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2006年  第23卷  第1期

原位自生非连续增强钛基复合材料的研究现状与展望
耿林, 倪丁瑞, 郑镇洙
2006, 23(1): 1-11.
摘要:
从基体和增强相选取、制备方法、微观结构、界面、氧化特性及力学性能方面综述了目前原位自生非连续增强钛基复合材料的发展状况, 结合本文作者的课题研究重点介绍了反应热压法(RHP) 制备钛复合材料的工艺以及所制备复合材料显微组织和力学性能。提出了当前研究中存在的问题和今后潜在的发展方向。
热压工艺参数对单向复合材料层板密实状态的影响
龚颖, 张佐光, 顾轶卓, 孙志杰
2006, 23(1): 12-16.
摘要:
为了提高复合材料的质量稳定性并降低成本, 需要研究纤维密实状态的变化规律及其影响因素。采用密实指数Ic表征单向复合材料层板中纤维的密实程度, 进而研究了热压工艺下压力、加压时机及铺层层数对密实指数的影响规律。结果表明, 密实指数随压力的增大呈非线性增大, 随加压点树脂粘度的增大而减小, 随铺层层数的增大呈线性减小。该研究结果为优化热压成型工艺窗口和短程流动模型的建立提供了重要的实验依据。
高性能双组份环氧树脂固化动力学研究和TTT图绘制
张明, 安学锋, 唐邦铭, 益小苏
2006, 23(1): 17-25.
摘要:
用全动态DSC 研究了先进复合材料用高性能双组份环氧树脂的固化反应动力学, 获得了固化反应的动力学参数, 并建立了固化动力学的唯象模型。用恒温DSC 和动态DSC 结合DiBenedetto 方程研究了树脂玻璃化转变温度和固化度之间的关系, 并给出了玻璃化转变温度Tg和时间t 及温度T 之间的数学关系。通过DMA 研究了树脂恒温下的凝胶过程, 给出了凝胶时间tgel 和凝胶温度T 之间的关系, 回归得到凝胶时的固化度为αgel =0.4539 , 并以此计算出了Tg ,gel = 70. 18 ℃, 为工艺选择提供了依据。并在此基础上绘制出了该树脂体系的TTT图, 提出了将TTT 图用于工艺优化的思路, 并做了初步验证。
不同预载/动载下纤维增强环氧树脂复合材料动态粘弹特性
龚元明, 孙志杰, 贺成红, 张佐光
2006, 23(1): 26-30.
摘要:
采用德国GABO 公司的EPL EXOR 500 N 型动态力学分析系统对纤维增强648 环氧树脂复合材料进行测试和分析。该设备与以前使用较多的DMA 相比, 能够在动态力学分析中提供最高达500 N 的载荷。通过改变预载荷和动态载荷的大小、纤维种类以及材料模量, 对纤维增强复合材料进行了动态粘弹性研究。结果表明, 增大预载荷则储能模量增大, 增大动载荷则储能模量减小; 纤维种类对复合材料粘弹性能的影响较小, 而材料模量对粘弹性的影响较大。
不同纤维堆积状态下饱和渗透率实验研究
简抗抗, 张佐光, 顾轶卓, 孙志杰
2006, 23(1): 31-36.
摘要:
通过调节压力控制纤维体积分数, 用单向饱和流动法对纤维层厚度方向的饱和渗透率进行了测定。考察了纤维体积分数随压力的变化规律, 并分别研究了纤维体积分数、纤维层数、铺层方式和纤维种类对渗透率的影响。结果表明, 当纤维体积分数超过某临界值后其值随压力增大的幅度减小。单向和正交铺层时层数变化对渗透率没有影响, 而平纹布渗透率随着纤维层数的增加而减小。此外, 纤维种类的改变对渗透率有明显影响。
基于酚醛树脂的碳/碳复合材料在高温分解过程的微结构演变
张亚妮, 徐永东, 高列义, 张立同, 成来飞
2006, 23(1): 37-43.
摘要:
采用热压成型方法制备碳/ 酚醛树脂预制体, 再经高温碳化得到开气孔率为27 %、密度约1. 27 g/ cm3并具有预期孔隙结构的碳/ 碳复合材料。研究了200~900 ℃预制体转化为碳/ 碳复合材料过程中, 材料的密度、开气孔率、失重率、以及内部微观结构随温度的变化。分析了材料在高温分解过程中微观结构演变规律。结果表明,酚醛树脂主要在400~700 ℃大量分解, 其分解速率约为其余温度范围的4 倍, 该温度范围失重率增加了14 %、开气孔率增加了18 %。在高于400 ℃时形成大量裂纹与孔隙, 随着温度升高裂纹增多并进一步扩展, 900 ℃碳化后形成一种连通的特征性微观裂缝网格模式。高温分解后碳/ 碳复合材料中总孔容约0. 17 cm3 / g , 其中81 %的孔隙半径在122. 190~2. 440μm 范围内。
纳米SiO2/聚丙烯复合材料的微观结构
FRIEDRICH Klaus, SREEKALA Meyyarappallil Sadasivan, L EHMANN Bjoern, 容敏智, 章明秋
2006, 23(1): 44-50.
摘要:
利用原子力显微镜和透射电镜分析了聚苯乙烯辐射接枝纳米二氧化硅粒子( SiO2-g-PS) 填充聚丙烯( PP) 的微观结构, 并与该复合材料的拉伸和冲击强度相关联, 为探讨纳米粒子的增强增韧作用机制提供了直观证据。利用原子力显微镜进行的微划痕和纳米压痕实验, 通过与显微硬度和动态力学性能测试结果的比较, 证实了接枝改性后的纳米粒子团聚体具有承载能力, 而这些团聚体对复合材料的局部和整体力学响应不同, 揭示了团聚体增强效应的内在原因, 即在纳米粒子团聚体内部以及团聚体之间形成了特定的应力双逾渗结构。
碳纤维单丝带对酚醛树脂基复合材料力学性能的增强作用
李劲, 李伟, 范群, 陈振华
2006, 23(1): 51-55.
摘要:
 将连续碳纤维束用空气梳分散成单丝状的长带, 经60 %硝酸进行表面氧化处理后用作酚醛树脂复合材料的增强材料。用红外光谱、扫描电镜等表征复合材料的微观结构, 通过力学性能测定发现, 与连续的碳纤维束增强相比, 单丝带增强复合材料的弯曲强度提高了1 倍, 层间剪切强度( ILSS) 提高了2 倍, 但冲击强度有所降低。结果表明, 碳纤维经过表面氧化和丝束分散的处理后, 能有效地提高其与复合材料中树脂基体的结合性能。
RTM 专用双马来酰亚胺树脂体系化学流变特性
石凤, 段跃新, 梁志勇, 张佐光
2006, 23(1): 56-62.
摘要:
进行了RTM 工艺专用双马来酰亚胺(BMI) 树脂体系的化学流变特性及工艺过程研究。采用DSC 热分析技术和粘度测量手段, 研究了该树脂体系固化特性以及固化过程中粘度与温度的关系, 根据对等温粘度曲线的分析, 建立了双阿累尼乌斯粘度模型和工程粘度模型。对比所建立的两种粘度模型, 结果显示两种模型都可以适用于RTM 工艺注射阶段, 工程模型在粘度转折点附近的预测精度要优于双阿累尼乌斯粘度方程。同时建立了恒温温度-凝胶时间之间的数学关系。验证了所建立的工程模型在工程中的实用性, 并指出了工程粘度模型的使用范围在固化体系交联结构形成之前, 所建立的工程粘度模型能够有效地预测体系RTM 工艺的粘度变化和工艺过程, 为复合材料成型工艺模拟分析以及工艺参数的准确制定奠定了基础。
核-壳式纳米Al2O3 / PS 复合粒子改性聚苯乙烯的选区激光烧结实验研究
郑海忠, 张坚, 鲁世强, 徐志锋
2006, 23(1): 63-68.
摘要:
针对纳米粒子易团聚的特点, 利用乳液聚合方法制备纳米Al2O3 / PS 复合粒子。用TEM、FTIR 对复合粒子结构进行了表征。结果表明, 所制备的复合粒子具备以纳米氧化铝为核、以聚苯乙烯为壳的核2壳式结构, 而且包覆层厚度大约为10~20 nm。用复合粒子改性选区激光烧结制备聚苯乙烯基纳米复合材料, 通过SEM 和FE2SEM 研究纳米复合材料烧结体的显微结构, 发现纳米粒子较好地分散在聚合物基体中, 且纳米氧化铝与聚合物基体之间的界面相容性和粘结性较好, 烧结体结构较致密。
蒙脱土/ 二氧化钛/ 聚酰亚胺纳米杂化薄膜低温力学及热稳定性能研究
李明, 李元庆, 付绍云
2006, 23(1): 69-74.
摘要:
利用插层法和溶胶-凝胶法制备了不同含量的蒙脱土/ 二氧化钛/ 聚酰亚胺(MMT/ TiO2 / PI) 纳米杂化薄膜。采用傅立叶红外光谱、紫外可见光谱、扫描电镜和热重分析等对该体系的分子结构、断口形貌和热性能进行了表征, 同时研究了聚酰亚胺杂化薄膜低温(77 K) 力学性能。结果表明, 纳米粒子与基体结合情况良好, 热分解温度Td有所上升。TiO2 / PI 杂化薄膜低温拉伸强度随TiO2 质量分数增加而有所下降; 而MMT/ TiO2 / PI 杂化薄膜拉伸强度随TiO2质量分数增加而增加并在TiO2质量分数为2 %时达到最大值, 说明TiO2 与MMT 超混杂产生了协同效应。另外, 弹性模量随无机颗粒含量的增加而提高, 但断裂伸长率则下降。
导电聚吡咯/ 聚苯胺复合材料的SEM 研究
刘建华, 周新楣, 李松梅
2006, 23(1): 75-79.
摘要:
用化学方法合成了聚吡咯/ 聚苯胺微管, 采用扫描电镜研究了吡咯/ 苯胺的比例、苯胺的加入方式、β-NSA 浓度与APS 滴加速度对聚吡咯/ 苯胺产物的形貌的影响。结果表明, 合成聚吡咯/ 聚苯胺微管的优化条件为: 吡咯/ 苯胺比1∶3 , 苯胺加入速度1 drop/ min ,β-NSA 浓度0. 6 mol/ L , APS 滴加速度0. 5 drop/ min。吡咯在反应过程中起到控制类模板尺寸的作用。
磷酸单酯偶联剂改性羟基磷灰石/ 高密度聚乙烯复合人工骨材料的制备和性能
罗庆平, 刘桂香, 杨世源, 尹光福, 郑昌琼
2006, 23(1): 80-84.
摘要:
采用磷酸单酯偶联剂对羟基磷灰石( HA) 进行表面改性处理, 通过熔融共混复合等工艺制备了改性HA/ 高密度聚乙烯( HDPE) 复合人工骨材料。用IR、TGA 和燃烧实验对复合材料的结构和组成进行了表征, 并对复合材料的流变性能、热稳定性、力学性能进行了初步研究。结果表明,所制备的改性HA/ HDPE 复合材料比未改性HA/ HDPE 具有更好的流变性能和机械力学性能, 组成均一, 具有良好的热稳定性, 通过控制复合材料中改性HA 及HDPE 配比, 可制备出机械力学性能优良的复合人工骨材料, 在生物医学材料研究中具有重要意义。
结构参数对碳/ 树脂3D 机织复合材料拉伸性能的影响
杨彩云, 刘雍, 陈利, 李嘉禄
2006, 23(1): 85-91.
摘要:
通过一系列的实验比较和分析研究, 客观评价了4 种不同结构碳/ 树脂3D 机织复合材料沿经向和纬向的拉伸性能。实验结果表明, 4 种3D 机织复合材料沿经向和纬向的负荷-位移曲线具有双线性, 初始模量高于二次模量; 3D 机织复合材料的拉伸曲线无屈服点, 是脆性材料; 3D 机织复合材料的力学性能优良,可同时在经向和纬向获得很高的拉伸性能; 加入衬经纱可以大大提高经向的拉伸强度和模量, 加大纬纱密度可以大大提高纬向的拉伸强度和模量; 4 种不同结构3D 机织复合材料中以带衬经和衬纬的复合材料拉伸性能为最佳。
采用非增强中间层电子束焊接SiCP/ Al
郭绍庆, 袁鸿, 谷卫华, 余槐, 崔岩, 李晓红
2006, 23(1): 92-98.
摘要:
为解决SiCP / Al 焊接成形问题,提出了采用非增强中间层的电子束焊新工艺。考察了非增强中间层对碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCP / Al) 电子束焊接成形、脆性相Al4C3生成及气孔的影响。研究表明, 采用富Si非增强中间层后, 焊接成形明显改善, 脆性相的形成也受到了抑制, 但气孔问题比较突出。讨论了工艺和材料因素对焊接缺陷和接头力学性能的影响, 由此获得SiCP / Al 电子束焊的工艺要点。
Al N粉末特性对Al N-BN复合陶瓷致密化的影响
秦明礼, 杜学丽, 李帅, 曲选辉
2006, 23(1): 99-104.
摘要:
以比表面积分别为4. 26 和17. 4 m2 / g 两种AlN 粉末为原料, 添加5 %Y2O3 作为烧结助剂制备AlN15BN 陶瓷(质量分数, %) , 研究了AlN 粉末特性对复合陶瓷致密化过程的影响。结果表明, AlN 粉末比表面积对复合陶瓷致密化有重要影响, 比表面积高的AlN 粉末所制备的复合陶瓷致密化过程主要发生在1500~1650 ℃,1650 ℃烧结3 h 后, 复合材料的相对密度达95. 6 % , 继续升高温度, 对材料的密度影响不大; 而低比表面积的AlN 粉末所制备的复合陶瓷的致密化过程主要发生在1650~1850 ℃, 1850 ℃烧结3 h , 复合陶瓷的相对密度为86. 4 %。即高比表面积的AlN 粉末有利于获得相对密度高的AlN2BN 复合材料。
CF 表面低聚倍半硅氧烷涂层对复合材料界面性能影响
张学忠, 黄玉东, 王天玉, 胡立江
2006, 23(1): 105-111.
摘要:
采用不同倍半硅氧烷(SSO) ( YGO-SSO 和Methacryl isobutyl-POSS) 涂层对碳纤维(CF) 改性, 有效地提高了碳纤维/ 聚芳基乙炔(CF/ PAA) 的层间剪切强度( ILSS) 。采用原子力显微镜(AFM) 以力调制模式对CF/ PAA复合材料横截面进行表面形貌和硬度分布研究, 通过对硬度图像进行统计学分析得到纤维、界面相、基体相硬度分布直方图和线分布图, 对不同涂层、同种涂层不同浓度改性后的复合材料界面相特性进行了比较和研究。结果表明, 不同结构、不同浓度SSO 涂层处理对界面的改性效果不同, 含大有机官能团的笼型倍半硅氧烷(MethacrylisobutylPOSS) 的改性效果好。AFM 分析直观地表明, 经不同结构SSO 涂层处理后CF/ PAA 复合材料中出现不同形貌结构、不同硬度的界面过渡层,该界面层提高纤维/ 树脂的粘接。
轴向受压CFRP 管混凝土柱的膨胀模型及应力-应变关系
黄龙男, 张东兴, 李地红, 福泽公夫, 张晓宇
2006, 23(1): 112-116.
摘要:
在实验基础上, 建立了CFRP 管混凝土柱的轴向压缩膨胀模型。利用膨胀模型计算的紧箍力变化规律和主动侧限混凝土柱的轴向压缩本构模型, 结合多轴应力下的混凝土破坏准则, 推导出被动侧限混凝土柱轴向压缩应力-应变关系理论表达式。根据各组份材料性能、含量、轴向压缩荷载作用下各组份的应力状态及变形协调条件, 建立了CFRP 管混凝土柱轴向压缩本构关系。实验结果证明, 理论预测结果与实验值吻合良好。
水泥水化过程的细观力学模型与性能演化
李春江, 杨庆生
2006, 23(1): 117-123.
摘要:
基于水泥水化过程的实验测量数据, 建立了一个研究水泥水化过程的细观结构和有效性能演化的细观力学模型。该模型由未水化的水泥颗粒、水泥凝胶和孔洞三相介质组成, 并假设细观结构呈周期性均匀分布。随着水化过程的进行, 模型中的组份是连续变化的, 并与实验测量的组份含量完全一致。利用本文中模型和均匀化方法(直接平均法和二尺度展开法) 计算了水泥浆体在各瞬时的杨氏模量和泊松比。研究表明, 在水泥的水化过程中, 水泥浆体的弹性性能随水化度而变化, 其变化规律和精度与现有的实验数据符合很好。该方法可容易地推广到三维情况和其他水化介质。
纳米抗菌剂/ 羊毛纤维复合新方法
牛梅, 魏丽乔, 王淑花, 侯文生, 许并社
2006, 23(1): 124-128.
摘要:
运用紫外光辐射的方法对超细羊毛纤维表面进行刻蚀、糙化, 并在其表面接枝载银纳米SiO2 抗菌剂制备抗菌羊毛纤维。通过SEM、IR 等, 对其物理性能进行了表征; 同时测试了其抗菌和耐洗涤性能。结果表明, 制备的抗菌羊毛纤维表面形成了约200 nm 的抗菌层, 羊毛纤维与纳米抗菌剂以价键形式结合而非单纯的物理吸附,其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率达96 %以上, 经20 次以上洗涤, 抗菌率仍能达到90 %以上。
剑麻纤维的改性及其在摩擦材料中的应用
徐欣, 程光旭, 刘飞清
2006, 23(1): 129-134.
摘要:
研究了不同改性处理工艺对剑麻纤维物化性能的影响, 确定了剑麻纤维最佳改性方案, 将剑麻纤维应用于制备摩擦制动复合材料。采用D-MS 定速摩擦实验机检测摩阻性能, 比较研究了经过改性处理和未经处理的剑麻纤维增强摩擦材料的特性, 并与无机矿物纤维/ 钢纤维混杂纤维增强摩擦材料进行了对比。研究结果表明,经过改性处理的剑麻纤维增强的摩擦材料摩擦系数适中, 随温度波动小, 是一种理想的石棉替代纤维。
三维七向编织结构细观分析
李典森, 卢子兴, 陈利, 李嘉禄
2006, 23(1): 135-141.
摘要:
根据三维编织的主要工艺, 系统地分析了三维七向编织物纱线的面内和空间运动规律。在此基础上,建立了能反映其基本结构的几何单胞模型, 并推导了编织参数之间的数学关系, 为进一步分析三维七向编织复合材料的力学性能奠定了基础。
复合材料机翼结构相似颤振模型的设计与实验验证
刘兵山, 燕瑛, 曾东, 钱卫
2006, 23(1): 142-146.
摘要:
为了进行颤振实验, 依据原始金属模型, 根据结构相似方法和刚度相等的原则, 提出了基于设计元素的复合材料结构设计方法, 建立了结构缩比和复合材料结构设计软件, 并分别设计了复合材料机翼盒段和机翼模型。采用低模量复合材料制造, 进行了模态实验和风洞实验。实验结果与理论值吻合较好。设计的梁架2蒙皮复合材料机翼模型实现了结构和动力学相似, 相对于传统的蒙皮不传递载荷的梁架-维形颤振模型有了质的飞跃。
复合材料层合梁接触损伤问题的分析
胡伟平, 张行, 孟庆春
2006, 23(1): 147-153.
摘要:
将连续介质损伤力学的分析计算方法与层合梁无损伤接触问题的分析相结合, 分析层合梁在接触载荷作用下, 层间胶层的损伤分布及应力分布。采用逆解法得到复合材料层合梁无损伤接触问题的解答, 在此基础上, 用附加载荷法与迭代法, 进行接触损伤分析, 得到了层间胶层的损伤分布及应力分布。计算结果显示, 该方法收敛性好, 求解简单。
含分层损伤复合材料层合板非线性动力稳定性
冯世宁, 陈浩然
2006, 23(1): 154-160.
摘要:
采用Reddy 的板高阶剪切变形简化理论研究了含分层损伤复合材料层合板的非线性动力稳定性问题。建立了分层模型, 推导了考虑几何非线性和阻尼效应的Methieu 方程, 给出了该方程的解析解表达式; 研究了参数振动解的稳定性; 然后通过典型数例讨论了分层损伤对层合板固有频率、屈曲临界力以及动力稳定区域的影响; 研究了保守与非保守体系的外载荷的激励频率对层合板第一参数振动的振幅的影响, 以及线性、非线性阻尼对非保守体系的最大牵引深度的影响。由典型算例讨论可知, 随着复合材料层合板分层损伤的扩大, 其动力稳定性能逐渐减弱, 特别是损伤接近层合板的中面时, 分层损伤对其动力稳定性能的影响最大。
横向可压缩电流变夹层梁的振动特性
魏克湘, 孟光, 朱石沙
2006, 23(1): 161-166.
摘要:
讨论了电流变夹层梁在考虑电流变材料层横向可压缩时的动力学特性。在建模过程中将电流变材料视为可压缩的粘弹性材料, 假设电流变材料层的横向位移随厚度变化。基于一阶剪切变形理论和能量方法建立了电流变夹层梁的挤压-剪切动力学模型, 并采用有限元方法进行了离散求解。通过对悬臂梁的仿真和实验分析得出:在电流变夹层梁的振动过程中, 上、下约束层的横向位移并不完全相等, 在低频阶段相差不大, 但在高频阶段较为明显; 加大外加电场的强度, 可以减小横向位移的差值; 而电流变层厚度的增加, 将使横向位移的差值加大。
层间颗粒增韧HT3/ QY8911 的损伤阻抗和损伤容限
高峰, 矫桂琼, 高艳秋, 宁荣昌, 卢智先
2006, 23(1): 167-172.
摘要:
采用热塑性颗粒对双马基体复合材料层合板HT3/ Q Y8911 进行层间增韧, 制备未加入增韧颗粒的对比件和加入增韧颗粒的改性件。通过准静态压痕(QSI) 实验和冲击后压缩实验, 研究了层间增韧后HT3/ Q Y8911的损伤阻抗和损伤容限特性。结果和分析表明, 改性件在静压痕力下具有较高的分层起始载荷, 或在相同载荷水平下具有较小的损伤面积。提出从分层起始点载荷大小和载荷下降程度两方面来衡量试件对准静压痕力的响应。在相同的静压痕力或单位厚度冲击能量下, 层间增韧后的HT3/ Q Y8911 具有较深的凹坑, 表明塑性变形较大的层间区域以凹坑为代价换取了较小的损伤面积, 具有较高的损伤阻抗。在冲击后压缩面积相差不大的情况下, 层间增韧件的冲击后压缩强度和压缩破坏应变显著增加。
戴新进, 林家浩, 陈浩然
戴新进, 林家浩, 陈浩然
2006, 23(1): 173-179.
摘要:
提出了敷设粘弹性阻尼层的复合材料层合结构随机振动分析的高效精确算法。考虑了粘弹性阻尼材料对激振频率的依赖性及Adams 提出的复合材料层合结构的阻尼模型。为解决依赖频率变化的非经典阻尼的复杂结构, 结合实模态降阶直接解法对虚拟激励法做了相应的发展, 精确求解了降阶后的随机振动方程。以国产有限元程序系统DDJ 为平台开发了相应的程序,并对波音737 客机的水平尾翼的复合材料安定面结构进行模拟研究,从复杂的计算及合理的结论可以看出, 本文中所提出的方法对复合材料的随机振动分析十分有效。
交替层合阻尼结构主控各向异性层参数对结构阻尼的影响
李明俊, 刘桂武, 徐泳文, 曹义华, 叶皓
2006, 23(1): 180-184.
摘要:
 借助动态热机械分析仪(DMA Q800) 对交替层合各向异性阻尼结构阻尼性能的影响权重最大层的各参数进行优化实验研究。探讨了该主控约束层的不同铺设角度、不同厚度和不同多子层替代对层合阻尼结构刚度、阻尼的温频特性的影响规律。实验结果表明, 结构阻尼性能的影响权重最大层纤维铺设角度越接近90°(包括两个90°约束层层合) 时, 结构阻尼性能越好; 结构不同, 影响权重最大层较优厚度有所差异, 当阻尼层总厚度与结构阻尼性能影响最大层厚度比约为10 时, 结构阻尼性能较好。