2016年 第33卷 第4期
2016, 33(4): 689-703.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160122.003
摘要:
碳纳米管(CNTs)具有极高的力学性能、优异的导电和导热性能,被视为理想的复合材料增强相。CNTs增强复合材料已成为一个极为重要的研究领域。然而,由于CNTs与金属基体间相容性、增强体空间分布难以控制、CNTs本身载流量高而电导率相对较低等,CNTs增强金属基复合材料尚未展现出对金属基体电学性能的显著提升,或者无法有效兼顾电学性能和力学性能,整体研究仍处于起步阶段。鉴于此,从预处理、制备方法和电学机制分析等方面概述了CNTs增强金属基复合材料电学性能的研究现状,并展望了该领域的未来发展趋势。
碳纳米管(CNTs)具有极高的力学性能、优异的导电和导热性能,被视为理想的复合材料增强相。CNTs增强复合材料已成为一个极为重要的研究领域。然而,由于CNTs与金属基体间相容性、增强体空间分布难以控制、CNTs本身载流量高而电导率相对较低等,CNTs增强金属基复合材料尚未展现出对金属基体电学性能的显著提升,或者无法有效兼顾电学性能和力学性能,整体研究仍处于起步阶段。鉴于此,从预处理、制备方法和电学机制分析等方面概述了CNTs增强金属基复合材料电学性能的研究现状,并展望了该领域的未来发展趋势。
2016, 33(4): 704-713.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150723.001
摘要:
为提高芳纶纤维与复合材料基体间的界面强度,首先,使用LiCl乙醇溶液处理芳纶纤维一定时间;然后,对LiCl处理芳纶纤维表面的化学组成、微观形貌、单丝拉伸强度及芳纶纤维/环氧树脂复合材料的界面性能等进行了测试分析。结果表明:使用LiCl乙醇溶液处理芳纶纤维后,芳纶纤维表面的含氮官能团含量增加;处理后,芳纶纤维表面有刻蚀出的沟槽,表面粗糙度增大,进而改善了芳纶纤维与环氧树脂基体的界面粘接性能,使芳纶纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度由处理前的21.75 MPa提升到37.98 MPa;最佳处理时间为3~4 h,而处理时间过长会导致芳纶纤维的单丝拉伸强度及复合材料的层间剪切强度下降。所得结论证实使用LiCl处理芳纶纤维是一种有效的表面改性方法。
为提高芳纶纤维与复合材料基体间的界面强度,首先,使用LiCl乙醇溶液处理芳纶纤维一定时间;然后,对LiCl处理芳纶纤维表面的化学组成、微观形貌、单丝拉伸强度及芳纶纤维/环氧树脂复合材料的界面性能等进行了测试分析。结果表明:使用LiCl乙醇溶液处理芳纶纤维后,芳纶纤维表面的含氮官能团含量增加;处理后,芳纶纤维表面有刻蚀出的沟槽,表面粗糙度增大,进而改善了芳纶纤维与环氧树脂基体的界面粘接性能,使芳纶纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度由处理前的21.75 MPa提升到37.98 MPa;最佳处理时间为3~4 h,而处理时间过长会导致芳纶纤维的单丝拉伸强度及复合材料的层间剪切强度下降。所得结论证实使用LiCl处理芳纶纤维是一种有效的表面改性方法。
2016, 33(4): 714-722.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150803.001
摘要:
为开发力敏性能更为优异的复合材料薄膜,首先,通过液相还原法制备了粒径约为100 nm的纳米Fe50Ni50粉体,并通过液态混合分散工艺将纳米粉体与丁基橡胶(IIR)混合分散;然后,通过机械混炼及压制得到了粉体分布均匀、含量为65wt%的纳米Fe50Ni50粉体/IIR复合材料薄膜;最后,研究了在连续加载/卸载速度为0.10 mm/min、测试频率为1 kHz的条件下,纳米Fe50Ni50粉体/IIR复合材料薄膜的力敏特性。结果表明:液态混合分散工艺可使Fe50Ni50粉体在复合材料薄膜中达到纳米级均匀分散效果;当压应力为0.20~0.90 MPa时,薄膜越厚,其标准偏差越大,力敏稳定性越差;随压应力增大,厚度为185μm的薄膜在加载阶段的阻抗近似线性下降,力敏灵敏度稳定在40~60范围内,标准偏差约为1~2。所得结论表明在压应力为0.20~0.90 MPa时,制备的薄膜具有优异的力敏特性。
为开发力敏性能更为优异的复合材料薄膜,首先,通过液相还原法制备了粒径约为100 nm的纳米Fe50Ni50粉体,并通过液态混合分散工艺将纳米粉体与丁基橡胶(IIR)混合分散;然后,通过机械混炼及压制得到了粉体分布均匀、含量为65wt%的纳米Fe50Ni50粉体/IIR复合材料薄膜;最后,研究了在连续加载/卸载速度为0.10 mm/min、测试频率为1 kHz的条件下,纳米Fe50Ni50粉体/IIR复合材料薄膜的力敏特性。结果表明:液态混合分散工艺可使Fe50Ni50粉体在复合材料薄膜中达到纳米级均匀分散效果;当压应力为0.20~0.90 MPa时,薄膜越厚,其标准偏差越大,力敏稳定性越差;随压应力增大,厚度为185μm的薄膜在加载阶段的阻抗近似线性下降,力敏灵敏度稳定在40~60范围内,标准偏差约为1~2。所得结论表明在压应力为0.20~0.90 MPa时,制备的薄膜具有优异的力敏特性。
2016, 33(4): 723-731.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150911.004
摘要:
为开发一种满足航空环境要求的新型环氧胶衣,首先,研究了不同分子量、不同含量的聚乙二醇(PEG)改性环氧胶衣在室温下的冲击韧性及冲击断面形貌;然后,采用一种简单温度冲击试样模型,着重研究了PEG改性环氧胶衣在温度冲击(-50℃/30 min+90℃/30 min)下的开裂性能,并通过分析热膨胀及储能模量等的变化趋势对其进行了验证。结果表明:5wt% PEG-1000改性环氧胶衣的冲击强度比未改性环氧胶衣的提高了31.8%,达到最高值4.97 kJ·m-2;PEG-1000和PEG-2000改性环氧胶衣的冲击断面呈现出更明显的塑性变形形貌,胶衣的冲击韧性得到提高;15wt% PEG-400改性环氧胶衣在温度冲击下的宏观初始开裂性能达到最佳,平均初始开裂需要进行10.4次循环;改性环氧胶衣的耐开裂扩散性能基本上随着PEG分子量和含量的增加而提高,但裂纹宽度也会随PEG分子量的增加而扩大。
为开发一种满足航空环境要求的新型环氧胶衣,首先,研究了不同分子量、不同含量的聚乙二醇(PEG)改性环氧胶衣在室温下的冲击韧性及冲击断面形貌;然后,采用一种简单温度冲击试样模型,着重研究了PEG改性环氧胶衣在温度冲击(-50℃/30 min+90℃/30 min)下的开裂性能,并通过分析热膨胀及储能模量等的变化趋势对其进行了验证。结果表明:5wt% PEG-1000改性环氧胶衣的冲击强度比未改性环氧胶衣的提高了31.8%,达到最高值4.97 kJ·m-2;PEG-1000和PEG-2000改性环氧胶衣的冲击断面呈现出更明显的塑性变形形貌,胶衣的冲击韧性得到提高;15wt% PEG-400改性环氧胶衣在温度冲击下的宏观初始开裂性能达到最佳,平均初始开裂需要进行10.4次循环;改性环氧胶衣的耐开裂扩散性能基本上随着PEG分子量和含量的增加而提高,但裂纹宽度也会随PEG分子量的增加而扩大。
2016, 33(4): 732-740.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150921.002
摘要:
利用数字图像相关技术(DSCM)针对紫外光老化的沥青混合料(HMA)半圆试件弯拉试验中裂纹产生及扩展规律从细观角度进行表征,运用Vic-3D分析软件对沥青混合料半圆试件进行全场位移、应变计算,得到试件破坏过程的位移场、应变场。结果表明:通过对紫外光照的沥青胶浆、集料及界面水平方向应变场的对比分析,发现界面为沥青混合料最薄弱处,最易产生裂纹;进一步通过水平方向应变随载荷变化曲线的变化对HMA开裂时间进行分析,可以更好地将HMA微裂缝开裂时间与宏观裂缝开裂时间加以区分,且紫外老化后的HMA试样界面开裂时间明显缩短。同时,将相同的紫外老化前后的橡胶粉(CR)改性HMA试样与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性HMA试样的位移随载荷变化规律进行对比发现,经紫外老化后的CR改性HMA比紫外老化后SBS改性HMA具有更强的抗开裂能力及持荷能力。
利用数字图像相关技术(DSCM)针对紫外光老化的沥青混合料(HMA)半圆试件弯拉试验中裂纹产生及扩展规律从细观角度进行表征,运用Vic-3D分析软件对沥青混合料半圆试件进行全场位移、应变计算,得到试件破坏过程的位移场、应变场。结果表明:通过对紫外光照的沥青胶浆、集料及界面水平方向应变场的对比分析,发现界面为沥青混合料最薄弱处,最易产生裂纹;进一步通过水平方向应变随载荷变化曲线的变化对HMA开裂时间进行分析,可以更好地将HMA微裂缝开裂时间与宏观裂缝开裂时间加以区分,且紫外老化后的HMA试样界面开裂时间明显缩短。同时,将相同的紫外老化前后的橡胶粉(CR)改性HMA试样与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性HMA试样的位移随载荷变化规律进行对比发现,经紫外老化后的CR改性HMA比紫外老化后SBS改性HMA具有更强的抗开裂能力及持荷能力。
2016, 33(4): 741-748.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151225.001
摘要:
采用流变仪测试耐高温缩水甘油胺型环氧树脂体系的黏度-温度和黏度-时间特性曲线,考察了树脂体系的化学流变特性,建立并对比树脂体系在等温条件下黏度特性曲线的Daul Arrhenius模型和工程黏度模型,提出了一种二阶指数黏度模型预测体系的黏度变化规律。结果表明:二阶指数黏度模型的预测精度和适用范围均优于Daul Arrhenius模型和工程黏度模型,预测黏度与实验值具有良好的一致性,根据建立的黏度随温度和时间变化的唯象关系式,可方便准确地预报树脂体系的工艺窗口,指出了其在工程应用中必须改善的工艺问题。
采用流变仪测试耐高温缩水甘油胺型环氧树脂体系的黏度-温度和黏度-时间特性曲线,考察了树脂体系的化学流变特性,建立并对比树脂体系在等温条件下黏度特性曲线的Daul Arrhenius模型和工程黏度模型,提出了一种二阶指数黏度模型预测体系的黏度变化规律。结果表明:二阶指数黏度模型的预测精度和适用范围均优于Daul Arrhenius模型和工程黏度模型,预测黏度与实验值具有良好的一致性,根据建立的黏度随温度和时间变化的唯象关系式,可方便准确地预报树脂体系的工艺窗口,指出了其在工程应用中必须改善的工艺问题。
2016, 33(4): 749-757.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151211.001
摘要:
以聚醚醚酮(PEEK)为基体树脂、碳纤维(CF)和氮化铝(AlN)为填料,通过模压成型的方法制备了抗静电耐热型CF-AlN/PEEK复合材料。采用高阻计、导热系数测定仪、热失重、差示扫描量热仪和SEM研究了CF-AlN/PEEK复合材料的抗静电性能、热性能、力学性能以及降温速率对复合材料性能的影响,并探讨了后期热处理对力学性能的影响。结果表明:当CF和AlN的质量分数均为10%时,CF-AlN/PEEK复合材料的性能较优,其表面电阻率达到108 Ω,比PEEK的表面电阻率提高了6个数量级;导热系数为0.418 W·(m·K)-1,初始分解温度高达573℃;拉伸强度提高了40.4%;降温速率越低,复合材料的熔点越高;后期热处理会影响CF-AlN/PEEK复合材料的力学性能,在270℃下热处理2 h,其拉伸强度可达146 MPa,表明在生产过程中,加工温度是影响复合材料性能的因素之一。
以聚醚醚酮(PEEK)为基体树脂、碳纤维(CF)和氮化铝(AlN)为填料,通过模压成型的方法制备了抗静电耐热型CF-AlN/PEEK复合材料。采用高阻计、导热系数测定仪、热失重、差示扫描量热仪和SEM研究了CF-AlN/PEEK复合材料的抗静电性能、热性能、力学性能以及降温速率对复合材料性能的影响,并探讨了后期热处理对力学性能的影响。结果表明:当CF和AlN的质量分数均为10%时,CF-AlN/PEEK复合材料的性能较优,其表面电阻率达到108 Ω,比PEEK的表面电阻率提高了6个数量级;导热系数为0.418 W·(m·K)-1,初始分解温度高达573℃;拉伸强度提高了40.4%;降温速率越低,复合材料的熔点越高;后期热处理会影响CF-AlN/PEEK复合材料的力学性能,在270℃下热处理2 h,其拉伸强度可达146 MPa,表明在生产过程中,加工温度是影响复合材料性能的因素之一。
2016, 33(4): 758-767.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150907.003
摘要:
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在细观上呈现纤维、树脂及界面组成的混合态,其切削加工过程的实质为刀具作用下材料细观层面的破坏至切屑宏观形成的演化过程。为了揭示CFRP切削加工过程中材料的细观破坏,建立了CFRP切削的细观有限元模型。该模型在几何上包含了纤维、基体及界面等组成相,而不是使用传统的等效均质建模方法。各组成相不仅考虑了各自不同的材料本构,而且为了能够模拟材料破坏,还将各组成相材料的失效及演化准则考虑其中。该模型可从细观层面更真实地模拟不同纤维角度CFRP单向板切削过程中纤维/基体断裂、界面开裂及演化的过程。仿真结果表明:不同纤维角度下CFRP细观破坏不同,切削0℃FRP时以界面开裂和纤维弯断为主;切削45°/90℃FRP时主要是刀具侵入工件,纤维基体被压断;切削135℃FRP时则以纤维弯曲断裂为主,断裂面往往在加工面以下。通过实验显微在线观测手段验证了模拟结果的正确性。
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在细观上呈现纤维、树脂及界面组成的混合态,其切削加工过程的实质为刀具作用下材料细观层面的破坏至切屑宏观形成的演化过程。为了揭示CFRP切削加工过程中材料的细观破坏,建立了CFRP切削的细观有限元模型。该模型在几何上包含了纤维、基体及界面等组成相,而不是使用传统的等效均质建模方法。各组成相不仅考虑了各自不同的材料本构,而且为了能够模拟材料破坏,还将各组成相材料的失效及演化准则考虑其中。该模型可从细观层面更真实地模拟不同纤维角度CFRP单向板切削过程中纤维/基体断裂、界面开裂及演化的过程。仿真结果表明:不同纤维角度下CFRP细观破坏不同,切削0℃FRP时以界面开裂和纤维弯断为主;切削45°/90℃FRP时主要是刀具侵入工件,纤维基体被压断;切削135℃FRP时则以纤维弯曲断裂为主,断裂面往往在加工面以下。通过实验显微在线观测手段验证了模拟结果的正确性。
2016, 33(4): 768-778.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150911.002
摘要:
针对碳纤维增强环氧基复合材料机械连接结构耐久性设计中的2个关键问题:黏弹性预紧力松弛的温度-时间依赖行为及其长期性能预测方法进行研究。建立了以蠕变全应变理论为基础的预紧力松弛预测模型。36 h的恒温耐久试验表明:初始预紧力越大,温度越高,连接件预紧力松弛速率越快;复合材料连接件的松弛速率远大于金属连接件;预紧力松弛主要表现为材料蠕变过程。对比短期试验结果表明:本模型能较好地实现对不同温度、预紧力和连接材料的松弛预测,为确立试验数据的外推方法提供了依据。
针对碳纤维增强环氧基复合材料机械连接结构耐久性设计中的2个关键问题:黏弹性预紧力松弛的温度-时间依赖行为及其长期性能预测方法进行研究。建立了以蠕变全应变理论为基础的预紧力松弛预测模型。36 h的恒温耐久试验表明:初始预紧力越大,温度越高,连接件预紧力松弛速率越快;复合材料连接件的松弛速率远大于金属连接件;预紧力松弛主要表现为材料蠕变过程。对比短期试验结果表明:本模型能较好地实现对不同温度、预紧力和连接材料的松弛预测,为确立试验数据的外推方法提供了依据。
2016, 33(4): 779-787.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150723.003
摘要:
采用浓H2SO4/浓HNO3混合酸对碳纤维(CF)进行表面氧化处理得到氧化碳纤维(OCF),再利用γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(KH-570)与OCF进一步反应得到KH-570接枝改性碳纤维(KCF),随后将其应用于乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)复合泡沫材料中。利用FTIR、XPS、Raman、FESEM和电子万能试验机等考察了碳纤维的表面改性效果以及碳纤维/EVA复合材料的结构与性能。结果表明:氧化和接枝反应均可以增加碳纤维表面的活性官能团含量和粗糙度,从而改善碳纤维与EVA基体之间的相容性,使碳纤维/EVA复合泡沫材料的物理性能得到改善。相同条件下,KH-570接枝改性碳纤维/EVA复合泡沫材料的物理性能更优异。
采用浓H2SO4/浓HNO3混合酸对碳纤维(CF)进行表面氧化处理得到氧化碳纤维(OCF),再利用γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(KH-570)与OCF进一步反应得到KH-570接枝改性碳纤维(KCF),随后将其应用于乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)复合泡沫材料中。利用FTIR、XPS、Raman、FESEM和电子万能试验机等考察了碳纤维的表面改性效果以及碳纤维/EVA复合材料的结构与性能。结果表明:氧化和接枝反应均可以增加碳纤维表面的活性官能团含量和粗糙度,从而改善碳纤维与EVA基体之间的相容性,使碳纤维/EVA复合泡沫材料的物理性能得到改善。相同条件下,KH-570接枝改性碳纤维/EVA复合泡沫材料的物理性能更优异。
2016, 33(4): 788-796.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150901.001
摘要:
为研究超声振动辅助铣磨加工对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)切削力和表面质量的影响,建立了超声振动辅助铣磨加工的切削力模型,进行了磨粒运动轨迹、刀具锋利化效果及单颗磨粒切厚的理论分析及试验验证。结果表明:超声振动辅助铣磨加工与传统铣磨加工相比切削力更小、加工质量更好。当每齿进给量从4μm/z增加到8μm/z时,超声振动辅助铣磨加工的切削力增加了44.7%,小于传统铣磨加工的84.9%;同样,当切深从200μm增加到400μm时,超声振动辅助铣磨加工的切削力增加了187.8%,小于传统铣磨加工的209%;在相同加工参数下,超声振动辅助铣磨加工的工件表面与传统铣磨加工相比,树脂涂覆、表面凹坑和纤维拔出量明显减少。
为研究超声振动辅助铣磨加工对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)切削力和表面质量的影响,建立了超声振动辅助铣磨加工的切削力模型,进行了磨粒运动轨迹、刀具锋利化效果及单颗磨粒切厚的理论分析及试验验证。结果表明:超声振动辅助铣磨加工与传统铣磨加工相比切削力更小、加工质量更好。当每齿进给量从4μm/z增加到8μm/z时,超声振动辅助铣磨加工的切削力增加了44.7%,小于传统铣磨加工的84.9%;同样,当切深从200μm增加到400μm时,超声振动辅助铣磨加工的切削力增加了187.8%,小于传统铣磨加工的209%;在相同加工参数下,超声振动辅助铣磨加工的工件表面与传统铣磨加工相比,树脂涂覆、表面凹坑和纤维拔出量明显减少。
2016, 33(4): 797-805.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150901.002
摘要:
以木质素磺酸钠(LS)、丙烯酰胺(AM)、马来酸酐(MAH)为原料,膨润土(Ben)为无机添加剂,过硫酸钾(KPS)为引发剂,N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(NMBA)为交联剂,通过溶液自由基接枝共聚法制备了膨润土/木质素磺酸钠接枝丙烯酰胺-马来酸酐(Ben/LS-g-AM-co-MAH)选择性吸附树脂。采用元素分析(EA)、比表面积和孔径分析(BET)、FTIR、核磁共振碳谱(13C NMR)、XRD、SEM-EDS及XPS对所得吸附树脂的组成与结构进行了表征。结果表明:Ben/LS-g-AM-co-MAH的结构中含有大量的酰胺基和羧基基团,其在二元Pb2+/Cu2+溶液中对Pb2+具有较高的吸附量以及良好的吸附选择性。
以木质素磺酸钠(LS)、丙烯酰胺(AM)、马来酸酐(MAH)为原料,膨润土(Ben)为无机添加剂,过硫酸钾(KPS)为引发剂,N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(NMBA)为交联剂,通过溶液自由基接枝共聚法制备了膨润土/木质素磺酸钠接枝丙烯酰胺-马来酸酐(Ben/LS-g-AM-co-MAH)选择性吸附树脂。采用元素分析(EA)、比表面积和孔径分析(BET)、FTIR、核磁共振碳谱(13C NMR)、XRD、SEM-EDS及XPS对所得吸附树脂的组成与结构进行了表征。结果表明:Ben/LS-g-AM-co-MAH的结构中含有大量的酰胺基和羧基基团,其在二元Pb2+/Cu2+溶液中对Pb2+具有较高的吸附量以及良好的吸附选择性。
2016, 33(4): 806-813.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151013.003
摘要:
针对多钉连接中因复合材料脆性等因素导致结构中的钉载分配不均匀,以及接头在承载较大的钉位置易发生过早破坏的问题,提出了调整钉孔配合间隙改善钉载分配的不均匀性的优化方法。首先,基于弹簧质量模型,以钉孔间隙为设计变量,建立了多钉连接钉载分配的二次规划优化模型。然后,采用内点法对优化模型进行了求解,得到了优化模型的全局最优解。最后,以复合材料5钉双剪接头为例,对钉孔间隙进行了优化,将计算结果与有限元预测结果进行对比。结果表明:模型优化结果与有限元结果吻合较好,优化后最大钉载比例由41.1%降低到了20%。采用该模型可以高效、准确地实现复合材料多钉连接钉载分配比例的均匀化设计。
针对多钉连接中因复合材料脆性等因素导致结构中的钉载分配不均匀,以及接头在承载较大的钉位置易发生过早破坏的问题,提出了调整钉孔配合间隙改善钉载分配的不均匀性的优化方法。首先,基于弹簧质量模型,以钉孔间隙为设计变量,建立了多钉连接钉载分配的二次规划优化模型。然后,采用内点法对优化模型进行了求解,得到了优化模型的全局最优解。最后,以复合材料5钉双剪接头为例,对钉孔间隙进行了优化,将计算结果与有限元预测结果进行对比。结果表明:模型优化结果与有限元结果吻合较好,优化后最大钉载比例由41.1%降低到了20%。采用该模型可以高效、准确地实现复合材料多钉连接钉载分配比例的均匀化设计。
2016, 33(4): 814-820.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150914.001
摘要:
采用溶胶-凝胶法制备锂锌铁氧体(Li0.435Zn0.195Fe2.37O4,LZFO),界面聚合法制备纯聚苯胺(PANI)和PANI纳米纤维/LZFO复合材料。通过SEM、XRD、FTIR和矢量网络分析(PNA)等对材料的物相、结构和吸波性能进行了表征和分析。结果表明:制备出的样品分别为PANI、LZFO和不同配比的PANI纳米纤维/LZFO复合材料。在2~18 GHz范围内,PANI纳米纤维/LZFO复合材料的电磁波反射率<-10 dB的波段有2个,吸波性能较纯PANI和LZFO有了很大提高,并且拓宽了吸波频带,当PANI纳米纤维/LZFO复合材料中PANI纳米纤维的质量分数为10%,其综合吸波性能最佳,电磁波反射率<-10 dB的波段分别为2.5~5.5 GHz波段和14.5~16.5 GHz波段,最大吸收峰可达到-33.8 dB。而PANI和LZFO在电磁波反射率<-10 dB的波段只有1个。因此通过PANI纳米纤维接枝铁氧体,可调节电磁参数,提高材料的吸波性能。
采用溶胶-凝胶法制备锂锌铁氧体(Li0.435Zn0.195Fe2.37O4,LZFO),界面聚合法制备纯聚苯胺(PANI)和PANI纳米纤维/LZFO复合材料。通过SEM、XRD、FTIR和矢量网络分析(PNA)等对材料的物相、结构和吸波性能进行了表征和分析。结果表明:制备出的样品分别为PANI、LZFO和不同配比的PANI纳米纤维/LZFO复合材料。在2~18 GHz范围内,PANI纳米纤维/LZFO复合材料的电磁波反射率<-10 dB的波段有2个,吸波性能较纯PANI和LZFO有了很大提高,并且拓宽了吸波频带,当PANI纳米纤维/LZFO复合材料中PANI纳米纤维的质量分数为10%,其综合吸波性能最佳,电磁波反射率<-10 dB的波段分别为2.5~5.5 GHz波段和14.5~16.5 GHz波段,最大吸收峰可达到-33.8 dB。而PANI和LZFO在电磁波反射率<-10 dB的波段只有1个。因此通过PANI纳米纤维接枝铁氧体,可调节电磁参数,提高材料的吸波性能。
2016, 33(4): 821-826.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150921.003
摘要:
首先,采用溶胶-凝胶法以锆酸四丁酯为原料制备了直径约为230 nm单分散性ZrO2亚微球;然后,以ZrO2为前体,加入少量AgNO3,用物理方法将Sn2+离子吸附在ZrO2表面,Ag+被还原成Ag0负载在ZrO2表面合成Ag@ZrO2晶种,加入甲醛合成核-壳纳米Ag@ZrO2复合材料;最后用TEM、XRD和UV-Vis对制备的ZrO2和Ag@ZrO2进行表征,并研究其对金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E.coli)的抑菌性能。结果表明:当Ag浓度为0.6 mg/mL时,Ag@ZrO2对S.aureus和E.coli的抑菌率分别为95.5%和99.0%。因此,Ag@ZrO2作为理想的抗菌材料可以应用于日常生活和医疗实践中。
首先,采用溶胶-凝胶法以锆酸四丁酯为原料制备了直径约为230 nm单分散性ZrO2亚微球;然后,以ZrO2为前体,加入少量AgNO3,用物理方法将Sn2+离子吸附在ZrO2表面,Ag+被还原成Ag0负载在ZrO2表面合成Ag@ZrO2晶种,加入甲醛合成核-壳纳米Ag@ZrO2复合材料;最后用TEM、XRD和UV-Vis对制备的ZrO2和Ag@ZrO2进行表征,并研究其对金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E.coli)的抑菌性能。结果表明:当Ag浓度为0.6 mg/mL时,Ag@ZrO2对S.aureus和E.coli的抑菌率分别为95.5%和99.0%。因此,Ag@ZrO2作为理想的抗菌材料可以应用于日常生活和医疗实践中。
2016, 33(4): 827-832.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150907.002
摘要:
研究了室温下针刺C/SiC复合材料的静拉伸应力-应变行为。基于显微CT技术重构的微观型貌,选取恰当的代表体积单元,建立了针刺C/SiC复合材料应力-应变性能预测的单胞模型。基于可实现任意加卸载下单向纤维增强C/SiC复合材料应力-应变计算的界面摩擦模型,由材料的细观组分性能计算出单向纤维束层的应力-应变响应,然后将单向纤维束层的应力-应变响应代入到单胞模型中,通过有限元法计算得到针刺C/SiC复合材料的整体应力-应变响应。进行了针刺C/SiC复合材料静拉伸试验,测得材料的应力-应变响应,计算结果与试验吻合较好。
研究了室温下针刺C/SiC复合材料的静拉伸应力-应变行为。基于显微CT技术重构的微观型貌,选取恰当的代表体积单元,建立了针刺C/SiC复合材料应力-应变性能预测的单胞模型。基于可实现任意加卸载下单向纤维增强C/SiC复合材料应力-应变计算的界面摩擦模型,由材料的细观组分性能计算出单向纤维束层的应力-应变响应,然后将单向纤维束层的应力-应变响应代入到单胞模型中,通过有限元法计算得到针刺C/SiC复合材料的整体应力-应变响应。进行了针刺C/SiC复合材料静拉伸试验,测得材料的应力-应变响应,计算结果与试验吻合较好。
2016, 33(4): 833-840.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150715.001
摘要:
以Ti、B4C和SiC晶须(SiCw)为原料,采用自蔓延高温合成法制备了多孔TiB2-TiC复合材料。讨论了SiCw含量对TiB2-TiC复合材料物相、组织形貌、孔隙率和抗压强度的影响。结果表明:不添加SiCw时,复合材料中主要物相为贫硼相TiB和Ti3B4以及TiC和少量TiB2;在5Ti+B4C体系中加入SiCw后,贫硼相TiB和Ti3B4逐渐减少直至消失,而出现富硼相TiB2和TiC的含量增加。随着SiCw含量的增加,复合材料的孔隙率逐渐增加,由38.46%增加至52.78%。当SiCw含量小于1.0时,随着SiCw含量的增加,多孔TiB2-TiC复合材料的抗压强度明显增加,当SiCw含量为1.0时,复合材料的抗压强度达到最大值56.04 MPa。Ti与SiCw反应会生成TiC、Ti3SiC2和TiSi2等物相,消耗一定量的Ti,使得与B4C反应的Ti量减少,从而促进富硼相TiB2形成和TiC的增多。并且在SiCw表面形成颗粒状TiC或者层片状Ti3SiC2,增加SiCw与TiB2-TiC基体之间的结合,更有利于发挥SiCw的强化作用。
以Ti、B4C和SiC晶须(SiCw)为原料,采用自蔓延高温合成法制备了多孔TiB2-TiC复合材料。讨论了SiCw含量对TiB2-TiC复合材料物相、组织形貌、孔隙率和抗压强度的影响。结果表明:不添加SiCw时,复合材料中主要物相为贫硼相TiB和Ti3B4以及TiC和少量TiB2;在5Ti+B4C体系中加入SiCw后,贫硼相TiB和Ti3B4逐渐减少直至消失,而出现富硼相TiB2和TiC的含量增加。随着SiCw含量的增加,复合材料的孔隙率逐渐增加,由38.46%增加至52.78%。当SiCw含量小于1.0时,随着SiCw含量的增加,多孔TiB2-TiC复合材料的抗压强度明显增加,当SiCw含量为1.0时,复合材料的抗压强度达到最大值56.04 MPa。Ti与SiCw反应会生成TiC、Ti3SiC2和TiSi2等物相,消耗一定量的Ti,使得与B4C反应的Ti量减少,从而促进富硼相TiB2形成和TiC的增多。并且在SiCw表面形成颗粒状TiC或者层片状Ti3SiC2,增加SiCw与TiB2-TiC基体之间的结合,更有利于发挥SiCw的强化作用。
2016, 33(4): 841-851.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151010.002
摘要:
纤维增强陶瓷基复合材料(CMCs)在疲劳载荷作用下,纤维相对基体在界面脱粘区往复滑移导致其出现疲劳迟滞现象,迟滞回线包围的面积,即迟滞耗散能,可用于监测纤维增强CMCs疲劳损伤演化过程。提出了一种基于迟滞耗散能的纤维增强CMCs疲劳寿命预测方法及考虑纤维失效的迟滞回线模型,建立了迟滞耗散能、基于迟滞耗散能的损伤参数、应力-应变迟滞回线与疲劳损伤机制(多基体开裂、纤维/基体界面脱粘、界面磨损与纤维失效)之间的关系。分析了疲劳峰值应力、疲劳应力比与纤维体积分数对纤维增强CMCs疲劳寿命S-N曲线、迟滞耗散能和基于迟滞耗散能的损伤参数随循环次数变化的影响。疲劳寿命随疲劳峰值应力增加而减小,随纤维体积含量增加而增加;迟滞耗散能随疲劳峰值应力增加而增加,随应力比和纤维体积分数增加而减小;基于迟滞耗散能的损伤参数随纤维体积分数增加而减小。
纤维增强陶瓷基复合材料(CMCs)在疲劳载荷作用下,纤维相对基体在界面脱粘区往复滑移导致其出现疲劳迟滞现象,迟滞回线包围的面积,即迟滞耗散能,可用于监测纤维增强CMCs疲劳损伤演化过程。提出了一种基于迟滞耗散能的纤维增强CMCs疲劳寿命预测方法及考虑纤维失效的迟滞回线模型,建立了迟滞耗散能、基于迟滞耗散能的损伤参数、应力-应变迟滞回线与疲劳损伤机制(多基体开裂、纤维/基体界面脱粘、界面磨损与纤维失效)之间的关系。分析了疲劳峰值应力、疲劳应力比与纤维体积分数对纤维增强CMCs疲劳寿命S-N曲线、迟滞耗散能和基于迟滞耗散能的损伤参数随循环次数变化的影响。疲劳寿命随疲劳峰值应力增加而减小,随纤维体积含量增加而增加;迟滞耗散能随疲劳峰值应力增加而增加,随应力比和纤维体积分数增加而减小;基于迟滞耗散能的损伤参数随纤维体积分数增加而减小。
2016, 33(4): 852-858.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150915.001
摘要:
为了提高磷酸钙水泥(CPCs)的强度,将纳米片状的氧化石墨烯(GO)与CPCs复合。首先,以α-Ca3(PO4)2、CaHPO4和CaCO4物质的量之比为1:1:1的CPCs为固相、不同浓度的GO水分散液为固化液,二者按一定的固/液比混合并固化成型,制得GO/CPCs;然后,探讨GO添加量对GO/CPCs力学强度的影响,测量固化时间、在模拟体液中浸泡后的降解率及浸提液的pH,以XRD检测其物相,并通过SEM观察其显微形貌。结果显示:GO添加量对CPCs的抗压强度有显著影响,最佳添加量为0.0500wt%;随老化时间的延长,不同GO添加量的CPCs的抗压强度均明显提高,尤其是在早期阶段;与不加GO的对照组相比,老化2 h和24 h后,0.0500wt% GO/CPCs的抗压强度分别提高了200%和67%。GO/CPCs在模拟体液中的降解率升高且浸提液pH下降。GO/CPCs在同期水化反应中可获得更多的羟基磷灰石相,结晶有序、均匀且细小。所得结论表明掺加GO可以显著改善CPCs的抗压强度。
为了提高磷酸钙水泥(CPCs)的强度,将纳米片状的氧化石墨烯(GO)与CPCs复合。首先,以α-Ca3(PO4)2、CaHPO4和CaCO4物质的量之比为1:1:1的CPCs为固相、不同浓度的GO水分散液为固化液,二者按一定的固/液比混合并固化成型,制得GO/CPCs;然后,探讨GO添加量对GO/CPCs力学强度的影响,测量固化时间、在模拟体液中浸泡后的降解率及浸提液的pH,以XRD检测其物相,并通过SEM观察其显微形貌。结果显示:GO添加量对CPCs的抗压强度有显著影响,最佳添加量为0.0500wt%;随老化时间的延长,不同GO添加量的CPCs的抗压强度均明显提高,尤其是在早期阶段;与不加GO的对照组相比,老化2 h和24 h后,0.0500wt% GO/CPCs的抗压强度分别提高了200%和67%。GO/CPCs在模拟体液中的降解率升高且浸提液pH下降。GO/CPCs在同期水化反应中可获得更多的羟基磷灰石相,结晶有序、均匀且细小。所得结论表明掺加GO可以显著改善CPCs的抗压强度。
2016, 33(4): 859-865.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151008.002
摘要:
为制得在力学性能和生物活性方面都较为优异的羟基磷灰石(HA)复合涂层,首先,通过添加二元成骨微量元素化合物SrCO3和SiO2,以壳聚糖为造孔剂,采用电泳沉积的方法辅以高温烧结制得HA-SrCO3-SiO2复合涂层;然后,使用FTIR、XRD、SEM、EDS、万能材料试验机和电化学工作站对复合涂层进行测试与表征,并通过1.5倍离子浓度模拟体液的浸泡培养评价HA-SrCO3-SiO2复合涂层的生物活性。结果表明:HA-SrCO3-SiO2复合涂层与基体间的结合强度达28.6 MPa;在模拟体液中浸泡培养7 d后,复合涂层表面完全碳磷灰石化,说明该复合涂层具有比单一掺杂成骨微量元素化合物复合涂层及纯HA涂层更为优异的生物活性。所得结论表明制得的HA-SrCO3-SiO2复合涂层有望开发成为新一代人工骨替代材料。
为制得在力学性能和生物活性方面都较为优异的羟基磷灰石(HA)复合涂层,首先,通过添加二元成骨微量元素化合物SrCO3和SiO2,以壳聚糖为造孔剂,采用电泳沉积的方法辅以高温烧结制得HA-SrCO3-SiO2复合涂层;然后,使用FTIR、XRD、SEM、EDS、万能材料试验机和电化学工作站对复合涂层进行测试与表征,并通过1.5倍离子浓度模拟体液的浸泡培养评价HA-SrCO3-SiO2复合涂层的生物活性。结果表明:HA-SrCO3-SiO2复合涂层与基体间的结合强度达28.6 MPa;在模拟体液中浸泡培养7 d后,复合涂层表面完全碳磷灰石化,说明该复合涂层具有比单一掺杂成骨微量元素化合物复合涂层及纯HA涂层更为优异的生物活性。所得结论表明制得的HA-SrCO3-SiO2复合涂层有望开发成为新一代人工骨替代材料。
2016, 33(4): 866-874.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160102.002
摘要:
采用涤棉混纺(P/C)和涤纶(PE)废弃织物增强水泥基透水混凝土砖,分析织物含量和织物尺寸等因素对复合透水砖(CPB)抗压性能、透水性和保水性的影响。结果表明:随着织物掺加体积分数的增加,CPB的抗压强度、压缩韧性指数和所消耗能量先增大后减小,透水系数和保水系数增加;随着织物尺寸增大,CPB的抗压强度、透水系数和保水系数逐渐减小,压缩韧性指数增加,耗能变化幅度不大;在织物和纤维掺加量较小且掺加质量相同的条件下,与废弃织物CPB相比,再生纤维CPB的抗压强度较小,而压缩韧性指数、耗能和透水系数较大;当织物掺加体积分数≤2%时,涤棉复合透水砖(PC-CPB)的抗压强度优于涤纶复合透水砖(P-CPB),透水系数、保水系数和P-CPB接近,当织物掺加体积分数>2%时则相反,而PC-CPB的压缩韧性指数和耗能始终优于P-CPB;织物掺加体积分数为2%的3 mm×3 mm P/C织物所制备的CPB抗压强度为28.20 MPa,耗能为1097.55 N·m,透水系数为0.267 mm/s,保水系数为43.40 g/cm2,与普通透水砖相比,分别提高了21.8%、55.8%、115.3%和33.3%。
采用涤棉混纺(P/C)和涤纶(PE)废弃织物增强水泥基透水混凝土砖,分析织物含量和织物尺寸等因素对复合透水砖(CPB)抗压性能、透水性和保水性的影响。结果表明:随着织物掺加体积分数的增加,CPB的抗压强度、压缩韧性指数和所消耗能量先增大后减小,透水系数和保水系数增加;随着织物尺寸增大,CPB的抗压强度、透水系数和保水系数逐渐减小,压缩韧性指数增加,耗能变化幅度不大;在织物和纤维掺加量较小且掺加质量相同的条件下,与废弃织物CPB相比,再生纤维CPB的抗压强度较小,而压缩韧性指数、耗能和透水系数较大;当织物掺加体积分数≤2%时,涤棉复合透水砖(PC-CPB)的抗压强度优于涤纶复合透水砖(P-CPB),透水系数、保水系数和P-CPB接近,当织物掺加体积分数>2%时则相反,而PC-CPB的压缩韧性指数和耗能始终优于P-CPB;织物掺加体积分数为2%的3 mm×3 mm P/C织物所制备的CPB抗压强度为28.20 MPa,耗能为1097.55 N·m,透水系数为0.267 mm/s,保水系数为43.40 g/cm2,与普通透水砖相比,分别提高了21.8%、55.8%、115.3%和33.3%。
2016, 33(4): 875-883.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151109.001
摘要:
采用超声辅助溶胶-凝胶法,以钛酸丁酯为原料,尿素为N源,硝酸镧为La源,制备了N与La共掺杂纳米TiO2/电气石复合材料。采用XRD、UV-Vis、SEM-EDS和XPS对复合材料的结构和性能进行了表征。以2,4,6-三硝基甲苯作为目标污染物,考察了N与La共掺杂纳米TiO2/电气石复合材料的光催化活性及再生利用性能。结果表明:N与La共掺杂并负载电气石后,两者协同作用使TiO2晶粒更加细化,光吸收范围向可见光区拓展,N与La共掺杂纳米TiO2/电气石复合材料具有良好的光催化活性和再生利用性能,且在模拟可见光照射条件下对2,4,6-三硝基甲苯具有良好的去除效果。
采用超声辅助溶胶-凝胶法,以钛酸丁酯为原料,尿素为N源,硝酸镧为La源,制备了N与La共掺杂纳米TiO2/电气石复合材料。采用XRD、UV-Vis、SEM-EDS和XPS对复合材料的结构和性能进行了表征。以2,4,6-三硝基甲苯作为目标污染物,考察了N与La共掺杂纳米TiO2/电气石复合材料的光催化活性及再生利用性能。结果表明:N与La共掺杂并负载电气石后,两者协同作用使TiO2晶粒更加细化,光吸收范围向可见光区拓展,N与La共掺杂纳米TiO2/电气石复合材料具有良好的光催化活性和再生利用性能,且在模拟可见光照射条件下对2,4,6-三硝基甲苯具有良好的去除效果。
2016, 33(4): 884-892.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150709.003
摘要:
对GLARE36/5层板进行挤压性能试验研究,采用超声C扫描、断口微距拍摄和扫描电子显微镜等方法观测GLARE层板挤压渐进损伤过程和最终破坏模式。结果表明:GLARE层板挤压起始损伤为铝合金塑性变形;损伤扩展阶段,0°纤维主要承受挤压正应力,铝合金塑性变形增大,铺层间分层起始并扩展;0°纤维屈曲折断后层内纤维基体损伤和分层损伤急剧扩展,层板最终发生挤压破坏。将GLARE层板挤压失效分为层内失效和层间失效,采用应变描述的Hashin准则和界面单元方法并引入金属塑性建立GLARE层板挤压渐进损伤数值模型,数值模型对层板损伤起始位置、分层产生位置、损伤演化过程、最终破坏模式及破坏载荷进行了预测,计算结果与试验结果吻合较好,说明该计算方法能够有效模拟GLARE层板挤压渐进损伤性能。
对GLARE36/5层板进行挤压性能试验研究,采用超声C扫描、断口微距拍摄和扫描电子显微镜等方法观测GLARE层板挤压渐进损伤过程和最终破坏模式。结果表明:GLARE层板挤压起始损伤为铝合金塑性变形;损伤扩展阶段,0°纤维主要承受挤压正应力,铝合金塑性变形增大,铺层间分层起始并扩展;0°纤维屈曲折断后层内纤维基体损伤和分层损伤急剧扩展,层板最终发生挤压破坏。将GLARE层板挤压失效分为层内失效和层间失效,采用应变描述的Hashin准则和界面单元方法并引入金属塑性建立GLARE层板挤压渐进损伤数值模型,数值模型对层板损伤起始位置、分层产生位置、损伤演化过程、最终破坏模式及破坏载荷进行了预测,计算结果与试验结果吻合较好,说明该计算方法能够有效模拟GLARE层板挤压渐进损伤性能。
2016, 33(4): 893-901.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150824.002
摘要:
为确定翼肋支撑对复合材料加筋板轴压性能的影响,对施加翼肋支撑前后的复合材料工型加筋板和帽型加筋板进行压缩试验和数值模拟研究。轴压试验中,通过应变计和影像云纹法实时监测试验件的失稳载荷及失稳模态,通过断面观测分析结构损伤破坏机制。基于ABAQUS软件建立有限元模型模拟加筋板屈曲及后屈曲过程,通过失稳节线及反节线上的应力分布变化分析加筋板破坏机制。计算结果与试验结果相吻合,表明翼肋支撑对不同筋条加筋板失稳模态有影响但均不改变结构失稳载荷,位于节线上的翼肋支撑对工型加筋板破坏载荷影响较小,但位于反节线上的翼肋支撑使帽型加筋板的承载能力提高了26.2%。试验件失稳后应力向反节线上筋条蒙皮界面集中,过高的应力导致界面脱粘,使得结构集中在反节线上破坏。
为确定翼肋支撑对复合材料加筋板轴压性能的影响,对施加翼肋支撑前后的复合材料工型加筋板和帽型加筋板进行压缩试验和数值模拟研究。轴压试验中,通过应变计和影像云纹法实时监测试验件的失稳载荷及失稳模态,通过断面观测分析结构损伤破坏机制。基于ABAQUS软件建立有限元模型模拟加筋板屈曲及后屈曲过程,通过失稳节线及反节线上的应力分布变化分析加筋板破坏机制。计算结果与试验结果相吻合,表明翼肋支撑对不同筋条加筋板失稳模态有影响但均不改变结构失稳载荷,位于节线上的翼肋支撑对工型加筋板破坏载荷影响较小,但位于反节线上的翼肋支撑使帽型加筋板的承载能力提高了26.2%。试验件失稳后应力向反节线上筋条蒙皮界面集中,过高的应力导致界面脱粘,使得结构集中在反节线上破坏。
2016, 33(4): 902-909.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150729.002
摘要:
针对复合材料制件在成型过程中的固化变形这一关键技术问题,通过在模具与复合材料制件之间引入剪切层的方法,建立了预测复合材料制件固化变形的解析计算模型和有限元仿真模型。剪切层的剪切模量用来衡量固化过程中模具与复合材料制件之间的相互作用,其数值大小通过与实验数据进行比对而得到。基于建立的固化变形模型,与文献中已有的实验结果进行了比较。结果表明:所建立的模型具有较高的可靠性。同时针对L型复合材料制件建立了三维有限元仿真模型,模型中除考虑材料各向异性和化学收缩效应以外,还将成型过程中模具与复合材料制件间的相互作用考虑在内。模拟结果表明:引入模具作用后L型零件的固化变形预测结果更加准确。
针对复合材料制件在成型过程中的固化变形这一关键技术问题,通过在模具与复合材料制件之间引入剪切层的方法,建立了预测复合材料制件固化变形的解析计算模型和有限元仿真模型。剪切层的剪切模量用来衡量固化过程中模具与复合材料制件之间的相互作用,其数值大小通过与实验数据进行比对而得到。基于建立的固化变形模型,与文献中已有的实验结果进行了比较。结果表明:所建立的模型具有较高的可靠性。同时针对L型复合材料制件建立了三维有限元仿真模型,模型中除考虑材料各向异性和化学收缩效应以外,还将成型过程中模具与复合材料制件间的相互作用考虑在内。模拟结果表明:引入模具作用后L型零件的固化变形预测结果更加准确。
2016, 33(4): 910-920.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151010.001
摘要:
负泊松比蜂窝夹层板作为一种特殊的复合材料结构,目前对其动态行为尚缺乏认识。应用Reddy剪切板理论分析了对边简支负泊松比蜂窝夹层板的弯曲振动。将内凹六边形胞元的蜂窝芯层等效为一正交异性层,芯层的等效弹性参数由修正后的Gibson公式得出。由具体算例可知经典叠层板理论和一阶剪切板理论不适合用于蜂窝夹层板的振动分析。应用Reddy剪切板理论研究了蜂窝夹层板板厚比、芯层板厚及胞元角度对弯曲振动频率的影响,并绘出相应的曲线图。结果表明:对于对边简支负泊松比蜂窝夹层板,当板厚比小于某一值时,固有频率参数随板厚比的增加而增加;但当板厚比大于该值时,固有频率参数随板厚比的增加呈现复杂的变化形式。本文得到的结果为蜂窝夹层板的设计和实际应用提供了理论依据和数值参考。
负泊松比蜂窝夹层板作为一种特殊的复合材料结构,目前对其动态行为尚缺乏认识。应用Reddy剪切板理论分析了对边简支负泊松比蜂窝夹层板的弯曲振动。将内凹六边形胞元的蜂窝芯层等效为一正交异性层,芯层的等效弹性参数由修正后的Gibson公式得出。由具体算例可知经典叠层板理论和一阶剪切板理论不适合用于蜂窝夹层板的振动分析。应用Reddy剪切板理论研究了蜂窝夹层板板厚比、芯层板厚及胞元角度对弯曲振动频率的影响,并绘出相应的曲线图。结果表明:对于对边简支负泊松比蜂窝夹层板,当板厚比小于某一值时,固有频率参数随板厚比的增加而增加;但当板厚比大于该值时,固有频率参数随板厚比的增加呈现复杂的变化形式。本文得到的结果为蜂窝夹层板的设计和实际应用提供了理论依据和数值参考。
2016, 33(4): 921-928.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150911.003
摘要:
为提高轻量化复合装甲的抗侵彻能力,提出了内部填充陶瓷棒并由混杂短切玻璃纤维的环氧树脂封装的点阵金属夹层防护结构。首先,通过弹道冲击实验研究了陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的抗弹丸侵彻能力;然后,结合失效模式和吸能效率,综合分析了该夹层防护结构的抗侵彻机制。结果表明:陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的主要失效模式包括点阵金属结构和混杂填充材料的拉伸断裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破坏以及背板的总体弯曲变形。在球形弹丸侵彻过程中,由于点阵金属结构的塑性大变形和剪切扩孔、陶瓷棒和环氧树脂的断裂破坏以及面板的宏观弯曲变形,防护结构的抗侵彻能力得到大幅提高。研究结果可为新型轻质复合装甲的防护设计提供一定参考。
为提高轻量化复合装甲的抗侵彻能力,提出了内部填充陶瓷棒并由混杂短切玻璃纤维的环氧树脂封装的点阵金属夹层防护结构。首先,通过弹道冲击实验研究了陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的抗弹丸侵彻能力;然后,结合失效模式和吸能效率,综合分析了该夹层防护结构的抗侵彻机制。结果表明:陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的主要失效模式包括点阵金属结构和混杂填充材料的拉伸断裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破坏以及背板的总体弯曲变形。在球形弹丸侵彻过程中,由于点阵金属结构的塑性大变形和剪切扩孔、陶瓷棒和环氧树脂的断裂破坏以及面板的宏观弯曲变形,防护结构的抗侵彻能力得到大幅提高。研究结果可为新型轻质复合装甲的防护设计提供一定参考。
2016, 33(4): 929-938.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151013.002
摘要:
为精确而有效地求解机电耦合作用下含裂纹压电材料的断裂参数,首先,通过将复势函数法、扩展有限元法和光滑梯度技术引入到含裂纹压电材料的断裂机理问题中,提出了含裂纹压电材料的Cell-Based光滑扩展有限元法;然后,对含中心裂纹的压电材料强度因子进行了模拟,并将模拟结果与扩展有限元法和有限元法的计算结果进行了对比。数值算例结果表明:Cell-Based光滑扩展有限元法兼具扩展有限元法和光滑有限元法的特点,不仅单元网格与裂纹面相互独立,且裂尖处单元不需精密划分,与此同时,Cell-Based光滑扩展有限元法还具有形函数简单且不需求导、对网格质量要求低且求解精度高等优点。所得结论表明Cell-Based光滑扩展有限元法是压电材料断裂分析的有效数值方法。
为精确而有效地求解机电耦合作用下含裂纹压电材料的断裂参数,首先,通过将复势函数法、扩展有限元法和光滑梯度技术引入到含裂纹压电材料的断裂机理问题中,提出了含裂纹压电材料的Cell-Based光滑扩展有限元法;然后,对含中心裂纹的压电材料强度因子进行了模拟,并将模拟结果与扩展有限元法和有限元法的计算结果进行了对比。数值算例结果表明:Cell-Based光滑扩展有限元法兼具扩展有限元法和光滑有限元法的特点,不仅单元网格与裂纹面相互独立,且裂尖处单元不需精密划分,与此同时,Cell-Based光滑扩展有限元法还具有形函数简单且不需求导、对网格质量要求低且求解精度高等优点。所得结论表明Cell-Based光滑扩展有限元法是压电材料断裂分析的有效数值方法。
2016, 33(4): 939-946.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151012.002
摘要:
以杨木刨花和无机胶黏剂为主要原料,通过冷压成型工艺制备了无机杨木刨花板,研究了不同施胶量和密度对无机杨木刨花板物理力学性能的影响,通过XRD和SEM分析了不同施胶量及密度对无机杨木刨花板性能的影响机制,同时通过锥型量热仪分析了无机杨木刨花板的阻燃抑烟性能。结果表明:一方面,随着施胶量增大,无机杨木刨花板静曲强度(MOR)和弹性模量(MOE)先增大后减小,同时,内结合强度(IB)逐渐增大,24 h吸水厚度膨胀率(TS)逐渐减小。施胶量为57%时MOR和MOE分别达到最大值21.5 MPa和4360 MPa,施胶量为65%时IB达到最大值2.61MPa,24 h TS达到最小值3.36%。随着施胶量增大,燃烧的峰值热释放速率(HRR)降低,HRR到达峰值的时间推迟,总热释放量(THR)和总生烟量(TSP)减少。另一方面,随着密度增大,MOR、MOE均逐渐增大,IB先增大后减小,24 h TS先减小后增大,无机杨木刨花板密度为1.1 g/cm3时IB达到最大值3.54 MPa,24 h TS达到最小值3.99%。
以杨木刨花和无机胶黏剂为主要原料,通过冷压成型工艺制备了无机杨木刨花板,研究了不同施胶量和密度对无机杨木刨花板物理力学性能的影响,通过XRD和SEM分析了不同施胶量及密度对无机杨木刨花板性能的影响机制,同时通过锥型量热仪分析了无机杨木刨花板的阻燃抑烟性能。结果表明:一方面,随着施胶量增大,无机杨木刨花板静曲强度(MOR)和弹性模量(MOE)先增大后减小,同时,内结合强度(IB)逐渐增大,24 h吸水厚度膨胀率(TS)逐渐减小。施胶量为57%时MOR和MOE分别达到最大值21.5 MPa和4360 MPa,施胶量为65%时IB达到最大值2.61MPa,24 h TS达到最小值3.36%。随着施胶量增大,燃烧的峰值热释放速率(HRR)降低,HRR到达峰值的时间推迟,总热释放量(THR)和总生烟量(TSP)减少。另一方面,随着密度增大,MOR、MOE均逐渐增大,IB先增大后减小,24 h TS先减小后增大,无机杨木刨花板密度为1.1 g/cm3时IB达到最大值3.54 MPa,24 h TS达到最小值3.99%。
2016, 33(4): 947-953.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150930.001
摘要:
饱和岩土类多孔材料内固、液相不同属性产生的各向异性和多孔微结构的不均匀性使得材料的细观力学特性计算变得十分复杂。为准确预测岩土类材料的有效弹性性能和细观应力-应变场,基于Biot多孔弹性介质理论,建立可描述岩土类多孔材料固液相运动的能量泛函和相应的多孔弹性本构关系;利用细、宏观尺度比作为小参数将能量变分泛函渐近扩展为系列近似泛函;以场变量波动函数为未知量,通过解决近似泛函的最小化问题(驻值问题)得到波动函数的解析解,从而建立逼近物理和工程真实性的细观力学模型,并通过有限元技术得以数值实现。多孔介质材料细观力学特性算例表明:与经典均匀化理论(将液体类比为具有较高泊松比的固体材料)相比,基于变分渐近均匀化细观模型预测的多孔介质材料细观力学特性更精确,尤其是能准确重构多孔微结构内局部应力-应变场分布,为损伤破坏、局部断裂分析奠定了坚实基础。
饱和岩土类多孔材料内固、液相不同属性产生的各向异性和多孔微结构的不均匀性使得材料的细观力学特性计算变得十分复杂。为准确预测岩土类材料的有效弹性性能和细观应力-应变场,基于Biot多孔弹性介质理论,建立可描述岩土类多孔材料固液相运动的能量泛函和相应的多孔弹性本构关系;利用细、宏观尺度比作为小参数将能量变分泛函渐近扩展为系列近似泛函;以场变量波动函数为未知量,通过解决近似泛函的最小化问题(驻值问题)得到波动函数的解析解,从而建立逼近物理和工程真实性的细观力学模型,并通过有限元技术得以数值实现。多孔介质材料细观力学特性算例表明:与经典均匀化理论(将液体类比为具有较高泊松比的固体材料)相比,基于变分渐近均匀化细观模型预测的多孔介质材料细观力学特性更精确,尤其是能准确重构多孔微结构内局部应力-应变场分布,为损伤破坏、局部断裂分析奠定了坚实基础。
