2010年 第27卷 第5期
2010, 27(5): 1-6.
摘要:
单丝复合材料段裂试验（SFCFT）中, 随着外载荷的增加, 纤维出现了随机脆断的现象, 并在一定的载荷下纤维的段裂数达到“饱和”状态（即纤维段裂数目不再增加）, 该试验常用于表征纤维与基体间界面性能。针对该试验, 本文中充分考虑了组分材料的真实性能（即基体材料的弹塑性性能）, 利用弹塑性剪滞理论进行纤维与基体间的应力传递分析, 初步获得较真实的纤维轴向应力及界面剪应力分布形式; 在此基础上, 考虑纤维强度分布的非均匀性, 利用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法对试验中纤维的随机段裂过程进行了模拟预报, 获得载荷与纤维的段裂数的关系。模拟预报与试验结果比较吻合, 表明该应力分析及模拟方法的有效性。
单丝复合材料段裂试验（SFCFT）中, 随着外载荷的增加, 纤维出现了随机脆断的现象, 并在一定的载荷下纤维的段裂数达到“饱和”状态（即纤维段裂数目不再增加）, 该试验常用于表征纤维与基体间界面性能。针对该试验, 本文中充分考虑了组分材料的真实性能（即基体材料的弹塑性性能）, 利用弹塑性剪滞理论进行纤维与基体间的应力传递分析, 初步获得较真实的纤维轴向应力及界面剪应力分布形式; 在此基础上, 考虑纤维强度分布的非均匀性, 利用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法对试验中纤维的随机段裂过程进行了模拟预报, 获得载荷与纤维的段裂数的关系。模拟预报与试验结果比较吻合, 表明该应力分析及模拟方法的有效性。
2010, 27(5): 7-12.
摘要:
为探索性能优异的高聚物增强木质基复合材料的制备方法, 以大青杨木材为研究对象, 选用双功能性单体甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)和丙烯酸类单体甲基丙烯酸甲酯(MMA), 通过加热引发聚合的方式制得P(GMAcoMMA)/木材复合材料。利用SEM、 FTIR和XRD表征其结构, 并测试其相关性能。结果表明： GMA的加入, 使高聚物与木材细胞壁紧密接触, 界面相互作用力增强; GMA一端的环氧基团, 与木材细胞壁上的羟基充分发生了化学反应, 其双键与MMA单体发生自由基共聚合反应, 从而使P(GMAcoMMA)接枝在木材细胞壁上, 并且主要以无定形态存在。与未改性的木材相比, P(GMAcoMMA)/木材复合材料的静曲强度(MOR)、 尺寸稳定性、 防腐性能和热稳定性依次提高90.53%、 54.05%、 92.85%和31℃。
为探索性能优异的高聚物增强木质基复合材料的制备方法, 以大青杨木材为研究对象, 选用双功能性单体甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)和丙烯酸类单体甲基丙烯酸甲酯(MMA), 通过加热引发聚合的方式制得P(GMAcoMMA)/木材复合材料。利用SEM、 FTIR和XRD表征其结构, 并测试其相关性能。结果表明： GMA的加入, 使高聚物与木材细胞壁紧密接触, 界面相互作用力增强; GMA一端的环氧基团, 与木材细胞壁上的羟基充分发生了化学反应, 其双键与MMA单体发生自由基共聚合反应, 从而使P(GMAcoMMA)接枝在木材细胞壁上, 并且主要以无定形态存在。与未改性的木材相比, P(GMAcoMMA)/木材复合材料的静曲强度(MOR)、 尺寸稳定性、 防腐性能和热稳定性依次提高90.53%、 54.05%、 92.85%和31℃。
2010, 27(5): 13-18.
摘要:
采用硅橡胶（110型）与金属（镍粉）按质量比为1∶2.7进行配料, 应用室温二次固化合成Ni/硅橡胶压敏复合材料样品。室温下测量了样品的压阻效应, 比较了外加0.024 T磁场前后样品的介电性质。结果表明, 当压强从3.75kPa到312.5kPa时, 样品直流电阻率下降了8个数量级。与加磁场前相比, 0.024T的磁场使得低频(40~104Hz)交流电导率提高了2.46倍, 介电常数提高了20%, 介电损耗提高了2倍, 这主要是由复合材料中铁磁绝缘体铁磁颗粒膜的隧道磁电阻效应以及磁电耦合引起的。撤去磁场后交流电导率、介电常数和介电损耗均不能回到加磁场前的初始值, 这与Ni粉的铁磁性有关。Ni/硅橡胶压敏复合材料的压阻、 磁电阻效应及磁电耦合等物理性质在磁传感器件、 信息储存等领域有潜在的应用价值。
采用硅橡胶（110型）与金属（镍粉）按质量比为1∶2.7进行配料, 应用室温二次固化合成Ni/硅橡胶压敏复合材料样品。室温下测量了样品的压阻效应, 比较了外加0.024 T磁场前后样品的介电性质。结果表明, 当压强从3.75kPa到312.5kPa时, 样品直流电阻率下降了8个数量级。与加磁场前相比, 0.024T的磁场使得低频(40~104Hz)交流电导率提高了2.46倍, 介电常数提高了20%, 介电损耗提高了2倍, 这主要是由复合材料中铁磁绝缘体铁磁颗粒膜的隧道磁电阻效应以及磁电耦合引起的。撤去磁场后交流电导率、介电常数和介电损耗均不能回到加磁场前的初始值, 这与Ni粉的铁磁性有关。Ni/硅橡胶压敏复合材料的压阻、 磁电阻效应及磁电耦合等物理性质在磁传感器件、 信息储存等领域有潜在的应用价值。
2010, 27(5): 19-23.
摘要:
为了提高碳纤维镀镍工艺的生产效率以及对填充复合型电磁屏蔽材料的开发, 使用自行研发的碳纤维（CF）连续电镀镍生产设备生产镀镍碳纤维（NiCF）, 并制备了镀镍碳纤维增强丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）复合材料（NiCF/ABS）, 研究了偶联剂对复合材料力学性能的影响, 以及纤维金属化及纤维含量对复合材料电磁屏蔽性能的影响。结果表明, 偶联剂使复合材料具有更好的力学性能, 拉伸和弯曲强度分别达到41MPa 和61.4MPa。纤维质量分数为12%时, 复合材料达到最佳的电磁屏蔽效能。
为了提高碳纤维镀镍工艺的生产效率以及对填充复合型电磁屏蔽材料的开发, 使用自行研发的碳纤维（CF）连续电镀镍生产设备生产镀镍碳纤维（NiCF）, 并制备了镀镍碳纤维增强丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）复合材料（NiCF/ABS）, 研究了偶联剂对复合材料力学性能的影响, 以及纤维金属化及纤维含量对复合材料电磁屏蔽性能的影响。结果表明, 偶联剂使复合材料具有更好的力学性能, 拉伸和弯曲强度分别达到41MPa 和61.4MPa。纤维质量分数为12%时, 复合材料达到最佳的电磁屏蔽效能。
2010, 27(5): 24-28.
摘要:
为了改善静电纺再生丝素蛋白（SF）纤维膜的力学性能, 通过静电纺丝技术制备丝素蛋白(SF)/聚丁二酸丁二醇酯(PBS)复合超细纤维膜。通过对用甲醇处理后的具有不同共混比例的超细纤维膜进行FESEM、 FTIR、 XRD和DSC观察测试, 分析比较了不同共混比例的复合超细纤维膜的形貌、 结构, 并进行力学性能测试。结果表明： 随着聚丁二酸丁二醇酯共混质量比的增加, 复合超细纤维的平均直径从289nm增大到425nm; 复合超细纤维的结晶性能随之提高; 复合超细纤维膜的拉伸破坏应力先减小后增大, 拉伸破坏应变逐渐增加; 当共混质量比为50/50时, 复合超细纤维膜表现出良好的力学性能, 拉伸破坏应力接近于16 MPa, 破坏应变达到50%。聚丁二酸丁二醇酯可有效调控丝素蛋白超细纤维膜的形貌、 结构和力学性能。
为了改善静电纺再生丝素蛋白（SF）纤维膜的力学性能, 通过静电纺丝技术制备丝素蛋白(SF)/聚丁二酸丁二醇酯(PBS)复合超细纤维膜。通过对用甲醇处理后的具有不同共混比例的超细纤维膜进行FESEM、 FTIR、 XRD和DSC观察测试, 分析比较了不同共混比例的复合超细纤维膜的形貌、 结构, 并进行力学性能测试。结果表明： 随着聚丁二酸丁二醇酯共混质量比的增加, 复合超细纤维的平均直径从289nm增大到425nm; 复合超细纤维的结晶性能随之提高; 复合超细纤维膜的拉伸破坏应力先减小后增大, 拉伸破坏应变逐渐增加; 当共混质量比为50/50时, 复合超细纤维膜表现出良好的力学性能, 拉伸破坏应力接近于16 MPa, 破坏应变达到50%。聚丁二酸丁二醇酯可有效调控丝素蛋白超细纤维膜的形貌、 结构和力学性能。
2010, 27(5): 29-35.
摘要:
通过自由基本体聚合制备了4-(2-二茂铁基乙烯基)-苯基-七环戊基多面体倍半硅氧烷（POSS1）/聚苯乙烯、 丙烯酰基异丁基POSS（POSS2）/聚苯乙烯以及胺丙基环戊基POSS（POSS3）/聚苯乙烯复合材料。采用XRD和TEM研究了POSS在聚苯乙烯基体中的分散性。结果表明, 部分POSS1以纳米线形态存在于聚苯乙烯基体中, POSS2与苯乙烯共聚以分子级分散于聚苯乙烯基体中, 而POSS3以聚集态晶体存在于聚苯乙烯基体中。热失重分析表明, 3种POSS/聚苯乙烯复合材料的热稳定性均增加, 其中POSS1/聚苯乙烯复合材料的热稳定性最好。与纯聚苯乙烯比较, POSS1/聚苯乙烯和POSS2/聚苯乙烯复合材料的玻璃化转变温度分别提高了约10℃和8℃。
通过自由基本体聚合制备了4-(2-二茂铁基乙烯基)-苯基-七环戊基多面体倍半硅氧烷（POSS1）/聚苯乙烯、 丙烯酰基异丁基POSS（POSS2）/聚苯乙烯以及胺丙基环戊基POSS（POSS3）/聚苯乙烯复合材料。采用XRD和TEM研究了POSS在聚苯乙烯基体中的分散性。结果表明, 部分POSS1以纳米线形态存在于聚苯乙烯基体中, POSS2与苯乙烯共聚以分子级分散于聚苯乙烯基体中, 而POSS3以聚集态晶体存在于聚苯乙烯基体中。热失重分析表明, 3种POSS/聚苯乙烯复合材料的热稳定性均增加, 其中POSS1/聚苯乙烯复合材料的热稳定性最好。与纯聚苯乙烯比较, POSS1/聚苯乙烯和POSS2/聚苯乙烯复合材料的玻璃化转变温度分别提高了约10℃和8℃。
2010, 27(5): 36-40.
摘要:
为了准确测定碳纤维增强树脂基复合材料界面结构的形貌和尺寸, 本文中介绍了一种原位纳米力学动态模量成像技术, 并采用该方法对碳纤维增强热固性树脂基复合材料进行了测试, 对该技术在界面结构测试上的参数设置、 数据处理方法以及适用性等方面进行了分析。研究表明, 该方法的横向分辨率可以达到纳米尺度, 适于测量界面尺寸在纳米级别的碳纤维复合材料界面形貌与尺寸。对于碳纤维/环氧树脂和碳纤维/双马树脂体系, 界面区的储能模量呈梯度变化, 根据储能模量成像图的统计分析可得到界面的形貌和厚度。所得界面平均厚度在100nm左右, 横截面上界面形貌呈不均匀的“河流状”, 并与碳纤维表面形貌相似。
为了准确测定碳纤维增强树脂基复合材料界面结构的形貌和尺寸, 本文中介绍了一种原位纳米力学动态模量成像技术, 并采用该方法对碳纤维增强热固性树脂基复合材料进行了测试, 对该技术在界面结构测试上的参数设置、 数据处理方法以及适用性等方面进行了分析。研究表明, 该方法的横向分辨率可以达到纳米尺度, 适于测量界面尺寸在纳米级别的碳纤维复合材料界面形貌与尺寸。对于碳纤维/环氧树脂和碳纤维/双马树脂体系, 界面区的储能模量呈梯度变化, 根据储能模量成像图的统计分析可得到界面的形貌和厚度。所得界面平均厚度在100nm左右, 横截面上界面形貌呈不均匀的“河流状”, 并与碳纤维表面形貌相似。
2010, 27(5): 41-46.
摘要:
针对复合材料成型工艺条件下环氧树脂与碳纤维表面的物理化学作用, 研究了不同温度下E51树脂以及E51/DDS、 E51/咪唑树脂体系的表面张力, E51树脂与T700纤维单丝的接触角; 并考察了E51树脂在T700纤维束表面的初始表观接触角。进而对比分析了升温过程中T700纤维与E51/DDS树脂体系的浸润特性, 计算出纤维与树脂体系的热力学粘附功, 考察了工艺温度条件下纤维与树脂体系的粘附特性。结果表明, 升高温度、 降低树脂黏度可有效改善纤维与树脂的浸润特性, 树脂的黏度作用尤其显著。在树脂体系发生化学反应之前, 升温对纤维/树脂粘附特性的促进作用较不明显。
针对复合材料成型工艺条件下环氧树脂与碳纤维表面的物理化学作用, 研究了不同温度下E51树脂以及E51/DDS、 E51/咪唑树脂体系的表面张力, E51树脂与T700纤维单丝的接触角; 并考察了E51树脂在T700纤维束表面的初始表观接触角。进而对比分析了升温过程中T700纤维与E51/DDS树脂体系的浸润特性, 计算出纤维与树脂体系的热力学粘附功, 考察了工艺温度条件下纤维与树脂体系的粘附特性。结果表明, 升高温度、 降低树脂黏度可有效改善纤维与树脂的浸润特性, 树脂的黏度作用尤其显著。在树脂体系发生化学反应之前, 升温对纤维/树脂粘附特性的促进作用较不明显。
2010, 27(5): 47-54.
摘要:
针对地热水环境中金属管道和设备常见的结垢问题, 采用图像二值化处理法、 扫描电子显微镜、 能谱仪、 电化学测试等方法对比研究了304不锈钢管、 环氧有机硅涂层、 聚苯硫醚（PPS）涂层和聚四氟乙烯（PTFE）/PPS复合涂层在静态模拟地热水中的阻垢性能。结果表明： 地热水中不同涂层表面结垢物质的微观形貌为”针”形物, 组成主要为CaCO3; PTFE/PPS涂层的表面能低于单纯的PPS涂层, 可以有效地抑制结垢晶核在其表面的形成; 实验10天的PTFE/PPS涂层表面的结垢质量为304不锈钢管表面结垢质量的37.3%; 同时, PTFE/PPS涂层在模拟地热水中具有较好的耐蚀性。
针对地热水环境中金属管道和设备常见的结垢问题, 采用图像二值化处理法、 扫描电子显微镜、 能谱仪、 电化学测试等方法对比研究了304不锈钢管、 环氧有机硅涂层、 聚苯硫醚（PPS）涂层和聚四氟乙烯（PTFE）/PPS复合涂层在静态模拟地热水中的阻垢性能。结果表明： 地热水中不同涂层表面结垢物质的微观形貌为”针”形物, 组成主要为CaCO3; PTFE/PPS涂层的表面能低于单纯的PPS涂层, 可以有效地抑制结垢晶核在其表面的形成; 实验10天的PTFE/PPS涂层表面的结垢质量为304不锈钢管表面结垢质量的37.3%; 同时, PTFE/PPS涂层在模拟地热水中具有较好的耐蚀性。
2010, 27(5): 55-61.
摘要:
利用FactSage software软件进行热力学计算, 获得了CH3SiCl3 (MTS)-BCl3-H2体系在化学气相沉积环境中Si-B-C陶瓷的热力学产物图和相图。讨论了在高温（900~1100 ℃）、 低压（2 kPa、 5 kPa和12 kPa）条件下系统总压、 温度和反应气体比例等参数对主要产物产率的影响。结果表明， 在所研究的参数范围内, 系统总压、 温度和气体比例对B4C相的产率影响比较明显, 而对SiC相的产率影响不明显。气体比例对C相的产率影响比较明显, 温度和系统总压对C相的产率影响不明显。各参数的变化对主要气态产物（BHx、 CxHy、 SiClx等）的产率有一定程度的影响。稀释气体分压的增加有利于富B相的生成, MTS分压的增加有利于SiC的生成。
利用FactSage software软件进行热力学计算, 获得了CH3SiCl3 (MTS)-BCl3-H2体系在化学气相沉积环境中Si-B-C陶瓷的热力学产物图和相图。讨论了在高温（900~1100 ℃）、 低压（2 kPa、 5 kPa和12 kPa）条件下系统总压、 温度和反应气体比例等参数对主要产物产率的影响。结果表明， 在所研究的参数范围内, 系统总压、 温度和气体比例对B4C相的产率影响比较明显, 而对SiC相的产率影响不明显。气体比例对C相的产率影响比较明显, 温度和系统总压对C相的产率影响不明显。各参数的变化对主要气态产物（BHx、 CxHy、 SiClx等）的产率有一定程度的影响。稀释气体分压的增加有利于富B相的生成, MTS分压的增加有利于SiC的生成。
2010, 27(5): 62-67.
摘要:
利用ZrCl4-Ar-CH4-H2体系, 采用化学气相沉积法（CVD）制备了ZrC涂层。研究了不同基底、 沉积温度、 先驱体中CH4与ZrCl4浓度比（C/Zr）对涂层形貌、 物相和组分的影响规律和作用机制。结果表明, 不同基底对该体系沉积的ZrC涂层形貌没有显著影响。沉积温度对ZrC涂层形貌影响较大, 当温度从1100℃增加到1350℃时, 涂层形貌由片状转变到荔枝状， 且涂层中的C含量随温度的升高而增加。先驱体中的C/Zr比对涂层形貌和组分也有重要影响, 当C/Zr比从8.5减小到3.5时, 涂层由疏松多孔形貌经菜花状向玻璃态形貌演变, 且涂层中的C含量随C/Zr比的减小而减少。
利用ZrCl4-Ar-CH4-H2体系, 采用化学气相沉积法（CVD）制备了ZrC涂层。研究了不同基底、 沉积温度、 先驱体中CH4与ZrCl4浓度比（C/Zr）对涂层形貌、 物相和组分的影响规律和作用机制。结果表明, 不同基底对该体系沉积的ZrC涂层形貌没有显著影响。沉积温度对ZrC涂层形貌影响较大, 当温度从1100℃增加到1350℃时, 涂层形貌由片状转变到荔枝状， 且涂层中的C含量随温度的升高而增加。先驱体中的C/Zr比对涂层形貌和组分也有重要影响, 当C/Zr比从8.5减小到3.5时, 涂层由疏松多孔形貌经菜花状向玻璃态形貌演变, 且涂层中的C含量随C/Zr比的减小而减少。
2010, 27(5): 68-72.
摘要:
在纯钛基体表面通过电泳沉积的方法制得壳聚糖/羟基磷灰石(CS/HA)复合涂层, 然后将复合涂层烧结形成多孔HA涂层。采用SEM对多孔HA涂层的形貌进行观察, XRD分析涂层的物相组成, 粘结拉伸实验测定涂层与基体的结合强度, 1.5倍人体模拟体液(1.5SBF)浸泡测定涂层的生物活性。结果表明： 当悬浮液中CS与HA质量比为1∶1时, 制得的CS/HA复合涂层经过700℃烧结处理, 涂层中CS热分解致孔形成多孔HA涂层, 孔径在10~25 μm, 涂层与基体的结合强度可达19.5 MPa; 在1.5SBF中浸泡5天后, 多孔HA涂层表面完全碳磷灰石化, 呈现较好的生物活性。
在纯钛基体表面通过电泳沉积的方法制得壳聚糖/羟基磷灰石(CS/HA)复合涂层, 然后将复合涂层烧结形成多孔HA涂层。采用SEM对多孔HA涂层的形貌进行观察, XRD分析涂层的物相组成, 粘结拉伸实验测定涂层与基体的结合强度, 1.5倍人体模拟体液(1.5SBF)浸泡测定涂层的生物活性。结果表明： 当悬浮液中CS与HA质量比为1∶1时, 制得的CS/HA复合涂层经过700℃烧结处理, 涂层中CS热分解致孔形成多孔HA涂层, 孔径在10~25 μm, 涂层与基体的结合强度可达19.5 MPa; 在1.5SBF中浸泡5天后, 多孔HA涂层表面完全碳磷灰石化, 呈现较好的生物活性。
2010, 27(5): 73-78.
摘要:
研究了添加铁氧体和石墨水泥基复合材料(F/G/C)的吸波性能。通过改变铁氧体、 石墨的配比, 分析了影响该材料电磁吸收效能的主要因素, 并探讨了其影响机制。结果表明： 石墨添加量20 vol%时材料出现逾渗现象, 逾渗区内介电损耗有较大值; 0.5~4 GHz范围内影响吸收深度的最主要因素是石墨, 影响吸收宽度的最主要因素是铁氧体, 最佳水平组合为20 wt% 60 μm铁氧体、 10 wt% 250 μm铁氧体、 30 vol%石墨, 吸收深度可达-32 dB且明显优于单组分复合; 吸收主要机制是磁损耗, 石墨的加入改善了材料空间波阻抗。
研究了添加铁氧体和石墨水泥基复合材料(F/G/C)的吸波性能。通过改变铁氧体、 石墨的配比, 分析了影响该材料电磁吸收效能的主要因素, 并探讨了其影响机制。结果表明： 石墨添加量20 vol%时材料出现逾渗现象, 逾渗区内介电损耗有较大值; 0.5~4 GHz范围内影响吸收深度的最主要因素是石墨, 影响吸收宽度的最主要因素是铁氧体, 最佳水平组合为20 wt% 60 μm铁氧体、 10 wt% 250 μm铁氧体、 30 vol%石墨, 吸收深度可达-32 dB且明显优于单组分复合; 吸收主要机制是磁损耗, 石墨的加入改善了材料空间波阻抗。
2010, 27(5): 79-85.
摘要:
以玻璃纤维、 铜纤维、 矿物纤维、 芳纶纤维、 纳米钛酸钾晶须和片状蛭石等制备多维复合增强非石棉有机汽车摩擦材料, 构成具有“微米和纳米”尺度、 “一维（纤维）和二维（片状）”形态、 “无机和有机”材质的多维复合增强体系。基于材料的力学和摩擦磨损性能测试结果, 通过回归模型分析对复合体系配方进行了优化。通过材料的内部结构和摩擦面的形貌观察, 分析了多维复合增强体系提高材料力学和摩擦磨损性能的内在机制。结果表明, 通过优化配方, 各增强相之间表现出良好的混合和协同效应, 优化多维复合增强汽车摩擦材料的冲击强度为0.54J/cm2、 总磨损率为1.35×10-7cm3/(N·m)、 摩擦系数的变异系数为5.86%。
以玻璃纤维、 铜纤维、 矿物纤维、 芳纶纤维、 纳米钛酸钾晶须和片状蛭石等制备多维复合增强非石棉有机汽车摩擦材料, 构成具有“微米和纳米”尺度、 “一维（纤维）和二维（片状）”形态、 “无机和有机”材质的多维复合增强体系。基于材料的力学和摩擦磨损性能测试结果, 通过回归模型分析对复合体系配方进行了优化。通过材料的内部结构和摩擦面的形貌观察, 分析了多维复合增强体系提高材料力学和摩擦磨损性能的内在机制。结果表明, 通过优化配方, 各增强相之间表现出良好的混合和协同效应, 优化多维复合增强汽车摩擦材料的冲击强度为0.54J/cm2、 总磨损率为1.35×10-7cm3/(N·m)、 摩擦系数的变异系数为5.86%。
2010, 27(5): 86-92.
摘要:
基于单胞解析模型, 建立一种从复合材料细观组分到宏观单向板的强度预报方法。根据连续介质力学和均匀化方法构建细宏观关联矩阵, 通过该关联矩阵将细观组分材料的弹性和损伤性能传递到宏观单向板中。考虑复合材料细观损伤状态, 当纤维和基体满足各自强度准则时失效, 并通过失效因子折算成刚度的衰减。在此基础上, 结合有限元分析, 实现复合材料单向板纵横向拉伸模拟, 从而预报单向板的拉伸强度。结果表明： 该方法预报的模量和强度与实验值基本一致, 验证了该方法的有效性与高效性。
基于单胞解析模型, 建立一种从复合材料细观组分到宏观单向板的强度预报方法。根据连续介质力学和均匀化方法构建细宏观关联矩阵, 通过该关联矩阵将细观组分材料的弹性和损伤性能传递到宏观单向板中。考虑复合材料细观损伤状态, 当纤维和基体满足各自强度准则时失效, 并通过失效因子折算成刚度的衰减。在此基础上, 结合有限元分析, 实现复合材料单向板纵横向拉伸模拟, 从而预报单向板的拉伸强度。结果表明： 该方法预报的模量和强度与实验值基本一致, 验证了该方法的有效性与高效性。
2010, 27(5): 93-100.
摘要:
针对C/C-SiC纤维机织复合材料的特点, 建立了C/C-SiC微结构有限元模型, 并结合能量法研究了不同微结构关参数对C/C-SiC机织复合材料宏观力学性能的影响。研究结果表明： 本文中提出的C/C-SiC微结构有限元模型能够有效地反映C/C-SiC复合材料尺度关参数对C/C-SiC力学性能的影响, 纤维丝尺度的各个参数主要与C/C-SiC纤维束的力学性能相关联； 纤维束尺度的各个参数主要与C/C-SiC宏观构件的整体性能相关联。
针对C/C-SiC纤维机织复合材料的特点, 建立了C/C-SiC微结构有限元模型, 并结合能量法研究了不同微结构关参数对C/C-SiC机织复合材料宏观力学性能的影响。研究结果表明： 本文中提出的C/C-SiC微结构有限元模型能够有效地反映C/C-SiC复合材料尺度关参数对C/C-SiC力学性能的影响, 纤维丝尺度的各个参数主要与C/C-SiC纤维束的力学性能相关联； 纤维束尺度的各个参数主要与C/C-SiC宏观构件的整体性能相关联。
2010, 27(5): 101-107.
摘要:
基于材料细观结构, 建立了缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测模型, 并进行了刚度性能的相关试验验证。其中, 对缝纫复合材料层合面板部分, 考虑了缝纫角对单胞尺寸和富脂区大小的影响, 以及缝纫前后层合面板厚度的变化对复合材料面板纤维体积含量的影响, 采用改进的纤维弯曲模型计算了缝纫复合材料层合面板的刚度; 对缝纫增强的泡沫夹芯部分, 把缝线树脂柱看作是泡沫基体中的增强相, 将其简化为特殊的单向增强复合材料, 提出了用串并联组合模型来预测其刚度。试验测试了缝纫泡沫夹芯复合材料板试件的刚度。应用本文模型对缝纫层合面板和缝纫泡沫夹芯复合材料板的刚度进行预测, 结果均与试验结果吻合较好。采用理论模型系统研究了缝纫参数和结构参数对缝纫泡沫夹芯复合材料刚度的影响。
基于材料细观结构, 建立了缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测模型, 并进行了刚度性能的相关试验验证。其中, 对缝纫复合材料层合面板部分, 考虑了缝纫角对单胞尺寸和富脂区大小的影响, 以及缝纫前后层合面板厚度的变化对复合材料面板纤维体积含量的影响, 采用改进的纤维弯曲模型计算了缝纫复合材料层合面板的刚度; 对缝纫增强的泡沫夹芯部分, 把缝线树脂柱看作是泡沫基体中的增强相, 将其简化为特殊的单向增强复合材料, 提出了用串并联组合模型来预测其刚度。试验测试了缝纫泡沫夹芯复合材料板试件的刚度。应用本文模型对缝纫层合面板和缝纫泡沫夹芯复合材料板的刚度进行预测, 结果均与试验结果吻合较好。采用理论模型系统研究了缝纫参数和结构参数对缝纫泡沫夹芯复合材料刚度的影响。
2010, 27(5): 108-115.
摘要:
基于经典层板理论和细观力学桥联模型, 提出了缝纫泡沫夹芯复合材料失效强度的理论预测方法, 并进行了失效强度的相关试验验证。其中, 将缝纫复合材料面板看作单层组成的准层状结构, 采用经典层板理论进行逐层失效分析, 并同时考虑了局部皱曲的面板失效模式; 而对缝纫泡沫夹芯, 引入桥联模型计算其各组分材料中的应力, 并通过对各组分材料选取适当失效准则来建立失效判据; 对于缝纫泡沫夹芯复合材料采取逐级加载方式, 当面板或者夹芯失效时, 则认为其发生整体失效, 由此可以确定其在不同载荷形式下的失效强度。此外, 通过试验得到了缝纫泡沫夹芯复合材料板试件在平压、 侧压、 横向剪切及三点弯曲载荷形式下的失效模式及其失效强度, 并利用本文方法对缝纫泡沫夹芯复合材料的失效强度进行了理论预测, 所得结果与试验吻合, 证明了本文方法的有效性。
基于经典层板理论和细观力学桥联模型, 提出了缝纫泡沫夹芯复合材料失效强度的理论预测方法, 并进行了失效强度的相关试验验证。其中, 将缝纫复合材料面板看作单层组成的准层状结构, 采用经典层板理论进行逐层失效分析, 并同时考虑了局部皱曲的面板失效模式; 而对缝纫泡沫夹芯, 引入桥联模型计算其各组分材料中的应力, 并通过对各组分材料选取适当失效准则来建立失效判据; 对于缝纫泡沫夹芯复合材料采取逐级加载方式, 当面板或者夹芯失效时, 则认为其发生整体失效, 由此可以确定其在不同载荷形式下的失效强度。此外, 通过试验得到了缝纫泡沫夹芯复合材料板试件在平压、 侧压、 横向剪切及三点弯曲载荷形式下的失效模式及其失效强度, 并利用本文方法对缝纫泡沫夹芯复合材料的失效强度进行了理论预测, 所得结果与试验吻合, 证明了本文方法的有效性。
2010, 27(5): 116-121.
摘要:
本研究的目的是建立一种用来预测纤维缠绕复合材料压力容器封头厚度的方法。针对固化成型的复合材料压力容器封头型面, 基于封头段所有缠绕纱带总体积保持不变条件, 提出了一种采用三次样条函数来预测复合材料压力容器封头厚度的方法。采用该方法对具有不同几何尺寸、 不同缠绕工艺参数的复合材料压力容器进行了封头厚度预测, 并与传统预测方法及实际厚度测量值作了对比分析。算例结果表明, 该方法能够比传统方法更准确地预测纤维缠绕复合材料压力容器的封头厚度, 从而为有限元建模分析提供精确的厚度参数。
本研究的目的是建立一种用来预测纤维缠绕复合材料压力容器封头厚度的方法。针对固化成型的复合材料压力容器封头型面, 基于封头段所有缠绕纱带总体积保持不变条件, 提出了一种采用三次样条函数来预测复合材料压力容器封头厚度的方法。采用该方法对具有不同几何尺寸、 不同缠绕工艺参数的复合材料压力容器进行了封头厚度预测, 并与传统预测方法及实际厚度测量值作了对比分析。算例结果表明, 该方法能够比传统方法更准确地预测纤维缠绕复合材料压力容器的封头厚度, 从而为有限元建模分析提供精确的厚度参数。
2010, 27(5): 122-128.
摘要:
采用多尺度耦合的数值模型研究了圆管状立体机织复合材料的力学性能。建立了反映纤维束中纤维/基体二相材料的微观尺度单胞和反映周期性编织结构的细观尺度扇形单胞, 并重点讨论了扇形单胞的周期性边界条件。通过逐级计算微观单胞、 细观单胞的平均弹性常数, 得到了圆管状立体机织复合材料的刚度参数, 实现了由组分材料性能及编织参数预测圆管的宏观弹性性能, 模型预测刚度与试验结果吻合。另一方面, 研究了从大到小各尺度耦合的应力分析, 对于圆管环向应力非周期分布的情况, 建立了嵌入细观单胞的环状模型, 进行了复杂荷载下从宏观圆管结构、 到细观纤维束尺度、 再到微观纤维尺度之间的逐级应力分析。
采用多尺度耦合的数值模型研究了圆管状立体机织复合材料的力学性能。建立了反映纤维束中纤维/基体二相材料的微观尺度单胞和反映周期性编织结构的细观尺度扇形单胞, 并重点讨论了扇形单胞的周期性边界条件。通过逐级计算微观单胞、 细观单胞的平均弹性常数, 得到了圆管状立体机织复合材料的刚度参数, 实现了由组分材料性能及编织参数预测圆管的宏观弹性性能, 模型预测刚度与试验结果吻合。另一方面, 研究了从大到小各尺度耦合的应力分析, 对于圆管环向应力非周期分布的情况, 建立了嵌入细观单胞的环状模型, 进行了复杂荷载下从宏观圆管结构、 到细观纤维束尺度、 再到微观纤维尺度之间的逐级应力分析。
2010, 27(5): 129-135.
摘要:
提出了二维二轴1×1和2×2编织复合材料的几何模型, 模型考虑了纤维束的相互挤压及横截面的变化。基于细观分析和体积平均法, 建立了预测二维二轴编织复合材料弹性性能的理论分析方法。数值结果与试验结果吻合, 表明该方法行之有效, 且具有运算快、 精度高、 适合工程分析等优点。分析了编织角、 纤维体积含量和纤维束横截面形状对材料弹性常数的影响。研究表明, 编织角对弹性常数的影响具有互补性, 材料弹性模量与纤维体积含量成正比, 纤维束截面形状变化对材料弹性常数影响不大。
提出了二维二轴1×1和2×2编织复合材料的几何模型, 模型考虑了纤维束的相互挤压及横截面的变化。基于细观分析和体积平均法, 建立了预测二维二轴编织复合材料弹性性能的理论分析方法。数值结果与试验结果吻合, 表明该方法行之有效, 且具有运算快、 精度高、 适合工程分析等优点。分析了编织角、 纤维体积含量和纤维束横截面形状对材料弹性常数的影响。研究表明, 编织角对弹性常数的影响具有互补性, 材料弹性模量与纤维体积含量成正比, 纤维束截面形状变化对材料弹性常数影响不大。
2010, 27(5): 136-141.
摘要:
为了研究质量分数为15%FeS的Cu-FeS自润滑材料内部结构与导热性能的关联， 采用分子动力学的方法, 在考虑界面热阻的情况下构建原子模型, 对增强相和复合材料导热性能进行模拟研究。结果表明： FeS在600K、 900K时会发生有利于热传导的结构变化, 系统界面热阻随着FeS尺寸的增大而减小， 颗粒大于100nm时, 界面热阻趋于一定值。通过计算所得导热率与实验数值较接近, 误差的引起是由于计算没有考虑温度升高对界面结合的破坏、 界面的不完整性、 基体内部缺陷、 弥散相的大小等因素。验证了HasselmanJohnson方法对于预测该复合材料的合理性。
为了研究质量分数为15%FeS的Cu-FeS自润滑材料内部结构与导热性能的关联， 采用分子动力学的方法, 在考虑界面热阻的情况下构建原子模型, 对增强相和复合材料导热性能进行模拟研究。结果表明： FeS在600K、 900K时会发生有利于热传导的结构变化, 系统界面热阻随着FeS尺寸的增大而减小， 颗粒大于100nm时, 界面热阻趋于一定值。通过计算所得导热率与实验数值较接近, 误差的引起是由于计算没有考虑温度升高对界面结合的破坏、 界面的不完整性、 基体内部缺陷、 弥散相的大小等因素。验证了HasselmanJohnson方法对于预测该复合材料的合理性。
2010, 27(5): 142-149.
摘要:
研究了复合材料整体加筋板在轴压作用下的后屈曲传载机制： 采用商业有限元软件ABAQUS建立加筋板有限元模型, 对其轴压后屈曲过程进行了模拟; 并对局部屈曲和总体屈曲阶段的内力情况以及传载特性进行了细致的分析, 获得了节点线与反节点线的合力和力矩的分布规律。计算结果与试验数据吻合良好。最后指出了节点线与反节点线是后屈曲阶段缘条/蒙皮界面最先可能失效的位置, 并指出了诱发失效的主要原因分别为合力矩Mxy和My。
研究了复合材料整体加筋板在轴压作用下的后屈曲传载机制： 采用商业有限元软件ABAQUS建立加筋板有限元模型, 对其轴压后屈曲过程进行了模拟; 并对局部屈曲和总体屈曲阶段的内力情况以及传载特性进行了细致的分析, 获得了节点线与反节点线的合力和力矩的分布规律。计算结果与试验数据吻合良好。最后指出了节点线与反节点线是后屈曲阶段缘条/蒙皮界面最先可能失效的位置, 并指出了诱发失效的主要原因分别为合力矩Mxy和My。
2010, 27(5): 150-155.
摘要:
应用商业有限元软件ABAQUS中的内聚单元， 对后屈曲诱发的复合材料整体加筋板的缘条/蒙皮界面的失效进行了分析。基于有限元结果, 提出了缘条/蒙皮界面内力的提取方法并研究了其变化规律。为了研究缘条/蒙皮刚度比对界面失效的影响以及失效时界面内力之间的关系, 以缘条厚度为参数进行参数化建模， 给出了界面脱胶的失效准则和失效包线。最后对缘条/蒙皮厚度比和刚度比提出了设计建议。
应用商业有限元软件ABAQUS中的内聚单元， 对后屈曲诱发的复合材料整体加筋板的缘条/蒙皮界面的失效进行了分析。基于有限元结果, 提出了缘条/蒙皮界面内力的提取方法并研究了其变化规律。为了研究缘条/蒙皮刚度比对界面失效的影响以及失效时界面内力之间的关系, 以缘条厚度为参数进行参数化建模， 给出了界面脱胶的失效准则和失效包线。最后对缘条/蒙皮厚度比和刚度比提出了设计建议。
2010, 27(5): 156-164.
摘要:
对单向形状记忆聚合物复合材料(EMC)层合板在其基体玻璃化转变温度(Tg)之上的弯曲行为进行了研究。首先介绍了EMC层合板多约束弯曲变形实验, 并依据纤维微屈曲变形特征建立其形函数; 然后分析得出弯曲层合板的各分应变能及由其组成的总应变能; 在此基础上, 依据虚功原理, 通过总应变能推导出外力偶矩与曲率、 等效弯曲应变之间的非线性关系式。结果表明： 在EMC板的弯曲过程中, 中性层很快接近板的拉伸表面, 且中性层位置及板的弯曲行为对板的面内剪切模量非常敏感; 在板的初始弯曲阶段, 弯矩与曲率遵循传统单向板的线弹性弯曲理论; 而后随着曲率的增加, 弯矩与曲率关系遵循本研究所提出的非线性关系, 所得理论结果与EMC层合板的四点纯弯曲实验现象较为吻合。
对单向形状记忆聚合物复合材料(EMC)层合板在其基体玻璃化转变温度(Tg)之上的弯曲行为进行了研究。首先介绍了EMC层合板多约束弯曲变形实验, 并依据纤维微屈曲变形特征建立其形函数; 然后分析得出弯曲层合板的各分应变能及由其组成的总应变能; 在此基础上, 依据虚功原理, 通过总应变能推导出外力偶矩与曲率、 等效弯曲应变之间的非线性关系式。结果表明： 在EMC板的弯曲过程中, 中性层很快接近板的拉伸表面, 且中性层位置及板的弯曲行为对板的面内剪切模量非常敏感; 在板的初始弯曲阶段, 弯矩与曲率遵循传统单向板的线弹性弯曲理论; 而后随着曲率的增加, 弯矩与曲率关系遵循本研究所提出的非线性关系, 所得理论结果与EMC层合板的四点纯弯曲实验现象较为吻合。
