2016年 第33卷 第1期
2016, 33(1): 1-16.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151120.003
摘要:
连接结构是大型复合材料结构的关键环节,对保证复合材料结构的完整性具有重要作用。由于复合材料连接结构存在复杂的非线性耦合因素,使得复合材料连接结构的强度和破坏模式分析十分困难,因此,必须对复合材料连接结构的健康状态进行监测、诊断、评价和预测,通过在线监测获得的信息实时掌握结构的健康状况与对外界载荷的响应,并在此基础上对未来可能发生的缺陷和故障进行预报,以便能在合适时间段内采取措施,以保证复合材料结构的安全服役并取得最大的经济效益。以飞行器复合材料连接结构为背景,首先简要分析了复合材料胶接连接、机械连接和混合连接形式的损伤和失效模式,然后重点介绍了基于波传播法、阻抗法、智能涂层监测法、真空比较监测法、光纤传感监测法和混合集成监测法的复合材料连接结构健康监测(SHM)技术的研究进展,最后讨论了飞行器复合材料连接结构健康监测技术的发展趋势和面临的挑战。
连接结构是大型复合材料结构的关键环节,对保证复合材料结构的完整性具有重要作用。由于复合材料连接结构存在复杂的非线性耦合因素,使得复合材料连接结构的强度和破坏模式分析十分困难,因此,必须对复合材料连接结构的健康状态进行监测、诊断、评价和预测,通过在线监测获得的信息实时掌握结构的健康状况与对外界载荷的响应,并在此基础上对未来可能发生的缺陷和故障进行预报,以便能在合适时间段内采取措施,以保证复合材料结构的安全服役并取得最大的经济效益。以飞行器复合材料连接结构为背景,首先简要分析了复合材料胶接连接、机械连接和混合连接形式的损伤和失效模式,然后重点介绍了基于波传播法、阻抗法、智能涂层监测法、真空比较监测法、光纤传感监测法和混合集成监测法的复合材料连接结构健康监测(SHM)技术的研究进展,最后讨论了飞行器复合材料连接结构健康监测技术的发展趋势和面临的挑战。
2016, 33(1): 17-26.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150331.002
摘要:
选取国产碳纤维CCF300所制备的2种单向织物,单向无纬织物U3160及单向无屈曲织物KUC160,分别对其预成型体进行压缩特性和渗透特性测试,以研究2种单向织物的液体成型工艺性,并采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备2种单向织物/双马来酰亚胺树脂基复合材料,测试并对比其面内力学性能。结果表明:预成型体压缩试验中,嵌套效应受压力及织物层数影响较大,压力越高、层数越多,嵌套效应越显著。U3160织物的嵌套效应较KUC160织物更为明显,在较高压力下,KUC160织物预成型体的纤维体积分数较U3160织物的下降了约20%。渗透率测试结果表明:相比U3160织物,KUC160织物0°方向的渗透率较高,而90°方向的渗透率有所降低;这是由于经编线的绑缚作用能促进0°方向的宏观流动,而阻碍90°方向的微观渗透。此外,KUC160织物的经编线与U3160织物的纬向纱线的导流作用也对渗透率有影响。力学性能试验结果表明:相比U3160织物增强复合材料,KUC160织物增强复合材料0°方向的拉伸、弯曲和压缩性能均有所下降,拉伸强度和弯曲模量降幅最大,分别约为11%和21%;而层间剪切强度有小幅提高,增幅约为8%。
选取国产碳纤维CCF300所制备的2种单向织物,单向无纬织物U3160及单向无屈曲织物KUC160,分别对其预成型体进行压缩特性和渗透特性测试,以研究2种单向织物的液体成型工艺性,并采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备2种单向织物/双马来酰亚胺树脂基复合材料,测试并对比其面内力学性能。结果表明:预成型体压缩试验中,嵌套效应受压力及织物层数影响较大,压力越高、层数越多,嵌套效应越显著。U3160织物的嵌套效应较KUC160织物更为明显,在较高压力下,KUC160织物预成型体的纤维体积分数较U3160织物的下降了约20%。渗透率测试结果表明:相比U3160织物,KUC160织物0°方向的渗透率较高,而90°方向的渗透率有所降低;这是由于经编线的绑缚作用能促进0°方向的宏观流动,而阻碍90°方向的微观渗透。此外,KUC160织物的经编线与U3160织物的纬向纱线的导流作用也对渗透率有影响。力学性能试验结果表明:相比U3160织物增强复合材料,KUC160织物增强复合材料0°方向的拉伸、弯曲和压缩性能均有所下降,拉伸强度和弯曲模量降幅最大,分别约为11%和21%;而层间剪切强度有小幅提高,增幅约为8%。
2016, 33(1): 27-33.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150316.002
摘要:
通过二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯(MDI)改性钠基蒙脱土(Na-MMT),使Na-MMT呈纳米级剥离态分散,制得MDI改性Na-MMT(M-MMT)。将M-MMT加入至铸型尼龙6体系中原位聚合成型,以解决有机蒙脱土在铸型尼龙6体系中热降解的问题,提高复合材料的耐热性。利用FITR、GC-MS、XRD和TEM研究了改性机理和Na-MMT的分散情况。通过TG、维卡软化、热变形温度测试、力学性能测试和SEM观察,研究了M-MMT/铸型尼龙6复合材料的耐热性、力学性能和微观形貌。结果表明:MDI能与Na-MMT层间的羟基以及水反应使M-MMT呈剥离态分散。虽然在铸型尼龙6体系引发剂定量的情况下,MDI消耗体系引发剂,引起M-MMT/铸型尼龙6复合材料分子量的下降,导致各项力学性能有所下降,但M-MMT的纳米级效应使复合材料的耐热性得到提高,维卡软化点提高至224℃,在1.82MPa负荷条件下,热变形温度提高至96℃。
通过二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯(MDI)改性钠基蒙脱土(Na-MMT),使Na-MMT呈纳米级剥离态分散,制得MDI改性Na-MMT(M-MMT)。将M-MMT加入至铸型尼龙6体系中原位聚合成型,以解决有机蒙脱土在铸型尼龙6体系中热降解的问题,提高复合材料的耐热性。利用FITR、GC-MS、XRD和TEM研究了改性机理和Na-MMT的分散情况。通过TG、维卡软化、热变形温度测试、力学性能测试和SEM观察,研究了M-MMT/铸型尼龙6复合材料的耐热性、力学性能和微观形貌。结果表明:MDI能与Na-MMT层间的羟基以及水反应使M-MMT呈剥离态分散。虽然在铸型尼龙6体系引发剂定量的情况下,MDI消耗体系引发剂,引起M-MMT/铸型尼龙6复合材料分子量的下降,导致各项力学性能有所下降,但M-MMT的纳米级效应使复合材料的耐热性得到提高,维卡软化点提高至224℃,在1.82MPa负荷条件下,热变形温度提高至96℃。
2016, 33(1): 34-43.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150518.003
摘要:
采用水合肼对氧化石墨烯进行还原,获得2种含氧量不同的还原石墨烯(rGO),与双马来酰亚胺(BMI)树脂溶液混合并通过湿法预浸工艺制备碳纤维(CF)预浸料,采用热压成型工艺制备rGO-CF/BMI复合材料单向板。研究了rGO的还原程度及含量对复合材料力学性能、玻璃化转变温度及电磁性能的影响。结果表明:在较高温度下制得的rGO2比在较低温度下制得的rGO1具有更高的还原程度,rGO2在树脂中的分散性相对较差。当rGO1与rGO2的质量分数分别为0.1%和0.05%时,rGO1-CF/BMI复合材料和rGO2-CF/BMI复合材料的层间剪切强度分别达到最高,相对于CF/BMI复合材料均提高约14%,而弯曲性能和玻璃化转变温度基本不变。rGO2-CF/BMI复合材料的介电性能优于rGO1-CF/BMI复合材料,当rGO2的质量分数为0.1%时,在12.4~18.0GHz的频率范围内,rGO2-CF/BMI复合材料的介电常数实部较CF/BMI复合材料最高提高约6倍,介电损耗最高提高约3倍。在该频率范围内,rGO1-CF/BMI和rGO2-CF/BMI复合材料均呈弱磁性,对入射电磁波的作用为高反射、低吸收。
采用水合肼对氧化石墨烯进行还原,获得2种含氧量不同的还原石墨烯(rGO),与双马来酰亚胺(BMI)树脂溶液混合并通过湿法预浸工艺制备碳纤维(CF)预浸料,采用热压成型工艺制备rGO-CF/BMI复合材料单向板。研究了rGO的还原程度及含量对复合材料力学性能、玻璃化转变温度及电磁性能的影响。结果表明:在较高温度下制得的rGO2比在较低温度下制得的rGO1具有更高的还原程度,rGO2在树脂中的分散性相对较差。当rGO1与rGO2的质量分数分别为0.1%和0.05%时,rGO1-CF/BMI复合材料和rGO2-CF/BMI复合材料的层间剪切强度分别达到最高,相对于CF/BMI复合材料均提高约14%,而弯曲性能和玻璃化转变温度基本不变。rGO2-CF/BMI复合材料的介电性能优于rGO1-CF/BMI复合材料,当rGO2的质量分数为0.1%时,在12.4~18.0GHz的频率范围内,rGO2-CF/BMI复合材料的介电常数实部较CF/BMI复合材料最高提高约6倍,介电损耗最高提高约3倍。在该频率范围内,rGO1-CF/BMI和rGO2-CF/BMI复合材料均呈弱磁性,对入射电磁波的作用为高反射、低吸收。
2016, 33(1): 44-52.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150410.004
摘要:
针对浮动催化化学气相沉积(CVD)法制备的碳纳米管(CNTs)膜,首先采用红外光谱表征分析了包覆在CNTs表面的无定形物质的组成,然后分别采用热处理和酸洗处理方法,考察了CNTs膜中无定形物和残留Fe催化剂对CNTs膜拉伸取向行为的影响。结果表明:采用CVD法制备的CNTs膜中CNTs表面无定形物为含氧或烷烃、烯烃类低聚物,可通过350℃有氧热处理基本去除。该CNTs膜的牵伸取向重排行为受组成影响显著,CNTs表面的低聚物可增强CNTs的管间黏结作用,Fe催化剂颗粒成为CNTs网络结构的交联结点,两者均有利于提高CNTs的取向程度和聚并成束的尺寸,进而提高CNTs膜的拉伸稳定性和断裂韧性。牵伸取向后CNTs膜与环氧树脂溶液的浸润性提高,其CNTs膜/环氧复合材料的拉伸强度和模量达到1228MPa和94.5GPa,相比初始无规CNTs膜/环氧复合材料的分别提高了337%和729%。
针对浮动催化化学气相沉积(CVD)法制备的碳纳米管(CNTs)膜,首先采用红外光谱表征分析了包覆在CNTs表面的无定形物质的组成,然后分别采用热处理和酸洗处理方法,考察了CNTs膜中无定形物和残留Fe催化剂对CNTs膜拉伸取向行为的影响。结果表明:采用CVD法制备的CNTs膜中CNTs表面无定形物为含氧或烷烃、烯烃类低聚物,可通过350℃有氧热处理基本去除。该CNTs膜的牵伸取向重排行为受组成影响显著,CNTs表面的低聚物可增强CNTs的管间黏结作用,Fe催化剂颗粒成为CNTs网络结构的交联结点,两者均有利于提高CNTs的取向程度和聚并成束的尺寸,进而提高CNTs膜的拉伸稳定性和断裂韧性。牵伸取向后CNTs膜与环氧树脂溶液的浸润性提高,其CNTs膜/环氧复合材料的拉伸强度和模量达到1228MPa和94.5GPa,相比初始无规CNTs膜/环氧复合材料的分别提高了337%和729%。
2016, 33(1): 53-60.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150325.003
摘要:
为了研究氧化石墨烯(GO)对聚合物基复合材料力学性能的影响,通过溶液混合法制备了GO/聚乙烯醇(PVA)复合材料。然后,采用XRD、TEM、FTIR、DSC和纳米压痕实验等研究了GO/PVA复合材料的结构、界面结合性能、力学性能、蠕变行为和吸水膨胀率。结果表明:GO可以均匀分散在PVA基体中,二者之间主要通过氢键作用结合,具有较高的界面结合力;与纯PVA相比,1wt% GO/PVA复合材料的硬度和有效弹性模量分别提高了28.9%和23.3%,压入蠕变深度下降了19.8%;GO/PVA复合材料具有较低的无限剪切模量与瞬时剪切模量比,表明GO提高了PVA的蠕变抗力;GO的添加同时增加了GO/PVA复合材料的阻水性并降低了膨胀系数。吸湿纳米压痕实验结果表明:纯PVA的力学性能会随吸湿时间延长而下降,而GO/PVA复合材料吸湿72h后的力学性能基本保持不变。所得结论为石墨烯增强聚合物基复合材料的研究提供了理论指导。
为了研究氧化石墨烯(GO)对聚合物基复合材料力学性能的影响,通过溶液混合法制备了GO/聚乙烯醇(PVA)复合材料。然后,采用XRD、TEM、FTIR、DSC和纳米压痕实验等研究了GO/PVA复合材料的结构、界面结合性能、力学性能、蠕变行为和吸水膨胀率。结果表明:GO可以均匀分散在PVA基体中,二者之间主要通过氢键作用结合,具有较高的界面结合力;与纯PVA相比,1wt% GO/PVA复合材料的硬度和有效弹性模量分别提高了28.9%和23.3%,压入蠕变深度下降了19.8%;GO/PVA复合材料具有较低的无限剪切模量与瞬时剪切模量比,表明GO提高了PVA的蠕变抗力;GO的添加同时增加了GO/PVA复合材料的阻水性并降低了膨胀系数。吸湿纳米压痕实验结果表明:纯PVA的力学性能会随吸湿时间延长而下降,而GO/PVA复合材料吸湿72h后的力学性能基本保持不变。所得结论为石墨烯增强聚合物基复合材料的研究提供了理论指导。
2016, 33(1): 61-70.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150518.001
摘要:
为了制备具有优异强度与韧性的聚乳酸(PLA)复合材料,首先,将八聚(丙基缩水甘油醚)倍半硅氧烷(Ope-POSS)纳米粒子引入PLA中,并加入PLA接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯(PLA-g-GMA)作为增容增韧组分;然后,通过熔融共混法制备了PLA-g-GMA/Ope-POSS/PLA复合材料;最后,通过对复合材料形态结构、热性能、力学性能及疏水性的表征分析了Ope-POSS纳米粒子及PLA-g-GMA的加入对PLA复合材料性能的影响。结果表明:PLA-g-GMA的加入对Ope-POSS纳米粒子具有良好的增容效果,可使得Ope-POSS纳米粒子在复合材料中均匀分散;随着良好分散的Ope-POSS纳米粒子的数量增加,PLA复合材料的强度、热稳定性及疏水性均得到明显的提高,韧性也随PLA-g-GMA含量增加而得到改善;当PLA-g-GMA和Ope-POSS纳米粒子含量分别为PLA的4wt%和3wt%时,PLA-g-GMA/Ope-POSS/PLA复合材料性能最佳。所得结论为POSS杂化PLA复合材料的深入研究提供了理论指导。
为了制备具有优异强度与韧性的聚乳酸(PLA)复合材料,首先,将八聚(丙基缩水甘油醚)倍半硅氧烷(Ope-POSS)纳米粒子引入PLA中,并加入PLA接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯(PLA-g-GMA)作为增容增韧组分;然后,通过熔融共混法制备了PLA-g-GMA/Ope-POSS/PLA复合材料;最后,通过对复合材料形态结构、热性能、力学性能及疏水性的表征分析了Ope-POSS纳米粒子及PLA-g-GMA的加入对PLA复合材料性能的影响。结果表明:PLA-g-GMA的加入对Ope-POSS纳米粒子具有良好的增容效果,可使得Ope-POSS纳米粒子在复合材料中均匀分散;随着良好分散的Ope-POSS纳米粒子的数量增加,PLA复合材料的强度、热稳定性及疏水性均得到明显的提高,韧性也随PLA-g-GMA含量增加而得到改善;当PLA-g-GMA和Ope-POSS纳米粒子含量分别为PLA的4wt%和3wt%时,PLA-g-GMA/Ope-POSS/PLA复合材料性能最佳。所得结论为POSS杂化PLA复合材料的深入研究提供了理论指导。
2016, 33(1): 71-76.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150522.004
摘要:
在复合材料固化过程中,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。为了探讨树脂基复合材料结构件固化成型过程中的工艺参数对固化均匀性的影响,首先针对Epon862/W环氧树脂体系建立了复合材料固化仿真模型,并对模型进行了验证;然后,通过因次分析得出了树脂基复合材料结构件的热传递方程和固化动力学方程的无因次形式;最后,通过数值模拟定量分析了固化工艺温度、对流换热系数和结构件厚度对复合材料固化均匀性的影响规律。结果表明:在等温固化条件下,对流换热系数对复合材料固化均匀性的影响很小,无因次式特征时间tc/树脂固化反应特征时间tR与固化度差值间存在拟合函数关系,该函数可以方便地用于工程计算。
在复合材料固化过程中,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。为了探讨树脂基复合材料结构件固化成型过程中的工艺参数对固化均匀性的影响,首先针对Epon862/W环氧树脂体系建立了复合材料固化仿真模型,并对模型进行了验证;然后,通过因次分析得出了树脂基复合材料结构件的热传递方程和固化动力学方程的无因次形式;最后,通过数值模拟定量分析了固化工艺温度、对流换热系数和结构件厚度对复合材料固化均匀性的影响规律。结果表明:在等温固化条件下,对流换热系数对复合材料固化均匀性的影响很小,无因次式特征时间tc/树脂固化反应特征时间tR与固化度差值间存在拟合函数关系,该函数可以方便地用于工程计算。
2016, 33(1): 77-83.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150716.001
摘要:
以苯乙烯(St)为单体,含甲基丙烯酰氧基丙基的有机硅树脂(MTQ)为交联剂,采用高内相比乳液模板(HIPE)法制备了蜂窝状、低密度及高孔隙率的MTQ/聚苯乙烯(PS)多孔复合材料,研究了MTQ对聚合物多孔复合材料微观结构、压缩性能及热稳定性的影响。结果表明:MTQ/PS多孔复合材料的泡孔呈立体球形且泡孔壁上有丰富的互连孔,相互贯通性良好,泡孔直径为2~9μm,互连孔的孔径大小介于0.35~1.85μm;所得多孔材料孔隙率可控,总孔隙率最高可达92%;该多孔复合材料的压缩强度为0.28~0.74 MPa,压缩模量为4.86~13.54MPa。当MTQ与St的质量比为30:100时,可获得泡孔直径较小、互连孔道较窄、压缩性能和热稳定性较好的MTQ/PS多孔复合材料。
以苯乙烯(St)为单体,含甲基丙烯酰氧基丙基的有机硅树脂(MTQ)为交联剂,采用高内相比乳液模板(HIPE)法制备了蜂窝状、低密度及高孔隙率的MTQ/聚苯乙烯(PS)多孔复合材料,研究了MTQ对聚合物多孔复合材料微观结构、压缩性能及热稳定性的影响。结果表明:MTQ/PS多孔复合材料的泡孔呈立体球形且泡孔壁上有丰富的互连孔,相互贯通性良好,泡孔直径为2~9μm,互连孔的孔径大小介于0.35~1.85μm;所得多孔材料孔隙率可控,总孔隙率最高可达92%;该多孔复合材料的压缩强度为0.28~0.74 MPa,压缩模量为4.86~13.54MPa。当MTQ与St的质量比为30:100时,可获得泡孔直径较小、互连孔道较窄、压缩性能和热稳定性较好的MTQ/PS多孔复合材料。
2016, 33(1): 84-91.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150518.004
摘要:
以分散聚合法制备的聚苯乙烯(PS)微球作为模板,通过均相沉淀法制备前驱体PS-Gd(OH)CO3复合微球,高温煅烧后得到Gd2O3空心微球,将其与丁基橡胶复合制备低频高阻尼Gd2O3/丁基橡胶复合材料。采用FTIR、SEM、TEM分析、TG分析仪、XRD分析和XPS对Gd2O3空心微球的形貌与结构组成进行表征。将Gd2O3空心微球与粉体分别作为填料加入丁基橡胶中制备Gd2O3/丁基橡胶复合材料。结果表明:Gd2O3空心微球由立方萤石结构的颗粒组成,外空心直径为0.9μm,壳层厚度约为100nm;添加空心微球的复合材料阻尼性能较好;与纯丁基橡胶相比,Gd2O3/丁基橡胶复合材料的低频阻尼性能明显提高。
以分散聚合法制备的聚苯乙烯(PS)微球作为模板,通过均相沉淀法制备前驱体PS-Gd(OH)CO3复合微球,高温煅烧后得到Gd2O3空心微球,将其与丁基橡胶复合制备低频高阻尼Gd2O3/丁基橡胶复合材料。采用FTIR、SEM、TEM分析、TG分析仪、XRD分析和XPS对Gd2O3空心微球的形貌与结构组成进行表征。将Gd2O3空心微球与粉体分别作为填料加入丁基橡胶中制备Gd2O3/丁基橡胶复合材料。结果表明:Gd2O3空心微球由立方萤石结构的颗粒组成,外空心直径为0.9μm,壳层厚度约为100nm;添加空心微球的复合材料阻尼性能较好;与纯丁基橡胶相比,Gd2O3/丁基橡胶复合材料的低频阻尼性能明显提高。
2016, 33(1): 92-99.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150522.001
摘要:
通过共混的方法制备了含笼型聚倍半硅氧烷(POSS)星型拓扑结构嵌段共聚物的氧化石墨烯(GO)/笼型聚倍半硅氧烷-(聚甲基丙烯酸甲酯-共聚-磺化聚苯乙烯)(POSS-(PMMA26-b-SPS156)8)复合质子交换膜。通过研究复合质子交换膜的离子交换容量(IEC)、质子传导率、吸水率与溶胀率,考察了GO含量对复合质子交换膜性能的影响。研究发现:复合质子交换膜的离子交换容量随GO含量的增加而升高,吸水率和溶胀率随着GO加入而降低,在测定温度范围内复合质子交换膜均表现出较高的尺寸稳定性,GO的添加改善了纯聚合物膜在80℃失水导致传导率下降的问题,提高了质子交换膜的质子传导率,发现在相对湿度为100%、80℃时,GO含量为0.3wt%的复合质子交换膜的质子传导率约为纯聚合物膜的3.2倍。
通过共混的方法制备了含笼型聚倍半硅氧烷(POSS)星型拓扑结构嵌段共聚物的氧化石墨烯(GO)/笼型聚倍半硅氧烷-(聚甲基丙烯酸甲酯-共聚-磺化聚苯乙烯)(POSS-(PMMA26-b-SPS156)8)复合质子交换膜。通过研究复合质子交换膜的离子交换容量(IEC)、质子传导率、吸水率与溶胀率,考察了GO含量对复合质子交换膜性能的影响。研究发现:复合质子交换膜的离子交换容量随GO含量的增加而升高,吸水率和溶胀率随着GO加入而降低,在测定温度范围内复合质子交换膜均表现出较高的尺寸稳定性,GO的添加改善了纯聚合物膜在80℃失水导致传导率下降的问题,提高了质子交换膜的质子传导率,发现在相对湿度为100%、80℃时,GO含量为0.3wt%的复合质子交换膜的质子传导率约为纯聚合物膜的3.2倍。
2016, 33(1): 100-106.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150609.002
摘要:
为制备稀土类质量轻且无铅毒的屏蔽材料,首先,利用Sm2O3与马来酸酐(MA)通过沉淀法合成了马来酸钐配合物(Sm-MA);然后,将Sm-MA用于改性三元乙丙橡胶(EPDM),制备了Sm-MA/EPDM复合材料;最后,采用TG、FTIR、SEM和XRD对Sm-MA进行测试,并分别表征了Sm-MA/EPDM复合材料的力学性能、微观形貌和屏蔽性能(X射线能量为59.3keV)。TG结果显示Sm-MA在850℃左右热分解失重趋于终止,Sm-MA的总失重率为43.7%,由实验数据算得的Sm-MA中Sm的含量(47.6wt%)与理论计算值46.8wt%基本相符;FTIR谱图显示MA的-COOH特征吸收峰在形成配合物后消失,并出现羧酸根的对称与反对称伸缩振动吸收峰,表明Sm3+与MA发生键合。力学性能和屏蔽性能测试结果表明Sm-MA能显著增强EPDM的力学性能和屏蔽性能,当Sm-MA与EPDM的质量比为60:100时,Sm-MA/EPDM复合材料的性能达到最优,拉伸强度为18.3MPa,补强率达33.6%,屏蔽率达77.1%。所得结论表明添加无毒的金属配合物既可改善复合材料的性能,又能增加其与环境的相容性。
为制备稀土类质量轻且无铅毒的屏蔽材料,首先,利用Sm2O3与马来酸酐(MA)通过沉淀法合成了马来酸钐配合物(Sm-MA);然后,将Sm-MA用于改性三元乙丙橡胶(EPDM),制备了Sm-MA/EPDM复合材料;最后,采用TG、FTIR、SEM和XRD对Sm-MA进行测试,并分别表征了Sm-MA/EPDM复合材料的力学性能、微观形貌和屏蔽性能(X射线能量为59.3keV)。TG结果显示Sm-MA在850℃左右热分解失重趋于终止,Sm-MA的总失重率为43.7%,由实验数据算得的Sm-MA中Sm的含量(47.6wt%)与理论计算值46.8wt%基本相符;FTIR谱图显示MA的-COOH特征吸收峰在形成配合物后消失,并出现羧酸根的对称与反对称伸缩振动吸收峰,表明Sm3+与MA发生键合。力学性能和屏蔽性能测试结果表明Sm-MA能显著增强EPDM的力学性能和屏蔽性能,当Sm-MA与EPDM的质量比为60:100时,Sm-MA/EPDM复合材料的性能达到最优,拉伸强度为18.3MPa,补强率达33.6%,屏蔽率达77.1%。所得结论表明添加无毒的金属配合物既可改善复合材料的性能,又能增加其与环境的相容性。
2016, 33(1): 107-115.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150417.003
摘要:
硅橡胶芯模是实现热固性树脂基复合材料帽型加筋结构共固化成型的关键工装之一,而在预浸料固化加热过程中硅橡胶芯模的热膨胀需要通过预制适当的调型孔来消除,以保证帽型加筋结构的成型质量。首先,通过建立硅橡胶芯模预制调型孔热力耦合有限元分析模型对不同结构的硅橡胶芯模进行了计算机仿真,从而得出了实现复合材料帽型加筋结构形性协同制造的硅橡胶芯模预制调型孔最佳尺寸范围。然后,综合分析了硅橡胶芯模受热膨胀的可能影响因素,进而建立了考虑体积修正系数的预制调型孔计算模型。接着,利用有限元方法回归了芯模预制调型孔体积修正系数,并利用回归出的修正系数对不同截面尺寸的帽型结构进行了仿真验证,从而确定了较为准确的预制调型孔理论计算模型。最后,通过实验验证了该数学模型及有限元分析方法的正确性,为制造复合材料帽型加筋结构提供了理论与实验依据。
硅橡胶芯模是实现热固性树脂基复合材料帽型加筋结构共固化成型的关键工装之一,而在预浸料固化加热过程中硅橡胶芯模的热膨胀需要通过预制适当的调型孔来消除,以保证帽型加筋结构的成型质量。首先,通过建立硅橡胶芯模预制调型孔热力耦合有限元分析模型对不同结构的硅橡胶芯模进行了计算机仿真,从而得出了实现复合材料帽型加筋结构形性协同制造的硅橡胶芯模预制调型孔最佳尺寸范围。然后,综合分析了硅橡胶芯模受热膨胀的可能影响因素,进而建立了考虑体积修正系数的预制调型孔计算模型。接着,利用有限元方法回归了芯模预制调型孔体积修正系数,并利用回归出的修正系数对不同截面尺寸的帽型结构进行了仿真验证,从而确定了较为准确的预制调型孔理论计算模型。最后,通过实验验证了该数学模型及有限元分析方法的正确性,为制造复合材料帽型加筋结构提供了理论与实验依据。
2016, 33(1): 116-122.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150522.006
摘要:
为了促进聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)在热环境工程领域中的应用,通过狗骨试件拉伸试验,研究了高粉煤灰掺量的PVA-ECC热处理后的力学性能变化;采用单纤维抗拉试验、单纤维拔出试验以及单裂缝拉伸试验研究了PVA-ECC性能提升的机制。结果表明:在不高于200℃的热处理后,PVA-ECC仍能实现多裂缝开裂,相比20℃,50、100、200℃热处理后的PVA-ECC复合材料的拉伸力学性能提高,其幅度为100℃> 50℃> 200℃;纤维强度不是PVA-ECC抗拉性能变化的控制因素,适当的温度处理提高了纤维与基体的化学黏结力和摩擦力,从而提高了纤维的桥接作用和裂缝的余能,进而提高了PVA-ECC的抗拉性能和摩擦耗能能力。PVA-ECC性能变化的机制分析为PVA-ECC工程设计提供了良好的理论基础。
为了促进聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)在热环境工程领域中的应用,通过狗骨试件拉伸试验,研究了高粉煤灰掺量的PVA-ECC热处理后的力学性能变化;采用单纤维抗拉试验、单纤维拔出试验以及单裂缝拉伸试验研究了PVA-ECC性能提升的机制。结果表明:在不高于200℃的热处理后,PVA-ECC仍能实现多裂缝开裂,相比20℃,50、100、200℃热处理后的PVA-ECC复合材料的拉伸力学性能提高,其幅度为100℃> 50℃> 200℃;纤维强度不是PVA-ECC抗拉性能变化的控制因素,适当的温度处理提高了纤维与基体的化学黏结力和摩擦力,从而提高了纤维的桥接作用和裂缝的余能,进而提高了PVA-ECC的抗拉性能和摩擦耗能能力。PVA-ECC性能变化的机制分析为PVA-ECC工程设计提供了良好的理论基础。
2016, 33(1): 123-131.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150407.001
摘要:
为研究由还原氧化石墨烯(RGO)和具有高活性晶面的TiO2组成的复合材料的制备方法及其光催化性能,首先采用两步水热法制备了RGO/纳米TiO2复合材料:第1步为合成暴露高活性晶面的纳米TiO2;第2步为将合成的纳米TiO2与氧化石墨烯(GO)复合,形成RGO/纳米TiO2复合材料。然后,利用XRD、SEM、X射线光电子能谱仪和紫外-可见漫反射光谱等手段对制备的暴露不同晶面的纳米TiO2和RGO/纳米TiO2复合材料进行了表征,评价了其光催化性能。结果表明:在水热法的第1步中,通过调节HF的浓度能可控制备出具有高活性的(001)和(101)晶面的纳米TiO2,氟原子在纳米TiO2中以物理吸附态和化学结合态这2种形态存在;在第2步后,GO与纳米TiO2复合形成RGO/纳米TiO2复合材料,同时在此过程中GO被转化成RGO。在紫外光照射下,两步水热法合成的RGO/纳米TiO2复合材料具有很好的光催化性能,明显优于商用TiO2(P25)和纳米TiO2的。RGO/纳米TiO2复合材料的光催化性能有明显的提高,RGO和TiO2暴露的晶面对光催化活性有影响。
为研究由还原氧化石墨烯(RGO)和具有高活性晶面的TiO2组成的复合材料的制备方法及其光催化性能,首先采用两步水热法制备了RGO/纳米TiO2复合材料:第1步为合成暴露高活性晶面的纳米TiO2;第2步为将合成的纳米TiO2与氧化石墨烯(GO)复合,形成RGO/纳米TiO2复合材料。然后,利用XRD、SEM、X射线光电子能谱仪和紫外-可见漫反射光谱等手段对制备的暴露不同晶面的纳米TiO2和RGO/纳米TiO2复合材料进行了表征,评价了其光催化性能。结果表明:在水热法的第1步中,通过调节HF的浓度能可控制备出具有高活性的(001)和(101)晶面的纳米TiO2,氟原子在纳米TiO2中以物理吸附态和化学结合态这2种形态存在;在第2步后,GO与纳米TiO2复合形成RGO/纳米TiO2复合材料,同时在此过程中GO被转化成RGO。在紫外光照射下,两步水热法合成的RGO/纳米TiO2复合材料具有很好的光催化性能,明显优于商用TiO2(P25)和纳米TiO2的。RGO/纳米TiO2复合材料的光催化性能有明显的提高,RGO和TiO2暴露的晶面对光催化活性有影响。
2016, 33(1): 132-141.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150410.005
摘要:
为了实现砒砂岩的资源化利用,首先,通过碱激发法并掺入适量的矿粉将砒砂岩转变成了力学性能较好的改性矿粉/砒砂岩复合材料;然后,系统地研究了矿粉、碱激发剂掺量和龄期对改性矿粉/砒砂岩复合材料抗压强度和软化系数的影响;最后,利用SEM/EDS、FTIR和XRD分析了改性矿粉/砒砂岩复合材料的水化进程和碳化进程。结果表明:改性矿粉/砒砂岩复合材料的90d抗压强度和软化系数分别达到46.0 MPa和0.94,完全满足工程应用的需求;改性矿粉/砒砂岩复合材料主要的水化产物为C-S-H凝胶和地聚物胶体,且C-S-H凝胶存在比较严重的碳化现象;当矿粉和NaOH的掺量分别为20.0wt%和1.5wt%时,C-S-H凝胶的28d碳化率达30.1%,且碳化率随矿粉及NaOH掺量的增加而减小,但碳化率对强度几乎没有影响。改性矿粉/砒砂岩复合材料拥有良好的力学性能及耐水性。
为了实现砒砂岩的资源化利用,首先,通过碱激发法并掺入适量的矿粉将砒砂岩转变成了力学性能较好的改性矿粉/砒砂岩复合材料;然后,系统地研究了矿粉、碱激发剂掺量和龄期对改性矿粉/砒砂岩复合材料抗压强度和软化系数的影响;最后,利用SEM/EDS、FTIR和XRD分析了改性矿粉/砒砂岩复合材料的水化进程和碳化进程。结果表明:改性矿粉/砒砂岩复合材料的90d抗压强度和软化系数分别达到46.0 MPa和0.94,完全满足工程应用的需求;改性矿粉/砒砂岩复合材料主要的水化产物为C-S-H凝胶和地聚物胶体,且C-S-H凝胶存在比较严重的碳化现象;当矿粉和NaOH的掺量分别为20.0wt%和1.5wt%时,C-S-H凝胶的28d碳化率达30.1%,且碳化率随矿粉及NaOH掺量的增加而减小,但碳化率对强度几乎没有影响。改性矿粉/砒砂岩复合材料拥有良好的力学性能及耐水性。
2016, 33(1): 142-148.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150522.005
摘要:
以四氯化钛为初始反应物,采用水解沉淀法合成纳米TiO2薄膜。结合XRD、TEM以及FTIR等手段对TiO2/硅藻土基多孔陶瓷复合材料的晶体结构和形貌进行了表征;以复合材料为空气净化器芯体,甲醛为降解对象,对光催化降解动力学进行了探讨。结果表明:纳米TiO2经600℃煅烧后为锐钛矿型,平均粒径约10.6nm,纳米TiO2薄膜牢固包覆于载体表面(膜厚300~450nm)。包覆层与TiO2薄膜之间的界面上形成了Si-O-Ti键。甲醛初始浓度为1.302mg/m3,紫外光照240min,甲醛去除率达到94.6%。动力学研究表明:可用Langmuir-Hinshelwood动力学方程来描述甲醛光催化降解反应,该气相光催化一级反应时的反应速度常数为0.576mg/(m3·min),吸附系数为0.048m3/mg。并建立了甲醛的气相光催化动力学方程。
以四氯化钛为初始反应物,采用水解沉淀法合成纳米TiO2薄膜。结合XRD、TEM以及FTIR等手段对TiO2/硅藻土基多孔陶瓷复合材料的晶体结构和形貌进行了表征;以复合材料为空气净化器芯体,甲醛为降解对象,对光催化降解动力学进行了探讨。结果表明:纳米TiO2经600℃煅烧后为锐钛矿型,平均粒径约10.6nm,纳米TiO2薄膜牢固包覆于载体表面(膜厚300~450nm)。包覆层与TiO2薄膜之间的界面上形成了Si-O-Ti键。甲醛初始浓度为1.302mg/m3,紫外光照240min,甲醛去除率达到94.6%。动力学研究表明:可用Langmuir-Hinshelwood动力学方程来描述甲醛光催化降解反应,该气相光催化一级反应时的反应速度常数为0.576mg/(m3·min),吸附系数为0.048m3/mg。并建立了甲醛的气相光催化动力学方程。
2016, 33(1): 149-154.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150417.005
摘要:
为研究陶瓷基复合材料的低周疲劳失效机理,通过试验和细观分析对其疲劳特性进行了探讨。研究了室温下加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料拉-拉疲劳剩余强度的影响,并采用光学显微镜和扫描电子显微镜对该材料的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明:2D针刺C/SiC复合材料具有较好的抗疲劳特性,在85%极限拉伸强度(UTS)载荷下的循环数超过106;随着加载循环数的增加,剩余强度先增大然后下降。断口分析表明:纤维拔出长度随着加载循环数的增加而增加,说明在疲劳加载过程中,纤维/基体的界面结合强度降低,减缓了材料内部受力的不均匀性,提高了材料的承载能力,使2D针刺C/SiC复合材料出现了疲劳强化现象。
为研究陶瓷基复合材料的低周疲劳失效机理,通过试验和细观分析对其疲劳特性进行了探讨。研究了室温下加载循环数对2D针刺C/SiC复合材料拉-拉疲劳剩余强度的影响,并采用光学显微镜和扫描电子显微镜对该材料的断口形貌和微观结构进行了观察。结果表明:2D针刺C/SiC复合材料具有较好的抗疲劳特性,在85%极限拉伸强度(UTS)载荷下的循环数超过106;随着加载循环数的增加,剩余强度先增大然后下降。断口分析表明:纤维拔出长度随着加载循环数的增加而增加,说明在疲劳加载过程中,纤维/基体的界面结合强度降低,减缓了材料内部受力的不均匀性,提高了材料的承载能力,使2D针刺C/SiC复合材料出现了疲劳强化现象。
2016, 33(1): 155-162.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150428.003
摘要:
为探索超声辅助下利用紫外光及耦合热还原工艺制备RGO/纳米TiO2复合材料的方法,并对其在缺氧水体中的光催化还原特性进行研究,首先,以鳞片石墨为原料,采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),进而通过超声/紫外光还原工艺制备了还原氧化石墨烯(RGO);然后,以钛酸丁脂和RGO为前驱物,采用溶胶-凝胶法并在氮气保护下高温加热制备了RGO/纳米TiO2复合光催化材料;接着,利用FTIR、XRD、BET及紫外-可见光谱等对RGO/纳米TiO2复合材料进行了结构性能表征;最后,以2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)为探针物,研究了RGO/纳米TiO2在缺氧水体中的光催化特性与2,4-D降解机制。结果表明:采用低温氧化Hummers法制备的GO六碳环上生成的活性基团较少,采用超声/紫外光还原工艺及耦合高温热还原工艺可使环状结构得到良好的修复;所制备的RGO/纳米TiO2复合材料具有良好的2,4-D降解能力,在缺氧状态下,2,4-D主要发生光催化还原反应,脱除苯环上的氯,产生氯酚、邻苯三酚及间苯三酚等中间产物,部分2,4-D被氧化降解生成CO2和H2O。制备的RGO/纳米TiO2复合材料具有良好的光催化还原性能。
为探索超声辅助下利用紫外光及耦合热还原工艺制备RGO/纳米TiO2复合材料的方法,并对其在缺氧水体中的光催化还原特性进行研究,首先,以鳞片石墨为原料,采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),进而通过超声/紫外光还原工艺制备了还原氧化石墨烯(RGO);然后,以钛酸丁脂和RGO为前驱物,采用溶胶-凝胶法并在氮气保护下高温加热制备了RGO/纳米TiO2复合光催化材料;接着,利用FTIR、XRD、BET及紫外-可见光谱等对RGO/纳米TiO2复合材料进行了结构性能表征;最后,以2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)为探针物,研究了RGO/纳米TiO2在缺氧水体中的光催化特性与2,4-D降解机制。结果表明:采用低温氧化Hummers法制备的GO六碳环上生成的活性基团较少,采用超声/紫外光还原工艺及耦合高温热还原工艺可使环状结构得到良好的修复;所制备的RGO/纳米TiO2复合材料具有良好的2,4-D降解能力,在缺氧状态下,2,4-D主要发生光催化还原反应,脱除苯环上的氯,产生氯酚、邻苯三酚及间苯三酚等中间产物,部分2,4-D被氧化降解生成CO2和H2O。制备的RGO/纳米TiO2复合材料具有良好的光催化还原性能。
2016, 33(1): 163-173.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150410.003
摘要:
在强迫弯曲振动试验的基础上,建立了基于模态参数(共振频率和阻尼比)表征螺栓连接结构动态性能的分析方法和试验测试手段;通过施加不同初始预紧力和激振频率,探究碳纤维/环氧复合材料螺栓连接预紧力松弛的时变行为及其影响因素。结果表明:在10h振动疲劳过程中,螺栓初始预紧力越小,激振频率越大,连接件预紧力松弛程度越大;振动疲劳损伤会导致连接结构刚度衰退、阻尼增加;复合材料螺栓连接松弛受到材料黏弹性以及界面摩擦的共同影响,其中约50%的松弛是由复合材料黏弹性效应引起的。
在强迫弯曲振动试验的基础上,建立了基于模态参数(共振频率和阻尼比)表征螺栓连接结构动态性能的分析方法和试验测试手段;通过施加不同初始预紧力和激振频率,探究碳纤维/环氧复合材料螺栓连接预紧力松弛的时变行为及其影响因素。结果表明:在10h振动疲劳过程中,螺栓初始预紧力越小,激振频率越大,连接件预紧力松弛程度越大;振动疲劳损伤会导致连接结构刚度衰退、阻尼增加;复合材料螺栓连接松弛受到材料黏弹性以及界面摩擦的共同影响,其中约50%的松弛是由复合材料黏弹性效应引起的。
2016, 33(1): 174-182.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150429.001
摘要:
针对缠绕复合材料交叉起伏区域的细观结构,建立了一种细观分析模型。首先,将纤维交叉起伏区域划分为环向交叉起伏区和螺旋交叉起伏区2种类型;然后,以缠绕面为基准,用平行横截面将起伏区域空间结构模型离散化为多个子模型,运用纤维束起伏角、富树脂区域尺寸、纤维束的体积分数、纤维束的横截面形状及尺寸等细观参数来描述缠绕复合材料交叉起伏区域的细观结构。基于所建立的细观模型及层合板理论,提出了缠绕复合材料交叉起伏区域的等效刚度计算方法。通过算例研究了纤维束截面、纤维束起伏角以及富树脂区体积分数等细观参数对局部区域等效刚度的影响。结果表明:环向交叉起伏区的弹性模量比螺旋交叉起伏区下降得更为明显;在富树脂区域,弹性模量和剪切模量降低较为明显,而泊松比则有所增大。纤维束厚度增加及纤维束截面变化对交叉起伏区域等效刚度会产生明显影响。
针对缠绕复合材料交叉起伏区域的细观结构,建立了一种细观分析模型。首先,将纤维交叉起伏区域划分为环向交叉起伏区和螺旋交叉起伏区2种类型;然后,以缠绕面为基准,用平行横截面将起伏区域空间结构模型离散化为多个子模型,运用纤维束起伏角、富树脂区域尺寸、纤维束的体积分数、纤维束的横截面形状及尺寸等细观参数来描述缠绕复合材料交叉起伏区域的细观结构。基于所建立的细观模型及层合板理论,提出了缠绕复合材料交叉起伏区域的等效刚度计算方法。通过算例研究了纤维束截面、纤维束起伏角以及富树脂区体积分数等细观参数对局部区域等效刚度的影响。结果表明:环向交叉起伏区的弹性模量比螺旋交叉起伏区下降得更为明显;在富树脂区域,弹性模量和剪切模量降低较为明显,而泊松比则有所增大。纤维束厚度增加及纤维束截面变化对交叉起伏区域等效刚度会产生明显影响。
2016, 33(1): 183-188.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150514.001
摘要:
通过建立复合材料单向加筋壁板单元的基本力学假设和计算分析模型,提出了一种多约束条件下进行快速结构效率分析的方法,并利用该方法对典型的复合材料单向加筋壁板进行了结构效率分析和优化,得到了其结构效率随各设计参数的变化趋势和相对最优结构参数。本文方法综合考虑筋条总体稳定性、局部稳定性、结构静强度约束及其之间相互影响,并在基本假设的基础上将复合材料结构离散变量转化为独立的连续设计变量,使得结构力学性能分析和优化分析大为简化,对本文方法所得结果与试验及有限元分析所得结果做了比较,吻合得较好。研究结果为复合材料单向加筋壁板的设计提供了直接参考,具有较好的实际工程应用和参考价值。
通过建立复合材料单向加筋壁板单元的基本力学假设和计算分析模型,提出了一种多约束条件下进行快速结构效率分析的方法,并利用该方法对典型的复合材料单向加筋壁板进行了结构效率分析和优化,得到了其结构效率随各设计参数的变化趋势和相对最优结构参数。本文方法综合考虑筋条总体稳定性、局部稳定性、结构静强度约束及其之间相互影响,并在基本假设的基础上将复合材料结构离散变量转化为独立的连续设计变量,使得结构力学性能分析和优化分析大为简化,对本文方法所得结果与试验及有限元分析所得结果做了比较,吻合得较好。研究结果为复合材料单向加筋壁板的设计提供了直接参考,具有较好的实际工程应用和参考价值。
2016, 33(1): 189-197.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150417.001
摘要:
采用内聚力模型(CZM)描述颗粒增强复合材料(PRCs)颗粒/基体非理想界面的力学行为,采用细观力学的Mori-Tanaka(M-T)方法和稀释解方法研究非理想界面刚度对该复合材料有效模量的影响。结果表明:复合材料某一体积含量下的有效模量和其颗粒/基体非理想界面刚度之间存在单调递增的关系曲线。同一复合材料不同体积含量的有效模量和非理想界面刚度关系曲线存在一个临界交点(CP),该点对应的临界界面刚度控制着颗粒体积分数对有效模量的影响。研究了基体和增强相的力学性能以及增强颗粒的尺寸对CP点临界界面刚度的影响。采用有效模量-界面刚度关系曲线,结合实验测得的有效模量,提出了估算PRCs的非理想界面刚度的方法,进而估计了复合材料的宏观有效模量。
采用内聚力模型(CZM)描述颗粒增强复合材料(PRCs)颗粒/基体非理想界面的力学行为,采用细观力学的Mori-Tanaka(M-T)方法和稀释解方法研究非理想界面刚度对该复合材料有效模量的影响。结果表明:复合材料某一体积含量下的有效模量和其颗粒/基体非理想界面刚度之间存在单调递增的关系曲线。同一复合材料不同体积含量的有效模量和非理想界面刚度关系曲线存在一个临界交点(CP),该点对应的临界界面刚度控制着颗粒体积分数对有效模量的影响。研究了基体和增强相的力学性能以及增强颗粒的尺寸对CP点临界界面刚度的影响。采用有效模量-界面刚度关系曲线,结合实验测得的有效模量,提出了估算PRCs的非理想界面刚度的方法,进而估计了复合材料的宏观有效模量。
2016, 33(1): 198-203.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150528.005
摘要:
由于复合材料具有组成多元、各向异性等特点,电热载荷作用下碳纤维复合材料内部的响应行为十分复杂。为了研究碳纤维复合材料的电热响应,首先采用自制电热损伤试验平台,测试了不同电流强度下碳纤维复丝试样的表面温度分布,获得了碳纤维复丝电阻随温度的变化规律,初步揭示了碳纤维复丝具有温敏效应。然后,考察了不同电流处理条件下碳纤维复丝拉伸强度、断裂伸长率和拉伸模量的变化规律,并运用SEM和FTIR对电流处理前后材料的形貌和微观结构变化进行了分析。研究结果表明:纤维在通电过程中的产热效应促进了基体的进一步固化,同时提高了复丝界面的粘结性能;然而,当电流强度过大时,复丝的拉伸强度会因纤维本体的损伤或基体及界面层的烧蚀破坏而降低,从而降低了碳纤维复合材料的性能。
由于复合材料具有组成多元、各向异性等特点,电热载荷作用下碳纤维复合材料内部的响应行为十分复杂。为了研究碳纤维复合材料的电热响应,首先采用自制电热损伤试验平台,测试了不同电流强度下碳纤维复丝试样的表面温度分布,获得了碳纤维复丝电阻随温度的变化规律,初步揭示了碳纤维复丝具有温敏效应。然后,考察了不同电流处理条件下碳纤维复丝拉伸强度、断裂伸长率和拉伸模量的变化规律,并运用SEM和FTIR对电流处理前后材料的形貌和微观结构变化进行了分析。研究结果表明:纤维在通电过程中的产热效应促进了基体的进一步固化,同时提高了复丝界面的粘结性能;然而,当电流强度过大时,复丝的拉伸强度会因纤维本体的损伤或基体及界面层的烧蚀破坏而降低,从而降低了碳纤维复合材料的性能。
2016, 33(1): 204-212.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150518.005
摘要:
为预测复合材料层合板的低速冲击特性,提出一种基于弹簧-质量模型的冲击分层响应模拟方法。首先根据假定的分层数量和分层面积计算分层前后的弯曲刚度与挠度变化,进而模拟出含分层过程的冲击头运动时间历程。然后,由冲击头的加速度计算接触力,并基于材料的弹-塑性接触定律计算出永久凹坑深度。随后,对共固化复合材料翼盒的壁板进行了低速冲击实验,冲击点分为3种类型:2个梁间蒙皮的中点位置、蒙皮与翼梁T型连接的胶接区边界和梁的正上方。接着,分析对比了不同冲击点的接触力、分层阈值力和凹坑深度的特点。最后,使用所提出的模型计算第1种冲击点的接触力、永久凹坑深度和吸收能量,并分析了矩形板长宽比对薄膜刚度及接触力的影响。结果表明:模拟的接触力与实测结果吻合良好,对永久凹坑深度和吸收能量的模拟精度也较高,所提模拟方法有效;随着长宽比的减小,薄膜刚度迅速增大,从而使接触力显著增大。
为预测复合材料层合板的低速冲击特性,提出一种基于弹簧-质量模型的冲击分层响应模拟方法。首先根据假定的分层数量和分层面积计算分层前后的弯曲刚度与挠度变化,进而模拟出含分层过程的冲击头运动时间历程。然后,由冲击头的加速度计算接触力,并基于材料的弹-塑性接触定律计算出永久凹坑深度。随后,对共固化复合材料翼盒的壁板进行了低速冲击实验,冲击点分为3种类型:2个梁间蒙皮的中点位置、蒙皮与翼梁T型连接的胶接区边界和梁的正上方。接着,分析对比了不同冲击点的接触力、分层阈值力和凹坑深度的特点。最后,使用所提出的模型计算第1种冲击点的接触力、永久凹坑深度和吸收能量,并分析了矩形板长宽比对薄膜刚度及接触力的影响。结果表明:模拟的接触力与实测结果吻合良好,对永久凹坑深度和吸收能量的模拟精度也较高,所提模拟方法有效;随着长宽比的减小,薄膜刚度迅速增大,从而使接触力显著增大。
2016, 33(1): 213-223.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150424.002
摘要:
为研究不同尺度下Kevlar49单丝(微观)和单束(细观)的拉伸力学性能,首先,分别采用MTI微型拉伸试验机和MTS微机控制电子万能试验机对纤维丝和纤维束进行了单向拉伸试验,发现纤维丝和纤维束的力学性能与试样的标距及结构尺度存在很大相关性,试样的拉伸强度会随着其标距的增加和结构尺度从纤维丝增大到纤维束而降低;随后,按照Weibull分布对试验数据进行统计分析,量化了不同标距下纤维丝和纤维束拉伸强度的随机变化程度;接着,考虑到纤维丝的拉伸强度符合Weibull分布随机破坏,利用ANSYS中的用户自定义子程序(USERMAT)建立了纤维丝本构模型;最后,采用纤维丝本构模型模拟纤维束的拉伸破坏行为,并讨论了关键参数对纤维束拉伸破坏行为的影响。结果表明:纤维束的模拟结果与试验结果吻合程度较好,所建模型可以较准确地预测纤维束的拉伸性能。
为研究不同尺度下Kevlar49单丝(微观)和单束(细观)的拉伸力学性能,首先,分别采用MTI微型拉伸试验机和MTS微机控制电子万能试验机对纤维丝和纤维束进行了单向拉伸试验,发现纤维丝和纤维束的力学性能与试样的标距及结构尺度存在很大相关性,试样的拉伸强度会随着其标距的增加和结构尺度从纤维丝增大到纤维束而降低;随后,按照Weibull分布对试验数据进行统计分析,量化了不同标距下纤维丝和纤维束拉伸强度的随机变化程度;接着,考虑到纤维丝的拉伸强度符合Weibull分布随机破坏,利用ANSYS中的用户自定义子程序(USERMAT)建立了纤维丝本构模型;最后,采用纤维丝本构模型模拟纤维束的拉伸破坏行为,并讨论了关键参数对纤维束拉伸破坏行为的影响。结果表明:纤维束的模拟结果与试验结果吻合程度较好,所建模型可以较准确地预测纤维束的拉伸性能。
