2016年 第33卷 第10期
2016, 33(10): 2141-2150.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151223.006
摘要:
采用溶剂法和热熔法制备了不同有机黏土质量分数的有机黏土/聚醚砜（PES）-环氧复合材料，通过对其微观形态和力学性能的研究，揭示了复合材料的增韧机制。在有机黏土/PES-环氧复合材料中添加T800H（12K）碳纤维，制备了T800H-有机黏土/PES-环氧复合材料预浸料单向带，采用热压罐工艺制备了复合材料单向板，对其I型、II型层间断裂韧性进行了研究。结果表明：T800H-有机黏土/PES-环氧复合材料的层间断裂韧性随有机黏土质量分数变化趋势与有机黏土/PES-环氧复合材料的断裂韧性趋势一致，证明了增韧机制的正确性。
采用溶剂法和热熔法制备了不同有机黏土质量分数的有机黏土/聚醚砜（PES）-环氧复合材料，通过对其微观形态和力学性能的研究，揭示了复合材料的增韧机制。在有机黏土/PES-环氧复合材料中添加T800H（12K）碳纤维，制备了T800H-有机黏土/PES-环氧复合材料预浸料单向带，采用热压罐工艺制备了复合材料单向板，对其I型、II型层间断裂韧性进行了研究。结果表明：T800H-有机黏土/PES-环氧复合材料的层间断裂韧性随有机黏土质量分数变化趋势与有机黏土/PES-环氧复合材料的断裂韧性趋势一致，证明了增韧机制的正确性。
2016, 33(10): 2151-2157.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151218.001
摘要:
采用布拉格光纤光栅（FBG）传感器，对一种典型液态成型环氧树脂在不同固化工艺以及后固化过程中的温度及应变进行了实时在线监测。通过将树脂内部应变变化转化为树脂线性体积变化，得到不同工艺过程中树脂的固化收缩规律，以此作为依据对树脂的经验固化及后固化工艺参数进行验证和优化。结果表明：所选液态成型树脂在80℃下固化，其固化度和玻璃化转变温度分别为90%和85℃，高于75℃固化树脂，但其总固化体积收缩只比75℃固化时略为增加了约5%；树脂在120℃下进行后固化处理时，恒温180 min后FBG传感器监测到的树脂内部应变已不再变化，此时树脂已基本完全固化，无需再延长后固化时间。
采用布拉格光纤光栅（FBG）传感器，对一种典型液态成型环氧树脂在不同固化工艺以及后固化过程中的温度及应变进行了实时在线监测。通过将树脂内部应变变化转化为树脂线性体积变化，得到不同工艺过程中树脂的固化收缩规律，以此作为依据对树脂的经验固化及后固化工艺参数进行验证和优化。结果表明：所选液态成型树脂在80℃下固化，其固化度和玻璃化转变温度分别为90%和85℃，高于75℃固化树脂，但其总固化体积收缩只比75℃固化时略为增加了约5%；树脂在120℃下进行后固化处理时，恒温180 min后FBG传感器监测到的树脂内部应变已不再变化，此时树脂已基本完全固化，无需再延长后固化时间。
2016, 33(10): 2158-2165.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160127.002
摘要:
通过熔融共混法制备出长玻纤增强尼龙10T（LGF/PA10T）复合材料，并且采用DSC、DMA、SEM和力学性能测试等方法研究了不同热氧老化时间对LGF/PA10T复合材料静、动态力学性能的影响，并对LGF/PA10T复合材料发生玻璃化转变时所需活化能进行了计算。结果表明：虽然在老化初期PA10T分子链之间会发生微交联，材料的刚性略有增加，但在整个老化过程中，分子链断裂、分子量下降起主导作用，在240℃下老化50 d后，LGF/PA10T复合材料的拉伸强度保持率、弯曲强度保持率、缺口冲击强度保持率分别为4.9%、6.3%、9.4%。随着老化时间的增长，玻纤与PA10T基体之间的界面粘接作用减弱，玻璃化转变温度和阻尼性能下降。活化能计算结果表明热氧老化能够改变PA10T分子链的活动能力，降低了LGF/PA10T复合材料的热稳定性。
通过熔融共混法制备出长玻纤增强尼龙10T（LGF/PA10T）复合材料，并且采用DSC、DMA、SEM和力学性能测试等方法研究了不同热氧老化时间对LGF/PA10T复合材料静、动态力学性能的影响，并对LGF/PA10T复合材料发生玻璃化转变时所需活化能进行了计算。结果表明：虽然在老化初期PA10T分子链之间会发生微交联，材料的刚性略有增加，但在整个老化过程中，分子链断裂、分子量下降起主导作用，在240℃下老化50 d后，LGF/PA10T复合材料的拉伸强度保持率、弯曲强度保持率、缺口冲击强度保持率分别为4.9%、6.3%、9.4%。随着老化时间的增长，玻纤与PA10T基体之间的界面粘接作用减弱，玻璃化转变温度和阻尼性能下降。活化能计算结果表明热氧老化能够改变PA10T分子链的活动能力，降低了LGF/PA10T复合材料的热稳定性。
2016, 33(10): 2166-2173.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160129.001
摘要:
利用熔融共混法制得不同纳米SiC质量分数（0.5%、2.0%、3.0%）的纳米SiC/低密度聚乙烯（LDPE）复合材料，研究了添加纳米SiC颗粒对LDPE介电性能的影响。利用SEM观测了纳米SiC颗粒的分散特性，利用电声脉冲（PEA）法测得40 kV/mm场强作用下纳米SiC/LDPE复合材料的空间电荷分布特性。利用热刺激电流（TSC）进一步验证纳米SiC添加能够提高LDPE的陷阱浓度。结果表明：纳米SiC颗粒能够均匀地分散在LDPE中，未出现较大的团聚现象。纳米SiC质量分数为0.5%、2.0%和3.0%的纳米SiC/LDPE复合材料空间电荷注入量明显低于LDPE。短路600 s后的残留空间电荷密度远小于LDPE。纳米SiC/LDPE复合材料的空间电荷注入量与电导率均随着纳米SiC的增加而减少。纳米SiC质量分数为3.0%的纳米SiC/LDPE复合材料场强非线性系数为2.6，远小于LDPE的4.3。TSC曲线表明纳米SiC/LDPE复合材料内部制造了大量的陷阱，抑制了载流子在材料内部的输运，从而阻碍了空间电荷的迁移和积聚。
利用熔融共混法制得不同纳米SiC质量分数（0.5%、2.0%、3.0%）的纳米SiC/低密度聚乙烯（LDPE）复合材料，研究了添加纳米SiC颗粒对LDPE介电性能的影响。利用SEM观测了纳米SiC颗粒的分散特性，利用电声脉冲（PEA）法测得40 kV/mm场强作用下纳米SiC/LDPE复合材料的空间电荷分布特性。利用热刺激电流（TSC）进一步验证纳米SiC添加能够提高LDPE的陷阱浓度。结果表明：纳米SiC颗粒能够均匀地分散在LDPE中，未出现较大的团聚现象。纳米SiC质量分数为0.5%、2.0%和3.0%的纳米SiC/LDPE复合材料空间电荷注入量明显低于LDPE。短路600 s后的残留空间电荷密度远小于LDPE。纳米SiC/LDPE复合材料的空间电荷注入量与电导率均随着纳米SiC的增加而减少。纳米SiC质量分数为3.0%的纳米SiC/LDPE复合材料场强非线性系数为2.6，远小于LDPE的4.3。TSC曲线表明纳米SiC/LDPE复合材料内部制造了大量的陷阱，抑制了载流子在材料内部的输运，从而阻碍了空间电荷的迁移和积聚。
2016, 33(10): 2174-2180.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151218.002
摘要:
以ZrSi2颗粒填充硼酚醛树脂制备了一种耐高温且裂解后结构较为完整的泡沫复合材料。研究了ZrSi2颗粒质量分数对泡沫复合材料固化机制、高温裂解行为及裂解前后压缩性能的影响，并分析了ZrSi2颗粒对泡沫复合材料裂解产物的增强机制。结果表明：添加的ZrSi2颗粒虽未参与硼酚醛树脂的固化交联，但会和硼酚醛树脂裂解放出的气体挥发物发生化学反应，提高了裂解产物的残炭率和压缩比强度。当添加的ZrSi2颗粒质量为硼酚醛树脂质量的10%时，裂解产物的残炭率和压缩比强度提高最为显著。ZrSi2/硼酚醛泡沫经过裂解后，ZrSi2颗粒作为第二相粒子钉扎在裂解产物的孔壁上，化学反应使得部分裂解气体挥发物被吸收并转化为固相产物，明显减少的缺陷提高了裂解产物的力学性能。
以ZrSi2颗粒填充硼酚醛树脂制备了一种耐高温且裂解后结构较为完整的泡沫复合材料。研究了ZrSi2颗粒质量分数对泡沫复合材料固化机制、高温裂解行为及裂解前后压缩性能的影响，并分析了ZrSi2颗粒对泡沫复合材料裂解产物的增强机制。结果表明：添加的ZrSi2颗粒虽未参与硼酚醛树脂的固化交联，但会和硼酚醛树脂裂解放出的气体挥发物发生化学反应，提高了裂解产物的残炭率和压缩比强度。当添加的ZrSi2颗粒质量为硼酚醛树脂质量的10%时，裂解产物的残炭率和压缩比强度提高最为显著。ZrSi2/硼酚醛泡沫经过裂解后，ZrSi2颗粒作为第二相粒子钉扎在裂解产物的孔壁上，化学反应使得部分裂解气体挥发物被吸收并转化为固相产物，明显减少的缺陷提高了裂解产物的力学性能。
2016, 33(10): 2181-2186.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151118.002
摘要:
采用自制膨润土/木质素磺酸钠接枝丙烯酰胺-马来酸酐复合吸附树脂（Bentonite/LS-g-AM-co-MAH），研究了外加电解质中竞争阳离子与共存阴离子对Bentonite/LS-g-AM-co-MAH吸附Pb2+的影响。结果表明：竞争阳离子Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ni2+、Co2+、Zn2+、Cd2+和Cu2+抑制Pb2+的吸附，抑制作用顺序为Cu2+ > Cd2+ > Zn2+ > Co2+ > Ni2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+；Fe3+和Al3+在pH=2.0~3.0时抑制Pb2+的吸附，在pH=4.0~6.0时促进Pb2+的吸附，两者的影响顺序为Fe3+>Al3+。共存阴离子NO3-、Cl-和Br-抑制Pb2+的吸附，抑制作用顺序为Br- > Cl- > NO3-；SO42-和PO43-有利于去除Pb2+，两者影响基本相同。
采用自制膨润土/木质素磺酸钠接枝丙烯酰胺-马来酸酐复合吸附树脂（Bentonite/LS-g-AM-co-MAH），研究了外加电解质中竞争阳离子与共存阴离子对Bentonite/LS-g-AM-co-MAH吸附Pb2+的影响。结果表明：竞争阳离子Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ni2+、Co2+、Zn2+、Cd2+和Cu2+抑制Pb2+的吸附，抑制作用顺序为Cu2+ > Cd2+ > Zn2+ > Co2+ > Ni2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+；Fe3+和Al3+在pH=2.0~3.0时抑制Pb2+的吸附，在pH=4.0~6.0时促进Pb2+的吸附，两者的影响顺序为Fe3+>Al3+。共存阴离子NO3-、Cl-和Br-抑制Pb2+的吸附，抑制作用顺序为Br- > Cl- > NO3-；SO42-和PO43-有利于去除Pb2+，两者影响基本相同。
2016, 33(10): 2187-2196.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151217.003
摘要:
对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）薄壁圆管的扭转屈曲、失效载荷和失效模式进行了试验和数值模拟。试验观察圆管在扭矩作用下的3种失效模式，分析了不同失效模式的特征和机理。考虑圆柱壳的初始缺陷和非线性屈曲等因素，利用ABAQUS建立了圆管屈曲和损伤的有限元模型。结果表明：屈曲诱发圆管表面微裂纹的产生和扩展，对圆管的失效有着加速作用；扭转失效过程中圆管层间应力较低，层间分层主要由管壁突然的破坏产生；圆柱壳的初始缺陷对屈曲和失效载荷的模拟影响较大，本文通过对比计算结果和试验数据确定了圆管的初始缺陷系数；损伤模型的数值模拟结果与试验数据相一致，验证了有限元模型的有效性。
对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）薄壁圆管的扭转屈曲、失效载荷和失效模式进行了试验和数值模拟。试验观察圆管在扭矩作用下的3种失效模式，分析了不同失效模式的特征和机理。考虑圆柱壳的初始缺陷和非线性屈曲等因素，利用ABAQUS建立了圆管屈曲和损伤的有限元模型。结果表明：屈曲诱发圆管表面微裂纹的产生和扩展，对圆管的失效有着加速作用；扭转失效过程中圆管层间应力较低，层间分层主要由管壁突然的破坏产生；圆柱壳的初始缺陷对屈曲和失效载荷的模拟影响较大，本文通过对比计算结果和试验数据确定了圆管的初始缺陷系数；损伤模型的数值模拟结果与试验数据相一致，验证了有限元模型的有效性。
2016, 33(10): 2197-2204.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160118.002
摘要:
基于变分渐近均匀化理论框架建立可预测复合材料有效湿热弹性性能和单胞内局部场分布的细观力学模型。从推导复合材料湿热弹性自由能泛函出发，利用细、宏观尺度比作为小参数对自由能泛函的主导变分项进行渐近分析，得到湿热弹性问题的系列细观力学模型和局部场分布的重构关系，并通过有限元数值方法实现。与ABAQUS有限元算例的对比表明：构建的细观力学模型可有效准确地预测复合材料有效湿热弹性属性和局部场分布。
基于变分渐近均匀化理论框架建立可预测复合材料有效湿热弹性性能和单胞内局部场分布的细观力学模型。从推导复合材料湿热弹性自由能泛函出发，利用细、宏观尺度比作为小参数对自由能泛函的主导变分项进行渐近分析，得到湿热弹性问题的系列细观力学模型和局部场分布的重构关系，并通过有限元数值方法实现。与ABAQUS有限元算例的对比表明：构建的细观力学模型可有效准确地预测复合材料有效湿热弹性属性和局部场分布。
2016, 33(10): 2205-2214.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151217.002
摘要:
玻璃料可以改善可陶瓷化硅橡胶基复合材料高温热解后的力学强度，保持结构的完整性。为了研究玻璃料的成分对云母/硅橡胶复合材料耐高温性能的影响，分别以玻璃料A和B为助熔剂，制得了2种复合材料，研究了其力学性能、微观形貌、热分解性能及陶瓷化机制。结果表明：云母/硅橡胶复合材料常温拉伸强度为3~4 MPa，600~1 200℃下热解后试样的弯曲强度在0.3~4.5 MPa之间，且保持结构完整；SEM结果显示玻璃料B有助于形成大量的液相结构，更好地改善热解后形成的陶瓷层的强度和结构；TG结果显示玻璃料可以加速硅橡胶的分解，因此要控制玻璃料的加入量；XRD结果显示在温度变化过程中，添加含SiO2和K2O成分较多的玻璃料B至云母/硅橡胶复合材料中形成了非晶相和钾长石（K2O·Al2O3·6SiO2），从而提高陶瓷层的强度。
玻璃料可以改善可陶瓷化硅橡胶基复合材料高温热解后的力学强度，保持结构的完整性。为了研究玻璃料的成分对云母/硅橡胶复合材料耐高温性能的影响，分别以玻璃料A和B为助熔剂，制得了2种复合材料，研究了其力学性能、微观形貌、热分解性能及陶瓷化机制。结果表明：云母/硅橡胶复合材料常温拉伸强度为3~4 MPa，600~1 200℃下热解后试样的弯曲强度在0.3~4.5 MPa之间，且保持结构完整；SEM结果显示玻璃料B有助于形成大量的液相结构，更好地改善热解后形成的陶瓷层的强度和结构；TG结果显示玻璃料可以加速硅橡胶的分解，因此要控制玻璃料的加入量；XRD结果显示在温度变化过程中，添加含SiO2和K2O成分较多的玻璃料B至云母/硅橡胶复合材料中形成了非晶相和钾长石（K2O·Al2O3·6SiO2），从而提高陶瓷层的强度。
2016, 33(10): 2215-2222.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160113.001
摘要:
通过试验研究了预紧力、齿长和载荷水平对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）预紧力单齿接头（PTSTC）静态和疲劳性能的影响。试验结果表明：CFRP PTSTC的疲劳极限承载力可以达到静态极限承载力的80%~85%，与螺栓等传统连接方式相比，其疲劳性能具有一定优势；预紧力可以显著改善CFRP单齿接头的静态和疲劳性能；CFRP PTSTC的静态极限承载力随齿长增加而升高，但是在相同载荷水平下增加齿长不一定可以延长接头的疲劳寿命，尤其是在低载荷水平下齿长增加反而会缩短疲劳寿命；在加载初期，PTSTC的疲劳裂纹快速萌生，之后扩展缓慢，在接近破坏前的几次循环中又骤然增大，预紧力可以减缓疲劳损伤的累积速率；疲劳过程中PTSTC的刚度衰退不明显，在前95%疲劳寿命阶段仅下降1%~4%，预紧力也可以减缓刚度的衰退速率。所得研究成果可为复合材料接头抗疲劳设计提供参考依据。
通过试验研究了预紧力、齿长和载荷水平对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）预紧力单齿接头（PTSTC）静态和疲劳性能的影响。试验结果表明：CFRP PTSTC的疲劳极限承载力可以达到静态极限承载力的80%~85%，与螺栓等传统连接方式相比，其疲劳性能具有一定优势；预紧力可以显著改善CFRP单齿接头的静态和疲劳性能；CFRP PTSTC的静态极限承载力随齿长增加而升高，但是在相同载荷水平下增加齿长不一定可以延长接头的疲劳寿命，尤其是在低载荷水平下齿长增加反而会缩短疲劳寿命；在加载初期，PTSTC的疲劳裂纹快速萌生，之后扩展缓慢，在接近破坏前的几次循环中又骤然增大，预紧力可以减缓疲劳损伤的累积速率；疲劳过程中PTSTC的刚度衰退不明显，在前95%疲劳寿命阶段仅下降1%~4%，预紧力也可以减缓刚度的衰退速率。所得研究成果可为复合材料接头抗疲劳设计提供参考依据。
2016, 33(10): 2223-2229.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160309.002
摘要:
采用复合材料电热实验平台，测试碳纤维树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）电热作用下温度场变化规律，同时从单丝拉伸断裂界面剪切强度、短梁剪切性能变化和剪切断口等多方面揭示电热作用对CFRP力学性能的影响机制。结果表明：电热作用会使CFRP整体温度迅速升高，在约4 min时达到稳态温度，随着电流强度的增大，CFRP层板表面温度越高，当电流强度为8 A（0.44 A/mm2）时，CFRP的表面温度达到151℃；单丝拉伸和短梁剪切界面强度都随着电流强度增加呈现先增加后降低的趋势；小电流时，电热作用产生较少的焦耳热，优化界面性能，提高界面剪切强度，大电流时，电热作用产生的焦耳热过大，对界面产生烧蚀等不可逆损伤，降低了界面结合性能。
采用复合材料电热实验平台，测试碳纤维树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）电热作用下温度场变化规律，同时从单丝拉伸断裂界面剪切强度、短梁剪切性能变化和剪切断口等多方面揭示电热作用对CFRP力学性能的影响机制。结果表明：电热作用会使CFRP整体温度迅速升高，在约4 min时达到稳态温度，随着电流强度的增大，CFRP层板表面温度越高，当电流强度为8 A（0.44 A/mm2）时，CFRP的表面温度达到151℃；单丝拉伸和短梁剪切界面强度都随着电流强度增加呈现先增加后降低的趋势；小电流时，电热作用产生较少的焦耳热，优化界面性能，提高界面剪切强度，大电流时，电热作用产生的焦耳热过大，对界面产生烧蚀等不可逆损伤，降低了界面结合性能。
2016, 33(10): 2230-2236.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160315.010
摘要:
受自然骨缝连接结构的启发，基于图形分形原理，建立了不同阶次的复合材料仿生齿接结构模型。借助商用有限元软件ABAQUS，研究了齿接结构的界面损伤扩展规律与结构承载机制，分析了高阶齿接结构的结构互锁特性、齿数与齿型等因素对结构承载能力的影响。结果表明：高阶齿接结构的结构互锁特性极大地提高了结构承载能力并改变了结构损伤机制，适当增加单位宽度上的接齿数量与改变接齿局部特性可以降低应力集中，改善齿接结构力学性能。研究成果解释了自然骨缝连接结构在进化过程中所体现的力学原理，也为新型工程连接结构的发展开拓了新视野。
受自然骨缝连接结构的启发，基于图形分形原理，建立了不同阶次的复合材料仿生齿接结构模型。借助商用有限元软件ABAQUS，研究了齿接结构的界面损伤扩展规律与结构承载机制，分析了高阶齿接结构的结构互锁特性、齿数与齿型等因素对结构承载能力的影响。结果表明：高阶齿接结构的结构互锁特性极大地提高了结构承载能力并改变了结构损伤机制，适当增加单位宽度上的接齿数量与改变接齿局部特性可以降低应力集中，改善齿接结构力学性能。研究成果解释了自然骨缝连接结构在进化过程中所体现的力学原理，也为新型工程连接结构的发展开拓了新视野。
2016, 33(10): 2237-2245.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160308.005
摘要:
为制备性能优良的Al2O3/Fe复合型蜂窝材料，首先以316 L合金粉末、Al2O3粉末和黏结剂为原料，通过粉末增塑挤压及在1 200℃氩气气氛中烧结2 h获得了Al2O3/Fe复合型蜂窝材料；然后，借助SEM、XRD及万能试验机研究了添加Al2O3对Al2O3/Fe复合型蜂窝材料组织与性能的影响。结果表明：金属粉末颗粒在烧结过程中结合形成γ-Fe基体网状组织，表面有呈多边形几何状形态的Cr2O3形成；添加少量的Al2O3可以抑制Cr从基体中析出，降低表面Cr2O3的含量，使金属颗粒烧结结合更为紧密，组织表面更加光滑；随着Al2O3含量的增加，蜂窝材料表面与催化活性涂层的结合能力增强，复合型蜂窝材料的抗压强度先升高后降低；在Al2O3含量为5.0wt%时，抗压强度达26 MPa。所得结论表明5.0wt% Al2O3/Fe复合型蜂窝材料力学性能最佳，表面涂覆性能优良。
为制备性能优良的Al2O3/Fe复合型蜂窝材料，首先以316 L合金粉末、Al2O3粉末和黏结剂为原料，通过粉末增塑挤压及在1 200℃氩气气氛中烧结2 h获得了Al2O3/Fe复合型蜂窝材料；然后，借助SEM、XRD及万能试验机研究了添加Al2O3对Al2O3/Fe复合型蜂窝材料组织与性能的影响。结果表明：金属粉末颗粒在烧结过程中结合形成γ-Fe基体网状组织，表面有呈多边形几何状形态的Cr2O3形成；添加少量的Al2O3可以抑制Cr从基体中析出，降低表面Cr2O3的含量，使金属颗粒烧结结合更为紧密，组织表面更加光滑；随着Al2O3含量的增加，蜂窝材料表面与催化活性涂层的结合能力增强，复合型蜂窝材料的抗压强度先升高后降低；在Al2O3含量为5.0wt%时，抗压强度达26 MPa。所得结论表明5.0wt% Al2O3/Fe复合型蜂窝材料力学性能最佳，表面涂覆性能优良。
2016, 33(10): 2246-2252.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160307.001
摘要:
为解决双金属复合管固-液铸轧复合（SLCRB）工艺覆层熔体金属的环形均匀稳定布流问题，提出并设计了一种带有三级环形阶梯分流和锥形缓冲的环形布流器，并且基于商用软件Fluent建立了稳态布流过程的流体动力学模型，分析了布流器结构和铸轧速度对系统流场的影响，给出了获得均匀、稳定出口流场的布流器内部结构和布流条件，并用水模实验进行验证。结果表明：布流器内通道高宽比不小于1有利于均匀分流，并且锥形缓冲区的均流缓冲作用至关重要。以1.2 m/min的铸轧速度成功制备了外径为38 mm、内径为26 mm的铅-铝双金属复合管，覆层金属厚度均匀、界面结合效果良好。
为解决双金属复合管固-液铸轧复合（SLCRB）工艺覆层熔体金属的环形均匀稳定布流问题，提出并设计了一种带有三级环形阶梯分流和锥形缓冲的环形布流器，并且基于商用软件Fluent建立了稳态布流过程的流体动力学模型，分析了布流器结构和铸轧速度对系统流场的影响，给出了获得均匀、稳定出口流场的布流器内部结构和布流条件，并用水模实验进行验证。结果表明：布流器内通道高宽比不小于1有利于均匀分流，并且锥形缓冲区的均流缓冲作用至关重要。以1.2 m/min的铸轧速度成功制备了外径为38 mm、内径为26 mm的铅-铝双金属复合管，覆层金属厚度均匀、界面结合效果良好。
2016, 33(10): 2253-2260.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160112.006
摘要:
建立了颗粒增强铝基复合材料的轴对称单胞模型，并通过有限元方法模拟了B4C颗粒增强5083铝基复合材料的力学性能和微观应力分布。结果表明，模拟结果与实验结果吻合较好，模拟椭球体颗粒增强复合材料的抗拉强度为485 MPa，而实验值为477 MPa，相对误差仅为1.7%。颗粒形状对复合材料微观应力场有很大影响：圆柱体颗粒的尖角处容易造成应力集中，而球体颗粒界面处应力分布较为均匀。在一定范围内，复合材料的弹性模量和抗拉强度随着B4C颗粒体积分数的增加而增加。在颗粒体积分数不变的情况下，不同长径比的颗粒沿复合材料受力方向定向排列时，颗粒的长径比越大，复合材料的弹性模量、强度等力学性能也越高。
建立了颗粒增强铝基复合材料的轴对称单胞模型，并通过有限元方法模拟了B4C颗粒增强5083铝基复合材料的力学性能和微观应力分布。结果表明，模拟结果与实验结果吻合较好，模拟椭球体颗粒增强复合材料的抗拉强度为485 MPa，而实验值为477 MPa，相对误差仅为1.7%。颗粒形状对复合材料微观应力场有很大影响：圆柱体颗粒的尖角处容易造成应力集中，而球体颗粒界面处应力分布较为均匀。在一定范围内，复合材料的弹性模量和抗拉强度随着B4C颗粒体积分数的增加而增加。在颗粒体积分数不变的情况下，不同长径比的颗粒沿复合材料受力方向定向排列时，颗粒的长径比越大，复合材料的弹性模量、强度等力学性能也越高。
2016, 33(10): 2261-2269.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160308.004
摘要:
采用盐浴镀的方法对SiCP进行表面镀Ti处理，并通过搅拌铸造的方法制备了表面镀Ti改性SiCP/Al2014复合材料。研究了镀Ti SiCP的尺寸和体积分数对SiCP/Al2014复合材料微观组织和力学性能的影响规律。结果表明：表面镀Ti处理能有效改善SiCP在Al基体中的分散均匀性；但随着SiCP体积分数提高，相同尺寸的镀Ti SiCP在Al基体分散均匀性逐渐变差，当SiCP体积分数相同时，其在Al基体中的分散均匀性随着SiCP尺寸的增加逐渐变好。SiCP尺寸相同时，SiCP/Al2014复合材料的常温拉伸强度随颗粒体积分数的增加先增大后减小，SiCP尺寸为5 μm和10 μm的SiCP/Al2014复合材料抗拉强度在颗粒的体积分数为4%时达到最高，分别为524 MPa和536 MPa；SiCP/Al2014复合材料的高温（493 K）抗拉强度随着SiCp体积分数增加而增大，SiCP尺寸为5 μm和10 μm的SiCP/Al2014复合材料抗拉强度在颗粒体积分数为6%时达到最高，分别为308 MPa和320 MPa。
采用盐浴镀的方法对SiCP进行表面镀Ti处理，并通过搅拌铸造的方法制备了表面镀Ti改性SiCP/Al2014复合材料。研究了镀Ti SiCP的尺寸和体积分数对SiCP/Al2014复合材料微观组织和力学性能的影响规律。结果表明：表面镀Ti处理能有效改善SiCP在Al基体中的分散均匀性；但随着SiCP体积分数提高，相同尺寸的镀Ti SiCP在Al基体分散均匀性逐渐变差，当SiCP体积分数相同时，其在Al基体中的分散均匀性随着SiCP尺寸的增加逐渐变好。SiCP尺寸相同时，SiCP/Al2014复合材料的常温拉伸强度随颗粒体积分数的增加先增大后减小，SiCP尺寸为5 μm和10 μm的SiCP/Al2014复合材料抗拉强度在颗粒的体积分数为4%时达到最高，分别为524 MPa和536 MPa；SiCP/Al2014复合材料的高温（493 K）抗拉强度随着SiCp体积分数增加而增大，SiCP尺寸为5 μm和10 μm的SiCP/Al2014复合材料抗拉强度在颗粒体积分数为6%时达到最高，分别为308 MPa和320 MPa。
2016, 33(10): 2270-2276.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160118.001
摘要:
通过施加动态边界条件和超声振动热效应转化相结合的方法近似处理超声振动边界条件，研究了超声作用下激光熔覆SiC/316L复合涂层的残余应力，并探讨了超声振幅和扫描速度对复合涂层残余应力的影响。根据优化结果采用超声辅助激光熔覆制备SiC/316L复合涂层。结果表明：超声振幅和扫描速度对涂层表面x方向应力、y方向应力、界面处剪切应力和von Mises应力均有明显影响。当超声振幅为10 μm，扫描速度为10 mm/s时，SiC/316L复合涂层有较好的残余应力缓和效果。超声空化或机械效应及声流作用促使SiC/316L复合涂层组织得到明显细化，且SiC颗粒均匀分布。
通过施加动态边界条件和超声振动热效应转化相结合的方法近似处理超声振动边界条件，研究了超声作用下激光熔覆SiC/316L复合涂层的残余应力，并探讨了超声振幅和扫描速度对复合涂层残余应力的影响。根据优化结果采用超声辅助激光熔覆制备SiC/316L复合涂层。结果表明：超声振幅和扫描速度对涂层表面x方向应力、y方向应力、界面处剪切应力和von Mises应力均有明显影响。当超声振幅为10 μm，扫描速度为10 mm/s时，SiC/316L复合涂层有较好的残余应力缓和效果。超声空化或机械效应及声流作用促使SiC/316L复合涂层组织得到明显细化，且SiC颗粒均匀分布。
2016, 33(10): 2277-2289.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160118.003
摘要:
使用分离式Hopkinson压杆（SHPB）系统，在温度293~973 K、应变率6 000~10 000 s-1下，对原位合成TiC颗粒和TiB晶须混合增强钛基复合材料（TMCs）的动态压缩性能进行了研究。试验结果表明：在373~573 K、673~773 K和873~973 K范围内TMCs流变应力随温度的增加而显著减小；在较低温度（低于373 K）和较低应变率（6 000~8 000 s-1）下，TMCs呈现小幅的应变率硬化特征，而在较高温度（573 K及以上）时各应变率下TMCs均存在应变率软化特征，且温度越高材料应变率软化效应越明显。材料失效/断裂机制分析表明：应变率软化机制主要是绝热软化及其产生的绝热剪切带（ABS）中微裂纹的形成和扩展的综合作用；在较高的应变率和较大应变下ABS中会产生微裂纹，温度较低时TMCs塑性不足以抑制或阻碍微裂纹的扩展，从而导致TMCs在宏观上迅速破坏；材料破坏时以钛合金基体塑性断裂为主，但在局部伴随部分增强相脆性断裂。
使用分离式Hopkinson压杆（SHPB）系统，在温度293~973 K、应变率6 000~10 000 s-1下，对原位合成TiC颗粒和TiB晶须混合增强钛基复合材料（TMCs）的动态压缩性能进行了研究。试验结果表明：在373~573 K、673~773 K和873~973 K范围内TMCs流变应力随温度的增加而显著减小；在较低温度（低于373 K）和较低应变率（6 000~8 000 s-1）下，TMCs呈现小幅的应变率硬化特征，而在较高温度（573 K及以上）时各应变率下TMCs均存在应变率软化特征，且温度越高材料应变率软化效应越明显。材料失效/断裂机制分析表明：应变率软化机制主要是绝热软化及其产生的绝热剪切带（ABS）中微裂纹的形成和扩展的综合作用；在较高的应变率和较大应变下ABS中会产生微裂纹，温度较低时TMCs塑性不足以抑制或阻碍微裂纹的扩展，从而导致TMCs在宏观上迅速破坏；材料破坏时以钛合金基体塑性断裂为主，但在局部伴随部分增强相脆性断裂。
2016, 33(10): 2290-2296.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160315.011
摘要:
抗氧化涂层技术是解决碳/碳复合材料高温抗氧化性的最有效技术途径之一。为了提高材料在1 800℃以上的高温抗氧化性能，首次采用包埋法、涂刷法和等离子喷涂法在碳/碳复合材料表面制备出SiC/MoSi2/ZrO2梯度抗氧化涂层体系。采用SEM/EDS、结合力和粗糙度测试对涂层表面及断面形貌进行微观分析，利用等离子风洞对整个涂层体系进行氧化试验。结果表明：基体、过渡层和高温抗氧化层之间结合力良好，高温抗氧化层厚度均匀、结构致密。经等离子风洞氧化600 s后，涂层表面温度达到1 850℃，氧化质量失重速率仅为3.15×10-6 g/（cm2·s）。表明SiC/MOSi2/ZrO2梯度抗氧化涂层体系在1 800℃以上的高温环境下具有很好的抗氧化性能。
抗氧化涂层技术是解决碳/碳复合材料高温抗氧化性的最有效技术途径之一。为了提高材料在1 800℃以上的高温抗氧化性能，首次采用包埋法、涂刷法和等离子喷涂法在碳/碳复合材料表面制备出SiC/MoSi2/ZrO2梯度抗氧化涂层体系。采用SEM/EDS、结合力和粗糙度测试对涂层表面及断面形貌进行微观分析，利用等离子风洞对整个涂层体系进行氧化试验。结果表明：基体、过渡层和高温抗氧化层之间结合力良好，高温抗氧化层厚度均匀、结构致密。经等离子风洞氧化600 s后，涂层表面温度达到1 850℃，氧化质量失重速率仅为3.15×10-6 g/（cm2·s）。表明SiC/MOSi2/ZrO2梯度抗氧化涂层体系在1 800℃以上的高温环境下具有很好的抗氧化性能。
2016, 33(10): 2297-2303.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160315.001
摘要:
利用材料试验机和分离式霍普金森压杆（SHPB）系统对加压烧结制备的Zr-W多功能含能结构材料在不同应变率下的压缩行为进行测试。通过在试样上直接贴应变片与波形整形技术相结合，实现了恒应变率动态加载。试验结果表明：该材料在准静态和动态加载下均呈现良好的线弹性，弹性模量对应变率效应不敏感，约为186 GPa。烧结生成的W2Zr相显著提高了Zr-W材料的强度和脆性，试样在强冲击载荷作用下发生破碎反应并释放大量的热量，表现出很高的含能特性，动态破坏应变和破坏强度表现出一定的正应变率效应。
利用材料试验机和分离式霍普金森压杆（SHPB）系统对加压烧结制备的Zr-W多功能含能结构材料在不同应变率下的压缩行为进行测试。通过在试样上直接贴应变片与波形整形技术相结合，实现了恒应变率动态加载。试验结果表明：该材料在准静态和动态加载下均呈现良好的线弹性，弹性模量对应变率效应不敏感，约为186 GPa。烧结生成的W2Zr相显著提高了Zr-W材料的强度和脆性，试样在强冲击载荷作用下发生破碎反应并释放大量的热量，表现出很高的含能特性，动态破坏应变和破坏强度表现出一定的正应变率效应。
2016, 33(10): 2304-2311.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151223.001
摘要:
为解决TiO2对太阳能有效利用率低、光生电子与空穴再复合率高、光催化活性低且难回收等应用难题，利用静电纺丝技术成功地制备了纳米Ag-碳纳米管（CNT）-混晶TiO2复合纤维，并采用SEM、XRD、EDS及Raman等表征方法详细分析了材料的微观结构与组分，研究了纳米Ag-CNT-混晶TiO2复合纤维对亚甲基蓝的光催化活性。结果表明：锐钛矿与金红石相TiO2混晶不仅可降低材料的禁带宽度，还能减缓光生电子与空穴的复合淬灭；纳米Ag颗粒的局域表面等离激元共振可增强Ag-CNT-混晶TiO2复合纤维的光吸收，CNT能促进光生电子与空穴的有效分离；纳米Ag-CNT-混晶TiO2复合纤维对亚甲基蓝的首次降解率可达97.5%，且5次催化循环后对亚甲基蓝的降解率仍保持在90.0%以上。所得结论表明静电纺丝制备的新型纳米Ag-CNT-混晶TiO2复合纤维是一种高活性的光催化剂，且容易回收，具有光降解亚甲基蓝的应用前景。
为解决TiO2对太阳能有效利用率低、光生电子与空穴再复合率高、光催化活性低且难回收等应用难题，利用静电纺丝技术成功地制备了纳米Ag-碳纳米管（CNT）-混晶TiO2复合纤维，并采用SEM、XRD、EDS及Raman等表征方法详细分析了材料的微观结构与组分，研究了纳米Ag-CNT-混晶TiO2复合纤维对亚甲基蓝的光催化活性。结果表明：锐钛矿与金红石相TiO2混晶不仅可降低材料的禁带宽度，还能减缓光生电子与空穴的复合淬灭；纳米Ag颗粒的局域表面等离激元共振可增强Ag-CNT-混晶TiO2复合纤维的光吸收，CNT能促进光生电子与空穴的有效分离；纳米Ag-CNT-混晶TiO2复合纤维对亚甲基蓝的首次降解率可达97.5%，且5次催化循环后对亚甲基蓝的降解率仍保持在90.0%以上。所得结论表明静电纺丝制备的新型纳米Ag-CNT-混晶TiO2复合纤维是一种高活性的光催化剂，且容易回收，具有光降解亚甲基蓝的应用前景。
2016, 33(10): 2312-2318.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151230.001
摘要:
以超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纤维织物增强-聚乙烯（PE）涂层柔性复合材料作为研究对象，首先，通过离子抛光仪对复合材料横截面进行处理；然后，使用SEM和光学显微镜测量复合材料细观结构，获得复合材料细观几何参数；最后，基于均匀化方法和连续介质假设，建立单胞力学模型，计算单胞的拉伸载荷-应变曲线，将理论值与实验值进行比较。结果表明：基于多尺度方法的复合材料单胞力学模型所得拉伸载荷-应变曲线与实验所得曲线能较好吻合，该理论模型能够较好地预报纤维织物增强柔性复合材料的拉伸模量。
以超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纤维织物增强-聚乙烯（PE）涂层柔性复合材料作为研究对象，首先，通过离子抛光仪对复合材料横截面进行处理；然后，使用SEM和光学显微镜测量复合材料细观结构，获得复合材料细观几何参数；最后，基于均匀化方法和连续介质假设，建立单胞力学模型，计算单胞的拉伸载荷-应变曲线，将理论值与实验值进行比较。结果表明：基于多尺度方法的复合材料单胞力学模型所得拉伸载荷-应变曲线与实验所得曲线能较好吻合，该理论模型能够较好地预报纤维织物增强柔性复合材料的拉伸模量。
2016, 33(10): 2319-2324.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160127.001
摘要:
为了准确描述复合材料编织物的各向异性力学特性，首先，基于纤维增强复合材料连续介质力学理论提出了一种考虑纤维双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型，该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的纤维拉伸变形能、双拉耦合引起的挤压变形能和纤维间角度变化产生的剪切变形能；然后，给出了模型参数的确定方法，并通过拟合单轴拉伸、双轴拉伸和镜框剪切实验数据得到了本构模型参数；最后，利用该模型对双轴拉伸和镜框剪切实验进行了数值仿真，并将模拟结果与实验结果对比分析。结果表明：提出的本构模型适用于表征复合材料编织物在成型过程中由于大变形引起的非线性各向异性力学行为。所得结论表明提出的本构模型具有简单、实用的优点，且材料参数容易确定，可为复合材料编织物成型的数值模拟和工艺优化奠定理论基础。
为了准确描述复合材料编织物的各向异性力学特性，首先，基于纤维增强复合材料连续介质力学理论提出了一种考虑纤维双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型，该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的纤维拉伸变形能、双拉耦合引起的挤压变形能和纤维间角度变化产生的剪切变形能；然后，给出了模型参数的确定方法，并通过拟合单轴拉伸、双轴拉伸和镜框剪切实验数据得到了本构模型参数；最后，利用该模型对双轴拉伸和镜框剪切实验进行了数值仿真，并将模拟结果与实验结果对比分析。结果表明：提出的本构模型适用于表征复合材料编织物在成型过程中由于大变形引起的非线性各向异性力学行为。所得结论表明提出的本构模型具有简单、实用的优点，且材料参数容易确定，可为复合材料编织物成型的数值模拟和工艺优化奠定理论基础。
2016, 33(10): 2325-2335.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160218.001
摘要:
为解决方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱（SBCC）在压缩载荷下易开胶失效的问题，提出了一种新型的带横向约束拉杆的方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱（SBCCB）。首先，对9根SBCCB进行了轴心抗压试验，考察了SBCCB受压破坏形态，分析了SBCCB的截面尺寸、长细比和截面组合方式对其开胶载荷和极限承载载荷的影响，并将SBCCB的极限压应力与已有的SBCC数据进行了比较；然后，通过非线性回归分析，建立了SBCCB轴心抗压承载力计算公式。结果表明：SBCCB的轴心抗压失效破坏主要为柱端及柱身横向约束拉杆之间的竹胶合板开胶失效和竹胶合板材料破坏失效，其极限承载力不仅与截面尺寸和长细比相关，而且受截面组合方式影响。设置横向约束拉杆可有效减缓开胶失效，改变极限破坏模式，显著提高极限承载力；与SBCC的极限压应力相比，SBCCB的极限压应力平均提高26%。
为解决方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱（SBCC）在压缩载荷下易开胶失效的问题，提出了一种新型的带横向约束拉杆的方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱（SBCCB）。首先，对9根SBCCB进行了轴心抗压试验，考察了SBCCB受压破坏形态，分析了SBCCB的截面尺寸、长细比和截面组合方式对其开胶载荷和极限承载载荷的影响，并将SBCCB的极限压应力与已有的SBCC数据进行了比较；然后，通过非线性回归分析，建立了SBCCB轴心抗压承载力计算公式。结果表明：SBCCB的轴心抗压失效破坏主要为柱端及柱身横向约束拉杆之间的竹胶合板开胶失效和竹胶合板材料破坏失效，其极限承载力不仅与截面尺寸和长细比相关，而且受截面组合方式影响。设置横向约束拉杆可有效减缓开胶失效，改变极限破坏模式，显著提高极限承载力；与SBCC的极限压应力相比，SBCCB的极限压应力平均提高26%。
2016, 33(10): 2336-2343.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160201.001
摘要:
为探明双稳态复合材料层合结构在复杂环境条件下的应用，对双稳态复合材料层合结构的黏弹性行为进行了研究。首先，将纤维简化为弹性材料，考虑基底材料的黏弹性行为。然后，根据纤维和基底的材料属性，通过理论分析得到了双稳态复合材料层合结构的黏弹性材料属性；根据经典层合板理论、最小应变能原理和Maxwell黏弹性模型建立了双稳态复合材料层合结构的黏弹性模型，通过理论分析得到其第二稳态主曲率与扭曲率随加载时间和温度的变化关系。同时，利用有限元软件ABAQUS及其子程序UMAT建立了相应的有限元模型，研究了加载时间和温度对层合结构第二稳态性能的影响。理论与模拟结果均表明：层合结构第二稳态主曲率随加载时间的延长和温度的升高而增大；扭曲率随加载时间的延长而减小，一般情况下随温度的升高而增大，但在加载时间较长且温度较高时，可能会出现扭曲率随温度升高而减小的情况。理论计算结果与有限元模拟结果的比较显示两者吻合较好，可以通过有限元模拟对双稳态复合材料层合结构的黏弹性行为进行研究。
为探明双稳态复合材料层合结构在复杂环境条件下的应用，对双稳态复合材料层合结构的黏弹性行为进行了研究。首先，将纤维简化为弹性材料，考虑基底材料的黏弹性行为。然后，根据纤维和基底的材料属性，通过理论分析得到了双稳态复合材料层合结构的黏弹性材料属性；根据经典层合板理论、最小应变能原理和Maxwell黏弹性模型建立了双稳态复合材料层合结构的黏弹性模型，通过理论分析得到其第二稳态主曲率与扭曲率随加载时间和温度的变化关系。同时，利用有限元软件ABAQUS及其子程序UMAT建立了相应的有限元模型，研究了加载时间和温度对层合结构第二稳态性能的影响。理论与模拟结果均表明：层合结构第二稳态主曲率随加载时间的延长和温度的升高而增大；扭曲率随加载时间的延长而减小，一般情况下随温度的升高而增大，但在加载时间较长且温度较高时，可能会出现扭曲率随温度升高而减小的情况。理论计算结果与有限元模拟结果的比较显示两者吻合较好，可以通过有限元模拟对双稳态复合材料层合结构的黏弹性行为进行研究。
2016, 33(10): 2344-2354.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160523.002
摘要:
为准确预测复合材料盒段的损伤起始和破坏过程，针对复合材料整体化多墙盒段研究了考虑材料失效的渐进损伤有限元分析技术。首先基于ABAQUS软件，利用标准试验获得的材料力学性能建立了盒段渐进损伤分析模型，分别采用三维Hashin失效准则和平方应力失效准则作为复合材料层板和连接界面的失效判据；然后，基于该模型完成了复合材料整体化多墙盒段后屈曲承载能力的求解，并利用破坏试验对分析模型进行验证。结果表明：结构承载能力和应力的有限元分析结果与试验值吻合良好，预测的失效模式也与试验结果一致，屈曲载荷和承载能力误差在5%以内。所得结论表明考虑层板失效和界面脱粘的分析模型能有效模拟整体化多墙盒段的破坏过程。
为准确预测复合材料盒段的损伤起始和破坏过程，针对复合材料整体化多墙盒段研究了考虑材料失效的渐进损伤有限元分析技术。首先基于ABAQUS软件，利用标准试验获得的材料力学性能建立了盒段渐进损伤分析模型，分别采用三维Hashin失效准则和平方应力失效准则作为复合材料层板和连接界面的失效判据；然后，基于该模型完成了复合材料整体化多墙盒段后屈曲承载能力的求解，并利用破坏试验对分析模型进行验证。结果表明：结构承载能力和应力的有限元分析结果与试验值吻合良好，预测的失效模式也与试验结果一致，屈曲载荷和承载能力误差在5%以内。所得结论表明考虑层板失效和界面脱粘的分析模型能有效模拟整体化多墙盒段的破坏过程。
2016, 33(10): 2355-2362.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160621.001
摘要:
为促进轻质土在岩土工程中的广泛应用，添加改性聚丙烯纤维改善其力学性能，通过无侧限抗压强度试验分析探讨了纤维聚苯乙烯泡沫（EPS）颗粒轻质土强度-变形特性、受压破坏模式和无侧限抗压强度的影响因素，并运用SEM从微观层次上分析了其力学机制。结果表明：不同EPS颗粒、纤维及水泥掺量时，纤维EPS颗粒轻质土的应力-应变曲线不同；EPS和水泥掺量是强度的主要影响因素，其次为纤维掺量；强度随EPS掺量的增大而显著降低，随水泥掺量增大而显著提高；未加纤维的EPS颗粒轻质土松散且易破碎，强度骤然丧失；添加纤维能提高轻质土的峰值强度、残余强度、整体性和韧性，改善其脆性破坏模式；但EPS掺量较高（大于干土质量的3%）时，纤维与水泥土粘结有限，EPS颗粒轻质土力学性能改善效果较弱；EPS颗粒为空心蜂巢结构，纤维表面布满针状的水泥水化物并形成空间网状结构。所得结论表明纤维改善了轻质土力学性能。
为促进轻质土在岩土工程中的广泛应用，添加改性聚丙烯纤维改善其力学性能，通过无侧限抗压强度试验分析探讨了纤维聚苯乙烯泡沫（EPS）颗粒轻质土强度-变形特性、受压破坏模式和无侧限抗压强度的影响因素，并运用SEM从微观层次上分析了其力学机制。结果表明：不同EPS颗粒、纤维及水泥掺量时，纤维EPS颗粒轻质土的应力-应变曲线不同；EPS和水泥掺量是强度的主要影响因素，其次为纤维掺量；强度随EPS掺量的增大而显著降低，随水泥掺量增大而显著提高；未加纤维的EPS颗粒轻质土松散且易破碎，强度骤然丧失；添加纤维能提高轻质土的峰值强度、残余强度、整体性和韧性，改善其脆性破坏模式；但EPS掺量较高（大于干土质量的3%）时，纤维与水泥土粘结有限，EPS颗粒轻质土力学性能改善效果较弱；EPS颗粒为空心蜂巢结构，纤维表面布满针状的水泥水化物并形成空间网状结构。所得结论表明纤维改善了轻质土力学性能。
2016, 33(10): 2363-2370.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151211.002
摘要:
为探讨阻湿剂氯化石蜡、甘油对麦秸秆/植物蛋白胶复合材料阻湿性能、微观结构及化学结构的影响，采用热压成型方法制得添加2种阻湿剂的复合材料。分别测试麦秸秆/植物蛋白胶复合材料的力学性能、吸水率和吸湿率变化，采用FTIR分析其官能团的变化，测试接触角分析其润湿性能，并用体视显微镜观察分析复合材料弯曲断面微观结构。结果表明：添加氯化石蜡麦秸秆/植物蛋白胶复合材料弯曲强度、弯曲弹性模量最大，比未添加复合材料分别提高67%、129%，添加甘油麦秸秆/植物蛋白胶复合材料冲击强度较大，比未添加复合材料提高44%；添加氯化石蜡和甘油麦秸秆/植物蛋白胶复合材料2 h吸水厚度膨胀率小于未添加复合材料；随着吸湿时间的增加，3种复合材料吸湿率均呈上升趋势，其中添加氯化石蜡麦秸秆/植物蛋白胶复合材料吸湿平衡率最小为4.3%；添加氯化石蜡麦秸秆/植物蛋白胶复合材料的弯曲断面微观结构较好，内部结合紧密，表面纤维暴露较少，阻湿性最好。
为探讨阻湿剂氯化石蜡、甘油对麦秸秆/植物蛋白胶复合材料阻湿性能、微观结构及化学结构的影响，采用热压成型方法制得添加2种阻湿剂的复合材料。分别测试麦秸秆/植物蛋白胶复合材料的力学性能、吸水率和吸湿率变化，采用FTIR分析其官能团的变化，测试接触角分析其润湿性能，并用体视显微镜观察分析复合材料弯曲断面微观结构。结果表明：添加氯化石蜡麦秸秆/植物蛋白胶复合材料弯曲强度、弯曲弹性模量最大，比未添加复合材料分别提高67%、129%，添加甘油麦秸秆/植物蛋白胶复合材料冲击强度较大，比未添加复合材料提高44%；添加氯化石蜡和甘油麦秸秆/植物蛋白胶复合材料2 h吸水厚度膨胀率小于未添加复合材料；随着吸湿时间的增加，3种复合材料吸湿率均呈上升趋势，其中添加氯化石蜡麦秸秆/植物蛋白胶复合材料吸湿平衡率最小为4.3%；添加氯化石蜡麦秸秆/植物蛋白胶复合材料的弯曲断面微观结构较好，内部结合紧密，表面纤维暴露较少，阻湿性最好。
2016, 33(10): 2371-2379.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151209.004
摘要:
壳聚糖经羧甲基化改性后得到水溶性较高的羧甲基壳聚糖（OCMC），它具有优良的稳定性和抗菌性。对比OCMC在不同溶剂中的溶解度，发现OCMC在2wt%乙酸溶液中的溶解性最好。将OCMC与纳米Ag（AgNPs）复合得到Ag-OCMC复合微粒，采用UV-Vis、FTIR、XPS、TEM、SEM和TG-DTA对Ag-OCMC复合微粒的组成、微观结构和热性能进行表征。以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为模型菌种测试Ag-OCMC复合微粒对革兰氏菌的抗菌性能。结果表明：AgNPs为面心立方晶型，平均粒径为40~50 nm；AgNPs的引入提高了壳聚糖和OCMC的分解温度。Ag-OCMC复合微粒对革兰氏菌的抑菌活性明显高于单一壳聚糖基抗菌剂。
壳聚糖经羧甲基化改性后得到水溶性较高的羧甲基壳聚糖（OCMC），它具有优良的稳定性和抗菌性。对比OCMC在不同溶剂中的溶解度，发现OCMC在2wt%乙酸溶液中的溶解性最好。将OCMC与纳米Ag（AgNPs）复合得到Ag-OCMC复合微粒，采用UV-Vis、FTIR、XPS、TEM、SEM和TG-DTA对Ag-OCMC复合微粒的组成、微观结构和热性能进行表征。以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为模型菌种测试Ag-OCMC复合微粒对革兰氏菌的抗菌性能。结果表明：AgNPs为面心立方晶型，平均粒径为40~50 nm；AgNPs的引入提高了壳聚糖和OCMC的分解温度。Ag-OCMC复合微粒对革兰氏菌的抑菌活性明显高于单一壳聚糖基抗菌剂。
2016, 33(10): 2380-2389.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151221.001
摘要:
根据表面能理论，采用接触角测量法测定盐冻循环前后苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）、废胎胶粉（CR）和复合胶粉（CCR）3种聚合物改性沥青、石灰岩、玄武岩和花岗岩的表面自由能参数，分别计算出盐冻循环前后沥青-矿料系统的粘附功和剥落功，从而确定盐冻循环对沥青-矿料系统粘附和剥落特性的影响。结果表明：盐冻循环前后，沥青与矿料的粘附过程以及水侵入沥青-矿料界面的剥落过程的比表面自由能变化均为负值，说明沥青与矿料的粘附过程和剥落过程均自发进行；随着盐冻循环次数和盐浓度的增加，沥青-矿料系统粘附功逐渐减小，剥落功逐渐增大，粘附性和抗水损害能力逐渐减弱；当沥青种类相同时，沥青与石灰岩的粘附功最大，剥落功最小，沥青与花岗岩的粘附功最小，剥落功最大；当矿料种类相同时，CCR改性沥青与矿料的粘附功最大，剥落功最小，SBS改性沥青与矿料的粘附功最小，剥落功最大。
根据表面能理论，采用接触角测量法测定盐冻循环前后苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）、废胎胶粉（CR）和复合胶粉（CCR）3种聚合物改性沥青、石灰岩、玄武岩和花岗岩的表面自由能参数，分别计算出盐冻循环前后沥青-矿料系统的粘附功和剥落功，从而确定盐冻循环对沥青-矿料系统粘附和剥落特性的影响。结果表明：盐冻循环前后，沥青与矿料的粘附过程以及水侵入沥青-矿料界面的剥落过程的比表面自由能变化均为负值，说明沥青与矿料的粘附过程和剥落过程均自发进行；随着盐冻循环次数和盐浓度的增加，沥青-矿料系统粘附功逐渐减小，剥落功逐渐增大，粘附性和抗水损害能力逐渐减弱；当沥青种类相同时，沥青与石灰岩的粘附功最大，剥落功最小，沥青与花岗岩的粘附功最小，剥落功最大；当矿料种类相同时，CCR改性沥青与矿料的粘附功最大，剥落功最小，SBS改性沥青与矿料的粘附功最小，剥落功最大。
2016, 33(10): 2390-2396.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151209.002
摘要:
对荷叶进行多阶温度炭化得到前驱炭材料，将材料与科琴黑（KB）、聚四氟乙烯（PTFE）按照2：2：3的质量比球磨混合后真空抽滤制备一种锂硫电池中间层柔性材料，PTFE/KB-C复合材料的多孔结构能为高阶硫化物Li2Sn（4≤n≤8）的进一步还原提供较多的三相反应位点，并利用PTFE/KB-C复合材料良好的多层多孔化学吸附作用来抑制可溶性多硫化物的穿梭。该中间层在以纯硫材料为正极的锂硫电池电性能测试表征中，1.0 C（电流密度1 675 mA·g-1）倍率下首次放电比容量达1 350 mAh·g-1，没有硝酸锂添加剂条件下经过100次充放电循环后比容量依旧保持在960 mAh·g-1，库伦效率基本在95%以上，保持了良好的循环稳定性。
对荷叶进行多阶温度炭化得到前驱炭材料，将材料与科琴黑（KB）、聚四氟乙烯（PTFE）按照2：2：3的质量比球磨混合后真空抽滤制备一种锂硫电池中间层柔性材料，PTFE/KB-C复合材料的多孔结构能为高阶硫化物Li2Sn（4≤n≤8）的进一步还原提供较多的三相反应位点，并利用PTFE/KB-C复合材料良好的多层多孔化学吸附作用来抑制可溶性多硫化物的穿梭。该中间层在以纯硫材料为正极的锂硫电池电性能测试表征中，1.0 C（电流密度1 675 mA·g-1）倍率下首次放电比容量达1 350 mAh·g-1，没有硝酸锂添加剂条件下经过100次充放电循环后比容量依旧保持在960 mAh·g-1，库伦效率基本在95%以上，保持了良好的循环稳定性。
2016, 33(10): 2397-2403.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160302.003
摘要:
为考虑初始椭圆度对螺旋缠绕结构拉伸刚度的影响，建立了一种新的基于椭圆柱面和螺旋带的分析模型，该模型在两者之间建立了一个新的几何关系，并考虑了在椭圆柱面上螺旋带的轴向应变和曲率变化以及柱面和螺旋层之间的接触压力。通过ABAQUS建立一个3D有限元模型验证了理论模型的合理性。在理论模型中，对初始椭圆度进行参数分析得到不同初始椭圆度对椭圆层拉伸刚度的影响，随着管道初始椭圆度的增加，螺旋层拉伸刚度有下降的趋势，但降幅很小。
为考虑初始椭圆度对螺旋缠绕结构拉伸刚度的影响，建立了一种新的基于椭圆柱面和螺旋带的分析模型，该模型在两者之间建立了一个新的几何关系，并考虑了在椭圆柱面上螺旋带的轴向应变和曲率变化以及柱面和螺旋层之间的接触压力。通过ABAQUS建立一个3D有限元模型验证了理论模型的合理性。在理论模型中，对初始椭圆度进行参数分析得到不同初始椭圆度对椭圆层拉伸刚度的影响，随着管道初始椭圆度的增加，螺旋层拉伸刚度有下降的趋势，但降幅很小。
