2015年 第32卷 第4期
2015, 32(4): 925-932.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150522.003
摘要:
为获得一种低压缩、永久变形及高回弹的导电屏蔽硅橡胶密封材料, 以经偶联剂表面处理的炭黑作补强剂及导电填料, 乙烯基硅橡胶生胶作基料, 制备出一种导电炭黑/硅橡胶复合材料。研究了不同炭黑含量的导电炭黑/硅橡胶复合材料的力学性能、弹性、分散性以及电性能, 采用SEM观察了炭黑在硅橡胶基体中的分布形貌, 分析了导电炭黑/硅橡胶复合材料的导电机制及屏蔽机制。结果表明:随着炭黑含量的增加, 导电炭黑/硅橡胶复合材料的Shore A硬度由31增至70; 拉伸强度先由3.31 MPa增至5.28 MPa, 而后趋于稳定; 拉断伸长率先由198%增至297%, 然后再减小至210%; 恒定压缩永久变形量先减小后增大, 瞬间回弹率逐渐减小;由于"炭黑簇"的形成及导电通路的完善, 导电炭黑/硅橡胶复合材料的导电性能及屏蔽效能增强。
为获得一种低压缩、永久变形及高回弹的导电屏蔽硅橡胶密封材料, 以经偶联剂表面处理的炭黑作补强剂及导电填料, 乙烯基硅橡胶生胶作基料, 制备出一种导电炭黑/硅橡胶复合材料。研究了不同炭黑含量的导电炭黑/硅橡胶复合材料的力学性能、弹性、分散性以及电性能, 采用SEM观察了炭黑在硅橡胶基体中的分布形貌, 分析了导电炭黑/硅橡胶复合材料的导电机制及屏蔽机制。结果表明:随着炭黑含量的增加, 导电炭黑/硅橡胶复合材料的Shore A硬度由31增至70; 拉伸强度先由3.31 MPa增至5.28 MPa, 而后趋于稳定; 拉断伸长率先由198%增至297%, 然后再减小至210%; 恒定压缩永久变形量先减小后增大, 瞬间回弹率逐渐减小;由于"炭黑簇"的形成及导电通路的完善, 导电炭黑/硅橡胶复合材料的导电性能及屏蔽效能增强。
2015, 32(4): 933-941.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141022.006
摘要:
为使废弃混凝土和再生橡胶在北方地区混凝土工程中得以应用,采用正交试验法研究再生粗骨料掺量、再生粗骨料强化方式、钢纤维掺量与橡胶掺量对钢纤维橡胶再生混凝土(C45)立方体抗压强度和抗冻性的影响规律。利用扫描电镜和螺旋CT扫描技术研究了钢纤维橡胶再生混凝土的宏观和细观结构及其对抗冻性能的影响机理。结果表明:橡胶颗粒掺量是影响再生混凝土含气量、抗压强度和相对动弹模量的重要因素, 再生粗骨料掺量是影响相对动弹模量和强度损失率的次要因素, 钢纤维掺量对混凝土抗压强度增强作用较小, 粗骨料强化方式对混凝土性能影响不大;橡胶颗粒与砂浆界面的裂缝宽度在5~55 μm之间, 二者之间的相容性较差;当橡胶颗粒掺量(与砂的体积比)大于20%后, 随橡胶颗粒掺量增大, 混凝土内部孔洞数目增多, 钢纤维橡胶再生混凝土抗压强度降低、抗冻性减弱。
为使废弃混凝土和再生橡胶在北方地区混凝土工程中得以应用,采用正交试验法研究再生粗骨料掺量、再生粗骨料强化方式、钢纤维掺量与橡胶掺量对钢纤维橡胶再生混凝土(C45)立方体抗压强度和抗冻性的影响规律。利用扫描电镜和螺旋CT扫描技术研究了钢纤维橡胶再生混凝土的宏观和细观结构及其对抗冻性能的影响机理。结果表明:橡胶颗粒掺量是影响再生混凝土含气量、抗压强度和相对动弹模量的重要因素, 再生粗骨料掺量是影响相对动弹模量和强度损失率的次要因素, 钢纤维掺量对混凝土抗压强度增强作用较小, 粗骨料强化方式对混凝土性能影响不大;橡胶颗粒与砂浆界面的裂缝宽度在5~55 μm之间, 二者之间的相容性较差;当橡胶颗粒掺量(与砂的体积比)大于20%后, 随橡胶颗粒掺量增大, 混凝土内部孔洞数目增多, 钢纤维橡胶再生混凝土抗压强度降低、抗冻性减弱。
2015, 32(4): 942-947.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141204.001
摘要:
为了促进橡胶接枝物与尼龙6(PA6)的相容性并提高增韧效果,利用马来酸酐和对苯二胺合成了一种含酰胺键的二元羧酸, 命名为对苯马来二酰胺二酸(改性马来酸酐, MDMA), 并将MDMA接枝到三元乙丙橡胶(EPDM)上, 制备出不同接枝率的改性马来酸酐橡胶接枝物(EPDM-g-MDMA), 以EPDM-g-MDMA与PA6质量比为30:70, 通过共混挤出制备了含不同接枝率接枝物的EPDM-g-MDMA/PA6共混物。通过核磁共振和红外光谱对MDMA进行了测试, 表明成功合成了所需要的二元羧酸。对共混物进行了相容性测试、DSC、熔融指数(MI)、SEM、拉伸和冲击力学性能测试。结果表明:随着接枝率的增大, 共混物的熔融峰温度略有降低, 其熔体黏度不断增大, 橡胶接枝物在PA6基体中有良好的分散性, 使EPDM-g-MDMA/PA6共混物的冲击强度提高了5.5倍, 说明EPDM-g-MDMA对PA6的增韧效果较为明显。
为了促进橡胶接枝物与尼龙6(PA6)的相容性并提高增韧效果,利用马来酸酐和对苯二胺合成了一种含酰胺键的二元羧酸, 命名为对苯马来二酰胺二酸(改性马来酸酐, MDMA), 并将MDMA接枝到三元乙丙橡胶(EPDM)上, 制备出不同接枝率的改性马来酸酐橡胶接枝物(EPDM-g-MDMA), 以EPDM-g-MDMA与PA6质量比为30:70, 通过共混挤出制备了含不同接枝率接枝物的EPDM-g-MDMA/PA6共混物。通过核磁共振和红外光谱对MDMA进行了测试, 表明成功合成了所需要的二元羧酸。对共混物进行了相容性测试、DSC、熔融指数(MI)、SEM、拉伸和冲击力学性能测试。结果表明:随着接枝率的增大, 共混物的熔融峰温度略有降低, 其熔体黏度不断增大, 橡胶接枝物在PA6基体中有良好的分散性, 使EPDM-g-MDMA/PA6共混物的冲击强度提高了5.5倍, 说明EPDM-g-MDMA对PA6的增韧效果较为明显。
2015, 32(4): 948-954.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140923.003
摘要:
为获得具有良好电流变性能的分散相粒子, 利用γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)修饰粉煤灰漂珠(FAFB), 将聚苯胺(PAn)以化学键的方式偶联在修饰后的FAFB(mod-FAFB)表面, 形成以mod-FAFB为核、PAn为壳的核-壳结构复合材料。采用FTIR、SEM、数字式四探针以及LCR介电谱仪对PAn@mod-FAFB复合材料的结构与性能进行分析, 讨论了不同mod-FAFB含量对PAn@mod-FAFB复合材料导电性能及介电性能的影响。结果表明:以化学键接枝聚合的PAn@mod-FAFB核-壳结构复合材料电导率相对较高, 且随mod-FAFB含量的增加而减小;在较低交变电场频率(100~2 000 kHz)下其相对介电常数较大, 且随mod-FAFB含量的增多, PAn@mod-FAFB复合材料的介电常数明显减小;PAn@mod-FAFB复合材料的介电损耗相对较小, 随mod-FAFB含量的增多而急剧减小。
为获得具有良好电流变性能的分散相粒子, 利用γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)修饰粉煤灰漂珠(FAFB), 将聚苯胺(PAn)以化学键的方式偶联在修饰后的FAFB(mod-FAFB)表面, 形成以mod-FAFB为核、PAn为壳的核-壳结构复合材料。采用FTIR、SEM、数字式四探针以及LCR介电谱仪对PAn@mod-FAFB复合材料的结构与性能进行分析, 讨论了不同mod-FAFB含量对PAn@mod-FAFB复合材料导电性能及介电性能的影响。结果表明:以化学键接枝聚合的PAn@mod-FAFB核-壳结构复合材料电导率相对较高, 且随mod-FAFB含量的增加而减小;在较低交变电场频率(100~2 000 kHz)下其相对介电常数较大, 且随mod-FAFB含量的增多, PAn@mod-FAFB复合材料的介电常数明显减小;PAn@mod-FAFB复合材料的介电损耗相对较小, 随mod-FAFB含量的增多而急剧减小。
2015, 32(4): 955-961.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140919.002
摘要:
为实现纳米Fe3O4/聚吡咯(PPy)复合材料的形貌可控合成,以十二烷基苯磺酸钠(NaDBS)为表面活性剂, 运用乳液聚合方法制备了纳米Fe3O4/PPy复合材料。研究了体系中油相吡咯及表面活性剂用量对纳米Fe3O4/PPy复合材料表面形貌的影响规律, 分析了纳米Fe3O4/PPy复合材料形貌与其电磁特性之间的关系。结果表明:吡咯用量的增加改变了体系中胶团的存在状态, 使得纳米Fe3O4/PPy复合材料的形貌由草莓状向核-壳结构转变;体系中胶团的数量随着表面活性剂用量的改变发生变化, 根据此规律调控了核-壳复合粒子内核的数量, 从而得到了单核或多核的纳米Fe3O4/PPy复合材料。
为实现纳米Fe3O4/聚吡咯(PPy)复合材料的形貌可控合成,以十二烷基苯磺酸钠(NaDBS)为表面活性剂, 运用乳液聚合方法制备了纳米Fe3O4/PPy复合材料。研究了体系中油相吡咯及表面活性剂用量对纳米Fe3O4/PPy复合材料表面形貌的影响规律, 分析了纳米Fe3O4/PPy复合材料形貌与其电磁特性之间的关系。结果表明:吡咯用量的增加改变了体系中胶团的存在状态, 使得纳米Fe3O4/PPy复合材料的形貌由草莓状向核-壳结构转变;体系中胶团的数量随着表面活性剂用量的改变发生变化, 根据此规律调控了核-壳复合粒子内核的数量, 从而得到了单核或多核的纳米Fe3O4/PPy复合材料。
2015, 32(4): 962-968.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141022.003
摘要:
为探讨防霉剂硼酸锌对麦秸秆/聚丙烯(PP)复合材料耐霉菌腐蚀性能的影响, 对添加不同含量硼酸锌的麦秸秆/PP复合材料进行了霉菌加速腐蚀实验。测试其腐蚀后的力学性能、颜色变化和吸水性, 采用FTIR分析其官能团的变化, 采用体视显微镜观察并分析复合材料表面霉菌生长情况及表面微观结构。结果表明:硼酸锌对麦秸秆/PP复合材料耐腐蚀性能有较好的改善作用, 硼酸锌最佳添加量为2wt%, 麦秸秆/PP复合材料腐蚀后表面霉菌生长较少, 其弯曲强度、弯曲弹性模量、拉伸强度和冲击强度比不添加硼酸锌分别提高6.5%、50.2%、6.8%和11.1%, 吸水率和色差值降低23.9%和30.7%。含量为2wt%的硼酸锌能够有效阻止霉菌菌丝腐蚀麦秸秆/PP复合材料的麦秸秆纤维素和半纤维素, 而硼酸锌含量较高时会影响复合材料的界面, 导致界面处麦秸秆纤维更易受霉菌腐蚀作用。
为探讨防霉剂硼酸锌对麦秸秆/聚丙烯(PP)复合材料耐霉菌腐蚀性能的影响, 对添加不同含量硼酸锌的麦秸秆/PP复合材料进行了霉菌加速腐蚀实验。测试其腐蚀后的力学性能、颜色变化和吸水性, 采用FTIR分析其官能团的变化, 采用体视显微镜观察并分析复合材料表面霉菌生长情况及表面微观结构。结果表明:硼酸锌对麦秸秆/PP复合材料耐腐蚀性能有较好的改善作用, 硼酸锌最佳添加量为2wt%, 麦秸秆/PP复合材料腐蚀后表面霉菌生长较少, 其弯曲强度、弯曲弹性模量、拉伸强度和冲击强度比不添加硼酸锌分别提高6.5%、50.2%、6.8%和11.1%, 吸水率和色差值降低23.9%和30.7%。含量为2wt%的硼酸锌能够有效阻止霉菌菌丝腐蚀麦秸秆/PP复合材料的麦秸秆纤维素和半纤维素, 而硼酸锌含量较高时会影响复合材料的界面, 导致界面处麦秸秆纤维更易受霉菌腐蚀作用。
2015, 32(4): 969-976.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141021.004
摘要:
为改善SiO2在三元乙丙橡胶(EPDM)复合材料中的分散性并获得良好界面性能, 通过传统自由基聚合法合成了一系列不同接枝率的大分子偶联剂, 即EPDM、甲基丙烯酸甲酯(MMA)和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)的三元共聚物。采用不同接枝率的大分子偶联剂对SiO2/EPDM复合材料进行改性。通过FTIR、1H-NMR、TGA、DMA和SEM对三元共聚物的结构和SiO2/EPDM复合材料的性能进行研究。结果表明:添加了大分子偶联剂的SiO2/EPDM复合材料的相容性得到了显著改善, 拉伸强度和撕裂强度比未经偶联剂处理的SiO2/EPDM复合材料分别提高了109.4%和44.0%;SiO2表面改性后的SiO2/EPDM复合材料的储能模量和玻璃化转变温度有所升高。
为改善SiO2在三元乙丙橡胶(EPDM)复合材料中的分散性并获得良好界面性能, 通过传统自由基聚合法合成了一系列不同接枝率的大分子偶联剂, 即EPDM、甲基丙烯酸甲酯(MMA)和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)的三元共聚物。采用不同接枝率的大分子偶联剂对SiO2/EPDM复合材料进行改性。通过FTIR、1H-NMR、TGA、DMA和SEM对三元共聚物的结构和SiO2/EPDM复合材料的性能进行研究。结果表明:添加了大分子偶联剂的SiO2/EPDM复合材料的相容性得到了显著改善, 拉伸强度和撕裂强度比未经偶联剂处理的SiO2/EPDM复合材料分别提高了109.4%和44.0%;SiO2表面改性后的SiO2/EPDM复合材料的储能模量和玻璃化转变温度有所升高。
2015, 32(4): 977-982.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141105.005
摘要:
为制备高性能的木塑复合材料, 扩展其应用领域, 采用A-171硅烷偶联剂对竹粉进行表面改性, 并添加一定量的铝矾土, 经热压成型制备了竹粉/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料。分析了铝矾土用量对竹粉/HDPE复合材料力学性能、耐热性和摩擦性能的影响。采用XRD分析了铝矾土的结晶特性, 利用SEM和EDS分析了竹粉/HDPE复合材料的断面形貌和表面元素分布情况。结果表明:加入适量铝矾土后, 竹粉/HDPE复合材料的力学强度、耐热性及耐磨性能得以改善。铝矾土在竹粉/HDPE复合材料基体中分布均匀, 可有效承担载荷, 同时提高了竹粉/HDPE复合材料的结晶性能, 降低了竹粉/HDPE复合材料在外在应力下引起的变形和破坏;但铝矾土用量过高, 分布不均匀, 容易形成团聚现象, 导致竹粉/HDPE复合材料的力学强度和耐磨性降低, 线性热膨胀系数增大。
为制备高性能的木塑复合材料, 扩展其应用领域, 采用A-171硅烷偶联剂对竹粉进行表面改性, 并添加一定量的铝矾土, 经热压成型制备了竹粉/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料。分析了铝矾土用量对竹粉/HDPE复合材料力学性能、耐热性和摩擦性能的影响。采用XRD分析了铝矾土的结晶特性, 利用SEM和EDS分析了竹粉/HDPE复合材料的断面形貌和表面元素分布情况。结果表明:加入适量铝矾土后, 竹粉/HDPE复合材料的力学强度、耐热性及耐磨性能得以改善。铝矾土在竹粉/HDPE复合材料基体中分布均匀, 可有效承担载荷, 同时提高了竹粉/HDPE复合材料的结晶性能, 降低了竹粉/HDPE复合材料在外在应力下引起的变形和破坏;但铝矾土用量过高, 分布不均匀, 容易形成团聚现象, 导致竹粉/HDPE复合材料的力学强度和耐磨性降低, 线性热膨胀系数增大。
2015, 32(4): 983-988.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141118.005
摘要:
利用自行设计的浸渍模具, 通过拉挤熔融浸渍工艺, 定量考察了牵引速度、熔体温度和浸渍辊个数等工艺参数对连续玻璃纤维增强热塑性复合材料复合过程中纤维断裂的影响, 旨在通过所建立的纤维断裂数学模型, 预测预浸料生产过程中纤维断裂率并描述实验结果。 结果表明: 模型与实验数据吻合较好, 能够为工业化生产提供指导与借鉴; 纤维束在模具中拖曳而产生的黏性剪切作用是影响纤维断裂的主要因素, 适当减少浸渍辊数及采用低黏度树脂能够显著降低纤维断裂,提高工艺稳定性。
利用自行设计的浸渍模具, 通过拉挤熔融浸渍工艺, 定量考察了牵引速度、熔体温度和浸渍辊个数等工艺参数对连续玻璃纤维增强热塑性复合材料复合过程中纤维断裂的影响, 旨在通过所建立的纤维断裂数学模型, 预测预浸料生产过程中纤维断裂率并描述实验结果。 结果表明: 模型与实验数据吻合较好, 能够为工业化生产提供指导与借鉴; 纤维束在模具中拖曳而产生的黏性剪切作用是影响纤维断裂的主要因素, 适当减少浸渍辊数及采用低黏度树脂能够显著降低纤维断裂,提高工艺稳定性。
2015, 32(4): 989-996.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141118.003
摘要:
为提高玻纤增强环氧树脂复合材料的力学性能,采用静电植绒法将多壁碳纳米管(MWCNTs)附着在玻纤织物表面, 得到改性的玻纤织物。利用一种低黏度的环氧树脂和所制得的改性织物, 采用真空辅助成型工艺(VARI)制备了MWCNTs改性格玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板, 表征了层合板的力学性能。对进行力学实验后的MWCNTs改性玻纤织物/环氧树脂复合材料试样断口进行了SEM和OPM观察。结果显示:与未添加MWCNTs的玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板相比, 添加了MWCNTs的层合板的拉伸强度降低了10.24%, 弯曲强度降低了13.90%, 压缩强度降低了17.33%, 拉伸模量和弯曲模量分别提高了19.38%和16.04%, 压缩模量提高了13%;MWCNTs与玻纤织物之间的结合较弱, 在拉伸作用下, 存在明显的脱粘和分层;将改性玻纤织物在200 ℃下热压处理2 h后, 制备的MWCNTs改性玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板的力学性能均有所提高, 热压处理后树脂与玻纤织物之间的界面结合得到改善。
为提高玻纤增强环氧树脂复合材料的力学性能,采用静电植绒法将多壁碳纳米管(MWCNTs)附着在玻纤织物表面, 得到改性的玻纤织物。利用一种低黏度的环氧树脂和所制得的改性织物, 采用真空辅助成型工艺(VARI)制备了MWCNTs改性格玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板, 表征了层合板的力学性能。对进行力学实验后的MWCNTs改性玻纤织物/环氧树脂复合材料试样断口进行了SEM和OPM观察。结果显示:与未添加MWCNTs的玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板相比, 添加了MWCNTs的层合板的拉伸强度降低了10.24%, 弯曲强度降低了13.90%, 压缩强度降低了17.33%, 拉伸模量和弯曲模量分别提高了19.38%和16.04%, 压缩模量提高了13%;MWCNTs与玻纤织物之间的结合较弱, 在拉伸作用下, 存在明显的脱粘和分层;将改性玻纤织物在200 ℃下热压处理2 h后, 制备的MWCNTs改性玻纤织物/环氧树脂复合材料层合板的力学性能均有所提高, 热压处理后树脂与玻纤织物之间的界面结合得到改善。
2015, 32(4): 997-1006.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140925.002
摘要:
为了提高海藻酸钠与明胶各自的性能, 首先, 以海藻酸钠和明胶为原料, 以京尼平、CaCl2为交联剂, 采用分步交联法制备了明胶/海藻酸钠互穿网络膜。然后, 利用FTIR对明胶/海藻酸钠互穿网络结构进行了表征与分析, 根据FTIR结果推测了互穿网络结构形成的机制。最后, 探讨了京尼平的加入量和明胶与京尼平的质量比对互穿网络膜力学性能和交联度的影响, 及海藻酸钠与明胶的质量比对互穿网络膜力学性能、断面形貌、热稳定性和吸水保水性能的影响。结果表明:当明胶与京尼平的质量比为200:1、海藻酸钠与明胶的质量比为2:1时, 互穿网络膜具有最佳的力学性能、吸水保水性能和相容性;此外, 互穿网络膜的力学性能也优于纯海藻酸钠膜与纯明胶膜的。明胶的加入提高了互穿网络膜在低温区的热稳定性, 但降低了高温区的热稳定性。海藻酸钠与明胶之间可能以分子间作用力、氢键及离子键等相互作用, 提高了二者各自的初始分解温度与最大热分解温度。研究解决了海藻酸钠与明胶力学性能差的问题, 为拓展海藻酸钠在医用领域的应用提供参考。
为了提高海藻酸钠与明胶各自的性能, 首先, 以海藻酸钠和明胶为原料, 以京尼平、CaCl2为交联剂, 采用分步交联法制备了明胶/海藻酸钠互穿网络膜。然后, 利用FTIR对明胶/海藻酸钠互穿网络结构进行了表征与分析, 根据FTIR结果推测了互穿网络结构形成的机制。最后, 探讨了京尼平的加入量和明胶与京尼平的质量比对互穿网络膜力学性能和交联度的影响, 及海藻酸钠与明胶的质量比对互穿网络膜力学性能、断面形貌、热稳定性和吸水保水性能的影响。结果表明:当明胶与京尼平的质量比为200:1、海藻酸钠与明胶的质量比为2:1时, 互穿网络膜具有最佳的力学性能、吸水保水性能和相容性;此外, 互穿网络膜的力学性能也优于纯海藻酸钠膜与纯明胶膜的。明胶的加入提高了互穿网络膜在低温区的热稳定性, 但降低了高温区的热稳定性。海藻酸钠与明胶之间可能以分子间作用力、氢键及离子键等相互作用, 提高了二者各自的初始分解温度与最大热分解温度。研究解决了海藻酸钠与明胶力学性能差的问题, 为拓展海藻酸钠在医用领域的应用提供参考。
2015, 32(4): 1007-1016.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141103.001
摘要:
为考察炭黑对橡胶复合材料超弹性力学行为的影响, 首先, 利用不同填充体积分数的炭黑增强橡胶复合材料的准静态力学试验数据, 对现有的基于均质化方法的"变形放大"细观力学模型的大变形表征能力进行了评估。其次, 在此基础上提出了新的"第一不变量放大"关系, 并获得了较为合理的预测结果。最后, 利用随机序列吸附算法建立了较接近材料真实细观结构的球形颗粒填充数值模型, 进行了大变形情况下的三维数值模拟;为考察颗粒聚集效应的影响, 还设置了颗粒均匀随机分布和团聚随机分布两种形式。计算结果与试验数据的对照表明:提出的三维细观数值模型已经能在一定程度上预测填充橡胶的大变形宏观力学行为, 且颗粒团聚随机分布模型的预测能力更好一些。试验结果验证了该模型的合理性, 所建模型为进一步的相关研究提供了参考。
为考察炭黑对橡胶复合材料超弹性力学行为的影响, 首先, 利用不同填充体积分数的炭黑增强橡胶复合材料的准静态力学试验数据, 对现有的基于均质化方法的"变形放大"细观力学模型的大变形表征能力进行了评估。其次, 在此基础上提出了新的"第一不变量放大"关系, 并获得了较为合理的预测结果。最后, 利用随机序列吸附算法建立了较接近材料真实细观结构的球形颗粒填充数值模型, 进行了大变形情况下的三维数值模拟;为考察颗粒聚集效应的影响, 还设置了颗粒均匀随机分布和团聚随机分布两种形式。计算结果与试验数据的对照表明:提出的三维细观数值模型已经能在一定程度上预测填充橡胶的大变形宏观力学行为, 且颗粒团聚随机分布模型的预测能力更好一些。试验结果验证了该模型的合理性, 所建模型为进一步的相关研究提供了参考。
2015, 32(4): 1017-1024.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141118.002
摘要:
为了提高环氧树脂涂层的抗腐蚀性能, 首先, 利用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO)。然后, 将3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)改性纳米TiO2负载在GO表面, 制备了改性纳米TiO2与GO的复合颗粒(TiO2-GO), 通过FTIR、XRD和SEM对TiO2-GO进行了表征。最后, 将TiO2-GO分散于环氧树脂中, 分别制备出TiO2-GO含量为1wt%、2wt%和3wt%的TiO2-GO/环氧树脂涂层及纯环氧树脂涂层, 通过SEM观察了涂层断面形貌, 利用电化学工作站和高温高压抗腐蚀测试表征了涂层的防腐蚀性能。结果表明:纳米TiO2通过化学键与GO结合在一起, 将TiO2-GO分散于环氧树脂涂层中可以显著提高环氧树脂涂层的抗腐蚀性能。研究为通过添加GO的方法改善环氧树脂涂层的防腐性能提供了参考。
为了提高环氧树脂涂层的抗腐蚀性能, 首先, 利用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO)。然后, 将3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)改性纳米TiO2负载在GO表面, 制备了改性纳米TiO2与GO的复合颗粒(TiO2-GO), 通过FTIR、XRD和SEM对TiO2-GO进行了表征。最后, 将TiO2-GO分散于环氧树脂中, 分别制备出TiO2-GO含量为1wt%、2wt%和3wt%的TiO2-GO/环氧树脂涂层及纯环氧树脂涂层, 通过SEM观察了涂层断面形貌, 利用电化学工作站和高温高压抗腐蚀测试表征了涂层的防腐蚀性能。结果表明:纳米TiO2通过化学键与GO结合在一起, 将TiO2-GO分散于环氧树脂涂层中可以显著提高环氧树脂涂层的抗腐蚀性能。研究为通过添加GO的方法改善环氧树脂涂层的防腐性能提供了参考。
2015, 32(4): 1025-1031.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141118.007
摘要:
为提供纳米ZnO/乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)复合材料加工及性能优化的理论依据, 通过熔融共混法制备了纳米ZnO/EVA复合材料, 采用DSC研究了复合材料的熔融结晶行为, 采用旋转流变仪分析了纳米ZnO质量分数以及偶联剂表面处理对复合材料体系动态流变行为的影响。结果表明:随着纳米ZnO质量分数的提高, 纳米ZnO/EVA复合材料的结晶温度和熔融温度均先上升后下降;但改性纳米ZnO质量分数对改性纳米ZnO/EVA复合材料的熔融温度和结晶温度影响不大。当纳米ZnO的质量分数大于20%时, 纳米ZnO/EVA体系的复数黏度发生突变, 储存模量-角频率曲线在低频区出现第二平台, 对应于应变扫描曲线上出现的两段线性黏弹区域, 表明因纳米ZnO粒子间相互关联、团聚及粒子与基体间的相互作用形成了局部有序的逾渗网络结构;而纳米ZnO经偶联剂表面处理后, 体系的复数黏度下降, 储存模量-角频率曲线没有出现平台, 说明改性纳米ZnO在复合材料体系中分散得更加均匀。研究表明偶联剂对纳米ZnO的表面处理改善了纳米ZnO在EVA中的分散性。
为提供纳米ZnO/乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)复合材料加工及性能优化的理论依据, 通过熔融共混法制备了纳米ZnO/EVA复合材料, 采用DSC研究了复合材料的熔融结晶行为, 采用旋转流变仪分析了纳米ZnO质量分数以及偶联剂表面处理对复合材料体系动态流变行为的影响。结果表明:随着纳米ZnO质量分数的提高, 纳米ZnO/EVA复合材料的结晶温度和熔融温度均先上升后下降;但改性纳米ZnO质量分数对改性纳米ZnO/EVA复合材料的熔融温度和结晶温度影响不大。当纳米ZnO的质量分数大于20%时, 纳米ZnO/EVA体系的复数黏度发生突变, 储存模量-角频率曲线在低频区出现第二平台, 对应于应变扫描曲线上出现的两段线性黏弹区域, 表明因纳米ZnO粒子间相互关联、团聚及粒子与基体间的相互作用形成了局部有序的逾渗网络结构;而纳米ZnO经偶联剂表面处理后, 体系的复数黏度下降, 储存模量-角频率曲线没有出现平台, 说明改性纳米ZnO在复合材料体系中分散得更加均匀。研究表明偶联剂对纳米ZnO的表面处理改善了纳米ZnO在EVA中的分散性。
2015, 32(4): 1032-1041.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141031.001
摘要:
首先, 为研究复合材料层合板在准静态载荷下的基体裂纹演化特征, 提出了一个基于能量的协同损伤演化模型。然后, 通过模型对损伤进行了多尺度分析:从微观角度, 采用三维有限元方法求得裂纹表面位移;从宏观角度, 结合裂纹表面位移, 推导了萌生基体裂纹的能量释放率。最后, 根据裂纹萌生准则对基体裂纹的演化过程进行预测。模型考虑了演化过程中损伤的相互影响、残余应力、基体材料非线性、材料初始损伤分布及损伤演化的不均匀性。根据演化分析流程计算了[±θ/904]s铺层玻璃纤维复合材料的基体裂纹演化过程。 结果表明:这一模型能够准确地预测准静态载荷下复合材料层合板基体裂纹的损伤演化规律。
首先, 为研究复合材料层合板在准静态载荷下的基体裂纹演化特征, 提出了一个基于能量的协同损伤演化模型。然后, 通过模型对损伤进行了多尺度分析:从微观角度, 采用三维有限元方法求得裂纹表面位移;从宏观角度, 结合裂纹表面位移, 推导了萌生基体裂纹的能量释放率。最后, 根据裂纹萌生准则对基体裂纹的演化过程进行预测。模型考虑了演化过程中损伤的相互影响、残余应力、基体材料非线性、材料初始损伤分布及损伤演化的不均匀性。根据演化分析流程计算了[±θ/904]s铺层玻璃纤维复合材料的基体裂纹演化过程。 结果表明:这一模型能够准确地预测准静态载荷下复合材料层合板基体裂纹的损伤演化规律。
2015, 32(4): 1042-1052.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141204.003
摘要:
为了拓展天然纤维素材料的应用, 在综合国内外对天然纤维素材料、纳米材料和抗菌材料相关研究的基础上, 首先, 利用LiCl/二甲基乙酰胺(DMAC)溶剂体系配置了不同共混比例的天然纤维素/聚丙烯腈纺丝液, 采用静电纺丝技术制备了纤维素/聚丙烯腈纳米纤维。然后, 用铜氨溶液对纳米纤维进行了抗菌处理, 制备了具有一定抗菌功能的纤维集合体。最后, 采用SEM观察不同共混比例下纳米纤维的微观形貌;采用TG和DSC表征其热性能;采用FTIR和表面接触角测量仪表征共混后纳米纤维的化学组成和亲水性的变化;采用振荡法测定纳米纤维的抗菌性能。结果表明:通过静电纺丝技术可制得直径在200~400 nm范围内的纤维素/聚丙烯腈纳米纤维。随着纤维素含量的提高, 纳米纤维的表面越来越粗糙, 粘连愈加严重, 且直径离散度也变大。当纤维素与聚丙烯腈的共混质量比大于75:25时, 纤维的直径标准偏差由纯聚丙烯腈纤维的100 nm以下变为150 nm以上。纤维素/聚丙烯腈纳米纤维具有良好的热性能, 与纯纤维素纳米纤维相比热稳定性有一定提高, 当纤维素与聚丙烯腈的共混质量比为25:75时热稳定性最好。纤维素/聚丙烯腈纳米纤维的亲水性优于普通医用纱布的。经过铜氨溶液抗菌处理的纳米纤维具有良好的抗菌性能, 对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别为82%和75%。
为了拓展天然纤维素材料的应用, 在综合国内外对天然纤维素材料、纳米材料和抗菌材料相关研究的基础上, 首先, 利用LiCl/二甲基乙酰胺(DMAC)溶剂体系配置了不同共混比例的天然纤维素/聚丙烯腈纺丝液, 采用静电纺丝技术制备了纤维素/聚丙烯腈纳米纤维。然后, 用铜氨溶液对纳米纤维进行了抗菌处理, 制备了具有一定抗菌功能的纤维集合体。最后, 采用SEM观察不同共混比例下纳米纤维的微观形貌;采用TG和DSC表征其热性能;采用FTIR和表面接触角测量仪表征共混后纳米纤维的化学组成和亲水性的变化;采用振荡法测定纳米纤维的抗菌性能。结果表明:通过静电纺丝技术可制得直径在200~400 nm范围内的纤维素/聚丙烯腈纳米纤维。随着纤维素含量的提高, 纳米纤维的表面越来越粗糙, 粘连愈加严重, 且直径离散度也变大。当纤维素与聚丙烯腈的共混质量比大于75:25时, 纤维的直径标准偏差由纯聚丙烯腈纤维的100 nm以下变为150 nm以上。纤维素/聚丙烯腈纳米纤维具有良好的热性能, 与纯纤维素纳米纤维相比热稳定性有一定提高, 当纤维素与聚丙烯腈的共混质量比为25:75时热稳定性最好。纤维素/聚丙烯腈纳米纤维的亲水性优于普通医用纱布的。经过铜氨溶液抗菌处理的纳米纤维具有良好的抗菌性能, 对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别为82%和75%。
2015, 32(4): 1053-1060.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140917.004
摘要:
采用反应热压烧结法制备MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料, 研究热压温度和MgAl2O4含量对该复合材料相组成、力学性能及抗氧化性能的影响。结果表明:热压温度影响MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料相组成, 在1 450 ℃烧结可得到性能良好的MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料。引入适量的MgAl2O4, 起到弥散强化的作用, 有助于提高复合材料的力学性能, 当引入量为20wt%时, 抗弯强度为527.6 MPa, 断裂韧性为7.09 MPa·m1/2。MgAl2O4/Ti3SiC2试样的抗氧化性能优于Ti3SiC2试样。MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料在1 400 ℃氧化后的氧化层分两层, 外层是Mg0.6Al0.8Ti1.6O5和金红石型TiO2, 内层是由TiO2、方石英SiO2及少量未氧化的基体相混合组成。
采用反应热压烧结法制备MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料, 研究热压温度和MgAl2O4含量对该复合材料相组成、力学性能及抗氧化性能的影响。结果表明:热压温度影响MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料相组成, 在1 450 ℃烧结可得到性能良好的MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料。引入适量的MgAl2O4, 起到弥散强化的作用, 有助于提高复合材料的力学性能, 当引入量为20wt%时, 抗弯强度为527.6 MPa, 断裂韧性为7.09 MPa·m1/2。MgAl2O4/Ti3SiC2试样的抗氧化性能优于Ti3SiC2试样。MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料在1 400 ℃氧化后的氧化层分两层, 外层是Mg0.6Al0.8Ti1.6O5和金红石型TiO2, 内层是由TiO2、方石英SiO2及少量未氧化的基体相混合组成。
2015, 32(4): 1061-1066.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141209.001
摘要:
将不同比例的氧化石墨烯(GO)和硝酸银混合, 采用水合肼一步还原制备石墨烯/纳米银(RGO/Ag)复合材料。采用UV-vis、XRD、FTIR和SEM对RGO/Ag复合材料结构组成进行表征分析, 并结合热流量和结构变化研究其构成和热处理工艺对导电性的影响。结果表明:Ag基本以类似球形与石墨烯(RGO)复合;RGO/Ag复合材料的导电性与其构成有很大关系, 只有当GO加入量小于50 wt%时, Ag含量的提高和热处理工艺的优化可以明显改善复合材料的导电性, 其中, GO加入量为16 wt%的RGO/Ag片方阻值可达到8 mΩ/□ ;当GO加入量高于50 wt%时, 复合材料导电性与RGO接近, 受Ag含量的提高和热处理工艺优化的影响较小。
将不同比例的氧化石墨烯(GO)和硝酸银混合, 采用水合肼一步还原制备石墨烯/纳米银(RGO/Ag)复合材料。采用UV-vis、XRD、FTIR和SEM对RGO/Ag复合材料结构组成进行表征分析, 并结合热流量和结构变化研究其构成和热处理工艺对导电性的影响。结果表明:Ag基本以类似球形与石墨烯(RGO)复合;RGO/Ag复合材料的导电性与其构成有很大关系, 只有当GO加入量小于50 wt%时, Ag含量的提高和热处理工艺的优化可以明显改善复合材料的导电性, 其中, GO加入量为16 wt%的RGO/Ag片方阻值可达到8 mΩ/□ ;当GO加入量高于50 wt%时, 复合材料导电性与RGO接近, 受Ag含量的提高和热处理工艺优化的影响较小。
2015, 32(4): 1067-1074.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141031.002
摘要:
对3种不同水灰比(0.2, 0.4, 0.65)形成的聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基材料, 通过三点弯曲试验, 结合表观裂缝形状和裂缝处PVA纤维形态, 研究了水灰比对材料弯曲性能的影响;通过对断裂面处纤维表面、纤维嵌入端和纤维拉断或拔出端的SEM影像分析, 从微观层面研究了水灰比对PVA纤维-基体界面显微结构的影响。弯曲试验结果表明:随着水灰比增加, 跨中部位裂缝数量明显增加, 裂缝处拔出的纤维数量增多而拉断的数量减少, 材料的弯曲韧度和开裂强度到弯曲强度的增强幅度提高。界面显微结构表明:随着水灰比增加, 基体结构由致密变疏松, 界面粘结力减弱, 桥接裂缝的PVA纤维状态由瞬间猝断转变为滑动拔出且表面有轻微刮削, 纤维对材料增强增韧的效率显著提高。
对3种不同水灰比(0.2, 0.4, 0.65)形成的聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基材料, 通过三点弯曲试验, 结合表观裂缝形状和裂缝处PVA纤维形态, 研究了水灰比对材料弯曲性能的影响;通过对断裂面处纤维表面、纤维嵌入端和纤维拉断或拔出端的SEM影像分析, 从微观层面研究了水灰比对PVA纤维-基体界面显微结构的影响。弯曲试验结果表明:随着水灰比增加, 跨中部位裂缝数量明显增加, 裂缝处拔出的纤维数量增多而拉断的数量减少, 材料的弯曲韧度和开裂强度到弯曲强度的增强幅度提高。界面显微结构表明:随着水灰比增加, 基体结构由致密变疏松, 界面粘结力减弱, 桥接裂缝的PVA纤维状态由瞬间猝断转变为滑动拔出且表面有轻微刮削, 纤维对材料增强增韧的效率显著提高。
2015, 32(4): 1075-1082.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141031.003
摘要:
采用细观力学方法对单向C/SiC陶瓷基复合材料的基体失效机制进行了研究。利用剪滞理论模型和临界基体应变能(CMSE)准则预测了C/SiC陶瓷基复合材料受拉时基体开裂失效过程, 获得了单向C/SiC陶瓷基复合材料基体开裂段的应力-应变曲线。并将扩展有限元法(XFEM)用于该开裂过程的模拟, 得到了对应的应力-应变曲线。研究结果表明, 采用剪滞理论模型、CMSE和采用XFEM得到的计算结果与相关的实验结果三者能较好地吻合, 证明了计算方法的有效性。
采用细观力学方法对单向C/SiC陶瓷基复合材料的基体失效机制进行了研究。利用剪滞理论模型和临界基体应变能(CMSE)准则预测了C/SiC陶瓷基复合材料受拉时基体开裂失效过程, 获得了单向C/SiC陶瓷基复合材料基体开裂段的应力-应变曲线。并将扩展有限元法(XFEM)用于该开裂过程的模拟, 得到了对应的应力-应变曲线。研究结果表明, 采用剪滞理论模型、CMSE和采用XFEM得到的计算结果与相关的实验结果三者能较好地吻合, 证明了计算方法的有效性。
2015, 32(4): 1083-1091.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150428.001
摘要:
针对高超声速飞行器新型超高温结构力/热/氧化关键性能参量试验测试的迫切需求, 自行设计并建立了可实现在高达1 500 ℃极端高温氧化环境下进行结构断裂性能测试的辐射式热/力联合试验系统, 并对耐高温C/SiC复合材料结构在1 500 ℃等高温氧化环境下的断裂强度以及出现断裂时的时间点等关键性能参数进行了试验测试, 当试验温度从1 000 ℃上升至1 500 ℃, C/SiC复合材料试验件的断裂强度下降了47.5%, 断裂时间缩短50.1%。本极端高温载荷试验系统为高超声速飞行器结构热强度研究提供了重要的氧化环境下的热/力联合试验测试手段。研究结果表明:通过高温预加载可以明显提高C/SiC复合材料结构的断裂强度, 增幅为38%, 承载时间提高61.1%。试验结果为高超声速飞行器复合材料部件在极端热环境下的安全可靠性设计以及强度性能的改进提供了重要依据。
针对高超声速飞行器新型超高温结构力/热/氧化关键性能参量试验测试的迫切需求, 自行设计并建立了可实现在高达1 500 ℃极端高温氧化环境下进行结构断裂性能测试的辐射式热/力联合试验系统, 并对耐高温C/SiC复合材料结构在1 500 ℃等高温氧化环境下的断裂强度以及出现断裂时的时间点等关键性能参数进行了试验测试, 当试验温度从1 000 ℃上升至1 500 ℃, C/SiC复合材料试验件的断裂强度下降了47.5%, 断裂时间缩短50.1%。本极端高温载荷试验系统为高超声速飞行器结构热强度研究提供了重要的氧化环境下的热/力联合试验测试手段。研究结果表明:通过高温预加载可以明显提高C/SiC复合材料结构的断裂强度, 增幅为38%, 承载时间提高61.1%。试验结果为高超声速飞行器复合材料部件在极端热环境下的安全可靠性设计以及强度性能的改进提供了重要依据。
2015, 32(4): 1092-1098.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140919.003
摘要:
为解决由于螺栓和复合材料板制孔制造过程中不可避免的制造公差引起的配合间隙的不同, 而使复合材料螺栓连接钉载分配不同, 从而导致螺栓连接强度分散性的问题, 以英制高锁螺栓和孔板制孔的制造公差为例, 研究不同配合间隙下双剪四钉螺栓连接钉载分配情况, 并进一步采用改进的特征曲线法、改进的强度包线法和渐进损伤模型对螺栓连接结构的强度进行预测, 得到四钉连接失效强度的分散区间分别为[-3.87%, 2.16%]、[-4.01%, 3.95%]和[-3.16%, 5.14%]。结果说明如果紧固件及螺栓孔均符合制造标准, 则其对强度的影响范围不超过6%。
为解决由于螺栓和复合材料板制孔制造过程中不可避免的制造公差引起的配合间隙的不同, 而使复合材料螺栓连接钉载分配不同, 从而导致螺栓连接强度分散性的问题, 以英制高锁螺栓和孔板制孔的制造公差为例, 研究不同配合间隙下双剪四钉螺栓连接钉载分配情况, 并进一步采用改进的特征曲线法、改进的强度包线法和渐进损伤模型对螺栓连接结构的强度进行预测, 得到四钉连接失效强度的分散区间分别为[-3.87%, 2.16%]、[-4.01%, 3.95%]和[-3.16%, 5.14%]。结果说明如果紧固件及螺栓孔均符合制造标准, 则其对强度的影响范围不超过6%。
2015, 32(4): 1099-1106.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141022.001
摘要:
为了模拟功能梯度材料(FGM)在工程应用中可能会出现的断裂问题并计算相应的开裂载荷, 通过编写用户自定义UEL子程序将梯度扩展单元嵌入到ABAQUS软件中模拟功能梯度材料的物理场, 并编写交互能量积分后处理子程序计算裂纹尖端的混合模式应力强度因子(SIF), 采用最大周向应力准则编写子程序计算裂纹的偏转角, 并模拟了裂纹扩展路径, 计算了裂纹的起裂载荷。讨论了材料梯度参数对裂纹扩展路径以及起裂载荷的影响规律。通过与均匀材料的对比, 验证了功能梯度材料断裂性能的优越性。研究表明:外载平行于梯度方向时, 垂直梯度方向的初始裂纹朝着等效弹性模量小的方向扩展, 且偏转角在梯度指数线性时出现峰值, 并随着组分弹性模量比的增加而变大;当外载和初始裂纹均平行于梯度方向时, 材料等效弹性模量和断裂韧性的增加或者梯度指数的减小都导致起裂载荷变大。
为了模拟功能梯度材料(FGM)在工程应用中可能会出现的断裂问题并计算相应的开裂载荷, 通过编写用户自定义UEL子程序将梯度扩展单元嵌入到ABAQUS软件中模拟功能梯度材料的物理场, 并编写交互能量积分后处理子程序计算裂纹尖端的混合模式应力强度因子(SIF), 采用最大周向应力准则编写子程序计算裂纹的偏转角, 并模拟了裂纹扩展路径, 计算了裂纹的起裂载荷。讨论了材料梯度参数对裂纹扩展路径以及起裂载荷的影响规律。通过与均匀材料的对比, 验证了功能梯度材料断裂性能的优越性。研究表明:外载平行于梯度方向时, 垂直梯度方向的初始裂纹朝着等效弹性模量小的方向扩展, 且偏转角在梯度指数线性时出现峰值, 并随着组分弹性模量比的增加而变大;当外载和初始裂纹均平行于梯度方向时, 材料等效弹性模量和断裂韧性的增加或者梯度指数的减小都导致起裂载荷变大。
2015, 32(4): 1107-1117.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150623.003
摘要:
以高效模拟功能梯度材料(FGM)微观非均质性对整体热力学性能的影响为研究目的, 通过随机形态描述函数(RMDF)法和体积分数的指数分布建立FGM二维微结构, 在此基础上, 发展了FGM热应力分析的耦合扩展多尺度有限元方法(CEMsFEM)。该方法基于扩展多尺度有限元方法(EMsFEM)的基本思想, 对温度场和位移场构造数值基函数, 以把微观非均质材料性质带到宏观响应中。同时为了考虑泊松效应导致的不同方向间的耦合作用, 在位移场数值基函数中增加了耦合附加项。通过数值基函数建立宏微观单元信息的映射关系, 在宏观尺度求解有效方程, 节约计算量。为了更好地考虑微观载荷的影响, 把结构的真实响应分解为宏观响应和微观扰动, 进一步推导出修正的宏观载荷向量。通过不同体积分数分布的FGM在不同载荷工况下的热应力分析算例验证了本文中方法的正确性和有效性, 最后讨论了微结构的尺寸效应对结构热力学响应的影响。
以高效模拟功能梯度材料(FGM)微观非均质性对整体热力学性能的影响为研究目的, 通过随机形态描述函数(RMDF)法和体积分数的指数分布建立FGM二维微结构, 在此基础上, 发展了FGM热应力分析的耦合扩展多尺度有限元方法(CEMsFEM)。该方法基于扩展多尺度有限元方法(EMsFEM)的基本思想, 对温度场和位移场构造数值基函数, 以把微观非均质材料性质带到宏观响应中。同时为了考虑泊松效应导致的不同方向间的耦合作用, 在位移场数值基函数中增加了耦合附加项。通过数值基函数建立宏微观单元信息的映射关系, 在宏观尺度求解有效方程, 节约计算量。为了更好地考虑微观载荷的影响, 把结构的真实响应分解为宏观响应和微观扰动, 进一步推导出修正的宏观载荷向量。通过不同体积分数分布的FGM在不同载荷工况下的热应力分析算例验证了本文中方法的正确性和有效性, 最后讨论了微结构的尺寸效应对结构热力学响应的影响。
2015, 32(4): 1118-1124.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140923.002
摘要:
为研究聚酯纤维机织物-聚氯乙烯-聚偏氟乙烯(P-PVC-PVDF)膜材的双轴剪切力学性能, 提出了工程剪应变计算方法、改进的剪应力计算方法和应力加载方法。基于自主研制的双轴拉伸试验机, 对P-PVC-PVDF膜材进行了双轴剪切力学性能试验, 得到了膜材剪应力-剪应变曲线、剪切模量和滞回环面积。分析结果表明, 剪应力由正变为负后, 各力学参数有所差异, 但均在加载一次后趋于稳定。当剪应力的上下限设定为±2 kN/m时, 稳定后的剪切模量范围为11~13 kN/m。 通过对比证明, 主轴与加载方向的夹角变化对计算结果影响不大。研究成果对膜结构设计与分析具有参考价值。
为研究聚酯纤维机织物-聚氯乙烯-聚偏氟乙烯(P-PVC-PVDF)膜材的双轴剪切力学性能, 提出了工程剪应变计算方法、改进的剪应力计算方法和应力加载方法。基于自主研制的双轴拉伸试验机, 对P-PVC-PVDF膜材进行了双轴剪切力学性能试验, 得到了膜材剪应力-剪应变曲线、剪切模量和滞回环面积。分析结果表明, 剪应力由正变为负后, 各力学参数有所差异, 但均在加载一次后趋于稳定。当剪应力的上下限设定为±2 kN/m时, 稳定后的剪切模量范围为11~13 kN/m。 通过对比证明, 主轴与加载方向的夹角变化对计算结果影响不大。研究成果对膜结构设计与分析具有参考价值。
2015, 32(4): 1125-1131.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141021.002
摘要:
基于正负电荷间的静电作用制备了具有核-壳结构的聚苯乙烯-氧化硅(PS-SiO2)杂化颗粒, 通过调节正硅酸乙酯的用量对样品的SiO2壳层厚度进行控制。利用原子力显微镜(AFM)在微观尺度上测定杂化颗粒的力-位移曲线, 根据Hertz接触模型和Sneddon接触模型, 考查了SiO2壳层厚度对样品压缩弹性模量的影响。扫描电子显微镜(SEM)和透射电镜(TEM)结果显示, 杂化颗粒中PS内核尺寸为(197±9)nm, 壳层由SiO2纳米颗粒组成, 在本试验范围内杂化颗粒样品的壳厚为11~16 nm。在Hertz接触模型条件下, PS微球的弹性模量为(2.2±0.5) GPa, 其数值略低于PS块体材料。当SiO2壳厚由11 nm增至16 nm时, 杂化颗粒的弹性模量从(4.4±0.6) GPa增至(10.2±1.1) GPa, 其数值明显低于纯SiO2, 且更接近于PS内核。
基于正负电荷间的静电作用制备了具有核-壳结构的聚苯乙烯-氧化硅(PS-SiO2)杂化颗粒, 通过调节正硅酸乙酯的用量对样品的SiO2壳层厚度进行控制。利用原子力显微镜(AFM)在微观尺度上测定杂化颗粒的力-位移曲线, 根据Hertz接触模型和Sneddon接触模型, 考查了SiO2壳层厚度对样品压缩弹性模量的影响。扫描电子显微镜(SEM)和透射电镜(TEM)结果显示, 杂化颗粒中PS内核尺寸为(197±9)nm, 壳层由SiO2纳米颗粒组成, 在本试验范围内杂化颗粒样品的壳厚为11~16 nm。在Hertz接触模型条件下, PS微球的弹性模量为(2.2±0.5) GPa, 其数值略低于PS块体材料。当SiO2壳厚由11 nm增至16 nm时, 杂化颗粒的弹性模量从(4.4±0.6) GPa增至(10.2±1.1) GPa, 其数值明显低于纯SiO2, 且更接近于PS内核。
2015, 32(4): 1132-1137.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141028.001
摘要:
研究了拉伸载荷下碳纤维复合材料(CFRP)T型接头的界面脱粘与裂纹扩展过程。对拉伸载荷下T型接头破坏过程进行数值模拟;在模拟敏感区域布置光纤布拉格光栅(FBG), 实时监测界面脱粘的产生及扩展应变特征;使用高速摄像机, 捕捉脱粘及裂纹扩展的图像数据。结果表明: T型接头的三角填料区首先出现损伤, 裂纹向两个方向扩展。水平方向: 向L型层与一型层之间的胶层扩展; 竖直方向:向两个L型层之间的胶层扩展。裂纹扩展最终引起结构失效。光纤布拉格光栅中心波长的变化能够在非视觉条件下记录损伤的出现、积累与扩展, 可正确预警结构内部损伤的产生, 还原裂纹扩展路径。
研究了拉伸载荷下碳纤维复合材料(CFRP)T型接头的界面脱粘与裂纹扩展过程。对拉伸载荷下T型接头破坏过程进行数值模拟;在模拟敏感区域布置光纤布拉格光栅(FBG), 实时监测界面脱粘的产生及扩展应变特征;使用高速摄像机, 捕捉脱粘及裂纹扩展的图像数据。结果表明: T型接头的三角填料区首先出现损伤, 裂纹向两个方向扩展。水平方向: 向L型层与一型层之间的胶层扩展; 竖直方向:向两个L型层之间的胶层扩展。裂纹扩展最终引起结构失效。光纤布拉格光栅中心波长的变化能够在非视觉条件下记录损伤的出现、积累与扩展, 可正确预警结构内部损伤的产生, 还原裂纹扩展路径。
2015, 32(4): 1138-1144.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141022.004
摘要:
基于双轴拉伸载荷下复合材料十字型试样的设计特点, 对比分析了不同几何形状的十字型试样在不同厚度比和载荷比条件下中心测试区应力集中系数和承力系数的变化规律, 并开展了不同载荷比的双轴拉伸实验进行验证。研究表明: 十字型试样中心测试区系数与载荷大小无关, 与试样几何形状、厚度比及载荷比有关;等宽加载臂宽度越小、厚度比越大, 应力集中系数越小, 载荷比不同, 应力集中系数也不同;一般而言, 中心测试区承力系数随厚度比增加而增大, x向承力系数βx随载荷比增加呈非线性增大, y向承力系数βy随载荷比增加呈线性减小;在双轴拉伸载荷条件下, 形状D十字型试样在载荷比f=4/1时中心测试区y向应力分量为负值, 表现为压应力状态。
基于双轴拉伸载荷下复合材料十字型试样的设计特点, 对比分析了不同几何形状的十字型试样在不同厚度比和载荷比条件下中心测试区应力集中系数和承力系数的变化规律, 并开展了不同载荷比的双轴拉伸实验进行验证。研究表明: 十字型试样中心测试区系数与载荷大小无关, 与试样几何形状、厚度比及载荷比有关;等宽加载臂宽度越小、厚度比越大, 应力集中系数越小, 载荷比不同, 应力集中系数也不同;一般而言, 中心测试区承力系数随厚度比增加而增大, x向承力系数βx随载荷比增加呈非线性增大, y向承力系数βy随载荷比增加呈线性减小;在双轴拉伸载荷条件下, 形状D十字型试样在载荷比f=4/1时中心测试区y向应力分量为负值, 表现为压应力状态。
2015, 32(4): 1145-1152.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141105.004
摘要:
通过选择合适的纤维轨迹, 丝束变角度(VAT)层合板相对于直纤维层合板能拥有更好的抗屈曲特性。为研究纤维轨迹特征长度和定向坐标系偏角对VAT层合板屈曲性能的影响, 首先对原始的纤维角度线性变化方法进行改进, 提出了一种纤维角度分段线性变化方法, 拓展了纤维轨迹的设计空间;其次, 采用改进后的纤维轨迹定义方法构建了一系列变刚度层合板;最后, 基于有限元方法, 从内力分布角度对变刚度层合板不同承载情况下的屈曲性能进行研究和探讨。数值结果表明:单向轴压工况下, 采用半边长的特征长度和90°偏角的纤维轨迹, 能使层合板的稳定性最好;双向轴压工况下, 应将特征长度和定向坐标系偏角作为额外的设计变量, 并通过优化获得最优的纤维轨迹。
通过选择合适的纤维轨迹, 丝束变角度(VAT)层合板相对于直纤维层合板能拥有更好的抗屈曲特性。为研究纤维轨迹特征长度和定向坐标系偏角对VAT层合板屈曲性能的影响, 首先对原始的纤维角度线性变化方法进行改进, 提出了一种纤维角度分段线性变化方法, 拓展了纤维轨迹的设计空间;其次, 采用改进后的纤维轨迹定义方法构建了一系列变刚度层合板;最后, 基于有限元方法, 从内力分布角度对变刚度层合板不同承载情况下的屈曲性能进行研究和探讨。数值结果表明:单向轴压工况下, 采用半边长的特征长度和90°偏角的纤维轨迹, 能使层合板的稳定性最好;双向轴压工况下, 应将特征长度和定向坐标系偏角作为额外的设计变量, 并通过优化获得最优的纤维轨迹。
2015, 32(4): 1153-1158.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141103.002
摘要:
基于均匀化方法, 根据长玻纤增强聚丙烯(LGFR-PP)的微观特征, 建立了非连续长玻纤增强复合材料的代表性体积单元(RVE), 通过有限元方法模拟预测了复合材料的宏观等效弹性力学参数, 与注塑样条拉伸性能测试结果进行了比较。研究表明, 通过在玻纤两侧增加聚丙烯(PP)分布, 所采用的RVE较传统连续纤维的有限元模型更为合理;当玻纤成单一取向时, 玻纤增强聚丙烯为一种横观各向同性材料;改变玻纤取向与拉伸方向之间的角度, 拉伸方向的等效模量先微幅减小, 再迅速降低, 而后趋于稳定。利用均匀化方法预测非连续长玻纤增强注塑件的等效弹性力学性能具有较高的工程可行性, 能进一步为玻纤增强注塑件的结构服役性能分析提供科学依据。
基于均匀化方法, 根据长玻纤增强聚丙烯(LGFR-PP)的微观特征, 建立了非连续长玻纤增强复合材料的代表性体积单元(RVE), 通过有限元方法模拟预测了复合材料的宏观等效弹性力学参数, 与注塑样条拉伸性能测试结果进行了比较。研究表明, 通过在玻纤两侧增加聚丙烯(PP)分布, 所采用的RVE较传统连续纤维的有限元模型更为合理;当玻纤成单一取向时, 玻纤增强聚丙烯为一种横观各向同性材料;改变玻纤取向与拉伸方向之间的角度, 拉伸方向的等效模量先微幅减小, 再迅速降低, 而后趋于稳定。利用均匀化方法预测非连续长玻纤增强注塑件的等效弹性力学性能具有较高的工程可行性, 能进一步为玻纤增强注塑件的结构服役性能分析提供科学依据。
2015, 32(4): 1159-1165.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141022.002
摘要:
对具有吸能子地板的全复合材料机身结构进行了垂直向7.9 m/s的抗坠毁数值模拟, 得到平均加速度、速度及撞击载荷值等动态冲击参数, 考虑采用不同的评价方法来评估其抗坠毁特性。并对全复合材料机身结构进行分块设计, 考虑在冲击过程中起关键作用的底部结构中加入吸能泡沫, 最后利用专业的瞬态动力学软件对有限元设计模型进行了冲击模拟, 并与测试结果进行了比较, 结果满足抗坠毁设计相应规范要求。计算得到的平均加速度不超过13g, 其相对误差不大于11%, 撞击载荷最大不超过6 kN, 坠毁平均负加速度持续时间不超过0.03 s, 结果较合理。 利用本模型可以指导直升机的抗坠毁设计。
对具有吸能子地板的全复合材料机身结构进行了垂直向7.9 m/s的抗坠毁数值模拟, 得到平均加速度、速度及撞击载荷值等动态冲击参数, 考虑采用不同的评价方法来评估其抗坠毁特性。并对全复合材料机身结构进行分块设计, 考虑在冲击过程中起关键作用的底部结构中加入吸能泡沫, 最后利用专业的瞬态动力学软件对有限元设计模型进行了冲击模拟, 并与测试结果进行了比较, 结果满足抗坠毁设计相应规范要求。计算得到的平均加速度不超过13g, 其相对误差不大于11%, 撞击载荷最大不超过6 kN, 坠毁平均负加速度持续时间不超过0.03 s, 结果较合理。 利用本模型可以指导直升机的抗坠毁设计。
2015, 32(4): 1166-1172.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150508.002
摘要:
生物表面从微纳米层次上已提供给人类一种多级次梯度结构的协同效应机制, 并展现出控制动态浸润性及液体传输的独特能力。基于这种机制, 设计了各种仿生的结构, 开发了制备仿生材料的新技术与方法。并将仿生理念引入到材料的制备中, 通过利用常见的高分子材料、响应高分子材料、掺杂的有机物/无机物复合材料, 可控制备了一系列新型一、二维度仿生微纳米界面材料。这些新型仿生微纳米界面材料从微、纳及宏观层次上体现了优越的浸润性调控功能, 如液滴驱动、水收集、防覆冰等, 其在微流控制、淡水采集、雾水工程、热量传递、浮尘过滤等领域有重要的应用前景。
生物表面从微纳米层次上已提供给人类一种多级次梯度结构的协同效应机制, 并展现出控制动态浸润性及液体传输的独特能力。基于这种机制, 设计了各种仿生的结构, 开发了制备仿生材料的新技术与方法。并将仿生理念引入到材料的制备中, 通过利用常见的高分子材料、响应高分子材料、掺杂的有机物/无机物复合材料, 可控制备了一系列新型一、二维度仿生微纳米界面材料。这些新型仿生微纳米界面材料从微、纳及宏观层次上体现了优越的浸润性调控功能, 如液滴驱动、水收集、防覆冰等, 其在微流控制、淡水采集、雾水工程、热量传递、浮尘过滤等领域有重要的应用前景。
2015, 32(4): 1173-1178.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141010.001
摘要:
为准确预测非均质复合材料的有效热导率和局部温度场分布, 采用单胞变分渐近均匀化方法构建了一种新的细观力学模型。首先从非均质连续体热传导变分问题入手, 使用变分渐近法将其细观力学模型转换为约束条件下泛函的最小化——取驻值问题;使用有限元法(FEM)推导了离散形式能量泛函的最小化求解过程;根据宏观性能(如全局温度及相应的梯度和波动函数)重构单胞的局部温度场和热通量。采用多个二元复合材料算例验证了所构建理论和程序的有效性和准确性。
为准确预测非均质复合材料的有效热导率和局部温度场分布, 采用单胞变分渐近均匀化方法构建了一种新的细观力学模型。首先从非均质连续体热传导变分问题入手, 使用变分渐近法将其细观力学模型转换为约束条件下泛函的最小化——取驻值问题;使用有限元法(FEM)推导了离散形式能量泛函的最小化求解过程;根据宏观性能(如全局温度及相应的梯度和波动函数)重构单胞的局部温度场和热通量。采用多个二元复合材料算例验证了所构建理论和程序的有效性和准确性。
2015, 32(4): 1179-1186.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141016.002
摘要:
采用分子量为1 500的聚乙二醇(PEG)为大分子引发剂, 引发ε-己内酯开环聚合, 合成了分子量为2 900、3 400、4 700的端羟基的聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯(PCEC)嵌段共聚物, 并用异氰酸基丙基三乙氧基硅烷(IPTS)将该共聚物端羟基修饰。红外结果表明, 该聚合物在3 440、1 732、1 242、1 106 cm-1等处有羟基、酯键、醚键的特征峰, 与IPTS反应后在3 350 cm-1、1 531 cm-1处出现了 N—H的伸缩振动峰和(N—H)+ (C—N) 的弯曲振动峰, 证实了PCEC以及端基为三乙氧基硅基的PCEC结构。采用溶胶-凝胶法将该产物与生物玻璃前躯体进行反应, 获得PCEC-CaO-SiO2-P2O5有机-无机杂化材料。PCEC-CaO-SiO2-P2O5杂化材料在模拟体液(SBF)中浸泡24 h后, 表面就开始覆盖钙磷沉淀物。XRD测试结果表明, PCEC-CaO-SiO2-P2O5杂化材料表面覆盖的沉淀物主要成分为羟基磷灰石, 表面沉积物随着杂化材料中亲水性成分的增加而增加。力学性能测试表明, 随着高分子中PEG含量的增加, PCEC-CaO-SiO2-P2O5 有机-无机杂化材料的压缩模量从6.9 MPa上升到65 MPa。细胞毒性表明, PCEC-CaO-SiO2-P2O5杂化材料对细胞没有明显的毒性。
采用分子量为1 500的聚乙二醇(PEG)为大分子引发剂, 引发ε-己内酯开环聚合, 合成了分子量为2 900、3 400、4 700的端羟基的聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯(PCEC)嵌段共聚物, 并用异氰酸基丙基三乙氧基硅烷(IPTS)将该共聚物端羟基修饰。红外结果表明, 该聚合物在3 440、1 732、1 242、1 106 cm-1等处有羟基、酯键、醚键的特征峰, 与IPTS反应后在3 350 cm-1、1 531 cm-1处出现了 N—H的伸缩振动峰和(N—H)+ (C—N) 的弯曲振动峰, 证实了PCEC以及端基为三乙氧基硅基的PCEC结构。采用溶胶-凝胶法将该产物与生物玻璃前躯体进行反应, 获得PCEC-CaO-SiO2-P2O5有机-无机杂化材料。PCEC-CaO-SiO2-P2O5杂化材料在模拟体液(SBF)中浸泡24 h后, 表面就开始覆盖钙磷沉淀物。XRD测试结果表明, PCEC-CaO-SiO2-P2O5杂化材料表面覆盖的沉淀物主要成分为羟基磷灰石, 表面沉积物随着杂化材料中亲水性成分的增加而增加。力学性能测试表明, 随着高分子中PEG含量的增加, PCEC-CaO-SiO2-P2O5 有机-无机杂化材料的压缩模量从6.9 MPa上升到65 MPa。细胞毒性表明, PCEC-CaO-SiO2-P2O5杂化材料对细胞没有明显的毒性。
2015, 32(4): 1187-1193.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140918.001
摘要:
采用水热法合成了花球状的Bi2WO6和介孔碳CMK-3/Bi2WO6的光催化剂, 然后通过光还原得到了Ag负载的Ag/Bi2WO6和Ag-CMK-3/Bi2WO6, 制备出可见光下具有高活性的光催化剂。利用紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)和扫描电子显微镜(SEM)对制备的样品进行表征, 评价样品在可见光照射下降解亚甲基蓝(MB)的光催化活性。并研究了CMK-3和Ag负载在Bi2WO6上都能提高其光催化活性的机制。结果表明: CMK-3或Ag负载在Bi2WO6上都能大幅提高Bi2WO6的光催化活性, Ag-CMK-3/Bi2WO6光催化剂的光催化性能优于Ag/Bi2WO6和CMK-3/Bi2WO6光催化剂。
采用水热法合成了花球状的Bi2WO6和介孔碳CMK-3/Bi2WO6的光催化剂, 然后通过光还原得到了Ag负载的Ag/Bi2WO6和Ag-CMK-3/Bi2WO6, 制备出可见光下具有高活性的光催化剂。利用紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)和扫描电子显微镜(SEM)对制备的样品进行表征, 评价样品在可见光照射下降解亚甲基蓝(MB)的光催化活性。并研究了CMK-3和Ag负载在Bi2WO6上都能提高其光催化活性的机制。结果表明: CMK-3或Ag负载在Bi2WO6上都能大幅提高Bi2WO6的光催化活性, Ag-CMK-3/Bi2WO6光催化剂的光催化性能优于Ag/Bi2WO6和CMK-3/Bi2WO6光催化剂。
2015, 32(4): 1194-1200.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150619.001
摘要:
针对"离位"增韧预成型体的液态成型工艺性, 研究了两种不同结构形式增韧层"离位"增韧预成型体的厚度压缩特性。分别采用多孔薄膜结构增韧层、高孔隙率无纺布结构增韧层与碳纤维织物交替铺层制备"离位"增韧预成型体, 采用力学试验机测试其厚度压缩特性。实验结果表明, 预成型体压缩过程中, 在相同压力水平下, 增韧层的引入会降低预成型体的纤维体积分数;不同压力水平下, 预成型体的压缩行为与增韧层结构形式有关。此外, 采用织物预成型体厚度压缩本构模型, 对"离位"增韧预成型体的压缩厚度进行了预测, 通过模型预测值与实验值的比较, 确定了模型中的经验指数k=2时, 两者吻合较好。
针对"离位"增韧预成型体的液态成型工艺性, 研究了两种不同结构形式增韧层"离位"增韧预成型体的厚度压缩特性。分别采用多孔薄膜结构增韧层、高孔隙率无纺布结构增韧层与碳纤维织物交替铺层制备"离位"增韧预成型体, 采用力学试验机测试其厚度压缩特性。实验结果表明, 预成型体压缩过程中, 在相同压力水平下, 增韧层的引入会降低预成型体的纤维体积分数;不同压力水平下, 预成型体的压缩行为与增韧层结构形式有关。此外, 采用织物预成型体厚度压缩本构模型, 对"离位"增韧预成型体的压缩厚度进行了预测, 通过模型预测值与实验值的比较, 确定了模型中的经验指数k=2时, 两者吻合较好。
2015, 32(4): 1201-1210.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141118.004
摘要:
为了实现海水中2, 4, 6-三氯苯酚(2, 4, 6-TCP)的选择性吸附和去除, 采用超声协助悬浮聚合法以2, 4, 6-三氯苯酚为模板制备了分子印迹氨基功能化纳米Fe3O4高分子磁性复合材料(nFe3O4@MIPNH2-polymer)。通过元素分析(EA)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱分析、透射电子显微镜(TEM)、振动样品磁强计(VSM)等手段对nFe3O4@MIPNH2-polymer的组成、结构、形貌、磁性等进行表征, 并研究了其应用于吸附和去除海水中2, 4, 6-三氯苯酚(2, 4, 6-TCP)污染物的性能。 结果表明:合成的nFe3O4@MIPNH2-polymer平均粒径约为800 nm, 饱和磁化强度为32.6 emu·g-1;水溶液中2, 4, 6-TCP的饱和吸附量为105.26 mg·g-1, 高于非分子印迹氨基功能化纳米Fe3O4高分子磁性复合材料(nFe3O4@NH2-polymer)的饱和吸附量(76.92 mg·g-1), nFe3O4@MIPNH2-polymer对2, 4, 6-TCP的等温吸附线大体符合Langmuir模型。吸附热力学研究表明, nFe3O4@MIPNH2-polymer对2, 4, 6-TCP的吸附过程是自发的吸热熵增过程;吸附过程可在5 min内达到平衡, 动力学数据和准二级动力学模型符合较好;其吸附过程去除2, 4, 6-TCP的活化能为78.0 kJ·mol-1。海水中的共存物质对吸附2, 4, 6-TCP几乎无干扰, nFe3O4@MIPNH2-polymer经洗脱后可以循环使用5次以上。nFe3O4@MIPNH2-polymer能高选择性地有效去除海水中的2, 4, 6-TCP。
为了实现海水中2, 4, 6-三氯苯酚(2, 4, 6-TCP)的选择性吸附和去除, 采用超声协助悬浮聚合法以2, 4, 6-三氯苯酚为模板制备了分子印迹氨基功能化纳米Fe3O4高分子磁性复合材料(nFe3O4@MIPNH2-polymer)。通过元素分析(EA)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱分析、透射电子显微镜(TEM)、振动样品磁强计(VSM)等手段对nFe3O4@MIPNH2-polymer的组成、结构、形貌、磁性等进行表征, 并研究了其应用于吸附和去除海水中2, 4, 6-三氯苯酚(2, 4, 6-TCP)污染物的性能。 结果表明:合成的nFe3O4@MIPNH2-polymer平均粒径约为800 nm, 饱和磁化强度为32.6 emu·g-1;水溶液中2, 4, 6-TCP的饱和吸附量为105.26 mg·g-1, 高于非分子印迹氨基功能化纳米Fe3O4高分子磁性复合材料(nFe3O4@NH2-polymer)的饱和吸附量(76.92 mg·g-1), nFe3O4@MIPNH2-polymer对2, 4, 6-TCP的等温吸附线大体符合Langmuir模型。吸附热力学研究表明, nFe3O4@MIPNH2-polymer对2, 4, 6-TCP的吸附过程是自发的吸热熵增过程;吸附过程可在5 min内达到平衡, 动力学数据和准二级动力学模型符合较好;其吸附过程去除2, 4, 6-TCP的活化能为78.0 kJ·mol-1。海水中的共存物质对吸附2, 4, 6-TCP几乎无干扰, nFe3O4@MIPNH2-polymer经洗脱后可以循环使用5次以上。nFe3O4@MIPNH2-polymer能高选择性地有效去除海水中的2, 4, 6-TCP。
2015, 32(4): 1211-1217.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141028.003
摘要:
纤维增强树脂基复合材料结构件的残余应力问题是制约其在航空航天、汽车和建筑领域大规模应用的关键问题。复合材料固化过程中温度场和固化度场的非均匀性是引起残余热应力和固化收缩应力的重要因素。为了探讨纤维复合材料结构件在固化成型过程中固化工艺温度、热传导系数、对流换热系数及结构件厚度对固化均匀性的敏感程度, 采用数值模拟分析了这4个关键参数对温度场和固化度场均匀性的影响规律。模拟结果表明: 升高固化工艺温度, 复合材料温度场的非均匀性增大, 固化度场的非均匀性减小;增大对流换热系数和热传导系数, 复合材料温度场和固化度场的非均匀性减小;增加复合材料结构件的厚度, 复合材料温度场和固化度场的非均匀性增大。在此基础上, 应用Morris全局灵敏度分析方法对4个关键参数对复合材料固化均匀性的影响程度进行定量分析, 得到固化均匀性的影响因素按灵敏程度由大到小的顺序为:结构件厚度、热传导系数、固化工艺温度、对流换热系数。
纤维增强树脂基复合材料结构件的残余应力问题是制约其在航空航天、汽车和建筑领域大规模应用的关键问题。复合材料固化过程中温度场和固化度场的非均匀性是引起残余热应力和固化收缩应力的重要因素。为了探讨纤维复合材料结构件在固化成型过程中固化工艺温度、热传导系数、对流换热系数及结构件厚度对固化均匀性的敏感程度, 采用数值模拟分析了这4个关键参数对温度场和固化度场均匀性的影响规律。模拟结果表明: 升高固化工艺温度, 复合材料温度场的非均匀性增大, 固化度场的非均匀性减小;增大对流换热系数和热传导系数, 复合材料温度场和固化度场的非均匀性减小;增加复合材料结构件的厚度, 复合材料温度场和固化度场的非均匀性增大。在此基础上, 应用Morris全局灵敏度分析方法对4个关键参数对复合材料固化均匀性的影响程度进行定量分析, 得到固化均匀性的影响因素按灵敏程度由大到小的顺序为:结构件厚度、热传导系数、固化工艺温度、对流换热系数。
2015, 32(4): 1218-1224.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141204.002
摘要:
通过调控原丝工艺, 制备得到形貌结构不同、力学性能相近的PAN基碳纤维(CF), 用以模拟碳纤维表面光滑与沟槽结构对其电化学氧化行为的影响。研究表明: 原始形貌光滑碳纤维在电化学过程中保持形貌能力较强, 相同的电化学氧化强度下, 其表面氧碳比高于原始表面粗糙的碳纤维, 表明其氧化程度高。X射线光电子能谱(XPS)分峰结果表明, 二者表面氧含量差别来自于表面羰基含量的差异。力学性能测试结果表明具有沟槽形貌的碳纤维拉伸强度及拉伸模量提高的幅度较大, 其中拉伸强度提高最大值为17.3%。将氧化前后的碳纤维制备成碳纤维增强树脂基复合材料, 探讨碳纤维形貌结构对其复合材料界面性能的影响。结果表明: 由具有沟槽形貌的碳纤维制备得到的复合材料层间剪切强度(ILSS)较高, 表明碳纤维表面物理形貌也是影响复合材料界面的重要因素。
通过调控原丝工艺, 制备得到形貌结构不同、力学性能相近的PAN基碳纤维(CF), 用以模拟碳纤维表面光滑与沟槽结构对其电化学氧化行为的影响。研究表明: 原始形貌光滑碳纤维在电化学过程中保持形貌能力较强, 相同的电化学氧化强度下, 其表面氧碳比高于原始表面粗糙的碳纤维, 表明其氧化程度高。X射线光电子能谱(XPS)分峰结果表明, 二者表面氧含量差别来自于表面羰基含量的差异。力学性能测试结果表明具有沟槽形貌的碳纤维拉伸强度及拉伸模量提高的幅度较大, 其中拉伸强度提高最大值为17.3%。将氧化前后的碳纤维制备成碳纤维增强树脂基复合材料, 探讨碳纤维形貌结构对其复合材料界面性能的影响。结果表明: 由具有沟槽形貌的碳纤维制备得到的复合材料层间剪切强度(ILSS)较高, 表明碳纤维表面物理形貌也是影响复合材料界面的重要因素。
2015, 32(4): 1225-1232.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141107.001
摘要:
为了解决高黏度热塑性树脂难以制备高强度、大尺寸纤维增强热塑性复合材料构件的问题, 采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺与热压工艺相结合的方法, 以环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)在催化剂作用下聚合成的聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)为基体, 制备了纤维体积分数达70%的连续玻璃纤维(GF)/PCBT复合材料层合板及熔融连接件, 并测得其力学参数。采用数值模拟方法对连接界面层数分别为1、2、3层的A、B、C型3种不同方案的GF/PCBT复合材料熔融连接接头的承载能力和失效模式进行了预测。结果表明:不同的结构设计方案对GF/PCBT复合材料接头性能的影响较大, 当连接长度在一定范围内时, 接头区域主要发生界面分层失效, 接头处复合材料的翘曲为界面裂纹加速扩展的主要因素, C型连接方式的接头结构承载能力相比于A型连接方式有明显提高;增加C型接头连接长度, 试件承载能力提高, 直至接头处界面分层失效和纤维、基体失效同时发生;继续增加连接长度, 纤维与基体失效将成为接头区域的主要失效模式, 此时承载能力无明显提升。
为了解决高黏度热塑性树脂难以制备高强度、大尺寸纤维增强热塑性复合材料构件的问题, 采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺与热压工艺相结合的方法, 以环状对苯二甲酸丁二醇酯(CBT)在催化剂作用下聚合成的聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)为基体, 制备了纤维体积分数达70%的连续玻璃纤维(GF)/PCBT复合材料层合板及熔融连接件, 并测得其力学参数。采用数值模拟方法对连接界面层数分别为1、2、3层的A、B、C型3种不同方案的GF/PCBT复合材料熔融连接接头的承载能力和失效模式进行了预测。结果表明:不同的结构设计方案对GF/PCBT复合材料接头性能的影响较大, 当连接长度在一定范围内时, 接头区域主要发生界面分层失效, 接头处复合材料的翘曲为界面裂纹加速扩展的主要因素, C型连接方式的接头结构承载能力相比于A型连接方式有明显提高;增加C型接头连接长度, 试件承载能力提高, 直至接头处界面分层失效和纤维、基体失效同时发生;继续增加连接长度, 纤维与基体失效将成为接头区域的主要失效模式, 此时承载能力无明显提升。
