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2018年  第35卷  第1期

KH560功能化氧化石墨烯/光敏性不饱和聚酯树脂复合材料的制备与性能
王芦芳, 李金焕, 刘彬, 任嘉慧, 许艳芳
2018, 35(1): 1-7. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170322.004
摘要:
合成了γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)功能化氧化石墨烯(FGO),通过红外光谱和热重进行了表征分析。通过加入FGO对混杂型(自由基-阳离子混杂机制)光敏树脂(CRCPR)进行改性,探讨了FGO的加入对CRCPR的黏度、凝胶率和体积收缩率的影响,并测试了固化FGO/CRCPR复合材料的力学性能。结果表明:与氧化石墨烯(GO)相比,由于功能团的引入,FGO在树脂中呈现良好的分散性,少量FGO的引入既未明显改变树脂的黏度,也未降低树脂的凝胶率;同时,极少量FGO的加入即可大幅提高固化FGO/CRCPR复合材料的力学性能,当FGO的质量分数为0.06%时,体积收缩率降低了37%,拉伸强度和弯曲强度分别提高了71.8%和26.9%,冲击强度也提高了49.7%。良好的力学性能与FGO良好分散性及FGO与CRCPR基体良好的界面性能有关。
梳状相变聚合物为芯材的复合调温纤维的制备及热性能
李树芹, 陈赛, 王学晨, 张兴祥, 石海峰
2018, 35(1): 8-15. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170412.001
摘要:
通过自由基聚合方法成功制备的新型梳状相变聚合物-聚二乙二醇十六烷基醚单丙烯酸酯(PC16E2AC),其相变温度为35℃,十分接近人体温度。选取PC16E2AC为芯材,丙烯腈偏氯乙烯共聚物(P(AN-co-VDC))为皮材,利用同轴湿法纺丝工艺制备了一系列热焓值不同的PC16E2AC-P(AN-co-VDC)复合调温纤维,并对其形貌、结构和热性能进行了表征。结果表明:制备的PC16E2AC-P(AN-co-VDC)复合调温纤维直径均一,表面光滑,具有明显的皮芯结构。并且随着皮芯挤出比(S:C)的增加,皮材直径逐渐增大,芯材直径逐渐减小,复合调温纤维的断裂强度逐渐增大,热焓值也从23 J/g逐渐增加到57 J/g。此外,PC16E2AC-P(AN-co-VDC)复合调温纤维在低于220℃具有良好的热稳定性。300次的冷/热循环测试和24 h的抽提实验表明,该复合调温纤维具有良好的耐热循环稳定性和抗渗透性。值得注意的是,PC16E2AC-P(AN-co-VDC)复合调温纤维的相变温度始终在35℃左右,表明其有望用于智能纺织品领域。
硫酸盐干湿交替对碳纤维增强环氧树脂-混凝土界面粘结性能的影响
刘生纬, 张家玮, 赵建昌, 刘润东, 李凯
2018, 35(1): 16-23. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170315.003
摘要:
为了研究硫酸盐腐蚀对碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/EP)-混凝土界面性能退化的影响。通过硫酸盐干湿交替加速腐蚀试验模拟硫酸盐环境,对硫酸盐腐蚀下CF/EP-混凝土界面粘结性能退化规律进行了研究。结果表明:硫酸盐干湿交替作用对CF/EP-混凝土界面的破坏形态影响较大;界面粘结性能(峰值剪应力、极限承载力和初始剪切刚度)随腐蚀时间呈先小幅增加后加速下降的趋势。在试验和已有界面理论的基础上,提出了考虑腐蚀时间的界面粘结-滑移模型,通过模型预测数据与试验数据的对比分析,该模型能够很好反映硫酸盐干湿交替作用下界面粘结性能退化规律。
磁性聚氨酯泡沫的微观形貌及低频吸声性能
王彩萍, 孙天宇, 王晓杰
2018, 35(1): 24-29. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170417.003
摘要:
针对传统聚氨酯泡沫吸收低频噪声效果较差的问题,采用一步全水发泡法制备添加磁性颗粒(羰基铁粉(CIP))的聚氨酯泡沫。搭建磁性聚氨酯泡沫(MPF)的吸声实验平台,从宏观和微观的角度研究聚醚多元醇与异氰酸酯的配比及CIP对MPF吸声性能的影响。通过SEM观测MPF的微观形貌,采用统计学方法对泡孔尺寸进行分析,并利用阻抗管和传递函数法对64~1 600 Hz范围内MPF的吸声性能进行测试。实验结果表明,CIP的加入,使MPF平均孔径减小,孔径对数分布标准差增加,开孔率和低频吸声性能得到提高,特别是低于500 Hz部分;当聚醚多元醇与异氰酸酯比例为100:60、CIP含量为5wt%时,MPF的低频吸声性能最优,其64~500 Hz范围内的平均吸声系数达到0.22。
纳米Mg(OH)2-ZnO/聚酰亚胺复合薄膜的介电和热性能
王相文, 范勇, 陈昊, 杨瑞宵, 赵伟
2018, 35(1): 30-34. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170331.001
摘要:
采用反向沉淀法制备了Mg(OH)2-ZnO纳米粒子,通过原位聚合和热亚胺化的方法成功制备了不同纳米Mg(OH)2-ZnO粒子质量分数的纳米Mg(OH)2-ZnO/聚酰亚胺(PI)复合薄膜,通过SEM、热重分析、介电谱测试仪和击穿场强测试仪对薄膜的表面形貌、热稳定性、介电性能和击穿强度进行表征和测试。结果表明:Mg(OH)2-ZnO纳米粒子均匀地分散在PI基体中,Mg(OH)2-ZnO/PI热稳定性下降,介电常数、介电损耗和电导率增加,击穿场强随纳米粒子增加先增加后减小,在纳米粒子含量为2%时,达到最大值296 kV/mm。
改性亚麻布/不饱和聚酯复合材料的吸湿及力学性能
赵文杰, 胡求学, 闫雯玲, 张袅娜, 董晨君, 赵麒, 项薇, 呼微
2018, 35(1): 35-43. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170421.002
摘要:
采用阳离子表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵(STAB)对亚麻布进行了水相改性,并采用压片法进一步制备了亚麻布质量分数为28wt%的亚麻布/不饱和聚酯(UPE)复合材料。经过STAB改性后,亚麻布的吸湿率降低了30.3%,显著提高了其疏水性;改性亚麻布(TL1)/UPE复合材料的平衡吸湿率比未改性的亚麻布(UL)/UPE复合材料降低了26%;UL/UPE的水分子在复合材料中的扩散系数D值为1.11×10-2 mm2/h,而TL1/UPE的D值仅为0.63×10-2 mm2/h,说明水分子在UL/UPE中的扩散速度大于其在TL1/UPE中的速度;TL1/UPE复合材料的冲击强度比UPE提高了2.4倍,极大地改善了UPE的脆性。热稳定性测试显示TL1/UPE复合材料的热稳定性能满足应用要求。研究结果表明,对亚麻布进行STAB改性可有效改善复合材料的吸湿性,同时提高天然纤维与基体间的界面结合力及复合材料的力学性能,可用于制备得到综合性能优异的、有应用前景的亚麻布增强UPE天然纤维环保复合材料。
PTMG-TMP混合扩链交联对聚氨酯树脂力学性能的影响
张波, 段华军, 陈杰
2018, 35(1): 44-49. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170314.006
摘要:
在常压、惰性气体保护下,利用二步法合成甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)-聚丙二醇(PPG)预聚体,再用少量聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)与三羟甲基丙烷(TMP)进行混合扩链交联,制备聚氨酯树脂(PU)固化产物并进行性能研究。采用FTIR对预聚体以及固化产物的分子结构进行表征,用万能试验机测试PU的力学性能。研究结果表明,少量PTMG的加入能降低反应的活性并改善PU固化产物的韧性。当TDI-PPG预聚体中-NCO的质量分数为24.0wt%、扩链交联剂中PTMG的含量为5wt%、异氰酸酯指数(R)介于1.01~1.05之间时,PU固化产物具有良好的力学性能,拉伸强度达到87.4 MPa,弯曲强度达到104~106 MPa,拉伸模量达到3.51~3.60 GPa,弯曲模量达到3.20~3.28 GPa,断裂伸长率达到4.45%~4.83%。
液体垫片对复合材料单搭接螺栓接头力学性能的影响
岳德, 安鲁陵, 云一, 肖睿恒, 高国强
2018, 35(1): 50-60. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170412.004
摘要:
复合材料构件由于存在制造误差,装配时常常产生间隙,消除间隙的一种基本手段是向其中填充液体垫片。以复合材料单搭接螺栓连接接头为研究对象,设计了拉伸实验,选取一种改进的失效准则与对应的材料退化准则建立了渐进损伤有限元分析(FEA)模型,在此基础上研究了液体垫片对复合材料单搭接接头强度、刚度等力学性能的影响及复合材料孔内损伤演化的过程,此外还研究了液体垫片孔边的应力-应变状态。由实验与有限元结果可以得出:随着液体垫片厚度的增加,接头的拉伸刚度与峰值载荷均有所降低;相同载荷下复合材料孔内损伤加剧,孔内单元产生初始损伤时对应的载荷降低;但液体垫片厚度的增加可以降低垫片孔边的应力与塑性应变峰值,并使其分布更加均匀化,改善液体垫片孔边受力状态。
分层对复合材料机械连接结构承载能力的影响
董大龙, 周翔, 汪海, 姜晓伟
2018, 35(1): 61-69. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170508.001
摘要:
针对含孔边分层复合材料沉头螺栓连接结构,通过挤压试验及有限元仿真,研究了孔边分层对复合材料连接结构力学性能的影响。通过连接孔的挤压试验,得到了不同类型试验件的承载能力与破坏模式。有限元仿真中,基于ABAQUS有限元分析软件建立了复合材料机械连接的三维有限元模型,进行复合材料渐进失效损伤模拟,并采用内聚力单元来模拟预制分层。有限元计算得到载荷-位移曲线和变形模式与试验吻合较好,从而验证了有限元模型的有效性。在此基础上,分析了含孔边分层的复合材料机械连接结构的破坏机制,并研究了分层位置、分层面积大小和分层形状对该结构承载能力的影响。研究表明:复合材料的破坏始于沉头孔中的直孔区域,且当预制分层位于直孔区域时,结构的承载能力最低;分层形状为圆形和正方形时,会严重影响结构的承载能力,分层形状为椭圆形时,对承载能力影响较低。无论分层形状如何变化,分层总是从受挤压的一侧开始,以半圆弧的形状向受挤压方向进行扩展。
全玻璃纤维增强树脂筋混凝土电缆排管的抗弯试验
刘承斌, 应健, 陈勇, 王激扬, 冉杨, 麻坚
2018, 35(1): 70-80. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170322.001
摘要:
提出了采用全玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)筋混凝土电缆排管代替传统的钢筋混凝土电缆排管,该结构形式具有减少能耗的优点。通过对小尺寸和足尺GFRP筋混凝土电缆排管试件进行抗弯性能试验,研究其抗弯能力、变形及破坏特征等。试验结果表明,GFRP筋混凝土电缆排管具有与普通钢筋混凝土梁相似的力学特征,以混凝土开裂为分界点,位移-荷载曲线表现为双线性,排管侧面拉应力分布不均匀,部分区域出现了较高拉应力。提出了GFRP筋混凝土电缆排管的抗弯设计计算方法,理论计算结果与试验测试结果较为吻合。
聚醚砜-环氧树脂共混体系相分离过程的数值模拟
丁妍羽, 贾玉玺, 姚形龙, 陈其凤, 柳华实
2018, 35(1): 81-88. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170413.002
摘要:
在热塑性聚醚砜(PES)增韧改性热固性环氧树脂复合材料的制备过程中,通过控制PES-环氧树脂树脂共混体系相分离过程实现共混物相结构的调控,能够明显改善热固性环氧基体树脂的冲击强度。考虑PES-环氧树脂共混体系在相分离过程中PES应力松弛现象以及环氧树脂固化反应现象,采用黏弹性模型描述微观相形态的具体演化路径,揭示了树脂共混体系相分离过程的机制及动力学过程,分析了PES含量、PES分子量大小、PES与环氧树脂的动力学不对称程度以及固化工艺条件等材料及工艺参数对共混体系相结构演变过程以及最终相形态的影响规律及程度,从而为优化PES-环氧树脂树脂共混体系的微观相结构打下基础。
基于仿真方法的CFRP复合材料孔隙率与超声衰减系数的关系
丁珊珊, 金士杰, 何晓晨, 罗忠兵, 林莉
2018, 35(1): 89-94. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170320.006
摘要:
为从超声衰减机制角度解释碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料孔隙率P与超声衰减系数α之间呈非唯一对应关系的原因,针对厚度为2 mm的热压罐成型单向CFRP层板,建立了具有不同孔隙尺寸的CFRP模型(P=0.5%~3.5%),并采用数值计算方法得到衰减系数α值。当孔隙横向尺寸D=56 μm,即归一化波数kD=2π D/λ <1(超声波波长λ ≈560 μm)时,αP增大而缓慢线性增加;当D=93 μm(kD ≈ 1)时,αP增大呈对数增长。仿真结果表明,超声波在含孔隙CFRP中传播时,随着归一化波数的不同,超声波衰减可能包括瑞利散射和随机散射两种机制,孔隙形貌的随机复杂性导致CFRP孔隙率与超声衰减系数之间呈现非唯一对应关系。
603环氧树脂体系固化动力学模型的建立与验证
李婷婷, 李艳霞, 陈超, 顾轶卓, 王绍凯, 李健芳, 李桂洋, 李敏, 张佐光
2018, 35(1): 95-102. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170328.001
摘要:
采用非等温差示扫描量热法(DSC)研究了603热塑增韧环氧树脂体系的固化反应动力学。研究发现,在低升温速率测试条件下603环氧树脂体系固化反应的DSC曲线有两个重叠的放热峰,通过分离两个重叠的放热峰,研究了603环氧树脂体系固化动力学的特性。利用Kissinger方法和Kamal方程分别拟合得到603树脂体系固化反应的活化能和固化动力学参数,选择三种典型固化工艺制度下预测的树脂固化反应结果与实验数据对比,验证了所建立动力学模型的可靠性。基于不同升温速率的放热曲线,通过外推法得出该树脂占总反应比例70%的第一个反应固化温度为(177.3±2.2)℃,占总反应比例30%的第二个反应的起始温度和固化温度分别为(178.6±0.7)℃和(216.9±1.7)℃。研究结果对于多组分热固性树脂体系固化动力学的分析和复合材料成型工艺的优化具有重要的指导意义。
三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在两种测量方法下的热响应机制对比
赵玉芬, 宋磊磊, 李嘉禄, 焦亚男
2018, 35(1): 103-109. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170322.002
摘要:
采用瞬态热线法和闪光法分别测量了多种结构参数的三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数。通过对3D正交机织碳纤维/环氧树脂复合材料的有限元模拟可以看出,3D正交机织碳纤维/环氧树脂复合材料内经纱、纬纱和Z向纱的导热作用在不同的受热形式下会发生变化。采用瞬态热线法测量时,2.5D机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数低于2.5D经向增强结构,同时高于3D正交结构,而采用闪光法测量时,2.5D经向增强和3D正交碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数均小于2.5D机织结构。这是由于在使用不同的测量方法时,三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料内部相同的纱线系统在导热过程中所起的作用并不相同。随着纤维体积含量的提高,瞬态热线法和闪光法测得的2.5D机织碳纤维/环氧树脂复合材料的导热系数都在不断提高。由于经纱的屈曲,采用闪光法测量时,导热性能提升更加明显。研究结果表明,三维机织碳纤维/环氧树脂复合材料在不同受热形式下具有不同的热响应机制。
填充物、胶膜和Z-pin对复合材料T型接头强度影响对比
孙文博, 马玉娥
2018, 35(1): 110-116. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170417.001
摘要:
为提高复合材料T型接头结构的拉伸强度,对接头中胶膜属性、圆弧区填充物属性和Z-pin增强三种结构参数对T型接头强度的影响进行了研究。设计了两种不同胶膜属性、两种不同填充材料和有无Z-pin的同尺寸试验件,完成拉伸试验,测得极限位移和极限拉伸强度,并进行了对比分析,同时研究了不同T型接头的损伤演化过程。结果表明:J299胶膜复合材料T型接头的极限位移和极限载荷相比于J116B胶膜分别提高了57.8%和64.7%;ZXC195增强芯复合材料T型接头的极限位移和极限载荷相比于单向带材料分别提高了51.7%和30.3%;Z-pin钉对复合材料T型接头的极限位移和极限载荷分别提高了190.8%和31.9%。三种结构参数均只影响接头的极限载荷和极限位移的大小,接头的整体刚度没有改变。胶膜属性对接头极限载荷的提高影响最大,而Z-pin对接头的极限位移提高影响最大。
超声喷雾化学镀法制备镀Ni碳纳米管及其微波吸收性能
赵琪, 马俊宾, 谢明, 李才巨, 陶静梅, 鲍瑞, 刘意春, 易健宏
2018, 35(1): 117-123. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170416.001
摘要:
将碳纳米管(CNTs)经过酸化、敏化和活化处理后,采用超声喷雾化学镀的方法来制备镀Ni碳纳米管(Ni-CNTs)。采用TEM、EDS和拉曼光谱进行表征。结果表明,采用超声喷雾化学镀可实现Ni层在CNTs表面均匀连续的镀覆,并且改善了CNTs的分散性,有利于其在复合材料领域的应用。不同形貌的Ni-CNTs的吸波性能有明显差异。对于镀层相对较薄的Ni-CNTs试样,其反射损耗峰值为-17.12 dB,出现在9.36 GHz处;吸波频带宽度为5.28 GHz(R<-5 dB)和2 GHz(R<-10 dB),这样的趋势有利于制造宽频复合吸波材料。
新型颗粒增强金属玻璃复合材料的拉伸增韧机制
邱昆, 姜云鹏, 史雪萍, 吴青青, 孙龙港
2018, 35(1): 124-131. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170315.002
摘要:
利用有限元方法探究了颗粒体积分数、颗粒的应变硬化指数、颗粒的间距以及网状结构对新型非晶合金复合材料即金属玻璃基复合材料(Metallic Glass Composites,MGCs)强度和韧性的影响。结果表明:随着颗粒应变硬化指数的增大,复合材料的强度和韧性都有很大提高,颗粒体积分数的增大、颗粒间距的变小和网状结构排布也将提高复合材料的韧性。这些都有利于设计出有较好韧性的复合材料。
原位自生TiB2颗粒增强2024-T4铝基复合材料断裂行为数值模拟
苏杰, 李亚智, 张代龙, 杨帆, 束一秀, 段敏鸽
2018, 35(1): 132-141. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170315.001
摘要:
利用SEM结合原位观测技术观察了颗粒体积分数为4.17%的原位自生TiB2颗粒增强2024-T4铝基复合材料(TiB2/2024-T4)的损伤断裂行为。试验结果表明,TiB2颗粒偏聚带中的铝合金基体比颗粒稀疏区域中的铝合金基体率先发生断裂。根据这一试验现象建立了三种含随机颗粒偏聚带的二维体胞有限元模型,并施加拉伸载荷和周期性边界条件,推导了平面应力状态下的径向返回算法,结合Rice-Tracey局部失效准则模拟了颗粒偏聚带中微裂纹的萌生及扩展过程。数值分析结果表明:就单个颗粒来说,颗粒两极附近基体损伤最严重。颗粒偏聚导致损伤在颗粒附近基体中迅速累积,并发展成为基体微裂纹,且随着颗粒偏聚程度加剧,材料断裂应变下降。另外,体胞模型应力-应变曲线的非线性部分低于实测曲线,说明除了本文模型反映的载荷传递强化机制外,还需要进一步考虑颗粒对基体的间接强化机制。
电化学制备石墨烯/纳米TiO2复合材料及光催化性能
郭勤, 黄冬根, 熊伟, 罗萃, 杨天资, 刘雷, 黄怿扬
2018, 35(1): 142-149. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170328.002
摘要:
在恒定直流下,采用高纯石墨棒为原料,混合无机酸溶液为电解液,采用一步电化学剥离法制备石墨烯(G),所制备的G可稳定分散在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中。以钛酸丁脂和G为前驱物,采用溶胶-凝胶法在N2氛围和高温加热下制备出G/nano TiO2复合光催化材料;利用XRD、FTIR、紫外-可见分光光度计(UV-Vis)、XPS、SEM和TEM等技术对G和G/nano TiO2复合材料进行了结构性能及微观形态表征。以3,5-二硝基水杨酸(DNS)为探针物,研究了在缺氧的水体中G/nano TiO2不同投加量的光催化效率与DNS降解机制。结果表明:采用恒压一步电化学剥离法所制备的G层与层之间剥离程度良好,片层通透性较高,六碳环上生成的含氧活性基团较少,G共轭π键结构保持良好;所制备的G/nano TiO2复合材料中TiO2结晶良好,颗粒紧密结合,且被固定在有褶皱的G上;降解实验发现,G/nano TiO2复合材料具有降解DNS良好性能,且投加量对其光催化活性有直接的影响;在缺氧状态下,DNS主要发生光催化还原反应,使苯环上的硝基还原成氨基,生成5-氨基水杨酸和苯三酚等中间产物,部分发生光催化氧化反应,生成CO2和H2O。
原位气相生长法制备碳纳米管/Al2O3陶瓷复合材料
康艳茹, 何禧佳, 殷正娥, 李亚利
2018, 35(1): 150-157. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170406.001
摘要:
以Al2O3陶瓷成型体为基体,通过化学气相反应在陶瓷体内原位生长碳纳米管(CNTs),制备出CNTs/Al2O3陶瓷复合材料。结果表明,Al2O3陶瓷体中均匀分布有可观量的多壁CNTs,碳管根部嵌于Al2O3晶粒间并从晶粒表面生长出。在Al2O3陶瓷成型体中原位生长CNTs需严格控制生长条件,尤其是生长温度(850℃),温度过高和过低都难以长出CNTs,此外造孔剂、碳源和催化剂也影响CNTs的原位生长。对原位生长的CNTs/Al2O3复合体进一步高温烧结获得致密化的复合材料,其导电率达3.7 S/m,较纯Al2O3提高13个数量级。在陶瓷成型体中原位生长CNTs是一步法制备CNTs/陶瓷复合材料的新方法,可用于发展高性能的结构陶瓷和具有导电导热等多功能特性的新型陶瓷复合材料。
放电等离子烧结Ni/TiB2-TiC复合材料微观组织及磨损性能
张新杰, 崔洪芝, 王明亮, 张国松, 王灿明, 宋强
2018, 35(1): 158-167. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170821.007
摘要:
采用放电等离子烧结技术,以Ni、Ti、B4C混合粉末为原料制备Ni/TiB2-TiC复合材料,分析了Ni含量对复合材料的物相组成、组织结构、硬度和耐磨性的影响。结果表明:Ni/TiB2-TiC复合材料主要物相为γ-Ni、TiB2和TiC,其中TiB2呈矩形条状和多边形状,TiC则呈现不规则块状;随着原始粉末中Ni含量的增加,TiB2和TiC陶瓷相尺寸减小,其在Ni粘结相中的分布呈现出均匀化的趋势,复合材料更加致密。Ni含量显著影响Ni/TiB2-TiC复合材料的耐磨性和磨损机制,Ni含量较低时(20wt%和30wt%),复合材料摩擦系数(COF)较大且存在明显的波动,出现严重的疲劳磨损;随着Ni量的增加(40wt%),材料的COF降低且趋于平稳,表现为微切削磨损;当Ni含量持续增加时(50wt%),由于局部Ni的聚集导致粘着磨损产生,COF有所上升,耐磨性反而下降。
Al2O3纤维对SiO2基陶瓷型芯的烧缩阻滞
芦刚, 于航, 严青松, 饶文杰, 郭振华
2018, 35(1): 168-172. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170418.001
摘要:
向SiO2基体粉料中添加Al2O3纤维,采用热压注法制备Al2O3/SiO2陶瓷型芯。分析Al2O3纤维含量对陶瓷型芯性能的影响。研究结果表明:Al2O3纤维含量对Al2O3/SiO2陶瓷型芯的线收缩率、体积密度和抗弯强度均有较大的影响。当Al2O3纤维含量大于1wt%时,Al2O3/SiO2陶瓷型芯的线收缩率大幅度降低,稳定在0.335%左右,体积密度随之降低,稳定在1.790 g · cm-3左右;当Al2O3纤维含量为1wt%时,陶瓷型芯抗弯强度达最大值20.48 MPa。分析了Al2O3纤维对Al2O3/SiO2陶瓷型芯烧结收缩的阻滞作用机制。
羟基锡酸盐载铂复合催化剂Pt/(Co,Zn)Sn(OH)6的合成及其甲醇电催化氧化性能
杜昌朝, 詹霞丹, 李常荣, 俞瀚, 于岩
2018, 35(1): 173-179. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170401.003
摘要:
以羟基锡酸盐CoSn(OH)6和ZnSn(OH)6纳米空心立方体为前体,采用抗坏血酸作为弱还原剂,经过超声过程分别合成了羟基锡酸钴载Pt/CoSn(OH)6和羟基锡酸锌载Pt/ZnSn(OH)6复合催化剂,并在甲醇氧化反应(MOR)中表现出良好的性能。Pt/CoSn(OH)6和Pt/ZnSn(OH)6催化剂的单位质量活性分别为1 095.6 mA/mg和699.5 mA/mg,高于C载Pt(Pt/C)的594.6 mA/mg。利用XRD、SEM、TEM、XPS和电化学测试对催化剂晶体结构和性能间的关系进行了探索。CO溶出实验结果表明,羟基锡酸盐载体有利于Pt表面CO的去除,载体与Pt间的强相互作用和载体表面的大量羟基基团增强了催化剂的催化活性和CO抗毒性。此外,Pt/(Co,Zn)Sn(OH)6催化剂中单质Pt高的相对含量也有利于提高MOR活性。通过研究载铂羟基锡酸盐电催化氧化甲醇性能,能够揭示载体结构对催化性能的影响,有助于羟基锡酸盐载铂复合催化剂在直接甲醇燃料电池(DMFCs)领域的应用。
基于化学气相沉积石墨烯/PEDOT-PSS共混复合材料的导电薄膜
林金堂
2018, 35(1): 180-184. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170509.003
摘要:
采用液相剥离技术制备基于化学气相沉积(CVD)石墨烯/聚乙撑二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT-PSS)共混复合材料的导电薄膜。采用原子力显微镜和SEM表征石墨烯/PEDOT-PSS复合薄膜的微观结构;通过紫外吸收谱、X射线光电子能谱、FTIR等分析技术探索该共混复合薄膜的导电机制。结果表明:石墨烯/PEDOT-PSS导电薄膜具有优异的电学特性,其方阻约为8 Ω/□;表面分析表明,石墨烯与PEDOT主链中五元噻吩发生π-π共轭效应,由此引起两作用体之间电子云密度的变化,该变化增加了PEDOT主链的载流子离域化程度,有利于PEDOT导电性的提升,同时提高石墨烯的载流子浓度,使CVD石墨烯/PEDOT-PSS复合薄膜的导电能力增强。
液体天然橡胶对湿法混炼制备白炭黑/天然橡胶复合材料界面相互作用的影响
何凡, 李文朋, 游建华, 袁天元, 杨晓红, 廖双泉
2018, 35(1): 185-191. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170418.005
摘要:
采用液体天然橡胶(LNR)作为增容剂,通过湿法混炼工艺制备白炭黑/天然橡胶(SiO2/NR)复合材料。利用SEM、橡胶加工分析仪(RPA)、差示扫描量热分析仪(DSC)、溶胀法和核磁共振交联密度仪分别对改性前后SiO2/NR复合材料的界面形态、Payne效应、玻璃化转变温度(Tg)、结合胶含量及交联密度进行分析,研究LNR对NR与SiO2相互作用的影响。结果表明,采用LNR改性后,SiO2/NR复合材料中SiO2与NR结合紧密,两相界面变得模糊,断面表现为韧性断裂。一定SiO2用量下,SiO2/NR复合材料Payne效应明显减弱。当SiO2与NR质量比为60:100时,玻璃化转变温度(Tg)由-59.57℃提高到-56.61℃,结合胶含量由40.24%增加到44.02%。Lorenz-Park方程定量计算表明,经LNR改性后,SiO2/NR复合材料界面相互作用增强。核磁共振测试结果表明,改性后,SiO2/NR复合材料交联密度增加,横向松弛时间(T2)减小,SiO2与NR质量比分别为30:100、50:100和70:100时,T2分别缩短4.20 ms、5.84 ms和7.86 ms,SiO2与NR相互作用增强,NR分子链运动受限。LNR具有较好的增容效果,经LNR改性的SiO2/NR复合材料界面相互作用增强。
盐冻条件下水泥砂浆受风沙冲蚀磨损性能及损伤机制
郝洪, 郭健, 邢永明, 刘艳晨, 樊金承, 江南
2018, 35(1): 192-199. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170417.002
摘要:
通过气流挟沙喷射法对水泥砂浆进行了复合盐-冻融循环后气-固两相流冲蚀磨损试验研究。基于SEM、激光共聚焦显微镜(LSCM)和XRD,观测了水泥砂浆试件冲蚀磨损后表面微观形貌,分析了盐冻前后其表面化学成分,探究其冲蚀损伤机制。结果表明:相同冲蚀试验条件下,水泥砂浆试件冲蚀率随冲蚀角度的增加而增大,在高冲蚀角下的增长趋势较为缓慢;冲蚀率随复合盐-冻融循环次数的增加出现先减小后增大的趋势,在冻融10次时冲蚀率最小;同等条件下,8%浓度下的冲蚀率均大于10%浓度下的冲蚀率。冲蚀损伤过程中动能法向分量起决定性作用,明显特征表现为冲蚀坑和微破坏区的出现。复合盐-冻融循环对冲蚀磨损性能的影响主要体现在两个方面:物理方面,表现为降温过程中溶液过饱和晶体析出以及冰胀压和渗透压对内部孔隙的作用;化学方面,溶液中的阴离子与水泥砂浆发生化学反应,生成钙矾石和石膏晶体填充在水泥砂浆内部,提高了其致密性,但后期晶体压力的增大会促进裂缝的产生,对水泥砂浆抗冲蚀磨损能力产生不利影响。
单板层积材-木粉/高密度聚乙烯共挤出复合材料抗低速冲击性能
傅海涛, 孙理超, 王海刚, 王清文
2018, 35(1): 200-207. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170321.005
摘要:
通过共挤出技术制备具有核壳结构的共挤出复合材料,其中壳层为木粉/高密度聚乙烯(W/HDPE),核层为杨木单板层积材(LVL),测试了LVL-W/HDPE和LVL在50 J、75 J及100 J能量下的低速冲击性能,并进一步研究水煮-冰冻-干燥环境处理后两者的低速冲击性能。结果表明,与LVL相比,在50 J能量冲击过程中LVL-W/HDPE的吸收能量和损伤深度分别降低2.9%和15.9%;在75 J能量冲击过程中LVL-W/HDPE的吸收能量和损伤深度分别降低3.9%和9.2%;而在100 J能量冲击下,两者的抗冲击性能基本相同;经水煮-冰冻-干燥环境处理后,由于壳层WPC的保护作用,LVL-W/HDPE不仅保持了良好的抗冲击性能,还表现出了优异的耐环境性能。
周期性复合材料等效传热系数预测的渐进均匀化新算法及其实现
张永存, 尚士朋, 梁宇静
2018, 35(1): 208-217. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170411.001
摘要:
渐进均匀化方法具有严格的数学基础,预测周期性复合材料的等效热传导系数具有较高的计算精度。本文提出了基于渐进均匀化方法预测周期性复合材料等效热传导系数的新算法。相比原有的算法具有两个优点:它的实现与代表体元方法一样简单,新的算法以现有的有限元商业软件为黑箱,通过简单的几个分析步骤,即可以获得复合材料的等效热传导系数;可以利用商业软件提供的多种单元类型去离散同一个单胞,在处理复杂几何单胞结构时,可以节约大量的计算费用。通过几个典型的算例,验证了方法的有效性。该工作对于推广渐进均匀化方法在预测复合材料等效热传导系数的广泛应用具有积极作用。
复合材料梁的几何精确非线性建模及非经典效应
尚丽娜, 夏品奇
2018, 35(1): 218-228. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170412.003
摘要:
基于Hodges的广义Timoshenko梁理论对具有任意剖面形状、任意材料分布及大变形的复合材料梁进行几何精确非线性建模,采用旋转张量分解法计算梁内任意一点的应变,采用变分渐近法确定梁剖面的任意翘曲,采用平衡方程由二次渐近精确的应变能导出广义Timoshenko应变能,采用广义Hamilton原理建立梁的几何精确非线性运动方程。将所建模型用于复合材料梁的静动力分析,通过与实验数据的对比,验证了建模方法的准确性,并进一步研究了剖面翘曲及横向剪切变形非经典效应对复合材料梁的影响。研究表明,剖面翘曲对复合材料梁的静变形和固有频率有显著影响,横向剪切变形对复合材料梁的静变形和固有频率的影响与梁的长度/剖面高度比有关。
金属芯压电纤维/聚合物复合材料压电-黏弹-塑性行为的细观力学模型
梅宝平, 钟轶峰, 黄子昂, 夏振庭
2018, 35(1): 229-237. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170412.007
摘要:
为了表征金属芯压电纤维增强聚合物基(MPF/PM)复合材料非线性、时变的压电-黏弹-塑性行为,基于变分渐近理论建立MPF/PM增量形式的细观力学模型。首先分别导出聚合物和MPF增量型本构方程,基于汉密尔顿扩展原理推导出MPF/PM压电-黏弹-塑性变分原理的能量泛函。考虑材料的时变和非线性特征,建立与求解瞬时有效机-电耦合矩阵有关的增量过程,并通过有限元技术实现模型的数值模拟。利用构建模型研究了不同铝芯体积分数、电场变化率和加载条件对MPF/PM有效全局应力-应变和单轴纵向拉伸性能的影响。结果表明,构建的模型能准确模拟MPF/PM多场耦合作用下的非线性、时变行为,为该新型智能材料的实际工程应用奠定理论基础。
有机相对骨组织力学性能影响的有限元分析
何泽栋, 赵婧, 许博
2018, 35(1): 238-243. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170412.006
摘要:
骨组织主要由有机相和矿物质相间排列而成,其显微组织结构与纤维增强材料相似。基于矿化程度构建三种胶原微纤维模型,以原胶原分子和有机交联键为出发点,综合探索有机相对微纤维力学性能的作用机制,再与文献数据进行对照验证。数值结果表明:随着矿化程度的加深,微纤维模型的刚度值和塑性趋势均显著上升。原胶原分子的收缩会导致其弹性模量上升,韧性明显下降。交联键数量增多会提高骨组织的力学性能,也增大骨组织的脆性。研究结果有助于揭示骨组织活性成分和微观结构对其力学性能的影响,为骨组织修复材料的开发提供理论依据。