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2012年  第29卷  第6期

临近空间飞艇蒙皮材料研究进展和需求分析
谭惠丰, 刘羽熙, 刘宇艳, 杨宏林, 杨宇明, 施雷
2012, (6): 1-8.
摘要:
临近空间飞艇具有大范围不间断的高效信息获取与传输能力, 是近期国际上竞相发展的未来信息平台。蒙皮材料是临近空间飞艇的主要材料, 其质量和性能决定了飞艇的大小、 寿命和成本, 是发展临近空间飞艇的基础。本文中针对临近空间飞艇蒙皮材料选取和应用存在的若干困难, 从蒙皮材料工程需求出发, 对蒙皮材料的强度、 耐候性、 阻隔性和试验评价方法等方面的研究现状进行总结和分析, 讨论未来高性能临近空间飞艇蒙皮材料的研究发展方向。
蒙脱土/聚苯乙烯复合材料的热分解成炭行为
刘继纯, 付梦月, 李晴媛, 井蒙蒙, 陆昶
2012, (6): 9-18.
摘要:
将聚苯乙烯(PS)树脂与不同种类蒙脱土(MMT)进行熔融复合制备MMT/PS复合材料, 通过X射线衍射(XRD)和高分辨透射电镜(HRTEM)对复合材料的微观结构进行了研究。采用SEM、 EDX、 XRD、 氧指数法和锥形量热法研究了复合材料的热分解成炭行为和燃烧性能。结果表明: 用蒙脱土原土(NaMMT)制备的NaMMT/PS复合材料是一种简单物理混合物, 用有机蒙脱土(OMMT)制备的OMMT/PS复合材料是一种插层-部分剥离型纳米复合材料。MMT与PS质量比为6:100时, OMMT/PS复合材料的热释放速率峰值和平均值分别只有NaMMT/PS复合材料相应值的70.7%和67.4%, 火灾性能指数(FPI)是后者的1.2倍, 氧指数比后者增加1.0%, 热分解残余物表面碳元素含量是后者的2.5倍。OMMT/PS复合材料热分解后在材料表面生成一层厚厚的致密、 连续的含碳硅酸盐残余物层, 起到良好的阻燃作用, 而NaMMT/PS复合材料几乎没有成炭能力, 其热分解产物全部来自NaMMT本身的热分解, 阻燃性能很差。
纳米碳酸钙粉末橡胶复合粒子增强增韧聚氯乙烯
张周达, 陈雪梅, 董源, 陈西知, 马新胜
2012, (6): 19-25.
摘要:
以纳米CaCO3浆料和丁苯胶乳、 羧基丁苯胶乳、 丁腈胶乳为原料, 采用共凝聚法分别制备了三种纳米CaCO3-粉末橡胶复合粒子, 并制备了三种纳米CaCO3-粉末橡胶/聚氯乙烯(PVC)复合材料, 系统研究了复合粒子含量对PVC力学性能的影响, 并探讨了复合粒子的增强增韧机制。结果表明: 复合粒子在PVC树脂中分散均匀, 复合粒子中的纳米CaCO3粒子以"裸露态"和橡胶"包裹态"两种形式存在于PVC基体中; 三种复合粒子均能显著提高PVC的缺口冲击强度, 纳米CaCO3-粉末丁腈橡胶(CaCO3-NBR)能同时起到增强增韧的效果, 而纳米CaCO3-粉末丁苯橡胶(CaCO3-SBR)在提高缺口冲击强度的同时也损失了PVC原有的刚性, 使其弯曲模量和拉伸强度大幅度降低, 纳米CaCO3-粉末羧基丁苯橡胶(CaCO3-X-SBR)的改性效果鉴于前两者之间; 复合粒子与PVC基体的相容性是影响复合粒子增强增韧改性效果的决定性因素, 相容性好的复合粒子能同时起到增强增韧的效果。
多壁巴基纸/环氧复合材料拉伸性能的影响因素
刘妍, 李敏, 刘千立, 顾轶卓, 李艳霞, 张佐光
2012, (6): 26-31.
摘要:
采用抽滤法制备了多壁碳纳米管(MWCNTs)纸(又称巴基纸), 研究了巴基纸增强不同环氧基体复合材料(巴基纸复合材料)的拉伸性能及其断口形貌, 分析了MWCNT含量、 树脂基体拉伸性能以及巴基纸与树脂的界面黏附作用对复合材料拉伸性能的影响。结果表明: 在MWCNT质量分数小于39.1%范围内, 增加碳纳米管含量, 可显著提高巴基纸/环氧复合材料的拉伸性能; 巴基纸/环氧复合材料的拉伸强度和模量与树脂基体的性能密切相关, 其拉伸破坏形式受基体的脆韧性影响显著; 相比较而言, 巴基纸与树脂间的黏附功对巴基纸/环氧复合材料拉伸性能的影响不明显。
硅溶胶改性碳纤维对碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能影响
岑浩, 杨洪斌, 傅雅琴
2012, (6): 32-36.
摘要:
以硅烷偶联剂和正硅酸乙酯(TEOS)为前躯体, 以固体酸-对甲苯磺酸为催化剂制备硅溶胶, 利用硅溶胶对碳纤维进行表面改性后, 以环氧树脂为基体, 制备碳纤维增强环氧树脂复合材料。利用SEM、 TEM、 万能试验机、 偏光显微镜等对表面改性前后的碳纤维形态、 力学性能及碳纤维/环氧树脂复合材料的界面性能进行表征, 研究了硅溶胶改性碳纤维对其复合材料界面性能影响。结果表明, 硅溶胶处理碳纤维后, 在碳纤维表面原位生成具有膜-粒结构的表面层, 改性后碳纤维的强度由2.41 GPa提高到3.00 GPa, 界面性能也得到了明显改善, 界面剪切强度(IFSS)提高了51.41%。
酚酞聚芳醚酮双马来酰亚胺体系流变行为时间温度依赖性
胡晓兰, 余荣禄, 刘刚, 鲁腾飞, 益小苏
2012, (6): 37-41.
摘要:
采用流变仪对酚酞聚芳醚酮(PEKC)-双马来酰亚胺(BMI)树脂体系的流变特性的时间和温度依赖性进行了研究, 发现: BMI树脂凝胶点对频率有依赖性, 而tanδ对频率无依赖性; PEKC-BMI复合树脂体系的黏度增大主要是由于BMI对PEKC的溶解与BMI的热固化。相比较110℃和130℃两种条件, 在较高温度时复合树脂体系的黏度增大主要是热固化的影响; 随注胶温度提高, 复合体系的凝胶时间随PEKC含量的增加而快速缩短, 在较高注胶温度下凝胶模量增大较慢, 在较低注胶温度下凝胶时模量随PEKC含量的增加而提高较快; 随着复合树脂体系中PEKC含量的增加, 该体系的凝胶活化能由4.9 kJ/mol增大到65.9 kJ/mol, 表明该体系的凝胶化作用对温度的敏感性增大。
离子液体微乳液中纳米AgCl的合成及AgCl/poly(MMA-co-AM)杂化膜的渗透汽化分离
滕燕, 王挺, 杜春慧, 吴礼光
2012, (6): 42-49.
摘要:
以离子液体氯化-1-十二烷基甲基咪唑(C12mimCl)为表面活性剂, 甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酰胺(AM)混合物为油相构筑的反相微乳液合成AgCl纳米粒子。通过微乳液聚合制备AgCl/poly(MMA-co-AM)杂化膜, 用于苯-环己烷混合物的渗透汽化分离。利用紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和透射电镜(TEM)分析AgCl纳米粒子的形貌及结构, 利用XRD和SEM分析了杂化膜中AgCl粒子的形貌及结构, 通过杂化膜的苯-环己烷混合物(质量分数50%, 30℃)的渗透汽化实验分析了杂化膜的分离性能。结果表明: 纳米AgCl粒子的平均粒径和粒子数随微乳液中AgNO3浓度(cAgNO3)的增大明显增加; 增加微乳液中C12mimCl浓度(cC12mimCl), 有利于形成数量较多、 平均粒径较小的纳米AgCl粒子; AgCl/poly(MMA-co-AM)杂化膜中AgCl粒子粒径较小, 且均匀分散于poly(MMA-co-AM)基材中; 随着c AgNO3的增加, 杂化膜的渗透通量明显增大, 分离因子先增大后减小; 而随 c C12mimCl的增加, 杂化膜的分离因子持续增大, 渗透通量表现出先增大后减小的趋势; 杂化膜的分离因子最高可达5.0, 渗透通量约为490 g·m-2·h-1, 表现出较好的分离性能。
碳纳米管/PLA复合材料制备及性能
王劭妤, 石坚, 郑来云
2012, (6): 50-54.
摘要:
采用溶液共混法制备纯化和酸化碳纳米管(CNTs)/PLA(聚乳酸)复合膜, 并对CNTs的分散性以及材料的结晶形态、 电性能和降解性能进行了研究。结果表明, 通过SEM观察到经过酸化处理的CNTs能较好地分散在PLA基体中; 在偏光显微镜下能观察到CNTs起到成核剂的作用, 明显细化了晶粒; 加入少量的酸化CNTs能够提高CNTs/PLA复合材料导电性, 体积电阻率下降了7个数量级; 同时, 酸化CNTs能够提高CNTs/PLA复合材料的降解性。
热塑性乙酰化淀粉/聚乳酸的性能及形态
李海东, 孙朋, 程凤梅
2012, (6): 55-59.
摘要:
采用熔融共混的方法制备了热塑性乙酰化淀粉(TPAS)/聚乳酸(PLA)复合材料, 研究了TPAS/PLA复合材料力学性能、 热性能和形态结构。TPAS以乙酰化改性淀粉为基体, 甘油为增塑剂。实验结果表明: 随着TPAS含量的增加, TPAS/PLA复合材料韧性明显提高, 当TPAS加入量为40%(质量分数)时, 断裂伸长率提高4倍多, 同时TPAS的加入对复合材料的热稳定性影响不大。DSC、 DMTA和SEM分析结果表明, PLA与TPAS是不相容的。
蔗渣纤维表面处理方法对蔗渣纤维/聚乳酸复合材料力学性能的影响
盛雨峰, 温变英, 李晓媛, 胡笑千
2012, (6): 60-65.
摘要:
采用了硅烷偶联剂结合碱溶液处理的方法对蔗渣纤维(BF)进行了表面改性, 研究了不同表面处理方法对蔗渣纤维/聚乳酸(PLA)复合材料力学性能的影响, 用SEM对BF处理前后的形貌及复合材料的冲击断面进行了观察。结果表明: 经表面改性的BF都不同程度地改善了BF与PLA基体之间的界面相容性, 其中碱处理后再经偶联剂处理的方法效果最佳, 在40%(质量分数)蔗渣纤维的高填充量下, 复合材料的拉伸强度和冲击强度分别为纯PLA的85.42%和59.74%, 较好地保持了基体PLA的力学强度; 碱处理使BF表面变粗糙、 长径比增大、 比表面积增加, 与PLA的界面粘结加强, 从而有效地提高了BF/PLA复合材料的力学性能。
织物纤维增强橡胶复合板抗射流侵彻的防护效能
贾鑫, 黄正祥, 祖旭东, 顾晓辉
2012, (6): 66-72.
摘要:
基于DOP实验方法开展了玻璃纤维、 碳纤维、 Kevlar-49及PBO等四种织物增强橡胶复合靶板抗射流侵彻性能实验研究。在68°倾角下, 获取了射流侵彻四种不同结构的复合板在鉴证靶上的剩余穿深。分析了面板变形形态及四种纤维的破坏模式, 计算得到了空间防护系数及差分防护系数。结果表明: 面板的变形是干扰射流的一个重要因素, 面板孔壁与射流作用区域越长, 对射流干扰越明显。四种纤维铺层的破坏模式有着较大的差异, Kevlar-49及PBO织物增强橡胶复合板的防护能力远大于玻璃纤维和碳纤维橡胶复合板。
拉应力对玻璃纤维增强聚合物基复合材料介电强度的影响
于涛, 刘钧, 肖加余
2012, (6): 73-77.
摘要:
在拉应力条件下, 测试了聚合物基体和单向玻璃纤维增强聚合物基复合材料的介电强度, 探索了聚合物基体和玻璃纤维/聚合物复合材料的介电强度与拉应力的关系, 提出并证明了聚合物基体的介电强度与拉应力呈负指数关系, 复合材料中纤维与基体的界面是影响材料介电强度的主要因素。
液硅渗透法制备SiBC改性C/CSiC复合材料
刘建功, 殷小玮, 成来飞, 张立同, 王琴
2012, (6): 78-82,96.
摘要:
为了降低液硅渗透法制备C/C-SiC复合材料中残留Si的含量, 采用浆料浸渗结合液硅渗透工艺制备B12(C, Si, B)3改性C/C-SiC复合材料。通过分析不同比例B4C-Si体系在不同温度的反应产物, 确定了B12(C, Si, B)3的生成条件。结果表明: B4C和Si在1300℃开始反应, 生成少量B12(C, Si, B)3和SiC, 且B12(C, Si, B)3的生成量随反应温度的升高而增加; 当B4C和Si的摩尔比为3:1、 反应温度为1500℃ 时, 产物为B12(C, Si, B)3和SiC; 液硅渗透法制备的C/C-SiC复合材料相组成为非晶态C、 β-SiC和B12(C, Si, B)3, 未见残留Si。
凹凸棒土负载CeO2-La2O3复合材料制备表征及催化性能
赵晓兵, 孟英芹, 李霞章, 陈志刚
2012, (6): 83-89.
摘要:
以凹凸棒土(ATP)为载体, 以Ce(NO3)3·6H2O和La(NO3)3·6H2O为原料, 以C6H12N4(HMT)为沉淀剂, 采用均相沉淀法制备了不同铈镧比的CeO2-La2O3/ATP(Ce:La=9:1~3:7, 摩尔比, 下同)复合材料。用TG-DSC、 TEM、 XRD和FTIR对所制备复合材料的微观结构和形貌进行表征, 并分别考察不同铈镧比和H2O2添加量对酸性品红模拟废水脱色降解的影响。结果表明, 当Ce:La=5:5时, CeO2-La2O3固溶体颗粒均匀分布在ATP表面, 颗粒尺寸为5~10 nm。随着铈镧摩尔比的增加, 酸性品红的降解率呈先增后减的趋势, 且当Ce:La=5:5、 H2O2为10 mL、 酸性品红浓度为100 mg/L时, 降解效果最好, 300 min后的最大降解率达82%。
放电等离子烧结制备Ti/C叠层材料及其力学性能
李培培, 龙文元, 傅正义, 徐升
2012, (6): 90-96.
摘要:
以Ti和C的片状材料为原料, 利用放电等离子烧结(SPS)技术烧结制备了具有层状结构特征的Ti/C叠层复合材料, 研究了不同烧结温度下的叠层材料的组织形貌和室温力学性能。研究结果表明: 随烧结温度的升高, 反应层的厚度增大, 烧结温度达到1500℃时, 反应层的厚度可达到32.6 μm, 进一步提高烧结温度, 将会使Ti发生熔化现象, 无法得到Ti/C叠层复合材料。当烧结温度达到1500℃和1510℃, 层状复合材料的抗弯强度和断裂功分别达到最大值1571.51 MPa和215.09×103 J/m2。Ti/C叠层复合材料的裂纹扩展路径主要有裂纹偏转、 裂纹并行扩展和裂纹尖端的分叉钝化, 这些扩展路径是叠层材料增韧的主要机制。
La3+-Pr3+共掺杂纳米TiO2粉体的光催化性能
谢英娜, 安胜利, 袁春华
2012, (6): 97-101.
摘要:
以钛酸四丁酯(TBT)为原料, 采用溶胶-凝胶法制备了纯TiO2和La3+-Pr3+共掺杂复合粉体(La3+-Pr3+/TiO2), 采用XRD、 UV-Vis和TEM等测试手段分析了在紫外光照射下, 以降解甲基橙为探针反应研究其可见光催化性能。结果显示: 所有样品均为锐钛矿相纳米TiO2, 稀土元素镧和镨掺杂后TiO2特征衍射峰宽化, 强度降低; 与纯TiO2、 镧掺杂TiO2与镨掺杂TiO2相比, 光催化剂La3+-Pr3+共掺杂TiO2颗粒的粒径更小, 比表面积更大, 光吸收边红移程度更显著; 与未掺杂和单一掺杂的TiO2相比较, 共掺杂的TiO2具有更高的可见光催化性能。当La3+与TiO2和Pr3+与TiO2的摩尔比分别为1.0%和0.2%时, 可见光催化性能最好。可见光催化性能的提高归因于镧和镨的协同作用。
溶胶-凝胶法合成TiO2/活性炭光催化剂及联用超声技术还原铬(Ⅵ)和铜(Ⅱ)废水
夏畅斌, 周付建, 陈圆, 张玲
2012, (6): 102-107.
摘要:
以钛酸四丁酯为钛源, 活性炭(AC)为载体, 采用溶胶-凝胶法合成TiO2/AC复合体, 利用TGA-DSC、 SEM、 XRD、 DRS(漫反射光谱)及FTIR对复合体表面结构、 光谱特征、 晶体结构进行表征分析, 并通过AAS(原子吸收分光光度计)测定铬(Ⅵ)、 铜(Ⅱ)离子浓度以探讨超声-TiO2光催化还原去除率。研究表明: 溶胶-凝胶法制备的TiO2/AC在290℃处由板钛矿型向锐钛矿型转变, 500℃下焙烧催化活性最高; TiO2/AC复合体分散性能好、 团聚尺寸低、 比表面积大, 其接触界面处有C—O—Ti键生成; 经光催化动力学研究发现, 光催化吸附还原机制符合一级动力学方程ln(c0/c)=kt及Langmuir-Hinshelwood吸附理论。对比无超声光催化, 超声-光催化技术对铬(Ⅵ)、 铜(Ⅱ)的还原去除率分别提高了39.32%和52.95%; 催化剂循环使用3次后, 超声-光催化还原铬(Ⅵ)、 铜(Ⅱ)的去除率仍能达到70.61%和75.30%。
非晶型超疏水和超亲水TiO2薄膜的制备与表征
石彦龙, 冯晓娟, 杨武
2012, (6): 108-112.
摘要:
通过溶胶-凝胶法, 以载玻片为基底制得非晶型纳米TiO2薄膜, 用SEM、 XPS、 XRD和接触角测量仪研究了薄膜的微观形貌、 表面元素、 晶型结构及薄膜的疏水性, 用Wenzel、 Cassie 理论对纳米TiO2薄膜的润湿性进行了理论分析。结果表明, 经紫外光照射16 h后, 薄膜表面由超疏水性变为超亲水性, 接触角接近0°。薄膜表面合适的粗糙度和低表面能材料表面修饰的协同作用使其表现出良好的超疏水性。
银型离子聚合物金属复合材料传感性能
卞侃, 熊克, 朱程燕, 顾莉莉, 陈骐
2012, (6): 113-119.
摘要:
利用化学沉积的方法, 在反应温度为23℃和10℃的条件下, 制备银型离子聚合物金属复合材料(Ag-IPMC)。SEM和EDAX观测结果表明: 反应温度10℃下制备的试样与23℃的试样相比, 具有更好的电极沉积效果, 其内、 外电极厚度分别增加25%和34%, 且外电极的开裂和剥落现象得到抑制。对10℃条件下制备的三种不同厚度的试样(0.2 mm、 0.4 mm、 0.8 mm)的传感特性研究表明: 随着厚度的增加, 试样输出电压和灵敏度增 强趋势明显; 三种试样均对低频激励敏感, 在0.3~0.8 Hz时试样具有最高的灵敏度, 其中0.8 mm试样在0.65 Hz 时的传感电压为17.82 mV, 灵敏度可达1030.06 mV/mm。
塑性钛基非晶复合材料的制备及性能
王鹏, 寇宏超, 白洁, 王军, 胡锐, 李金山
2012, (6): 120-123.
摘要:
通过铜模喷铸法成功制备了一系列内生β-Ti(Zr, Nb)枝晶增塑的Ti-Zr-Nb-Cu-Be非晶复合材料, 研究了成分对枝晶体积分数及尺寸的影响及其对复合材料力学性能的调节作用。结果表明, Ti48Zr20Nb12Cu5Be15合金压缩强度达到2061 MPa, 塑性变形高达22.5%, 表现出优异的综合力学性能。 非晶复合材料的塑性不仅与β-Ti(Zr,Nb)枝晶相的体积分数有关, 而且受到枝晶尺寸的强烈影响, 在一定体积分数条件下, 枝晶相的尺寸越大, 对剪切带的阻碍作用越明显, 合金的塑性越高。
纳米镍颗粒填充碳纳米管的制备与磁性能
魏智强, 李维学, 冯旺军, 杨华, 闫鹏勋
2012, (6): 124-128.
摘要:
采用自制的实验装置, 通过阳极弧放电等离子体技术成功制备了Ni纳米颗粒填充的碳纳米管, 利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 XRD、 TEM、 X射线能量色散分析谱仪(XEDS)和振动样品磁强计(VSM)等测试手段对样品的化学成分、 形态、 微观结构和磁性能进行了表征。实验结果表明, 采用本文中实验方法能获得大量被纳米金属颗粒填充的碳纳米管, 其内部填充物为面心立方(FCC)结构的纳米Ni颗粒, 外围薄层为石墨碳层。碳纳米管的外径为30~40 nm, 壁厚5~8 nm, 内部填充的纳米颗粒呈球形和椭球形, 粒径均匀, 在管腔内不连续分布。产物具有顺磁特性, 矫顽力是78 Oe, 饱和磁化强度是33 enu/g。
热压扩散焊接法制备Ti-Al复合电极材料及性能
韩朝辉, 竺培显, 马会宇
2012, (6): 129-134.
摘要:
采用热压扩散法制备Ti-Al复合电极材料, 并通过SEM、 四探针法、 EDS、 电化学工作站等测试手段 对样品的结构与性能进行表征。结果表明: 热压扩散焊接在压力6 MPa、 焊接温度550℃、 氩气中保温时间≥90 min 的条件下, 可以实现Ti和Al的冶金结合, 而且扩散反应层产物的变化过程是: TiAl→TiAl2→TiAl3; 复合材料的电化学性能较纯Ti的有所提高, 制备工艺条件对电化学性能的影响与对电阻率的影响一致; 在同等条件下, 复合材料的极化电位较纯钛下降37~54 mV, 其电流密度至少可提高59.29%, 电阻率仅为纯钛的1/10。
基于RFID的SMA增强复合材料层合板无线监测方法及实验
袁江, 俞云雷, 吴静雅, 陈宇天, 陆观, 邱自学
2012, (6): 135-143.
摘要:
将无线射频识别技术(RFID)引入结构健康监测领域, 提出了利用传感标签和读写器实现结构健康无线监测的新方法。以埋入环氧树脂复合材料结构中具有一定规格和布局的NiTi形状记忆合金(SMA)超弹丝作为电容器的电极, 分布的RFID传感标签实时获取形状记忆合金丝间的微小电容信号, 并将其与时间、 位置编码信息打包后无线传输给读写器和监控站点。对两种SMA增强复合材料层合板, 分别在万能材料试验机和冲击试验机上进行了拉伸、 弯曲和冲击实验, 结果表明, 系统能实现对埋入结构中NiTi超弹性传感元件的高精度监测, 并具有功能扩展方便、 路由选择与定位简单的特点。
纳米粒子在SiC/PTFE复合材料中分散三维仿真与分形表征
王玲, 何春霞
2012, (6): 144-151.
摘要:
为了从理论上探讨纳米粒子在基体材料中的分布规律, 以纳米SiC质量分数为3%、 5%、 7%、 9%的SiC/PTFE(聚四氟乙烯)复合材料为例, 根据纳米SiC的半径(25 nm)、 密度(3.2 g/cm3)、 质量分数和基体材料的密度(2.2 g/cm3), 以10-12 g为质量单位、 25 nm:1像素为比例尺, 建立了纳米粒子在基体中均匀/偏聚分布的三维仿真模型, 基于其盒维数定量表征了不同团聚/偏聚程度的纳米粒子的分散度, 并进行了力学实验验证。结果表明: 均匀分布下随着纳米SiC粒子半径的不断增加, 或体积分数的不断减小, 其盒维数也逐渐减小; 当SiC粒子半径超过100 nm时, 不再具有分形特性。偏聚分布下随着纳米SiC粒子(半径为50 nm)间距的不断加大, 或体积分数的不断减小, 或层状、 线状、 团状分布的依次改变, 其盒维数也逐渐减小; 相同体积分数下偏聚分布的盒维数低于均匀分布; 当粒子间距超过450 nm时, 不再具有分形特性。均匀分布下纳米SiC/PTFE复合材料的力学性能测试结果与其三维仿真模型的盒维数线性相关(|R|>0.9)。盒维数可定量表征纳米粒子的分散度, 并可用于预测纳米复合材料的宏观性能。
氮化硼纳米管增强氮化硅复合材料的裂纹扩展阻力行为
于航海, 王守仁, 杨丽颖
2012, (6): 152-158.
摘要:
用氮化硼纳米管(BNNT)增强氮化硅(Si3N4)陶瓷制备了BNNT/Si3N4复合材料, 利用三点弯曲强度及单边切口梁(SENB)法测定了BNNT/Si3N4复合材料的弯曲强度和断裂韧性。通过SEM观察了BNNT/Si3N4复合材料微观形貌。基于BNNT增强Si3N4陶瓷复合材料的裂纹扩展阻力计算公式, 构建了BNNT对Si3N4陶瓷裂纹屏蔽区的裂纹扩展阻力的数学模型。用该模型的计算结果与Si3N4陶瓷的裂纹扩展阻力进行了对比。结果表明: BNNT/Si3N4复合材料的弯曲强度和断裂韧性明显高于Si3N4陶瓷, 说明BNNT对Si3N4陶瓷的裂纹扩展有阻力作用, 摩擦拔出是Si3N4陶瓷抗裂纹扩展能力提高的主要原因; BNNT对Si3N4陶瓷有明显的升值阻力曲线行为。通过有限元模拟裂纹尖端应力分布, 发现BNNT使Si3N4陶瓷裂纹尖端的最大应力转移到纳米管上, 而且BNNT降低了Si3N4陶瓷裂纹尖端的应力, 对Si3N4陶瓷尖端的裂纹有屏蔽作用, 从而提高了Si3N4陶瓷的裂纹扩展阻力。
SiC/Ti-6Al-4V复合材料在横向拉伸载荷下界面失效行为的数值模拟
原梅妮, 杨延清, 李茂华
2012, (6): 159-163.
摘要:
采用有限元模拟了SiC/Ti-6Al-4V复合材料冷却过程和横向拉伸试验过程, 横向拉伸试样采用十字形试样。分别建立了平面应力和轴对称有限元模型, 采用平面应力有限元模型计算环绕纤维圆周的界面微区应力分布, 预测界面失效机制。采用轴对称有限元模型分析复合材料界面脱粘过程以及残余应力对界面径向应力分布的影响。结果表明: 对于SiC/Ti-6Al-4V复合材料十字形试样,在横向拉伸载荷下的界面失效由径向应力导致,界面失效模式为法向失效, 剪切失效模式未发生; 十字形试样在横向拉伸载荷下界面初始脱粘位置处于界面中间; 随横向拉伸应力增加, 十字形试样的界面脱粘对称向两边扩展; 界面径向应力随残余应力降低而升高。
复合材料层合板阶梯形挖补胶接修理渐进损伤分析
朱书华, 王跃全, 童明波
2012, (6): 164-169.
摘要:
建立了复合材料层合板阶梯形挖补胶接修理构型的渐进损伤分析三维有限元模型, 同时考虑了复合材料母板、 补片和胶层的损伤扩展以及它们之间的相互影响。层合板采用含正交各向异性损伤的连续介质损伤力学(CDM)本构方程进行描述, 材料积分点处的损伤状态采用二阶张量形式的内部状态变量表征。胶层采用含各向同性损伤的CDM本构方程进行描述, 材料积分点处的损伤状态采用常数形式的损伤变量表示。计算结果与试验数据符合较好, 说明该模型可较好预测挖补胶接修理的复合材料层合板拉伸强度及其失效模式。
跨尺度预测非屈曲织物增强复合材料的刚度和强度
李红周, 丁江平, 范欣愉
2012, (6): 170-178.
摘要:
为了预测非屈曲织物增强复合材料的力学性能, 建立了纤维束的正六边形单胞和非屈曲织物复合材料的长方形单胞, 并重点推导了正六边单胞的方程边界条件。通过跨尺度逐级计算这两个单胞的有效弹性常数, 得到了非屈曲碳纤维织物增强环氧树脂基复合材料的宏观有效弹性性能和强度。对该非屈曲织物复合材料在拉伸载荷下的累计失效进行了有限元损伤分析。结果表明: 初始损伤发生在富树脂区或横向纤维束, 损伤在富树脂区与横向纤维束内逐步扩展, 最后向纵向纤维束扩展并迅速导致整体失效; 非屈曲织物增强复合材料的面内拉伸模量的计算预测值非常接近实验值, 面内拉伸强度计算值略小于实验值。
四边固支对称蜂窝夹层板主共振非线性动力学计算
李永强, 李洁, 李锋, 张英杰
2012, (6): 179-186.
摘要:
应用同伦分析方法(HAM)研究了四边固支对称蜂窝夹层板主共振情况下的非线性动力学特性。将铝基蜂窝芯层等效为一正交异性层, 等效弹性参数由修正后的Gibson方程得出。基于经典叠层板理论(CPT)和几何大变形理论建立了四边固支蜂窝夹层板受横向激振力作用下的受迫振动微分方程, 通过振型正交化将蜂窝夹层板受迫振动微分方程简化成双模态下的动力学控制方程, 得到了主共振情况下的平均方程, 研究了不同结构参数对动力学特性的影响。计算结果表明, 蜂窝夹层板的幅频特性曲线类似单自由度Duffing方程响应曲线, 随着结构参数的增大, 硬特性明显加大并且振幅的峰值明显减小, 所得结论可为蜂窝夹层板的设计和实际应用提供理论依据。
含纤维束截面形状变化的三维编织复合材料细观模型及刚度预报
朱元林, 崔海涛, 温卫东, 徐颖, 张宏建
2012, (6): 187-196.
摘要:
基于实验观察和理论研究, 重点分析了材料内部区域纤维束的空间构型, 建立了一个新的三维实体细观结构模型, 并指出了编织工艺参数和模型细观结构参数之间的关系。该模型较真实地反映了纤维束之间的相互挤压变形方式, 纤维束横截面积沿纤维束轴向不断变化, 更符合三维四向编织复合材料的实际结构。基于刚度体积平均及柔度体积平均混合思想, 建立了相应的刚度预报模型。用该模型计算编织复合材料几何特性及工程弹性常数的数值结果与试件实测数据吻合, 表明了该模型的合理有效性, 为进一步研究三维编织复合材料的拉伸强度及破坏机制提供了基础。
二维平纹机织复合材料弹性性能预测的域分解方法
李明, 陈秀华, 汪海
2012, (6): 197-205.
摘要:
为了预测二维平纹机织复合材料的弹性性能, 提出了基于有限元重合网格法的域分解方法。域分解方法与传统代表体元法的有限元建模不同, 前者不再建立精细的纤维与基体模型, 而是分别建立二维平纹机织复合材料单胞的整体域与纤维域, 整体域是真实基体体积与纤维体积的叠加, 两区域网格独立剖分, 互不影响。采用MSC. Nastran中的多节点约束在纤维节点与基体节点之间建立位移协调来模拟纤维和基体单元的位移函数关系, 实现了纤维域和基体域的耦合计算。研究表明, 域分解方法大大简化了机织复合材料细观力学建模的复杂性, 降低了建模时间, 采用域分解方法预测的二维平纹机织复合材料弹性常数与试验值吻合较好, 充分说明了该预测模型与方法的正确性。研究了不同纤维体积分数下, 域分解方法预测二维平纹机织复合材料的弹性常数的变化趋势, 结果表明, 随纤维体积分数增加, 模量呈上升趋势, 泊松比呈降低趋势。
三维机织碳/碳复合材料双轴压缩载荷下的力学行为
许承海, 孟松鹤, 齐菲, 胡江华, 宋乐颖
2012, (6): 206-211.
摘要:
基于三维机织碳/碳复合材料的细观结构特征, 设计平板十字形试样, 在材料双轴力学性能试验机上开展了复合材料单轴、 双轴加载压缩试验, 对比分析了三维机织碳/碳复合材料在双轴压缩载荷下的力学行为。研究表明: 三维机织碳/碳复合材料的压缩行为表现为非线性、 脆性断裂; 双轴载荷作用下非线性特征更为显著, 压缩模量随应力的增加而增大, 强度与模量相较于单轴有较大幅度增加, 双轴压缩载荷作用下材料的强化效应显著; 试样破坏位置并未出现在试样中心区, 而是发生在试样的加载端部或十字形试样的加载分枝根部, 主要表现为基体开裂、 纤维断裂和层间脱粘, 碳布及其层间界面剪切强度的强弱直接影响材料的压缩强度。
复合材料加筋板长桁终止端失效机制
周凯华, 陈普会, 柴亚南
2012, (6): 212-218.
摘要:
由于设计要求或设计限制条件, 壁板的长桁常常在翼肋或机身框附近、 机翼的前后梁附近、 机翼与机身的开口附近、 机翼的油箱附近等部位终止。在面内载荷作用下, 截面形状突变和传载路径偏移在端头处会产生应力集中, 极易引起缘条/蒙皮界面脱胶分层。对三种构型的长桁终止端典型件在单向拉、 压载荷下的破坏机制进行了试验研究与数值模拟, 结果表明, 拉伸时的失效是由面外剥离应力与层间剪应力的共同作用所致, 而压缩时的失效主要是由层间剪应力所致。
三维五向编织复合材料渐进损伤分析的数值方法
韩小进, 孙慧玉, 闫光, 阎楚良
2012, (6): 219-224.
摘要:
基于连续损伤理论, 推导了含损伤裂纹的正交各向异性材料的应力-应变关系。建立了考虑界面脱粘破坏的三维五向编织复合材料细观体胞模型, 并将有限元网格尺寸和单元裂纹尺寸引入损伤演化方程。采用Hashin准则和von-Mises准则分别判断纱线与基体的初始损伤, 结合Eshelby-Mori-Tanaka方法确定材料的刚度退化系数。利用ANSYS有限元软件对材料进行渐进损伤分析, 得到了材料在单向拉伸作用下的应力-应变曲线和极限强度。计算结果表明, 轴纱为材料的主要承力部分, 小编织角材料的破坏模式主要为纱线的拉伸断裂, 界面破坏情况较为严重。模拟计算结果与实验结果吻合较好。
复合材料层合板单钉双剪连接挤压强度的一种工程估算方法
杨显昆, 郑锡涛, 成李南, 杨杰
2012, (6): 225-229.
摘要:
将上限理论应用到复合材料层合板单钉双剪连接挤压强度分析中, 把连接结构的位移场划分为动态区域(层合板)和静态区域(紧固件), 并认为失效发生在位移可动场和不动场之间的钉孔边受挤压部分。由于受挤压孔孔边各层应力状态不一样, 受挤压孔边各层的失效区域和失效模式也各不相同。从宏观上研究复合材料层合板单钉连接孔边的失效区域和失效模式, 结合上限理论提出了一种估算复合材料单钉连接挤压强度的工程算法。通过与试验结果对比, 发现该方法能较好地预测出复合材料单钉双剪连接挤压强度。
K-cor增强泡沫夹层结构制备与力学性能
郑莹莹, 李宁, 尚伟, 张向阳, 胡晶晶, 周小卫, 肖军
2012, (6): 230-236.
摘要:
选取NHZP-1型双马树脂拉挤Z-pin, 并结合差示扫描量热法(DSC)测定及工艺参数优化来调控其固化度, 将Z-pin按70°角(Z-pin植入方向与水平方向夹角)植入Rohacell-51WF泡沫、 采用5429/HT7双马单向预浸料作为蒙皮, 成功制备K-cor夹层结构, 并展开了相应的力学性能测试。根据Z-pin在K-cor与X-cor夹层中与蒙皮结合方式差异建立微观拉伸结构简图, 并借助欧拉杆屈曲模型来估算其临界失稳载荷, 定性分析了平面压缩过程中Z-pin的破坏模式与增强机制。结果表明: Z-pin固化度为62.74%时, K-cor夹层结构的平面拉伸强度和模量分别为1.55 MPa与88.56 MPa, 平面压缩强度和模量高达3.61 MPa与128.84 MPa, 均比空白泡沫试样和具有相同Z-pin参数的X-cor夹层结构有所提高。
碳纤维复合材料T型接头的脱粘损伤监测实验
朱程燕, 熊克, 卞侃, 盛仪, 芦吉云
2012, (6): 237-242.
摘要:
将压电传感与主动Lamb波监测技术相结合, 研究在静拉伸加载状态下碳纤维复合材料T型接头(T700/BA9916)界面脱粘及扩展过程中的信号特征, 并采用改进后的BP神经网络系统对接头损伤状态进行识别。实验结果表明: T型接头脱粘首先发生在三角填充区, 后向突缘扩展; 接头失效前, 信号能量和最小二乘峰值因子随时间呈线性递减, 能够表征脱粘程度, 利用自适应微粒群算法改进后的网络训练值与实验观测值之间的误差为3.8%~4.7%。
剪切载荷下含椭圆形大开口层合板的试验研究
高维成, 李小乐, 刘伟, 刘婷
2012, (6): 243-248.
摘要:
在面内纯剪切载荷作用下, 采用试验与有限元模拟方法研究了结构中心设置椭圆形大开口的正方形复合材料层合板的应力/应变集中现象及屈曲、 后屈曲行为, 通过测试结果对试验件失效模式进行了评估。研究结果表明: 层合板开口附近应力/应变集中程度很高; 大尺寸开口使结构稳定性显著降低, 且开口层合板具有较好的后屈曲承载能力; 由于弯曲产生高水平的层间应力, 导致局部分层损伤并伴有基纤剪切破坏; 随着横向挠度的增加, 各应力集中区域的纤维发生拉伸断裂, 导致整体结构瞬间发生脆性失效。有限元模拟结果与试验结果符合较好。
翼面复合材料结构气动弹性剪裁设计和工艺技术
杨旭, 朴春雨
2012, (6): 249-256.
摘要:
为实现机翼翼尖扭角增量的设计要求, 达到改善飞机气动弹性特性的目的, 利用复合材料的弯扭耦合特性, 着重对复合材料非均衡铺层设计和工艺技术进行了研究, 提出了对翼面复合材料结构弯扭耦合特性进行设计的工程解决方法, 并开展了对比试验研究。试验结果表明, 经剪裁设计后, 模拟机翼盒段外洗效果明显, 在不同载荷作用下, 翼尖扭角增量降低10%~45%。