2016年 第33卷 第6期
2016, 33(6): 1147-1152.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160108.001
摘要:
为研究玻璃纤维(GF)/环氧树脂复合材料湿热老化机制, 首先, 利用称重法、动态热机械分析仪(DMA)、SEM和矢量网络介电分析仪研究了湿热老化对GF/环氧树脂608(EP608)复合材料性能的影响;然后, 分析了复合材料的吸湿率、力学性能、介电性能与老化时间的关系, 并对其老化机制进行了探讨。结果表明:随老化时间延长, GF/EP608复合材料的力学性能和介电性能均有不同程度的下降;湿热老化对GF/EP608复合材料吸湿率的影响符合Fickian扩散定律;树脂基体的塑化、水解和基体-纤维界面的破坏是造成GF/EP608复合材料力学性能和介电性能下降的主要因素。所得结论可为GF增强环氧树脂基复合材料的应用提供科学依据。
为研究玻璃纤维(GF)/环氧树脂复合材料湿热老化机制, 首先, 利用称重法、动态热机械分析仪(DMA)、SEM和矢量网络介电分析仪研究了湿热老化对GF/环氧树脂608(EP608)复合材料性能的影响;然后, 分析了复合材料的吸湿率、力学性能、介电性能与老化时间的关系, 并对其老化机制进行了探讨。结果表明:随老化时间延长, GF/EP608复合材料的力学性能和介电性能均有不同程度的下降;湿热老化对GF/EP608复合材料吸湿率的影响符合Fickian扩散定律;树脂基体的塑化、水解和基体-纤维界面的破坏是造成GF/EP608复合材料力学性能和介电性能下降的主要因素。所得结论可为GF增强环氧树脂基复合材料的应用提供科学依据。
2016, 33(6): 1153-1160.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160317.004
摘要:
基于微观力学失效(MMF)理论对碳纤维增强复合材料(CFRP)多向层合板在低速冲击载荷下失效机制及损伤过程进行分析和预测。建立基于MMF理论的层合板结构冲击损伤行为分析方法。首先, 使用MMF理论对冲击过程中组分的失效类别进行判别; 然后, 根据组分失效的类别制定出相应的材料性能退化方案来实现对复合材料在低速冲击下的逐步失效分析;在ABAQUS平台上开发了基于显示分析的用户材料子程序(VUMAT), 即基于MMF理论的层合板冲击损伤分析程序;最后, 利用MMF理论冲击损伤行为分析方法, 对UTS50/E51碳纤维增强复合材料多向层合板在小能量低速冲击情况下的失效机制和损伤形貌进行预测, 并将预测结果与试验结果进行对比, 分析了利用MMF理论预测冲击损伤这一方法的准确性。结果表明理论预测的凹坑直径与试验测试的凹坑直径误差为4.8%, 预测的失效机制和损伤形貌与实际观察的一致。
基于微观力学失效(MMF)理论对碳纤维增强复合材料(CFRP)多向层合板在低速冲击载荷下失效机制及损伤过程进行分析和预测。建立基于MMF理论的层合板结构冲击损伤行为分析方法。首先, 使用MMF理论对冲击过程中组分的失效类别进行判别; 然后, 根据组分失效的类别制定出相应的材料性能退化方案来实现对复合材料在低速冲击下的逐步失效分析;在ABAQUS平台上开发了基于显示分析的用户材料子程序(VUMAT), 即基于MMF理论的层合板冲击损伤分析程序;最后, 利用MMF理论冲击损伤行为分析方法, 对UTS50/E51碳纤维增强复合材料多向层合板在小能量低速冲击情况下的失效机制和损伤形貌进行预测, 并将预测结果与试验结果进行对比, 分析了利用MMF理论预测冲击损伤这一方法的准确性。结果表明理论预测的凹坑直径与试验测试的凹坑直径误差为4.8%, 预测的失效机制和损伤形貌与实际观察的一致。
2016, 33(6): 1161-1167.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160324.001
摘要:
根据树脂传递模塑(RTM)成型的缎纹机织复合材料T型接头的结构特征和纤维布局特点, 基于ANSYS有限元数值分析平台, 建立符合其真实结构的几何模型和有限元分析模型。基于渐进失效强度预测方法的基本思想, 使用有限元计算软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)开发相应的程序, 实现改进形式的Hashin失效准则。采用合适的最终失效评价方法, 建立二维机织结构复合材料T型接头受弯曲载荷时的渐进失效预测方法, 能够有效地模拟从初始加载到最终失效过程中机织复合材料T型接头结构的力学响应及损伤的萌生与发展, 并预测结构的静强度。
根据树脂传递模塑(RTM)成型的缎纹机织复合材料T型接头的结构特征和纤维布局特点, 基于ANSYS有限元数值分析平台, 建立符合其真实结构的几何模型和有限元分析模型。基于渐进失效强度预测方法的基本思想, 使用有限元计算软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)开发相应的程序, 实现改进形式的Hashin失效准则。采用合适的最终失效评价方法, 建立二维机织结构复合材料T型接头受弯曲载荷时的渐进失效预测方法, 能够有效地模拟从初始加载到最终失效过程中机织复合材料T型接头结构的力学响应及损伤的萌生与发展, 并预测结构的静强度。
2016, 33(6): 1168-1173.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160107.003
摘要:
采用热压成型法制备了4种不同尺寸, 即125~180 μm、180~425 μm、425~850 μm和850~2 000 μm的杨木纤维(PWF)/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料, 并对PWF/HDPE复合材料进行了弯曲性能测试、冲击性能测试、动态热力学分析(DMA)、24 h蠕变-24 h回复测试和1 000 h长期蠕变测试。结果表明:PWF的尺寸过大或者过小均不利于提高PWF/HDPE复合材料的弯曲性能, 增强效果最好的是425~850 μm PWF/HDPE复合材料, 其弯曲强度达到26.71 MPa, 弹性模量达到2.73 GPa;PWF长度从180 μm增加到2 000 μm, PWF/HDPE复合材料的抗冲击性能变化不大;125~180 μm PWF/HDPE复合材料的抗冲击性能较差;短PWF/HDPE复合材料的抗蠕变性能较差, 不适合在长期负载的条件下工作, 而850~2 000 μm的长PWF/HDPE复合材料的抗长期蠕变性能最好, 且回复率最高, 为78.46%;1 000 h形变仅为0.809 mm, 对比其他尺寸的PWF/HDPE复合材料1 000 h 形变的平均值降低了48.00%。
采用热压成型法制备了4种不同尺寸, 即125~180 μm、180~425 μm、425~850 μm和850~2 000 μm的杨木纤维(PWF)/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料, 并对PWF/HDPE复合材料进行了弯曲性能测试、冲击性能测试、动态热力学分析(DMA)、24 h蠕变-24 h回复测试和1 000 h长期蠕变测试。结果表明:PWF的尺寸过大或者过小均不利于提高PWF/HDPE复合材料的弯曲性能, 增强效果最好的是425~850 μm PWF/HDPE复合材料, 其弯曲强度达到26.71 MPa, 弹性模量达到2.73 GPa;PWF长度从180 μm增加到2 000 μm, PWF/HDPE复合材料的抗冲击性能变化不大;125~180 μm PWF/HDPE复合材料的抗冲击性能较差;短PWF/HDPE复合材料的抗蠕变性能较差, 不适合在长期负载的条件下工作, 而850~2 000 μm的长PWF/HDPE复合材料的抗长期蠕变性能最好, 且回复率最高, 为78.46%;1 000 h形变仅为0.809 mm, 对比其他尺寸的PWF/HDPE复合材料1 000 h 形变的平均值降低了48.00%。
2016, 33(6): 1174-1178.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160107.004
摘要:
采用长为850~2 000 μm的杨木纤维(PWF)增强高密度聚乙烯(HDPE), 利用模压成型法制备了PWF/HDPE复合材料, 对其进行了弯曲力学性能测试、无缺口简支梁冲击强度测试、24 h弯曲蠕变-24 h回复性能测试、1 000 h蠕变性能测试及蠕变后残余弯曲力学性能测试, 并利用两参数指数模型、Findley指数模型及四元件Burgers模型拟合蠕变曲线。结果表明: PWF/HDPE复合材料的弯曲强度为21.14 MPa, 弹性模量为2.31 GPa, 无缺口冲击强度为6.77 kJ/m2;24 h形变为0.803 mm, 24 h回复率为78.46%, 蠕变后弯曲强度下降了6.45%, 而弹性模量增加了8.95%;1 000 h形变为0.809 mm, 蠕变后弯曲强度保留了72.35%, 弹性模量增加了10.67%;3种模型中, 四元件Burgers模型拟合PWF/HDPE复合材料蠕变性能的效果较好。
采用长为850~2 000 μm的杨木纤维(PWF)增强高密度聚乙烯(HDPE), 利用模压成型法制备了PWF/HDPE复合材料, 对其进行了弯曲力学性能测试、无缺口简支梁冲击强度测试、24 h弯曲蠕变-24 h回复性能测试、1 000 h蠕变性能测试及蠕变后残余弯曲力学性能测试, 并利用两参数指数模型、Findley指数模型及四元件Burgers模型拟合蠕变曲线。结果表明: PWF/HDPE复合材料的弯曲强度为21.14 MPa, 弹性模量为2.31 GPa, 无缺口冲击强度为6.77 kJ/m2;24 h形变为0.803 mm, 24 h回复率为78.46%, 蠕变后弯曲强度下降了6.45%, 而弹性模量增加了8.95%;1 000 h形变为0.809 mm, 蠕变后弯曲强度保留了72.35%, 弹性模量增加了10.67%;3种模型中, 四元件Burgers模型拟合PWF/HDPE复合材料蠕变性能的效果较好。
2016, 33(6): 1179-1185.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151201.004
摘要:
通过热处理方法得到表面不含羟基(—OH)的纳米MgO颗粒, 采用母料法制备了10wt% 纳米MgO/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料, 研究了纳米MgO/LDPE复合材料在70 kV/mm直流电场下的空间电荷特性, 评估了该方法对纳米颗粒分散的效果及工业化应用推广价值。结果表明:表面羟基化对纳米MgO/LDPE复合材料变温体积电阻率及介电特性的影响不大, 空间电荷积累量增加。当纳米MgO 掺杂量为1wt%时, 复合材料的电性能最佳。
通过热处理方法得到表面不含羟基(—OH)的纳米MgO颗粒, 采用母料法制备了10wt% 纳米MgO/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料, 研究了纳米MgO/LDPE复合材料在70 kV/mm直流电场下的空间电荷特性, 评估了该方法对纳米颗粒分散的效果及工业化应用推广价值。结果表明:表面羟基化对纳米MgO/LDPE复合材料变温体积电阻率及介电特性的影响不大, 空间电荷积累量增加。当纳米MgO 掺杂量为1wt%时, 复合材料的电性能最佳。
2016, 33(6): 1192-1197.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160107.006
摘要:
采用阳离子聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)改性SiO2, 再通过静电自组装制备了SiO2-PDDA-氧化石墨烯(GO)核-壳杂化粒子。采用溶液共混法将SiO2-PDDA-GO引入到高温硫化硅橡胶(SR)中, 制备了SiO2-PDDA-GO/SR介电弹性体复合材料。结果表明:该方法能实现GO在SiO2表面大面积的包覆, 解决了GO容易自聚集的问题, 且PDDA具有还原GO的作用, 无需再对GO核-壳杂化粒子/SR复合材料进行原位热还原, 简化了实验方案, 节能环保。SiO2-PDDA-GO填充量为60wt% 时, 在100 Hz频率下, SiO2-PDDA-GO/SR介电弹性体复合材料的介电常数为21.53, 是SR的11.6倍, 介电损耗保持较低值, 同时, 复合材料的模量保持在较低水平。在电场强度为2.48 kV/mm时, 60wt%的SiO2-PDDA-GO/SR介电弹性体复合材料横向电致形变在同一电场强度下与SR相比增加了15倍。
采用阳离子聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)改性SiO2, 再通过静电自组装制备了SiO2-PDDA-氧化石墨烯(GO)核-壳杂化粒子。采用溶液共混法将SiO2-PDDA-GO引入到高温硫化硅橡胶(SR)中, 制备了SiO2-PDDA-GO/SR介电弹性体复合材料。结果表明:该方法能实现GO在SiO2表面大面积的包覆, 解决了GO容易自聚集的问题, 且PDDA具有还原GO的作用, 无需再对GO核-壳杂化粒子/SR复合材料进行原位热还原, 简化了实验方案, 节能环保。SiO2-PDDA-GO填充量为60wt% 时, 在100 Hz频率下, SiO2-PDDA-GO/SR介电弹性体复合材料的介电常数为21.53, 是SR的11.6倍, 介电损耗保持较低值, 同时, 复合材料的模量保持在较低水平。在电场强度为2.48 kV/mm时, 60wt%的SiO2-PDDA-GO/SR介电弹性体复合材料横向电致形变在同一电场强度下与SR相比增加了15倍。
2016, 33(6): 1198-1205.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151228.001
摘要:
作为嵌入式电容器用电介质之一, 低成本、易加工、高介电常数的Al粉/高分子复合材料有潜在的应用前景。为了降低这种材料的介电损耗, 分别以空气和微量水为氧化剂, 对Al粉进行二次钝化, 并表征了钝化膜的结构和化学组成, 测量了这种钝化Al粉及其聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的介电性能。结果表明:生成的数纳米厚的二次钝化膜覆盖在Al粉自钝化膜上面, 空气钝化膜以Al2O3为主, 水钝化膜以Al(OH)3为主;空气钝化缓慢, 二次钝化膜薄, 表面光滑, 而水钝化较快, 二次钝化膜厚, 但结构疏松。与空气钝化相比, 水钝化能够更好地设计钝化膜厚度, 从而调控Al粉/PTFE复合材料的介电性能。
作为嵌入式电容器用电介质之一, 低成本、易加工、高介电常数的Al粉/高分子复合材料有潜在的应用前景。为了降低这种材料的介电损耗, 分别以空气和微量水为氧化剂, 对Al粉进行二次钝化, 并表征了钝化膜的结构和化学组成, 测量了这种钝化Al粉及其聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的介电性能。结果表明:生成的数纳米厚的二次钝化膜覆盖在Al粉自钝化膜上面, 空气钝化膜以Al2O3为主, 水钝化膜以Al(OH)3为主;空气钝化缓慢, 二次钝化膜薄, 表面光滑, 而水钝化较快, 二次钝化膜厚, 但结构疏松。与空气钝化相比, 水钝化能够更好地设计钝化膜厚度, 从而调控Al粉/PTFE复合材料的介电性能。
2016, 33(6): 1206-1213.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160122.001
摘要:
研究了碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料MT300/KH420的高温力学性能, 重点揭示了MT300/KH420的[0°]7、[0°]14 和[±45°/0°/90°/+45°/0°2]s层合板在常温~500 ℃的拉伸和层间剪切性能的变化规律。结果表明:在350 ℃以内,[0°]7层合板拉伸强度随温度升高有所提高, 拉伸模量几乎不变, 在420 ℃时拉伸强度和模量均出现明显下降, 在500 ℃时分别保持在65%和83%以上, 表现出优异的高温拉伸性能。MT300/KH420的[0°]14层合板层间剪切强度在常温~420 ℃随温度升高不断降低至52.8%, 在高温下呈现出黏弹效应, 且在420 ℃时最为明显。相比于单向层合板, [±45°/0°/90°/+45°/0°2]s多向层合板高温力学性能较为稳定, 且由纤维控制的纵向试件力学性能受温度影响较小。
研究了碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料MT300/KH420的高温力学性能, 重点揭示了MT300/KH420的[0°]7、[0°]14 和[±45°/0°/90°/+45°/0°2]s层合板在常温~500 ℃的拉伸和层间剪切性能的变化规律。结果表明:在350 ℃以内,[0°]7层合板拉伸强度随温度升高有所提高, 拉伸模量几乎不变, 在420 ℃时拉伸强度和模量均出现明显下降, 在500 ℃时分别保持在65%和83%以上, 表现出优异的高温拉伸性能。MT300/KH420的[0°]14层合板层间剪切强度在常温~420 ℃随温度升高不断降低至52.8%, 在高温下呈现出黏弹效应, 且在420 ℃时最为明显。相比于单向层合板, [±45°/0°/90°/+45°/0°2]s多向层合板高温力学性能较为稳定, 且由纤维控制的纵向试件力学性能受温度影响较小。
2016, 33(6): 1214-1222.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160304.002
摘要:
基于热塑性复合材料(TPC)自动纤维铺放(AFP)原位固结技术, 开展热塑性复合材料AFP装备技术研究, 分析AFP平台的功能需求, 提出平台总体规划方案, 设计开发热塑性复合材料自动铺丝头, 并提出预浸纱张力控制方案、精确送纱及温度闭环控制方案。在此基础上, 设计AFP系统可行性验证实验, 证明方案的可行性和平台的实用价值。结果表明:本实验平台针对热塑性复合材料铺放特点, 优化张力与铺放速度匹配, 实现预浸纱动态恒张力铺放, 确保成型构件质量; 实验平台调控铺放速度与送纱协调, 实现精确定位, 保障成型构件尺寸; 建立了铺放速度与加热功率、热流分布关系, 实现高精度温度场分布控制。虽AFP成型构件的力学性能比热模压成型构件的力学性能低约20%, 但为热塑性复合材料AFP装备技术的广泛应用奠定了基础。
基于热塑性复合材料(TPC)自动纤维铺放(AFP)原位固结技术, 开展热塑性复合材料AFP装备技术研究, 分析AFP平台的功能需求, 提出平台总体规划方案, 设计开发热塑性复合材料自动铺丝头, 并提出预浸纱张力控制方案、精确送纱及温度闭环控制方案。在此基础上, 设计AFP系统可行性验证实验, 证明方案的可行性和平台的实用价值。结果表明:本实验平台针对热塑性复合材料铺放特点, 优化张力与铺放速度匹配, 实现预浸纱动态恒张力铺放, 确保成型构件质量; 实验平台调控铺放速度与送纱协调, 实现精确定位, 保障成型构件尺寸; 建立了铺放速度与加热功率、热流分布关系, 实现高精度温度场分布控制。虽AFP成型构件的力学性能比热模压成型构件的力学性能低约20%, 但为热塑性复合材料AFP装备技术的广泛应用奠定了基础。
2016, 33(6): 1223-1233.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160107.002
摘要:
采用中性盐雾加速老化试验模拟海洋大气环境, 对玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料在盐雾环境中的弯曲性能进行了研究。通过玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料经盐雾加速老化后的吸湿率、玻璃化转变温度、巴氏硬度和弯曲性能的变化, 结合金相显微镜观测得到的腐蚀深度, 研究腐蚀深度对玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料耐久性的影响。结果表明:老化初期玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的吸湿率随时间增长较快, 随后增长逐渐趋于稳定。玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的玻璃化转变温度呈现先增加后下降的趋势, 老化180 d后玻璃化转变温度增加了2.1%;老化180 d后玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的巴氏硬度与老化前相比降低了17.6%, 弯曲强度损失率为10%。基于金相显微镜分析得到老化后玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的腐蚀深度, 建立了腐蚀深度与弯曲强度之间的关系。
采用中性盐雾加速老化试验模拟海洋大气环境, 对玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料在盐雾环境中的弯曲性能进行了研究。通过玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料经盐雾加速老化后的吸湿率、玻璃化转变温度、巴氏硬度和弯曲性能的变化, 结合金相显微镜观测得到的腐蚀深度, 研究腐蚀深度对玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料耐久性的影响。结果表明:老化初期玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的吸湿率随时间增长较快, 随后增长逐渐趋于稳定。玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的玻璃化转变温度呈现先增加后下降的趋势, 老化180 d后玻璃化转变温度增加了2.1%;老化180 d后玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的巴氏硬度与老化前相比降低了17.6%, 弯曲强度损失率为10%。基于金相显微镜分析得到老化后玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的腐蚀深度, 建立了腐蚀深度与弯曲强度之间的关系。
2016, 33(6): 1234-1241.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160413.005
摘要:
设计了一种新型整体缝合夹芯结构。采用真空导入模塑工艺(VIMP)制备整体缝合夹芯结构复合材料, 研究其在平压载荷作用下的力学性能和破坏模式, 建立其有限元模型, 研究缝合纱线用量对整体缝合夹芯结构复合材料平压力学性能的影响。结果表明:该新型整体缝合夹芯结构复合材料能够在提高缝合纱线数量的同时避免一般斜缝方式引起纤维交叉损坏的弊端。整体缝合夹芯结构复合材料的压缩强度和压缩模量随着缝合纱线数量的增加而增大, 但缝合纱线含量较高时, 比压缩强度有所下降。数值计算结果与试验结果对比分析, 验证了所建立有限元模型的合理性, 说明该模型可用于预测其压缩模量。
设计了一种新型整体缝合夹芯结构。采用真空导入模塑工艺(VIMP)制备整体缝合夹芯结构复合材料, 研究其在平压载荷作用下的力学性能和破坏模式, 建立其有限元模型, 研究缝合纱线用量对整体缝合夹芯结构复合材料平压力学性能的影响。结果表明:该新型整体缝合夹芯结构复合材料能够在提高缝合纱线数量的同时避免一般斜缝方式引起纤维交叉损坏的弊端。整体缝合夹芯结构复合材料的压缩强度和压缩模量随着缝合纱线数量的增加而增大, 但缝合纱线含量较高时, 比压缩强度有所下降。数值计算结果与试验结果对比分析, 验证了所建立有限元模型的合理性, 说明该模型可用于预测其压缩模量。
2016, 33(6): 1242-1250.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160315.009
摘要:
基于有限断裂力学方法建立了一种预测多向复合材料开孔板拉伸强度的通用和半经验模型。该模型同时采用基于应力形式的失效准则和基于能量形式的失效准则预测失效。模型仅需铺层弹性常数、无缺口层合板的强度以及0°铺层的断裂韧性等参数。基于线弹性断裂力学建立了多向复合材料层合板的断裂韧性与0°铺层断裂韧性之间的关系, 进而预测了任意铺层复合材料开孔板发生纤维主导拉伸失效时的强度。将模型预测结果与开孔板拉伸强度的试验数据进行了对比验证, 预测误差最大为9.7%, 与点应力和平均应力等方法的对比表明, 该模型的预测精度高于传统的特征长度方法。
基于有限断裂力学方法建立了一种预测多向复合材料开孔板拉伸强度的通用和半经验模型。该模型同时采用基于应力形式的失效准则和基于能量形式的失效准则预测失效。模型仅需铺层弹性常数、无缺口层合板的强度以及0°铺层的断裂韧性等参数。基于线弹性断裂力学建立了多向复合材料层合板的断裂韧性与0°铺层断裂韧性之间的关系, 进而预测了任意铺层复合材料开孔板发生纤维主导拉伸失效时的强度。将模型预测结果与开孔板拉伸强度的试验数据进行了对比验证, 预测误差最大为9.7%, 与点应力和平均应力等方法的对比表明, 该模型的预测精度高于传统的特征长度方法。
2016, 33(6): 1251-1258.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151209.005
摘要:
以异丙醇(I)为溶剂、 六次甲基四胺(H)为催化剂, 配制间苯二酚(R)-糠醛(F)的醇溶胶, 经浸渍纤维预制件、凝胶老化、超临界干燥和炭化制得碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料。研究了溶胶配比对碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料密度、微观结构和力学性能的影响规律。结果表明:随着异丙醇与间苯二酚物质的量之比增大, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的密度逐渐降低, 基体炭气凝胶内及与碳纤维形成的界面内孔径增大, 大孔数量增多, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的强度降低。当异丙醇与间苯二酚物质的量之比由18增加到28时, 压缩强度由2.498 MPa(应变10%)降至0.716 MPa(应变10%), 拉伸强度由2.019 MPa降至1.001 MPa, 弯曲强度由3.984 MPa降至1.818 MPa。随着六次甲基四胺与间苯二酚物质的量之比增大, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的密度先增大后减小, 基体炭气凝胶内及与碳纤维形成的界面内孔径先减小后增大, 大孔数量先减少后增加, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的强度先增大后减小。当六次甲基四胺与间苯二酚物质的量之比为0.008 5时, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的密度最大, 强度最大, 其压缩强度为1.066 MPa(应变10%), 拉伸强度为1.256 MPa, 弯曲强度为3.556 MPa。
以异丙醇(I)为溶剂、 六次甲基四胺(H)为催化剂, 配制间苯二酚(R)-糠醛(F)的醇溶胶, 经浸渍纤维预制件、凝胶老化、超临界干燥和炭化制得碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料。研究了溶胶配比对碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料密度、微观结构和力学性能的影响规律。结果表明:随着异丙醇与间苯二酚物质的量之比增大, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的密度逐渐降低, 基体炭气凝胶内及与碳纤维形成的界面内孔径增大, 大孔数量增多, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的强度降低。当异丙醇与间苯二酚物质的量之比由18增加到28时, 压缩强度由2.498 MPa(应变10%)降至0.716 MPa(应变10%), 拉伸强度由2.019 MPa降至1.001 MPa, 弯曲强度由3.984 MPa降至1.818 MPa。随着六次甲基四胺与间苯二酚物质的量之比增大, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的密度先增大后减小, 基体炭气凝胶内及与碳纤维形成的界面内孔径先减小后增大, 大孔数量先减少后增加, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的强度先增大后减小。当六次甲基四胺与间苯二酚物质的量之比为0.008 5时, 碳纤维增强炭气凝胶隔热复合材料的密度最大, 强度最大, 其压缩强度为1.066 MPa(应变10%), 拉伸强度为1.256 MPa, 弯曲强度为3.556 MPa。
2016, 33(6): 1259-1265.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151127.003
摘要:
采用液相浸渍结合反应熔渗法制备了Cf/HfC复合材料。研究了浸渍效果、抗氧化烧蚀微粒分布形貌、熔渗效果与熔渗组织, 并考核了Cf/HfC复合材料的抗氧化烧蚀性能和力学性能。结果表明:经5次浸渍-碳化循环和1次高温处理工艺制备了含13wt%抗氧化烧蚀微粒的ZrB2+HfO2+TaSi2改性C/C预制体, 其密度和开孔率分别为1.41 g/cm3和24.84%, 微粒主要分布在纤维束之间的基体碳中, 且分布均匀。改性C/C预制体经过Hf35Zr10Si5Ta合金反应熔渗制备的Cf/HfC复合材料密度和开孔率分别为2.98 g/cm3和12.95%, 其线烧蚀率为0.017 1 mm/s, 弯曲强度为173.76 MPa, 断裂方式为假塑性断裂。
采用液相浸渍结合反应熔渗法制备了Cf/HfC复合材料。研究了浸渍效果、抗氧化烧蚀微粒分布形貌、熔渗效果与熔渗组织, 并考核了Cf/HfC复合材料的抗氧化烧蚀性能和力学性能。结果表明:经5次浸渍-碳化循环和1次高温处理工艺制备了含13wt%抗氧化烧蚀微粒的ZrB2+HfO2+TaSi2改性C/C预制体, 其密度和开孔率分别为1.41 g/cm3和24.84%, 微粒主要分布在纤维束之间的基体碳中, 且分布均匀。改性C/C预制体经过Hf35Zr10Si5Ta合金反应熔渗制备的Cf/HfC复合材料密度和开孔率分别为2.98 g/cm3和12.95%, 其线烧蚀率为0.017 1 mm/s, 弯曲强度为173.76 MPa, 断裂方式为假塑性断裂。
2016, 33(6): 1266-1273.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151228.002
摘要:
界面改性涂层对调节复合材料的力学性能起到重要作用。特别是在气相渗硅(GSI)制备Cf/SiC复合材料时, 合适的界面改性涂层一方面保护C纤维不受Si反应侵蚀, 另一方面调节C纤维和SiC基体的界面结合状况。通过在3D-C纤维预制件中制备先驱体浸渍-裂解(PIP)SiC涂层来进行界面改性, 研究了PIP-SiC涂层对GSI Cf/SiC复合材料力学性能的影响。结果表明:无涂层改性的GSI Cf/SiC复合材料力学性能较差, 呈现脆性断裂特征, 其弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性分别为87.6 MPa、56.9 GPa和2.1 MPa·m1/2。具有PIP-SiC界面改性涂层的Cf/SiC复合材料力学性能得到改善, PIP-SiC涂层改性后, GSI Cf/SiC复合材料的弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性随着PIP-SiC周期数的增加而降低, PIP-SiC为1个周期制备的GSI Cf/SiC复合材料的力学性能最高, 其弯曲强度、弯曲模量、断裂韧性分别为185.2 MPa、91.1 GPa和5.5 MPa·m1/2。PIP-SiC界面改性涂层的作用机制主要体现在载荷传递和"阻挡"Si的侵蚀2个方面。
界面改性涂层对调节复合材料的力学性能起到重要作用。特别是在气相渗硅(GSI)制备Cf/SiC复合材料时, 合适的界面改性涂层一方面保护C纤维不受Si反应侵蚀, 另一方面调节C纤维和SiC基体的界面结合状况。通过在3D-C纤维预制件中制备先驱体浸渍-裂解(PIP)SiC涂层来进行界面改性, 研究了PIP-SiC涂层对GSI Cf/SiC复合材料力学性能的影响。结果表明:无涂层改性的GSI Cf/SiC复合材料力学性能较差, 呈现脆性断裂特征, 其弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性分别为87.6 MPa、56.9 GPa和2.1 MPa·m1/2。具有PIP-SiC界面改性涂层的Cf/SiC复合材料力学性能得到改善, PIP-SiC涂层改性后, GSI Cf/SiC复合材料的弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性随着PIP-SiC周期数的增加而降低, PIP-SiC为1个周期制备的GSI Cf/SiC复合材料的力学性能最高, 其弯曲强度、弯曲模量、断裂韧性分别为185.2 MPa、91.1 GPa和5.5 MPa·m1/2。PIP-SiC界面改性涂层的作用机制主要体现在载荷传递和"阻挡"Si的侵蚀2个方面。
2016, 33(6): 1274-1280.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160129.002
摘要:
为了研究混掺纤维对超高性能混凝土(UHPC)的增韧效果, 通过161个三点弯曲梁的断裂试验, 测定了4种纤维和不同掺量下各UHPC试件的载荷-裂口张开位移(CMOD)曲线和载荷-挠度曲线。将素UHPC峰值载荷对应的CMOD视为混杂纤维增强UHPC的初裂CMOD值, 基于载荷-CMOD曲线提出了等效断裂韧度的韧性评价方法, 该方法具有明确的物理含义, 可用于分析混掺纤维品种和掺量对UHPC断裂韧性的影响规律。研究发现:在小变形(小于50倍素UHPC峰值载荷对应的CMOD值)时, UHPC韧性取决于钢纤维的掺率;粗合成纤维主要在中等变形和大变形阶段(大于50倍素UHPC峰值载荷对应的CMOD值)发挥其增韧效用。
为了研究混掺纤维对超高性能混凝土(UHPC)的增韧效果, 通过161个三点弯曲梁的断裂试验, 测定了4种纤维和不同掺量下各UHPC试件的载荷-裂口张开位移(CMOD)曲线和载荷-挠度曲线。将素UHPC峰值载荷对应的CMOD视为混杂纤维增强UHPC的初裂CMOD值, 基于载荷-CMOD曲线提出了等效断裂韧度的韧性评价方法, 该方法具有明确的物理含义, 可用于分析混掺纤维品种和掺量对UHPC断裂韧性的影响规律。研究发现:在小变形(小于50倍素UHPC峰值载荷对应的CMOD值)时, UHPC韧性取决于钢纤维的掺率;粗合成纤维主要在中等变形和大变形阶段(大于50倍素UHPC峰值载荷对应的CMOD值)发挥其增韧效用。
2016, 33(6): 1281-1286.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160128.002
摘要:
探讨了SiC引入方式对反应熔渗原位20wt% 纳米SiC/MoSi2复合材料TEM组织及力学性能的影响。结果表明:完全原位反应熔渗硅可获得基体相和增强相均为纳米尺度的SiC/MoSi2复合材料, 其组织中存在大量晶内层错等缺陷, 可能会使纳米SiC/MoSi2复合材料力学性能的提高不十分显著;而部分原位反应熔渗法中, SiC初始粉末的引入可缓解剧烈物相反应, 所得纳米SiC/MoSi2复合材料晶内缺陷消失, 断口出现大量撕裂棱, 复合材料力学性能大幅提高。
探讨了SiC引入方式对反应熔渗原位20wt% 纳米SiC/MoSi2复合材料TEM组织及力学性能的影响。结果表明:完全原位反应熔渗硅可获得基体相和增强相均为纳米尺度的SiC/MoSi2复合材料, 其组织中存在大量晶内层错等缺陷, 可能会使纳米SiC/MoSi2复合材料力学性能的提高不十分显著;而部分原位反应熔渗法中, SiC初始粉末的引入可缓解剧烈物相反应, 所得纳米SiC/MoSi2复合材料晶内缺陷消失, 断口出现大量撕裂棱, 复合材料力学性能大幅提高。
2016, 33(6): 1287-1296.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160328.009
摘要:
基于对三维四向编织陶瓷基复合材料CT扫描结果的观察和理论分析, 参考现有交织模型, 建立了改进的胞元三维实体模型, 较为真实地反映了材料内部的细观结构。模型内部纤维束横截面沿纤维束轴向不断发生形状和面积的周期性变化, 纤维束横截面呈平行四边形、五边形交替变化, 不同纤维束轴线间呈交织关系, 接近材料内部纤维束间打紧后的挤压变形规律。通过测算平均纱线填充因子并配合有限元法获得了纤维束及材料的弹性性能, 与试验结果符合较好。有限元仿真显示在材料单胞内, 纤维束承担主要载荷, 纤维束与基体的某些交界处往往会出现应力集中现象, 可能是发生裂纹扩展及局部破坏的主要区域。该细观应力场的获得也为分析材料破坏机理和强度提供了基础。
基于对三维四向编织陶瓷基复合材料CT扫描结果的观察和理论分析, 参考现有交织模型, 建立了改进的胞元三维实体模型, 较为真实地反映了材料内部的细观结构。模型内部纤维束横截面沿纤维束轴向不断发生形状和面积的周期性变化, 纤维束横截面呈平行四边形、五边形交替变化, 不同纤维束轴线间呈交织关系, 接近材料内部纤维束间打紧后的挤压变形规律。通过测算平均纱线填充因子并配合有限元法获得了纤维束及材料的弹性性能, 与试验结果符合较好。有限元仿真显示在材料单胞内, 纤维束承担主要载荷, 纤维束与基体的某些交界处往往会出现应力集中现象, 可能是发生裂纹扩展及局部破坏的主要区域。该细观应力场的获得也为分析材料破坏机理和强度提供了基础。
2016, 33(6): 1297-1304.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160602.001
摘要:
为了探究莫来石纤维增强SiO2气凝胶复合材料的拉伸和层间剪切性能, 开展了相关试验。首先, 进行了复合材料在室温下的面内拉伸试验, 获得了复合材料的室温面内拉伸模量;然后, 采用引伸计方法和数字图像相关法分别对拉伸变形进行测量, 并对2种方法进行了对比分析;最后, 开展了不同温度下的层间剪切试验, 研究了复合材料在不同温度下的层间剪切性能, 并对其微观结构进行了分析。结果表明:复合材料的拉伸模量约为285.17 MPa;由引伸计方法测得的拉伸变形计算出的拉伸模量比数字图像相关法获得的拉伸模量高2.4%;在室温和高温下, 试样呈现明显的层间剪切破坏;对复合材料的微观分析发现, SiO2气凝胶基体主要分布在层间区域, 增强纤维主要分布在铺层内。所得结论表明莫来石纤维增强SiO2气凝胶复合材料拉伸和层间性能较差, 当承受层间载荷时, SiO2气凝胶基体起主要作用, 且温度对复合材料的性能影响较大。
为了探究莫来石纤维增强SiO2气凝胶复合材料的拉伸和层间剪切性能, 开展了相关试验。首先, 进行了复合材料在室温下的面内拉伸试验, 获得了复合材料的室温面内拉伸模量;然后, 采用引伸计方法和数字图像相关法分别对拉伸变形进行测量, 并对2种方法进行了对比分析;最后, 开展了不同温度下的层间剪切试验, 研究了复合材料在不同温度下的层间剪切性能, 并对其微观结构进行了分析。结果表明:复合材料的拉伸模量约为285.17 MPa;由引伸计方法测得的拉伸变形计算出的拉伸模量比数字图像相关法获得的拉伸模量高2.4%;在室温和高温下, 试样呈现明显的层间剪切破坏;对复合材料的微观分析发现, SiO2气凝胶基体主要分布在层间区域, 增强纤维主要分布在铺层内。所得结论表明莫来石纤维增强SiO2气凝胶复合材料拉伸和层间性能较差, 当承受层间载荷时, SiO2气凝胶基体起主要作用, 且温度对复合材料的性能影响较大。
2016, 33(6): 1305-1310.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160315.014
摘要:
采用阻抗匹配技术, 利用金属栅网电调谐单元, 对大型分块介质天线罩的板块接缝(或称加强肋)进行了电调谐优化设计, 优化设计的含有金属栅网的混合介质结构, 在保证接缝结构力学性能的前提下, 其透波性率比板块接缝本身的透波率提升约20%, 而且通过加载不同的金属栅网, 可以调整混合结构最佳透波的频率范围, 从而可用于不同频段天线罩的研制, 为研制高性能大型介质天线罩提供了一条新的技术途径。
采用阻抗匹配技术, 利用金属栅网电调谐单元, 对大型分块介质天线罩的板块接缝(或称加强肋)进行了电调谐优化设计, 优化设计的含有金属栅网的混合介质结构, 在保证接缝结构力学性能的前提下, 其透波性率比板块接缝本身的透波率提升约20%, 而且通过加载不同的金属栅网, 可以调整混合结构最佳透波的频率范围, 从而可用于不同频段天线罩的研制, 为研制高性能大型介质天线罩提供了一条新的技术途径。
2016, 33(6): 1311-1317.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160309.003
摘要:
基于新修正偶应力理论, 建立了只含有1个尺度参数的复合材料斜交铺设层合Kirchhoff板模型, 并分析了铺设角对尺度效应的影响。采用虚功原理推导了任意铺设角的层合Kirchhoff板的弯曲方程和边界条件。通过新模型给出了四边简支反对称角铺设微尺度层合Kirchhoff板的解析解。结果表明:细观尺度各向异性层合板的尺度效应并不仅仅受其几何尺寸的影响, 还受铺设角的影响;铺设角对尺度效应可能产生非常显著的影响。
基于新修正偶应力理论, 建立了只含有1个尺度参数的复合材料斜交铺设层合Kirchhoff板模型, 并分析了铺设角对尺度效应的影响。采用虚功原理推导了任意铺设角的层合Kirchhoff板的弯曲方程和边界条件。通过新模型给出了四边简支反对称角铺设微尺度层合Kirchhoff板的解析解。结果表明:细观尺度各向异性层合板的尺度效应并不仅仅受其几何尺寸的影响, 还受铺设角的影响;铺设角对尺度效应可能产生非常显著的影响。
2016, 33(6): 1318-1326.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160308.002
摘要:
基于机器人的复合材料缠绕不同缠绕策略会对缠绕工艺及机器人运动稳定性产生影响, 为获得使机器人运动稳定性更优的缠绕策略, 研究了6自由度工业机器人的复合材料缠绕工作站, 单独分析了包络形式、悬纱长度以及测地线/非测地线缠绕等参数对缠绕工艺及机器人运动稳定性的变化参数的影响, 采用MATLAB进行不同缠绕策略的机器人缠绕轨迹计算, 确定规划后的缠绕轨迹, 基于ADAMS和MATLAB进行机器人缠绕动力学联合仿真, 获取机器人各关节力矩曲线, 分析规划后的缠绕轨迹对机器人运动稳定性的影响。进行了复合材料制品干纤维缠绕实验, 缠绕实验表明:采用优化后的缠绕策略进行复合材料制品缠绕时缠绕线型稳定, 缠绕过程无滑纱、交叠、架空等现象, 缠绕精度完全满足设计要求。
基于机器人的复合材料缠绕不同缠绕策略会对缠绕工艺及机器人运动稳定性产生影响, 为获得使机器人运动稳定性更优的缠绕策略, 研究了6自由度工业机器人的复合材料缠绕工作站, 单独分析了包络形式、悬纱长度以及测地线/非测地线缠绕等参数对缠绕工艺及机器人运动稳定性的变化参数的影响, 采用MATLAB进行不同缠绕策略的机器人缠绕轨迹计算, 确定规划后的缠绕轨迹, 基于ADAMS和MATLAB进行机器人缠绕动力学联合仿真, 获取机器人各关节力矩曲线, 分析规划后的缠绕轨迹对机器人运动稳定性的影响。进行了复合材料制品干纤维缠绕实验, 缠绕实验表明:采用优化后的缠绕策略进行复合材料制品缠绕时缠绕线型稳定, 缠绕过程无滑纱、交叠、架空等现象, 缠绕精度完全满足设计要求。
