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2013年  第30卷  第1期

颗粒增强金属基复合材料涂层的制备及其特性与应用
刘宗德, 董世运, 白树林
2013, 30(1): 1-13.
摘要:
针对复合材料涂层的相关问题, 综述了颗粒增强金属基复合材料涂层的制备技术及其特性的研究进展。重点描述了电热爆炸超高速喷涂技术及电刷镀技术制备颗粒增强金属基复合材料涂层的发展现状、涂层组织结构和力学性能研究进展, 概述了颗粒增强金属基复合材料涂层的工程应用领域及其未来发展方向。
石墨烯/聚合物复合材料的研究进展
樊玮, 张超, 刘天西
2013, 30(1): 14-21.
摘要:
石墨烯是最近几年才发现的炭材料的新成员, 其完美的二维结构和许多奇特的性质, 引起了科学家的极大兴趣。石墨烯和氧化石墨烯的改性以及各种石墨烯/聚合物复合材料的制备成为当前研究的热点之一。与纯的聚合物相比, 石墨烯的加入可赋予复合材料不同的功能性, 不但表现出优异的力学和电学性能, 且具有优良的加工性能, 为复合材料提供了更广阔的应用空间。文中概述了石墨烯/聚合物复合材料的制备方法、结构及性能, 并展望了石墨烯及其聚合物复合材料的研究前景。
石墨烯/聚苯胺复合材料的电磁屏蔽性能
袁冰清, 郁黎明, 盛雷梅, 安康, 陈雅妮, 赵新洛
2013, 30(1): 22-26.
摘要:
采用直流电弧放电法制备高结晶性石墨烯, 利用乙醇助溶分散法得到石墨烯/聚苯胺电磁屏蔽复合材料, 研究不同掺杂比例的石墨烯/聚苯胺复合材料的电磁屏蔽性能。拉曼光谱分析表明: 由于石墨烯与聚苯胺之间的相互作用, 复合材料中聚苯胺特征峰比纯聚苯胺特征峰稍弱或向低频方向移动。复合物的电导率随石墨烯掺杂量的增加而增大, 当掺杂质量分数为25%时, 其电导率达到19.4 S/cm, 接近纯石墨烯电导率(20.1 S/cm)。频率为2~18 GHz时, 复合材料的电磁屏蔽效能随着石墨烯掺杂量和频率的增大而增强; 当石墨烯掺杂质量分数为25%时, 总屏蔽效能在2~18 GHz范围内由19.8 dB增至34.2 dB, 增加了约42%, 其中吸收部分占总屏蔽效能的比例为66%~81%, 这表明石墨烯/聚苯胺复合材料的电磁屏蔽性质是以电磁波吸收为主; 同时也说明了拥有特殊结构与特性的石墨烯是一种较好的聚苯胺填料, 在微波屏蔽与微波吸收领域将会有广阔的应用前景。
以氧化石墨烯为氧化介质制备石墨烯/聚苯胺导电复合材料
范艳煌, 邹正光, 龙飞, 吴一, 高洁, 孔令奇
2013, 30(1): 27-31.
摘要:
采用超声辅助Hummers法制得厚度约为1 nm的氧化石墨烯, 以其为氧化介质与苯胺反应合成了石墨烯/聚苯胺(RGO/PANI)导电复合材料。利用AFM、SEM、XRD和FTIR对反应所得产物进行了表征。结果表明: 苯胺在略高于室温的酸性水溶液中可以对氧化石墨烯(GO)进行还原, 而苯胺自身则被氧化石墨烯中大量的含氧基团氧化并发生聚合反应, 最终生成RGO/PANI导电复合材料, 当苯胺用量为1 mL, 氧化石墨烯用量为0.1 g, 在水浴温度为70 ℃下剧烈搅拌24 h时, 获得的RGO/PANI复合材料导电性最佳, 约为10 S/cm。
纳米银/环化聚丙烯腈复合物的制备与结构表征
安静, 罗青枝, 李雪艳, 王德松
2013, 30(1): 32-38.
摘要:
采用水相沉淀聚合-原位法合成银/聚丙烯腈(Ag/PAN)复合物, 通过测定其相对黏度, 系统地考察了反应物配比对Ag/PAN复合物分子量的影响。得到较理想的合成条件为, 丙烯腈(AN)单体浓度10%, AgNO3浓度0.6%, K2S2O8浓度2%。将所得复合物进行预氧化后得到纳米银/环化聚丙烯腈(Ag/C-PAN)复合物。通过FTIR分析复合物的组成, 并得到不同预氧化温度和时间下复合物的相对环化率。采用TEM、XRD等方法对复合物的微观结构进行表征。结果表明, 纳米银均匀地分散于环化聚丙烯腈基体中, 银粒子的晶型为面心立方, 粒径约为10 nm。
改性累托石粉体的制备及其填充橡胶复合材料的结构与性能
王磊, 李文姬, 王敏莲, 吴友平
2013, 30(1): 39-44.
摘要:
利用喷雾干燥法制备了硅烷偶联剂KH550改性的累托石粉体, 考察了喷嘴进口温度对制备的累托石粉体表面性质、结构及形貌的影响。将累托石粉体分别加入到丁苯橡胶(SBR)、天然橡胶(NR)和丁腈橡胶(NBR)中, 通过熔融共混法制备了改性累托石/橡胶复合材料, 研究了累托石在橡胶基体中的分散状态及其对基体的增强效果。结果表明: 随着进气温度的提高, 与累托石复合的KH550的量也随之增加; KH550分子插层进入累托石层间, 阻碍了片层的再聚集, 片层堆砌更加无序蓬松; 改性累托石在SBR中出现了局部团聚现象, 在NBR中分散较均匀, 而在NR中分散状态最好; 与相应的纯橡胶相比, 改性累托石填充的SBR和NBR基复合材料的各项力学性能均有所提高, 而其填充的NR基复合材料的定伸应力提高, 拉伸强度和撕裂强度基本不变, 断裂伸长率有所下降。
功能化碳纳米管的制备及功能化碳纳米管/尼龙6复合纤维
侯立晨, 刘海辉, 王宁, 彭伟伟, 谭勇, 张兴祥
2013, 30(1): 45-53.
摘要:
采用多聚磷酸(PPA)/P2O5弱酸体系, 通过傅克反应(Friedel-Crafts reaction)对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行功能化改性, 加入己内酰胺后采用原位聚合法制备功能化碳纳米管(F-MWCNTs)/尼龙6(PA6)复合材料, 并熔融纺丝制备复合纤维。通过TEM、TG、DSC、SEM及力学性能测试对复合纤维进行表征。结果表明: 在MWCNTs表面成功地接枝了氨基, F-MWCNTs均匀地分散在PA6基体中, 没有发生团聚现象, 并且与基体具有很好的界面作用; F-MWCNTs的加入, 对复合纤维的熔融温度和结晶度影响不大, 结晶温度有所提高, 并明显提高了复合纤维的热稳定性; 随着F-MWCNTs的加入, 复合纤维的拉伸断裂强度和杨氏模量增加, 当F-MWCNTs质量分数为0.5%时, 拉伸断裂强度和杨氏模量达到最大, 比纯PA6纤维分别提高了45%和208%。
热残余应力对内埋光纤光栅传感器性能的影响
周玉敬, 刘刚, 李雪芹, 益小苏
2013, 30(1): 54-61.
摘要:
将布拉格光纤光栅(FBG)埋植于复合材料T型加筋板结构非干涉区—三角填充区作为应变传感器对复合材料加筋板在固化过程及冲击后压缩过程中的应变变化进行监测。对比了光纤刻栅区采用UV光固化树脂涂层保护和未保护的两种FBG传感器的波谱信号变化; 分析了复合材料在固化成型过程中产生的非轴对称热残余应力对FBG传感性能的影响。结果表明, 刻栅区采用聚合物涂层保护的FBG传感器的半峰宽(FWHM)在固化过程中未发生变化, 并且聚合物涂层可以有效地消除非轴对称热残余应力对光纤光栅反射波谱的影响。在冲击后压缩过程中, 采用聚合物涂层保护的FBG传感器测得的应变与贴于试样表面的应变片测得的应变数据一致性较好。本文对埋植于复合材料加筋板三角填充区的FBG传感器在复合材料固化过程及冲击后压缩过程中应变监测的有效性及可靠性进行了有益的探索。
耐温布拉格光栅传感器用纳米蒙脱土改性环氧丙烯酸酯涂层的制备
殷燕子, 王继辉, 李晗, 孙九霄, 冀运东
2013, 30(1): 62-66.
摘要:
对纳米蒙脱土(OMMT)进行改性, 用改性后的蒙脱土对环氧丙烯酸酯(EA)涂层进行改性, 并对改性后的OMMT/EA涂层进行了力学性能和热性能测试。研究表明, 加入质量分数2%改性蒙脱土的OMMT/EA涂层性能最好。OMMT的加入可提高涂层的拉伸性能、附着力和硬度, 并有效提高EA涂层的玻璃化温度, 降低其线性热膨胀系数。电镜和XRD分析表明, OMMT在OMMT/EA涂层中以单层片层均匀分布。将涂有该涂层的光纤布拉格光栅(FBG)传感器埋入复合材料中, 经一定温度与压力成型后, 与涂有未改性EA涂层的FBG传感器采集到的信号进行对比, 发现改性后涂层可明显降低FBG传感器信号滞后现象。
压电复合材料表面化学镀镍工艺及镀层性能
孙敏, 张颖, 周美娟, 郝超, 黄世峰
2013, 30(1): 67-72.
摘要:
采用化学镀镍的方法对压电复合材料进行金属化。通过正交试验并结合实际生产, 研究确定了压电复合材料表面化学镀镍前处理中新型粗化液、活化液以及化学镀液的最佳工艺配方和条件: 粗化溶液浓度350 g/L, 粗化温度25 ℃, 粗化时间25 min; PdCl2浓度0.4 g/L, 活化温度30 ℃, 活化时间5 min; 施镀温度 38~43 ℃, 施镀时间8~10 min, 镀液pH 8.5~9.5。利用SEM、EDS和XRD研究镀层的形貌、成分及镀层结构, 采用热震实验和极化曲线测试镀层的结合力及耐蚀性。结果表明: 最佳实验条件下获得的镀层均一性良好, 具有较好的耐腐蚀性能及较强的结合力。
VARI成型泡沫夹芯壁板结构界面性能
张家莹, 段跃新, 肇研, 陈吉平
2013, 30(1): 73-82.
摘要:
针对真空辅助成型工艺(VARI)制备的泡沫夹芯壁板面-芯界面粘接强度较低的问题, 提出铺放本体树脂胶膜和对芯材进行打孔两种解决方案。通过无损检测、三点弯曲力学性能测试、计算机模拟树脂充模流动以及微观界面结构观察, 探究两种方案的可行性及改善效果, 分析了胶膜的有无和厚度、打孔工艺参数对界面性能的影响。结果表明, 在不加入胶膜时界面强度最高, 胶膜厚度在0.5 mm时, 无损检测显示的界面缺陷最少, 胶膜厚度达到2 mm后界面质量下降; 合理设计芯材的打孔行、间距可以促进树脂充模流动, 形成质量好的连续界面, 同时还能提高结构刚度。
新型无卤膨胀阻燃聚丙烯的制备及阻燃性能
卢林刚, 徐晓楠, 王大为, 董希琳, 杨守生
2013, 30(1): 83-89.
摘要:
利用有机杂环磷酸酯1, 2, 3-三(5, 5-二甲基-1, 3-二氧杂环己内磷酸酯基)苯(FR)、聚磷酸铵(APP)和三聚氰胺(MEL)制备新型无卤三源膨胀阻燃聚丙烯(IFR/PP)材料, 通过极限氧指数(LOI)、水平燃烧(UL-94)、热重分析法(TGA)、锥形量热(cone)等方法研究了IFR对聚丙烯阻燃性能影响。结果表明: 当IFR总添加质量分数为30%(FR∶APP∶MEL质量比为4∶8∶3), 阻燃IFR/PP的LOI 达到36.2%, 其热释放速率峰值(pk-HRR)、热释放速率平均值(av-HRR)、有效燃烧热平均值(av-EHC)、比消光面积平均值(av-SEA)、质量损失速率平均值(av-MLR)及一氧化碳释放率平均值(av-CO)相对未阻燃PP分别降低75.9%、71.7%、76.4%、74.6%、58.3%和50.0%, 300 s时CO释放量接近0, 呈现出良好的阻燃、抑烟和抑毒性能; SEM研究表明, IFR催化PP在燃烧初期形成了致密、坚硬的优质炭层。
碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料对风力发电叶片的影响
张娜, 龙春光, 何宏燕, 刘春太, 申长雨
2013, 30(1): 90-95.
摘要:
针对风力发电叶片在多风沙环境下的固体粒子冲蚀磨损行为, 研究了风力发电叶片专用环氧树脂(EPIKOTETM RIM 135、EPIKURETM RIM H 137)、传统玻纤增强环氧复合材料和新型碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料的固体粒子冲蚀磨损行为, 并测试了不同材料的玻璃化转变温度, 进而对比分析了其对冲蚀磨损的影响; 针对风力发电叶片在寒冷环境下表面容易结冰的现象, 研究了上述三种材料表面的疏水性能, 并测试了它们对水的接触角大小。结果表明: 碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料具有良好的界面结合, 且碳纳米纤维纸的引入提高了碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料的玻璃化转变温度(从55 ℃提高到63 ℃), 从而改善了其耐固体粒子冲蚀磨损性能; 同时, 碳纳米纤维纸的加入改善了碳纳米纤维纸-玻纤/环氧复合材料的表面疏水性能(接触角从104°提高到131°)。
可注射nano HA/PAG/CS复合材料的制备与表征
陈杰, 王广妮, 严永刚
2013, 30(1): 96-102.
摘要:
通过原位聚合法制备了可注射纳米羟基磷灰石/天门冬氨酸-谷氨酸共聚物/硫酸钙复合材料(HA/PAG/CS), 采用FTIR、XRD、SEM对复合材料的组成结构、表面形貌及力学性能进行了表征, 研究了复合材料在模拟体液(SBF)中的降解性能。结果显示: 复合材料无机相羟基磷灰石、硫酸钙与有机相天门冬氨酸-谷氨酸共聚物之间存在化学相互作用, 具有良好的抗压强度; 7周后, 复合材料在SBF中完全降解, 降解方式为表面降解; 在降解过程中, 浸泡液的pH值在6.4~7.4之间变化; 复合材料在SBF中浸泡后, 其表面能够沉积磷灰石, 表明复合材料具有良好的生物活性, 有利于植入体与骨组织形成良好的界面结合。
微米级煅烧羟基磷灰石/壳聚糖复合膜的制备及性能
李瑞欣, 张西正, 郝庆新, 刘璐, 郭勇, 侍才洪, 李昊, 关静, 武继民
2013, 30(1): 103-111.
摘要:
将猪松质骨脱脂脱蛋白、煅烧后再进行球磨制备羟基磷灰石(HA), 与壳聚糖(CS)共混制备成HA/CS复合膜。通过正交设计考察了球磨条件对HA粒径的影响, 在复合膜上接种MC3T3-E1前体成骨细胞, 采用SEM及四甲基偶氮唑盐(MTT)方法检测细胞在膜表面的形态及增殖, 评价了材料的细胞相容性。结果表明, 所制备HA为粒径较均一的微米级球形粒子, 中值粒径D50为1.21~1.67 μm。共混膜内HA在基质中分布均匀, 二者结合紧密, 复合膜具有较好的力学性能, MC3T3-E1细胞能在复合膜上很好地黏附生长。细胞增殖结果表明, 复合膜制备条件煅烧温度为1000 ℃, 球配比4∶4∶2, 球磨速率为230 r·min-1, 球磨时间为2.5 h, HA∶CS =5∶5 (质量比)时最利于细胞增殖。
水性聚氨酯为表面活性剂的SiO2-聚甲基丙烯酸甲酯复合微球的细乳液法制备
杨文龙, 杨建军, 张建安, 吴庆云, 吴明元
2013, 30(1): 112-118.
摘要:
采用异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚醚二元醇N210和二羟甲基丙酸(DMPA)为主要反应原料, 合成出羧酸型水性聚氨酯, 并以甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)对其进行C=C封端, 然后使用该水性聚氨酯作为可聚合表面活性剂, 采用双原位细乳液法, 不同引发剂体系引发聚合, 制备出SiO2-聚甲基丙烯酸甲酯复合微球。通过TEM、FTIR和TGA等测试方法对所得产物进行了表征分析。结果表明, 使用水性聚氨酯表面活性剂(PUS)所制备的SiO2-聚甲基丙烯酸甲酯复合微球形貌, 不同于传统小分子表面活性剂所制得产物的形貌, 而且引发剂类型对SiO2-聚甲基丙烯酸甲酯复合微球形貌有较大影响。
MgO与Li2O摩尔比及烧结温度对结合剂及cBN磨具性能的影响
翟浩冲, 万隆, 王俊沙, 王志起, 胡伟达, 宋冬冬
2013, 30(1): 119-124.
摘要:
以ZnO-Na2O-SiO2-Al2O3-B2O3陶瓷体系为基础, 制备了添加不同摩尔比Li2O和MgO的陶瓷结合剂及立方氮化硼(cBN)磨具。利用X衍射测试仪、线性热膨胀测试仪、扫描电镜等研究了MgO∶Li2O摩尔比( M 值)和烧结温度对陶瓷结合剂及磨具性能的影响。结果表明: 随着 M 值增加, 结合剂的软化点温度增加, 耐火度及化学稳定性均增强, 线性热膨胀系数先增加后降低。当 M 值为0.67时, 随着烧结温度的升高, 石英晶相的析出被抑制, 诱导析出Mg(Zn)Al2O4晶相, 且含量逐渐增加, 尺寸先减小后增加; 当温度为870 ℃时, Mg(Zn)-Al2O4晶粒尺寸最小, 约为2 μm, 结合剂结构最为致密, 抗折强度达到最大值136.28 MPa。随着烧结温度的提高, cBN磨具气孔率和吸水率先降低后增加, 体积密度、硬度、抗折强度、磨耗比以及磨削效率先增加后降低; 当烧结温度为890 ℃, 磨耗比及磨削效率最高, 分别为98.72%和1.3675 g·min-1
BN含量对多孔BN/Si3N4陶瓷结构和性能的影响
董薇, 汪长安, 尉磊, 欧阳世翕
2013, 30(1): 125-129.
摘要:
以氮化硅(Si3N4)为基体, 氮化硼(BN)为添加剂, 叔丁醇为溶剂, 采用凝胶注模成型与无压烧结工艺(温度为1750 ℃、保温时间为1.5 h、流动N2气氛), 成功制备出具有一定强度和低介电常数的多孔BN/Si3N4陶瓷。在浆料中初始固相含量固定为15%体积分数的基础上, 研究了BN含量对多孔Si3N4陶瓷材料的气孔率、物相组成及显微结构的影响, 分析了抗弯强度、介电常数与结构之间的关系。结果表明, 通过改变BN含量可制备出气孔率为55.1%~66.2%的多孔Si3N4陶瓷; 多孔BN/Si3N4复合陶瓷的介电常数随着BN含量的增加而减小, 为3.39~2.25; 抗弯强度随BN含量提高而有所下降, BN质量分数为2.5%时, 抗弯强度最高, 为(74.8±4.25) MPa。
纳米Fe3O4及Fe3O4-SrFe12O19吸波复合材料的制备及性能
景红霞, 李巧玲, 叶云, 杨晓峰
2013, 30(1): 130-134.
摘要:
采用共沉淀法成功制备出具有超顺磁性的纳米Fe3O4, 并将Fe3O4与SrFe12O19复合制成复合吸波材料Fe3O4-SrFe12O19, 利用X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、振动样品磁强计(VSM)和矢量网络分析仪(PNA)对产物的物相、显微结构、磁性能和吸波性能进行了表征与分析。结果表明, 当Fe3O4与SrFe12O19质量比为1∶0.3时, Fe3O4-SrFe12O19饱和磁化强度为11.1 emu·g-1, 矫顽力0.86 Oe, 剩余磁化强度0.08 emu·g-1, 其吸波性能最佳, 最大吸收峰值为-17.7 dB,-5 dB频宽为1.3 GHz, 较Fe3O4和 SrFe12O19的最大吸收峰值分别提高247%和185%, 频带分别拓宽1.12 GHz和0.40 GHz。
高倍率性能磷酸亚铁锂/碳正极材料的制备与表征
程科, 王晓冬, 兰亚超, 杨建军, 吴志申, 张治军
2013, 30(1): 135-140.
摘要:
以水溶性酚醛树脂为碳源, Li2CO3为锂源, 纳米FePO4前躯体为铁源和磷源, 以水为介质, 采用湿法研磨混合均匀, 然后通过高温固相法制备出纳米磷酸亚铁锂/碳(LiFePO4/C)复合材料。采用XRD、SEM、TEM、TG和拉曼光谱对该复合材料进行了表征, 并研究了其电化学性能。结果表明, 制备的LiFePO4/C纳米颗粒为类球形, 表面均匀地包覆了一层约5 nm厚的碳层, 作为锂离子电池正极材料表现出良好的倍率性能和循环性能, 在0.2 C(1 C=170 mAh·g-1)、0.5 C、1 C、2 C、5 C、10 C下首次放电容量分别为151、150、146、142、132、119 mAh·g-1, 20 C下的首次放电容量也达105 mAh·g-1, 且循环50次几乎无衰减。
定向凝固超高强度NiTi基自生复合材料
潘利文, 郑立静, 蒋冬文, 张花蕊, 胡治流, 张虎
2013, 30(1): 141-146.
摘要:
在NiTi合金中添加少量Al、Nb、Hf强化元素, 采用定向凝固原位自生法制备了一种NiTi基自生复合材料, 并在950 ℃对定向凝固棒分别进行了12 h、50 h及100 h的均匀化热处理, 对热处理后的试样进行了室温抗拉强度测试。结果表明, 定向凝固组织为沿[001]方向生长的细小的棒状胞晶组织, β-Nb相和Ti2Ni相增强体颗粒沿NiTi胞晶间的[001]方向排列。随热处理时间的延长, 胞晶尺寸逐渐粗化, 两增强相粒子分布更加弥散均匀。热处理后NiTi基自生复合材料的最大抗拉强度达到1972 MPa, 超过了4130和8640超高强度钢, 与4140和4340超高强度钢的强度基本相当, 达到或超过了多种国内外现役的超高强度钛合金。
纳米Ag颗粒/In-3Ag复合焊料的微观组织演变
马运柱, 李永君, 刘文胜, 黄国基
2013, 30(1): 147-154.
摘要:
通过外向法制备纳米Ag颗粒/In-3Ag复合焊料, 研究在多次回流过程中, 添加不同含量的纳米Ag颗粒对In-3Ag焊料焊点基体组织和界面IMC层(intermetallic compound)的影响规律, 采用SEM、HRTEM、能量色散仪(EDS)和电子探针(EPMA)分别对焊点基体及IMC层的微观结构及成分进行观察和分析。研究结果表明: 纳米Ag颗粒能诱发晶粒成核, 多次回流后, 复合焊料基体中颗粒状二次相AgIn2没有明显长大现象; 通过塞积扩散通道和表面吸附效应, 纳米Ag颗粒能显著抑制焊料界面IMC层在多次回流过程的生长; 纳米Ag颗粒的合适添加量为0.5%(质量分数,下同), 当添加1%时, 颗粒团聚, 导致界面处出现球形AgIn2, 降低焊料的力学性能。
Si与Mg含量对离心铸造原位颗粒增强Al-xSi-yMg复合材料组织与耐磨性能的影响
林雪冬, 刘昌明, 吕循佳
2013, 30(1): 155-164.
摘要:
采用离心铸造方法制备了不同Si、Mg含量的Al-xSi-yMg复合材料筒状铸件, 考察了不同成分铸件的宏观组织和微观组织, 并测试了不同成分铸件的耐磨性能, 分析并计算了Al-xSi-yMg合金中形成初晶颗粒的条件。结果表明: 除Al-15Si-5Mg外, 其他各成分铸件内侧均形成了含有初晶Si或Mg2Si颗粒的增强层, 外侧为不含颗粒的非增强层。不同成分Al-xSi-yMg铸件中形成的初晶颗粒、颗粒增强层的相对厚度值(k)以及颗粒的体积分数各不相同。随着铸件内层初晶颗粒体积分数的逐渐增加, 材料的耐磨性能显著提高。计算结果表明, 当x≥12.8+0.49yy≥5时(15≤x≤30, y≤8), 合金中形成初晶Si、Mg2Si两种颗粒; 当x<12.8+0.49yy≥5时, 合金中只形成初晶Mg2Si颗粒; 当x≥12.8+0.49yy<5时, 合金中只形成初晶Si颗粒; 当x<12.8+0.49yy<5时, 合金中不形成初晶颗粒。
二维编织C/SiC复合材料非线性损伤本构模型与应用
李俊, 矫桂琼, 王波, 王刚
2013, 30(1): 165-171.
摘要:
基于二维编织C/SiC复合材料的基本力学性能试验, 建立了该材料的宏观正交各向异性非线性损伤本构模型。模型中以可检测的应变作为变量, 采用形式简单的函数分别描述了单轴拉伸和剪切加载下的材料损伤演变下的应力-应变关系, 以及卸载状态的刚度变化规律。同时, 考虑了材料的单边效应以及拉压应力状态转换时的损伤钝化行为。将此本构模型编写成UMAT子程序并引入ABAQUS有限元软件, 可以完整描述该材料的加载非线性和卸载线性的应力-应变关系特征, 及其加卸载历史。通过对带孔板的拉伸模拟, 孔边应变分布与试验结果吻合较好, 验证了本构模型的有效性。
无应力氧化下C/SiC复合材料弹性性能模拟及验证
孙志刚, 王振剑, 宋迎东
2013, 30(1): 172-179.
摘要:
结合复合材料氧化质量损失率模型和混合率公式, 发展了单向C/SiC复合材料在无应力氧化下的弹性模量预测方法。对400~700 ℃和700~900 ℃两种氧化机制下C/SiC复合材料的弹性模量进行了预测, 分析了氧化温度、氧化时间和纤维体积含量对C/SiC复合材料弹性模量的影响。开展了单向C/SiC复合材料在650 ℃和800 ℃空气环境下的无应力氧化试验, 建立了复合材料质量损失率与氧化时间的变化关系, 得到了氧化后材料拉伸应力-应变曲线。同时, 将理论预测值与试验结果进行对比, 发现理论值与试验值基本吻合, 从而验证了该方法能够有效地预测无应力氧化下陶瓷基复合材料的弹性性能。
FRP-钢管-混凝土构件抗震性能试验研究
朱春阳, 赵颖华, 李晓飞
2013, 30(1): 180-186.
摘要:
为了研究低周循环往复荷载作用下GFRP(glass fiber reinforced polymer)-钢管-混凝构件的力学性能以及对比CFRP(carbon fiber reinforced polymer)-钢管-混凝土构件的性能差异, 对尺寸相同而加固方式不同的圆形截面FRP(GFRP、CFRP)-钢管-混凝土试件进行了拟静力试验, 荷载采用轴压、双向弯曲的组合来模拟地震动力。结果表明: FRP(GFRP、CFRP)的加固可以有效地提高构件抗动态弯曲的能力; GFRP-钢管-混凝土构件延性高于相同情况下CFRP-钢管-混凝土构件; 与普通钢管-混凝土相比, 环向、纵向和双向包裹的GFRP-钢管-混凝土构件的耗能系数分别提高2.0%、7.0%和12.7%, 而CFRP-钢管-混凝土分别提高2.0%、5.8%和6.7%。
聚丙烯-钢纤维增强高强混凝土高温性能
高丹盈, 李晗, 杨帆
2013, 30(1): 187-193.
摘要:
通过对聚丙烯-钢纤维增强高强混凝土(混杂纤维/高强混凝土)试块的高温试验, 研究不同目标温度后混凝土表观特征、高温爆裂、质量损失及力学性能。结果表明: 高强混凝土在600 ℃时发生爆裂, 混杂纤维/高强混凝土直至800 ℃未出现爆裂, 混杂纤维有效抑制了高强混凝土的高温爆裂。混杂纤维/高强混凝土的质量损失随所受温度的升高而增大, 其抗压强度、抗折强度随温度的升高而降低, 并且400 ℃以后显著降低。相同温度下, 混杂纤维的加入提高了高强混凝土高温后强度。通过对试验结果的统计分析, 分别建立了混杂纤维混凝土质量损失、抗压强度和抗折强度随温度变化的关系式。
复合材料层合板临界屈曲载荷分散性
卢子兴, 王晓英, 俸翔
2013, 30(1): 194-200.
摘要:
基于随机场理论, 将纤维和基体性能以及纤维体积分数作为随机场变量, 利用局部平均法对随机场进行离散。结合MATLAB与ANSYS的PDS模块对复合材料层合板临界屈曲载荷进行Monte-Carlo模拟, 分析各类随机场变量、随机场的相关长度、对称性和边界条件对临界屈曲载荷分散性的影响。结果表明: 不同随机场变量对层合板屈曲载荷分散系数影响的程度不同, 纤维体积分数的影响最大, 其次为纤维性能与基体性能; 屈曲载荷的分散系数存在尺寸效应, 随着板尺寸的增加, 屈曲载荷分散系数逐渐减小; 减小相关长度可有效地减小屈曲载荷的分散系数; 纤维正对称铺设所引起的屈曲载荷分散系数稍大于反对称铺设情况, 而两对边固支板的屈曲载荷分散系数一般大于四边简支板的结果。
基于细化单胞模型的复合材料层合板强度预报方法
张博明, 唐占文, 刘长喜
2013, 30(1): 201-209.
摘要:
通用单胞模型常被应用于复合材料细观力学分析。但原始的通用单胞模型存在求解量大、计算效率低的问题。本文中对其改进, 建立了以子胞界面细观应力为未知量的细化单胞模型。该模型可以充分考虑纤维、基体和界面相等细观组分, 并实现单向板的宏-细观多尺度力学分析。通过将组分材料失效判据引入到模型中, 再与经典层合理论相结合, 提出了一种基于细化单胞模型的复合材料层合板强度预报方法, 并给出了基于试验数据的强度谱定量评测方法。通过与世界失效分析习题的失效理论和试验数据进行对比, 证明本文的预报方法具有很高的计算精度和广泛的普适性。
多钉连接钉载分配特性研究方法
刘向东, 李亚智, 舒怀, 刘兴科
2013, 30(1): 210-217.
摘要:
利用金属-复合材料层合板紧固件多钉连接件开展拉伸载荷下钉载分配特性的试验和有限元分析研究。试验件为一列三钉单搭接和双搭接连接件。通过应变电测技术获得连接件典型截面应变分布, 再间接估算钉载分配比例。建立了试验件二维、三维有限元模型, 并计算获得应变和钉载分配结果。对比发现, 应变的计算值与实测值吻合, 但钉载分配的计算结果与实测结果存在较大偏差。分析表明: 基于表面应变测量估计钉载分配的方法不能反映连接件的附加弯矩对多钉钉载分配比例的影响; 采用经过应变测量结果验证的有限元模型, 通过数值计算确定钉载分配是一种可行的技术途径; 而应用简化的板-梁二维有限元模型计算钉载分配可以满足工程精度要求。
湿度对玻璃微珠增强硬质聚氨酯复合泡沫塑料黏弹力学性能影响
韦兴文, 李明, 周筱雨, 王翕, 李敬明
2013, 30(1): 218-222.
摘要:
实验研究了温度与湿度因素对玻璃微珠增强硬质聚氨酯复合泡沫塑料(玻璃微珠/RPUF)黏弹力学性能的影响。结果表明, 湿度对黏弹力学性能有显著的影响, 随着湿度的增加, 玻璃微珠/RPUF的储能模量减小, 刚度下降, 力学损耗因子值增加, 蠕变柔量增大, 柔韧性增强。湿度对玻璃微珠/RPUF弯曲蠕变性能的影响具有类似于时间-温度等效原理的等效关系, 并给出了60 ℃/50%RH参考温湿度下玻璃微珠/RPUF的蠕变主曲线和平移因子。
混杂铺层层板穿透挖补修理后拉伸性能
刘遂, 关志东, 郭霞, 席国芬, 蔡婧
2013, 30(1): 223-229.
摘要:
对经穿透挖补修理后的平面编织混杂铺层层板的拉伸性能进行了试验研究, 结果表明初始损伤相同时, 挖补斜度为1∶30的试件的拉伸强度最高, 可以达到完好板强度的97.8%, 并且不同挖补斜度的试件表现出不同的破坏模式。此外挖补斜度相同时增大初始损伤会导致拉伸强度降低。在试验基础上建立渐进损伤有限元模型, 并对修理试件的拉伸强度及破坏过程进行研究, 数值模型得到的极限强度和破坏模式与试验结果吻合良好。
缝合泡沫夹芯复合材料低速冲击的多尺度数值方法
马健, 燕瑛
2013, 30(1): 230-235.
摘要:
为了发展缝合泡沫夹芯复合材料低速冲击损伤的多尺度分析方法, 建立了缝合泡沫简化力学模型, 将缝合泡沫等效为缝线树脂柱增强的正交各向异性芯材, 其材料参数由各组分性能及所占体积分数根据均一化理论计算得出; 同时, 建立冲击试验有限元模型, 通过界面元模拟面板与芯材之间的层间分层。采用GENOA渐进损伤分析模块对缝合结构冲击动态响应过程进行数值模拟, 并将计算结果与试验记录进行对比分析。结果表明: 缝合可以减小面板破坏面积, 抑制面板与泡沫分层的扩展; 但缝纫会对结构造成初始损伤, 较高的缝合密度使芯材刚度增加, 不利于泡沫结构的缓冲吸能。数值模拟结果与试验记录吻合良好, 验证了多尺度分析方法的正确性。
纳米TiO2颗粒弱界面增强树脂基复合材料宏观力学行为有限元模拟
王振清, 雷红帅, 王晓强, 周博
2013, 30(1): 236-243.
摘要:
基于蒙特卡罗法, 编写了随机分布颗粒增强复合材料的二维代表体积单元生成程序, 建立了纳米颗粒增强树脂基复合材料的有限元模型, 其中采用双线性内聚力模型描述复合材料弱界面的应力与位移关系。通过纳米TiO2 颗粒增强环氧树脂基复合材料应力应变行为模拟结果与文献结果对比, 证明了模型的有效性。讨论了弱界面情况下, TiO2颗粒质量分数与颗粒尺寸对复合材料宏观有效模量的影响, 并对复合材料弱界面渐进损伤过程进行了非线性分析。结果表明: 随着纳米TiO2颗粒质量分数增加, 复合材料杨氏模量和断裂延伸率均有所增强, 但材料屈服强度有所降低; 相同颗粒质量分数情况下, 随着颗粒尺寸的增大, 颗粒与基体材料之间界面单元总长度减小, 复合材料断裂延伸率有所下降。
基于宏微观分析的碳纤维增强高分子复合材料强度性能表征
李望南, 蔡洪能, 郑杰
2013, 30(1): 244-251.
摘要:
微观力学强度理论(MMF)是一种新型的基于物理失效模式的复合材料强度理论。通过对碳纤维/树脂(UTS50/E51)复合材料单向层合板进行纵向、横向静载拉伸、压缩和弯曲试验, 得到层合板的基本力学性能和宏观强度指标。建立了碳纤维增强树脂基复合材料微观力学模型, 获取树脂基体和纤维不同位置的机械载荷应力放大系数和热载荷应力放大系数。结合获取的应力放大系数及试验测得的单向层合板宏观强度, 计算出层合板组分的MMF强度特征值。绘制了基于MMF强度理论的层合板破坏包络线, 并与Tsai-Wu失效准则预测结果进行对比。实现了对UTS50/E51层合板MMF强度特征值的表征。
复合材料层合板准静压损伤的数值模拟
屈鹏, 关小军, 贾玉玺
2013, 30(1): 252-256.
摘要:
从层合板准静压损伤机制出发, 根据渐进累积损伤原理, 建立了复合材料层合板准静压损伤的有限元模型, 合理地描述了复合材料层合板内部不同形式的损伤及其累积过程, 进而讨论了在相同的层合板厚度下, 单向铺层厚度对层合板准静压损伤的影响。结果表明, 单层厚度的增加会加大层合板的基体开裂损伤以及分层损伤的程度, 但有利于抑制纤维断裂的发生。
独角仙鞘翅微结构及其纳米力学性能
杨志贤, 许迪初, 骆利芹, 戴振东, 郭策
2013, 30(1): 257-262.
摘要:
利用SEM对独角仙鞘翅的微结构进行了观测, 并借助纳米压痕仪测试分析了鞘翅的纳米力学性能。SEM试验表明独角仙鞘翅是一种具有拱形空腔的中空轻质生物复合材料, 其断面占空比为26.36%。鞘翅由外表皮和内表皮构成, 而内表皮又通过11~12层纤维层采用45°角正交叠加铺设, 层间辅以许多微纤维丝交叉连接方式编织在一起, 形成层合板结构。试验测得鞘翅外表皮纳米力学性能分别为: 硬度(0.28±0.13) GPa, 弹性模量(5.62±1.21) GPa, 接触刚度 (1.67±0.14)×104 N/m。其纳米力学性能呈现拓扑分布规律, 由头部至尾部区域有增大趋势。试验测试结果为后续研究中设计一种基于独角仙鞘翅的新型轻质仿生结构提供了仿生学模型和理论参考。