2018年 第35卷 第10期
2018, 35(10): 2601-2611.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171127.001
摘要:
为研究碳纤维/树脂复合材料预浸料轧制制备层合板的可行性及成形性能，基于不同轧制工艺和固化方案制备了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板，结合三点弯曲试验和冲压试验，分析了层合板弯曲性能和温热冲压性能，观察了试样断面显微组织，并与热压罐工艺对比。结果表明，经80℃预固化-轧制-后固化工艺所得层合板综合性能优于轧制-固化和固化-轧制工艺，在压下量为0.4 mm条件下，层合板最大弯曲强度和弯曲模量较自然固化试样分别提高了23.8%和17.4%，且弯曲强度和弯曲模量均高于热压罐工艺试样。冲压过程中轧制压下量和预热温度对试样成形性影响显著，合理的压下量可提高层合板成形性，升高温度有利于试样成形，但温度过高致使试样破坏加剧皱曲增多，主要破坏区域为试样底部冲头半径轮廓，皱曲沿经纬方向与纤维成45°夹角区域明显。轧制工艺的差异对层间内部结合影响显著，较自然固化试样相比，轧制后复合材料力学性能有所改善，为碳纤维增强树脂基复合材料与金属材料轧制复合提供参考。
为研究碳纤维/树脂复合材料预浸料轧制制备层合板的可行性及成形性能，基于不同轧制工艺和固化方案制备了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板，结合三点弯曲试验和冲压试验，分析了层合板弯曲性能和温热冲压性能，观察了试样断面显微组织，并与热压罐工艺对比。结果表明，经80℃预固化-轧制-后固化工艺所得层合板综合性能优于轧制-固化和固化-轧制工艺，在压下量为0.4 mm条件下，层合板最大弯曲强度和弯曲模量较自然固化试样分别提高了23.8%和17.4%，且弯曲强度和弯曲模量均高于热压罐工艺试样。冲压过程中轧制压下量和预热温度对试样成形性影响显著，合理的压下量可提高层合板成形性，升高温度有利于试样成形，但温度过高致使试样破坏加剧皱曲增多，主要破坏区域为试样底部冲头半径轮廓，皱曲沿经纬方向与纤维成45°夹角区域明显。轧制工艺的差异对层间内部结合影响显著，较自然固化试样相比，轧制后复合材料力学性能有所改善，为碳纤维增强树脂基复合材料与金属材料轧制复合提供参考。
2018, 35(10): 2612-2623.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171130.001
摘要:
以纤维素纳米纤丝（Cellulose nanofibrils，CNFs）为生物模板，将聚吡咯（Polypyrrole，PPy）原位聚合在CNFs表面，再将CNF-PPy复合物均匀分散到天然橡胶（Natural rubber，NR）弹性基体中，制备了具有高柔韧性的纳米纤维素-聚吡咯/天然橡胶（CNF-PPy/NR）导电弹性体。结果表明：CNFs可协助PPy在NR基体中形成三维导电网络结构，并提高弹性体的力学性能和导电性能，有效降低其逾渗阈值。当添加质量比为5%（以橡胶质量为基准，下同）的CNF和20%的PPy时，CNF-PPy/NR的拉伸强度可达（8.97±0.92）MPa，分别约为PPy/NR及纯NR的1.56倍和9.54倍，电导率可达（0.134±0.063）S/m；在0.3 A/g的电流密度下，比电容可达96 F/g，并在1.0 A/g电流密度下循环充放电1 200次后，比电容仍可保持其初始值的72%。此导电弹性体具有良好的力学强度和电学性能，有望应用于柔性有机电子器件领域。
以纤维素纳米纤丝（Cellulose nanofibrils，CNFs）为生物模板，将聚吡咯（Polypyrrole，PPy）原位聚合在CNFs表面，再将CNF-PPy复合物均匀分散到天然橡胶（Natural rubber，NR）弹性基体中，制备了具有高柔韧性的纳米纤维素-聚吡咯/天然橡胶（CNF-PPy/NR）导电弹性体。结果表明：CNFs可协助PPy在NR基体中形成三维导电网络结构，并提高弹性体的力学性能和导电性能，有效降低其逾渗阈值。当添加质量比为5%（以橡胶质量为基准，下同）的CNF和20%的PPy时，CNF-PPy/NR的拉伸强度可达（8.97±0.92）MPa，分别约为PPy/NR及纯NR的1.56倍和9.54倍，电导率可达（0.134±0.063）S/m；在0.3 A/g的电流密度下，比电容可达96 F/g，并在1.0 A/g电流密度下循环充放电1 200次后，比电容仍可保持其初始值的72%。此导电弹性体具有良好的力学强度和电学性能，有望应用于柔性有机电子器件领域。
2018, 35(10): 2624-2631.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171214.002
摘要:
半导体复合材料中的光生载流子动力学过程是影响其光催化性能的重要因素之一。该工作以二水合氯化亚锡（SnCl2·2H2O）为原料，NaOH为沉淀剂，采用一步溶剂热法制备了Sn的氧化物纳米SnO-SnO2复合材料，并利用SEM、XRD、TEM和Uv-Vis光谱等对产物进行了表征。结果表明，通过控制反应条件可以获得粒径约为10~20 nm的SnO-SnO2复合材料和粒径约为10 nm的四方相SnO2颗粒，分散性较好。光催化性能研究表明，纳米SnO-SnO2复合材料完全催化降解罗丹明B（RhB）的时间比纳米SnO2颗粒减少50%。针对这一结果，利用瞬态表面光电压（TSPV）技术分别对上述纳米材料的光生载流子动力学过程进行了讨论。结果表明，纳米SnO-SnO2复合结构的构建可以有效地促进光生载流子的分离，抑制SnO2表面光生载流子的复合及提高材料表面的光生载流子的寿命，进而显著增强其光催化性能。
半导体复合材料中的光生载流子动力学过程是影响其光催化性能的重要因素之一。该工作以二水合氯化亚锡（SnCl2·2H2O）为原料，NaOH为沉淀剂，采用一步溶剂热法制备了Sn的氧化物纳米SnO-SnO2复合材料，并利用SEM、XRD、TEM和Uv-Vis光谱等对产物进行了表征。结果表明，通过控制反应条件可以获得粒径约为10~20 nm的SnO-SnO2复合材料和粒径约为10 nm的四方相SnO2颗粒，分散性较好。光催化性能研究表明，纳米SnO-SnO2复合材料完全催化降解罗丹明B（RhB）的时间比纳米SnO2颗粒减少50%。针对这一结果，利用瞬态表面光电压（TSPV）技术分别对上述纳米材料的光生载流子动力学过程进行了讨论。结果表明，纳米SnO-SnO2复合结构的构建可以有效地促进光生载流子的分离，抑制SnO2表面光生载流子的复合及提高材料表面的光生载流子的寿命，进而显著增强其光催化性能。
2018, 35(10): 2632-2639.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171218.001
摘要:
以3，3'，4，4'-二苯甲酮四羧酸二酐和4，4-二氨基二苯醚为原料合成聚酰胺酸（PAA）纺丝液，通过高压静电纺丝和热亚胺化制备聚酰亚胺（PI）纤维膜，然后将聚乙烯-乙烯醇磺酸锂（EVOH-SO3Li）以高压静电纺丝和加热加压的方式覆盖在PI纤维膜表面，制备EVOH-SO3Li/PI锂离子电池隔膜复合材料。通过FTIR、SEM、万能拉伸试验仪、接触角测试仪和IM6型电化学工作站对EVOH-SO3Li/PI锂离子电池隔膜复合材料的性能进行测试与表征。结果表明：EVOH-SO3Li/PI锂离子电池隔膜复合材料具有较清晰的三维网状结构，与PI隔膜相比，纤维间粘连现象明显增加，在降低孔隙率同时，吸液率和拉伸强度分别提高至521%和12.83 MPa，并表现出较好的热收缩稳定性、高温闭孔性能和电化学性能。其中电化学稳定窗口从5.5 V提高至5.8 V，界面阻抗从360 Ω降低至315 Ω，离子电导率从2.416×10-3 S/cm提高至3.672×10-3 S/cm。
以3，3'，4，4'-二苯甲酮四羧酸二酐和4，4-二氨基二苯醚为原料合成聚酰胺酸（PAA）纺丝液，通过高压静电纺丝和热亚胺化制备聚酰亚胺（PI）纤维膜，然后将聚乙烯-乙烯醇磺酸锂（EVOH-SO3Li）以高压静电纺丝和加热加压的方式覆盖在PI纤维膜表面，制备EVOH-SO3Li/PI锂离子电池隔膜复合材料。通过FTIR、SEM、万能拉伸试验仪、接触角测试仪和IM6型电化学工作站对EVOH-SO3Li/PI锂离子电池隔膜复合材料的性能进行测试与表征。结果表明：EVOH-SO3Li/PI锂离子电池隔膜复合材料具有较清晰的三维网状结构，与PI隔膜相比，纤维间粘连现象明显增加，在降低孔隙率同时，吸液率和拉伸强度分别提高至521%和12.83 MPa，并表现出较好的热收缩稳定性、高温闭孔性能和电化学性能。其中电化学稳定窗口从5.5 V提高至5.8 V，界面阻抗从360 Ω降低至315 Ω，离子电导率从2.416×10-3 S/cm提高至3.672×10-3 S/cm。
2018, 35(10): 2640-2650.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180115.006
摘要:
为研究纤维增强树脂复合材料零部件快速成型，加速复合材料零部件大规模产业化量产，以玻璃纤维/聚丙烯复合材料层合板为实验对象，首先利用设计加工的拉深成型模具，进行了玻璃纤维增强热塑性树脂复合材料（Glass fiber reinforced thermoplastic resin composite，GFRTP）板材外表面纤维方向和模具长轴方向为0°和90°的试件在不同温度和不同拉深深度条件下的深拉深成型实验，将成型件制备金相试件在光学显微镜下进行微观组织观察，并对试件的成型情况和不同拉深力-行程曲线进行分析。其后进行了GFRTP板材外表面纤维方向和模具长轴方向为0°、45°和90°的试件的不同温度下的浅拉深成型实验，并对成型后的试验件进行了室温条件下的拉伸性能测试，对其拉伸失效情况及具体力学性能进行了对比分析。试验结果表明，在室温25℃到基体树脂的熔融温度165℃之间，随着温度的升高，板材的极限拉深深度增大，最大拉深力呈下降趋势。在选取的试验温度范围内，85℃时试件成型性能较好且0°试件优于90°试件，温度对拉深成型试件的皱曲改善不明显。浅拉深成型试件拉伸力学特性受试件铺层纤维方向的影响较大，防止皱曲等缺陷的发生对GFRTP板材拉深成型十分重要。
为研究纤维增强树脂复合材料零部件快速成型，加速复合材料零部件大规模产业化量产，以玻璃纤维/聚丙烯复合材料层合板为实验对象，首先利用设计加工的拉深成型模具，进行了玻璃纤维增强热塑性树脂复合材料（Glass fiber reinforced thermoplastic resin composite，GFRTP）板材外表面纤维方向和模具长轴方向为0°和90°的试件在不同温度和不同拉深深度条件下的深拉深成型实验，将成型件制备金相试件在光学显微镜下进行微观组织观察，并对试件的成型情况和不同拉深力-行程曲线进行分析。其后进行了GFRTP板材外表面纤维方向和模具长轴方向为0°、45°和90°的试件的不同温度下的浅拉深成型实验，并对成型后的试验件进行了室温条件下的拉伸性能测试，对其拉伸失效情况及具体力学性能进行了对比分析。试验结果表明，在室温25℃到基体树脂的熔融温度165℃之间，随着温度的升高，板材的极限拉深深度增大，最大拉深力呈下降趋势。在选取的试验温度范围内，85℃时试件成型性能较好且0°试件优于90°试件，温度对拉深成型试件的皱曲改善不明显。浅拉深成型试件拉伸力学特性受试件铺层纤维方向的影响较大，防止皱曲等缺陷的发生对GFRTP板材拉深成型十分重要。
2018, 35(10): 2651-2657.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180524.001
摘要:
采用共沉淀法制备纳米羟基磷灰石（HA），并用硅烷偶联剂KH560对其进行表面改性；然后，以聚醚醚酮（PEEK）为基体，通过热压成型工艺制备原始HA/PEEK与改性HA/PEEK复合材料。考察两种HA的引入对复合材料结构、力学性能和摩擦性能的影响。利用XRD、FTIR、FESEM、拉伸测试、DMA和摩擦测试对两种HA/PEEK复合材料的结构和性能进行了表征。结果表明：HA表面引入了硅烷偶联剂KH560；改性前后HA的晶型结构没有明显改变；两种HA对PEEK基体的结晶结构也没有产生影响；改性HA在PEEK基体中分散均匀；与纯PEEK相比，10wt%改性HA/PEEK复合材料的储能模量增加了55.56%，玻璃化温度增加了3.6℃，磨痕深度降低了31.1%，有效改善了复合材料的热力学性能和摩擦性能；改性HA/PEEK拉伸强度为68.33 MPa，能够满足人骨的强度要求。
采用共沉淀法制备纳米羟基磷灰石（HA），并用硅烷偶联剂KH560对其进行表面改性；然后，以聚醚醚酮（PEEK）为基体，通过热压成型工艺制备原始HA/PEEK与改性HA/PEEK复合材料。考察两种HA的引入对复合材料结构、力学性能和摩擦性能的影响。利用XRD、FTIR、FESEM、拉伸测试、DMA和摩擦测试对两种HA/PEEK复合材料的结构和性能进行了表征。结果表明：HA表面引入了硅烷偶联剂KH560；改性前后HA的晶型结构没有明显改变；两种HA对PEEK基体的结晶结构也没有产生影响；改性HA在PEEK基体中分散均匀；与纯PEEK相比，10wt%改性HA/PEEK复合材料的储能模量增加了55.56%，玻璃化温度增加了3.6℃，磨痕深度降低了31.1%，有效改善了复合材料的热力学性能和摩擦性能；改性HA/PEEK拉伸强度为68.33 MPa，能够满足人骨的强度要求。
2018, 35(10): 2658-2664.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171115.009
摘要:
以玻璃纤维布和聚苯硫醚（PPS）非织造布分别作为增强体和树脂基体原料，采用热压成型法制备出玻璃纤维布/PPS非织造布复合板材，然后在烘箱中进行热处理。利用万能试验机（Instron）、XRD、偏光显微镜（PLM）和SEM等手段对玻璃纤维布/PPS非织造布复合板材的力学性能、结晶度、晶粒类型和尺寸及微观形貌等进行了测试和表征。结果表明：随着热处理温度和时间的提高，玻璃纤维布/PPS非织造布复合板材的弯曲强度、弯曲模量和缺口冲击强度得到明显提高。当热处理温度为220℃、热处理时间为2 h时，其力学性能最佳，其弯曲强度、弯曲模量和缺口冲击强度分别达到285.7 MPa、7.8 GPa和85.0 MPa。和未进行热处理的玻璃纤维布/PPS非织造布复合板材相比，分别提高了63.2%、469.0%和37.8%。微观形貌结果表明，玻璃纤维布/PPS非织造布复合板材界面粘结得到了明显改善。
以玻璃纤维布和聚苯硫醚（PPS）非织造布分别作为增强体和树脂基体原料，采用热压成型法制备出玻璃纤维布/PPS非织造布复合板材，然后在烘箱中进行热处理。利用万能试验机（Instron）、XRD、偏光显微镜（PLM）和SEM等手段对玻璃纤维布/PPS非织造布复合板材的力学性能、结晶度、晶粒类型和尺寸及微观形貌等进行了测试和表征。结果表明：随着热处理温度和时间的提高，玻璃纤维布/PPS非织造布复合板材的弯曲强度、弯曲模量和缺口冲击强度得到明显提高。当热处理温度为220℃、热处理时间为2 h时，其力学性能最佳，其弯曲强度、弯曲模量和缺口冲击强度分别达到285.7 MPa、7.8 GPa和85.0 MPa。和未进行热处理的玻璃纤维布/PPS非织造布复合板材相比，分别提高了63.2%、469.0%和37.8%。微观形貌结果表明，玻璃纤维布/PPS非织造布复合板材界面粘结得到了明显改善。
2018, 35(10): 2665-2677.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171120.002
摘要:
复合材料较复杂的成型工艺导致其构件的制造精度偏低。装配时，偏差会使配合面间产生装配间隙，当间隙超过一定的大小时，需要采取补偿措施，即用垫片填补间隙。基于一种简化装配模型，通过实验和有限元分析方法，研究了液体垫片对复合材料装配结构应力和应变的影响。通过比较强迫装配和液体垫片补偿两种情况下施加螺栓预紧力时构件表面的应变，分析了复合材料构件的变形。进行应力分析时，通过提取单元积分点应力分量计算构件的安全裕度，研究液体垫片对复合材料装配结构应力的影响。得出如下结论：强迫装配时，处在装配间隙边缘的区域受间隙影响相对严重，该区域发生较大的弯曲变形，构件中间部分由于局部贴合反而使装配间隙的影响相对较小；液体垫片在改善间隙边缘危险区应变状态的同时，也使构件中间贴合部位的螺栓头挤压区和部分非挤压区的应变增大，但总体而言，液体垫片的引入使应变分布趋于均匀；当装配间隙大于0.7 mm后，液体垫片补偿对于构件安全裕度的提升作用明显下降。
复合材料较复杂的成型工艺导致其构件的制造精度偏低。装配时，偏差会使配合面间产生装配间隙，当间隙超过一定的大小时，需要采取补偿措施，即用垫片填补间隙。基于一种简化装配模型，通过实验和有限元分析方法，研究了液体垫片对复合材料装配结构应力和应变的影响。通过比较强迫装配和液体垫片补偿两种情况下施加螺栓预紧力时构件表面的应变，分析了复合材料构件的变形。进行应力分析时，通过提取单元积分点应力分量计算构件的安全裕度，研究液体垫片对复合材料装配结构应力的影响。得出如下结论：强迫装配时，处在装配间隙边缘的区域受间隙影响相对严重，该区域发生较大的弯曲变形，构件中间部分由于局部贴合反而使装配间隙的影响相对较小；液体垫片在改善间隙边缘危险区应变状态的同时，也使构件中间贴合部位的螺栓头挤压区和部分非挤压区的应变增大，但总体而言，液体垫片的引入使应变分布趋于均匀；当装配间隙大于0.7 mm后，液体垫片补偿对于构件安全裕度的提升作用明显下降。
2018, 35(10): 2678-2688.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171127.002
摘要:
为了实现复合材料-铝合金连接，提出了一种新型GFRP管-铝合金管纤维缠绕齿连接接头，对2组GFRP管-铝合金管缠绕齿连接接头试件进行了拉伸试验，观察了试件的受力过程和破坏形态，获得了荷载-位移曲线和荷载-轴向应变曲线，同时利用有限元模型分析了GFRP管-铝合金管缠绕齿连接接头拉伸作用下的破坏机制。结果表明：接头试件的破坏模式为GFRP管齿的逐齿剪切破坏，破坏过程表现出延性特征并产生较大的轴向位移，试件对应GFRP管的平均极限拉应力为213.22 MPa；接头依靠齿的层间抗剪传递轴力，GFRP管齿是接头受力的薄弱部位，且各齿承受不均的荷载分配；齿的破坏始于齿根的角点处。
为了实现复合材料-铝合金连接，提出了一种新型GFRP管-铝合金管纤维缠绕齿连接接头，对2组GFRP管-铝合金管缠绕齿连接接头试件进行了拉伸试验，观察了试件的受力过程和破坏形态，获得了荷载-位移曲线和荷载-轴向应变曲线，同时利用有限元模型分析了GFRP管-铝合金管缠绕齿连接接头拉伸作用下的破坏机制。结果表明：接头试件的破坏模式为GFRP管齿的逐齿剪切破坏，破坏过程表现出延性特征并产生较大的轴向位移，试件对应GFRP管的平均极限拉应力为213.22 MPa；接头依靠齿的层间抗剪传递轴力，GFRP管齿是接头受力的薄弱部位，且各齿承受不均的荷载分配；齿的破坏始于齿根的角点处。
2018, 35(10): 2689-2697.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171108.003
摘要:
本文研究了复合材料加筋板的筋条冲击损伤及冲击损伤对加筋板轴向压缩（CAI）行为的影响。针对T型单筋加筋板，通过落锤法从面板一侧对筋条进行5种能量水平的低速冲击。试验结果表明：冲击筋条产生的面板凹坑不易观察；当冲击能量低于筋条损伤门槛能量时，加筋板筋条无损伤出现，筋条-面板也不会发生脱粘；一旦冲击能量超过筋条损伤门槛能量，筋条的腹板会在弯曲拉伸应力作用下损伤，同时筋条-面板之间会出现严重脱粘。分别对完好和损伤试验件进行压缩试验，试验结果显示：低于门槛能量的冲击对加筋板的压缩屈曲载荷影响不大，同时只会略微降低失效载荷；而冲击造成筋条损伤后，筋条在压缩过程中会由于损伤扩展出现卸载；卸载后的筋条会对面板失去支撑，使面板的屈曲载荷降低，从而大幅地削弱加筋板的承载能力。
本文研究了复合材料加筋板的筋条冲击损伤及冲击损伤对加筋板轴向压缩（CAI）行为的影响。针对T型单筋加筋板，通过落锤法从面板一侧对筋条进行5种能量水平的低速冲击。试验结果表明：冲击筋条产生的面板凹坑不易观察；当冲击能量低于筋条损伤门槛能量时，加筋板筋条无损伤出现，筋条-面板也不会发生脱粘；一旦冲击能量超过筋条损伤门槛能量，筋条的腹板会在弯曲拉伸应力作用下损伤，同时筋条-面板之间会出现严重脱粘。分别对完好和损伤试验件进行压缩试验，试验结果显示：低于门槛能量的冲击对加筋板的压缩屈曲载荷影响不大，同时只会略微降低失效载荷；而冲击造成筋条损伤后，筋条在压缩过程中会由于损伤扩展出现卸载；卸载后的筋条会对面板失去支撑，使面板的屈曲载荷降低，从而大幅地削弱加筋板的承载能力。
2018, 35(10): 2698-2705.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171220.001
摘要:
高传力效率的斜面式胶接在飞机复合材料传力接头和修补中被广泛使用，但该结构的低速冲击损伤阻抗和损伤容限未在飞机结构设计中考虑。本文研究了低速冲击下的较厚的复合材料斜胶接板的力学性能及损伤失效。在胶接区域布置不同冲击点，寻找最敏感位置，在该位置进行冲击能量变化研究，通过冲击响应（冲击载荷、挠度、能量等）及冲击损伤两个方面获取其规律和失效机制。小能量和大能量冲击结果表明，胶接区域5个典型冲击位置中，中心位置冲击损伤最大，冲击敏感性最高，因此中心点为冲击损伤阻抗最小位置。中心点不同能量冲击时，冲击响应研究揭示了冲击过程中冲击载荷具有典型的4阶段行为。冲击载荷还具有双峰值力的现象。冲击后沿试样中心线切开的显微损伤图揭示了该结构有两种损伤模式，包括复合材料损伤及胶层损伤。复合材料的损伤包含90°和45°层基体的开裂和0°与90°层之间的层间损伤。胶层损伤出现在试样冲击点正下方背部的复合材料斜接尖端部位。进一步通过考虑复合材料层内、层间损伤及胶层损伤的渐进损伤模型对试验进行仿真研究，找出导致第Ⅱ阶段冲击载荷突降的主要原因为复合材料层间损伤，第Ⅳ阶段冲击载荷再一次突降是由于胶层出现了损伤。
高传力效率的斜面式胶接在飞机复合材料传力接头和修补中被广泛使用，但该结构的低速冲击损伤阻抗和损伤容限未在飞机结构设计中考虑。本文研究了低速冲击下的较厚的复合材料斜胶接板的力学性能及损伤失效。在胶接区域布置不同冲击点，寻找最敏感位置，在该位置进行冲击能量变化研究，通过冲击响应（冲击载荷、挠度、能量等）及冲击损伤两个方面获取其规律和失效机制。小能量和大能量冲击结果表明，胶接区域5个典型冲击位置中，中心位置冲击损伤最大，冲击敏感性最高，因此中心点为冲击损伤阻抗最小位置。中心点不同能量冲击时，冲击响应研究揭示了冲击过程中冲击载荷具有典型的4阶段行为。冲击载荷还具有双峰值力的现象。冲击后沿试样中心线切开的显微损伤图揭示了该结构有两种损伤模式，包括复合材料损伤及胶层损伤。复合材料的损伤包含90°和45°层基体的开裂和0°与90°层之间的层间损伤。胶层损伤出现在试样冲击点正下方背部的复合材料斜接尖端部位。进一步通过考虑复合材料层内、层间损伤及胶层损伤的渐进损伤模型对试验进行仿真研究，找出导致第Ⅱ阶段冲击载荷突降的主要原因为复合材料层间损伤，第Ⅳ阶段冲击载荷再一次突降是由于胶层出现了损伤。
2018, 35(10): 2706-2714.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171228.002
摘要:
为研究三维机织复合材料在拉伸-压缩循环载荷下的疲劳性能，对材料进行了应力比R=-1的疲劳试验。在不同的载荷水平下，分别进行了纬向和经向两类拉压疲劳试验。试验获得了试样在疲劳载荷下的滞回曲线和全过程中剩余刚度比随寿命的变化曲线。结果表明，在拉伸-压缩循环载荷下，三维机织复合材料的疲劳损伤过程主要包含3个阶段，分别发生基体破坏、纱线横向裂纹扩展和纱线的最终断裂。基体的破碎和开胶、垂直于载荷方向排布的纱线撕裂和沿载荷方向排布的纱线断裂是试样内部的主要失效模式。试验还获得了纬向和经向拉压疲劳的拟合S-N曲线，可应用于工程中对该型材料进行疲劳寿命估算。该型材料的疲劳寿命在低应力区和高应力区均显示出较小的分散性，双对数坐标系下的拟合S-N曲线具有较好的线性度。
为研究三维机织复合材料在拉伸-压缩循环载荷下的疲劳性能，对材料进行了应力比R=-1的疲劳试验。在不同的载荷水平下，分别进行了纬向和经向两类拉压疲劳试验。试验获得了试样在疲劳载荷下的滞回曲线和全过程中剩余刚度比随寿命的变化曲线。结果表明，在拉伸-压缩循环载荷下，三维机织复合材料的疲劳损伤过程主要包含3个阶段，分别发生基体破坏、纱线横向裂纹扩展和纱线的最终断裂。基体的破碎和开胶、垂直于载荷方向排布的纱线撕裂和沿载荷方向排布的纱线断裂是试样内部的主要失效模式。试验还获得了纬向和经向拉压疲劳的拟合S-N曲线，可应用于工程中对该型材料进行疲劳寿命估算。该型材料的疲劳寿命在低应力区和高应力区均显示出较小的分散性，双对数坐标系下的拟合S-N曲线具有较好的线性度。
2018, 35(10): 2715-2722.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180209.007
摘要:
采用MTS-810材料试验机、Zwick-HTM5020高速拉伸试验机及分离式Hopkinson拉杆（SHTB）实验装置，并结合数字图像相关性（Digital image correlation，DIC）分析方法，对E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料棒材在10-3~2 400 s-1应变率范围内的轴向拉伸力学性能进行了较系统的实验研究，获得了不同应变率下材料的应力-应变曲线，揭示了应变率对材料的拉伸强度和断裂应变的影响规律。通过显微分析拉伸试样的断口形貌，揭示了试样的断裂机制及对应变率的依赖性。实验结果表明：E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能具有强烈的应变率效应，归一化拉伸强度随着应变率对数线性增加，而归一化断裂应变则随着对数应变率线性减小；断口显微分析显示：E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的轴向拉伸断裂模式依赖于应变率，低应变率加载下试样发生沿45°方向的剪切断裂，随着应变率增大，试样断裂模式逐渐过渡到沿轴向的拉伸断裂，特别是在高应变加载下，观察到大量的玻璃纤维丝被拉断，同时环氧树脂基体也发生严重的碎裂现象，这反映了基体材料与玻璃纤维之间相互约束作用在增强。
采用MTS-810材料试验机、Zwick-HTM5020高速拉伸试验机及分离式Hopkinson拉杆（SHTB）实验装置，并结合数字图像相关性（Digital image correlation，DIC）分析方法，对E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料棒材在10-3~2 400 s-1应变率范围内的轴向拉伸力学性能进行了较系统的实验研究，获得了不同应变率下材料的应力-应变曲线，揭示了应变率对材料的拉伸强度和断裂应变的影响规律。通过显微分析拉伸试样的断口形貌，揭示了试样的断裂机制及对应变率的依赖性。实验结果表明：E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能具有强烈的应变率效应，归一化拉伸强度随着应变率对数线性增加，而归一化断裂应变则随着对数应变率线性减小；断口显微分析显示：E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的轴向拉伸断裂模式依赖于应变率，低应变率加载下试样发生沿45°方向的剪切断裂，随着应变率增大，试样断裂模式逐渐过渡到沿轴向的拉伸断裂，特别是在高应变加载下，观察到大量的玻璃纤维丝被拉断，同时环氧树脂基体也发生严重的碎裂现象，这反映了基体材料与玻璃纤维之间相互约束作用在增强。
2018, 35(10): 2723-2729.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171128.007
摘要:
为研究含缺口纤维增强复合材料层合板在复杂载荷下的破坏，本文采用改进的Arcan夹具，在30°方向对含缺口碳纤维增强树脂基复合材料层合板（[-45/90/45/0]s）进行了拉伸-剪切组合加载实验。用数字图像相关方法（DICM）测量了层合板表面层的裂纹发展过程，在缺口尖端观察到了明显的劈裂现象。然后用有限元软件ABAQUS建立了三维层合板模型，为准确模拟裂纹尖端的应力场，模型中每层引入内聚力接触来模拟劈裂。为了比较加载端的转动自由度对层合板失效模式和破坏强度的影响，文中分析了两种不同的边界条件，即约束和放松加载端的转动自由度。研究结果发现，加载端的合力方向主导了层合板的失效模式和破坏强度，放松加载端自由度的模拟结果与实验结果有很好的一致性。
为研究含缺口纤维增强复合材料层合板在复杂载荷下的破坏，本文采用改进的Arcan夹具，在30°方向对含缺口碳纤维增强树脂基复合材料层合板（[-45/90/45/0]s）进行了拉伸-剪切组合加载实验。用数字图像相关方法（DICM）测量了层合板表面层的裂纹发展过程，在缺口尖端观察到了明显的劈裂现象。然后用有限元软件ABAQUS建立了三维层合板模型，为准确模拟裂纹尖端的应力场，模型中每层引入内聚力接触来模拟劈裂。为了比较加载端的转动自由度对层合板失效模式和破坏强度的影响，文中分析了两种不同的边界条件，即约束和放松加载端的转动自由度。研究结果发现，加载端的合力方向主导了层合板的失效模式和破坏强度，放松加载端自由度的模拟结果与实验结果有很好的一致性。
2018, 35(10): 2730-2744.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171206.005
摘要:
为了研究喷铝涂层对碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）结构的雷击防护（LSP）性能，开展了实验和数值仿真研究。对未防护CFRP材料开展的雷击过程观测、损伤测试及超声C扫描检测结果表明：雷电流直接效应会对CFRP造成明显的可见损伤，且焦耳热效应会在雷电流注入到材料中后持续作用，引起更大范围的内部损伤；对全喷铝CFRP开展的雷击测试表明，喷铝涂层能够显著减小CFRP表面的雷击损伤面积，且涂层厚度越大，LSP效果越好。基于实验结果，采用随温度变化的材料参数建立了未防护、全喷铝及十字形喷铝3种CFRP结构的电热耦合效应仿真模型，并与实验结果进行对比，验证了仿真方法的有效性。最后，利用所建立的模型分析了雷电流A波作用下喷铝涂层的LSP性能。结果表明，当全喷铝涂层的厚度为0.19 mm时，CFRP的损伤面积占比随结构的增重比达到最优；而对十字形涂层来说，雷电流传导路径所在的分支宽度应不小于20 mm，非传导路径所在的分支则可根据需要尽量减小宽度。
为了研究喷铝涂层对碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）结构的雷击防护（LSP）性能，开展了实验和数值仿真研究。对未防护CFRP材料开展的雷击过程观测、损伤测试及超声C扫描检测结果表明：雷电流直接效应会对CFRP造成明显的可见损伤，且焦耳热效应会在雷电流注入到材料中后持续作用，引起更大范围的内部损伤；对全喷铝CFRP开展的雷击测试表明，喷铝涂层能够显著减小CFRP表面的雷击损伤面积，且涂层厚度越大，LSP效果越好。基于实验结果，采用随温度变化的材料参数建立了未防护、全喷铝及十字形喷铝3种CFRP结构的电热耦合效应仿真模型，并与实验结果进行对比，验证了仿真方法的有效性。最后，利用所建立的模型分析了雷电流A波作用下喷铝涂层的LSP性能。结果表明，当全喷铝涂层的厚度为0.19 mm时，CFRP的损伤面积占比随结构的增重比达到最优；而对十字形涂层来说，雷电流传导路径所在的分支宽度应不小于20 mm，非传导路径所在的分支则可根据需要尽量减小宽度。
2018, 35(10): 2745-2752.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180115.007
摘要:
使用有限元理论模拟分析了几种不同铺层顺序的预成型体搭接复合材料的拉伸性能，并且使用国产碳纤维与快速固化环氧树脂制备相应的单下陷搭接试样，测试其搭接接头的拉伸性能，对有限元计算结果进行了验证。结果表明，使用有限元计算与实验方法得到的结果基本相符。有限元模拟及实验验证发现不同铺层结构的预成型体搭接复合材料有两种不同的破坏损伤模式。搭接上层板的层间剥离强度与层板本身弯曲性能共同决定了搭接接头的破坏模式及拉伸性能，两者中强度较弱的先发生破坏，导致试样失效。在预成型体搭接接头中，0°铺层越靠近搭接面，对搭接性能的影响越明显，搭接强度越高。搭接界面处纤维层之间的相对角度不同，纤维铺层刚度不同，刚度差别越大，搭接强度就越低。
使用有限元理论模拟分析了几种不同铺层顺序的预成型体搭接复合材料的拉伸性能，并且使用国产碳纤维与快速固化环氧树脂制备相应的单下陷搭接试样，测试其搭接接头的拉伸性能，对有限元计算结果进行了验证。结果表明，使用有限元计算与实验方法得到的结果基本相符。有限元模拟及实验验证发现不同铺层结构的预成型体搭接复合材料有两种不同的破坏损伤模式。搭接上层板的层间剥离强度与层板本身弯曲性能共同决定了搭接接头的破坏模式及拉伸性能，两者中强度较弱的先发生破坏，导致试样失效。在预成型体搭接接头中，0°铺层越靠近搭接面，对搭接性能的影响越明显，搭接强度越高。搭接界面处纤维层之间的相对角度不同，纤维铺层刚度不同，刚度差别越大，搭接强度就越低。
2018, 35(10): 2753-2759.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180105.001
摘要:
针对碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fibre reinforced plastics，CFRP）孔隙分布对其力学性能有不可忽略影响的问题，提出对超声背散射信号进行递归定量分析（Recurrence quantification analysis，RQA）的方法来表征CFRP孔隙尺寸和位置分布。建立孔隙直径D范围为26~70 μm的3组含球形孔隙且孔隙位置分布不同的CFRP模型，3组模型的孔隙间距d分别为0.21 mm、0.14 mm和0.09 mm，对模型进行仿真计算，采用RQA方法分析超声背散射信号。研究发现，相同孔隙位置分布时，递归度PRR（Recurrence rate）随D的增加而减小；相同孔隙尺寸分布时，PRR随着孔隙间距d减小而增大，d=0.09 mm时模型的PRR始终明显高于其余两组，D<50 μm时，d=0.14 mm与d=0.21 mm模型PRR之间差别明显，D ≥ 50 μm时差别较小。结果表明，不同孔隙分布情况下PRR均存在差异，PRR可用于CFRP孔隙分布表征。
针对碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fibre reinforced plastics，CFRP）孔隙分布对其力学性能有不可忽略影响的问题，提出对超声背散射信号进行递归定量分析（Recurrence quantification analysis，RQA）的方法来表征CFRP孔隙尺寸和位置分布。建立孔隙直径D范围为26~70 μm的3组含球形孔隙且孔隙位置分布不同的CFRP模型，3组模型的孔隙间距d分别为0.21 mm、0.14 mm和0.09 mm，对模型进行仿真计算，采用RQA方法分析超声背散射信号。研究发现，相同孔隙位置分布时，递归度PRR（Recurrence rate）随D的增加而减小；相同孔隙尺寸分布时，PRR随着孔隙间距d减小而增大，d=0.09 mm时模型的PRR始终明显高于其余两组，D<50 μm时，d=0.14 mm与d=0.21 mm模型PRR之间差别明显，D ≥ 50 μm时差别较小。结果表明，不同孔隙分布情况下PRR均存在差异，PRR可用于CFRP孔隙分布表征。
2018, 35(10): 2760-2767.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171219.001
摘要:
通过试验和理论研究了三维编织纤维增强树脂基复合材料（FRP）与钢板的单搭粘结性能。建立了三维编织复合材料和钢板的单搭粘结有限元模型，并基于内聚区模型和Hashin破坏准则来模拟胶接层及三维编织复合材料的破坏，分别从极限载荷、破坏位移和破坏模式三方面将计算结果与试验结果进行对比，验证了有限元模型的有效性。在此模型基础上，研究了胶层厚度、粘结长度对单搭粘结极限载荷和破坏位移的影响，并提出针对不同工况下的优化方案选择的建议。最后建立了一种新型连接结构，相比较于原有单搭接连接方式，其拉伸强度和弯曲强度均有了较大提升。
通过试验和理论研究了三维编织纤维增强树脂基复合材料（FRP）与钢板的单搭粘结性能。建立了三维编织复合材料和钢板的单搭粘结有限元模型，并基于内聚区模型和Hashin破坏准则来模拟胶接层及三维编织复合材料的破坏，分别从极限载荷、破坏位移和破坏模式三方面将计算结果与试验结果进行对比，验证了有限元模型的有效性。在此模型基础上，研究了胶层厚度、粘结长度对单搭粘结极限载荷和破坏位移的影响，并提出针对不同工况下的优化方案选择的建议。最后建立了一种新型连接结构，相比较于原有单搭接连接方式，其拉伸强度和弯曲强度均有了较大提升。
2018, 35(10): 2768-2776.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180207.001
摘要:
针对基于弹簧质量模型的层压板低速冲击模拟方法，研究产生分层损伤后层压板整体刚度的计算方法。首先将板分为中心含分层的圆形区域与四周未分层环形区域。根据薄板弯曲理论，利用边界条件及两区域交界处的转角协调条件得到两个区域的挠度，进而计算刚度。基于ABAQUS软件建立了含损伤层压板的有限元模型进行该计算方法的验证，结果表明，该方法的计算结果与有限元模型结果吻合较好。进行了层压板落重冲击试验，根据无损检测得到的分层信息利用本方法进行了弯曲刚度的折减，再利用弹簧-质量模型模拟有损伤产生过程的冲击接触力，模拟结果和实验与有限元结果吻合良好，证明所提出的层压板低速冲击弹簧-质量模型分层刚度折减算法是有效的。
针对基于弹簧质量模型的层压板低速冲击模拟方法，研究产生分层损伤后层压板整体刚度的计算方法。首先将板分为中心含分层的圆形区域与四周未分层环形区域。根据薄板弯曲理论，利用边界条件及两区域交界处的转角协调条件得到两个区域的挠度，进而计算刚度。基于ABAQUS软件建立了含损伤层压板的有限元模型进行该计算方法的验证，结果表明，该方法的计算结果与有限元模型结果吻合较好。进行了层压板落重冲击试验，根据无损检测得到的分层信息利用本方法进行了弯曲刚度的折减，再利用弹簧-质量模型模拟有损伤产生过程的冲击接触力，模拟结果和实验与有限元结果吻合良好，证明所提出的层压板低速冲击弹簧-质量模型分层刚度折减算法是有效的。
2018, 35(10): 2777-2785.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180202.001
摘要:
为了减少卫星的热变形，将碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）材料圆管周期排布获得新型圆形胞元蜂窝芯层。考虑无论是Ressiner理论还是商业有限元软件ABAQUS，层合板计算热变形时，芯层的面外剪切模量均很重要，因此对CFRP圆形胞元蜂窝芯层的面外剪切进行了研究。分别从应力与应变的角度基于能量等效原理求出圆形胞元蜂窝芯层的面外剪切模量公式。以T300/环氧材料的工程常见铺层为例，比较基于ABAQUS软件计算所得剪切模量仿真解与公式计算所得理论解，其最大误差仅为10.4%，证实公式对于CFRP材料的适用性。同时用（±45°）2铺层的T300/环氧芯层完成双剪试验，试验结果与理论结果误差为24.1%，与前人研究的铝蜂窝面外剪切模量理论解与试验解的误差相近。最后通过仿真手段证实，24.1%的误差对整体夹层结构影响较小，说明公式具有良好的工程应用价值。为以后CFRP圆形胞元蜂窝芯层的设计提供重要基础。
为了减少卫星的热变形，将碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）材料圆管周期排布获得新型圆形胞元蜂窝芯层。考虑无论是Ressiner理论还是商业有限元软件ABAQUS，层合板计算热变形时，芯层的面外剪切模量均很重要，因此对CFRP圆形胞元蜂窝芯层的面外剪切进行了研究。分别从应力与应变的角度基于能量等效原理求出圆形胞元蜂窝芯层的面外剪切模量公式。以T300/环氧材料的工程常见铺层为例，比较基于ABAQUS软件计算所得剪切模量仿真解与公式计算所得理论解，其最大误差仅为10.4%，证实公式对于CFRP材料的适用性。同时用（±45°）2铺层的T300/环氧芯层完成双剪试验，试验结果与理论结果误差为24.1%，与前人研究的铝蜂窝面外剪切模量理论解与试验解的误差相近。最后通过仿真手段证实，24.1%的误差对整体夹层结构影响较小，说明公式具有良好的工程应用价值。为以后CFRP圆形胞元蜂窝芯层的设计提供重要基础。
2018, 35(10): 2786-2792.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171219.002
摘要:
碳/酚醛复合材料被广泛地应用于钝头体表面，是飞行器优秀的热防护材料。为了准确地预测其烧蚀性能，本文从复合材料的组成物纤维和基体的角度出发，基于能量、质量守恒和热分解方程，考虑了烧蚀过程中材料热属性的非线性变化和烧蚀面的退缩，分别计算了纤维和基体的烧蚀性能，预测了烧蚀过程中防热复合材料的温度分布、密度变化、质量损失规律及热属性和线烧蚀率等。结果表明：碳/酚醛复合材料的烧蚀是各种因素相互作用、相互影响的高度非线性过程；烧蚀过程中材料结构具有不均匀的温度分布，烧蚀面区域材料密度衰减最大并且材料的质量损失和损失率几乎呈线性增加；纤维和基体的烧蚀行为存在明显差异，分别预测两者的烧蚀性能，可以为热防护材料的设计提供更加准确的参考和依据。
碳/酚醛复合材料被广泛地应用于钝头体表面，是飞行器优秀的热防护材料。为了准确地预测其烧蚀性能，本文从复合材料的组成物纤维和基体的角度出发，基于能量、质量守恒和热分解方程，考虑了烧蚀过程中材料热属性的非线性变化和烧蚀面的退缩，分别计算了纤维和基体的烧蚀性能，预测了烧蚀过程中防热复合材料的温度分布、密度变化、质量损失规律及热属性和线烧蚀率等。结果表明：碳/酚醛复合材料的烧蚀是各种因素相互作用、相互影响的高度非线性过程；烧蚀过程中材料结构具有不均匀的温度分布，烧蚀面区域材料密度衰减最大并且材料的质量损失和损失率几乎呈线性增加；纤维和基体的烧蚀行为存在明显差异，分别预测两者的烧蚀性能，可以为热防护材料的设计提供更加准确的参考和依据。
2018, 35(10): 2793-2803.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180119.001
摘要:
纤维束增强树脂基复合材料（FBC）及其单向层合板在标准Iosipescu剪切实验中表现出非常相似的破坏特征，然而测量得到的剪切强度却有明显差异。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了3种FBC和单向层合板，对FBC剪切强度和单向层合板层间剪切强度进行了测量与分析。应用界面单元方法分析了纤维束与基体之间的界面应力场，发现FBC剪切试件中纤维束/基体界面附近的应力状态为拉剪耦合，而单向层合板中界面处于纯剪切应力状态，这一差异导致FBC剪切实验测量的强度低于单向层合板的剪切强度。本文基于Yamada-Sun强度理论建立了FBC剪切强度与单向层合板剪切强度之间的关系模型，应用该模型预测的单向层合板剪切强度与实测强度之间达到良好的一致性，相对偏差为10%左右。根据本文提出的方法，通过制样较简单的FBC试验能够预测和评估相应单向层合板的层间剪切性能。
纤维束增强树脂基复合材料（FBC）及其单向层合板在标准Iosipescu剪切实验中表现出非常相似的破坏特征，然而测量得到的剪切强度却有明显差异。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了3种FBC和单向层合板，对FBC剪切强度和单向层合板层间剪切强度进行了测量与分析。应用界面单元方法分析了纤维束与基体之间的界面应力场，发现FBC剪切试件中纤维束/基体界面附近的应力状态为拉剪耦合，而单向层合板中界面处于纯剪切应力状态，这一差异导致FBC剪切实验测量的强度低于单向层合板的剪切强度。本文基于Yamada-Sun强度理论建立了FBC剪切强度与单向层合板剪切强度之间的关系模型，应用该模型预测的单向层合板剪切强度与实测强度之间达到良好的一致性，相对偏差为10%左右。根据本文提出的方法，通过制样较简单的FBC试验能够预测和评估相应单向层合板的层间剪切性能。
2018, 35(10): 2804-2812.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171227.002
摘要:
基于一种新的修正偶应力理论，建立了碳纳米管（CNTs）增强型功能梯度板（CNTs/FGP）的屈曲模型。基于最小势能原理和一阶剪切变形理论，推导了该种板模型的平衡微分方程和相应的边界条件，并以四边简支方板的屈曲问题为例，讨论了材料尺度参数、CNTs的体积分数及4种不同CNTs分布形式对CNTs/FGP临界屈曲载荷的影响。结果表明：采用本文模型预测的CNTs/FGP的临界屈曲载荷总是大于传统宏观理论的预测结果，两种理论结果间的差距随着板几何尺寸的减小而逐渐增大；CNTs体积分数的少量增加，即可使板的临界屈曲载荷有明显的提升；CNTs的不同分布形式对临界屈曲载荷有显著的影响，在工程设计中应予以关注。
基于一种新的修正偶应力理论，建立了碳纳米管（CNTs）增强型功能梯度板（CNTs/FGP）的屈曲模型。基于最小势能原理和一阶剪切变形理论，推导了该种板模型的平衡微分方程和相应的边界条件，并以四边简支方板的屈曲问题为例，讨论了材料尺度参数、CNTs的体积分数及4种不同CNTs分布形式对CNTs/FGP临界屈曲载荷的影响。结果表明：采用本文模型预测的CNTs/FGP的临界屈曲载荷总是大于传统宏观理论的预测结果，两种理论结果间的差距随着板几何尺寸的减小而逐渐增大；CNTs体积分数的少量增加，即可使板的临界屈曲载荷有明显的提升；CNTs的不同分布形式对临界屈曲载荷有显著的影响，在工程设计中应予以关注。
2018, 35(10): 2813-2822.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171214.001
摘要:
提出了激光扫描法辨识热环境下纤维/树脂基复合材料损耗因子。首先，以该类型复合材料薄板试件为例，基于复模量法对其在热环境下的振动响应进行了理论求解；然后，建立了复合材料薄板的激光扫描框架模型，并在分别通过激光扫描法和复模量法获得其振动响应的基础上，利用最小二乘法构造响应相对误差函数，进而辨识获得热环境下纤维/树脂基复合材料在纤维各个方向的损耗因子。接着，在明确了热环境下复合材料损耗因子辨识原理的基础上，总结并概括出一套合理、规范的辨识流程。最后，搭建了基于激光扫描热环境下复合材料薄板振动测试系统，并以TC500碳纤维/树脂基薄板为研究对象，在常温到300℃的高温环境下对其前4阶共振响应进行了实际测试，并通过第1阶共振响应数据对损耗因子进行辨识。结果表明，在温度从常温上升到300℃时，纤维/树脂基复合材料的损耗因子呈现不断增大的趋势。另外，还将辨识出的100℃下对应的材料损耗因子代入到理论模型中，计算得到了复合材料薄板试件在该温度下的第2、3、4阶共振响应的理论结果，通过与相同温度下实验测试获得的第2、3、4阶共振响应进行对比可知，两者的偏差在1.4%~13.8%之间，进而验证了所提出的辨识方法的有效性和实用性。
提出了激光扫描法辨识热环境下纤维/树脂基复合材料损耗因子。首先，以该类型复合材料薄板试件为例，基于复模量法对其在热环境下的振动响应进行了理论求解；然后，建立了复合材料薄板的激光扫描框架模型，并在分别通过激光扫描法和复模量法获得其振动响应的基础上，利用最小二乘法构造响应相对误差函数，进而辨识获得热环境下纤维/树脂基复合材料在纤维各个方向的损耗因子。接着，在明确了热环境下复合材料损耗因子辨识原理的基础上，总结并概括出一套合理、规范的辨识流程。最后，搭建了基于激光扫描热环境下复合材料薄板振动测试系统，并以TC500碳纤维/树脂基薄板为研究对象，在常温到300℃的高温环境下对其前4阶共振响应进行了实际测试，并通过第1阶共振响应数据对损耗因子进行辨识。结果表明，在温度从常温上升到300℃时，纤维/树脂基复合材料的损耗因子呈现不断增大的趋势。另外，还将辨识出的100℃下对应的材料损耗因子代入到理论模型中，计算得到了复合材料薄板试件在该温度下的第2、3、4阶共振响应的理论结果，通过与相同温度下实验测试获得的第2、3、4阶共振响应进行对比可知，两者的偏差在1.4%~13.8%之间，进而验证了所提出的辨识方法的有效性和实用性。
2018, 35(10): 2823-2831.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171115.001
摘要:
涂层可对纤维起到表面改性及调节界面残余应力的作用，对宏观性能有重要的影响。为准确预测多场环境下涂层-纤维增强磁电弹性（MEE）材料的有效属性和局部场分布，基于变分渐近理论建立均匀化细观力学模型。从非均匀连续介质的总电磁焓入手，利用材料细观尺度远小于宏观尺度的特征，将多物理场下细观力学建模转换为约束条件下总电磁焓的最小化问题。为分析工程应用中智能材料的涂层-纤维细观结构，采用有限元技术实现该模型的数值模拟。通过与有限元结果的对比分析表明：构建的模型可准确预测涂层-纤维增强MEE材料的多物理场行为，不同厚度和刚度的涂层对应力集中和有效属性有较大的影响，同时揭示了许多独特的电-磁交互现象，为预测和优化涂层-纤维增强MEE材料的性能提供有益的参考。
涂层可对纤维起到表面改性及调节界面残余应力的作用，对宏观性能有重要的影响。为准确预测多场环境下涂层-纤维增强磁电弹性（MEE）材料的有效属性和局部场分布，基于变分渐近理论建立均匀化细观力学模型。从非均匀连续介质的总电磁焓入手，利用材料细观尺度远小于宏观尺度的特征，将多物理场下细观力学建模转换为约束条件下总电磁焓的最小化问题。为分析工程应用中智能材料的涂层-纤维细观结构，采用有限元技术实现该模型的数值模拟。通过与有限元结果的对比分析表明：构建的模型可准确预测涂层-纤维增强MEE材料的多物理场行为，不同厚度和刚度的涂层对应力集中和有效属性有较大的影响，同时揭示了许多独特的电-磁交互现象，为预测和优化涂层-纤维增强MEE材料的性能提供有益的参考。
2018, 35(10): 2832-2840.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180208.001
摘要:
采用无压熔渗反应烧结技术制备了TiC/Ti3SiC2复合材料，通过HST-100型载流摩擦磨损试验机，在60~90 m/s滑动速度范围内，对TiC/Ti3SiC2复合材料的高速载流摩擦磨损性能进行了研究。结果表明：当与HSLA80配副时，TiC/Ti3SiC2的摩擦磨损性能与摩擦速度和TiC含量呈现出一定的相关性。当摩擦速度小于80 m/s时，摩擦表面出现具有减磨作用的熔融状态的均匀分布氧化膜（FeTiO3和Fe2.35Ti0.65O4），呈现山脊及犁沟状形貌，磨损机制以磨粒切削磨损、氧化磨损及粘着磨损为主；当摩擦速度超过80 m/s时，摩擦表面出现不均匀分布的氧化膜，呈现孤峰状形貌，磨损机制以氧化磨损及电弧烧蚀磨损为主。相同实验条件下，摩擦系数随着TiC含量的增加而增大，磨损率随之降低。
采用无压熔渗反应烧结技术制备了TiC/Ti3SiC2复合材料，通过HST-100型载流摩擦磨损试验机，在60~90 m/s滑动速度范围内，对TiC/Ti3SiC2复合材料的高速载流摩擦磨损性能进行了研究。结果表明：当与HSLA80配副时，TiC/Ti3SiC2的摩擦磨损性能与摩擦速度和TiC含量呈现出一定的相关性。当摩擦速度小于80 m/s时，摩擦表面出现具有减磨作用的熔融状态的均匀分布氧化膜（FeTiO3和Fe2.35Ti0.65O4），呈现山脊及犁沟状形貌，磨损机制以磨粒切削磨损、氧化磨损及粘着磨损为主；当摩擦速度超过80 m/s时，摩擦表面出现不均匀分布的氧化膜，呈现孤峰状形貌，磨损机制以氧化磨损及电弧烧蚀磨损为主。相同实验条件下，摩擦系数随着TiC含量的增加而增大，磨损率随之降低。
2018, 35(10): 2841-2850.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171227.005
摘要:
在1%、2%及3%不同程度预加单轴直接拉伸应变破坏下，研究了3天、7天及28天龄期的高延性聚乙烯醇（PVA）纤维增强偏高岭土-粉煤灰基地聚合物（PVA/MK-FA EGC）在空气中和干湿循环条件下的裂缝分布及自愈合性能。结果表明：PVA/MK-FA EGC结合了传统高延性纤维增强水泥基复合材料（ECC）及地聚合物二者的优点，表现出了明显的多缝开裂特性和应变硬化行为。2~5 mm的裂缝间距、小于25 μm的最大残余裂缝宽度给裂缝的自愈合提供了更加有利的条件。带缝试件在不同环境中自愈合后，裂缝数量大大下降，极限拉伸应变可达3.8%以上，大部分试件的极限拉应变及最终应力均能超过对比试件，空气中的养护环境更加有利于PVA/MK-FA EGC材料的自愈合。裂缝内颗粒表面覆盖有凝胶状的地聚合产物，可能增强了体系中的纤维/基体界面，使力学性能恢复。
在1%、2%及3%不同程度预加单轴直接拉伸应变破坏下，研究了3天、7天及28天龄期的高延性聚乙烯醇（PVA）纤维增强偏高岭土-粉煤灰基地聚合物（PVA/MK-FA EGC）在空气中和干湿循环条件下的裂缝分布及自愈合性能。结果表明：PVA/MK-FA EGC结合了传统高延性纤维增强水泥基复合材料（ECC）及地聚合物二者的优点，表现出了明显的多缝开裂特性和应变硬化行为。2~5 mm的裂缝间距、小于25 μm的最大残余裂缝宽度给裂缝的自愈合提供了更加有利的条件。带缝试件在不同环境中自愈合后，裂缝数量大大下降，极限拉伸应变可达3.8%以上，大部分试件的极限拉应变及最终应力均能超过对比试件，空气中的养护环境更加有利于PVA/MK-FA EGC材料的自愈合。裂缝内颗粒表面覆盖有凝胶状的地聚合产物，可能增强了体系中的纤维/基体界面，使力学性能恢复。
2018, 35(10): 2851-2859.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180119.002
摘要:
硬骨鱼鳞片在长时间的自然进化过程中变得超薄、轻质，并具有良好的韧性。为了揭示其结构和力学性能，本文对产自新西兰的两种鱼鳞（鲤鱼、金鱼）进行了研究。首先对两种鳞片的形貌、横截面及其多级结构进行观察，然后对鳞片试样进行轴向拉伸测试。结果表明，鲤鱼和金鱼鳞片不同部位的表面形貌差异明显，而两种鳞片均由硬质骨质外层和软质胶原内层组成。鲤鱼鳞片应力在拟直线段后有小范围的下降，然后继续上升，直至达到峰值后降至零。对于金鱼鳞片，其应力在拟直线段后继续增加，达到峰值后逐渐降为零。比较两种鱼鳞的力学性能参数，金鱼鳞片的强度高于鲤鱼鳞片，但鲤鱼鱼鳞的延性优于金鱼鱼鳞。
硬骨鱼鳞片在长时间的自然进化过程中变得超薄、轻质，并具有良好的韧性。为了揭示其结构和力学性能，本文对产自新西兰的两种鱼鳞（鲤鱼、金鱼）进行了研究。首先对两种鳞片的形貌、横截面及其多级结构进行观察，然后对鳞片试样进行轴向拉伸测试。结果表明，鲤鱼和金鱼鳞片不同部位的表面形貌差异明显，而两种鳞片均由硬质骨质外层和软质胶原内层组成。鲤鱼鳞片应力在拟直线段后有小范围的下降，然后继续上升，直至达到峰值后降至零。对于金鱼鳞片，其应力在拟直线段后继续增加，达到峰值后逐渐降为零。比较两种鱼鳞的力学性能参数，金鱼鳞片的强度高于鲤鱼鳞片，但鲤鱼鱼鳞的延性优于金鱼鱼鳞。
2018, 35(10): 2860-2870.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180124.001
摘要:
为研究钢纤维增强活性粉末混凝土（SF/RPC）复合材料的受弯破坏微观机制，对10根试验梁进行抗弯试验研究。基于声发射技术，采用宽频传感器对试验过程中的声发射信号和波形进行了采集。分析研究了SF/RPC材料的声发射特征参数，在对波形进行信号处理的基础上对波形频谱进行了深入研究。通过传感器之间互相发射和接受信号，对SF/RPC材料的声发射波速进行了测定。同时与普通混凝土（NC）材料声发射特性进行了对比分析研究。结果表明：相同荷载作用下SF/RPC的撞击累计数远大于NC梁，声发射活跃性高于NC材料；预应力SF/RPC梁的声发射特征参数与NC梁有着明显区别，SF/RPC短上升时间段（<30 μs）的声发射撞击平均比例为64.2%，明显高于NC的比例51.2%；SF/RPC材料波形频域特性也与NC材料明显不同；荷载作用前，SF/RPC材料内平均波速为4 342.8 mm/s，NC材料内平均波速为2 337.7 mm/s。通过引入Gutenberg-Richter理论，计算了声发射信号损伤参数（bI），对预应力SF/RPC损伤开裂过程与bI值的关系进行了分析研究。本研究结果为有效识别SF/RPC材料的声发射特性提供试验依据。
为研究钢纤维增强活性粉末混凝土（SF/RPC）复合材料的受弯破坏微观机制，对10根试验梁进行抗弯试验研究。基于声发射技术，采用宽频传感器对试验过程中的声发射信号和波形进行了采集。分析研究了SF/RPC材料的声发射特征参数，在对波形进行信号处理的基础上对波形频谱进行了深入研究。通过传感器之间互相发射和接受信号，对SF/RPC材料的声发射波速进行了测定。同时与普通混凝土（NC）材料声发射特性进行了对比分析研究。结果表明：相同荷载作用下SF/RPC的撞击累计数远大于NC梁，声发射活跃性高于NC材料；预应力SF/RPC梁的声发射特征参数与NC梁有着明显区别，SF/RPC短上升时间段（<30 μs）的声发射撞击平均比例为64.2%，明显高于NC的比例51.2%；SF/RPC材料波形频域特性也与NC材料明显不同；荷载作用前，SF/RPC材料内平均波速为4 342.8 mm/s，NC材料内平均波速为2 337.7 mm/s。通过引入Gutenberg-Richter理论，计算了声发射信号损伤参数（bI），对预应力SF/RPC损伤开裂过程与bI值的关系进行了分析研究。本研究结果为有效识别SF/RPC材料的声发射特性提供试验依据。
2018, 35(10): 2871-2879.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171228.001
摘要:
沥青路面低温性能是寒区沥青路面设计的主要指标之一，现有的单一改性沥青低温性能不能满足寒区沥青路面PG技术规范的要求。本研究根据黑龙江省常用道路沥青低温性能的PG试验评定结果，研究开发了几种复合改性沥青，以满足黑龙江省寒区沥青路面低温性能的要求。研究内容包括：黑龙江省沥青路面PG分区与PGm-n标准的确定，黑龙江省道路沥青PG性能评定，复合改性沥青的研究开发与性能评定等。研究结果表明，黑龙江省道路沥青基本满足PGm-n技术标准的高温性能要求，但均不满足PGm-n技术标准的低温性能要求。复合改性沥青基本满足或接近黑龙江省道路沥青的PGm-n低温性能标准。研究结果对改善黑龙江省沥青路面的低温性能具有一定的理论与实用价值。
沥青路面低温性能是寒区沥青路面设计的主要指标之一，现有的单一改性沥青低温性能不能满足寒区沥青路面PG技术规范的要求。本研究根据黑龙江省常用道路沥青低温性能的PG试验评定结果，研究开发了几种复合改性沥青，以满足黑龙江省寒区沥青路面低温性能的要求。研究内容包括：黑龙江省沥青路面PG分区与PGm-n标准的确定，黑龙江省道路沥青PG性能评定，复合改性沥青的研究开发与性能评定等。研究结果表明，黑龙江省道路沥青基本满足PGm-n技术标准的高温性能要求，但均不满足PGm-n技术标准的低温性能要求。复合改性沥青基本满足或接近黑龙江省道路沥青的PGm-n低温性能标准。研究结果对改善黑龙江省沥青路面的低温性能具有一定的理论与实用价值。
2018, 35(10): 2880-2888.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171213.001
摘要:
相对于光激励的红外热像检测而言超声激励的振动热像（VT）检测是一种新兴技术，其产热机制一直为广大学者所争论。聚焦于黏弹性发热，研究了非金属材料复合结构脱粘缺陷的VT检测。以铝合金-软木复合结构脱粘的VT检测为例，通过数值模拟和实验，对缺陷的温升规律进行了分析。理论计算和实验获得了相似的结果，表明非金属材料的黏弹性发热是脱粘处产热的主导因素。这一结论为金属-非金属复合结构的脱粘及树脂基复合材料分层的VT检测提供了理论依据。
相对于光激励的红外热像检测而言超声激励的振动热像（VT）检测是一种新兴技术，其产热机制一直为广大学者所争论。聚焦于黏弹性发热，研究了非金属材料复合结构脱粘缺陷的VT检测。以铝合金-软木复合结构脱粘的VT检测为例，通过数值模拟和实验，对缺陷的温升规律进行了分析。理论计算和实验获得了相似的结果，表明非金属材料的黏弹性发热是脱粘处产热的主导因素。这一结论为金属-非金属复合结构的脱粘及树脂基复合材料分层的VT检测提供了理论依据。
2018, 35(10): 2889-2896.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171227.003
摘要:
通过不同温度下（243 K、263 K、296 K、333 K、353 K和383 K）的单向拉伸试验，研究了温度对玻璃态和玻璃化转变区的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）力学性能的影响。结果表明：在低于玻璃化转变温度（383 K）的范围内，屈服强度和极限拉伸强度随温度的升高呈线性下降；杨氏模量随温度的上升呈非线性下降。本文结合双层黏塑性本构模型，利用sim-flow优化工具获取本构模型在不同温度下的材料参数，建立了温相关双层黏塑性本构模型，该本构模型可以很好地预测ABS在243~383 K范围内的应力-应变曲线。
通过不同温度下（243 K、263 K、296 K、333 K、353 K和383 K）的单向拉伸试验，研究了温度对玻璃态和玻璃化转变区的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）力学性能的影响。结果表明：在低于玻璃化转变温度（383 K）的范围内，屈服强度和极限拉伸强度随温度的升高呈线性下降；杨氏模量随温度的上升呈非线性下降。本文结合双层黏塑性本构模型，利用sim-flow优化工具获取本构模型在不同温度下的材料参数，建立了温相关双层黏塑性本构模型，该本构模型可以很好地预测ABS在243~383 K范围内的应力-应变曲线。
2018, 35(10): 2897-2905.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171231.001
摘要:
基于近场动力学方法，构建了浮空器蒙皮材料的近场模型。首先阐述了近场动力学的基本理论，表明了蒙皮材料的材料性质及结构。然后将蒙皮材料离散为空间上的质点，基于复合材料的近场模型，分析了编织条件下，质点本构力和应变能密度的组成，推导了质点间的本构力方程及近场参数。最后利用动力松弛法编程模拟了材料的力学性能。结果表明，在该近场模型下，蒙皮材料受力下的拉伸-应变曲线能与其他模拟结果相对应，并且材料的拉伸模量符合实验结果。
基于近场动力学方法，构建了浮空器蒙皮材料的近场模型。首先阐述了近场动力学的基本理论，表明了蒙皮材料的材料性质及结构。然后将蒙皮材料离散为空间上的质点，基于复合材料的近场模型，分析了编织条件下，质点本构力和应变能密度的组成，推导了质点间的本构力方程及近场参数。最后利用动力松弛法编程模拟了材料的力学性能。结果表明，在该近场模型下，蒙皮材料受力下的拉伸-应变曲线能与其他模拟结果相对应，并且材料的拉伸模量符合实验结果。
2018, 35(10): 2906-2918.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171128.006
摘要:
根据界面剪胀与Ⅱ型断裂能间的关系，给出构造含剪胀效应张力-位移关系的新途径，该方法先假定Ⅱ型张力-位移关系，再计算界面剪胀函数，从而更易于应用。通过定义基于能量和界面不连续位移的4个损伤变量，给出含剪胀效应的损伤张力-位移关系表示形式，使模型不仅能模拟单调加载问题，而且可模拟反复加载问题。对界面在受压状态下的切向粘结强度、法向位移和摩擦作用分别进行了讨论，给出了相应的计算方法或取值建议。最后通过一个张力-位移关系的实例讨论了界面压力作用、复合模式开裂、卸载-再加载行为和接触罚刚度对法向位移的影响等模型性质。
根据界面剪胀与Ⅱ型断裂能间的关系，给出构造含剪胀效应张力-位移关系的新途径，该方法先假定Ⅱ型张力-位移关系，再计算界面剪胀函数，从而更易于应用。通过定义基于能量和界面不连续位移的4个损伤变量，给出含剪胀效应的损伤张力-位移关系表示形式，使模型不仅能模拟单调加载问题，而且可模拟反复加载问题。对界面在受压状态下的切向粘结强度、法向位移和摩擦作用分别进行了讨论，给出了相应的计算方法或取值建议。最后通过一个张力-位移关系的实例讨论了界面压力作用、复合模式开裂、卸载-再加载行为和接触罚刚度对法向位移的影响等模型性质。
