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2018年  第35卷  第5期

碳纳米管改性水泥基复合材料的研究进展
施韬, 朱敏, 李泽鑫, 顾春平
2018, 35(5): 1033-1049. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180328.003
摘要:
碳纳米管(CNTs)是一种具有独特结构和优异性能的新型材料,将其掺入到水泥基材料中可明显增强材料的各种性能。本文简要介绍了CNTs的基本结构和分散方法,并对CNTs改性水泥基材料的性能进行了阐述,这些性能包括:力学性能、水化与微结构特征、变形性能、耐久性能、导电导热和吸波性能等。在目前研究中可能存在的问题的基础上,对今后需进一步研究的方向提出了建议。
五层纳米SiO2-Al2O3/聚酰亚胺复合薄膜的制备及性能
杨瑞宵, 陈昊, 王相文, 赵伟, 范勇
2018, 35(5): 1050-1058. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170630.001
摘要:
采用浸胶法制备了一系列SiO2-Al2O3/聚酰亚胺(SiO2-Al2O3/PI)五层耐电晕薄膜Am An PAn Am,其中中间层(P)为纯PI薄膜,外层(Am)、次外层(An)分别为SiO2-Al2O3掺杂不同质量分数的纳米SiO2-Al2O3/PI薄膜。采用TEM、FTIR、宽频介电谱仪、电导电流测试仪、耐电晕测试仪、介电强度测试仪和拉伸实验机对五层纳米复合PI耐电晕薄膜的微观结构、介电性能和力学性能进行了表征和测试。结果表明,SiO2-Al2O3/PI复合薄膜掺杂层形成了分布均匀的有机/无机复合结构;SiO2-Al2O3纳米粒子的保护作用是影响复合材料耐电晕性能的主要因素,复合薄膜A32A16PA16A32的耐电晕寿命最大,为23.4 h;外层掺杂量对五层SiO2-Al2O3/PI复合材料的介电强度影响较大,复合薄膜A20A28PA28A20的介电强度最大,为302.3 kV/mm;通过对五层复合结构的设计,可以在兼顾材料力学性能的同时,提高其耐电晕寿命和介电强度。
聚乙烯醇-聚吡咯复合纳米纤维的制备及其导电性能
于万永, 赵磊, 王宁, 李春蕾, 高凯, 张兴祥
2018, 35(5): 1059-1065. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170926.001
摘要:
利用化学氧化法制备出导电聚吡咯(PPy),与聚乙烯醇(PVA)共混后,采用静电纺丝技术制备PVA-PPy纳米共混纤维,随后加入对甲苯磺酸钠(TSNa)、十二烷基磺酸钠(DSNa)、十二烷基苯磺酸钠(DBSNa)和磺基琥珀酸二乙基己酯钠(DEHS)等不同掺杂剂改变纤维的结构和性能,采用SEM、TGA和四探针测试仪检测了纳米纤维的形貌、热稳定性和导电性能。结果表明,掺杂剂、PPy制备技术及聚合物添加剂对PPy的形貌、热稳定性和导电性能有很大影响。纳米纤维的电导率远远高于用同样掺杂剂所制备的PVA-PPy薄膜和PPy粉末,四种纳米纤维中DEHS掺杂PVA-PPy纳米纤维的电导率最高,可达26.64 S/cm。
重质粒子/NBR-PVC微孔阻尼复合材料的制备及其隔声性能
廖国峰, 蔡俊, 傅雅琴, 杨易宁, 郁倪帅, 练艺丹
2018, 35(5): 1066-1072. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170802.003
摘要:
为了制备一种轻质高效的隔声材料,本研究以丁腈橡胶(NBR)和聚氯乙烯(PVC)共混为主体材料,采用一步模压发泡工艺制备了重质粒子(HMP)/NBR-PVC微孔阻尼复合材料。通过SEM、动态力学分析和声阻抗管测试探究了橡塑比对HMP/NBR-PVC复合材料泡孔结构、阻尼性能和隔声性能等方面的影响,并进一步对其隔声机制进行了分析。研究结果表明:微孔结构的存在增加了声能量在材料内部传播过程中的衰减,提高了HMP/NBR-PVC复合材料的隔声性能。NBR与PVC质量比为50:50的HMP/NBR-PVC微孔阻尼复合材料具有良好的泡孔结构、力学性能和阻尼性能,其隔声指数高达28.1 dB。这种质轻、质软且易加工的橡塑微孔阻尼复合材料对新型隔声材料开发与应用具有一定的指导意义。
功能化六方BN纳米片/聚乙烯醇复合材料的制备及力学性能
胡康, 范金辰, 闵宇霖, 徐群杰
2018, 35(5): 1073-1079. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170713.004
摘要:
利用三聚氰胺辅助机械球磨剥离六方BN (h-BN),对剥离得到的三聚氰胺功能化h-BN纳米片(f-BNNS)的厚度、形貌及结构进行表征。对f-BNNS/聚乙烯醇(PVA)复合材料进行了研究,考察h-BN的剥离及表面改性对f-BNNS/PVA复合材料力学性能的影响,分析f-BNNS与PVA基体的界面相互作用机制。结果表明:f-BNNS呈现较规则的圆片状,厚度在1~3 nm之间,直径集中在150~400 nm。与h-BN/PVA相比,f-BNNS在PVA基体中显示出更优异的分散效果,填充相同质量分数下,f-BNNS/PVA的屈服强度及模量得到明显的提高。当f-BNNS填充质量分数为5wt%时,屈服强度和弹性模量分别达到175.2 MPa和4.52 GPa,较纯PVA分别增加了45.3%和53.7%。通过f-BNNS和PVA分子结构及断面形貌分析可以推断,f-BNNS表面大量氨基与PVA分子羟基间氢键相互作用有效提升了填料与基体间的界面作用力。
连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带熔融预浸过程
李莹, 信春玲, 曹敏华, 任峰, 段涛, 何亚东
2018, 35(5): 1080-1086. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170712.002
摘要:
采用熔融浸渍法制备连续玻璃纤维增强聚丙烯(GF/PP)热塑预浸带,研究了PP熔体浸渍连续GF束过程。采用旋转流变仪对PP进行测试分析,结果显示其流变特性符合Carreau模型。以达西定律为理论基础,结合浸渍模具结构参数、材料物性参数及相应工艺参数,推导了Carreau流体树脂浸渍连续GF束的理论模型。在不同浸渍温度与牵引速度下进行实验以验证浸渍模型的准确,实验结果与理论值相符。利用浸渍模型分析模具结构参数及工艺参数对浸渍程度的影响,结果表明,通过增加模具浸渍辊数目、增大浸渍辊半径、减小辊间距及提高浸渍温度等方法可提高浸渍程度。
羟基磷灰石的表面改性及其对聚乳酸基多孔支架性能的影响
程思敏, 陈丽杰, 洪阳阳, 宋国林, 刘海峰, 唐国翌
2018, 35(5): 1087-1094. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170612.001
摘要:
分别采用柠檬酸和硬脂酸对纳米羟基磷灰石(n-HA)进行表面处理,并利用TGA、FTIR、XPS等研究了不同改性剂的改性效果,发现柠檬酸和硬脂酸能够成功接枝在n-HA表面,但硬脂酸的接枝率更高。将柠檬酸改性的n-HA与聚乳酸(PLA)共混制备复合材料,通过SEM观察发现,制备的n-HA/PLA复合材料在n-HA粉体添加量不超过20wt%时,经处理后的n-HA粉体在基体中分散均匀,两相界面处结合紧密。同时研究了n-HA/PLA复合材料制备多孔骨支架的3D打印成型工艺,并测试了其力学性能,结果表明,采用熔融沉积3D打印技术制备的支架有良好的压缩模量,但达到10%形变时所承受的压缩强度与PLA相比仍然有一定差距。
自动铺放工艺制备罐外固化复合材料的力学行为
董安琪, 肇研, 赵新青
2018, 35(5): 1095-1104. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170706.002
摘要:
针对碳纤维增强树脂基复合材料IM7/CYCOM5230-1罐外固化预浸料,研究了自动铺放(AFP)罐外固化(OOA)预浸料的制备过程并优化了铺放工艺参数,采用热分析手段研究了CYCOM5230-1树脂固化动力学及黏度特性,在此基础上开发了一种短时固化工艺,并评价了基于此工艺制备的OOA复合材料力学性能。结果表明,AFP铺放过程中预浸料间缝隙会影响OOA复合材料的成型质量,采用铺放压力为180 N、加热温度为50℃、铺放速率为0.20 m/s的铺放参数,可获得表面平整、成型质量优异的复合材料样件。热分析结果表明,罐外固化CYCOM5230-1树脂室温黏度大,满足OOA工艺中真空压实排气需求。短时固化工艺可达到与典型固化工艺相同水平固化度,提升了固化效率,且制备的复合材料可以达到59%的纤维体积分数及低于0.5%的孔隙率,其力学性能与典型固化工艺制备的复合材料相当,并且能够达到热压罐复合材料的水平。
空心玻璃微珠增强环氧树脂复合材料的动态力学性能
王彩华, 李慧剑, 余为, 吴剑锋, 崔涛
2018, 35(5): 1105-1113. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170802.001
摘要:
通过对空心玻璃微珠(HGM)/环氧树脂复合材料进行动态力学分析(DMA),给出了环氧树脂基体在不同频率下的动态力学温度谱,利用时温等效原理,根据位移因子构建了HGM/环氧树脂复合材料在室温下的储能模量和损耗模量的频率主曲线。分析了温度和频率、体积比和粒径对HGM/环氧树脂复合材料储能模量和损耗模量的影响规律,并结合SEM图像分析其影响机制。结果表明,随着HGM体积分数的增加,HGM/环氧树脂复合材料储能模量和损耗模量呈增大趋势;储能模量随温度升高而降低,损耗模量随温度的增加先增大后减小,在玻璃化温度附近形成一个峰值,HGM低于10%的配比有利于提高其动态力学性能。颗粒的团聚及界面的黏合均对HGM/环氧树脂复合材料的动态力学性能产生较大影响。
GFRP复合材料-轻木夹芯梁弯曲疲劳性能试验
史慧媛, 刘伟庆, 方海, 霍瑞丽
2018, 35(5): 1114-1122. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170707.001
摘要:
为研究真空导入成型的玻璃纤维增强树脂基复合材料-Balsa轻木(GFRP-Balsa)夹芯梁弯曲疲劳性能,进行了普通无格构、单格构增强、双格构增强三种类型共42根试件在不同荷载等级下的四点弯曲疲劳试验,得到夹芯梁的弯曲疲劳破坏模式、疲劳寿命和损伤演化规律,分析了三种类型夹芯梁在弯曲疲劳载荷下不同的损伤机制。研究结果发现,无格构夹芯梁的失效模式统一为芯材剪切和面板脱粘,格构增强夹芯梁的失效模式随格构设置及载荷等级变化,主要有上面板屈曲或压坏、下面板拉断等;采用指数经验模型拟合夹芯梁的疲劳荷载-寿命(S-N)曲线,得到三种类型夹芯梁的寿命预测公式;夹芯梁的位移演化历经"位移瞬降-平稳演化-损伤萌生至破坏"三个阶段,相对于无格构试件,格构增强试件在疲劳失效前有较明显预兆。
加筋增强泡沫夹芯结构面内压缩与界面断裂性能试验
陶杰, 李峰, 邵飞
2018, 35(5): 1123-1130. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170801.001
摘要:
为解决复合材料泡沫夹芯结构面板局部屈曲与面芯脱粘的突出问题,提出了一种由筋条增强的玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)面板与泡沫芯层组合而成的新型夹芯结构。采用真空辅助树脂导入技术制备试验件,通过面内压缩与双悬臂梁试验,对比分析了加筋增强夹芯板与未加筋夹芯板的受力特性、失效模式和面芯粘结性能。面内压缩试验显示,与未加筋夹芯板相比,加筋增强夹芯板的失效模式由面板局部屈曲转化为面板压缩剪切破坏或整体屈曲,在GFRP材料使用量相同的情况下,试件长度为130 mm的加筋增强夹芯板平均失效荷载提高了40.87%,长度为190 mm试件提高了35.63%。双悬臂梁试验显示,加筋增强夹芯板的裂缝在发展过程中受到筋条与面板之间纤维丝搭接约束,改善了界面粘结性能,与未加筋夹芯板相比,其平均能量释放率提高了57.35%。
含紧固件复合材料层压板雷击后损伤及力学性能退化试验
尹俊杰, 李曙林, 杨哲, 姚学玲, 常飞, 肖尧
2018, 35(5): 1131-1138. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170814.001
摘要:
以含金属紧固件编织结构碳纤维/环氧树脂复合材料层压板为研究对象,通过人工模拟雷电流试验,并结合目视观察、超声损伤扫描、微米X射线三维成像及高倍显微镜等损伤检测手段,对其在雷电流直接效应作用下的损伤模式、机制及特征进行了分析,同时,采用材料力学性能试验系统,对其雷击后的静拉伸承载能力退化程度进行了评估。研究结果表明:由金属紧固件引起的"雷电流分散效应"导致含紧固件复合材料层压板雷击损伤以分层损伤为主,且损伤沿层压板整个厚度方向分布;雷击损伤的产生存在一个雷电流强度门槛值,当雷电流强度小于该值时,层压板不会出现损伤;紧固孔周围的雷击损伤在静拉伸过程中会产生"应力分散效应",导致含紧固件层压板静拉伸承载能力随雷击峰值电流的增加先提高后下降。
三维四向编织复合材料宏观有限元模型冲击损伤仿真及试验验证
谭焕成, 许善迎, 黄雄, 关玉璞, 陈伟
2018, 35(5): 1139-1148. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170821.002
摘要:
三维编织复合材料作为整体编织材料,能够克服层合复合材料层间强度低、易分层的缺陷,相对于金属材料,还具有质量轻、高比刚、高比强度以及良好的抗冲击性能、较高的损伤容限,在汽车、高铁、航海、航空及航天领域中具有广泛应用前景。使用空气炮发射系统开展了钢珠以约210 m/s速度冲击三维四向编织复合材料平板的不同位置试验,基于宏观观察和细观观测,分析了三维编织复合材料在受到钢珠高速冲击下的破坏模式和破坏机制。此外,本文建立了三维四向编织复合材料宏观连续介质损伤(CDM)有限元模型,其中模型计算剩余速度和试验测得剩余速度误差在5%以内,试验和数值模拟的破坏形貌也高度一致,验证了所建立的宏观CDM有限元模型的有效性。
热塑性复合材料自动铺放工艺参数分析与优化
宋清华, 刘卫平, 肖军, 陈萍, 杨洋, 陈吉平
2018, 35(5): 1149-1157. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170712.003
摘要:
热塑性复合材料自动铺放原位成型(AFP)技术是高效低成本制造大型复合材料构件的关键,而自动铺放过程中工艺参数的选取及控制精度对成型构件的性能有较大影响,因此为保证原位成型后成型构件的性能,需分析自动铺放工艺参数对成型构件性能的影响并对其进行优化。本文基于热塑性复合材料自动铺放平台,以连续玻璃纤维增强聚丙烯(GF/PP)预浸纱为原料制备复合材料层合板,以层合板的力学性能为优化目标,根据响应曲面法原理设计试验,分析热气温度、热压辊压力及冷压辊压力各工艺参数及其耦合作用对层合板力学性能的影响,建立各工艺参数与层合板力学性能的二次多项式回归方程预测模型,通过预测值与实际值对比等检验分析,验证回归模型的有效性和可靠性,进而获得热塑性复合材料AFP最优工艺参数组合为热气温度为385℃、热压辊压力为0.3 MPa、冷压辊压力为1.1 MPa。
复合材料层板冲击后压缩强度经验预测公式
黄骁, 王进, 韩涛, 关志东, 黎增山, 孙伟
2018, 35(5): 1158-1165. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170713.001
摘要:
复合材料被广泛应用于飞机结构中,其损伤容限性能是飞行器设计的重要指标。提出了一种基于冲击能量预测复合材料层板受冲击后剩余压缩强度的经验预测公式,并通过试验方法分析了剩余强度的影响因素,确定了经验公式形式与参数,对经验公式预测结果进行了验证。经过一定量的试验验证,本文所提出的经验预测方法的预测结果与试验结果吻合良好,研究结果表明,该方法是一种简便迅速的剩余强度工程预测方法。试验结果表明:剩余强度与冲击能量的关系适合采用分段幂函数进行拟合;冲击能量、层板厚度、铺层比例和韧性对复合材料层板冲击后压缩强度有较明显的影响,而冲头直径对剩余强度的影响不显著。
基于双轴拉伸试验的飞艇蒙皮材料非线性分析
鲁国富, 邱振宇, 高成军, 陈务军
2018, 35(5): 1166-1171. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170808.001
摘要:
飞艇蒙皮为多功能层压织物材料,力学行为呈现复杂的非线性,合理表征其非线性的力学模型对飞艇结构设计与分析至关重要。本文对飞艇蒙皮材料试件进行了7个应力比双轴拉伸试验,基于正交异性材料模型,采用应变残差平方和最小方法计算弹性常数,建立线性力学模型;根据试验数据建立应力弹性常数响应面,建立以应力为变量的完整三次式非线性力学模型。并根据此力学模型建立飞艇蒙皮材料有限元分析模型,通过数值模拟七种应力比下的双轴拉伸试验,分析结果的应力分布和分缝位移与试验现象一致。将分析得到的应力-应变曲线与试验结果进行对比,两者能很好的吻合,表明非线性力学模型及分析方法适用于飞艇结构分析。
基于颗粒动力学演化的磁弹体力磁耦合数值模型
袁飞洋, 万强, 张灿阳, 李旭
2018, 35(5): 1172-1181. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170808.003
摘要:
基于颗粒动力学演化的磁致微观结构建立了横观各向同性磁弹体(MREs)三维几何模型,在考虑了磁场和变形耦合作用的基础上,依据当前MREs研究较热的两种磁颗粒作用模型构建了颗粒的控制方程,从而建立MREs多颗粒的力磁耦合数值模型,从细观角度研究MREs的力磁耦合性能。数值模型和剪切实验对比表明,点偶极子作用力模拟的MREs磁流变效应远低于实验数据,而多极作用力在量级上更接近实验数据。基于构建的数值模型,还详细探究了磁感应强度和颗粒浓度对磁致剪切模量的影响,模拟结果和实验趋势吻合较好,颗粒体积分数在20%附近时,相对磁流变效应达到最大。
聚苯乙烯微孔发泡中气泡长大及冷却定型模拟
严庆光, 王绘芳, 郑勇福
2018, 35(5): 1182-1191. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170821.005
摘要:
本文以聚苯乙烯(PS)-超临界CO2系统为例,提出了一种基于细胞模型,结合动量方程、质量方程、扩散方程及本构方程建立气泡长大及冷却定型问题的数学模型。用MATLAB编制了基于以上数学模型的仿真模拟程序。在模拟过程中,通过引入材料性质与温度、压力、CO2浓度的关系式,确定了工艺参数和微孔形态之间的量化关系。结果表明,三个工艺参数对PS-CO2气泡长大的影响:CO2浓度 > 压力 > 温度。由正交模拟实验可知,不同加工条件下得到的气泡半径最大为49.5 μm,最小为1.27 μm,其中适于微孔发泡的气泡半径则处于10~25 μm之间。另外通过对气泡冷却定型的研究得到,快速冷却可以使气泡密度增加、气泡尺寸减小。
基于单胞有限元模型的织物复合材料弯曲刚度预报
杨留义, 谭惠丰, 曹宗胜
2018, 35(5): 1192-1202. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170727.003
摘要:
织物复合材料沿厚度方向纤维束分布不均匀,当层数较少时,采用工程常数得到的弯曲刚度与试验值偏差较大。为提高弯曲刚度预报精度,采用凸透镜状截面假设和周期性三次贝塞尔函数描述纤维束几何模型,建立了一种可直接计算织物复合材料弯曲刚度的单胞有限元模型。根据弯曲与扭曲情况下的周期性位移边界条件,结合六面体体素网格划分方法,给出了非均匀分布周期性位移边界条件的约束方程,并基于ABAQUS平台实现了约束方程的逐点施加。开展了拉伸、四点弯曲及悬臂薄板弯曲试验。结果表明:所建立的单胞有限元模型可准确预报织物复合材料的弯曲刚度;对于悬臂薄板弯曲构型预测,相比采用工程常数得到的结果,采用本文预报的弯曲刚度作为输入条件时,分析结果与试验吻合更好。
复合固体推进剂黏弹性微裂纹损伤本构模型
顾志旭, 郑坚, 彭威, 支建庄
2018, 35(5): 1203-1210. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170829.001
摘要:
为建立复合固体推进剂的损伤本构模型,在介观尺度上视其为微裂纹损伤,选取微裂纹密度为损伤内变量。在Abdel-Tawab本构方程的基础上,基于微裂纹均匀化理论,推导了损伤映射张量的一般形式。该张量通常具有非完全对称性,其物理意义是将真实应力空间中各向异性材料的多轴加载映射为等效应力空间中各向同性材料的更为复杂的多轴加载。其次,基于黏弹性动态裂纹扩展模型和裂纹扩展阻力曲线的概念,建立了损伤内变量的演化方程。该演化方程仅含4个物理意义明确的细观参数,并且参数的取值规律与宏观应力曲线的变化规律相一致。数值结果表明,建立的模型能够有效反映材料损伤的应变率、温度依赖性及各向异性特征,并且具有一定的蠕变损伤预测能力。
Al含量对漂珠/镁合金可溶复合材料组织与性能的影响
纪志康, 于思荣, 刘丽, 姜倩, 刘迪
2018, 35(5): 1211-1218. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170623.001
摘要:
采用搅拌铸造法制备了不同Al含量下的漂珠(FAC)/镁合金可溶复合材料。采用金相显微镜、SEM及XRD观察分析了FAC/镁合金可溶复合材料的微观组织、溶解表面形貌及溶解产物的物相组成,采用力学性能试验机研究了复合材料的压缩性能,采用电化学工作站对复合材料进行电化学性能测试,在常温及水浴锅内进行复合材料在不同温度下的KCl溶液中的溶解试验。结果表明:该FAC/镁合金可溶复合材料主要由α-Mg基体相、β-Mg17Al12相、Mg2Si相和MgO相组成。随着Al含量的增加,FAC/镁合金可溶复合材料的溶解速率先变快后减慢,在80℃的3wt% KCl溶液中,含15wt% Al的FAC/镁合金复合材料溶解速率最快,为56 mg/(h·cm2)。Al-FAC/镁合金可溶复合材料的抗压强度随Al含量的增加先提高后下降,四种合金的抗压强度均大于300 MPa,最高强度达到372 MPa。
基于双树复小波变换的SiCP/Al复合材料加工表面质量评价
段春争, 冯占, 孙伟, 张方圆
2018, 35(5): 1219-1226. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170727.002
摘要:
SiCP/Al复合材料切削加工表面存在大量的凸起、凹坑和沟槽等缺陷,获取表面粗糙度信息时易将缺陷信息计入到粗糙度中,从而影响加工表面质量的合理评价。为提取加工表面粗糙度信息,合理评价SiCP/Al复合材料加工表面质量,提出一种基于双树复小波变换(DT-CWT)的滤波方法。采用最小二乘法、高斯滤波法和DT-CWT变换的滤波方法对已加工表面进行粗糙度提取,从稳定性及受缺陷影响程度两个方面对三种方法的粗糙度信息提取效果进行对比。结果表明:基于DT-CWT的滤波方法具有较高的稳定性,并能够更有效区分表面粗糙度及缺陷信息,更适于SiCP/Al复合材料加工表面粗糙度信息提取。应用基于DT-CWT的滤波方法,对不同Al基体的SiCP/Al复合材料切削加工表面质量评价的结果表明:SiCP/2024Al复合材料表面质量明显优于SiCP/6063Al复合材料。
梯度微结构对金属玻璃拉伸增韧的影响
吴青青, 姜云鹏, 孙龙港, 邱昆, 史雪萍
2018, 35(5): 1227-1235. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170627.001
摘要:
本文通过数值模拟分析了梯度微结构对Ti46Zr20V12Cu5Be17金属玻璃(Metallic Glass,MG)拉伸性能的影响。将自由体积理论以UMAT子程序形式导入ABAQUS中,模拟分析MG基体中剪切带的演化。在此模型中,颗粒和初始自由体积被以各种梯度方程的形式分布于MG基体中,对材料模型施加单轴拉伸荷载。结果表明:含有颗粒按凹槽状梯度分布的MG基复合材料拉伸塑性最好,并且变形呈现颈缩现象;对于初始自由体积呈凸形分布的MG塑性被很好改善;当改变自由体积梯度分布程度时,梯度越小,塑性提高越明显;而就颗粒来说,两侧密集区层数越多,变形中越不容易出现穿透试样的主剪切带。
制备均匀粒度分布的棕榈醇-棕榈酸-月桂酸@(Ce-La-TiO2)光-热-湿复合材料
张浩, 杨小妮, 徐远迪, 刘秀玉
2018, 35(5): 1236-1243. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170713.003
摘要:
以Ce-La-TiO2空心微球作为载体材料,棕榈醇(H)-棕榈酸(PA)-月桂酸(LA)作为相变材料,采用溶胶-凝胶法和真空吸附法制备H-PA-LA@(Ce-La-TiO2)光-热-湿复合材料。通过均匀设计与径向基函数(RBF)神经网络结合,考察制备因素(如磁力搅拌转速、恒温回流温度、煅烧升温速度和真空恒温干燥箱真空度)对H-PA-LA@(Ce-La-TiO2)光-热-湿复合材料粒度分布的影响,并且对粒度分布最均匀的H-PA-LA@(Ce-La-TiO2)光-热-湿复合材料进行表征与测试。结果表明,当扩展系数为0.45~0.55时,RBF神经网络具有最佳的逼近效果。粒度分布最均匀H-PA-LA@(Ce-La-TiO2)光-热-湿复合材料的制备工艺参数为:磁力搅拌转速为1 762 r/min、恒温回流温度为66.9℃、煅烧升温速度为2.43℃/min和真空恒温干燥箱真空度为0.58 MPa。基于上述制备参数,中位径d50为190.02 nm,粒径分布区间的实测值为180.50 nm,实测值与预测值吻合较好,相对误差为3.58%。在相对湿度35%~85%的平衡含湿量为0.0369~0.1702 g/g,相变温度为24.21~29.48℃,相变焓为31.24~33.07 J/g,经过5 h对甲醛的降解效率为56.92%。
油酸修饰Cu2O微晶/石蜡相变驱动复合材料的制备及性能
徐斌, 周静, 张彩霞, 王博诣, 鲁聪达
2018, 35(5): 1244-1252. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170619.001
摘要:
以油酸(OA)为分散稳定剂,在石蜡(PW)中热分解甲酸铜-辛胺配合物前驱体,制备了OA修饰Cu2O微晶/PW (Cu2O-OA/PW)复合材料。通过XRD、SEM、TEM、FTIR和DSC对复合材料的物相、微观形貌、化学状态及相变行为进行了表征,并对其热敏性、热膨胀性和热稳定性及影响因素进行了分析研究。结果表明:通过改变OA浓度和前驱体浓度能够获得十二面体和立方体Cu2O微晶。OA分子化学吸附在Cu2O微晶表面。与纯PW相比,Cu2O-OA/PW复合材料的相变温度基本不变,但其相变潜热明显降低。Cu2O-OA/PW复合材料的热敏性随前驱体浓度的增加而提高,但其热膨胀性有所下降。经过多次加热后,Cu2O-OA/PW复合材料未出现分层现象,体现了其优异的热稳定性。
还原氧化石墨烯/天然橡胶-丁腈橡胶复合材料的制备与性能
方正平, 殷俊, 张玉红, 何培新
2018, 35(5): 1253-1259. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170814.004
摘要:
采用水合肼还原氧化石墨烯(GO)制备了还原氧化石墨烯(RGO),以RGO作为分散介质加入到天然橡胶(NR)和丁腈橡胶(NBR)基体中,通过乳液共混法制备了RGO/NR-NBR复合材料。采用FTIR、Raman、XRD及SEM等手段表征了RGO的结构和形貌,测试结果表明,水合肼还原GO效果较好,基本除去含氧官能团,同时RGO还保留了GO的片层结构。RGO/NR-NBR复合材料的SEM测试结果显示,纳米尺寸的RGO均匀分散在橡胶基体中,且复合材料的拉伸断面粗糙程度显著增加。RGO/NR-NBR复合材料的硫化性能测试结果表明,随RGO的含量增加,复合材料的交联密度、最大扭矩及扭矩差均增大。RGO/NR-NBR复合材料的力学性能随RGO含量的增加而提高,当RGO含量为3.0%时,材料的拉伸强度、100%定伸强度和邵氏硬度分别提高了65.7%、90.3%和21.1%,断裂伸长率降低了13.1%。
用于超级电容器的还原氧化石墨烯/NixMn1-x/2O2复合材料的电化学性能
吴可嘉, 董丽敏, 张琬祺, 李雪姣, 金立国, 张显友
2018, 35(5): 1260-1268. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170620.001
摘要:
MnO2为有前景的超级电容器正极材料,具有较高的理论比电容及良好的循环稳定性,但电子电导性不佳限制了其应用。采用一步水热法制备了还原氧化石墨烯(RGO)/NixMn1-x/2O2复合材料。通过XRD、SEM、TEM、FTIR、电化学分析等手段对制备的RGO/NixMn1-x/2O2物相组成、微观形貌和电化学性能进行了表征和分析。电化学测试结果表明:Ni元素的引入提高了MnO2的电容性能,以水热法制备的MnO2的比电容为66 F/g (扫描速度10 mV/s),而Ni元素掺杂量x=0.02时,Ni0.02Mn0.99O2比电容为111 F/g;材料中引入RGO后,RGO/NixMn1-x/2O2复合材料电容性能进一步提高,加入2wt%的RGO时,RGO/Ni0.02Mn0.99O2的比电容为136 F/g。RGO的引入提高了活性材料的电子迁移速率,Ni元素的掺杂造成了MnO2晶格中存在适量的点缺陷,提高了其导电性。以RGO/NixMn1-x/2O2为正极的超级电容器可同时具备双电层电容器和赝电容器的优点,以Ni掺杂MnO2和RGO的负载协同提高了该复合材料电化学性能。
多孔兰尼镍作单质硫载体的锂硫电池性能
朱希, 田建华, 刘肖燕, 单忠强
2018, 35(5): 1269-1278. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170814.003
摘要:
提出以导电多孔兰尼镍(RNi)为锂硫电池中单质S的新载体材料,探究了S/RNi复合材料在溶剂法、研磨高温法及球磨高温法下的电化学性能差异。结果表明,溶剂法制备的S/RNi复合材料的电化学性能最好。预处理后的RNi为海绵状的导电多孔结构,孔径分布在12.5~50 nm之间。SEM和XRD表明,溶剂法制备的S/RNi复合材料具备良好的孔结构,单质S颗粒较小,均匀分布在深层孔结构中,S与RNi充分接触。其首次放电比容量达到1 479 mAh/g,经过200次充放电循环后放电比容量保持在765 mAh/g,库伦效率约为99%。其循环性能也优于传统S/C复合材料。溶剂法制备的S/RNi复合材料的循环稳定性和高倍率性能得益于RNi的导电性及对单质S的物理和化学吸附。
单壁碳纳米管-CoFe2O4双层复合材料的微波吸收特性
孙星, 盛雷梅, 方旸皓, 安康, 赵新洛
2018, 35(5): 1279-1287. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170620.002
摘要:
通过直流电弧放电法制备了高结晶性单壁碳纳米管(SWCNTs),采用溶胶凝胶自燃法制备CoFe2O4,并将两种材料复合制成SWCNTs-CoFe2O4双层吸波材料。使用Raman光谱、XRD、SEM、TEM和矢量网络分析仪对SWCNTs和CoFe2O4的形貌、结构和电磁性能进行了表征,并利用传输线理论分析了SWCNTs-CoFe2O4双层吸波材料在2~18 GHz频带内的微波吸收性能。结果表明,相对于单一材料,SWCNTs-CoFe2O4双层复合材料的吸波性能得到了极大提高。当CoFe2O4作为匹配层、SWCNTs作为吸收层时,通过调节匹配层和吸收层的厚度,SWCNTs-CoFe2O4双层复合材料的最强反射损耗可以达到-61.13 dB,低于-10 dB的吸收带宽达到7 GHz (8~15 GHz)。因此,SWCNTs-CoFe2O4双层复合材料是一种新型的有应用前景的高吸收宽频带吸波材料。
活性MgO改性流化床炉底渣-硅灰复合材料的力学性能及产物
陈硕, 王立久
2018, 35(5): 1288-1297. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170808.002
摘要:
为了充分利用流化床炉底渣,采用活性MgO改性法制备了具有良好力学性能的流化床炉底渣(CFB)-硅灰(SF)复合材料。研究了养护温度、MgO及SF掺量对MgO-CFB-SF复合材料的抗压强度、水化产物及微观结构的影响。初步研究了MgO活性和细度对抗压强度的影响。利用流变仪研究新拌浆体的屈服应力和塑性黏度。利用XRD、TGA、FTIR和SEM对不同龄期试样的反应产物及微观结构进行分析。掺入SF有助于提高该体系的强度,适量的SF (16wt%~20wt%)和20wt% MgO有助于提高MgO-CFB-SF浆体的流动性。常温条件下养护540天的试样微观分析结果表明:产物中的主要相是细小致密的网格状水化硅酸镁(M-S-H)、类水滑石相(Ht)或富铝硅酸盐相(M-S (A)-H)。
基于田口方法的橡胶砂浆受风沙冲蚀性能
郝洪, 王雨夏, 郭健, 赵呈光
2018, 35(5): 1298-1305. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170808.005
摘要:
针对内蒙古中西部风沙环境特征,利用模拟风沙环境侵蚀实验系统,采用L16(54)田口方法进行实验设计,研究了不同橡胶粒径和掺量的橡胶砂浆在风沙环境下的冲蚀磨损行为,应用SEM观测橡胶砂浆冲蚀后的微观形貌。结果表明:在冲蚀速度为17 m/s、橡胶粒径为1.70 mm、橡胶掺量为5%、冲蚀角度为45°和下沙量为45 g/min的条件下,橡胶砂浆的冲蚀率最小;下沙量和冲蚀速度是影响橡胶砂浆冲蚀磨损性能的显著因素;相同冲蚀条件下,各粒径的橡胶砂浆冲蚀率大小为:1.70 mm的橡胶砂浆 < 普通水泥砂浆 < 0.18 mm的橡胶砂浆 < 0.42 mm的橡胶砂浆;橡胶砂浆的冲蚀磨损主要体现为沙粒对其表面的切削和挤压作用,其中1.70 mm的橡胶颗粒对沙粒有较好的抵抗作用,0.42 mm的胶粉颗粒易剥落,加剧沙粒的磨损作用。
钢纤维及陶粒掺量对轻质混凝土基本力学性能的影响
权长青, 焦楚杰, 苏永亮, 杨云英, 李胜强, 张磊
2018, 35(5): 1306-1314. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170808.007
摘要:
制备了3种强度等级共13组配合比的钢纤维增强轻质混凝土(Steel Fibre Reinforced Lightweight Aggregate Concrete,SFRLAC),测量了立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和轴心抗压强度,得到了SFRLAC轴心受压应力-应变曲线。试验结果表明,钢纤维能小幅度提高轻质混凝土(Lightweight Concrete,LC)的抗压强度,随陶粒比率(Haydite Ratio,Vh)的增大,抗压强度降低,且强度等级越低,降幅越大。钢纤维能显著提高LC的劈裂抗拉强度,钢纤维对低强度等级LC劈裂抗拉强度的贡献优于对高强度等级LC的贡献。低强度等级SFRLAC (LC30和LC40)的劈裂抗拉强度受Vh的影响较大,而高强度等级SFRLAC (LC50)与之相反。当Vh达到80%时,Vh不再是影响SFRLAC劈裂抗拉强度的主要因素,而钢纤维的增强效应显著。试块的破坏形态表明钢纤维能改善LC的塑性。Vh对抗拉强度的降低效应远大于对抗压强度的降低效应。建立了SFRLAC轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系式。SFRLAC应力-应变曲线综合体现了钢纤维的增强效应和陶粒的削减作用,陶粒降低LC的峰值应力和韧性,钢纤维主要提高LC的韧性。
纤维增强聚合物基复合材料加固锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压性能
于爱民, 李趁趁, 高丹盈
2018, 35(5): 1315-1324. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171128.001
摘要:
为了给纤维增强聚合物基复合材料(FRP)加固腐蚀环境下钢筋混凝土圆柱的设计和施工提供参考,促进FRP加固钢筋混凝土圆柱的应用,本文通过加速腐蚀得到类似实际环境中已锈损钢筋混凝土圆柱,采用碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)条带和玻璃纤维增强聚合物基复合材料(GFRP)条带分别对锈蚀钢筋混凝土圆柱进行加固,最后对加固后圆柱进行轴心受压试验,重点研究钢筋锈蚀率、FRP层数和种类对钢筋混凝土圆柱受压承载力的影响;基于对FRP条带间隔约束效应、钢筋锈蚀对混凝土截面及钢筋力学性能影响的研究与分析,提出FRP条带间隔约束锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压承载力计算模型。试验实测值与模型计算值之比的平均值为1.020,变异系数为0.063,二者符合较好。
基于数字图像相关的钢纤维增强水泥基复合材料的冲击损伤特性
赵燕茹, 郝松, 王磊, 刘宇蛟, 时金娜
2018, 35(5): 1325-1331. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170802.002
摘要:
本文采用数字图像相关(DIC)技术对钢纤维增强水泥基复合材料三点弯落球冲击试验过程中试件表面位移场和应变场进行计算与研究,基于开裂点附近位移变化确定初裂冲击次数,并对全场水平应变值进行统计分析,得到冲击过程的损伤程度因子(Df)表征曲线,进一步探讨纤维掺量对试件弯曲冲击损伤的影响规律。试验结果表明:钢纤维的掺入对水泥基材料破坏次数的提高较初裂次数更明显;Df曲线能够较好反映冲击荷载作用下试件弯曲冲击破坏各阶段;试件弯曲冲击损伤过程经历缓慢、加速、再缓慢三个阶段;纤维掺量越多,Df曲线发展越缓慢,冲击损伤三阶段中的再缓慢阶段所占比例越大,即钢纤维增韧作用主要表现在三阶段损伤过程中的再缓慢阶段。
B或N掺杂端部封闭碳纳米管吸附Pt的第一性原理计算
刘扬, 安立宝, 龚亮, 刘涛, 代利峰
2018, 35(5): 1332-1338. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170702.003
摘要:
由于碳纳米管(CNTs)载Pt催化剂中,CNTs与Pt纳米颗粒间的交互作用弱,导致两者间导电性较差,并且容易引起Pt脱落或团聚。本文采用第一性原理对Pt原子在CNTs封闭端部的吸附行为进行了研究,发现B掺杂可以使(5,5)型和(9,0)型CNTs与Pt间的平均吸附能分别提高12.7%和19.6%,N掺杂可以使(5,5)型和(9,0)型CNTs与Pt间的平均吸附能分别提高22.4%和18.4%,并且CNTs与Pt间的电荷转移量较管壁吸附也得到了明显提升,同时B或N掺杂使CNTs-Pt体系的稳定性最高可分别提升133.8%和237.3%,说明在CNTs端部掺杂B或N可提高CNTs载Pt催化剂的性能。
跨尺度模拟硬化水泥净浆力学性能:微观物相的影响
高翔, 魏亚, 黄卫
2018, 35(5): 1339-1348. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170704.003
摘要:
采用纳米压痕实验测量硬化水泥净浆中未水化物、水化产物和孔隙等微观物相的力学性能,并基于背散射电镜(BSE)图像的灰度分析计算各微观物相的含量。在得到各微观物相含量和力学性能的基础上,针对水泥净浆的弹性模量进行均一化建模,并讨论各微观物相及其模量的选取对跨尺度模拟硬化水泥净浆力学性能的影响。通过微米压痕的实测净浆模量验证模型及参数选取的可靠性。提出在硬化水泥净浆力学性能的多尺度模型中,需要选取12 GPa作为孔隙有效模量,并将水化产物划分为低密度的水化硅酸钙凝胶(LD-CSH)和高密度的水化硅酸钙凝胶(HD-CSH)两种物相,而不同种类的未水化物可被视作一种物相。在此基础上,使用Mori-Tanaka模型或自洽模型计算得到的净浆模量与实测净浆模量吻合。
混杂纤维增强水泥基复合材料弯曲韧性与纤维增强指数的定量关系
李黎, 曹明莉
2018, 35(5): 1349-1353. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170707.002
摘要:
基于掺加CaCO3晶须的混杂纤维增强水泥基复合材料梁和板四点弯曲试验,提出了确定弯曲韧性指标与纤维增强指数(S)关系的数学公式。S考虑了纤维抗拉强度和机械锚固性能对混杂纤维/水泥复合材料弯拉性能的影响,物理意义明确。公式为二次函数形式,可以反映混杂纤维体系对混杂纤维/水泥复合材料增韧效果,而通过确定二次函数极值,能对纤维配比进行优化。该数学模型对钢-合成纤维和钢-植物纤维增强水泥复合材料均有良好的适用性,且无需考虑基体(水泥砂浆或混凝土)和试件形状(梁或板)。另外,该公式不仅适用于指定挠度处弯曲韧性和等效抗弯强度表征的韧性指标,对ASTM C1018规定的弯曲韧性指标,如I5、I10、I30和I50等也同样适用。
扩展有限元方法与内聚力模型耦合下斜接修补复合材料的胶层损伤和缺陷
冯威, 徐绯, 由昊, 李梦琳
2018, 35(5): 1354-1360. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170807.001
摘要:
将扩展有限元方法(XFEM)与内聚力模型(CZM)耦合用于斜接修补复合材料的胶层分析,实现了对复合材料与修补胶层之间的脱粘以及胶层内部裂纹扩展现象的描述,模拟得到的结构强度与试验结果吻合较好。对复合材料与胶层的界面缺陷和胶层内部缺陷展开分析,讨论了缺陷长度和缺陷位置对结构强度的影响。结果表明:在相同条件下,结构具有界面缺陷比具有胶层内部缺陷更加危险;结构强度受缺陷长度和与缺陷尖端相邻复合材料铺层角度的共同影响,随着缺陷长度的增加而降低,降低速率大于缺陷长度增长比例;当缺陷位置不同时,结构强度主要与缺陷对应位置的平均剪应力水平相关。最后,通过参数分析讨论了界面剪切强度的影响。