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2019年  第36卷  第2期

环氧树脂及其复合材料交联结构和宏观性能的分子模拟研究与进展
张文卿, 李肇晨, 吴天宇, 吕晟东, 隋刚
2019, 36(2): 269-276. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180907.004
摘要:
分子模拟技术能够从原子尺度探究聚合物体系的反应机制和内部结构的微观参数,从而讨论对聚合物基复合材料的宏观性能等方面的影响因素。本文围绕环氧树脂基复合材料的材料体系设计和结构-性能的关联性研究,总结了当前国内外应用分子模拟技术针对环氧树脂基体交联网络结构、纳米粒子增强环氧树脂机制的研究结果。同时,介绍了国内外运用分子模拟方法,针对碳纤维/环氧树脂复合材料的微观界面及结构设计等科学问题开展研究的最新成果,并提出了分子模拟方法在高性能聚合物基复合材料未来发展中的指导意义和研究策略。
空气过滤用电纺聚偏氟乙烯-聚丙烯腈/熔喷聚丙烯无纺布复合材料的制备及过滤性能
王利娜, 娄辉清, 辛长征, 陈谋浩
2019, 36(2): 277-282. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180514.002
摘要:
为开发高效低阻的空气过滤材料,采用静电纺丝技术制备了聚偏氟乙烯(PVDF)-聚丙烯腈(PAN)复合纳米纤维,并与聚丙烯熔喷非织造布复合制得高效复合过滤材料,研究了PVDF与PAN的质量比对溶液性质、表面形貌、比表面积、透气性和过滤性能的影响。结果表明,当PVDF与PAN质量比为3:5时,其溶液可纺性最好,所得纤维直径均匀,约为0.59 μm;利用BET比表面积分析仪测试可得其比表面积约为PVDF与PAN质量比为2:1时的两倍;利用滤料测试仪对PVDF-PAN/熔喷聚丙烯(PP)无纺布复合滤材的过滤性能进行测试,结果表明,静电纺PVDF-PAN纳米纤维层可显著提高聚丙烯熔喷非织造布的过滤性能,PVDF-PAN/熔喷PP无纺布过滤效率可达99.95%,明显高于熔喷无纺布的过滤效率(65%),过滤阻力为77 mmH2O(1 mmH2O=9.8 Pa),过滤品质因子达0.0987,远高于熔喷无纺布的过滤品质因子0.0168,过滤效果得到显著提升。
碳纤维增强聚苯硫醚复合材料激光加热原位成型过程中的温度场
宋清华, 刘卫平, 陈吉平, 刘奎, 杨洋
2019, 36(2): 283-292. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180510.001
摘要:
连续纤维增强热塑性复合材料(Thermoplastic Composite,TPC)自动铺放(Automated Fiber Placement,AFP)可以实现铺层原位成型,因此在制造大型结构件、降低加工成本及提升生产效率方面潜力巨大。原位成型过程中铺层温度场分布对复合材料构件成型质量具有较大影响,且激光加热过程中又涉及激光能量场与预浸料吸收光能后产生的温度场之间相互耦联,机理复杂,因此结合传热模型,通过有限元模拟仿真研究激光辅助加热自动铺放成型连续碳纤维增强聚苯硫醚(CF/PPS)复合材料过程中铺层经历的温度历程。同时构建铺层温度场测量系统,对铺层经历的温度历程进行实时采集和存储。研究结果表明,铺放过程中黏合区域前方存在激光辐照阴影区,使压辊下方黏合区域的温度急剧下降;随着铺放速度的增加,黏合区域峰值温度逐渐降低,且成型速度越快,铺层间黏合区域峰值温度差越小,而热电偶测量结果与仿真结果相差越大;随着激光输出功率的增大,铺层峰值温度逐渐升高;为提高原位成型效率,当激光输出功率选择最大6kW时,最大铺放速度为0.75 m/s。通过对比,试验结果中的峰值温度与仿真模拟结果变化趋势相近,证明了有限元仿真模型的正确性。
石墨烯纳米片/聚乙烯复合薄膜电磁干扰屏蔽
尹俊强, 张伟超
2019, 36(2): 293-303. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180416.002
摘要:
研制了一种取向性较高的石墨烯纳米片/低密度聚乙烯(GNS/LDPE)复合薄膜三明治结构,分析其电磁干扰屏蔽(EMIS)性能和机制。实验结果表明,GNS/LDPE复合薄膜的EMIS性能主要决定于其电学性质。根据材料电导率对多层复合膜进行理论计算,探讨GNS/LDPE复合薄膜多层结构的光吸收和多层反射机制。通过调整层结构的厚度和表面层深度及屏蔽材料的电导率可以提高EMIS性能,并且增加屏蔽层厚度可增强吸收屏蔽作用从而进一步提高总屏蔽性能。结构优化后的EMIS效率可以达到31 dB,证明GNS/LDPE复合薄膜具有显著的EMIS作用。纳米复合三明治结构的屏蔽机制为设计高EMIS性能纳米复合物提供了基本依据。提出了实现高性能GNS/LDPE复合薄膜的有效技术方法,在EMIS涂层领域具有潜在的应用。
基于三维Puck失效准则及唯象模量退化的复合材料臂杆屈曲分析
李力, 黄哲峰, 杨增钦, 尚福林, 侯德门
2019, 36(2): 304-314. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180402.005
摘要:
针对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)臂杆结构在压缩和扭转载荷条件下屈曲与后屈曲问题,采用三维Puck失效准则和基于唯象分析的模量退化方法,同时考虑层合结构就位效应及沿纤维方向应力对横向强度的影响,建立了一种适用于考虑渐进失效CFRP结构的屈曲分析方法,并通过编写有限元软件ANSYS的USERMAT子程序进行了数值实现。与文献中实验结果的对比表明,上述方法能够分析复合材料结构的渐进失效过程和后屈曲承载特性,预测精度高。进而采用此方法,详细分析了某航天器臂杆结构在承受压缩与扭转载荷条件下的屈曲载荷及后屈曲特性。
有一定取向性的碳纤维增强尼龙6复合材料弹性模量的实验和理论研究
张育宁, 姚瑞娟, 王会平, 白树林
2019, 36(2): 315-321. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180507.001
摘要:
纤维增强热塑性聚合物基复合材料注塑成型后往往被认为是各向同性复合材料。然而,注塑成型后纤维会具有一定的取向性,从而使复合材料试样呈现各向异性的特点。为了合理预测此类复合材料的弹性模量,本文对碳纤维增强尼龙6复合材料注塑试样内部的纤维长度和取向分布情况进行了测试和分析,得出了纤维取向的分布规律。随后结合单向纤维增强聚合物基复合材料力学模型和层叠理论,构造出了适用于有一定取向性的纤维增强树脂基复合材料弹性模量预测理论模型,其理论结果和拉伸实验结果吻合较好,表明该预测模型的准确性比较高。
含孔CFRP正交层合板的双轴拉伸力学行为
张江涛, 夏俊康, 张梅, 胡海晓, 翟鹏程, 李书欣
2019, 36(2): 322-329. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180409.001
摘要:
采用加载臂开槽的中心开孔等厚度十字形试样,实验研究了正交对称铺层碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)层合板在双轴拉伸载荷作用下的力学行为,分析了3种双轴加载比对其拉伸强度和破坏行为的影响。研究表明:纤维被切断的铺层部分在拉伸作用下容易与其相邻铺层脱粘,导致层合板承载力下降;等双轴加载时,在孔边的被切断纤维与连续纤维间基体在横向拉伸和纵向剪切组合作用下首先开裂;非等双轴加载时,在垂直于快速拉伸方向的铺层中沿孔边应力集中处先出现基体裂纹;随着加载比的增大,快速拉伸方向的细观结构损伤随载荷的增大发展更快,刚度下降更快,破坏时主裂纹的扩展方向更趋于垂直于快速拉伸方向;强度包络线的分析表明快速拉伸方向的拉伸强度随加载比的增大呈缓慢增大的趋势。
含纤维波纹缺陷复合材料层合板的损伤分析
曾文浩, 何鹏, 刘菲, 邹文斌, 杨永泰
2019, 36(2): 330-336. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180504.001
摘要:
纤维波纹是复合材料层合板制备过程中的一种常见缺陷,会导致其刚度和强度显著下降,有效地预测含波纹缺陷复合材料层合板的失效强度具有显著的意义。基于此,本文采用解析的方式分别构造了纤维波纹呈正弦起伏与余弦起伏状的复合材料层合板模型。利用该模型,以Tsai-Wu准则作为失效判据,研究了一种含纤维波纹的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板在受压情况下的损伤演化过程,得到了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的初始损伤强度。与有限元方法计算得到的损伤位置和损伤强度非常吻合,验证了本文算法的正确性。另外,相比于有限元方法,本文所述计算方法具有模型构造简单、计算效率高等优点,便于快速分析和确定含纤维波纹缺陷复合材料层合板的损伤位置与损伤强度。
聚四氟乙烯-芳纶/酚醛树脂斜纹织物衬垫不同磨损阶段弹性常数计算模型
王秀梅, 骆林惠, 赖卫清, 辛亮亮
2019, 36(2): 337-346. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180502.004
摘要:
为了探究磨损对聚四氟乙烯(PTFE)和芳纶(Kevlar)纤维及酚醛树脂基体(PTFE-Kevlar/酚醛树脂)编织成的斜纹织物衬垫宏观弹性常数的影响。基于复合材料细观力学中的数学模型和体积平均算法,结合斜纹衬垫的细观结构,建立了不同磨损阶段的细观几何模型。从未磨损阶段入手,基于纤维织物几何参数及纤维各自弹性常数,利用MATLAB计算衬垫纤维束和基体的各自体积分数及相关矩阵,实现斜纹织物衬垫局部坐标系与整体坐标系下的弹性常数转化。构建了未磨损阶段衬垫的弹性常数计算模型,并利用算例证明方法的正确性,理论值与试验值的最大误差为5.88%。在此基础上,根据衬垫的结构,把磨损划分为6个阶段,建立不同磨损阶段的弹性常数计算模型。
考虑纤维损伤的大孔口层合板缝合补强等效力学模型
潘斌, 王继辉, 张桂明, 郭万涛, 喻光安, 祝奇枫
2019, 36(2): 347-355. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180402.002
摘要:
针对含大孔口层合板(层合板宽度D与开孔半径R的比例D/R<6)缝合补强,考虑缝合线对面内纤维造成弯曲、断裂及针脚处夹杂和富树脂区的影响,利用有限元软件建立了大孔口层合板缝合补强模型。在拉伸载荷作用下,计算了不同缝合参数(针距、行距、边距、缝合线直径、缝合线张力)对层合板力学性能的影响。并将不同缝合参数对面内纤维造成的损伤等效为孔径的扩展,建立其等效开孔无边缘效应层合板有限元模型,得出了缝合补强时不同缝合参数对层合板整体承载能力的影响规律。针距越小,层合板承载能力越低;当针距小于3.14 mm时,随着边距的增大,层合板承载能力单调减小;当针距介于3.14 mm与6 mm之间时,随着边距的增大,层合板承载能力呈现出类似于正弦函数的变化形式,且整体趋势增大;当针距大于6 mm时,随着边距的增大,层合板承载能力单调增大;当中心圆孔的0°与90°位置存在针脚缺陷时,易造成层合板提前破坏。
不规则孔隙对复合材料横向拉伸力学性能的影响
李波, 赵美英, 万小朋
2019, 36(2): 356-361. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180427.003
摘要:
本文主要研究分析了不规则形状孔隙对复合材料单向板横向拉伸力学性能的影响。首先通过C++编写不规则孔隙随机分布算法。然后通过Python参数化生成包含随机分布纤维和不规则孔隙的重复胞元(Repeating unit cell,RUC)。最后使用有限单元法(Finite element method)分析研究了不规则孔隙对单向板横向拉伸性能(横向弹性模量和横向拉伸强度)的影响。研究结果显示,孔隙的形状会影响单向板的初始损伤、损伤扩展和最终破坏。随着孔隙率的增大,横向弹性模量和横向拉伸强度都减小。相对于横向弹性模量,孔隙率对横向拉伸强度的影响较大。
混杂比对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料弯曲性能的影响
马芳武, 杨猛, 蒲永锋, 支永帅
2019, 36(2): 362-369. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180413.002
摘要:
将玄武岩纤维置于混杂铺层的压缩侧,研究了碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料的弯曲性能及混杂比对其弯曲性能的影响。通过对试样进行三点弯曲试验得到了材料的弯曲性能,并通过扫描电子显微镜观察材料的失效模式。与纯碳纤维增强环氧树脂基复合材料相比,当混杂比为16.7%和33.3%时,混杂复合材料的弯曲强度明显提升,弯曲强度分别提高12.4%和15.2%,但是其弯曲模量随着混杂比的提升而降低。混杂后的材料及玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的失效位移都高于碳纤维增强环氧树脂基复合材料,断裂韧性明显提升。从侧面观察可以发现不同铺层在压缩侧、拉伸侧和中间层有不同的失效形式。
基于动刚度法的热环境下纤维增强聚合物基复合薄板抗振性能的退化
张体南, 李晖, 荣万崇, 吴怀帅, 许卓, 陆鹏旭
2019, 36(2): 370-379. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180427.002
摘要:
从动力学角度,提出了动刚度法来研究热环境下纤维增强聚合物基复合薄板的抗振性能退化特性。首先,考虑脉冲激励载荷的影响,利用能量法、板壳理论和振型叠加法等,实现了热环境下动刚度的理论求解。同时,总结和归纳了热环境下复合薄板抗振性能退化的分析流程,并以TC500碳纤维/树脂基复合薄板为例,通过对比理论与测试获得的动刚度、固有频率、阻尼和振型结果,证明了该动态指标的有效性和方法的可行性,可以利用该指标来量化评价复合薄板在热环境下的动态性能退化问题。
热环境对基础激励作用下纤维增强树脂基复合薄板振动特性的影响
李晖, 吴怀帅, 张体南, 闻邦椿
2019, 36(2): 380-388. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180416.006
摘要:
采用理论与实际相结合的方式,研究了热环境对纤维增强树脂基复合薄板振动特性的影响。首先,建立了基础激励作用下纤维增强树脂基复合薄板在热环境中的解析模型,推导获得了固有频率、模态振型、振动响应及阻尼比的解析表达式,并给出了热环境下复合薄板振动特性的求解流程。然后,搭建了热环境下该类型复合薄板结构的振动测试系统,并以TC500碳纤维/树脂薄板为研究对象进行了实际测试。以相应的测试结果为例,研究发现,当温度从20℃上升到200℃时,复合薄板的模态振型基本不发生改变,固有频率降低幅度在2.3%~36.6%之间,振动响应幅值增大范围约为15.3%~58.4%,且阻尼性能也呈现增大的趋势,例如相对于常温下的阻尼结果,当温度上升到200℃时,其前6阶模态阻尼比的增大程度在13.9%~56.4%之间。另外,经过对比理论和测试获得的不同温度下的固有频率、模态振型、振动响应及阻尼结果可知,两者吻合较好,进而验证了解析分析方法及其结果的正确性。
考虑材料各向异性的纤维增强聚合物基复合材料板损伤Lamb波检测和定位
许颖, 陈锐, 卢苗苗, 祖红光
2019, 36(2): 389-399. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180502.007
摘要:
超声Lamb波法是检测板状结构损伤的常用方法,然而纤维增强聚合物基复合材料(Fiber reinforced plastics,FRP)本身的各向异性会对Lamb波损伤定位的精度造成较大的影响。为了解决此问题,在传统椭圆法的基础上,提出了考虑材料各向异性的时间概率密度法的损伤定位方法。该方法通过考虑不同传播方向的A0模态波的群速度变化,计算FRP板上任意一点存在损伤的反射波的走时,得到声波传播时间图。创建声波传播时间与实际损伤反射波走时的映射关系,可得到能表征损伤存在概率的时间概率密度图,通过相应的数值分析和实验研究,发现本方法误差比传统椭圆法误差的减小率可达到70%以上,论证本方法对各向异性FRP板损伤定位的可行性和准确性。
微动损伤对复合材料螺栓连接预紧力松弛的影响
沈媛臻, 肖毅
2019, 36(2): 400-409. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180322.004
摘要:
开展了横向循环载荷下复合材料螺栓连接件预紧力松弛试验,探究了材料疲劳损伤与接触面微动磨损联合作用下螺栓连接预紧力松弛过程。基于有限元软件ABAQUS,采用Archard磨损模型和ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)自适应网格技术,编制了适用于连接结构微动磨损的UMESHMOTION子程序,建立了分析连接支承面微动磨损的计算模型;利用子程序UMAT编制了Shokrieh和Lessard提出的疲劳累积损伤定量分析程序。在此基础上分析了复合材料疲劳损伤、螺孔伸长及接触磨损的耦合作用下预紧力随循环周次变化的机制,与实验结果进行对比,验证了所提出的预测方法的合理性、有效性。
冷却空气流向对CFRP制孔刀具磨损及孔质量的影响
王福吉, 成德, 赵猛, 付饶
2019, 36(2): 410-417. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180327.002
摘要:
在加工碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)时多用冷却工艺来提升加工质量。其中,空气冷却工艺因其方便性被广泛用于实际加工中。然而,目前尚缺少空气冷却方向对刀具磨损和加工质量的研究。文章通过控制冷却空气的方向,开展了干式切削、正向喷气和逆向吸气冷却条件下钻削CFRP材料的研究。获得了上述冷却条件对双顶角刀具第二主切削刃末端磨损的影响规律,发现气体冷却都能有效抑制刀具磨损,且在对出口温度影响相近的条件下,逆向冷却比正向冷却能够更好地抑制磨损。进而分析了冷却条件对钻削出口损伤的抑制效果,发现冷却、冷却方式对孔出口撕裂深度的抑制作用都较小,但逆向吸气冷却能够有效减小出口的毛刺高度,是一种有效提高制孔质量的冷却工艺。
碳纳米管增强铝基复合泡沫的阻尼性能
杨旭东, 李宗岷, 杨昆明, 张权, 赵乃勤
2019, 36(2): 418-424. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180416.003
摘要:
通过填加造孔剂方法制备了碳纳米管(CNTs)增强铝基复合泡沫,采用热机械分析仪研究了测试温度、频率、外加振幅、泡沫的孔隙率和CNTs含量对其阻尼性能的影响,并分析了相关阻尼机制。结果表明:复合泡沫铝的阻尼性能随孔隙率和振幅的增大而提高,随着频率的增加而下降。在环境测试温度25~200℃范围内,复合泡沫的损耗因子变化较小;当温度高于200℃后,损耗因子随温度升高有明显的提高。CNTs的加入可以显著提高泡沫铝的阻尼性能,常温下3.0% CNTs增强的铝基复合泡沫的损耗因子达0.27,为泡沫铝的3.71倍。复合泡沫的阻尼机制主要为位错阻尼、晶界阻尼、孔隙阻尼、CNTs的本征阻尼和CNTs-Al间界面阻尼,其中本征和界面阻尼发挥了重要的增强作用。
基于声发射信号的不同密度C/SiC复合材料损伤演化
黄喜鹏, 王波, 杨成鹏, 潘文革, 刘永胜
2019, 36(2): 425-433. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180416.001
摘要:
对密度为1.65 g/cm3、1.75 g/cm3和1.85 g/cm3的平纹编织C/SiC复合材料进行单向拉伸试验,获得材料的基本力学性能。采用声发射技术对材料在单调拉伸试验全程下的损伤信号进行监测,并对采用Wavelet小波方法降噪后的声发射信号进行特征参数分析和K-聚类分析。结合SEM图像分析发现材料密度的不同使材料损伤模式、损伤演化过程及破坏模式存在差异。根据损伤模式和声发射事件分布特征将试验声发射信号进行分类分析,研究不同密度材料的损伤模式和损伤演化机制,发现:随着密度增大,不同损伤模式发生的起始应力水平、相对时间及频数逐渐增大。分析得出结论:材料密度通过影响基体损伤程度和损伤分布区域以及界面性能改变材料力学性能。
2D-SiCf/SiC复合材料抗拉强度统计分布规律
韩旭旭, 张程煜, 陈博, 王波, 张巧君, 韩栋, 李玫
2019, 36(2): 434-440. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180502.005
摘要:
2D-SiCf/SiC复合材料是航空航天领域热端构件的关键材料。材料抗拉强度的统计分布规律在构件的设计与分析中发挥着重要作用。本文测试了化学气相渗透方法制备的2D-SiCf/SiC的室温和1 200℃的抗拉强度,并使用扫描电子显微镜进行了断口形貌分析。采用Weibull分布、正态分布和对数正态分布等三种模型分析了测试结果,并根据Anderson-Darling检验方法进行了检验。结果表明,Weibull分布对2D-SiCf/SiC抗拉强度拟合优于正态分布和对数正态分布。根据Weibull模数大小,1 200℃抗拉强度的分散性大于室温抗拉强度的分散性。利用二参数Weibull分布精确预测了2D-SiCf/SiC室温和1 200℃抗拉强度。分析表明2D-SiCf/SiC抗拉强度的分散性主要来源于纤维/基体界面结合强度和纤维强度的分散性。
硫酸盐侵蚀溶液pH值对硅酸盐水泥浆体C-(A)-S-H凝胶结构的影响
张晓佳, 张高展, 孙道胜, 刘开伟, 程星星, 王月明
2019, 36(2): 441-449. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180427.001
摘要:
C-(A)-S-H凝胶的结构不仅受水泥基材料自身组成的影响,更受其所处环境的影响。本文利用固体核磁共振(NMR)并结合去卷积技术,探究硫酸盐侵蚀溶液pH值对硅酸盐水泥浆体中C-(A)-S-H凝胶结构的影响。结果表明:硫酸盐侵蚀过程中,前期进入凝胶中的Al3+后期又会脱出,使凝胶中四配位铝(Al[4])/Si比值降低。侵蚀溶液pH值的降低促进了凝胶中Al[4]的脱出,使Al[4]的峰位向负值移动;同时也促进了[SiO4]([AlO4])四面体间的聚合,使C-(A)-S-H凝胶平均分子链长(MCL)增加。此外,侵蚀溶液pH值的降低,促进了浆体的水化,但抑制了浆体中钙矾石(AFt)的生成。
防隔热一体化复合材料整体性能优化设计方法
韩国凯, 解维华, 孟松鹤, 金华, 杨强
2019, 36(2): 450-460. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180423.002
摘要:
集非烧蚀、隔热和轻质可靠于一体的一类新型热防护材料是我国未来新型空天飞行器发展的核心技术,耐高温表层与内层隔热层的界面处是热失配最严重的区域,材料内部的梯度过渡设计是实现防隔热一体化复合材料的关键。为了提高材料的整体综合性能,首先利用单纯形法和邻域培植多目标遗传算法对材料梯度层组分过渡形式和材料尺寸参数进行了确定性优化,并以所获最优解作为初始值,进一步考虑了材料性能、载荷条件等的随机波动,采用6 Sigma方法对材料整体性能进行了可靠性优化。结果表明:通过该优化策略,在获得满足可靠性要求的最优材料性能参数的同时,可以有效提高优化效率,对于计算模型复杂的优化问题尤为重要。
基于Weibull模型的C/C复合材料销钉剪切强度分布及本构关系
郭飞, 费庆国, 李彦斌, 张培伟, 于静巍
2019, 36(2): 461-468. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180412.001
摘要:
针对C/C复合材料销钉力学性能各向异性的特点,开展基于Weibull分布模型的C/C销钉剪切强度分布及本构关系研究,探讨不同剪切方向对C/C销钉剪切强度和剪切本构的影响规律。基于两参数Weibull分布模型,采用最小二乘法获得不同剪切方向上剪切强度的分布规律;根据C/C复合材料损伤失效机制,采用基于Weibull分布的弹性损伤模型表征材料的剪切本构关系,并通过试验数据获取损伤模型中的参数。结果表明:通过Kolmogorov-Smirnov拟合优度检验,两参数Weibull分布模型能较好地表征C/C销钉剪切强度的分布规律;沿45°方向剪切的C/C销钉,其剪切强度最高;随着剪切角度的增大销钉剪切刚度逐渐降低,从0°方向上的19.46 kN/mm下降到90°方向上的12.70 kN/mm。
玄武岩纤维布约束高温损伤混凝土方柱轴压力学性能试验
欧阳利军, 许峰, 高皖扬, 杨伟涛, 镇斌
2019, 36(2): 469-481. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180611.001
摘要:
对36个玄武岩纤维布增强聚合物基复合材料(BFRP)约束的高温损伤混凝土方柱和15个不同高温损伤的对比试件进行了轴压试验。试验表明,玄武岩纤维布横向约束能改变高温损伤后混凝土方柱的破坏形态,显著提高混凝土方柱的轴压强度和变形能力。其中三层玄武岩纤维布包裹的200℃、400℃、600℃和800℃高温损伤混凝土方柱轴压强度分别提高了48%、130%、206%和389%,轴向变形分别提高了433%、344%、319%和251%。采用典型的纤维增强聚合物基复合材料(FRP)约束常温未损伤混凝土轴压力学性能的设计模型预测FRP约束高温损伤混凝土的轴压强度和变形时存在较大的偏差。通过构建柱状膜结构静水压力平衡模型和约束混凝土方柱与FRP体积应变能平衡模型,分别改进了FRP约束混凝土方柱轴压极限应力和极限应变计算模型的基本形式。基于该基本形式和试验数据,分别确定了BFRP约束高温损伤混凝土方柱轴压极限应力和极限应变计算中与温度相关的参量,提出了适用于高温损伤混凝土方柱的轴压极限应力和极限应变的设计模型。
钢纤维对玄武岩纤维编织网增强混凝土板双向弯曲性能的影响
李冬, 丁一宁
2019, 36(2): 482-490. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180410.003
摘要:
为了研究钢纤维对玄武岩纤维网格布增强混凝土方板双向受弯性能的影响,借鉴欧洲EFNARC标准,利用四边简支方板试验,分别对素混凝土方板、玄武岩纤维网格布增强混凝土方板、钢纤维增强混凝土方板及钢纤维与玄武岩纤维网格布混杂增强混凝土方板的弯曲性能进行研究,同时与传统钢筋网混凝土方板的弯曲性能进行对比,分析了网格布对混凝土方板的双向增强效果,探讨了钢纤维与玄武岩纤维网格布混杂使用代替传统钢筋网的可行性。结果表明:玄武岩纤维网格布可以改善方板的内力重分布,显著提高其承载力,但是破坏时脆性特征明显;钢纤维与玄武岩纤维网格布混杂使用表现出显著的正混杂效应,方板的韧性明显提高;在正常使用极限状态下,30 kg/m3的钢纤维与玄武岩纤维网格布混杂方板的弯曲性能高于传统钢筋网混凝土方板,说明钢纤维与玄武岩纤维编织网混杂使用可以代替传统钢筋网。
纤维对混凝土裂缝宽度、曲折度及渗透性的影响
丁一宁, 郝晓卫, 门旭
2019, 36(2): 491-497. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180413.004
摘要:
为研究不同纤维(钢纤维(SF)、聚丙烯长纤维(Macro-PP)、聚丙烯短纤维(Micro-PP))对荷载作用下带裂缝混凝土渗透性能的影响,通过劈裂试验引入不同宽度的结构裂缝(50~200 μm),比较不同纤维对卸载后混凝土裂缝宽度及曲折度的影响。利用自主研发的渗透装置,分析了不同纤维类型、掺量及混杂方式对荷载作用下不同裂缝宽度混凝土渗透性的影响。研究发现:单掺55 kg/m3 SF比25 kg/m3渗透系数降低95.7%。与单掺SF相比,SF和Macro-PP的掺入具有正混杂效应;Micro-PP与SF混杂体系中渗透系数基本无变化,研究表明Micro-PP对结构裂缝间桥接作用甚微,对渗透性的作用不明显。SF和Macro-PP可有效限制裂缝的扩展,增大表面曲折度,降低开裂后混凝土的渗透性。
纳米SiO2改性轻骨料混凝土性能
梁圣, 崔宏志, 徐丹玥
2019, 36(2): 498-505. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180330.001
摘要:
纳米SiO2(NS)具有极强火山灰活性、晶核作用和填充效应,因此用NS改善水泥基材料性能成为众多学者研究的热点。本课题对不同掺量的NS对轻骨料混凝土强度及耐久性的改性效果进行了研究。通过测试轻骨料混凝土的力学性能(抗压和抗折)和氯离子渗透性能及利用SEM和EDS测试分析了NS对混凝土宏观和微观结构的影响。研究结果表明:在适当的掺量下,NS能够有效地提高轻骨料混凝土的力学性能,其中28 d的抗压强度和抗折强度比空白组混凝土分别提高了21.6%和46.2%。氯离子渗透的结果表明,轻骨料混凝土的抗氯离子渗透性能随着掺量的增加而呈线性增强。混凝土界面过渡区(ITZ)也发生了显著变化,其厚度减小,形貌也更加致密。ITZ的钙硅比随着NS掺量增加而减小,说明该区域内水化产物C-S-H凝胶增多,Ca(OH)2被消耗,从而形成致密的过渡区,有利于强度提高。
核壳型丁苯胶乳对水泥基复合材料力学性能的影响及其作用机制
樊金杰, 郭锦棠, 胡苗苗, 李均星, 于永金, 靳建州, 齐奉忠
2019, 36(2): 506-513. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180403.001
摘要:
针对地层、水泥环、套管三者之间形变不协调而导致的三者层间封隔失效等问题,采用种子乳液聚合的方法,将功能单体2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸与苯乙烯接枝到低分子量液体聚丁二烯上,合成了一种稳定性良好的丁苯胶乳增韧剂TEL-100L胶乳。TEL-100L胶乳的结构及性能评价表明:TEL-100L胶乳具有良好的热稳定性和明显的核壳结构。水泥石的力学性能评价表明:TEL-100L胶乳可明显降低水泥石的脆度系数和弹性模量,提高水泥石的韧性及力学形变能力。对TEL-100L胶乳增韧机制的研究表明:TEL-100L胶乳不仅可以通过静电吸引作用吸附到水泥颗粒表面,而且可以通过Ca2+的桥接作用与水泥水化体系交错连接,形成致密的三维网状结构,从而提高水泥基复合材料的韧性和力学形变能力。
纳米纤维素对两性蠕虫胶束线性黏弹性的影响
秦文龙, 姜关锋, 秦国伟, 杨江
2019, 36(2): 514-521. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180328.004
摘要:
对两性蠕虫胶束(Z-WLM)溶液添加不同类型纳米纤维素(NCs)后的耐温性能进行了研究,并通过线性流变学方法分析了不同浓度的NCs对Z-WLM的动态黏弹性、触变性、蠕变性等流变行为的影响。研究结果表明,质量分数为4wt%的芥酸酰胺丙基二甲基甜菜碱表面活性剂溶液可形成蠕虫胶束(WLM)结构,具有剪切稀释性、黏弹性、蠕变性及良好的触变回复性等特性。与其它类型NCs相比,长径比大、羧基含量高的NCs对WLM溶液拥有更好的增黏作用,同时可增加体系的松弛时间、弹性模量,延长其剪切黏度及动态模量触变回复时间,改善其蠕变回复性和耐温性,适用于70~100℃的中高温油藏增产作业使用。随着NCs添加量的增加,复合体系的黏弹性和蠕变回复性增强,触变回复性减弱。
考虑高阶剪切的轮胎Gough刚度模型
刘哲, 马良清, 文璐, 危银涛
2019, 36(2): 522-532. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180410.001
摘要:
轮胎是一种帘线增强橡胶复合材料结构,Gough刚度是表征轮胎侧向变形与磨耗的一个重要参数,但缺乏理论推导。本文基于高阶剪切复合材料梁理论,研究子午线轮胎带束层角度对轮胎侧向变形的影响及Gough刚度的理论基础。在Fiala横梁模型的基础上,将轮胎简化为弹性基础上的复合材料梁。胎侧及胎面胶简化为弹性基础,带束和胎体简化为复合材料梁。考虑高阶剪切位移场及帘线-橡胶材料的各向异性,利用虚功原理建立模型方程,得到了复合材料梁在侧向载荷作用下的小挠度理论解,与有限元结果和已有文献结果对比验证了其合理性。算例分析表明,当胎体等效梁结构的高宽比固定时,对应Gough刚度极大值带束角度是固定的;不同的帘线模量和橡胶模量也会对Gough刚度极大值所对应的带束角度产生不同的影响;带束层厚度对Gough刚度极大值对应的带束角度影响较小。根据Gough刚度极大值准则得到了不同高宽比下的轮胎最佳带束角度,利用实际轮胎解剖结构进行了验证。本文提出的模型为子午线轮胎带束角度优选和磨耗设计提供了理论指导。
考虑水-温循环的SBS改性沥青复数剪切模量预估模型
念腾飞, 李萍, 张国宏, 刘文科, 李辉山
2019, 36(2): 533-543. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180411.001
摘要:
为探寻季节性冻土区多次水-温循环后沥青胶结料特征官能团变化与复数剪切模量之间的关系,联合FTIR和动态剪切流变(DSR)试验,对经0、3、6、9、12、15和18次水-温循环后的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青进行测试,探明了多次水-温循环下SBS改性沥青复数剪切模量和特征官能团的变化规律;采用灰色关联熵分析理论数学模型,明确了复数剪切模量与特征官能团含量变化的关联程度;基于麦夸特法和通用全局优化算法对不同温度和频率下DSR测试的SBS改性沥青复数剪切模量G*及FTIR测试官能团变化指数进行多元统计回归分析,提出了SBS改性沥青复数剪切模量的预估模型。结果表明:多次水-温循环使沥青发生了水-温老化,但SBS改性剂对沥青水-温老化具有抑制作用;随着水-温循环次数的增加,沥青FTIR图谱中亚砜基与羰基呈现出明显的增大趋势;SBS改性沥青特征官能团变化对复数剪切模量影响程度由大到小的排序为脂肪族化物 > 非对称脂肪族化物 > 芳香族化合物 > SBS含量(苯乙烯+丁二烯) > 亚砜基 > 羰基;多次水-温循环后SBS改性沥青复数剪切模量随着特征官能团含量变化呈现出多元线性关系。