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2017年  第34卷  第6期

聚邻氯苯胺-纳米SiC/环氧树脂复合材料的制备与防腐性能
胡传波, 厉英, 孔亚州, 丁玉石
2017, 34(6): 1167-1176. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161018.001
摘要:
导电聚合物在金属腐蚀领域存在着潜在的应用前景。为获得防腐性能良好的聚邻氯苯胺(POCl)-nano SiC/环氧树脂复合材料,利用原位聚合法制备了盐酸掺杂态POCl-nano SiC复合改性材料。通过FTIR、UV-vis、XRD、TGA、XPS和SEM等分析手段对其结构、组成和形貌进行了表征。以POCl-nano SiC复合改性材料为填料,环氧树脂为成膜物质,在碳钢表面制备了POCl-nano SiC含量为3wt%、5wt%和8wt%的POCl-nano SiC/环氧树脂复合涂层,并通过SEM对涂层的断面形貌进行了观察。利用Tafel极化曲线和电化学交流阻抗谱研究了涂层在3.5% NaCl溶液中的防腐性能。结果表明,POCl-nano SiC填充量为5wt%的POCl-nano SiC/环氧树脂复合涂层表现出较好的抗腐蚀性能,其腐蚀速率为2.78×10-3 mm/y,腐蚀保护效率高达90.45%。表明适量的POCl-nano SiC作为环氧树脂涂层的增强相,降低了涂层的孔隙缺陷,在腐蚀介质刺激下,能够在碳钢表面形成钝化保护层。Nano SiC粒子在涂层中充当着类似栅栏结构的屏障,从空间结构上阻止了气体分子和腐蚀溶液向金属基底的渗透。
三元层状陶瓷Ti3AlC2/超高分子量聚乙烯复合材料的制备及性能
张恒, 王李波, 戴亚辉, 申长洁, 周爱国, 曹新鑫
2017, 34(6): 1177-1184. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160907.004
摘要:
为了增强超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的性能,研究采用表面改性的Ti3AlC2填充UHMWPE,通过热压成型制备了Ti3AlC2/UHMWPE复合材料。采用SEM观察复合材料的微观结构,表明Ti3AlC2均匀分散在UHMWPE基体中,表面处理后的填料与基体界面熔合较好;热分析结果表明,Ti3AlC2的添加降低了UHMWPE的结晶度和结晶热焓,同时提高了聚合物的热传导性;DMA分析结果表明,添加Ti3AlC2有效地提高了Ti3AlC2/UHMWPE复合材料的抗蠕变性能,得益于无机粒子改善了复合材料的硬度和刚性,提高了复合材料抗外界应力变形能力;摩擦学性能分析表明,适量的Ti3AlC2(质量分数≤15wt%)填充UHMWPE能有效提高复合材料的减磨抗摩性能,同时磨痕表面形貌分析结果表明,Ti3AlC2/UHMWPE复合材料的摩擦磨损机制由粘着磨损向磨粒磨损转变。
聚乙二醇改性相变微胶囊-木粉/高密度聚乙烯复合材料的制备与热性能
郭玺, 曹金珍, 王佳敏
2017, 34(6): 1185-1190. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160919.005
摘要:
通过原位聚合法制备了以正十二烷醇(DA)为芯材,密胺树脂(MF)或聚乙二醇改性密胺树脂(PMF)为壁材的相变微胶囊DA@MF和DA@PMF,并将相变微胶囊添加到木粉/高密度聚乙烯复合材料(WF/HDPE)中,制备了具有相变蓄热能力的DA@MF-WF/HDPE和 DA@PMF-WF/HDPE复合材料。采用DSC、TG和红外热成像等方法对DA@MF、DA@PMF 和相变微胶囊-WF/HDPE的热性能进行了分析与表征。测试结果表明,DA@PMF的结晶和熔融热焓值分别提高了35.0 J/g和21.5 J/g,快速失重温度提高了19.9℃;蓄热能力测试表明,DA@PMF成功添加至WF/HDPE中,且在制备过程中损失较小;DA@PMF-WF/HDPE的相变温度(27.2、11.3℃)、相变潜热(31.6、20.3 J/g)和热稳定性(256.9℃,DA开始失重)等性能表明其具备成为相变蓄热材料的潜力。
MWCNTs增强聚乙二醇-聚乙烯醇复合水凝胶的制备及性能
徐朝阳, 李健昱, 江向东, 周欢, 石小梅
2017, 34(6): 1191-1198. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160919.004
摘要:
利用冻融循环法制备了羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)/聚乙二醇(PEG)-聚乙烯醇(PVA)复合水凝胶。考察了不同质量配比下MWCNTs/PEG-PVA复合水凝胶的微观形貌变化,并研究了复合凝胶的溶胀性能、拉伸强度、热稳定及导电性能。结果表明,加入MWCNTs后MWCNTs/PEG-PVA复合凝胶仍具有多孔的三维网状结构但孔径尺寸变小。当MWCNTs与PVA的质量比大于1.0:100时,MWCNTs/PEG-PVA复合凝胶的孔洞均匀性降低。随着MWCNTs量的增加,MWCNTs/PEG-PVA复合凝胶的溶胀度及拉伸强度均先升高后降低。当MWCNTs与PVA的质量比为1.0:100时,MWCNTs/PEG-PVA复合凝胶的溶胀度达到最大(1450%),孔隙率最高(75.8%),拉伸强度及断裂伸长率达到最大值,分别为0.97 MPa和384.0%。MWCNTs的加入提高了MWCNTs/PEG-PVA复合凝胶的热稳定性,MWCNTs/PEG-PVA复合凝胶的初始热分解温度从235℃上升至260℃;随着MWCNTs量的增加,MWCNTs/PEG-PVA复合凝胶的电导率从1.10×10-6 S/cm升高至 6.96×10-4 S/cm。
三维网状石墨烯/环氧树脂热界面复合材料的制备和热性能
孙云飞, 陶重犇, 班建民, 罗恒, 诸跃进, 李明安
2017, 34(6): 1199-1204. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160919.002
摘要:
三维网状石墨烯/环氧树脂热界面复合材料由于具有良好的热导性能和力学性能,而被广泛应用于微电子器件领域。但是通过化学剥离-还原法制备石墨烯,在填加石墨烯质量分数相同的条件下,石墨烯/环氧树脂热界面复合材料的热导率差别仍然很大。研究发现这主要是由于石墨烯表面官能团含量不同所导致的,因此很难建立统一的标准评估石墨烯作为导热填料的作用效果。为了避免表面官能团对石墨烯/环氧树脂复合物热导率的影响,本研究小组采用化学气相沉积法制备的三维网状石墨烯作为导热填料,对环氧树脂进行修饰,制备了一系列石墨烯/环氧树脂材料。通过研究三维网状石墨烯含量对石墨烯/环氧树脂材料热导率、力学性能及热导率在高温条件下稳定性的影响,有助于完善石墨烯修饰的环氧树脂热界面复合材料的研究,并建立石墨烯作为导热填料的评价体系。
氧化石墨烯/SiO2复合材料对Cd(Ⅱ)的吸附
李仕友, 熊凡, 王亮, 王晔, 谢水波
2017, 34(6): 1205-1211. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160927.002
摘要:
以氧化石墨烯(GO)、正硅酸乙酯(TEOS)为原料,聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(P123)为表面活性剂,合成了GO/SiO2复合材料。通过静态吸附试验,探讨了pH、GO/SiO2投加量、吸附时间和Cd(Ⅱ)初始浓度对GO/SiO2吸附Cd(Ⅱ)的影响,采用了FTIR、XRD、SEM和EDS对GO/SiO2吸附Cd(Ⅱ)进行表征分析,并探讨了其对Cd(Ⅱ)的吸附机制。结果表明,当溶液pH为8.5,投加量为0.25 g/L,吸附时间为100 min时,GO/SiO2吸附Cd(Ⅱ)效果最佳。吸附过程较好的拟合了准二级动力学模型(R2 ≈1)和Freundlich等温吸附模型(R2 ≈1)。XRD表明SiO2与GO成功复合;FTIR、SEM等结果表明,GO/SiO2吸附Cd(Ⅱ)前后自身结构并未发生变化,其对Cd(Ⅱ)具有很好的吸附效果,对Cd(Ⅱ)的吸附机制以—OH、—COOH的离子交换作用为主,Si—OH的络合反应并存。
混酸介质加速老化条件下玻璃纤维/溴化环氧乙烯基酯复合材料的耐久性
侯锐钢, 尚琪冬, 黎大胜
2017, 34(6): 1212-1220. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160831.001
摘要:
针对纤维增强塑料排烟筒工程应用中采用的玻璃纤维/溴化环氧乙烯基酯(GF/VE)复合材料和碳纤维-玻璃纤维/溴化环氧乙烯基酯(CF-GF/VE)复合材料分别进行混酸介质(H2SO4、HF、HCl和HNO3 混合溶液)加速腐蚀试验,考察了3种温度下(25℃、55℃、80℃)的混酸介质浸泡后GF/VE与CF-GF/VE复合材料的质量及弯曲性能变化,并结合动态热力学性能、微观结构等分析了材料的性能衰减机制。结果表明:相同浸泡条件下,试样GF/VE的质量增重率高于CF-GF/VE,酸性介质在GF/VE和CF-GF/VE 内部的扩散活化能分别为8.798 kJ·mol-1和10.959 kJ·mol-1;80℃浸泡2 160 h后,CF-GF/VE复合材料的弯曲强度保留率为75.29%,而GF/VE的弯曲强度保留率仅为58.84%;DMA研究结果表明:常温条件下的腐蚀浸泡对材料的玻璃化转变温度 Tg影响较小,加温条件下试样的Tg显著降低;SEM研究发现:混酸介质浸泡后,试样表面出现许多孔洞,同时纤维/基体界面发生了明显的脱粘破坏。
六(γ-氨丙基硅烷三醇)环三磷腈的制备及其在膨胀阻燃聚丙烯中的应用
李雄杰, 何英杰, 邹国享, 屈鑫, 杨荣, 李锦春
2017, 34(6): 1221-1229. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160919.003
摘要:
以六氯环三磷腈、对羟基苯甲醛及γ-氨丙基硅烷三醇(KH553)为反应原料,合成了具有席夫碱结构的有机硅型成炭剂六(γ-氨丙基硅烷三醇)环三磷腈(HKHPCP)。以HKHPCP与聚磷酸铵(APP)的复配物为抗熔滴剂,以N-烷氧基受阻胺(NOR116)为阻燃协效剂,通过熔融共混技术制备了膨胀阻燃聚丙烯(PP)基复合材料(APP-HKHPCP-NOR116/PP)。利用FTIR、核磁共振(1H和31P NMR)对HKHPCP的化学结构进行了表征。采用热失重、极限氧指数、垂直燃烧、锥形量热、拉曼光谱和SEM研究了阻燃体系的热降解行为、阻燃性能及炭层的石墨化程度和致密性。HKHPCP的热失重结果表明,其在氧气氛围下的初始分解温度为300.2℃,1 000℃时残余率为34.8%。当添加总量为30wt%的阻燃剂时,APP-HKHPCP-NOR116/PP复合材料的极限氧指数(LOI)达到43%,且能通过UL-94 V-0级,其热释放速率(HRR)、总热释放速率(THR)及烟释放速率(SPR)、总烟释放量(TSP)相比于纯PP分别降低了75.0%、50.5%和88.0%、80.8%,表现出显著的隔热、抑烟性能。APP-HKHPCP-NOR116/PP复合材料燃烧后形成了高石墨化、致密的炭层。
层间纳米纤维膜对玻纤预制体渗流特性的影响
高杨, 吴宁, 庄旭品, 王静, 马明, 郑姗姗
2017, 34(6): 1230-1236. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160920.004
摘要:
为了研究层间纳米纤维膜对玻纤织物渗流特性的影响,使用超景深三维显微镜表征了纳米纤维含量对玻纤织物微观结构的影响,采用径向法测量了纳米纤维膜夹层玻纤织物预制体的渗透率,重点分析了纳米纤维含量对玻纤织物预制体渗流模式的影响。结果表明:玻璃纤维束间的毫米尺度区域被纳米纤维膜填充而离散成微米尺度区域;预制体孔隙率及渗透率值均随着纳米纤维含量的增加而减小;随着纳米纤维含量的增加,复合预制体表现出的各向异性程度逐渐减小;树脂宏观流动前沿内部分饱和区域面积比例随纳米纤维含量的增加而增大;相同纳米纤维含量预制体的部分饱和区域面积比例随注入时间的增加呈先增大后减小趋势。
苎麻短纤维层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料
莫正才, 胡程耀, 霍冀川, 叶东
2017, 34(6): 1237-1244. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160914.002
摘要:
采用热压机层压成型工艺制备了苎麻短纤维(SRF)层间增韧碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料层压板,研究了SRF的长度、面密度及其表面偶联处理对CF/EP复合材料层间断裂韧性的影响,并进一步研究了SRF的铺入对复合材料弯曲、拉伸性能的影响。研究结果表明,层间SRF的铺入明显改善了CF/EP复合材料的I型和II型层间断裂韧性(GICGIIC),当表面偶联处理的纤维长度为6 mm、面密度为12 g·m-2时,增韧效果最佳,GIC由497.48 J·m-2 增加到667.54 J·m-2,提高了34.24%;GIIC由508.52 J·m-2 增加到862.11 J·m-2,提高了69.54%。此外,铺入SRF对复合材料的弯曲、拉伸性能也有一定程度的提高。通过SEM观察发现,SRF的增韧机制与其层间桥联以及裂纹扩展过程中从基体中拔出与劈裂等现象有关。
管道修复用涤纶-苎麻复合机织物性能试验
罗凯, 张淑洁, 闫佳欣, 王瑞环, 夏梦牒
2017, 34(6): 1245-1251. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160907.001
摘要:
针对传统管道内衬修复材料施工中易出现内壁塌陷等问题,结合目前快速发展的绿色纤维复合材料,提出在涤纶机织物内衬材料中加入苎麻纱线,制作涤纶-苎麻复合机织物材料来提高树脂对管道修复用内衬机织物的浸透性能,增强内衬材料和管壁的粘结性能。以纤维外观、抽拔实验后纤维断面形貌的电镜观察,并通过树脂与织物接触角的测试、粘结实验,综合分析了涤-麻复合机织物的树脂浸透性,同时对涤纶-苎麻复合机织物力学性能进行测试来保障内衬复合材料满足强度的要求。实验结果表明,采用上述涤-麻复合织造的方法,可以显著提高树脂的浸透性能,有利于携带更多的树脂粘结剂提高树脂与管壁的粘结性,减少塌陷发生的可能性。同时加入麻复合的机织物,拉伸顶破性能都满足高压燃气管道的修复要求。
考虑泊松效应的材料/结构一体化设计方法
龙凯, 谷先广, 韩丹
2017, 34(6): 1252-1260. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161024.001
摘要:
为实现含有不同泊松比组分复合材料的优化设计,并考虑宏观结构及复杂的边界条件,提出了考虑泊松效应的材料/结构一体化设计方法,其显著特征在于不同组分材料中引入了泊松比插值,假设宏观结构由周期性排列的复合材料组成,复合材料含两种各向同性且泊松比不同的组分材料,以静态问题中柔顺度最小化或动态问题中特征值最大化为目标以及宏微观体积比为约束建立了拓扑优化模型。采用均匀化理论预测了复合材料等效性能,推导了目标函数对宏微观密度变量的敏度表达式。分别采用密度过滤和敏度过滤来消除宏微观拓扑优化中的不稳定性现象。采用优化准则法分别更新宏观、微观密度变量,考察了微观体积比和组分材料泊松比参数对优化结果的影响。三维数值算例结果表明所提出的一体化方法具有可行性和优越性。
复合材料层合板静态压痕与损伤行为
张运来, 周储伟, 雷晓恒
2017, 34(6): 1261-1270. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161008.003
摘要:
发展了层合复合材料面内及分层失效模型,模型考虑了横向压剪残余剪切变形和分层残余相对位移。提出一种块体单元包含若干铺层的模型,以减少复合材料逐层分析时的计算量。对一种碳纤/环氧层合复合材料进行了横向压痕试验,测量了不同压力下凹坑的深度,用超声C扫测得损伤面积。用发展的模型在ABAQUS平台上通过用户材料子程序UMAT模拟了上述试验,分析了试验曲线特征点对应的损伤机制,通过与试验结果的对比,验证了本文模型的合理性。
形状记忆环氧树脂及其四枚缎纹碳纤维织物增强环氧树脂的动态力学性能
游晋, 房光强, 陈务军, 王丽君, 曹争利, 彭福军
2017, 34(6): 1271-1277. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161028.002
摘要:
采用动态力学分析仪对研制的形状记忆环氧树脂(Shape memory epoxy polymer,SMEP)及三种四枚缎纹碳纤维织物增强环氧树脂复合材料的动态力学性能进行了测试,测出了玻璃化转变温度Tg、储能模量E和损耗角正切值tan δ。试验表明,SMEP及四枚缎纹碳纤维织物增强环氧树脂复合材料均有显著的相变力学行为特征,相变前后E差异超过一个量级,表明其具有良好形状记忆能力。在SMEP中植入碳纤维织物增强复合材料会导致Tg和tan δ降低,而E显著增强;对同一种编织物的形状记忆复合材料经向和纬向的Tg和tan δ基本相同,但E相差较大。
醇辅助还原法可控制备Cu@Ag核壳颗粒及其抗氧化性能
才滨, 张哲娟, 孙卓
2017, 34(6): 1278-1284. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160913.002
摘要:
研究了一种Ag包裹量可控制备Cu@Ag核壳颗粒的方法,其中利用乙二醇(EG)作为还原剂,AgNO3作为Ag源。探讨了不同分散剂,明胶、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对Cu@Ag核壳颗粒形貌的影响,其中明胶作为分散剂时的包覆效果最佳。以明胶作为分散剂,当AgNO3浓度为0.93 mol/L时,制得了包裹均匀的Cu@Ag核壳颗粒,其压实薄膜电阻仅为1.6 Ω/sq,具有良好的导电性。通过表面Ag的包裹,Cu@Ag核壳颗粒在空气中放置4个月后,压实薄膜电阻为12.6 Ω/sq,表现出持久的抗氧化性能。醇还原法可以实现在Cu颗粒表面快捷可控地制备Ag包裹层,包覆率高,且Cu@Ag复合颗粒抗氧化性能持久,适用于工业生产。
连续碳纤维/Mg复合材料异形薄板件预制体制备与成型
苏常青, 齐乐华, 张丽丹, 卫新亮, 周计明, 杨方
2017, 34(6): 1285-1292. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161008.001
摘要:
针对连续碳纤维增强镁基(Cf/Mg)复合材料异形薄板件预制体制备成本高、性能不稳定等问题,提出了"仿形编织-环向缠绕-铺放定位-缝合增强"的低成本组合制备工艺,设计开发了与之相配套的预制体制备装置。通过理论与实验研究,确定薄板与凸台预制体分体制备:薄板预制体采用径向编织、环向缠绕,仿形无纬布织物与环向纤维层针刺合成,其中纬纱引纬张力控制在1.7~2.3 N;凸台预制体采用无纬布横向叠层,再与环状薄板预制体缠绕缝合而成。所制备预制体外形完整,形态良好,环向碳纤维分布均匀、与径向增强碳纤维呈规则排列。经液固挤压制备的Cf/Mg复合材料异形薄板件表明,凸台与薄板连接强度良好,为成形高质量Cf/Mg复合材料异形薄板件奠定了基础。
尿素改性对钠离子电池负极材料NaTi2(PO43电化学性能的影响
杨师, 袁华, 艾常春, 何云蔚, 陈驰
2017, 34(6): 1293-1299. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161101.001
摘要:
为提高水溶液钠离子电池负极材料NaTi2(PO43(NTP)的导电性和倍率性能,以尿素(CO(NH22)为碳源采用溶剂热法合成了CO(NH22/NaTi2(PO43(C/NTP)复合负极材料。采用XRD、SEM、TEM、Raman和恒流充放电等手段分析了材料的结构、C/NTP形貌和电化学性能。研究了不同阶段升温速率对C含量、包覆层石墨化程度及对电化学性能的影响。实验结果表明,低于400℃升温速率越小,C/NTP残碳量越高;400~650℃之间升温速率越小,包覆层石墨化程度越高,并提高了其电化学性能;在5C倍率下2℃/min热处理的样品首圈放电比容量为114.9 mAh·g-1,循环30次后容量保持在91.9 mAh·g-1;10C下放电比容量为87 mAh·g-1,20C下放电比容量仍保持在71 mAh·g-1,展现出高倍率下优异的循环性能。
稀土Er和Ce复合改性对过共晶Mg-Si合金组织与性能的影响
柏世梅, 尧军平, 刘辉, 廖露亮, 孙众
2017, 34(6): 1300-1307. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161116.004
摘要:
通过金相、SEM、EDS和XRD等方法研究了稀土元素Er、Ce复合改性对过共晶Mg-3.2Si合金中初生Mg2Si相的影响,并探讨了改性机制。结果表明,在过共晶Mg-3.2Si合金中,添加约0.6% (质量比,下同)Er时,初生Mg2Si相的平均尺寸由150 μm减小到40 μm,其形态从粗大树枝状变为不规则多面体;在此基础上,继续添加1.0%Ce,可获得5~10 μm大小的多面体或球状初生Mg2Si相,改性效果最佳;但稀土添加过量,会出现过改性现象。改性机制:稀土Er和Ce吸附或富集在初生Mg2Si相表面,降低固液界面张力,减小临界形核功,有利于更多初生Mg2Si晶核的生成;稀土Er和Ce在初生Mg2Si相的表面富集,减小了晶向之间的相对生长速度,使初生Mg2Si相从粗大树枝状变为不规则多面体形状;合金凝固时,稀土Er与Ce的晶体结构相同,形成了连续固溶体。当稀土添加量为0.6% Er和1.0% Ce时,Mg-3.2Si合金试样的抗拉强度 σb与伸长率 δ 分别提高到127 MPa和3.7%最大值。
30%Cr-Cu复合材料热变形及动态再结晶临界条件
耿昊, 朱顺新, 刘勇
2017, 34(6): 1308-1315. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161104.001
摘要:
采用放电等离子烧结法(SPS)制备出30%Cr-Cu复合材料,对其致密度、硬度和导电率等相关性能进行测试,并观察分析该复合材料的显微组织。利用Gleeble-1500D型热模拟试验机在变形温度650~950℃、应变速率0.001~10 s-1、变形量60%的条件下对30%Cr-Cu复合材料进行热模拟压缩试验。对热压缩试验得到的真应力-应变数据进行拟合、计算和分析,构建该复合材料的本构方程,同时得到材料的加工硬化率 θ,利用材料的ln θ-ε 曲线出现有拐点和-∂(ln θ )/∂ε-ε 曲线对应有最小值这一判据,分析该复合材料的动态再结晶临界条件。结果表明:30%Cr-Cu复合材料的真应力-应变曲线主要以动态再结晶软化机制为特征,峰值应力随应变速率的增加和温度的降低而升高;该复合材料的ln θ -ε 曲线出现拐点,-∂(ln θ )/∂ε -ε 曲线对应有最小值,该最小值所对应的应变为临界应变 εc,且 εc随变形温度的升高和应变速率降低而减小,εc与Zener-Hollomon参数 Z 的函数关系为 εc=2.38×10-3 Z0.1396
金属玻璃基复合材料的微结构效应
邱昆, 姜云鹏, 史雪萍, 孙龙港, 吴青青
2017, 34(6): 1316-1324. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160920.001
摘要:
基于自由体积理论和Ramberg-Osgood模型,并利用ABAQUS软件,建立颗粒随机分布代表性体积单元模型,模拟了Ti64.5Zr14.5V18.5Cu2.5颗粒增韧Ti基金属玻璃基复合材料在单轴拉伸状态下的微结构效应,讨论了颗粒的体积分数、团聚数目、长径比、定位取向和界面对金属玻璃韧性的影响。结果表明:提高颗粒体积分数能显著提高复合材料的塑性,但部分牺牲了复合材料的强度;增大颗粒长径比能够增强复合材料的塑性和屈服强度;使颗粒的取向与荷载方向成90°或0°,不仅增强了复合材料的塑性,而且与其他排布相比也增强了复合材料的强度;减少团聚数目至2个以下,能明显减少金属玻璃基复合材料的塑性和强度的损失,使团聚中颗粒与荷载成90°,却能改善复合材料的塑性和强度;在颗粒增韧金属玻璃基复合材料中加入零厚度界面,能观察到在主剪切带上颗粒和基体在界面处脱粘,得到与实验现象更加吻合的结果。通过上述的研究能够很好地理解复合材料的微结构效应,并有利于材料的设计。
碳纳米管改性泡沫镍/环氧树脂复合材料阻尼性能
谢北萍, 晏石林, 何旭, 李琛, 杨晓翔
2017, 34(6): 1325-1333. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160919.001
摘要:
采用一种新型简易的化学气相沉积法(CVD)直接在泡沫镍表面均匀地沉积生长碳纳米管(CNTs),然后通过真空导入模塑成型工艺(VIMP)将选定的环氧树脂体系填入表面负载CNTs的泡沫镍孔洞,制备CNTs-泡沫镍/环氧树脂复合材料。利用FE-SEM、TEM和Raman对在不同反应温度条件下泡沫镍表面形貌和所生成CNTs的形貌、结构及石墨化程度进行了表征,并采用动态机械分析仪(DMA)研究了CNTs对泡沫镍/环氧树脂复合材料阻尼性能的影响。结果表明:当反应温度为680℃时,在泡沫镍表面可获得较好的CNTs沉积效果,且所生成的CNTs石墨化程度和纯度较高且直径尺寸较为均匀。同时所制备的CNTs-泡沫镍/环氧树脂复合材料比泡沫镍/环氧树脂复合材料,最大损耗因子tan δmax从0.69提高到0.78,玻璃化转变温度 Tg从60℃偏移到68℃,有效阻尼温域Δ T 从39℃扩宽到44℃,整体阻尼性能提高了18.9%。
原位合成TiC/Al(7075)复合材料的组织及力学性能
吴瑞瑞, 李秋书, 郭璐, 马雁翔, 王荣峰
2017, 34(6): 1334-1339. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161110.001
摘要:
采用原位合成法制备TiC/Al(7075)复合材料,研究原位TiC颗粒的存在形式、分布状态及不同原位TiC颗粒含量对TiC/Al(7075)复合材料的微观组织及力学性能的影响。结果显示,TiC颗粒多以近球形团聚态存在于7075铝基体中,颗粒团大小约为1 μm。当原位TiC颗粒质量分数小于6%时,原位TiC颗粒分布较为均匀,随着颗粒含量的增加,TiC/Al(7075)复合材料的铸态组织由蔷薇状组织逐渐转变为等轴晶组织,晶粒尺寸也随着原位TiC颗粒含量的增加而减小。当原位TiC颗粒的质量分数大于6%时,组织中出现气孔。复合材料的硬度和抗冲击韧性测试表明,TiC/Al(7075)复合材料的硬度随TiC颗粒含量的增加而增加,最高硬度达HB 108,冲击韧性在颗粒质量分数为6%时达到最佳,较基体提升31.55%。
三种不同碳纤维的纳米压痕行为
张东生, 李新涛, 夏汇浩, 冯志海, 赵高文, 叶林凤
2017, 34(6): 1340-1346. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160926.004
摘要:
采用Raman光谱对三种不同碳纤维(K223HE、HTA40和T700SC)的微晶尺寸进行了表征,利用纳米压痕技术对三种碳纤维的横向弹性模量和硬度进行了测试,结合Weibull分布函数对碳纤维的横向弹性模量和硬度进行统计分析。结果表明,中间相沥青基碳纤维K223HE的微晶长度最大,为39.43 nm±2.63 nm,PAN基碳纤维HTA40和T700SC的微晶尺寸基本相同,分别为4.63 nm±0.09 nm和4.89 nm±0.06 nm。在纳米压痕载荷-深度曲线上,碳纤维K223HE的残余变形大(75.34 nm±17.07 nm),压入功恢复率低(65.89%)。碳纤维HTA40、K223HE和T700SC的特征横向弹性模量为19.52 GPa、11.99 GPa和 17.92 GPa。三种碳纤维的横向弹性模量的Weibull分布模数分别为25.26、6.85和8.07,说明HTA40碳纤维的性能均匀性最好。碳纤维的纳米压痕行为的差异主要是由碳纤维中微晶的完整性、择优取向性的差异引起的。
SiCW含量对SiCW/Si3N4复合陶瓷力学及高温微波性能影响
刘洋, 肖鹏, 周伟, 罗衡, 刘鹏飞, 陈文博, 俞晓宇
2017, 34(6): 1347-1353. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160913.004
摘要:
以α-Si3N4粉、β-SiCW为原料,Al2O3、Y2O3为烧结助剂,采用凝胶注模工艺制备了SiCW/Si3N4复合陶瓷材料,烧结温度为1 650℃,保温1.5 h。研究了SiCW加入含量对SiCW/Si3N4复合陶瓷的微观结构、力学及常温/高温微波吸收性能的影响。结果表明:随着SiCW含量的增加,SiCW/Si3N4复合陶瓷的抗弯强度和断裂韧性都有先増后减的趋势,当含量为10wt%时,抗弯强度达到最大值505 MPa,断裂韧性达9.515 MPa·m1/2。常温介电常数在SiCW含量为10wt%时,实部达最大值12,在12 GHz最大吸收值为-21 dB。高温介电常数随着SiCW含量的增加有先增后减的趋势,在含量为10wt%时,实部达到最大值12.5。相比于纯Si3N4陶瓷,当SiCW含量为10wt%时,SiCW/Si3N4复合陶瓷在11.7 GHz左右最大吸收可达-27 dB,有效吸收频带(小于-5 dB)为11.2~12.3 GHz。
涂层界面刚度的超声数值仿真检测
王兴国, 吴文林, 陈正林, 吴南星
2017, 34(6): 1354-1359. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161018.006
摘要:
针对涂层结合界面刚度在非破坏条件下难以精确测量的问题,提出了一种超声检测特征参量表征刚度系数的方法。利用声波在n 层各向同性介质中的反射、透射原理,结合界面的弹簧模型,建立了多层介质界面刚度系数的超声检测数学模型。基体选用钢、铸铁、铝合金,表面选用不同喷涂工艺得到的Al2O3陶瓷涂层,获得了不同界面刚度系数的超声反射频谱。仿真结果表明:分离界面和理想界面时,谐振频率都具有周期性,但周期大小不同;弱结合界面时,随着界面的刚度系数逐渐增加,谐振频率逐渐增多,这些谐振频率均向高频方向移动。与频率较高处相比,频率较低处的谐振频率随着刚度系数的增加向高频移动的速度更快。因此建立了第一个谐振频率与刚度系数之间的关系。在同一刚度系数下,由谐振频率与材料的特性阻抗关系获得如下规律:当涂层材料不变时,谐振频率随着基体特性阻抗的增大而增大;当基体材料不变时,谐振频率随着涂层特性阻抗的增大而减小。给出了以指数函数形式拟合的刚度系数与谐振频率的变化曲线。通过对该指数函数参数与材料特性阻抗之间关系的分析,获得了弱界面时谐振频率与刚度系数和材料特性阻抗三者之间的函数表达式。该方法为涂层复合材料弱界面的超声检测提供了理论支持。
Zn1-xMnxS稀磁半导体的水热法制备及其性能
武美荣, 魏智强, 白军善, 武晓娟, 杨华, 姜金龙
2017, 34(6): 1360-1366. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160905.003
摘要:
以乙二胺为修饰剂,采用水热法合成了不同掺杂比例的Zn1-xMnxS(x =0,0.02,0.05,0.07)稀磁半导体材料,并通过XRD、FESEM、HRTEM、XEDS、光致发光光谱(PL) 和振动样品磁强计(VSM)对样品的晶体结构、形貌、光学性能和磁学性能进行表征。实验结果表明:本方法制备的所有样品具有结晶良好的纤锌矿结构,没有杂峰出现;样品形貌为一维的纳米棒状,分散性良好;掺杂的Mn2+以替代Zn2+的形式进入到ZnS晶格中,随着Mn掺杂量的增加晶格常数呈现收缩趋势;样品的PL光谱存在明显的紫外发光峰、蓝光发光峰和绿光发光峰,而且峰位发生蓝移;同时一定量的Mn掺杂ZnS纳米晶在室温条件下具有铁磁性。
Fe-F/TiO2复合微球的制备与光降解部分水解聚丙烯酰胺机制
王鉴, 朱立颖, 孟庆明
2017, 34(6): 1367-1373. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161114.002
摘要:
以Span-80为调控剂,钛酸四丁酯(TBOT)为钛源,采用低温水解-回流法制备了Fe-F共掺杂TiO2介孔复合微球(Fe-F/TiO2)。通过XRD、SEM、FTIR、TG-DTA、BJH和UV-vis DRS测试方法对样品进行了结构性能表征;以部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)为目标降解物,研究了Fe-F/TiO2复合催化剂的光催化性能。结果表明,制得的Fe-F/TiO2是由直径为10~15 nm的纳米粒子堆砌而成的锐钛矿型介孔微球,其中Fe3+可以有效促进锐钛矿而抑制金红石相的生成,使其具有较高的热稳定性;比表面积、孔容积及平均孔径分别是145.11 m2/g、0.26 cm3/g 和6.23 nm。在光降解HPAM的过程中,Fe3+和F-的协同效应可以提升材料的光催化性能,使Fe-F/TiO2具有最高的催化活性。在紫外光及可见光条件下,0.1 g的Fe-F/TiO2降解100 mL浓度为500 mg/L的HPAM溶液120 min,其COD去除率分别为81%和74%。
多聚磷酸与SBS复合改性沥青的改性机制
付国志, 赵延庆, 孙倩倩
2017, 34(6): 1374-1380. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160905.002
摘要:
为研究多聚磷酸(PPA)与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)复合改性沥青的微观结构和改性机制,对不同掺量(质量分数)的PPA和SBS复合改性沥青样品分别进行了四组分试验、红外光谱试验、荧光显微试验和差示扫描量热试验。结果表明:随着PPA掺量的增加,沥青质含量增多,胶团之间的作用力增强,促使沥青由溶胶结构转变为溶-凝胶结构,提高沥青的黏度;在SBS改性沥青中加入PPA,可增强SBS之间的交联作用及SBS与沥青之间的接枝作用,加强SBS改性沥青的空间网状结构,促使SBS更好地相容于沥青中,改善其高温储存稳定性,并促使SBS分散为细小颗粒,增强溶胀作用,利于SBS发挥改性效果;在低SBS掺量改性沥青中加入PPA,形成的网络结构要优于高SBS掺量单独改性;加入PPA对沥青的玻璃化转变温度没有明显影响,表明PPA对SBS改性沥青的低温性能影响较小。
空心粉煤灰对铁氧体-炭黑/水泥基复合材料吸波性能的影响
陈宁, 王海滨, 刘树信
2017, 34(6): 1381-1387. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170121.002
摘要:
通过改变空心粉煤灰微珠、铁氧体、炭黑的配比,分析了影响混凝土电磁吸收效能的主要因素,并探讨了空心粉煤灰微珠、铁氧体和炭黑的加入对水泥基复合材料电磁吸收性能的影响机制。结果表明:8~18 GHz频率范围内,空心粉煤灰微珠是影响水泥基复合材料吸波性能的最主要因素,最佳水平组合为20wt%铁氧体、20wt% 粉煤灰、10vol%炭黑,<-10 dB吸收带宽可达10 GHz且明显优于无粉煤灰样品,其机制在于空心粉煤灰微珠的掺入同时改善了材料表面透射性能和介电损耗。
考虑拉剪耦合的二维编织物各向异性超弹性本构模型
胡虹玲, 龚友坤, 彭雄奇, 尹红灵
2017, 34(6): 1388-1393. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160825.001
摘要:
基于连续介质力学理论,提出了一种考虑二维编织物拉剪耦合作用的各向异性超弹性本构模型。该模型中应变能被分解为纤维拉伸应变能和拉剪耦合作用下的剪切应变能两部分。给出了模型参数的确定方法,通过拟合实验数据,得到了本构模型参数。利用确定的本构模型对文献中不同预拉状态下的镜框剪切实验进行了预测,通过与实验结果对照,验证了所提出的本构模型正确性。该模型不仅具有明确的物理意义且参数确定简单,为更加全面精确的二维编织物成型有限元分析奠定了理论基础。
考虑弹性支撑时蜂窝芯剪切屈曲强度的插值求解方法
冯威, 徐绯, 寇剑锋, 张笑宇
2017, 34(6): 1394-1399. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160923.001
摘要:
结合最小余能原理和薄板剪切屈曲失稳理论,给出了蜂窝芯等效剪切屈曲强度的理论表达式。将胞壁等效为受弹性支撑的梁,通过对固支和简支条件下的屈曲强度进行插值求解实际胞壁间为弹性支撑时的剪切屈曲强度。然后,利用三点短梁弯曲试验测量常用Nomex蜂窝芯的剪切屈曲强度,并与弹性支撑下的理论解进行对比,试验结果与理论解吻合较好,验证了理论方法的有效性。最后,讨论了剪切屈曲强度的各向异性及蜂窝高度对剪切屈曲强度的影响。结果表明,剪切屈曲强度的各向异性程度与蜂窝高度无关,但随着蜂窝高度的增加,蜂窝芯的纵向和横向剪切屈曲强度均逐渐减少,减小幅度逐渐减缓。