2007年 第24卷 第3期
2007, 24(3): 1-6.
摘要:
利用真空袋压工艺, 采用单向炭纤维复合材料补片对中心裂纹铝合金板进行了单面胶接修补。测试了复合材料修补板的静态拉伸强度及修补板在拉拉疲劳过程中的裂纹扩展、界面脱粘和剩余拉伸强度等疲劳性能。结果表明, 复合材料补片胶接修补能有效地提高裂纹板的破坏强度和刚度, 降低裂纹板的疲劳裂纹扩展速率, 提高其疲劳寿命。裂纹板经单向炭纤维/ 环氧复合材料补片修补后, 其破坏强度从311. 48 MPa 提高到364. 74 MPa ,疲劳寿命从32217 次提高到77546 次。疲劳导致修补结构的粘接界面脱粘, 脱粘区域近似椭圆形; 脱粘面积随疲劳周次的增加而增加, 且增加的幅度与疲劳周次相关。
利用真空袋压工艺, 采用单向炭纤维复合材料补片对中心裂纹铝合金板进行了单面胶接修补。测试了复合材料修补板的静态拉伸强度及修补板在拉拉疲劳过程中的裂纹扩展、界面脱粘和剩余拉伸强度等疲劳性能。结果表明, 复合材料补片胶接修补能有效地提高裂纹板的破坏强度和刚度, 降低裂纹板的疲劳裂纹扩展速率, 提高其疲劳寿命。裂纹板经单向炭纤维/ 环氧复合材料补片修补后, 其破坏强度从311. 48 MPa 提高到364. 74 MPa ,疲劳寿命从32217 次提高到77546 次。疲劳导致修补结构的粘接界面脱粘, 脱粘区域近似椭圆形; 脱粘面积随疲劳周次的增加而增加, 且增加的幅度与疲劳周次相关。
2007, 24(3): 7-12.
摘要:
采取不同浓度的磷酸水溶液对芳纶纤维进行表面处理, 并对不同处理条件下芳纶纤维的单丝强度、表面性质及其环氧树脂复合材料的界面性能进行了分析和测试。结果表明: 20 wt %磷酸溶液处理的芳纶纤维, 纤维表面含氧官能团含量最高; 继续提高磷酸溶液的浓度, 含氧官能团含量下降, 纤维表面趋于平整, 单丝强度上升。用20 wt %磷酸溶液处理芳纶纤维, 纤维/ 环氧树脂基复合材料的层间剪切强度达到62 MPa , 界面剪切强度提高18 % , 是一种简单有效的表面处理方法。纤维表面粗糙度和纤维表面含氧官能团的数量是影响芳纶纤维/ 环氧树脂复合材料界面结合性能的关键因素。
采取不同浓度的磷酸水溶液对芳纶纤维进行表面处理, 并对不同处理条件下芳纶纤维的单丝强度、表面性质及其环氧树脂复合材料的界面性能进行了分析和测试。结果表明: 20 wt %磷酸溶液处理的芳纶纤维, 纤维表面含氧官能团含量最高; 继续提高磷酸溶液的浓度, 含氧官能团含量下降, 纤维表面趋于平整, 单丝强度上升。用20 wt %磷酸溶液处理芳纶纤维, 纤维/ 环氧树脂基复合材料的层间剪切强度达到62 MPa , 界面剪切强度提高18 % , 是一种简单有效的表面处理方法。纤维表面粗糙度和纤维表面含氧官能团的数量是影响芳纶纤维/ 环氧树脂复合材料界面结合性能的关键因素。
2007, 24(3): 13-17.
摘要:
累托石的表面性质直接影响其在聚合物中的分散性, 进而对其复合材料的结构与性能有很大的影响。通过反气相色谱法, 采用非极性和极性探针研究累托石(REC) , 十二烷基二甲基苄基溴化铵处理的累托石(12-OREC) 和十六烷基三甲基溴化铵处理的累托石(16-OREC) 以及聚氨酯( TPU) 的表面色散能和表面酸碱性, 分析了REC , 12-OREC , 16-OREC 和TPU 的表面性质与其复合材料微观结构的关系。结果发现: REC 表面色散能较高, 表面酸性较强, 在TPU 基体中的分散性较差; 改性后的12-OREC 、16-OREC 色散能明显降低, 且表面呈一定碱性, 在TPU 中的分散性明显改善; 12-OREC 与TPU 的色散能较接近, 酸碱作用参数较匹配, 在TPU 基体中的分散性更优。
累托石的表面性质直接影响其在聚合物中的分散性, 进而对其复合材料的结构与性能有很大的影响。通过反气相色谱法, 采用非极性和极性探针研究累托石(REC) , 十二烷基二甲基苄基溴化铵处理的累托石(12-OREC) 和十六烷基三甲基溴化铵处理的累托石(16-OREC) 以及聚氨酯( TPU) 的表面色散能和表面酸碱性, 分析了REC , 12-OREC , 16-OREC 和TPU 的表面性质与其复合材料微观结构的关系。结果发现: REC 表面色散能较高, 表面酸性较强, 在TPU 基体中的分散性较差; 改性后的12-OREC 、16-OREC 色散能明显降低, 且表面呈一定碱性, 在TPU 中的分散性明显改善; 12-OREC 与TPU 的色散能较接近, 酸碱作用参数较匹配, 在TPU 基体中的分散性更优。
2007, 24(3): 18-22.
摘要:
采用中性盐雾条件模拟海洋大气环境进行加速老化试验, 评价玻璃纤维增强环氧改性酚醛树脂基复合材料( GFRP) 在海洋气候中的耐久性。通过该复合材料经盐雾老化后的质量变化和纵向拉伸强度、横向拉伸强度、压缩强度、层间剪切强度的变化, 结合湿热老化机理, 研究其老化规律。结果表明, 随着老化时间的增加, 复合材料的吸湿量增加, 力学强度下降, 压缩和层间剪切曲线表现出塑性特征。吸湿最初阶段对力学性能影响最大, 纵向拉伸强度、横向拉伸强度、压缩强度、层间剪切强度分别下降到56. 1 %、54. 7 %、54. 0 %、61. 0 %。其中拉伸强度变化趋势最稳定, 更适用于评价该复合材料的老化程度。
采用中性盐雾条件模拟海洋大气环境进行加速老化试验, 评价玻璃纤维增强环氧改性酚醛树脂基复合材料( GFRP) 在海洋气候中的耐久性。通过该复合材料经盐雾老化后的质量变化和纵向拉伸强度、横向拉伸强度、压缩强度、层间剪切强度的变化, 结合湿热老化机理, 研究其老化规律。结果表明, 随着老化时间的增加, 复合材料的吸湿量增加, 力学强度下降, 压缩和层间剪切曲线表现出塑性特征。吸湿最初阶段对力学性能影响最大, 纵向拉伸强度、横向拉伸强度、压缩强度、层间剪切强度分别下降到56. 1 %、54. 7 %、54. 0 %、61. 0 %。其中拉伸强度变化趋势最稳定, 更适用于评价该复合材料的老化程度。
2007, 24(3): 23-27.
摘要:
将相同厚度不同碳纳米管含量, 以及不同厚度相同碳纳米管含量的多壁碳纳米管加入玻璃纤维增强复合材料中, 并研究了其在26. 5~40. 0 GHz 频段的吸波性能。结果发现, 多壁碳纳米管具有吸波性能, 而且吸波性能随着多壁碳纳米管含量的增加而提高。多壁碳纳米管/ 玻璃纤维/ 环氧树脂复合材料层板在26. 5~40. 0 GHz频段表现出较好的吸收效果, 其吸波性在于碳纳米管本身具有吸波性能, 此外还与吸波材料的谐振吸波原理有关。通过对该复合材料的电磁参数的测定并计算, 证明实验结果与吸波原理相符合。
将相同厚度不同碳纳米管含量, 以及不同厚度相同碳纳米管含量的多壁碳纳米管加入玻璃纤维增强复合材料中, 并研究了其在26. 5~40. 0 GHz 频段的吸波性能。结果发现, 多壁碳纳米管具有吸波性能, 而且吸波性能随着多壁碳纳米管含量的增加而提高。多壁碳纳米管/ 玻璃纤维/ 环氧树脂复合材料层板在26. 5~40. 0 GHz频段表现出较好的吸收效果, 其吸波性在于碳纳米管本身具有吸波性能, 此外还与吸波材料的谐振吸波原理有关。通过对该复合材料的电磁参数的测定并计算, 证明实验结果与吸波原理相符合。
2007, 24(3): 28-34.
摘要:
利用压制成型工艺制备了洋麻纤维增强全降解复合材料, 分析了纤维体积分数、长度以及取向分布对材料弯曲模量的影响, 并根据COX 剪滞法和洋麻纤维在成型后被压缩的结构特点, 探讨了一种修正COX 剪滞模型对弯曲模量的预测。实验表明, 随着纤维体积分数、长度和取向因子的增加, 材料的弯曲模量增加。扫描电镜的观察显示洋麻纤维的横断面呈现多孔状结构, 成型后受到压缩而变得致密, 增加了材料的弯曲模量。预测结果表明, 结合了纤维压缩率的修正模型的预测计算值与实验值取得较好的一致。
利用压制成型工艺制备了洋麻纤维增强全降解复合材料, 分析了纤维体积分数、长度以及取向分布对材料弯曲模量的影响, 并根据COX 剪滞法和洋麻纤维在成型后被压缩的结构特点, 探讨了一种修正COX 剪滞模型对弯曲模量的预测。实验表明, 随着纤维体积分数、长度和取向因子的增加, 材料的弯曲模量增加。扫描电镜的观察显示洋麻纤维的横断面呈现多孔状结构, 成型后受到压缩而变得致密, 增加了材料的弯曲模量。预测结果表明, 结合了纤维压缩率的修正模型的预测计算值与实验值取得较好的一致。
2007, 24(3): 35-39.
摘要:
在1-烯丙基-3-甲基咪唑氯室温离子液体中, 将纳米TiO2粉末与纤维素浆粕进行溶液共混, 所得纤维素用水再生后, 经过超临界CO2干燥处理, 制备了不同TiO2 含量的纳米TiO2 / 再生纤维素复合膜。通过扫描电子显微镜(SEM) 、X 射线衍射(XRD) 、傅立叶变换红外光谱( FTIR) 对所得薄膜的形貌、结构进行表征。利用PCC-2 型光催化活性检测仪测试薄膜在紫外光下光催化降解亚甲基蓝的能力, 评价薄膜的光催化活性。讨论了纳米TiO2 含量、超临界CO2 干燥和真空干燥对薄膜性能的影响。结果表明: 复合膜的光催化活性达到所用TiO2粉体的90 %; 经超临界CO2 干燥处理所得复合膜的光催化活性明显高于真空干燥所得复合膜的活性; 纳米复合膜的光催化活性随TiO2 含量的增加先升高后降低, 含量为5 %时光催化活性最高。
在1-烯丙基-3-甲基咪唑氯室温离子液体中, 将纳米TiO2粉末与纤维素浆粕进行溶液共混, 所得纤维素用水再生后, 经过超临界CO2干燥处理, 制备了不同TiO2 含量的纳米TiO2 / 再生纤维素复合膜。通过扫描电子显微镜(SEM) 、X 射线衍射(XRD) 、傅立叶变换红外光谱( FTIR) 对所得薄膜的形貌、结构进行表征。利用PCC-2 型光催化活性检测仪测试薄膜在紫外光下光催化降解亚甲基蓝的能力, 评价薄膜的光催化活性。讨论了纳米TiO2 含量、超临界CO2 干燥和真空干燥对薄膜性能的影响。结果表明: 复合膜的光催化活性达到所用TiO2粉体的90 %; 经超临界CO2 干燥处理所得复合膜的光催化活性明显高于真空干燥所得复合膜的活性; 纳米复合膜的光催化活性随TiO2 含量的增加先升高后降低, 含量为5 %时光催化活性最高。
2007, 24(3): 40-44.
摘要:
以烯基琥珀酸酐( ASA) 作为新型增塑剂, 使用三氯甲烷作为聚乳酸( PLA) 和乙基纤维素( EC) 的共溶剂, 采用溶液浇铸法成功制备了聚乳酸/ 乙基纤维素复合膜。用红外光谱( FT IR) 、X 射线衍射(XRD) 表征了复合膜结构, 并测试了其吸水性和力学性能。FTIR 测试结果显示, 复合膜中存在强烈的氢键相互作用。XRD 表明,ASA 显著提高了PLA 和EC 2 种高聚物的界面黏合性。力学测试结果表明, ASA 对该复合膜具有良好的增塑效果。当膜中PLA 质量分数[ 37%时, PLA 对复合膜起增强作用。复合膜的吸水性随ASA 含量的增大而降低, 随PLA 含量的增大而提高。该复合膜作为一种潜在的药物缓释材料, 将具有广阔应用前景。
以烯基琥珀酸酐( ASA) 作为新型增塑剂, 使用三氯甲烷作为聚乳酸( PLA) 和乙基纤维素( EC) 的共溶剂, 采用溶液浇铸法成功制备了聚乳酸/ 乙基纤维素复合膜。用红外光谱( FT IR) 、X 射线衍射(XRD) 表征了复合膜结构, 并测试了其吸水性和力学性能。FTIR 测试结果显示, 复合膜中存在强烈的氢键相互作用。XRD 表明,ASA 显著提高了PLA 和EC 2 种高聚物的界面黏合性。力学测试结果表明, ASA 对该复合膜具有良好的增塑效果。当膜中PLA 质量分数[ 37%时, PLA 对复合膜起增强作用。复合膜的吸水性随ASA 含量的增大而降低, 随PLA 含量的增大而提高。该复合膜作为一种潜在的药物缓释材料, 将具有广阔应用前景。
2007, 24(3): 45-51.
摘要:
通过熔融共混过程中原位接枝的方法制得聚丙烯酸丁酯接枝改性纳米二氧化硅/ 聚丙烯(SiO2-g- PBA/PP) 复合材料, 探讨了材料制备的最佳工艺条件, 研究了复合材料的机械性能、结晶性能、微观形貌以及动态黏弹行为。结果表明, 少量纳米粒子(体积分数≤1.36 %) 的加入即可对PP 起到同时增强增韧的作用, 制备SiO2-g- PBA/PP 的适宜工艺条件为熔融共混温度180 ℃, 共混时间10 min , 转子转速60 r/ min。对复合材料结晶行为的研究表明, 纳米粒子的成核效应使PP 的结晶速率加快。微观形态观察表明, 纳米粒子与聚合物基体间具有良好的界面结合, 这一点从对材料动态黏弹行为的研究中得到进一步证明, 从而阐明了纳米粒子增韧增强聚合物的机理。
通过熔融共混过程中原位接枝的方法制得聚丙烯酸丁酯接枝改性纳米二氧化硅/ 聚丙烯(SiO2-g- PBA/PP) 复合材料, 探讨了材料制备的最佳工艺条件, 研究了复合材料的机械性能、结晶性能、微观形貌以及动态黏弹行为。结果表明, 少量纳米粒子(体积分数≤1.36 %) 的加入即可对PP 起到同时增强增韧的作用, 制备SiO2-g- PBA/PP 的适宜工艺条件为熔融共混温度180 ℃, 共混时间10 min , 转子转速60 r/ min。对复合材料结晶行为的研究表明, 纳米粒子的成核效应使PP 的结晶速率加快。微观形态观察表明, 纳米粒子与聚合物基体间具有良好的界面结合, 这一点从对材料动态黏弹行为的研究中得到进一步证明, 从而阐明了纳米粒子增韧增强聚合物的机理。
2007, 24(3): 52-58.
摘要:
采用对玻璃纤维/ 聚丙烯( GF/ PP) 复合纱针织物热压的方法制备得到GF/ PP 复合纱针织物复合材料,并通过改变降温冷却阶段的降温方式得到4 组具有不同冷却方式的GF/ PP 复合材料试样。运用X 射线衍射法对不同冷却方式得到的GF/ PP 复合纱针织物复合材料基体的结晶结构进行了研究。研究表明, 所采用的几种冷却方式对基体的结晶形态没有影响, 而基体的结晶度、微晶尺寸以及球晶的尺寸均有差异: 随着冷却速度的减慢、冷却时间的延长, 基体的结晶度、微晶尺寸及球晶尺寸均呈增大趋势。
采用对玻璃纤维/ 聚丙烯( GF/ PP) 复合纱针织物热压的方法制备得到GF/ PP 复合纱针织物复合材料,并通过改变降温冷却阶段的降温方式得到4 组具有不同冷却方式的GF/ PP 复合材料试样。运用X 射线衍射法对不同冷却方式得到的GF/ PP 复合纱针织物复合材料基体的结晶结构进行了研究。研究表明, 所采用的几种冷却方式对基体的结晶形态没有影响, 而基体的结晶度、微晶尺寸以及球晶的尺寸均有差异: 随着冷却速度的减慢、冷却时间的延长, 基体的结晶度、微晶尺寸及球晶尺寸均呈增大趋势。
2007, 24(3): 59-62.
摘要:
以聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯酸甲酯( PMMA-PMA) 为基体, 钇稳定氧化锆纤维为增强相, 采用悬浮聚合的方法, 制备了氧化锆短纤维增强PMMA-PMA 义齿基托复合材料。分别研究了单体配比、引发剂用量和氧化锆纤维质量分数对复合材料性能的影响。采用万能材料试验机、扫描电子显微镜和X 射线衍射分别对材料的抗折强度和断面的微观形貌等进行了测试和表征。结果表明: 当MMA/ MA = 9∶1 (体积比) 时复合材料抗折强度达到极大值; 随着引发剂过氧化苯甲酰(BPO) 用量的增加, 复合材料的抗折强度呈现先增大后减小的趋势; 随ZrO2纤维含量增加, 复合材料的断裂面由平整向多层断裂变化, 材料的韧性有所提高。
以聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯酸甲酯( PMMA-PMA) 为基体, 钇稳定氧化锆纤维为增强相, 采用悬浮聚合的方法, 制备了氧化锆短纤维增强PMMA-PMA 义齿基托复合材料。分别研究了单体配比、引发剂用量和氧化锆纤维质量分数对复合材料性能的影响。采用万能材料试验机、扫描电子显微镜和X 射线衍射分别对材料的抗折强度和断面的微观形貌等进行了测试和表征。结果表明: 当MMA/ MA = 9∶1 (体积比) 时复合材料抗折强度达到极大值; 随着引发剂过氧化苯甲酰(BPO) 用量的增加, 复合材料的抗折强度呈现先增大后减小的趋势; 随ZrO2纤维含量增加, 复合材料的断裂面由平整向多层断裂变化, 材料的韧性有所提高。
2007, 24(3): 63-71.
摘要:
用硅烷YH-62 对木粉(WF) 和插层蒙脱土(OMMT) 进行表面改性, 熔融共混挤出制备了OMMT/ 硅烷改性木粉(STWF) / 聚氯乙烯( PVC) 复合材料。分析了硅烷改性和添加蒙脱土含量对材料力学性能的影响。用X射线衍射(XRD) 、透射电镜( TEM) 和扫描电镜(SEM) 观察了蒙脱土的插层和分散效果, 用傅立叶红外光谱( FTIR) 、X 射线光电子能谱(XPS) 研究了硅烷改性效果, 分析了表面接枝反应机理。结果表明, 硅烷偶联剂与木粉形成了有效的化学键, 并能够与OMMT 表面产生化学连接, 改善木粉与PVC 及蒙脱土间的界面相容性, 提高了木塑材料的力学性能。在适量加入OMMT 后, 木塑材料的力学性能得到了进一步改善。但含量过高, 会形成厚界面层, 甚至使OMMT 和木粉团聚, 分布不均匀, 引起性能降低。
用硅烷YH-62 对木粉(WF) 和插层蒙脱土(OMMT) 进行表面改性, 熔融共混挤出制备了OMMT/ 硅烷改性木粉(STWF) / 聚氯乙烯( PVC) 复合材料。分析了硅烷改性和添加蒙脱土含量对材料力学性能的影响。用X射线衍射(XRD) 、透射电镜( TEM) 和扫描电镜(SEM) 观察了蒙脱土的插层和分散效果, 用傅立叶红外光谱( FTIR) 、X 射线光电子能谱(XPS) 研究了硅烷改性效果, 分析了表面接枝反应机理。结果表明, 硅烷偶联剂与木粉形成了有效的化学键, 并能够与OMMT 表面产生化学连接, 改善木粉与PVC 及蒙脱土间的界面相容性, 提高了木塑材料的力学性能。在适量加入OMMT 后, 木塑材料的力学性能得到了进一步改善。但含量过高, 会形成厚界面层, 甚至使OMMT 和木粉团聚, 分布不均匀, 引起性能降低。
2007, 24(3): 72-77.
摘要:
采用X射线衍射、差示量热分析和常规力学性能等测试方法研究了纳米羟基磷灰石增强聚酰胺66(n- HA/ PA66) 复合材料在不同加工条件和后处理工艺下的结晶行为和力学性能。结果表明, 提高样品的退火温度会降低纯PA66 及其复合材料中PA66 的结晶峰强度。在n- HA/ PA66 复合材料中, 基体树脂PA66 的α晶体中只有α2 的结晶峰存在,α1 的结晶峰基本消失。提高复合材料的注射压力, PA66 结晶峰的强度降低, 结晶度增加; 退火温度对材料的结晶度没有明显的影响。复合材料的结晶行为与其力学性能之间有着紧密的联系。
采用X射线衍射、差示量热分析和常规力学性能等测试方法研究了纳米羟基磷灰石增强聚酰胺66(n- HA/ PA66) 复合材料在不同加工条件和后处理工艺下的结晶行为和力学性能。结果表明, 提高样品的退火温度会降低纯PA66 及其复合材料中PA66 的结晶峰强度。在n- HA/ PA66 复合材料中, 基体树脂PA66 的α晶体中只有α2 的结晶峰存在,α1 的结晶峰基本消失。提高复合材料的注射压力, PA66 结晶峰的强度降低, 结晶度增加; 退火温度对材料的结晶度没有明显的影响。复合材料的结晶行为与其力学性能之间有着紧密的联系。
2007, 24(3): 78-83.
摘要:
以聚丙烯(PP) 和乙烯-丙烯酸共聚物( EAA) 的共混物为基体材料, 以导电炭黑为填料, 通过熔融共混的方法制备了导电复合材料。探讨了导电炭黑在两相基体中的分散情况以及聚丙烯结晶度对复合体系导电性能的影响。扫描电镜测试结果表明, 在共混物中炭黑粒子选择性分散在极性EAA 树脂中, 同时EAA 树脂在聚丙烯基体中形成连续网络结构, 从而显著降低了复合体系的渗滤阈值。电性能测试结果表明, 材料在相同导电炭黑含量下的体积电阻率相对于单基体体系有7~8 个数量级的降低, 并且结晶度较高的PP 更有利于降低复合体系的体积电阻率。此外, 炭黑/ PP-EAA 复合材料的拉伸强度相对于炭黑/ PP 体系有所下降, 而断裂伸长率有所提高。
以聚丙烯(PP) 和乙烯-丙烯酸共聚物( EAA) 的共混物为基体材料, 以导电炭黑为填料, 通过熔融共混的方法制备了导电复合材料。探讨了导电炭黑在两相基体中的分散情况以及聚丙烯结晶度对复合体系导电性能的影响。扫描电镜测试结果表明, 在共混物中炭黑粒子选择性分散在极性EAA 树脂中, 同时EAA 树脂在聚丙烯基体中形成连续网络结构, 从而显著降低了复合体系的渗滤阈值。电性能测试结果表明, 材料在相同导电炭黑含量下的体积电阻率相对于单基体体系有7~8 个数量级的降低, 并且结晶度较高的PP 更有利于降低复合体系的体积电阻率。此外, 炭黑/ PP-EAA 复合材料的拉伸强度相对于炭黑/ PP 体系有所下降, 而断裂伸长率有所提高。
2007, 24(3): 84-88.
摘要:
以人工林杉木粉为原料和正硅酸乙酯( TEOS) 为无机前驱体, 依据溶剂热法反应原理, 采用溶胶凝胶的方法制备了SiO2 / 木材复合材料。通过红外光谱分析( FTIR) 、X射线衍射分析(XRD) 、热失重分析( TGA) 、扫描电子显微镜分析(SEM) 等方法, 研究了该复合材料的结构和性能。研究结果表明, 使用这种方法, 木材的增重率显著提高。木材中的羟基与正硅酸乙酯水解后的羟基发生了缩合反应, 体系中存在Si —O —C 交联网络, 微观上形成了纳米网络结构。木质纤维素的结晶被破坏, 结晶度从75. 37 %(纯木粉) 下降到37. 42 %(木材增重率为78 %的复合体系) 。交联网络的形成显著提高了该材料的耐热性能, 使失重10 %时的热分解温度从270 ℃(纯木粉) 提高到409 ℃。
以人工林杉木粉为原料和正硅酸乙酯( TEOS) 为无机前驱体, 依据溶剂热法反应原理, 采用溶胶凝胶的方法制备了SiO2 / 木材复合材料。通过红外光谱分析( FTIR) 、X射线衍射分析(XRD) 、热失重分析( TGA) 、扫描电子显微镜分析(SEM) 等方法, 研究了该复合材料的结构和性能。研究结果表明, 使用这种方法, 木材的增重率显著提高。木材中的羟基与正硅酸乙酯水解后的羟基发生了缩合反应, 体系中存在Si —O —C 交联网络, 微观上形成了纳米网络结构。木质纤维素的结晶被破坏, 结晶度从75. 37 %(纯木粉) 下降到37. 42 %(木材增重率为78 %的复合体系) 。交联网络的形成显著提高了该材料的耐热性能, 使失重10 %时的热分解温度从270 ℃(纯木粉) 提高到409 ℃。
2007, 24(3): 89-93.
摘要:
通过扫描电子显微镜和光学显微镜研究了2 种天然高分子泡沫材料, 即玉米秆芯和高粱秆芯切面的泡孔形态结构及胞体堆砌模式。测试了材料在轴向和径向的压缩杨氏模量和压缩屈服强度等力学性能, 探讨了泡沫材料的压缩变形机制, 建立了天然泡沫材料的复合结构模型, 并分析了力学性能与复合结构的关系。研究结果表明, 这2 种天然泡沫均由一种近似六棱柱和少量圆形管状胞体构成, 它们在轴向的杨氏模量和屈服强度分别比径向的大4 倍以上。导管增强的复合结构是引起天然泡沫材料具有明显各向异性的重要原因, 其中厚壁导管的轴向杨氏模量约为不规则六棱柱胞体的105 倍。
通过扫描电子显微镜和光学显微镜研究了2 种天然高分子泡沫材料, 即玉米秆芯和高粱秆芯切面的泡孔形态结构及胞体堆砌模式。测试了材料在轴向和径向的压缩杨氏模量和压缩屈服强度等力学性能, 探讨了泡沫材料的压缩变形机制, 建立了天然泡沫材料的复合结构模型, 并分析了力学性能与复合结构的关系。研究结果表明, 这2 种天然泡沫均由一种近似六棱柱和少量圆形管状胞体构成, 它们在轴向的杨氏模量和屈服强度分别比径向的大4 倍以上。导管增强的复合结构是引起天然泡沫材料具有明显各向异性的重要原因, 其中厚壁导管的轴向杨氏模量约为不规则六棱柱胞体的105 倍。
2007, 24(3): 94-99.
摘要:
对分别加入4 种稀释剂的双酚A 环氧树脂和酚醛环氧树脂的电子束辐射固化性能进行了研究。分析了稀释剂种类及含量对环氧树脂体系辐射产物的固化度、固化均匀性、固化区域大小及其动态力学性能的影响规律。结果表明: 电子束固化环氧树脂体系中加入稀释剂后, 辐射产物的固化度、玻璃化转变温度及储能模量有所下降, 但固化均匀性得到提高; 加入稀释剂的环氧树脂电子束固化区域的厚度均小于未加稀释剂树脂, 而底面直径却大于未加稀释剂树脂; 随着树脂中实际稀释剂含量的增加, 电子束固化环氧树脂固化度逐渐降低, 固化层厚度减小, 固化区域的底面直径先增加后减小。
对分别加入4 种稀释剂的双酚A 环氧树脂和酚醛环氧树脂的电子束辐射固化性能进行了研究。分析了稀释剂种类及含量对环氧树脂体系辐射产物的固化度、固化均匀性、固化区域大小及其动态力学性能的影响规律。结果表明: 电子束固化环氧树脂体系中加入稀释剂后, 辐射产物的固化度、玻璃化转变温度及储能模量有所下降, 但固化均匀性得到提高; 加入稀释剂的环氧树脂电子束固化区域的厚度均小于未加稀释剂树脂, 而底面直径却大于未加稀释剂树脂; 随着树脂中实际稀释剂含量的增加, 电子束固化环氧树脂固化度逐渐降低, 固化层厚度减小, 固化区域的底面直径先增加后减小。
2007, 24(3): 100-104.
摘要:
用差示扫描量热法(DSC) 在动态条件下对840S 环氧树脂体系的固化反应动力学进行了研究。根据所测量的不同升温速率的DSC 曲线, 运用温度升温速率( T-β) 图外推法得到该环氧树脂体系的固化工艺参数, 即凝胶化温度、固化温度、后处理温度, 这些温度参数为制定合理的固化工艺提供了理论基础。采用Kissinger 方程和Crane 方程计算该840S 环氧树脂体系的动力学参数, 即表观活化能Ea 、表观频率因子A 和反应级数n 。根据所计算的动力学参数, 建立了该840S 环氧树脂体系的固化动力学模型。利用所建立的固化动力学模型分别预测了等温和动态条件下840S 环氧树脂体系的固化反应特性。
用差示扫描量热法(DSC) 在动态条件下对840S 环氧树脂体系的固化反应动力学进行了研究。根据所测量的不同升温速率的DSC 曲线, 运用温度升温速率( T-β) 图外推法得到该环氧树脂体系的固化工艺参数, 即凝胶化温度、固化温度、后处理温度, 这些温度参数为制定合理的固化工艺提供了理论基础。采用Kissinger 方程和Crane 方程计算该840S 环氧树脂体系的动力学参数, 即表观活化能Ea 、表观频率因子A 和反应级数n 。根据所计算的动力学参数, 建立了该840S 环氧树脂体系的固化动力学模型。利用所建立的固化动力学模型分别预测了等温和动态条件下840S 环氧树脂体系的固化反应特性。
2007, 24(3): 105-108.
摘要:
在RTM 工艺模拟及RTM 工艺专用树脂黏度特性研究的基础上, 提出充模时间与安全系数的乘积小于树脂低黏度平台时间的树脂注射温度优化标准和充模时间、树脂低黏度平台时间的计算方法, 制定了程序化流程并编制了软件, 使优化得以实施。在此基础上, 选取Q Y8911-Ⅳ双马树脂对所选制件进行模拟充模作为注射温度优化的实例, 确定了树脂低黏度平台时间的变化范围, 得到了不同条件下的优化注射温度。优化实例表明, 优化软件可实现对树脂注射温度的优化。
在RTM 工艺模拟及RTM 工艺专用树脂黏度特性研究的基础上, 提出充模时间与安全系数的乘积小于树脂低黏度平台时间的树脂注射温度优化标准和充模时间、树脂低黏度平台时间的计算方法, 制定了程序化流程并编制了软件, 使优化得以实施。在此基础上, 选取Q Y8911-Ⅳ双马树脂对所选制件进行模拟充模作为注射温度优化的实例, 确定了树脂低黏度平台时间的变化范围, 得到了不同条件下的优化注射温度。优化实例表明, 优化软件可实现对树脂注射温度的优化。
2007, 24(3): 109-115.
摘要:
采用“等效介质模型”, 分析了复合材料夹层蜂窝平板的整体换热系数。在此基础上, 针对轻质蜂窝(相对密度小于0. 3) , 选取蜂窝面内等效剪切刚度表征夹层结构的承载能力, 综合考虑散热能力和结构承载能力, 比较了Kagome 蜂窝与传统的正三角形、正方形和正六边形蜂窝的性能。结果显示Kagome 蜂窝不但散热性能很好, 而且通过对蜂窝相对密度和尺寸的优化, 在结构质量相同的情况下, Kagome 蜂窝的综合性能比传统蜂窝具有明显优势。
采用“等效介质模型”, 分析了复合材料夹层蜂窝平板的整体换热系数。在此基础上, 针对轻质蜂窝(相对密度小于0. 3) , 选取蜂窝面内等效剪切刚度表征夹层结构的承载能力, 综合考虑散热能力和结构承载能力, 比较了Kagome 蜂窝与传统的正三角形、正方形和正六边形蜂窝的性能。结果显示Kagome 蜂窝不但散热性能很好, 而且通过对蜂窝相对密度和尺寸的优化, 在结构质量相同的情况下, Kagome 蜂窝的综合性能比传统蜂窝具有明显优势。
2007, 24(3): 116-120.
摘要:
采用单向法测量了三维编织预制件的饱和与不饱和渗透率, 从渗透率实验确定了毛细压力, 研究了纤维体积分数对饱和、不饱和渗透率的影响。分析了编织参数、注入压力对渗透率测量的作用, 以注入压力Pm 为x轴, 以相同的某一段时间所到达的流动前沿的平方( x2 ) 为y 轴作图, 并拟合成直线, 该直线与x 轴的水平截距即为毛细压力。实验结果表明: 随着纤维体积分数的增加, 饱和渗透率与不饱和渗透率均降低, 且饱和渗透率大于不饱和渗透率; 编织结构影响渗透率, 不饱和渗透率随着编织角的增加而减小; 准确的渗透率的测试结果不依赖注入压力, 开始阶段渗透率值较大, 随着充模距离的增加, 渗透率逐渐降低, 并趋于稳定值。
采用单向法测量了三维编织预制件的饱和与不饱和渗透率, 从渗透率实验确定了毛细压力, 研究了纤维体积分数对饱和、不饱和渗透率的影响。分析了编织参数、注入压力对渗透率测量的作用, 以注入压力Pm 为x轴, 以相同的某一段时间所到达的流动前沿的平方( x2 ) 为y 轴作图, 并拟合成直线, 该直线与x 轴的水平截距即为毛细压力。实验结果表明: 随着纤维体积分数的增加, 饱和渗透率与不饱和渗透率均降低, 且饱和渗透率大于不饱和渗透率; 编织结构影响渗透率, 不饱和渗透率随着编织角的增加而减小; 准确的渗透率的测试结果不依赖注入压力, 开始阶段渗透率值较大, 随着充模距离的增加, 渗透率逐渐降低, 并趋于稳定值。
2007, 24(3): 121-125.
摘要:
采用等离子体聚合技术在多壁碳纳米管(MWNTs) 表面聚合苯乙烯( Styrene) 、吡咯( Pyrrole) 有机膜。高分辨电镜( HRTEM) 分析显示MWNTs 内外表面均生成纳米级厚度的有机膜, 其中外壁表面厚约7 nm , 内壁表面厚约1~3 nm。将经过表面有机膜处理的MWNTs 添加到聚苯乙烯中, 制备出多壁碳纳米管/ 聚苯乙烯(MWNTs/ PS) 复合材料。扫描电镜(SEM) 对MWNTs/ PS 复合材料分析表明, 覆膜的MWNT 在复合材料中的分散得到改善。通过力学拉伸试验测试了MWNTs/ PS 复合材料断裂强度和弹性模量与MWNTs 含量的关系, 证明了经有机覆膜处理的MWNTs 与PS 形成的复合材料的整体强度得到显著提高。
采用等离子体聚合技术在多壁碳纳米管(MWNTs) 表面聚合苯乙烯( Styrene) 、吡咯( Pyrrole) 有机膜。高分辨电镜( HRTEM) 分析显示MWNTs 内外表面均生成纳米级厚度的有机膜, 其中外壁表面厚约7 nm , 内壁表面厚约1~3 nm。将经过表面有机膜处理的MWNTs 添加到聚苯乙烯中, 制备出多壁碳纳米管/ 聚苯乙烯(MWNTs/ PS) 复合材料。扫描电镜(SEM) 对MWNTs/ PS 复合材料分析表明, 覆膜的MWNT 在复合材料中的分散得到改善。通过力学拉伸试验测试了MWNTs/ PS 复合材料断裂强度和弹性模量与MWNTs 含量的关系, 证明了经有机覆膜处理的MWNTs 与PS 形成的复合材料的整体强度得到显著提高。
2007, 24(3): 126-130.
摘要:
用电磁波穿透方法实验研究了长度为2μm 和15μm , 直径分别为30 、60 和100 nm 的6 种碳纳米管8~12 GHz 电磁波衰减特性。结果表明, 直径为30 nm 时, 长度为15μm 的碳纳米管的电磁波衰减能力大于长度2μm的; 直径分别为60 nm 和100 nm 时, 长度为2μm 的碳纳米管的电磁波衰减能力均大于长度为15μm 的。在长度相同的情况下, 不同直径碳纳米管的电磁波衰减能力为: 60 nm > 100 nm > 30 nm。6 种碳纳米管的电磁波衰减能力为: Ф60 nm ×2μm > Ф60 nm ×15μm > Ф100 nm ×2μm > Ф100 nm ×15μm > Ф30 nm ×15μm > Ф30 nm ×2μm。实验还发现长径比较小的碳纳米管的电磁波衰减能力明显好于长径比较大的磁纳米管的电磁波衰减能力;但碳纳米管长径比与电磁波衰减能力之间并不存在简单的线性关系。
用电磁波穿透方法实验研究了长度为2μm 和15μm , 直径分别为30 、60 和100 nm 的6 种碳纳米管8~12 GHz 电磁波衰减特性。结果表明, 直径为30 nm 时, 长度为15μm 的碳纳米管的电磁波衰减能力大于长度2μm的; 直径分别为60 nm 和100 nm 时, 长度为2μm 的碳纳米管的电磁波衰减能力均大于长度为15μm 的。在长度相同的情况下, 不同直径碳纳米管的电磁波衰减能力为: 60 nm > 100 nm > 30 nm。6 种碳纳米管的电磁波衰减能力为: Ф60 nm ×2μm > Ф60 nm ×15μm > Ф100 nm ×2μm > Ф100 nm ×15μm > Ф30 nm ×15μm > Ф30 nm ×2μm。实验还发现长径比较小的碳纳米管的电磁波衰减能力明显好于长径比较大的磁纳米管的电磁波衰减能力;但碳纳米管长径比与电磁波衰减能力之间并不存在简单的线性关系。
2007, 24(3): 131-135.
摘要:
以硅酸钠为主要原料, 通过液相沉淀法在纳米镍粉表面包覆了一层SiO2 。应用XRD、FTIR、TEM、TGA、DSC 和VSM 对复合粉体的结构、形貌和磁性能进行了研究。结果表明, SiO2 以非晶态的形式包覆在纳米镍粒子表面, 形成了核壳结构, 降低了纳米粉体的团聚现象。TGA 和DSC 结果表明, SiO2 的包覆提高了纳米粉体的抗氧化性。磁性分析结果表明, 粉体包覆前由于表面氧化层(NiO) 的存在, 粉体的磁滞回线偏移; 包覆后的粉体由于SiO2的存在, 饱和磁化强度降低, 矫顽力升高。
以硅酸钠为主要原料, 通过液相沉淀法在纳米镍粉表面包覆了一层SiO2 。应用XRD、FTIR、TEM、TGA、DSC 和VSM 对复合粉体的结构、形貌和磁性能进行了研究。结果表明, SiO2 以非晶态的形式包覆在纳米镍粒子表面, 形成了核壳结构, 降低了纳米粉体的团聚现象。TGA 和DSC 结果表明, SiO2 的包覆提高了纳米粉体的抗氧化性。磁性分析结果表明, 粉体包覆前由于表面氧化层(NiO) 的存在, 粉体的磁滞回线偏移; 包覆后的粉体由于SiO2的存在, 饱和磁化强度降低, 矫顽力升高。
2007, 24(3): 136-140.
摘要:
采用柠檬酸盐前驱体技术, 合成了粒径约为20~70 nm 的尖晶石结构MnFe2O4 纳米颗粒, 用聚乙烯亚胺( PEI) 对MnFe2O4 纳米颗粒进行表面处理后, 以异丙醇钛为前驱物, 采用sol2gel 法在纳米MnFe2O4 表面包覆锐钛矿型TiO2 纳米层形成核壳结构。利用透射电子显微镜( TEM) 、X射线衍射仪(XRD) 和振动样品磁强计等测试手段对样品的结构、形貌、粒径以及磁学性能等进行了表征。采用罗丹明B 的光催化降解反应对所制催化剂的活性进行了评价。结果表明, 核壳结构TiO2 / MnFe2O4 复合纳米颗粒的光催化活性随着壳层厚度的增加而增强,当达到一定厚度以后, 其催化活性不随壳层厚度的增加而改变。复合颗粒中TiO2 含量达到30 wt % , 反应时间4 h时, TiO2 / MnFe2O4 磁性光催化剂对罗丹明B 的光降解率达到100 % , 与纯TiO2 纳米粉体的催化活性相当, 且光催化活性稳定, 是一种便于回收、可重复使用的高效光催化剂。
采用柠檬酸盐前驱体技术, 合成了粒径约为20~70 nm 的尖晶石结构MnFe2O4 纳米颗粒, 用聚乙烯亚胺( PEI) 对MnFe2O4 纳米颗粒进行表面处理后, 以异丙醇钛为前驱物, 采用sol2gel 法在纳米MnFe2O4 表面包覆锐钛矿型TiO2 纳米层形成核壳结构。利用透射电子显微镜( TEM) 、X射线衍射仪(XRD) 和振动样品磁强计等测试手段对样品的结构、形貌、粒径以及磁学性能等进行了表征。采用罗丹明B 的光催化降解反应对所制催化剂的活性进行了评价。结果表明, 核壳结构TiO2 / MnFe2O4 复合纳米颗粒的光催化活性随着壳层厚度的增加而增强,当达到一定厚度以后, 其催化活性不随壳层厚度的增加而改变。复合颗粒中TiO2 含量达到30 wt % , 反应时间4 h时, TiO2 / MnFe2O4 磁性光催化剂对罗丹明B 的光降解率达到100 % , 与纯TiO2 纳米粉体的催化活性相当, 且光催化活性稳定, 是一种便于回收、可重复使用的高效光催化剂。
2007, 24(3): 141-146.
摘要:
为了改善羟基磷灰石( HAP) 的脆性和新骨诱导性, 采用共沉淀法合成HAP , 盐溶法制备丝素蛋白(SF) , 在胶体状态下将HAP 和SF 复合得到了SF/ HAP 复合材料。采用扫描电镜(SEM) 、X 射线衍射(XRD) ,傅立叶红外光谱( FIR) 对复合材料结构和化学组成进行了分析, 在模拟体液中检验了复合材料的生物活性, 并对其抗压强度进行了测定。结果表明: HAP 与SF 在纳米尺度进行了复合, 复合材料中SF 主要以β-折叠构象存在,酰胺Ⅴ红外特征峰消失,β-折叠构象的其他峰发生了移动, 表明HAP 与SF 间存在化学结合; 模拟体液中浸泡18 天后, 复合材料表面形成了片层状的HAP ; 与纯的HAP 晶体比较, 复合材料结构稳定, 具有较好生物活性和骨诱导性, 其抗压强度可达63 MPa , 可望成为理想的骨组织替换和工程支架材料。
为了改善羟基磷灰石( HAP) 的脆性和新骨诱导性, 采用共沉淀法合成HAP , 盐溶法制备丝素蛋白(SF) , 在胶体状态下将HAP 和SF 复合得到了SF/ HAP 复合材料。采用扫描电镜(SEM) 、X 射线衍射(XRD) ,傅立叶红外光谱( FIR) 对复合材料结构和化学组成进行了分析, 在模拟体液中检验了复合材料的生物活性, 并对其抗压强度进行了测定。结果表明: HAP 与SF 在纳米尺度进行了复合, 复合材料中SF 主要以β-折叠构象存在,酰胺Ⅴ红外特征峰消失,β-折叠构象的其他峰发生了移动, 表明HAP 与SF 间存在化学结合; 模拟体液中浸泡18 天后, 复合材料表面形成了片层状的HAP ; 与纯的HAP 晶体比较, 复合材料结构稳定, 具有较好生物活性和骨诱导性, 其抗压强度可达63 MPa , 可望成为理想的骨组织替换和工程支架材料。
2007, 24(3): 147-153.
摘要:
采用分步加热固相法成功制备了纯度较高的各向同性负热膨胀材料ZrW2O8 。将ZrW2O8 与ZrO2 按一定比例混合, 在1200 ℃烧结24 h 制备了热膨胀系数可控的ZrW2O8 / ZrO2 复合材料。研究结果表明, 通过改变ZrW2O8 的体积分数, ZrW2O8 / ZrO2 复合材料的热膨胀系数可以控制为负、正或零。当ZrW2O8 的体积分数为37 %时, 复合材料的热膨胀系数接近零。为了得到致密的ZrW2O8 / ZrO2 复合陶瓷, 采用Al2O3 作为烧结剂, 取得了较好的效果。0. 35 wt % Al2O3 的加入可以在不影响复合材料热膨胀性能的前提下, 显著提高复合材料的致密度。
采用分步加热固相法成功制备了纯度较高的各向同性负热膨胀材料ZrW2O8 。将ZrW2O8 与ZrO2 按一定比例混合, 在1200 ℃烧结24 h 制备了热膨胀系数可控的ZrW2O8 / ZrO2 复合材料。研究结果表明, 通过改变ZrW2O8 的体积分数, ZrW2O8 / ZrO2 复合材料的热膨胀系数可以控制为负、正或零。当ZrW2O8 的体积分数为37 %时, 复合材料的热膨胀系数接近零。为了得到致密的ZrW2O8 / ZrO2 复合陶瓷, 采用Al2O3 作为烧结剂, 取得了较好的效果。0. 35 wt % Al2O3 的加入可以在不影响复合材料热膨胀性能的前提下, 显著提高复合材料的致密度。
2007, 24(3): 154-159.
摘要:
采用准静态压痕(QSI) 实验方法针对多种材料对集中准静态压痕力的损伤阻抗进行了测试。选取2 个特征载荷下的试样进行了超声C 扫描探伤和扫描电镜(SEM) 显微观察, 分析了QSI 实验中层合板的损伤过程, 针对初始分层接触力f1和最大接触力f2对材料的损伤阻抗特性进行了分析。测试了2 种材料体系层压板的最大接触力, 发现该值具有较好的可重复性。研究了测试条件(试样尺寸和支持条件) 和材料特性(不同纤维、基体种类和铺层方式) 对最大接触力的影响。实验结果表明, 试样尺寸和支持条件对最大接触力的影响较小, 在必要时可以采用非标试样测试最大接触力, 而最大接触力与树脂基体、纤维特性及铺层方式都有关, 最大接触力对应的凹坑深度d2主要由纤维强度和延伸率决定, 树脂特性对d2有影响但影响程度较小。
采用准静态压痕(QSI) 实验方法针对多种材料对集中准静态压痕力的损伤阻抗进行了测试。选取2 个特征载荷下的试样进行了超声C 扫描探伤和扫描电镜(SEM) 显微观察, 分析了QSI 实验中层合板的损伤过程, 针对初始分层接触力f1和最大接触力f2对材料的损伤阻抗特性进行了分析。测试了2 种材料体系层压板的最大接触力, 发现该值具有较好的可重复性。研究了测试条件(试样尺寸和支持条件) 和材料特性(不同纤维、基体种类和铺层方式) 对最大接触力的影响。实验结果表明, 试样尺寸和支持条件对最大接触力的影响较小, 在必要时可以采用非标试样测试最大接触力, 而最大接触力与树脂基体、纤维特性及铺层方式都有关, 最大接触力对应的凹坑深度d2主要由纤维强度和延伸率决定, 树脂特性对d2有影响但影响程度较小。
2007, 24(3): 160-167.
摘要:
复合材料Z-pinning 增强技术通过在层合板内嵌入体分比小于5 %的Z-pins , 能大幅度提高层合板的层间断裂韧性, 减少因低能量冲击所产生的分层损伤。本文作者基于细观力学模型, 构造了相应的Z-pin 单元; 结合梁单元, 建立了用于分析含Z-pins 的双悬臂梁(Double cantilever beam , DCB) 的有限元模型; 在分层裂纹面上引入接触单元以防止分析过程中2 个分层子梁在分层前缘处的相互嵌入。通过数值算例分析了Z-pins 对层间韧性增强效果的影响及其原因。数值计算结果表明, Z-pins 的几何分布对其增强层间韧性的影响相对较小。
复合材料Z-pinning 增强技术通过在层合板内嵌入体分比小于5 %的Z-pins , 能大幅度提高层合板的层间断裂韧性, 减少因低能量冲击所产生的分层损伤。本文作者基于细观力学模型, 构造了相应的Z-pin 单元; 结合梁单元, 建立了用于分析含Z-pins 的双悬臂梁(Double cantilever beam , DCB) 的有限元模型; 在分层裂纹面上引入接触单元以防止分析过程中2 个分层子梁在分层前缘处的相互嵌入。通过数值算例分析了Z-pins 对层间韧性增强效果的影响及其原因。数值计算结果表明, Z-pins 的几何分布对其增强层间韧性的影响相对较小。
2007, 24(3): 167-172.
摘要:
通过定义接触单元, 建立了复合材料套管接头与钢管连接的有限元分析模型。分析了在钢管端部受到弯曲、压缩和扭转载荷条件下, 复合材料管接头的应力状态, 并采用Tsai-Wu 强度准则对复合材料管接头进行了强度分析。重点研究了随着摩擦系数的变化复合材料管接头与钢管间摩擦力的变化规律及其对复合材料接头强度的影响。结果表明, 随着摩擦系数的增大, 复合材料管接头与钢管间最大正应力减小, 最大摩擦力增大; 在以弯曲载荷为主的组合载荷作用下, 复合材料管接头的安全裕度增大。
通过定义接触单元, 建立了复合材料套管接头与钢管连接的有限元分析模型。分析了在钢管端部受到弯曲、压缩和扭转载荷条件下, 复合材料管接头的应力状态, 并采用Tsai-Wu 强度准则对复合材料管接头进行了强度分析。重点研究了随着摩擦系数的变化复合材料管接头与钢管间摩擦力的变化规律及其对复合材料接头强度的影响。结果表明, 随着摩擦系数的增大, 复合材料管接头与钢管间最大正应力减小, 最大摩擦力增大; 在以弯曲载荷为主的组合载荷作用下, 复合材料管接头的安全裕度增大。
2007, 24(3): 173-177.
摘要:
在渐进均匀化理论基础上, 建立了基于单胞数字化模型的复合材料宏观等效弹性性能的三维数值分析方法(DCB-FEA) 。该方法采用三维光栅化技术将三维单胞模型转化为三维光栅图形(数字化模型) , 并将光栅图形直接转化为三维有限元求解网格。产生的离散单元具有相同的几何尺寸和规则的形状, 单元刚度矩阵的数量将减少为单胞材料的个数。此外, 单胞数字化模型仅需记录每个离散单元的材料种类, 其他参数如单元节点编号、节点坐标等均可在求解过程中自动生成, 周期性边界条件也可以自动施加。随着分辨率的提高, 单胞数字化模型将产生更多数量的单元, 特别是对于三维单胞模型, 集成整体刚度矩阵时需要大量的计算机内存。采用基于Element-by-element 策略的预处理共轭梯度法( EBE- PCG) , 有限元方程的求解在单元级上进行, 避免了整体刚度矩阵的集成。通过对单向纤维增强复合材料的线弹性本构关系的数值模拟, 表明该方法可得到较为准确的复合材料等效模量。
在渐进均匀化理论基础上, 建立了基于单胞数字化模型的复合材料宏观等效弹性性能的三维数值分析方法(DCB-FEA) 。该方法采用三维光栅化技术将三维单胞模型转化为三维光栅图形(数字化模型) , 并将光栅图形直接转化为三维有限元求解网格。产生的离散单元具有相同的几何尺寸和规则的形状, 单元刚度矩阵的数量将减少为单胞材料的个数。此外, 单胞数字化模型仅需记录每个离散单元的材料种类, 其他参数如单元节点编号、节点坐标等均可在求解过程中自动生成, 周期性边界条件也可以自动施加。随着分辨率的提高, 单胞数字化模型将产生更多数量的单元, 特别是对于三维单胞模型, 集成整体刚度矩阵时需要大量的计算机内存。采用基于Element-by-element 策略的预处理共轭梯度法( EBE- PCG) , 有限元方程的求解在单元级上进行, 避免了整体刚度矩阵的集成。通过对单向纤维增强复合材料的线弹性本构关系的数值模拟, 表明该方法可得到较为准确的复合材料等效模量。
2007, 24(3): 178-185.
摘要:
基于考虑纤维束面接触的细观结构模型, 引入周期性位移边界条件, 采用细观有限元方法建立了材料的弹性性能预报模型。模型数值结果与试件实测数据吻合较好, 证明了该模型的合理有效性。经详细分析单胞在典型工况载荷作用下的细观应力分布及变形, 表明模型体现了周期性相邻单胞表面力和位移的连续性, 能获得单胞更为合理的细观应力应变场。
基于考虑纤维束面接触的细观结构模型, 引入周期性位移边界条件, 采用细观有限元方法建立了材料的弹性性能预报模型。模型数值结果与试件实测数据吻合较好, 证明了该模型的合理有效性。经详细分析单胞在典型工况载荷作用下的细观应力分布及变形, 表明模型体现了周期性相邻单胞表面力和位移的连续性, 能获得单胞更为合理的细观应力应变场。
2007, 24(3): 186-192.
摘要:
利用具有精确周期性边界条件的均质化理论, 用宏微观有限元法分析了非连续碳纳米管呈规则和交错2 种排列情况下, 纳米管沿管长方向的应力分布规律。为保证传统的连续力学理论的适用性, 本文中的碳纳米管采用了用分子动力学方法简化的等效纤维模型。规则排列所得结果与应用Cox 剪滞理论及Lauke、Fu 等经典理论得出的结果比较发现: 除了经典理论中指出的碳纳米管长径比及纳米管体积含量2 个因素外, 纳米管形状及在基体中的排列方式对材料的力学性质也有较大影响。交错排列的纳米管在复合材料中有较高效率的应力转化和传递能力, 碳纳米管的端部间距(2 Tf ) 对应力的分布有较大的影响。结果显示出碳纳米管作为材料增强相的特殊性, 证明了均质化理论分析碳纳米管增强复合材料应力分布规律的可行性。
利用具有精确周期性边界条件的均质化理论, 用宏微观有限元法分析了非连续碳纳米管呈规则和交错2 种排列情况下, 纳米管沿管长方向的应力分布规律。为保证传统的连续力学理论的适用性, 本文中的碳纳米管采用了用分子动力学方法简化的等效纤维模型。规则排列所得结果与应用Cox 剪滞理论及Lauke、Fu 等经典理论得出的结果比较发现: 除了经典理论中指出的碳纳米管长径比及纳米管体积含量2 个因素外, 纳米管形状及在基体中的排列方式对材料的力学性质也有较大影响。交错排列的纳米管在复合材料中有较高效率的应力转化和传递能力, 碳纳米管的端部间距(2 Tf ) 对应力的分布有较大的影响。结果显示出碳纳米管作为材料增强相的特殊性, 证明了均质化理论分析碳纳米管增强复合材料应力分布规律的可行性。