HDPE)在恒应变率下的应力应变关系 , 计算结果与文献实验结果吻合较好。数值计算结果表明 GB/HDPE复合材料表现出明显的非线性力学行为。 该细观力学模型可以很好地预测复合材料非线性黏弹性性质。
2008, 25(3): 160-167.
摘要:
为探寻涂胶对炭纤维布力学性能的影响 , 深入了解其加固混凝土结构的力学行为 , 对制备的炭纤维强化板(CFRP)及其加固混凝土梁 , 分别进行了轴向拉伸和预制裂缝四点弯曲加载实验。对比有胶与无胶纤维布拉伸实验 , 表明环氧树脂不仅粘接纤维布 , 对纤维布有保护作用 , 而且能够显著提高其拉伸强度。通过对加固混凝土梁的 FRP外贴应变片的加载过程进行电测跟踪测试 , 得到了材料结构损伤破坏过程曲线。由力学模型和曲线点拟合的最小二乘法 , 对 CFRP板所受轴力及混凝土的界面剪应力分布进行分析 , 得到轴力及剪应力分布。在载荷的变化过程中 , FRP与混凝土的界面逐渐脱粘 , 使得 FRP的应力集中程度降低 , 有时会出现应变回弹现象。
为探寻涂胶对炭纤维布力学性能的影响 , 深入了解其加固混凝土结构的力学行为 , 对制备的炭纤维强化板(CFRP)及其加固混凝土梁 , 分别进行了轴向拉伸和预制裂缝四点弯曲加载实验。对比有胶与无胶纤维布拉伸实验 , 表明环氧树脂不仅粘接纤维布 , 对纤维布有保护作用 , 而且能够显著提高其拉伸强度。通过对加固混凝土梁的 FRP外贴应变片的加载过程进行电测跟踪测试 , 得到了材料结构损伤破坏过程曲线。由力学模型和曲线点拟合的最小二乘法 , 对 CFRP板所受轴力及混凝土的界面剪应力分布进行分析 , 得到轴力及剪应力分布。在载荷的变化过程中 , FRP与混凝土的界面逐渐脱粘 , 使得 FRP的应力集中程度降低 , 有时会出现应变回弹现象。
2008, 25(3): 168-173.
摘要:
研究了双周期含涂层纤维增强复合材料在远场反平面载荷作用时的问题 , 利用 Eshelby等效夹杂方法和 Laurent 级数展开技术 , 并结合双准周期 Riemann边值问题理论 , 获得了其全场解析解 , 得到了应力场和有效模量表达式。与有限元结果的对照显示出本方法的效率和精度。考察了涂层参数对复合材料细观应力场和宏观有效性能的影响。当涂层刚度较大时 , 涂层内存在高的应力集中 , 且涂层刚度越大、 涂层相对厚度越小 , 应力集中系数越大。纤维刚度对复合材料有效模量的影响也取决于涂层性能 , 非常软或非常硬的涂层都大大限制了纤维刚度对复合材料有效模量的贡献。
研究了双周期含涂层纤维增强复合材料在远场反平面载荷作用时的问题 , 利用 Eshelby等效夹杂方法和 Laurent 级数展开技术 , 并结合双准周期 Riemann边值问题理论 , 获得了其全场解析解 , 得到了应力场和有效模量表达式。与有限元结果的对照显示出本方法的效率和精度。考察了涂层参数对复合材料细观应力场和宏观有效性能的影响。当涂层刚度较大时 , 涂层内存在高的应力集中 , 且涂层刚度越大、 涂层相对厚度越小 , 应力集中系数越大。纤维刚度对复合材料有效模量的影响也取决于涂层性能 , 非常软或非常硬的涂层都大大限制了纤维刚度对复合材料有效模量的贡献。
2008, 25(3): 174-181.
摘要:
首次利用水平基物质分布函数推出域内积分与边界积分泛函的形状导数 , 建立了复合材料刚性连续结构拓扑优化设计理论的新模型。通过将形状导数和增广的 Lagrangian 乘子法相结合 , 提出了复合材料结构拓扑优化敏度分析的新方法。设计边界的进化是通过人为掌握目标函数下降的速度来控制。水平基函数的曲面在不改变拓扑结构的前提下上下运动 , 从而通过边界的合并与分离改变嵌入其中的零水平基面上设计构件的拓扑结果。广泛的 2D复合材料悬臂梁研究验证了本文中方法的有效性。
首次利用水平基物质分布函数推出域内积分与边界积分泛函的形状导数 , 建立了复合材料刚性连续结构拓扑优化设计理论的新模型。通过将形状导数和增广的 Lagrangian 乘子法相结合 , 提出了复合材料结构拓扑优化敏度分析的新方法。设计边界的进化是通过人为掌握目标函数下降的速度来控制。水平基函数的曲面在不改变拓扑结构的前提下上下运动 , 从而通过边界的合并与分离改变嵌入其中的零水平基面上设计构件的拓扑结果。广泛的 2D复合材料悬臂梁研究验证了本文中方法的有效性。
2008, 25(3): 182-189.
摘要:
通过观察C/C-SiC复合材料组元分布的扫描电子显微镜(SEM)照片 , 获得了C/C-SiC复合材料化学气相渗透(CVI)制备过程中产生孔隙和微裂纹的几何信息。在此基础上 , 建立了包含孔隙和微裂纹的C/C-SiC微结构有限元模型 , 并利用均匀化等效计算方法预测了平纹编织C/C-SiC复合材料的模量。针对CVI沉积方式制备的2组不同的C/C-SiC复合材料 , 实验测试与等效计算结果表明 : 基于 SEM照片建立的C/C-SiC纤维束和复合材料微结构有限元模型 , 能够反映CVI工艺制备C/C-SiC中孔隙和微裂纹的分布状况; 计算结果与实验数据有良好的一致性 , 数值计算可有效预测C/C-SiC编织复合材料的模量。
通过观察C/C-SiC复合材料组元分布的扫描电子显微镜(SEM)照片 , 获得了C/C-SiC复合材料化学气相渗透(CVI)制备过程中产生孔隙和微裂纹的几何信息。在此基础上 , 建立了包含孔隙和微裂纹的C/C-SiC微结构有限元模型 , 并利用均匀化等效计算方法预测了平纹编织C/C-SiC复合材料的模量。针对CVI沉积方式制备的2组不同的C/C-SiC复合材料 , 实验测试与等效计算结果表明 : 基于 SEM照片建立的C/C-SiC纤维束和复合材料微结构有限元模型 , 能够反映CVI工艺制备C/C-SiC中孔隙和微裂纹的分布状况; 计算结果与实验数据有良好的一致性 , 数值计算可有效预测C/C-SiC编织复合材料的模量。
2008, 25(3): 190-196.
摘要:
紧缩场高精度蜂窝夹层结构反射面板由经特殊工艺处理的铝蜂窝芯和表层铝板胶接而成 , 解析计算和材料力学性能试验很难准确获得该夹层板的材料性能参数。本文中采用数值2试验混合模型方法对该种夹层板的等效材料性能参数进行了优化反求。正向分析采用有限元方法 , 逆向分析采用遗传算法和梯度法组合优化算法。正、逆分析过程的无缝集成和组合优化算法策略使反求效率明显提高。试验验证表明 , 采用反求方法获得的材料性能参数能够精确反应该夹层板的弹性本构关系 , 建立在该材料参数基础上的有限元模型具有理想的精度。
紧缩场高精度蜂窝夹层结构反射面板由经特殊工艺处理的铝蜂窝芯和表层铝板胶接而成 , 解析计算和材料力学性能试验很难准确获得该夹层板的材料性能参数。本文中采用数值2试验混合模型方法对该种夹层板的等效材料性能参数进行了优化反求。正向分析采用有限元方法 , 逆向分析采用遗传算法和梯度法组合优化算法。正、逆分析过程的无缝集成和组合优化算法策略使反求效率明显提高。试验验证表明 , 采用反求方法获得的材料性能参数能够精确反应该夹层板的弹性本构关系 , 建立在该材料参数基础上的有限元模型具有理想的精度。
2008, 25(3): 197-201.
摘要:
由于存在一个易于流动的方向并具有较大的面密度 , 金属蜂窝材料在具有良好的比刚度和比强度的同时也具有良好的散热性能 , 研究强迫对流下的散热性能对其多功能化设计具有重要意义。蜂窝材料强迫对流换热是流2固耦合传热问题 , 由于具有大量微结构 , 直接采用计算流体动力学(CFD)方法进行模拟 , 计算量巨大 , 成为进行优化设计的主要障碍。发展具有广泛适用性的高效快速算法具有重要的理论意义和应用价值。针对金属蜂窝强迫对流换热结构 , 本文中提出了一种快速高效的数值算法 , 计算速度比有限体积法提高3～4个数量级。通过2个具体算例 , 验证了该方法的有效性和广泛适用性。
由于存在一个易于流动的方向并具有较大的面密度 , 金属蜂窝材料在具有良好的比刚度和比强度的同时也具有良好的散热性能 , 研究强迫对流下的散热性能对其多功能化设计具有重要意义。蜂窝材料强迫对流换热是流2固耦合传热问题 , 由于具有大量微结构 , 直接采用计算流体动力学(CFD)方法进行模拟 , 计算量巨大 , 成为进行优化设计的主要障碍。发展具有广泛适用性的高效快速算法具有重要的理论意义和应用价值。针对金属蜂窝强迫对流换热结构 , 本文中提出了一种快速高效的数值算法 , 计算速度比有限体积法提高3～4个数量级。通过2个具体算例 , 验证了该方法的有效性和广泛适用性。
2008, 25(3): 202-209.
摘要:
以矩形蜂窝为例 , 介绍了正交各向异性蜂窝填充的夹层蜂窝结构散热性能和散热-承载性能优化设计 ,给出了正交各向异性蜂窝相关系数的推导过程。从实际应用出发 , 针对常规以性能乘积形式构造的散热-承载性能指标对散热性能侧重程度的不足 , 给出了基于2种双层规划模型的非确定性设计方法 , 得到了旨在强调散热性能设计意图的散热-承载多目标优化问题的有效解集。这种方法对结构敏感参数较多的正交各向异性蜂窝填充结构的多功能优化设计非常有效。最后讨论了不同尺寸效应下的蜂窝最优结构参数。
以矩形蜂窝为例 , 介绍了正交各向异性蜂窝填充的夹层蜂窝结构散热性能和散热-承载性能优化设计 ,给出了正交各向异性蜂窝相关系数的推导过程。从实际应用出发 , 针对常规以性能乘积形式构造的散热-承载性能指标对散热性能侧重程度的不足 , 给出了基于2种双层规划模型的非确定性设计方法 , 得到了旨在强调散热性能设计意图的散热-承载多目标优化问题的有效解集。这种方法对结构敏感参数较多的正交各向异性蜂窝填充结构的多功能优化设计非常有效。最后讨论了不同尺寸效应下的蜂窝最优结构参数。
