2010年 第27卷 第6期
2010, 27(6): 1-8.
摘要:
研究了“离位”增韧对RTM聚酰亚胺（PI-9731）树脂基复合材料力学性能的影响。结果表明： 当增韧剂的质量分数为15%时, 经粉末法和薄膜法“离位”增韧G827／PI-9731复合材料的室温层间剪切强度从增韧前的97.9MPa分别提高到108MPa和110MPa, 高温（288℃）层间剪切强度变化不大。G827／PI-9731复合材料经粉末法“离位”增韧后, Ⅰ型断裂能释放率从增韧前的310J/m2提高到410J/m2, Ⅱ型断裂能释放率从增韧前的590J/m2提高到939J/m2。而经过薄膜法“离位”增韧后, 其复合材料的Ⅰ型断裂能释放率提高到459J/m2, Ⅱ型断裂能释放率提高到1100J/m2。经电镜分析表明, 由于热塑性聚酰亚胺的引入, 在复合材料层间区域形成热固/热塑相反转结构, 在裂纹扩展的过程中, 包覆热塑性聚酰亚胺的PI-9731粒子发生明显取向和变形, 从而提高韧性。
研究了“离位”增韧对RTM聚酰亚胺（PI-9731）树脂基复合材料力学性能的影响。结果表明： 当增韧剂的质量分数为15%时, 经粉末法和薄膜法“离位”增韧G827／PI-9731复合材料的室温层间剪切强度从增韧前的97.9MPa分别提高到108MPa和110MPa, 高温（288℃）层间剪切强度变化不大。G827／PI-9731复合材料经粉末法“离位”增韧后, Ⅰ型断裂能释放率从增韧前的310J/m2提高到410J/m2, Ⅱ型断裂能释放率从增韧前的590J/m2提高到939J/m2。而经过薄膜法“离位”增韧后, 其复合材料的Ⅰ型断裂能释放率提高到459J/m2, Ⅱ型断裂能释放率提高到1100J/m2。经电镜分析表明, 由于热塑性聚酰亚胺的引入, 在复合材料层间区域形成热固/热塑相反转结构, 在裂纹扩展的过程中, 包覆热塑性聚酰亚胺的PI-9731粒子发生明显取向和变形, 从而提高韧性。
2010, 27(6): 9-15.
摘要:
通过溶液聚合得到胺化碳纳米管（Ami-CNT）/聚丙烯腈（PAN）复合溶液, 采用湿法纺丝技术制备了Amid-CNT/PAN复合纤维。利用红外光谱、 拉曼光谱、 差示扫描量热仪、 热失重仪和扫描电镜等方法分析Amid-CNT对PAN纤维结构的影响。结果表明： Amid-CNT与PAN大分子之间有很强的化学作用力; Amid-CNT在复合纤维中具有很高程度的取向, 使PAN纤维中氰基的取向从1.61提高到了2.30; 复合纤维在空气中的起始放热温度相对PAN纤维从212.30℃提前到206.01℃, 反应放热量从3054J/g降低到2346J/g; 复合纤维比PAN纤维的起始失重温度提前了3.7℃, 在700℃时的剩余质量提高了13.5%; 复合纤维的断面比PAN纤维具有更多的絮状结构。
通过溶液聚合得到胺化碳纳米管（Ami-CNT）/聚丙烯腈（PAN）复合溶液, 采用湿法纺丝技术制备了Amid-CNT/PAN复合纤维。利用红外光谱、 拉曼光谱、 差示扫描量热仪、 热失重仪和扫描电镜等方法分析Amid-CNT对PAN纤维结构的影响。结果表明： Amid-CNT与PAN大分子之间有很强的化学作用力; Amid-CNT在复合纤维中具有很高程度的取向, 使PAN纤维中氰基的取向从1.61提高到了2.30; 复合纤维在空气中的起始放热温度相对PAN纤维从212.30℃提前到206.01℃, 反应放热量从3054J/g降低到2346J/g; 复合纤维比PAN纤维的起始失重温度提前了3.7℃, 在700℃时的剩余质量提高了13.5%; 复合纤维的断面比PAN纤维具有更多的絮状结构。
2010, 27(6): 16-20.
摘要:
对比研究了环氧5228A树脂及碳纤维/环氧5228A树脂复合材料层合板在3种湿热环境（水煮、 70℃水浸, 70℃85%相对湿度）下的湿热性能, 考察了湿热条件对复合材料层间剪切性能的影响规律, 并从吸湿特性、 物理化学特性、 树脂力学性能、 湿应力等方面分析了不同湿热环境下复合材料性能衰减的机制。研究表明, 碳纤维/高温固化环氧树脂复合材料层间剪切性能主要是由吸湿率决定, 相同吸湿率不同湿热条件下性能的下降幅度基本相同; 3种湿热条件下该树脂及其复合材料未发生化学反应、 微裂纹等不可逆变化, 复合材料层合板湿热老化机制主要是吸入水分后基体增塑和树脂、 纤维湿应变不一致导致的湿应力对复合材料性能的负面作用。
对比研究了环氧5228A树脂及碳纤维/环氧5228A树脂复合材料层合板在3种湿热环境（水煮、 70℃水浸, 70℃85%相对湿度）下的湿热性能, 考察了湿热条件对复合材料层间剪切性能的影响规律, 并从吸湿特性、 物理化学特性、 树脂力学性能、 湿应力等方面分析了不同湿热环境下复合材料性能衰减的机制。研究表明, 碳纤维/高温固化环氧树脂复合材料层间剪切性能主要是由吸湿率决定, 相同吸湿率不同湿热条件下性能的下降幅度基本相同; 3种湿热条件下该树脂及其复合材料未发生化学反应、 微裂纹等不可逆变化, 复合材料层合板湿热老化机制主要是吸入水分后基体增塑和树脂、 纤维湿应变不一致导致的湿应力对复合材料性能的负面作用。
2010, 27(6): 21-25.
摘要:
采用静电纺丝法和热处理工艺制备了纳米碳纤维负载掺杂1.5%（摩尔分数）Sm的纳米TiO2复合材料（SmTiO2/CNFs）, 利用SEM、 EDX、 TEM、 FTIR和XRD对其组成和结构进行了表征, 并以甲基橙为降解对象, 考察了SmTiO2/CNFs复合材料在紫外光照射下对甲基橙的光催化降解效果。结果表明, 掺杂Sm3+的TiO2以锐钛矿晶型均匀分散在碳纳米纤维的表面和内部, 质量分数为20%左右; 相对于未掺杂的TiO2/CNFs样品, SmTiO2/CNFs的光催化活性提高约37% 。
采用静电纺丝法和热处理工艺制备了纳米碳纤维负载掺杂1.5%（摩尔分数）Sm的纳米TiO2复合材料（SmTiO2/CNFs）, 利用SEM、 EDX、 TEM、 FTIR和XRD对其组成和结构进行了表征, 并以甲基橙为降解对象, 考察了SmTiO2/CNFs复合材料在紫外光照射下对甲基橙的光催化降解效果。结果表明, 掺杂Sm3+的TiO2以锐钛矿晶型均匀分散在碳纳米纤维的表面和内部, 质量分数为20%左右; 相对于未掺杂的TiO2/CNFs样品, SmTiO2/CNFs的光催化活性提高约37% 。
2010, 27(6): 26-31.
摘要:
在丁腈橡胶（NBR）中添加受阻酚AO-60制备受阻酚/丁腈橡胶复合材料。利用DSC、 SEM、 动态力学分析仪(DMA)等测试手段对该复合材料的结构进行了表征, 并研究了其动态力学性能。结果表明： AO-60在不同的NBR基体中的分散情况不同。在丙烯腈质量分数为35%的NBR基体（N230S）中, AO-60形成了精细的分散结构, 且与NBR大分子之间形成了强烈的分子间作用力, 两相相容性好。与纯NBR基体相比, AO-60/NBR复合材料的玻璃化转变温度(Tg)随着AO---60含量的增加逐渐升高, 损耗因子（tanδ）逐渐增大, 阻尼性能提高。同时, AO-60/N230S复合材料表现出更好的阻尼性能。
在丁腈橡胶（NBR）中添加受阻酚AO-60制备受阻酚/丁腈橡胶复合材料。利用DSC、 SEM、 动态力学分析仪(DMA)等测试手段对该复合材料的结构进行了表征, 并研究了其动态力学性能。结果表明： AO-60在不同的NBR基体中的分散情况不同。在丙烯腈质量分数为35%的NBR基体（N230S）中, AO-60形成了精细的分散结构, 且与NBR大分子之间形成了强烈的分子间作用力, 两相相容性好。与纯NBR基体相比, AO-60/NBR复合材料的玻璃化转变温度(Tg)随着AO---60含量的增加逐渐升高, 损耗因子（tanδ）逐渐增大, 阻尼性能提高。同时, AO-60/N230S复合材料表现出更好的阻尼性能。
2010, 27(6): 32-37.
摘要:
研究了孔隙对碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板［(±45)/04/(0, 90)/02］S的静态层间剪切强度和层间剪切疲劳性能的影响。采用不同的热压罐压力制备了孔隙率为0.4%~6.6%的试样。采用显微照相法和图像分析技术对孔隙率和孔隙的微观形貌进行了分析。研究结果表明, 随着热压罐压力的降低, 大孔隙(S>7.85×10-3mm2)所占的比例逐渐增加, 平均孔隙率增加。在孔隙率为0.4%~6.6%时, 每增加1%, 复合材料层压板的层间剪切强度下降2.4%。随着孔隙率的增加, 层压板的疲劳寿命降低。与静态试验相比, 孔隙率对层压板疲劳性能的影响比对静态性能的影响大。大孔隙的存在促进了疲劳裂纹的产生和扩展。
研究了孔隙对碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板［(±45)/04/(0, 90)/02］S的静态层间剪切强度和层间剪切疲劳性能的影响。采用不同的热压罐压力制备了孔隙率为0.4%~6.6%的试样。采用显微照相法和图像分析技术对孔隙率和孔隙的微观形貌进行了分析。研究结果表明, 随着热压罐压力的降低, 大孔隙(S>7.85×10-3mm2)所占的比例逐渐增加, 平均孔隙率增加。在孔隙率为0.4%~6.6%时, 每增加1%, 复合材料层压板的层间剪切强度下降2.4%。随着孔隙率的增加, 层压板的疲劳寿命降低。与静态试验相比, 孔隙率对层压板疲劳性能的影响比对静态性能的影响大。大孔隙的存在促进了疲劳裂纹的产生和扩展。
2010, 27(6): 38-44.
摘要:
为了改善铝合金材料的耐腐蚀性能, 研究了以正硅酸乙酯（TEOS）为主要原料, 加入一定量的KH-550, 并引入部分羟基化的多壁碳纳米管（MWCNTs-OH）进行复合, 以冰乙酸为催化剂, 采用溶胶---凝胶法在铝合金基体表面形成复合涂层。腐蚀电化学测试和扫描电镜分析结果表明, MWCNTs-OH的引入能够明显提高涂层的防护性能, 并有效防止涂层开裂。考察了MWCNTs-OH含量和热处理温度对涂层性能的影响。结果表明： MWCNTs-OH质量分数为0.04%、 热处理温度为130℃时制备的涂层性能最佳, 相应的试样在3.5wt%NaCl溶液中的腐蚀电流密度约为3.056×10-8A/cm2, 而同等实验条件下铝合金基体腐蚀电流密度为7.216×10-5A/cm2, 涂层的存在使腐蚀速率降低了3个数量级, 涂层对铝合金基体具有显著的防护效果。
为了改善铝合金材料的耐腐蚀性能, 研究了以正硅酸乙酯（TEOS）为主要原料, 加入一定量的KH-550, 并引入部分羟基化的多壁碳纳米管（MWCNTs-OH）进行复合, 以冰乙酸为催化剂, 采用溶胶---凝胶法在铝合金基体表面形成复合涂层。腐蚀电化学测试和扫描电镜分析结果表明, MWCNTs-OH的引入能够明显提高涂层的防护性能, 并有效防止涂层开裂。考察了MWCNTs-OH含量和热处理温度对涂层性能的影响。结果表明： MWCNTs-OH质量分数为0.04%、 热处理温度为130℃时制备的涂层性能最佳, 相应的试样在3.5wt%NaCl溶液中的腐蚀电流密度约为3.056×10-8A/cm2, 而同等实验条件下铝合金基体腐蚀电流密度为7.216×10-5A/cm2, 涂层的存在使腐蚀速率降低了3个数量级, 涂层对铝合金基体具有显著的防护效果。
2010, 27(6): 45-52.
摘要:
以三氯氧磷和新戊二醇等为原料, 合成了一种新型磷氮型季铵盐(PAHAC), 通过红外光谱(FTIR)、 核磁共振氢谱(1H-NMR)和高分辨质谱(HRMS)表征化合物结构。利用PAHAC与钠基蒙脱土(Na-MMT)离子交换反应制备有机磷氮系蒙脱土阻燃剂(PAHACMMT)。FTIR和X射线衍射(XRD)研究表明： PAHAC通过离子交换对蒙脱土进行了有机化改性, 经20%质量分数的PAHAC改性后的MMT(20%PAHAC-MMT)层间距增至1.87nm, 20%PAHACMMT的热分解温度在310℃以上。透射电镜(TEM)分析结果表明, 20%PAHACMMT经LDPE熔融插层, 形成了插层剥离型纳米复合材料。锥形量热测试结果表明有机磷氮系蒙脱土/LDPE纳米复合材料具有良好的阻燃性能, 其中20%PAHACMMT(7%)/LDPE的热释放速率峰值(PHRR)比LDPE降低了21%, 热释放总量(THR)下降了9.5%。炭层的扫描电镜(SEM)分析结果表明, 20%PAHACMMT/LDPE燃烧后能形成致密的炭层, 起到良好的阻燃作用。
以三氯氧磷和新戊二醇等为原料, 合成了一种新型磷氮型季铵盐(PAHAC), 通过红外光谱(FTIR)、 核磁共振氢谱(1H-NMR)和高分辨质谱(HRMS)表征化合物结构。利用PAHAC与钠基蒙脱土(Na-MMT)离子交换反应制备有机磷氮系蒙脱土阻燃剂(PAHACMMT)。FTIR和X射线衍射(XRD)研究表明： PAHAC通过离子交换对蒙脱土进行了有机化改性, 经20%质量分数的PAHAC改性后的MMT(20%PAHAC-MMT)层间距增至1.87nm, 20%PAHACMMT的热分解温度在310℃以上。透射电镜(TEM)分析结果表明, 20%PAHACMMT经LDPE熔融插层, 形成了插层剥离型纳米复合材料。锥形量热测试结果表明有机磷氮系蒙脱土/LDPE纳米复合材料具有良好的阻燃性能, 其中20%PAHACMMT(7%)/LDPE的热释放速率峰值(PHRR)比LDPE降低了21%, 热释放总量(THR)下降了9.5%。炭层的扫描电镜(SEM)分析结果表明, 20%PAHACMMT/LDPE燃烧后能形成致密的炭层, 起到良好的阻燃作用。
2010, 27(6): 53-57.
摘要:
将乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、 丙烯酸酯弹性体(AR)和云母(Mica)熔融共混制备了一系列复合材料。动态力学分析发现, EVA与AR共混后, tanδ在5℃附近出现了新峰; 在EVA-AR(80/20)中加入聚合级空间受阻酚MPDI(4-甲基-苯酚与二环戊二烯和异丁烯的反应产物), tanδ峰值逐渐增大, 且峰位置逐渐向高温方向偏移。云母的加入使EVA-AR-MPDI共混物的tanδ峰位置明显向高温方向偏移, 而且峰宽拓宽明显。随着云母含量的增加, 高温区tanδ数值逐步变大, 损耗模量E″大幅度提高, 当云母含量为58.8wt%时E″峰值由未加云母时的79MPa增加至280MPa, 并且E″峰位置向高温偏移。氢键红外光谱和扫描电镜分析结果表明, 复合材料阻尼性能有所提高。
将乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、 丙烯酸酯弹性体(AR)和云母(Mica)熔融共混制备了一系列复合材料。动态力学分析发现, EVA与AR共混后, tanδ在5℃附近出现了新峰; 在EVA-AR(80/20)中加入聚合级空间受阻酚MPDI(4-甲基-苯酚与二环戊二烯和异丁烯的反应产物), tanδ峰值逐渐增大, 且峰位置逐渐向高温方向偏移。云母的加入使EVA-AR-MPDI共混物的tanδ峰位置明显向高温方向偏移, 而且峰宽拓宽明显。随着云母含量的增加, 高温区tanδ数值逐步变大, 损耗模量E″大幅度提高, 当云母含量为58.8wt%时E″峰值由未加云母时的79MPa增加至280MPa, 并且E″峰位置向高温偏移。氢键红外光谱和扫描电镜分析结果表明, 复合材料阻尼性能有所提高。
2010, 27(6): 58-63.
摘要:
研究了三维五向编织/环氧树脂复合材料和树脂基层合复合材料在室温、 80℃、 150℃和180℃的拉伸性能, 讨论了不同温度对三维五向编织复合材料和层合复合材料拉伸的影响规律。研究结果表明, 三维五向编织复合材料在80℃、 150℃时的拉伸强度与室温相近, 而在180℃时, 比室温时的拉伸强度下降了15.37%; 层合复合材料在80℃、 150℃和180℃时的拉伸强度则比室温分别下降了3.45%、 13.3%和34.42%。造成层合复合材料高温拉伸强度下降较大的原因是： 在高温时, 由于树脂被破坏, 使层合复合材料发生了分层。说明相同树脂基体的复合材料, 增强体结构对复合材料在高温时的拉伸性能有着重要的影响。
研究了三维五向编织/环氧树脂复合材料和树脂基层合复合材料在室温、 80℃、 150℃和180℃的拉伸性能, 讨论了不同温度对三维五向编织复合材料和层合复合材料拉伸的影响规律。研究结果表明, 三维五向编织复合材料在80℃、 150℃时的拉伸强度与室温相近, 而在180℃时, 比室温时的拉伸强度下降了15.37%; 层合复合材料在80℃、 150℃和180℃时的拉伸强度则比室温分别下降了3.45%、 13.3%和34.42%。造成层合复合材料高温拉伸强度下降较大的原因是： 在高温时, 由于树脂被破坏, 使层合复合材料发生了分层。说明相同树脂基体的复合材料, 增强体结构对复合材料在高温时的拉伸性能有着重要的影响。
2010, 27(6): 64-69.
摘要:
采用透射电子显微镜（TEM）、 拉曼光谱（RMS）、 扫描电子显微镜（SEM）等手段, 研究了C/C复合材料在刹车过程中摩擦表面层微观结构变化, 建立了微结构模型; 利用有限元分析方法仿真了具有微凸体的试样在摩擦过程中的温度分布。研究表明： 摩擦表面除了形成一层数微米厚的摩擦层外, 还在摩擦层上不均匀地覆盖一层摩擦膜； TEM及选区电子衍射图（SAED）结果显示摩擦膜大部分区域为中等织构, 随着到外表面距离的减小， 织构度逐渐升高, 且在摩擦膜的最表面发现高石墨化度的区域; RMS同样证实摩擦表面存在局部高石墨化度区域, 摩擦过程中粗糙表面微凸体的最高温度远大于摩擦平面, 是导致摩擦表面应力石墨化的主要因素之一。
采用透射电子显微镜（TEM）、 拉曼光谱（RMS）、 扫描电子显微镜（SEM）等手段, 研究了C/C复合材料在刹车过程中摩擦表面层微观结构变化, 建立了微结构模型; 利用有限元分析方法仿真了具有微凸体的试样在摩擦过程中的温度分布。研究表明： 摩擦表面除了形成一层数微米厚的摩擦层外, 还在摩擦层上不均匀地覆盖一层摩擦膜； TEM及选区电子衍射图（SAED）结果显示摩擦膜大部分区域为中等织构, 随着到外表面距离的减小， 织构度逐渐升高, 且在摩擦膜的最表面发现高石墨化度的区域; RMS同样证实摩擦表面存在局部高石墨化度区域, 摩擦过程中粗糙表面微凸体的最高温度远大于摩擦平面, 是导致摩擦表面应力石墨化的主要因素之一。
2010, 27(6): 70-75.
摘要:
对熔融插层法所制备的纳米蒙脱土/聚丙烯（OMMT1/PP）复合材料, 分别在100℃、 110℃、 120℃进行0～12d的热氧老化, 考察其热性能、 热稳定性、 拉伸强度的衰减及其动力学。TG、 DSC、 FTIR分析结果表明： 纳米OMMT1/PP复合材料比PP的热分解温度升高37℃, 结晶度由51%提高到71%, 而且有机化的纳米MMT片层与PP之间存在较强的作用, 因此热氧作用的C O吸收峰明显弱化, 表面轻微开裂。100～120℃老化后OMMT1/PP的强度保持率大大优于纯聚丙烯材料（8~22倍）, OMMT1/PP 110℃老化12d后拉伸强度仍然达54％。建立了以拉伸强度?问腛MMT1/PP热氧老化的一级反应动力学方程, 其热氧老化反应的活化能为52.3kJ/mol, 为PP的1.7倍。分析认为： OMMT1/PP较高的活化能值以及优良的抗热氧老化能力来自其剥离型纳米化MMT片层对PP的力学?ぷ饔谩?物理阻隔效应以及OMMT1与PP之间化学交互作用的综合结果。
对熔融插层法所制备的纳米蒙脱土/聚丙烯（OMMT1/PP）复合材料, 分别在100℃、 110℃、 120℃进行0～12d的热氧老化, 考察其热性能、 热稳定性、 拉伸强度的衰减及其动力学。TG、 DSC、 FTIR分析结果表明： 纳米OMMT1/PP复合材料比PP的热分解温度升高37℃, 结晶度由51%提高到71%, 而且有机化的纳米MMT片层与PP之间存在较强的作用, 因此热氧作用的C O吸收峰明显弱化, 表面轻微开裂。100～120℃老化后OMMT1/PP的强度保持率大大优于纯聚丙烯材料（8~22倍）, OMMT1/PP 110℃老化12d后拉伸强度仍然达54％。建立了以拉伸强度?问腛MMT1/PP热氧老化的一级反应动力学方程, 其热氧老化反应的活化能为52.3kJ/mol, 为PP的1.7倍。分析认为： OMMT1/PP较高的活化能值以及优良的抗热氧老化能力来自其剥离型纳米化MMT片层对PP的力学?ぷ饔谩?物理阻隔效应以及OMMT1与PP之间化学交互作用的综合结果。
2010, 27(6): 76-81.
摘要:
采用挤压铸造法制备了Al2O3短纤维增强M124F铝合金复合材料, 并研究了其拉伸强度、 基体凝固组织和界面。结果表明： 用挤压铸造法制备的复合材料组织致密, 纤维分布均匀, 抗拉强度与M124F相比明显提高; 基体组织的α-Al枝晶和Si相明显细化。分析表明, 纤维的加入具有双重增强作用： 高强度陶瓷纤维的介入增强了基体材料的力学性能; 在凝固过程中, Al2O3短纤维阻碍了α-Al枝晶的生长， 同时可作为Si相非自发形核的衬底, 细化了基体组织, 提高了复合材料的力学性能。纤维与基体间未发现界面生成物MgAl2O4。
采用挤压铸造法制备了Al2O3短纤维增强M124F铝合金复合材料, 并研究了其拉伸强度、 基体凝固组织和界面。结果表明： 用挤压铸造法制备的复合材料组织致密, 纤维分布均匀, 抗拉强度与M124F相比明显提高; 基体组织的α-Al枝晶和Si相明显细化。分析表明, 纤维的加入具有双重增强作用： 高强度陶瓷纤维的介入增强了基体材料的力学性能; 在凝固过程中, Al2O3短纤维阻碍了α-Al枝晶的生长， 同时可作为Si相非自发形核的衬底, 细化了基体组织, 提高了复合材料的力学性能。纤维与基体间未发现界面生成物MgAl2O4。
2010, 27(6): 82-87.
摘要:
采用声发射平均频率和相对能量以及幅值识别了3D C/SiC复合材料的拉伸损伤模式, 探讨了拉伸加卸载过程中材料的费利西蒂(Felicity)效应。通过分析具有不同拉伸性能试样的损伤过程, 研究了不同损伤模式的时间分布特征对材料拉伸性能的影响关系。分析结果表明, 3D C/SiC复合材料中基本不存在凯瑟(Kaiser)效应, Felicity比随着应力水平的升高而降低, 相对应力水平高于65%时出现突降。3D C/SiC复合材料高性能的决定性因素不是声发射波击总数, 而是高幅高能量信号发生的时间和次数。在加载前期(应变<0.15%)损伤较少是材料高强度的必要条件, 纤维簇断裂在加载中后期的分散分布有利于提高拉伸强度。
采用声发射平均频率和相对能量以及幅值识别了3D C/SiC复合材料的拉伸损伤模式, 探讨了拉伸加卸载过程中材料的费利西蒂(Felicity)效应。通过分析具有不同拉伸性能试样的损伤过程, 研究了不同损伤模式的时间分布特征对材料拉伸性能的影响关系。分析结果表明, 3D C/SiC复合材料中基本不存在凯瑟(Kaiser)效应, Felicity比随着应力水平的升高而降低, 相对应力水平高于65%时出现突降。3D C/SiC复合材料高性能的决定性因素不是声发射波击总数, 而是高幅高能量信号发生的时间和次数。在加载前期(应变<0.15%)损伤较少是材料高强度的必要条件, 纤维簇断裂在加载中后期的分散分布有利于提高拉伸强度。
2010, 27(6): 88-93.
摘要:
采用红外热波无损检测技术对低速冲击后的碳纤维层合板进行检测和分析, 研究了损伤面积与冲击能量之间的关系。对比发现, 实验结果与文献结果一致; 实验结果说明红外热波不仅可以检测冲击损伤的大小， 还可以确定损伤在材料内部绕冲击点沿纤维方向呈旋转方式进行扩展的损伤模式。采用超声C扫描对相同复合材料层合板进行了检测, 详细对比了2种检测方法的优缺点, 发现对于碳纤维层合板的低速冲击损伤, 红外热波检测技术是一种快速、 有效、 可靠的无损检测技术和评估手段。
采用红外热波无损检测技术对低速冲击后的碳纤维层合板进行检测和分析, 研究了损伤面积与冲击能量之间的关系。对比发现, 实验结果与文献结果一致; 实验结果说明红外热波不仅可以检测冲击损伤的大小， 还可以确定损伤在材料内部绕冲击点沿纤维方向呈旋转方式进行扩展的损伤模式。采用超声C扫描对相同复合材料层合板进行了检测, 详细对比了2种检测方法的优缺点, 发现对于碳纤维层合板的低速冲击损伤, 红外热波检测技术是一种快速、 有效、 可靠的无损检测技术和评估手段。
2010, 27(6): 94-99.
摘要:
采用玉米秸秆纤维作为脱硫建筑石膏的增强材料, 通过力学性能测试实验研究了不同掺量秸秆纤维对石膏基复合材料力学性能的影响, 讨论了秸秆纤维的增强机制。结果表明, 秸秆纤维的掺量为5%时, 试样的抗折强度和抗压强度较空白样分别提高了92.31%和7.14%; 采用碱处理法、 聚丙烯酰胺化学包覆法、 丙烯酸化学包覆法对秸秆纤维进行表面改性, 通过力学性能测试实验和扫描电镜微观形貌观察研究了纤维表面改性对石膏基复合材料力学性能的影响。结果表明, 纤维表面改性改善了复合材料的界面结合状况, 进一步提高了复合材料的力学性能, 丙烯酸化学包覆改性可使脱硫建筑石膏复合材料的抗折强度较未改性玉米秸秆纤维/脱硫石膏复合材料提高55.71%, 抗压强度提高22.99%。
采用玉米秸秆纤维作为脱硫建筑石膏的增强材料, 通过力学性能测试实验研究了不同掺量秸秆纤维对石膏基复合材料力学性能的影响, 讨论了秸秆纤维的增强机制。结果表明, 秸秆纤维的掺量为5%时, 试样的抗折强度和抗压强度较空白样分别提高了92.31%和7.14%; 采用碱处理法、 聚丙烯酰胺化学包覆法、 丙烯酸化学包覆法对秸秆纤维进行表面改性, 通过力学性能测试实验和扫描电镜微观形貌观察研究了纤维表面改性对石膏基复合材料力学性能的影响。结果表明, 纤维表面改性改善了复合材料的界面结合状况, 进一步提高了复合材料的力学性能, 丙烯酸化学包覆改性可使脱硫建筑石膏复合材料的抗折强度较未改性玉米秸秆纤维/脱硫石膏复合材料提高55.71%, 抗压强度提高22.99%。
2010, 27(6): 100-105.
摘要:
为调控骨组织工程支架的力学性能和降解性能, 采用相分离方法, 以冰醋酸水为共溶剂配制聚合物溶液, 以NaOH溶液为凝固剂, 以CS为添加剂制备壳聚糖(CS)/聚己内酯(PCL)聚乳酸(PLA)三维多孔支架,研究了聚合物质量比对支架结构、 形貌、 孔隙率、 力学性能和降解性能的影响。实验结果表明, CS和基体存在相互作用, CS有利于形成三维相互贯通的微孔结构, 但CS的存在会使基体中各组分的熔点降低。随着PCL和PLA用量比例的改变, 孔径范围和微孔形貌发生了一系列的变化。当PCL∶PLA为2∶4和3∶3时, 所制备的支架孔隙率均大于90%, 当进一步增大PCL质量比时, 孔隙率迅速下降。抗压测试表明, 所制备的支架弹性模量惟0.8~8.0MPa。降解性能分析表明, 4周以后, 当PCL∶PLA为3∶3时, 质量损失率最大, 达到5.94%。该分析表明采用相分离法, 通过调节PCL和PLA的质量比可制备形貌、 孔隙率、 降解速率和力学性能满足要求的三维多孔支架材料, 有望应用在软骨组织工程上。
为调控骨组织工程支架的力学性能和降解性能, 采用相分离方法, 以冰醋酸水为共溶剂配制聚合物溶液, 以NaOH溶液为凝固剂, 以CS为添加剂制备壳聚糖(CS)/聚己内酯(PCL)聚乳酸(PLA)三维多孔支架,研究了聚合物质量比对支架结构、 形貌、 孔隙率、 力学性能和降解性能的影响。实验结果表明, CS和基体存在相互作用, CS有利于形成三维相互贯通的微孔结构, 但CS的存在会使基体中各组分的熔点降低。随着PCL和PLA用量比例的改变, 孔径范围和微孔形貌发生了一系列的变化。当PCL∶PLA为2∶4和3∶3时, 所制备的支架孔隙率均大于90%, 当进一步增大PCL质量比时, 孔隙率迅速下降。抗压测试表明, 所制备的支架弹性模量惟0.8~8.0MPa。降解性能分析表明, 4周以后, 当PCL∶PLA为3∶3时, 质量损失率最大, 达到5.94%。该分析表明采用相分离法, 通过调节PCL和PLA的质量比可制备形貌、 孔隙率、 降解速率和力学性能满足要求的三维多孔支架材料, 有望应用在软骨组织工程上。
2010, 27(6): 106-112.
摘要:
采用红外热成像设备检测三维针刺密度梯度纤维预制体化学气相渗透法（CVI）沉积碳化硅（SiC）前后内部的密度变化, 追踪材料内部缺陷的遗传性, 并用X射线和工业电子计算机X射线断层扫描技术（CT）验证上述实验的可靠性。结果表明： 原预制体内部的孔洞缺陷因渗入SiC基体而被填充, 缺陷消失; 原预制体内部无缺陷处, 经过CVI致密化工艺后产生新的孔洞缺陷, 说明利用红外热成像技术可以追踪材料内部孔洞缺陷的遗传性; 三维针刺密度梯度纤维预制体CVI沉积SiC前后, 密度梯度发生逆转变化。
采用红外热成像设备检测三维针刺密度梯度纤维预制体化学气相渗透法（CVI）沉积碳化硅（SiC）前后内部的密度变化, 追踪材料内部缺陷的遗传性, 并用X射线和工业电子计算机X射线断层扫描技术（CT）验证上述实验的可靠性。结果表明： 原预制体内部的孔洞缺陷因渗入SiC基体而被填充, 缺陷消失; 原预制体内部无缺陷处, 经过CVI致密化工艺后产生新的孔洞缺陷, 说明利用红外热成像技术可以追踪材料内部孔洞缺陷的遗传性; 三维针刺密度梯度纤维预制体CVI沉积SiC前后, 密度梯度发生逆转变化。
2010, 27(6): 113-119.
摘要:
以硝酸钙、 磷酸氢二铵、 酸溶胶原和阿拉伯树胶为原料, 采用原位合成法制备了胶原羟基磷灰石/阿拉伯树胶(ColHA/Gum A)复合材料。利用X射线衍射仪(XRD)、 扫描电镜(SEM)、 傅里叶变换红外光谱仪(FTIR) 研究与表征了复合材料的结构特征, 并研究了其力学性能、 吸水性、 酶降解性及急性细胞毒性。结果表明, 所得到的复合材料中无机相主要是低结晶度的羟基磷灰石, 这种羟基磷灰石均匀地分散于胶原---阿拉伯树胶所构成的复合体中, 形成了新的界面。力学性能、 吸水性能、 酶降解性及急性细胞毒性的研究结果表明, 该复合材料是一种颇有前途的骨组织替代材料。
以硝酸钙、 磷酸氢二铵、 酸溶胶原和阿拉伯树胶为原料, 采用原位合成法制备了胶原羟基磷灰石/阿拉伯树胶(ColHA/Gum A)复合材料。利用X射线衍射仪(XRD)、 扫描电镜(SEM)、 傅里叶变换红外光谱仪(FTIR) 研究与表征了复合材料的结构特征, 并研究了其力学性能、 吸水性、 酶降解性及急性细胞毒性。结果表明, 所得到的复合材料中无机相主要是低结晶度的羟基磷灰石, 这种羟基磷灰石均匀地分散于胶原---阿拉伯树胶所构成的复合体中, 形成了新的界面。力学性能、 吸水性能、 酶降解性及急性细胞毒性的研究结果表明, 该复合材料是一种颇有前途的骨组织替代材料。
2010, 27(6): 120-125.
摘要:
采用三点弯曲冲击试验装置, 结合超声波测试技术, 研究了玄武岩纤维质量分数为0%～0.60%时, 玄武岩纤维增韧混凝土（Basalt Fiber Reinforced Concrete, BFRC）的冲击性能及其损伤演化规律, 研究了混凝土冲击破坏过程中基于超声波波速的损伤演化过程, 并应用体视显微镜观测了冲击过程中试件表面裂纹的发展, 分析了玄武岩纤维提高混凝土冲击韧性的机制。结果表明： 玄武岩纤维对混凝土的抗压强度无明显改善, 但可以显著提高混凝土的冲击韧性, 当纤维质量比为0.36%时冲击韧性提高了2.2倍。各玄武岩纤维掺量下混凝土的冲击破坏均表现出脆性特征, 但玄武岩纤维的加入有效提高了混凝土对冲击能量的吸收, 其临近破坏时损伤变量较素混凝土提高了40%～83%; 玄武岩纤维混凝土冲击破坏过程表现出多缝开裂的特征, 在最终破坏时主裂缝附近有明显的副裂缝出现。
采用三点弯曲冲击试验装置, 结合超声波测试技术, 研究了玄武岩纤维质量分数为0%～0.60%时, 玄武岩纤维增韧混凝土（Basalt Fiber Reinforced Concrete, BFRC）的冲击性能及其损伤演化规律, 研究了混凝土冲击破坏过程中基于超声波波速的损伤演化过程, 并应用体视显微镜观测了冲击过程中试件表面裂纹的发展, 分析了玄武岩纤维提高混凝土冲击韧性的机制。结果表明： 玄武岩纤维对混凝土的抗压强度无明显改善, 但可以显著提高混凝土的冲击韧性, 当纤维质量比为0.36%时冲击韧性提高了2.2倍。各玄武岩纤维掺量下混凝土的冲击破坏均表现出脆性特征, 但玄武岩纤维的加入有效提高了混凝土对冲击能量的吸收, 其临近破坏时损伤变量较素混凝土提高了40%～83%; 玄武岩纤维混凝土冲击破坏过程表现出多缝开裂的特征, 在最终破坏时主裂缝附近有明显的副裂缝出现。
2010, 27(6): 126-129.
摘要:
为了研究Zn2+含量对CoZn铁氧体结构和磁性的影响, 以正硅酸乙酯和硝酸盐为原料, 用溶胶凝胶法制备了纳米Co1-xZnxFe2O4/SiO2(0≤x≤1)复合材料。利用XRD、TEM、VSM和Mossbauer效应分析了样品的结构、 形貌和磁性。结果表明, 经900℃热处理后, Co1-xZnxFe2O4/SiO2复合材料中Co1-xZnxFe2O4为晶粒分布均匀的尖晶石铁氧体结构。Zn2+替代Co2+后引起Co1-xZnxFe2O4晶格膨胀。随Zn2+含量的增加, 样品的矫顽力减小， 而比饱和磁化强度先增大后减小， 样品从磁有序状态转变为顺磁状态。Zn2+的掺杂对Fe3+核处的s电子密度有较大的影响, 对尖晶石结构对称性影响较小。
为了研究Zn2+含量对CoZn铁氧体结构和磁性的影响, 以正硅酸乙酯和硝酸盐为原料, 用溶胶凝胶法制备了纳米Co1-xZnxFe2O4/SiO2(0≤x≤1)复合材料。利用XRD、TEM、VSM和Mossbauer效应分析了样品的结构、 形貌和磁性。结果表明, 经900℃热处理后, Co1-xZnxFe2O4/SiO2复合材料中Co1-xZnxFe2O4为晶粒分布均匀的尖晶石铁氧体结构。Zn2+替代Co2+后引起Co1-xZnxFe2O4晶格膨胀。随Zn2+含量的增加, 样品的矫顽力减小， 而比饱和磁化强度先增大后减小， 样品从磁有序状态转变为顺磁状态。Zn2+的掺杂对Fe3+核处的s电子密度有较大的影响, 对尖晶石结构对称性影响较小。
2010, 27(6): 130-134.
摘要:
利用磁控溅射法对空心玻璃微球表面镀Al。研究了由镀Al空心玻璃微球FeCo合金/环氧树脂制成的复合材料在2~18GHz频段范围内的电磁特性, 利用模型计算了所制备样品的微波反射率。结果表明, 在镀Al空心玻璃微球和FeCo合金粉末总体积分数一定的条件下, 随着镀Al空心玻璃微球与FeCo 合金体积比的增加, 复合材料介电常数实部ε′减小， 虚部ε″ 变化不明显; 磁导率的实部μ′ 和虚部μ″ 均减小； 反射率峰值向高频方向移动。 当 镀Al空心玻璃微球与FeCo合金体积比2∶1时, 涂层厚度为2mm, 吸收峰值达到-29.69dB, 其面密度仅为3.71kg/m2, 吸收率小于-10dB的带宽达到2.4GHz。由此可见, 通过改变镀Al空心玻璃微球与FeCo合金的体积比, 可以调节电磁参数, 提高材料的吸波性能。
利用磁控溅射法对空心玻璃微球表面镀Al。研究了由镀Al空心玻璃微球FeCo合金/环氧树脂制成的复合材料在2~18GHz频段范围内的电磁特性, 利用模型计算了所制备样品的微波反射率。结果表明, 在镀Al空心玻璃微球和FeCo合金粉末总体积分数一定的条件下, 随着镀Al空心玻璃微球与FeCo 合金体积比的增加, 复合材料介电常数实部ε′减小， 虚部ε″ 变化不明显; 磁导率的实部μ′ 和虚部μ″ 均减小； 反射率峰值向高频方向移动。 当 镀Al空心玻璃微球与FeCo合金体积比2∶1时, 涂层厚度为2mm, 吸收峰值达到-29.69dB, 其面密度仅为3.71kg/m2, 吸收率小于-10dB的带宽达到2.4GHz。由此可见, 通过改变镀Al空心玻璃微球与FeCo合金的体积比, 可以调节电磁参数, 提高材料的吸波性能。
2010, 27(6): 135-140.
摘要:
利用常应力拉伸蠕变试验法对体积分数为25%的硅酸铝短纤维Al2O3SiO2(sf)/增强AZ91D镁基复合材料及其基体合金AZ91D在温度为473K和573K、 外加应力为30~100MPa下进行蠕变测试。根据应变和应变速率曲线, 计算出复合材料的真应力指数、 真蠕变激活能、 真门槛应力、 载荷转移因子和蠕变本构方程。TEM分析结果表明, 复合材料蠕变后的门槛应力来源于短纤维表面上的MgO颗粒和Mg17Al12析出相对可动位错的钉扎作用, 短纤维具有承载和传递载荷作用, 从而提高了复合材料的抗蠕变性能。
利用常应力拉伸蠕变试验法对体积分数为25%的硅酸铝短纤维Al2O3SiO2(sf)/增强AZ91D镁基复合材料及其基体合金AZ91D在温度为473K和573K、 外加应力为30~100MPa下进行蠕变测试。根据应变和应变速率曲线, 计算出复合材料的真应力指数、 真蠕变激活能、 真门槛应力、 载荷转移因子和蠕变本构方程。TEM分析结果表明, 复合材料蠕变后的门槛应力来源于短纤维表面上的MgO颗粒和Mg17Al12析出相对可动位错的钉扎作用, 短纤维具有承载和传递载荷作用, 从而提高了复合材料的抗蠕变性能。
2010, 27(6): 141-145.
摘要:
采用改进的氧化沉淀法在羧甲基纤维素（CMC）溶液中制备了以磁性纳米Fe3O4为核心, 外包CMC的复合磁性纳米粒子。用透射电镜、 X射线衍射、 红外光谱、 Zeta电位和震动样品磁强计对复合粒子进行了表面形貌、 结构和磁学的表征。实验结果表明, CMCFe3O4复合纳米粒子为反尖晶石型, 平均粒径约为40nm; CMC在Fe3O4粒子表面是化学吸附; 在相同pH值下, CMCFe3O4的表面Zeta电位低于纯相Fe3O4; CMCFe3O4的饱和磁化强度为36.74emu·g-1; CMCFe3O4复合粒子在土壤介质中的过滤系数约为0.03cm-1; 在10cm土柱渗透实验中, 72%的CMCFe3O4复合粒子悬浊液穿过了土壤介质。
采用改进的氧化沉淀法在羧甲基纤维素（CMC）溶液中制备了以磁性纳米Fe3O4为核心, 外包CMC的复合磁性纳米粒子。用透射电镜、 X射线衍射、 红外光谱、 Zeta电位和震动样品磁强计对复合粒子进行了表面形貌、 结构和磁学的表征。实验结果表明, CMCFe3O4复合纳米粒子为反尖晶石型, 平均粒径约为40nm; CMC在Fe3O4粒子表面是化学吸附; 在相同pH值下, CMCFe3O4的表面Zeta电位低于纯相Fe3O4; CMCFe3O4的饱和磁化强度为36.74emu·g-1; CMCFe3O4复合粒子在土壤介质中的过滤系数约为0.03cm-1; 在10cm土柱渗透实验中, 72%的CMCFe3O4复合粒子悬浊液穿过了土壤介质。
2010, 27(6): 146-151.
摘要:
借助HAAKE转矩流变仪, 采用熔融共混法制备了一系列Cu粉含量不同的Cu/丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）复合材料, 采用多层叠压法制备了内部Cu粉含量逐渐变化的板状Cu/ABS复合导电梯度功能材料, 并对其结构和性能进行了表征。结果表明, 所制备导电梯度功能材料的性能与均质复合材料存在很大差异。电性能测试结果显示, 随着Cu粉含量沿板材厚度方向的梯度增加, 其导电性能发生逾渗?? 体积电阻率从一侧的1016Ω·cm降低到另一侧的105Ω·cm。弯曲性能测试表明, 富含ABS树脂的一侧表现出较高的弯曲强度, 仅比纯ABS的弯曲强度低6％; 而富含填料的另一侧则表现出较高的模量, 比纯ABS高约20％。实验证明, 将导电复合材料做成梯度结构可以兼顾材料的导电性能和力学性能。
借助HAAKE转矩流变仪, 采用熔融共混法制备了一系列Cu粉含量不同的Cu/丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）复合材料, 采用多层叠压法制备了内部Cu粉含量逐渐变化的板状Cu/ABS复合导电梯度功能材料, 并对其结构和性能进行了表征。结果表明, 所制备导电梯度功能材料的性能与均质复合材料存在很大差异。电性能测试结果显示, 随着Cu粉含量沿板材厚度方向的梯度增加, 其导电性能发生逾渗?? 体积电阻率从一侧的1016Ω·cm降低到另一侧的105Ω·cm。弯曲性能测试表明, 富含ABS树脂的一侧表现出较高的弯曲强度, 仅比纯ABS的弯曲强度低6％; 而富含填料的另一侧则表现出较高的模量, 比纯ABS高约20％。实验证明, 将导电复合材料做成梯度结构可以兼顾材料的导电性能和力学性能。
2010, 27(6): 152-157.
摘要:
提出了基于z-pin桥联力试验的z-pin增强复合材料T型接头层间性能的模拟方法。每根z-pin的作用有两部分： 增加了分层的张开阻力与剪切阻力。在有限元模拟中通过在相应的节点上加两个方向（竖直方向和水平方向）的非线性弹簧模拟张开阻力和剪切阻力。通过张开型z-pin桥联力试验和剪切型z-pin桥联力试验得到两条力位移曲线, 再把曲线各自赋予到所有竖直非线性弹簧和水平非线性弹簧, 从而模拟z-pin对复合材料T型接头层间性能的增强效果。在T型接头拉拔试验模拟分析中, 研究了不同跨距和不同z-pin间距对拉拔力的影响。模拟分析表明跨距对拉脱位移影响较大, z-pin间距对最大拉拔力影响较大。
提出了基于z-pin桥联力试验的z-pin增强复合材料T型接头层间性能的模拟方法。每根z-pin的作用有两部分： 增加了分层的张开阻力与剪切阻力。在有限元模拟中通过在相应的节点上加两个方向（竖直方向和水平方向）的非线性弹簧模拟张开阻力和剪切阻力。通过张开型z-pin桥联力试验和剪切型z-pin桥联力试验得到两条力位移曲线, 再把曲线各自赋予到所有竖直非线性弹簧和水平非线性弹簧, 从而模拟z-pin对复合材料T型接头层间性能的增强效果。在T型接头拉拔试验模拟分析中, 研究了不同跨距和不同z-pin间距对拉拔力的影响。模拟分析表明跨距对拉脱位移影响较大, z-pin间距对最大拉拔力影响较大。
2010, 27(6): 158-166.
摘要:
建立了复合材料层合加筋壁板的屈曲后屈曲有限元分析模型。该模型采用界面单元以有效模拟筋条和壁板之间的连接界面, 连接界面和复合材料层板分别采用Quads和Hashin失效准则作为失效判据, 引入材料刚度退化模型, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料加筋壁板在压缩载荷下的前后屈曲平衡路径及破坏过程。数值分析结果与实验结果吻合良好, 证明了该方法的合理有效性。详细探讨了筋条尺寸及界面单元强度等参数对加筋壁板屈曲后屈曲行为及承载能力的影响规律, 研究表明增加筋条截面惯性矩及筋条密度在一定程度上能有效提高加筋板的屈曲载荷与极限强度, 筋条密度增加到一定程度会引起结构破坏形式由失稳破坏?湮顾跗苹? 界面强度与铺层方式对极限强度有重要影响, 界面脱粘是引起加筋板最终破坏的重要因素。
建立了复合材料层合加筋壁板的屈曲后屈曲有限元分析模型。该模型采用界面单元以有效模拟筋条和壁板之间的连接界面, 连接界面和复合材料层板分别采用Quads和Hashin失效准则作为失效判据, 引入材料刚度退化模型, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料加筋壁板在压缩载荷下的前后屈曲平衡路径及破坏过程。数值分析结果与实验结果吻合良好, 证明了该方法的合理有效性。详细探讨了筋条尺寸及界面单元强度等参数对加筋壁板屈曲后屈曲行为及承载能力的影响规律, 研究表明增加筋条截面惯性矩及筋条密度在一定程度上能有效提高加筋板的屈曲载荷与极限强度, 筋条密度增加到一定程度会引起结构破坏形式由失稳破坏?湮顾跗苹? 界面强度与铺层方式对极限强度有重要影响, 界面脱粘是引起加筋板最终破坏的重要因素。
2010, 27(6): 167-171.
摘要:
通过在模具与复合材料之间引入剪切层的方法, 建立预报相互作用下构件变形的有限元模拟程序, 模拟结果与文献中的实验结果基本吻合。同时建立了剪切层性能参数预报模型, 经实验与模拟结果的对比证明, 该模型能够对不同工艺条件下及不同结构尺寸的复合材料构件的固化变形进行较为准确地模拟。
通过在模具与复合材料之间引入剪切层的方法, 建立预报相互作用下构件变形的有限元模拟程序, 模拟结果与文献中的实验结果基本吻合。同时建立了剪切层性能参数预报模型, 经实验与模拟结果的对比证明, 该模型能够对不同工艺条件下及不同结构尺寸的复合材料构件的固化变形进行较为准确地模拟。
2010, 27(6): 172-178.
摘要:
基于三维四向和五向编织复合材料的细观结构和单胞模型, 对三维四步法矩形截面编织复合材料悬臂梁的振动阻尼性能进行了理论分析, 研究了编织角、 纤维体积分数等工艺参数对材料振动阻尼特性的影响, 并与实验结果进行了对比。对三细胞模型进行了改进, 采用混合律得到了材料的总体刚度, 进而得到一阶固有频率。此外, 还分别计算了一个周期内不同走向纱线和基体振动消耗的能量, 以及总振动能量, 得到了材料的损耗因子。结果表明, 对于三维四向和五向编织复合材料, 一阶固有频率随编织角的增加而减小， 随纤维体积分数的增加而增大; 而损耗因子随编织角的增加而增大, 随纤维体积分数的增加而减小， 并表现出明显的非线性变化规律。
基于三维四向和五向编织复合材料的细观结构和单胞模型, 对三维四步法矩形截面编织复合材料悬臂梁的振动阻尼性能进行了理论分析, 研究了编织角、 纤维体积分数等工艺参数对材料振动阻尼特性的影响, 并与实验结果进行了对比。对三细胞模型进行了改进, 采用混合律得到了材料的总体刚度, 进而得到一阶固有频率。此外, 还分别计算了一个周期内不同走向纱线和基体振动消耗的能量, 以及总振动能量, 得到了材料的损耗因子。结果表明, 对于三维四向和五向编织复合材料, 一阶固有频率随编织角的增加而减小， 随纤维体积分数的增加而增大; 而损耗因子随编织角的增加而增大, 随纤维体积分数的增加而减小， 并表现出明显的非线性变化规律。
2010, 27(6): 179-183.
摘要:
以无机陶瓷纤维为增强体, 与SiO2溶胶混合, 经超临界干燥制备了SiO2气凝胶隔热复合材料, 研究了SiO2溶胶配比对气凝胶及其复合材料微观结构和力学性能的影响。结果表明, 随着SiO2溶胶中乙醇含量的增大, SiO2气凝胶的密度逐渐降低, 平均孔径增大, 气凝胶中含有的大孔、 连孔数量增加, 网络骨架结构强度降低。纤维与SiO2气凝胶复合后, 气凝胶充满了纤维间的孔隙, 形成较好的界面结合。当乙醇/正硅酸乙酯（EtOH/TEOS）摩尔比由2∶1增加到20∶1时, SiO2气凝胶基体传递载荷能力逐渐减弱, 材料的力学性能逐渐降低, 其拉伸强度、 弯曲强度和压缩强度分别由1.9MPa、 2.7MPa、 1.73MPa（10%应变）降低到0.17MPa、 0.12MPa、 0.04MPa（10%应变）。
以无机陶瓷纤维为增强体, 与SiO2溶胶混合, 经超临界干燥制备了SiO2气凝胶隔热复合材料, 研究了SiO2溶胶配比对气凝胶及其复合材料微观结构和力学性能的影响。结果表明, 随着SiO2溶胶中乙醇含量的增大, SiO2气凝胶的密度逐渐降低, 平均孔径增大, 气凝胶中含有的大孔、 连孔数量增加, 网络骨架结构强度降低。纤维与SiO2气凝胶复合后, 气凝胶充满了纤维间的孔隙, 形成较好的界面结合。当乙醇/正硅酸乙酯（EtOH/TEOS）摩尔比由2∶1增加到20∶1时, SiO2气凝胶基体传递载荷能力逐渐减弱, 材料的力学性能逐渐降低, 其拉伸强度、 弯曲强度和压缩强度分别由1.9MPa、 2.7MPa、 1.73MPa（10%应变）降低到0.17MPa、 0.12MPa、 0.04MPa（10%应变）。
2010, 27(6): 184-192.
摘要:
基于反平面剪切模型, 求解得到受出面载荷含分层双金属梁的位移解答, 利用片条合成能量解法构造含分层双金属板附加位移模态, 得到闭合解。利用有限元软件ANSYS建立含对称、非对称矩形分层双金属板有限元模型, 采用接触元模拟非对称分层区, 得到有限元解。结果表明, 与弯曲型闭合解相比, 反平面剪切型闭合解与有限元解更接近。
基于反平面剪切模型, 求解得到受出面载荷含分层双金属梁的位移解答, 利用片条合成能量解法构造含分层双金属板附加位移模态, 得到闭合解。利用有限元软件ANSYS建立含对称、非对称矩形分层双金属板有限元模型, 采用接触元模拟非对称分层区, 得到有限元解。结果表明, 与弯曲型闭合解相比, 反平面剪切型闭合解与有限元解更接近。
2010, 27(6): 193-199.
摘要:
设计了轴压性能试验, 对VARTM工艺制备的复合材料整体连接裙轴压承载能力进行了试验研究。主要考察了复合材料连接裙在轴向压缩载荷作用下的轴向应变和环向应变, 分析了复合材料连接裙的载荷与应变的关系, 表征了裙体的表观结构刚度。结果表明, 复合材料连接裙质量均匀, 在625.7kN的轴压载荷所用下, 连接裙的轴向应变远小于0.5％的设计指标, 连接裙的轴向表观结构刚度为40.9GPa。
设计了轴压性能试验, 对VARTM工艺制备的复合材料整体连接裙轴压承载能力进行了试验研究。主要考察了复合材料连接裙在轴向压缩载荷作用下的轴向应变和环向应变, 分析了复合材料连接裙的载荷与应变的关系, 表征了裙体的表观结构刚度。结果表明, 复合材料连接裙质量均匀, 在625.7kN的轴压载荷所用下, 连接裙的轴向应变远小于0.5％的设计指标, 连接裙的轴向表观结构刚度为40.9GPa。
2010, 27(6): 200-207.
摘要:
建立了用于预测复合材料层合板在低速冲击作用下损伤的3D有限元模型。采用应变描述的失效判据来判断铺层层内的各类损伤, 如纤维断裂、 纤维挤压、 基体开裂、 基体挤裂, 并结合相应的刚度折减方案对失效单元进行刚度折减。使用界面元模拟层间区域, 结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来定义分层损伤的起始和演化规律, 提出了一种界面元损伤起始强度沿厚度方向的分布函数。通过对数值仿真结果和实验结果的比较, 验证了模型的合理性和准确性。
建立了用于预测复合材料层合板在低速冲击作用下损伤的3D有限元模型。采用应变描述的失效判据来判断铺层层内的各类损伤, 如纤维断裂、 纤维挤压、 基体开裂、 基体挤裂, 并结合相应的刚度折减方案对失效单元进行刚度折减。使用界面元模拟层间区域, 结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来定义分层损伤的起始和演化规律, 提出了一种界面元损伤起始强度沿厚度方向的分布函数。通过对数值仿真结果和实验结果的比较, 验证了模型的合理性和准确性。
2010, 27(6): 208-212.
摘要:
采用试验与理论相结合的方法, 研究了玻璃纤维/环氧树脂复合材料的吸湿老化剩余强度, 测试了基体的吸湿性能, 对老化前后基体、 纤维及其复合材料的拉伸性能进行了试验研究。根据纤维和基体性能测试数据, 应用桥联模型计算了复合材料的吸湿老化剩余强度, 计算结果与试验结果一致。结果显示： 在小吸湿率条件下, 利用桥联模型能够准确预测复合材料的破坏演化规律及其最大剩余强度。当主承力层破坏由纤维控制时, 由湿老化引起的纤维强度的下降直接导致复合材料最大拉伸强度的下降; 当破坏由基体控制时, 影响复合材料吸湿剩余强度的主要因素是基体硬化及强度的下降。较小吸湿率对纤维与基体的界面粘结强度影响有限, 界面破坏不是层合板破坏的主要因素。
采用试验与理论相结合的方法, 研究了玻璃纤维/环氧树脂复合材料的吸湿老化剩余强度, 测试了基体的吸湿性能, 对老化前后基体、 纤维及其复合材料的拉伸性能进行了试验研究。根据纤维和基体性能测试数据, 应用桥联模型计算了复合材料的吸湿老化剩余强度, 计算结果与试验结果一致。结果显示： 在小吸湿率条件下, 利用桥联模型能够准确预测复合材料的破坏演化规律及其最大剩余强度。当主承力层破坏由纤维控制时, 由湿老化引起的纤维强度的下降直接导致复合材料最大拉伸强度的下降; 当破坏由基体控制时, 影响复合材料吸湿剩余强度的主要因素是基体硬化及强度的下降。较小吸湿率对纤维与基体的界面粘结强度影响有限, 界面破坏不是层合板破坏的主要因素。
2010, 27(6): 213-217.
摘要:
采用微波辅助乙二醇还原法制备了不同长径比的银纳米方块及银纳米线, 并对其进行了SEM、 XRD表征。以不同长径比银纳米线作为导电填料制备了各向同性导电胶。对导电胶的填充渗流阈值的研究发现, 填料的长径比对填充渗流阈值的影响很大, 长径比越大, 渗流阈值越小。运用修正的阈值理论对这一实验现象进行了合理解释, 模拟结果表明修正的阈值理论与实验结果非常吻合。
采用微波辅助乙二醇还原法制备了不同长径比的银纳米方块及银纳米线, 并对其进行了SEM、 XRD表征。以不同长径比银纳米线作为导电填料制备了各向同性导电胶。对导电胶的填充渗流阈值的研究发现, 填料的长径比对填充渗流阈值的影响很大, 长径比越大, 渗流阈值越小。运用修正的阈值理论对这一实验现象进行了合理解释, 模拟结果表明修正的阈值理论与实验结果非常吻合。
2010, 27(6): 218-224.
摘要:
针对复合材料补片加固损伤钢板的受力特点, 建立三维弹性力学模型, 对复合材料补片双面加固轴向受拉平板进行了应力和变形分析。研究了粘贴界面的剪应力分布规律, 钢板和补片内轴向拉力的分布规律, 分析了加固后平板相对加固前的相对刚度。研究了含椭圆孔钢板经复合材料补片加固后相对加固前以及相对完好钢板的刚度。结果表明, 复合材料胶接修补含孔钢板的刚度随着补片厚度的增加而增加, 且增强的趋势逐渐趋于缓和。当补片层数大于5层后, 单纯依靠增加补片的厚度并不能有效提高修复效果。解析法与有限元法的计算结果及试验结果吻合得比较好。
针对复合材料补片加固损伤钢板的受力特点, 建立三维弹性力学模型, 对复合材料补片双面加固轴向受拉平板进行了应力和变形分析。研究了粘贴界面的剪应力分布规律, 钢板和补片内轴向拉力的分布规律, 分析了加固后平板相对加固前的相对刚度。研究了含椭圆孔钢板经复合材料补片加固后相对加固前以及相对完好钢板的刚度。结果表明, 复合材料胶接修补含孔钢板的刚度随着补片厚度的增加而增加, 且增强的趋势逐渐趋于缓和。当补片层数大于5层后, 单纯依靠增加补片的厚度并不能有效提高修复效果。解析法与有限元法的计算结果及试验结果吻合得比较好。
