2019年 第36卷 第4期
2019, 36(4): 771-783.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181018.002
摘要:
连续纤维增强热塑性树脂复合材料（CFRTP）具有易加工、可回收、力学性能优异等特点，在航空航天、汽车等领域的应用前景良好。随着纳米技术的发展，研究者发现利用纳米材料改性CFRTP可显著提升其性能。本文对纳米材料改性CFRTP领域的最新研究进展进行了综述，首先对CFRTP改性中常用的纳米材料（如碳纳米管、石墨烯以及无机纳米颗粒）和主要的改性方法（包括树脂基体中直接添加纳米填料和利用纳米材料对增强相纤维表面进行修饰）进行了介绍，在此基础上总结并讨论了纳米改性对CFRTP力学性能（包括界面结合性能、拉伸性能、动态力学性能以及冲击性能）的影响，最后对纳米材料改性CFRTP的发展方向进行了展望。
连续纤维增强热塑性树脂复合材料（CFRTP）具有易加工、可回收、力学性能优异等特点，在航空航天、汽车等领域的应用前景良好。随着纳米技术的发展，研究者发现利用纳米材料改性CFRTP可显著提升其性能。本文对纳米材料改性CFRTP领域的最新研究进展进行了综述，首先对CFRTP改性中常用的纳米材料（如碳纳米管、石墨烯以及无机纳米颗粒）和主要的改性方法（包括树脂基体中直接添加纳米填料和利用纳米材料对增强相纤维表面进行修饰）进行了介绍，在此基础上总结并讨论了纳米改性对CFRTP力学性能（包括界面结合性能、拉伸性能、动态力学性能以及冲击性能）的影响，最后对纳米材料改性CFRTP的发展方向进行了展望。
2019, 36(4): 784-794.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190102.001
摘要:
基于自动铺丝手段，连续纤维增强热塑性树脂基复合材料可实现原位成型效果，即铺贴同时完成零件制造。该技术可降低复合材料成本达到50%以上，由于其高效低耗的技术特点，该技术被认为在航空领域具有广泛的应用前景。文章调研了热塑性复合材料原位成型技术在国内外航空领域相关的研究和应用工作。结合典型的技术开发案例，重点分析了目前原位成型技术在应用材料、装备及工艺控制技术等方面的水平现状，并阐述了原位成型技术的最新发展趋势。
基于自动铺丝手段，连续纤维增强热塑性树脂基复合材料可实现原位成型效果，即铺贴同时完成零件制造。该技术可降低复合材料成本达到50%以上，由于其高效低耗的技术特点，该技术被认为在航空领域具有广泛的应用前景。文章调研了热塑性复合材料原位成型技术在国内外航空领域相关的研究和应用工作。结合典型的技术开发案例，重点分析了目前原位成型技术在应用材料、装备及工艺控制技术等方面的水平现状，并阐述了原位成型技术的最新发展趋势。
2019, 36(4): 795-800.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180529.001
摘要:
空间超高频遥感反射器（工作频段600 GHz以上）在轨运行过程中，由于空间温度变化不均匀会产生热变形问题。为了保证反射面的电气性能，空间超高频遥感反射器要求反射面的型面精度均方差值r ≤ 10 μm。本文创新性地提出了一种单曲面板栅格结构反射器，利用有限元仿真分析软件对反射器进行热变形分析。研究了反射器的不同结构参数对反射面热变形的影响，并以低热变形为原则对反射器结构参数进行优化。优化后的结果仍然不能满足空间超高频遥感反射器的型面精度要求，因此设计并制备了一种热膨胀系数α ≤ 0.5×10-7℃-1的零膨胀材料。这种零膨胀材料是将碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）与芳纶（Kevlar）纤维织物按照一定比例交错循环铺层，利用该比例调整反射器层压板铺层，可以使反射面热变形降低至7.94 μm，满足空间超高频遥感反射器的型面精度要求。
空间超高频遥感反射器（工作频段600 GHz以上）在轨运行过程中，由于空间温度变化不均匀会产生热变形问题。为了保证反射面的电气性能，空间超高频遥感反射器要求反射面的型面精度均方差值r ≤ 10 μm。本文创新性地提出了一种单曲面板栅格结构反射器，利用有限元仿真分析软件对反射器进行热变形分析。研究了反射器的不同结构参数对反射面热变形的影响，并以低热变形为原则对反射器结构参数进行优化。优化后的结果仍然不能满足空间超高频遥感反射器的型面精度要求，因此设计并制备了一种热膨胀系数α ≤ 0.5×10-7℃-1的零膨胀材料。这种零膨胀材料是将碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）与芳纶（Kevlar）纤维织物按照一定比例交错循环铺层，利用该比例调整反射器层压板铺层，可以使反射面热变形降低至7.94 μm，满足空间超高频遥感反射器的型面精度要求。
2019, 36(4): 801-810.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180608.001
摘要:
以低密度聚乙烯（LDPE）为聚合物基体，通过熔融共混的方式填充不同粒径的纳米SiO2无机颗粒，制备纳米SiO2/LDPE复合材料，研究提高聚乙烯电绝缘性能的纳米改性方法和机制。利用SEM表征纳米SiO2在LDPE基体中的微观形态和分散程度，采用DSC和偏光显微镜（PLM）分析纳米SiO2对LDPE基体结晶度和结晶形态的影响，通过热刺激电流法（TSC）分析纳米SiO2/LDPE复合材料的陷阱密度和陷阱能级，并结合电击穿的Weibull分布研究纳米复合材料的击穿机制。研究结果表明：纳米SiO2填充可以改变复合材料结晶度，进而增加LDPE基体本征结构缺陷和陷阱密度，同时填充纳米SiO2颗粒可引入比LDPE基体本征陷阱更深的陷阱能级，纳米SiO2填充颗粒引入的陷阱能级深度随着复合材料结晶度的增加而先增大后减小，填充浓度3wt%时可最有效地通过俘获载流子而抑制电击穿过程，纳米SiO2/LDPE复合材料的击穿场强达到最高值。与60 nm SiO2颗粒相比，30 nm SiO2填充颗粒具有更高的比表面积，界面电极化导致更高的介电常数，更高密度的纳米界面深陷阱态对于提高电击穿场强更有效。当填充浓度为5wt%时，纳米颗粒的团聚作用导致纳米复合材料的击穿强度降低。基于电双层理论提出了电子捕捉模型和界面结构模型，合理阐释了纳米SiO2/LDPE复合材料的微观陷阱特性及宏观电击穿机制。
以低密度聚乙烯（LDPE）为聚合物基体，通过熔融共混的方式填充不同粒径的纳米SiO2无机颗粒，制备纳米SiO2/LDPE复合材料，研究提高聚乙烯电绝缘性能的纳米改性方法和机制。利用SEM表征纳米SiO2在LDPE基体中的微观形态和分散程度，采用DSC和偏光显微镜（PLM）分析纳米SiO2对LDPE基体结晶度和结晶形态的影响，通过热刺激电流法（TSC）分析纳米SiO2/LDPE复合材料的陷阱密度和陷阱能级，并结合电击穿的Weibull分布研究纳米复合材料的击穿机制。研究结果表明：纳米SiO2填充可以改变复合材料结晶度，进而增加LDPE基体本征结构缺陷和陷阱密度，同时填充纳米SiO2颗粒可引入比LDPE基体本征陷阱更深的陷阱能级，纳米SiO2填充颗粒引入的陷阱能级深度随着复合材料结晶度的增加而先增大后减小，填充浓度3wt%时可最有效地通过俘获载流子而抑制电击穿过程，纳米SiO2/LDPE复合材料的击穿场强达到最高值。与60 nm SiO2颗粒相比，30 nm SiO2填充颗粒具有更高的比表面积，界面电极化导致更高的介电常数，更高密度的纳米界面深陷阱态对于提高电击穿场强更有效。当填充浓度为5wt%时，纳米颗粒的团聚作用导致纳米复合材料的击穿强度降低。基于电双层理论提出了电子捕捉模型和界面结构模型，合理阐释了纳米SiO2/LDPE复合材料的微观陷阱特性及宏观电击穿机制。
2019, 36(4): 811-825.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180419.001
摘要:
以航空碳纤维增强树脂基复合材料典型结构件带筋壁板为研究对象，通过对U3160单向织物的组织结构进行分析，根据纤维束的受压变形状态对其压缩响应进行理论建模，然后以纤维束压缩模型为基础，预测了U3160单向织物按0°/45°/90°/-45°铺层时预成型体在压缩应力作用下厚度变化的响应行为。建立了压缩应力作用下纤维预成型体的渗透率解析模型：在织物压缩模型的基础上，建立了纤维束等效渗透率模型；根据张量理论，分别建立了0°、±45°和90°铺层织物等效渗透率模型；运用渗透介质串并联关系，建立了带筋壁板各特征区域渗透率综合表征模型。基于PAM-RTM流动模拟软件，进行分区渗透率定义，在充模过程中对树脂在带筋壁板预成型体中的流动行为进行模拟，优化工艺参数，确定出最终充模方案，并制作带筋壁板实验缩比件进行成型实验，验证了充模方案的合理性。研究结果为制件的成功制作提供理论依据，从而指导生产实践。
以航空碳纤维增强树脂基复合材料典型结构件带筋壁板为研究对象，通过对U3160单向织物的组织结构进行分析，根据纤维束的受压变形状态对其压缩响应进行理论建模，然后以纤维束压缩模型为基础，预测了U3160单向织物按0°/45°/90°/-45°铺层时预成型体在压缩应力作用下厚度变化的响应行为。建立了压缩应力作用下纤维预成型体的渗透率解析模型：在织物压缩模型的基础上，建立了纤维束等效渗透率模型；根据张量理论，分别建立了0°、±45°和90°铺层织物等效渗透率模型；运用渗透介质串并联关系，建立了带筋壁板各特征区域渗透率综合表征模型。基于PAM-RTM流动模拟软件，进行分区渗透率定义，在充模过程中对树脂在带筋壁板预成型体中的流动行为进行模拟，优化工艺参数，确定出最终充模方案，并制作带筋壁板实验缩比件进行成型实验，验证了充模方案的合理性。研究结果为制件的成功制作提供理论依据，从而指导生产实践。
2019, 36(4): 826-836.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180516.001
摘要:
对干态和湿态两种工况下的碳纤维和玻璃纤维织物进行了压缩成型特性实验，利用黏弹性理论模型，分析了上述两种工况下压缩、应力松弛和回弹阶段的黏弹性曲线和黏弹性模型参数。通过分析两种工况下织物纱线压缩成型3个阶段的变形机制，阐述了产生上述差异的原因。结果表明，对于织物压缩阶段，当达到相同的最大成型压力时，湿态织物的成型厚度比干态的成型厚度略大。湿态织物的压缩时间比干态的压缩时间短，且织物规格越小，相差时间越少。湿态织物压缩阶段的时间常数小于干态织物对应值。对于织物应力松弛和回弹阶段，介质较少渗入织物间隙，织物变形过程基本相同，织物在两种工况下的成型厚度差值与回弹厚度差值十分接近。因此，湿态下织物的回弹厚度比干态下的回弹厚度略大。应力松弛和回弹阶段的时间常数基本相同。上述研究结果对纤维增强树脂基复合材料的成型工艺具有了一定的指导意义。
对干态和湿态两种工况下的碳纤维和玻璃纤维织物进行了压缩成型特性实验，利用黏弹性理论模型，分析了上述两种工况下压缩、应力松弛和回弹阶段的黏弹性曲线和黏弹性模型参数。通过分析两种工况下织物纱线压缩成型3个阶段的变形机制，阐述了产生上述差异的原因。结果表明，对于织物压缩阶段，当达到相同的最大成型压力时，湿态织物的成型厚度比干态的成型厚度略大。湿态织物的压缩时间比干态的压缩时间短，且织物规格越小，相差时间越少。湿态织物压缩阶段的时间常数小于干态织物对应值。对于织物应力松弛和回弹阶段，介质较少渗入织物间隙，织物变形过程基本相同，织物在两种工况下的成型厚度差值与回弹厚度差值十分接近。因此，湿态下织物的回弹厚度比干态下的回弹厚度略大。应力松弛和回弹阶段的时间常数基本相同。上述研究结果对纤维增强树脂基复合材料的成型工艺具有了一定的指导意义。
2019, 36(4): 837-847.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180611.002
摘要:
为研究层间混杂复合材料装甲板的防弹性能及其防弹机制，采用钢芯弹侵彻层间混杂复合材料装甲板。以超高分子量聚乙烯（Ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE）纤维、对位芳香族聚酰胺纤维作增强纤维，水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane，WPU）树脂和环氧树脂（Epoxy resin，EP）作基体，采用热压工艺制备单向（Unidirectional，UD）结构的层间混杂复合材料装甲板。研究混杂比例、防弹面和树脂基体对混杂复合材料装甲板防弹性能的影响以及弹击后混杂复合材料装甲板的破坏形貌，分析混杂复合材料装甲板的防弹机制，并对复合材料装甲板的破坏机制进行了分析。结果表明：混杂复合材料装甲板的防弹性能优于其任一单一纤维复合材料装甲板；WPU的防弹性能要优于环氧树脂；以UHMWPE纤维复合材料充当防弹面时，混杂复合材料装甲板具有更好的防弹性能；纤维拉伸变形和装甲板分层是纤维复合材料装甲板主要的吸能方式。
为研究层间混杂复合材料装甲板的防弹性能及其防弹机制，采用钢芯弹侵彻层间混杂复合材料装甲板。以超高分子量聚乙烯（Ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE）纤维、对位芳香族聚酰胺纤维作增强纤维，水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane，WPU）树脂和环氧树脂（Epoxy resin，EP）作基体，采用热压工艺制备单向（Unidirectional，UD）结构的层间混杂复合材料装甲板。研究混杂比例、防弹面和树脂基体对混杂复合材料装甲板防弹性能的影响以及弹击后混杂复合材料装甲板的破坏形貌，分析混杂复合材料装甲板的防弹机制，并对复合材料装甲板的破坏机制进行了分析。结果表明：混杂复合材料装甲板的防弹性能优于其任一单一纤维复合材料装甲板；WPU的防弹性能要优于环氧树脂；以UHMWPE纤维复合材料充当防弹面时，混杂复合材料装甲板具有更好的防弹性能；纤维拉伸变形和装甲板分层是纤维复合材料装甲板主要的吸能方式。
2019, 36(4): 848-859.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180522.001
摘要:
桥梁面板的伸缩缝连接装置是现今桥梁施工与维护的难题之一。桥面无缝连接板是将相邻的桥面板连接在桥墩上，形成桥跨间的连续板。结合碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）良好的耐腐蚀性与工程水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites，ECC）的高延性，对CFRP材料增强ECC桥面连接板进行研究。对比了CFRP软质格栅、CFRP筋材和纯ECC桥面连接板的荷载-位移曲线、裂缝分布、应变以及变形，分析三种连接板的连接性能。试验结果表明，三种桥面连接板能满足工程变形与开裂要求。CFRP软质格栅削弱连接板材料界面，降低板多裂缝开展，对增强桥面连接板作用较小。相对其他ECC连接板构件，CFRP筋材对ECC连接板增强作用明显，其弯曲变形能力显著提高，裂缝均匀且分布广泛，整体工作性能良好。
桥梁面板的伸缩缝连接装置是现今桥梁施工与维护的难题之一。桥面无缝连接板是将相邻的桥面板连接在桥墩上，形成桥跨间的连续板。结合碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）良好的耐腐蚀性与工程水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites，ECC）的高延性，对CFRP材料增强ECC桥面连接板进行研究。对比了CFRP软质格栅、CFRP筋材和纯ECC桥面连接板的荷载-位移曲线、裂缝分布、应变以及变形，分析三种连接板的连接性能。试验结果表明，三种桥面连接板能满足工程变形与开裂要求。CFRP软质格栅削弱连接板材料界面，降低板多裂缝开展，对增强桥面连接板作用较小。相对其他ECC连接板构件，CFRP筋材对ECC连接板增强作用明显，其弯曲变形能力显著提高，裂缝均匀且分布广泛，整体工作性能良好。
2019, 36(4): 860-870.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180517.002
摘要:
开孔层合板的强度预报往往取决于孔边的临界长度，它不仅与材料性能，而且与铺层、孔径都有关。本文基于线弹性断裂力学，提出了一种预报对称铺层层合板开孔拉伸强度的新方法，只需提供正交层合板的断裂韧性和无缺口层合板的拉伸强度，显著降低对实验数据的依赖性。首先，将临界长度表作为层合板断裂韧性和无缺口拉伸强度的函数，再通过正交层合板[90/0]8s的紧凑拉伸试验和虚拟裂纹闭合技术，确定出0°层断裂韧性，进而计算得到任意对称铺层层合板的断裂韧性。本文测试了T300/7901层合板[0/±45/90]2s和[0/±30/±60/90]s的开孔拉伸强度，孔径分别为3 mm、6 mm和9 mm。理论预报结果与试验值吻合较好，最大误差为15.2%，满足工程应用需求。
开孔层合板的强度预报往往取决于孔边的临界长度，它不仅与材料性能，而且与铺层、孔径都有关。本文基于线弹性断裂力学，提出了一种预报对称铺层层合板开孔拉伸强度的新方法，只需提供正交层合板的断裂韧性和无缺口层合板的拉伸强度，显著降低对实验数据的依赖性。首先，将临界长度表作为层合板断裂韧性和无缺口拉伸强度的函数，再通过正交层合板[90/0]8s的紧凑拉伸试验和虚拟裂纹闭合技术，确定出0°层断裂韧性，进而计算得到任意对称铺层层合板的断裂韧性。本文测试了T300/7901层合板[0/±45/90]2s和[0/±30/±60/90]s的开孔拉伸强度，孔径分别为3 mm、6 mm和9 mm。理论预报结果与试验值吻合较好，最大误差为15.2%，满足工程应用需求。
2019, 36(4): 871-880.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180601.001
摘要:
通过分析固化度对环氧树脂体系的自由度和结合能的影响，对GIM （Group interaction modelling）方法进行了拓展，研究了树脂材料性能随固化度的变化规律。以EPON862/DETDA体系为例，对拓展GIM方法进行了验证。研究结果表明，拓展GIM方法不仅可以准确预测完全交联EPON862/DETDA的材料性能，而且能预测非完全固化体系的玻璃化转变温度、体积收缩率、热膨胀系数及弹性模量随固化度的变化规律，以上结果均与实验和分子动力学模拟结果吻合较好。此拓展GIM方法可与固化反应动力学联合，为模拟环氧树脂在固化反应过程中产生的残余应力和变形提供准确的材料性能输入参数。
通过分析固化度对环氧树脂体系的自由度和结合能的影响，对GIM （Group interaction modelling）方法进行了拓展，研究了树脂材料性能随固化度的变化规律。以EPON862/DETDA体系为例，对拓展GIM方法进行了验证。研究结果表明，拓展GIM方法不仅可以准确预测完全交联EPON862/DETDA的材料性能，而且能预测非完全固化体系的玻璃化转变温度、体积收缩率、热膨胀系数及弹性模量随固化度的变化规律，以上结果均与实验和分子动力学模拟结果吻合较好。此拓展GIM方法可与固化反应动力学联合，为模拟环氧树脂在固化反应过程中产生的残余应力和变形提供准确的材料性能输入参数。
2019, 36(4): 881-891.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180620.001
摘要:
对复合材料泡沫夹芯板局部连接拉脱破坏进行了试验研究，分析了接头的破坏模式、失效载荷和面板对接头的影响。采用ABAQUS有限元软件进行了数值分析，通过与实验结果对比验证其模型的可靠性，预测分析内部的破坏模式以及结构参数对接头破坏的影响，研究了泡沫芯体内部的渐进破坏以及面板和泡沫芯体之间的胶层脱粘破坏。结果表明：泡沫夹芯板预埋螺栓连接结构灌封胶边缘的泡沫先产生裂纹后向中间扩展，中间区域全部开裂时两端裂纹沿着45°方向向上扩展。胶层开裂的区域呈弧形条状，分布在螺栓紧固件的两侧，在面板宽度方向，开裂的区域贯穿两侧。随着预埋件深度的增加最大破坏载荷也在增加，随着预埋件直径的增加亚临界破坏载荷和最大破坏载荷没有比较明显的变化，但最大破坏位移在减小。
对复合材料泡沫夹芯板局部连接拉脱破坏进行了试验研究，分析了接头的破坏模式、失效载荷和面板对接头的影响。采用ABAQUS有限元软件进行了数值分析，通过与实验结果对比验证其模型的可靠性，预测分析内部的破坏模式以及结构参数对接头破坏的影响，研究了泡沫芯体内部的渐进破坏以及面板和泡沫芯体之间的胶层脱粘破坏。结果表明：泡沫夹芯板预埋螺栓连接结构灌封胶边缘的泡沫先产生裂纹后向中间扩展，中间区域全部开裂时两端裂纹沿着45°方向向上扩展。胶层开裂的区域呈弧形条状，分布在螺栓紧固件的两侧，在面板宽度方向，开裂的区域贯穿两侧。随着预埋件深度的增加最大破坏载荷也在增加，随着预埋件直径的增加亚临界破坏载荷和最大破坏载荷没有比较明显的变化，但最大破坏位移在减小。
2019, 36(4): 892-904.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180703.001
摘要:
通过理论推导与有限元仿真，研究了湿热环境下一端固支与四端固支约束含分层平面编织玻璃纤维/环氧树脂基复合材料层合板的不同分层夹角及分层位置的振动特性。首先基于Mindlin一阶剪切变形理论与Hamilton原理，考虑湿热应力和质量效应，依据湿度与温度的等效性，推导了受湿热环境影响的含分层层合板的湿热本构方程与固有频率表达式。利用有限元软件ABAQUS自带的用户材料子程序（UMAT）接口，编制相应的接口程序，建立了一系列温湿度组合下的分层损伤模型。并将数值结果与文献中试验值进行了验证。算例结果表明：湿热效应下，分层加剧了湿热环境下平面编织层合板各阶固有频率的下降；不同的分层夹角会引起固有频率值的改变，夹角越大固有频率下降幅值越大；湿度对分层层合板振动特性的影响比温度对分层层合板振动特性的影响显著；湿热效应会引起高阶频率向低阶的漂移，加剧局部共振现象；表面分层与中面分层都会引起各阶固有频率值下降，但下降幅值两者之间差别不大。
通过理论推导与有限元仿真，研究了湿热环境下一端固支与四端固支约束含分层平面编织玻璃纤维/环氧树脂基复合材料层合板的不同分层夹角及分层位置的振动特性。首先基于Mindlin一阶剪切变形理论与Hamilton原理，考虑湿热应力和质量效应，依据湿度与温度的等效性，推导了受湿热环境影响的含分层层合板的湿热本构方程与固有频率表达式。利用有限元软件ABAQUS自带的用户材料子程序（UMAT）接口，编制相应的接口程序，建立了一系列温湿度组合下的分层损伤模型。并将数值结果与文献中试验值进行了验证。算例结果表明：湿热效应下，分层加剧了湿热环境下平面编织层合板各阶固有频率的下降；不同的分层夹角会引起固有频率值的改变，夹角越大固有频率下降幅值越大；湿度对分层层合板振动特性的影响比温度对分层层合板振动特性的影响显著；湿热效应会引起高阶频率向低阶的漂移，加剧局部共振现象；表面分层与中面分层都会引起各阶固有频率值下降，但下降幅值两者之间差别不大。
2019, 36(4): 905-913.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180827.001
摘要:
前驱体转化法制备的SiBCN陶瓷具有优异的耐高温抗氧化性能，有望作为高温热结构材料应用于航空航天领域。本文主要对前驱体转化法制备的SiBCN陶瓷在1 200、1 400℃下的抗氧化性能进行研究。采用XPS对陶瓷氧化前后化学键结合方式进行表征，分析了氧化前后化学结构的变化；采用XRD和SEM对陶瓷氧化前后表面相组成、微观形貌和截面氧化层进行分析，并通过氧化层厚度随时间变化对高温抗氧化动力学进行了研究。结果表明：SiBCN陶瓷经高温氧化后在表面形成了致密的氧化膜，氧化层主要以无定形态存在，且与基体结合紧密；陶瓷的高温氧化速率受氧扩散控制，其在1 200、1 400℃下的氧化动力学常数分别为0.0224 μm2/h和0.1045 μm2/h，小于SiC陶瓷的0.0449 μm2/h和0.1288 μm2/h。由于SiBCN陶瓷形成的BN （C）结构以及高温氧化后形成的SiOxNy致密氧化膜降低了氧气在氧化层中的扩散速率以及反应活性，使得SiBCN陶瓷具有比SiC陶瓷更加优异的高温抗氧化性能。
前驱体转化法制备的SiBCN陶瓷具有优异的耐高温抗氧化性能，有望作为高温热结构材料应用于航空航天领域。本文主要对前驱体转化法制备的SiBCN陶瓷在1 200、1 400℃下的抗氧化性能进行研究。采用XPS对陶瓷氧化前后化学键结合方式进行表征，分析了氧化前后化学结构的变化；采用XRD和SEM对陶瓷氧化前后表面相组成、微观形貌和截面氧化层进行分析，并通过氧化层厚度随时间变化对高温抗氧化动力学进行了研究。结果表明：SiBCN陶瓷经高温氧化后在表面形成了致密的氧化膜，氧化层主要以无定形态存在，且与基体结合紧密；陶瓷的高温氧化速率受氧扩散控制，其在1 200、1 400℃下的氧化动力学常数分别为0.0224 μm2/h和0.1045 μm2/h，小于SiC陶瓷的0.0449 μm2/h和0.1288 μm2/h。由于SiBCN陶瓷形成的BN （C）结构以及高温氧化后形成的SiOxNy致密氧化膜降低了氧气在氧化层中的扩散速率以及反应活性，使得SiBCN陶瓷具有比SiC陶瓷更加优异的高温抗氧化性能。
2019, 36(4): 914-920.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180530.001
摘要:
使用水热法在掺氟SnO2涂覆的导电玻璃（FTO）基板上生长TiO2纳米线，随后在TiO2纳米线上采用水热法生长WO3纳米线，制备出WO3/TiO2复合薄膜。通过循环伏安法（CV）、计时电流法（CA）、计时电量法（CC）等电化学测试技术研究了WO3/TiO2复合薄膜的电致变色性能；采用紫外分光光度计对薄膜的着色﹑漂白状态的响应时间进行测试。通过以上测试，计算得到了薄膜的循环稳定性﹑光调制﹑着色效率和切换时间（Y和X）等参数。结果显示WO3/TiO2复合薄膜的电致变色性明显提高，其中WO3/TiO2复合薄膜可逆性增加了6%，着色效率提高了40.96 cm2/C。
使用水热法在掺氟SnO2涂覆的导电玻璃（FTO）基板上生长TiO2纳米线，随后在TiO2纳米线上采用水热法生长WO3纳米线，制备出WO3/TiO2复合薄膜。通过循环伏安法（CV）、计时电流法（CA）、计时电量法（CC）等电化学测试技术研究了WO3/TiO2复合薄膜的电致变色性能；采用紫外分光光度计对薄膜的着色﹑漂白状态的响应时间进行测试。通过以上测试，计算得到了薄膜的循环稳定性﹑光调制﹑着色效率和切换时间（Y和X）等参数。结果显示WO3/TiO2复合薄膜的电致变色性明显提高，其中WO3/TiO2复合薄膜可逆性增加了6%，着色效率提高了40.96 cm2/C。
2019, 36(4): 921-926.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180608.002
摘要:
本文研究了C/C复合材料紧固件在不涂防松胶（简称不涂胶）和涂防松胶（简称涂胶）两种状态下的拧紧特性。试验测试了两种状态下C/C复合材料紧固件拧紧力矩与预紧力的关系，并对两种状态下紧固件摩擦系数和拧紧力矩分配关系进行了深入分析。结果表明：涂胶与不涂胶相比，相同拧紧力矩作用下，螺栓预紧力增大20%~82%，且不涂胶状态下预紧力与拧紧力矩线形关系较好；不涂胶和涂胶两种状态下，螺纹副摩擦系数分别为0.41、0.35，端面摩擦系数分别为0.59、0.41，涂胶后两对摩擦副摩擦系数均降低；另外，涂胶和不涂胶两种状态下施加拧紧力矩在端面摩擦副、螺纹摩擦副和附加力矩中比例分配规则略有不同。
本文研究了C/C复合材料紧固件在不涂防松胶（简称不涂胶）和涂防松胶（简称涂胶）两种状态下的拧紧特性。试验测试了两种状态下C/C复合材料紧固件拧紧力矩与预紧力的关系，并对两种状态下紧固件摩擦系数和拧紧力矩分配关系进行了深入分析。结果表明：涂胶与不涂胶相比，相同拧紧力矩作用下，螺栓预紧力增大20%~82%，且不涂胶状态下预紧力与拧紧力矩线形关系较好；不涂胶和涂胶两种状态下，螺纹副摩擦系数分别为0.41、0.35，端面摩擦系数分别为0.59、0.41，涂胶后两对摩擦副摩擦系数均降低；另外，涂胶和不涂胶两种状态下施加拧紧力矩在端面摩擦副、螺纹摩擦副和附加力矩中比例分配规则略有不同。
2019, 36(4): 927-937.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180416.005
摘要:
采用粉末冶金真空热压法制备了B4C质量分数为31%、平均颗粒尺寸分别为6.5 μm、9.3 μm、17.3 μm、28 μm、39.5 μm的纯Al和6061Al基体的复合材料。对复合材料进行微观结构和力学性能检测，结果表明：所有复合材料的B4C颗粒在基体中都均匀分布，且致密度都达到99%以上；对于纯Al基复合材料，随着颗粒尺寸增加，其致密度和塑性逐渐增加，强度逐渐下降；对于6061Al基复合材料，致密度随着颗粒尺寸的增加稍有降低，其强度和塑性受颗粒尺寸和热压温度共同影响，当热压温度610℃时，界面反应严重，随B4C颗粒尺寸增加，强度先下降后上升，塑性先上升后下降；当热压温度580℃时，界面反应轻微，复合材料强度逐渐下降，塑性逐渐上升。颗粒尺寸、界面反应和基体材料等均影响B4C增强铝基复合材料的力学性能。
采用粉末冶金真空热压法制备了B4C质量分数为31%、平均颗粒尺寸分别为6.5 μm、9.3 μm、17.3 μm、28 μm、39.5 μm的纯Al和6061Al基体的复合材料。对复合材料进行微观结构和力学性能检测，结果表明：所有复合材料的B4C颗粒在基体中都均匀分布，且致密度都达到99%以上；对于纯Al基复合材料，随着颗粒尺寸增加，其致密度和塑性逐渐增加，强度逐渐下降；对于6061Al基复合材料，致密度随着颗粒尺寸的增加稍有降低，其强度和塑性受颗粒尺寸和热压温度共同影响，当热压温度610℃时，界面反应严重，随B4C颗粒尺寸增加，强度先下降后上升，塑性先上升后下降；当热压温度580℃时，界面反应轻微，复合材料强度逐渐下降，塑性逐渐上升。颗粒尺寸、界面反应和基体材料等均影响B4C增强铝基复合材料的力学性能。
2019, 36(4): 938-945.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180614.002
摘要:
本文采用试验和数值模拟方法研究锌漆薄膜/2Cr13钢基体系统薄膜开裂和裂纹扩展情况。创新性地使用三点弯曲试验结合声发射技术监测到薄膜裂纹萌生时刻，并计算薄膜断裂韧性。采用扩展有限元法研究三点弯曲作用下薄膜裂纹扩展过程，发现模拟得到的荷载-位移曲线与试验曲线相吻合。模拟结果表明，薄膜裂纹尖端区域存在应力峰值，当该值达到损伤判据临界应力时，裂纹发生扩展。同时，对多种因素影响下薄膜周期裂纹无量纲能量释放率进行分析，发现薄膜厚度一定时，薄膜相对于基体刚度越大，半无限基体上薄膜裂纹前缘达到稳定状态时对应的基体厚度与裂纹间距越大。
本文采用试验和数值模拟方法研究锌漆薄膜/2Cr13钢基体系统薄膜开裂和裂纹扩展情况。创新性地使用三点弯曲试验结合声发射技术监测到薄膜裂纹萌生时刻，并计算薄膜断裂韧性。采用扩展有限元法研究三点弯曲作用下薄膜裂纹扩展过程，发现模拟得到的荷载-位移曲线与试验曲线相吻合。模拟结果表明，薄膜裂纹尖端区域存在应力峰值，当该值达到损伤判据临界应力时，裂纹发生扩展。同时，对多种因素影响下薄膜周期裂纹无量纲能量释放率进行分析，发现薄膜厚度一定时，薄膜相对于基体刚度越大，半无限基体上薄膜裂纹前缘达到稳定状态时对应的基体厚度与裂纹间距越大。
2019, 36(4): 946-953.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180517.001
摘要:
首次采用分子动力学方法预测了自相似多级纳米蜂窝铝面内和面外（轴向）的压缩力学性能（弹性模量和压缩强度）。重点研究了相对密度、层级数和长度比对自相似多级纳米蜂窝铝结构力学性能的影响。在Gibson模型中引入了表面效应因子，结果表明修正的Gibson-Ashby模型与分子动力学计算结果更加吻合。此外，通过比较一级、二级和三级纳米蜂窝铝结构的变形机制发现，二级和三级纳米蜂窝铝结构由于分别在单级蜂窝和二级蜂窝的角点处接入六边形，在压缩过程中，多级纳米蜂窝铝结构激发的位错远高于单级蜂窝铝结构。也就是说，在压缩载荷下，多级蜂窝铝结构可以更好地利用结构的承载能力，吸收更多的能量。但是，自相似纳米蜂窝铝结构的力学性能无法通过增加级数的方法来无限增强，在相对密度和长度比不变的情况下，当纳米蜂窝铝结构的级数达到二级时，其综合力学性能最佳。研究结果还表明，相对密度不变时，二级纳米蜂窝铝结构长度比分别在0.3和0.4附近时，二级蜂窝铝结构具有最佳的面内和面外力学性能。研究成果对自相似多级纳米蜂窝结构的优化设计具有重要的指导作用。
首次采用分子动力学方法预测了自相似多级纳米蜂窝铝面内和面外（轴向）的压缩力学性能（弹性模量和压缩强度）。重点研究了相对密度、层级数和长度比对自相似多级纳米蜂窝铝结构力学性能的影响。在Gibson模型中引入了表面效应因子，结果表明修正的Gibson-Ashby模型与分子动力学计算结果更加吻合。此外，通过比较一级、二级和三级纳米蜂窝铝结构的变形机制发现，二级和三级纳米蜂窝铝结构由于分别在单级蜂窝和二级蜂窝的角点处接入六边形，在压缩过程中，多级纳米蜂窝铝结构激发的位错远高于单级蜂窝铝结构。也就是说，在压缩载荷下，多级蜂窝铝结构可以更好地利用结构的承载能力，吸收更多的能量。但是，自相似纳米蜂窝铝结构的力学性能无法通过增加级数的方法来无限增强，在相对密度和长度比不变的情况下，当纳米蜂窝铝结构的级数达到二级时，其综合力学性能最佳。研究结果还表明，相对密度不变时，二级纳米蜂窝铝结构长度比分别在0.3和0.4附近时，二级蜂窝铝结构具有最佳的面内和面外力学性能。研究成果对自相似多级纳米蜂窝结构的优化设计具有重要的指导作用。
2019, 36(4): 954-963.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180705.002
摘要:
为了研究玻璃纤维网格布在混凝土板中的双向受力性能及钢纤维和纤维网格布混杂使用的增强效果，进行了耐碱试验和双向板受弯试验。探究了钢纤维和玻璃纤维网格布混杂替代传统钢筋网的可行性。结果表明，与中碱玻璃纤维相比，耐碱玻璃纤维的耐腐蚀性能更优越；掺入耐碱玻璃纤维网格布后，混凝土板的极限承载力提高了59%；钢纤维和玻璃纤维网格布的混杂使用表现出较好的正混杂效应，混凝土板的极限承载力和弯曲韧性明显提高，板的破坏形态由脆性破坏转变为延性破坏；可考虑用30 kg/m3钢纤维掺量的混杂钢纤维和耐碱玻璃纤维网格布增强混凝土板代替配筋率为0.2%的钢筋混凝土板。
为了研究玻璃纤维网格布在混凝土板中的双向受力性能及钢纤维和纤维网格布混杂使用的增强效果，进行了耐碱试验和双向板受弯试验。探究了钢纤维和玻璃纤维网格布混杂替代传统钢筋网的可行性。结果表明，与中碱玻璃纤维相比，耐碱玻璃纤维的耐腐蚀性能更优越；掺入耐碱玻璃纤维网格布后，混凝土板的极限承载力提高了59%；钢纤维和玻璃纤维网格布的混杂使用表现出较好的正混杂效应，混凝土板的极限承载力和弯曲韧性明显提高，板的破坏形态由脆性破坏转变为延性破坏；可考虑用30 kg/m3钢纤维掺量的混杂钢纤维和耐碱玻璃纤维网格布增强混凝土板代替配筋率为0.2%的钢筋混凝土板。
2019, 36(4): 964-971.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180522.002
摘要:
为研究液体介质处理对纳米隔热材料细观结构的影响，并掌握材料结构对毛细管力的承受性，将纳米隔热材料分别在无水乙醇和去离子水中进行了浸泡和常温常压干燥处理。采用热导率测试结合SEM、N2吸附-脱附、光学显微镜等对材料处理前后的细观结构进行了表征，并以Kaganer双孔模型对气相热导率随环境气压的变化进行了描述。研究结果表明，材料固体骨架颗粒尺度和孔隙结构均不受无水乙醇处理的影响；去离子水处理后的材料固体骨架颗粒尺度虽未改变，但颗粒之间的接触面积有所增大，并且孔隙结构发生了两极分化，一部分变大，另一部分变小；处理前以及无水乙醇处理后，材料的孔隙结构均可以等效为70 nm和300 nm两种尺度的典型孔隙，占比分别约为81%和19%，而去离子水处理后的材料孔隙结构需要等效为30 nm和60 μm两种尺度的典型孔隙，占比分别约为58%和42%。
为研究液体介质处理对纳米隔热材料细观结构的影响，并掌握材料结构对毛细管力的承受性，将纳米隔热材料分别在无水乙醇和去离子水中进行了浸泡和常温常压干燥处理。采用热导率测试结合SEM、N2吸附-脱附、光学显微镜等对材料处理前后的细观结构进行了表征，并以Kaganer双孔模型对气相热导率随环境气压的变化进行了描述。研究结果表明，材料固体骨架颗粒尺度和孔隙结构均不受无水乙醇处理的影响；去离子水处理后的材料固体骨架颗粒尺度虽未改变，但颗粒之间的接触面积有所增大，并且孔隙结构发生了两极分化，一部分变大，另一部分变小；处理前以及无水乙醇处理后，材料的孔隙结构均可以等效为70 nm和300 nm两种尺度的典型孔隙，占比分别约为81%和19%，而去离子水处理后的材料孔隙结构需要等效为30 nm和60 μm两种尺度的典型孔隙，占比分别约为58%和42%。
2019, 36(4): 972-981.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180516.002
摘要:
以聚丙烯酸酯-硅烷改性二氧化硅（PAcr-MPS-SiO2）石榴状接枝复合胶粒为分散相，以聚甲基丙烯酸甲酯树脂（PMMA）为连续相，在HAKKA转矩流变仪中进行熔融共混，考察不同交联结构复合胶粒在不同熔融共混条件下的剪切形变行为。发现：微米级复合胶粒在熔融共混过程中既受强力剪切场的诱导作用，同时又受复合胶粒接枝交联结构的约束作用，因而依次会经历球形、椭球形、棒状、微纤状等取向形态，但又不至于出现大规模的撕裂解离现象，从而可在聚合物基体中原位并排生成大量具有较大长径比的微纤状取向结构体。通过改变SiO2表面MPS改性程度和SiO2含量调节复合胶粒的交联程度，或通过改变螺杆转速调节熔融剪切场的剪切强度，可在一定范围内调控复合胶粒及其中的接枝SiO2粒子簇的取向程度。其中，当胶粒凝胶率为40%、共混温度180℃、螺杆转速65 r/min、共混时间12 min时，可得到平均长径比达到11.8的规则并排取向结构。研究可为聚合物基体中原位构建和有效调控一维取向结构提供一种新途径。
以聚丙烯酸酯-硅烷改性二氧化硅（PAcr-MPS-SiO2）石榴状接枝复合胶粒为分散相，以聚甲基丙烯酸甲酯树脂（PMMA）为连续相，在HAKKA转矩流变仪中进行熔融共混，考察不同交联结构复合胶粒在不同熔融共混条件下的剪切形变行为。发现：微米级复合胶粒在熔融共混过程中既受强力剪切场的诱导作用，同时又受复合胶粒接枝交联结构的约束作用，因而依次会经历球形、椭球形、棒状、微纤状等取向形态，但又不至于出现大规模的撕裂解离现象，从而可在聚合物基体中原位并排生成大量具有较大长径比的微纤状取向结构体。通过改变SiO2表面MPS改性程度和SiO2含量调节复合胶粒的交联程度，或通过改变螺杆转速调节熔融剪切场的剪切强度，可在一定范围内调控复合胶粒及其中的接枝SiO2粒子簇的取向程度。其中，当胶粒凝胶率为40%、共混温度180℃、螺杆转速65 r/min、共混时间12 min时，可得到平均长径比达到11.8的规则并排取向结构。研究可为聚合物基体中原位构建和有效调控一维取向结构提供一种新途径。
2019, 36(4): 982-992.
摘要:
采用原位聚合与水解缩聚法，以四乙氧基硅烷（TEOS）、环氧树脂（E51）、苯乙烯（St）等为主要原料，合成了一种二氧化硅多孔壳微胶囊（Porous silica shell microcapsules，PSSM）。分别采用SEM、FTIR、TGA对PSSM外观形貌、化学组分、核壳比进行表征。通过对掺加PSSM的砂浆试块进行80%抗压强度荷载预压、养护（浸水或干湿循环养护）处理后，运用交流阻抗法与压汞法研究了PSSM对硬化砂浆抗渗性与孔结构的影响规律。结果表明：制备的PSSM粒径约为10~100 μm，其含有聚苯乙烯网络支架、环氧树脂和聚硅氧烷囊芯，支架聚合物和多孔壳，核壳质量比为1.54。与未预压-养护处理的试块相比，经预压-养护处理后的空白试块的连通孔溶液电阻RCH和扩散阻抗系数σ均降低，孔隙率升高，表明预压使试块内形成微裂纹缺陷，经养护仍未愈合，因此试块抗渗性降低；而对于掺加8% PSSM的试块，经预压-养护处理后其RCH和σ均增加，孔隙率降低，表明试块抗渗性提高。这是由于PSSM的破壳-固化作用以及长期浸水或干湿循环养护，导致试块中PSSM发生了渗出-固化作用，封堵愈合了试块内的微裂隙，抗渗性得到提高。
采用原位聚合与水解缩聚法，以四乙氧基硅烷（TEOS）、环氧树脂（E51）、苯乙烯（St）等为主要原料，合成了一种二氧化硅多孔壳微胶囊（Porous silica shell microcapsules，PSSM）。分别采用SEM、FTIR、TGA对PSSM外观形貌、化学组分、核壳比进行表征。通过对掺加PSSM的砂浆试块进行80%抗压强度荷载预压、养护（浸水或干湿循环养护）处理后，运用交流阻抗法与压汞法研究了PSSM对硬化砂浆抗渗性与孔结构的影响规律。结果表明：制备的PSSM粒径约为10~100 μm，其含有聚苯乙烯网络支架、环氧树脂和聚硅氧烷囊芯，支架聚合物和多孔壳，核壳质量比为1.54。与未预压-养护处理的试块相比，经预压-养护处理后的空白试块的连通孔溶液电阻RCH和扩散阻抗系数σ均降低，孔隙率升高，表明预压使试块内形成微裂纹缺陷，经养护仍未愈合，因此试块抗渗性降低；而对于掺加8% PSSM的试块，经预压-养护处理后其RCH和σ均增加，孔隙率降低，表明试块抗渗性提高。这是由于PSSM的破壳-固化作用以及长期浸水或干湿循环养护，导致试块中PSSM发生了渗出-固化作用，封堵愈合了试块内的微裂隙，抗渗性得到提高。
2019, 36(4): 993-1000.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180619.001
摘要:
为探究自密实轻集料混凝土双轴力学性能，采用三轴试验机对其进行双轴压-压和双轴拉-压试验，得到不同工况下的应力-应变曲线及其破坏形态，通过提取应力-应变曲线峰值应力和峰值应变，并与相关文献普通混凝土与轻集料混凝土研究成果对比，分析自密实轻集料混凝土双轴力学性能。研究结果表明：双轴压-压工况下，当侧向压应力较低时，试件主要呈现剪切破坏形态；当侧向应力较高时，试件呈劈裂破坏形态。双轴拉-压工况下，试件主要呈劈拉破坏形态，与侧向应力无关。随着侧向压应力的提高，自密实轻集料混凝土主压应力相对比无侧向应力工况明显提高，峰值应力最大提高均值幅度为68.08%，主拉应力随侧向压应力的提高逐步降低，最大降低幅度为62.35%。应用Kupfer双轴受力破坏准则验证自密实轻集料混凝土受侧向应力影响变化规律较为保守，同时基于Kupfer提出自密实轻集料混凝土双轴力学性能破坏准则，所得到的破坏准则方程具有良好的适用性。
为探究自密实轻集料混凝土双轴力学性能，采用三轴试验机对其进行双轴压-压和双轴拉-压试验，得到不同工况下的应力-应变曲线及其破坏形态，通过提取应力-应变曲线峰值应力和峰值应变，并与相关文献普通混凝土与轻集料混凝土研究成果对比，分析自密实轻集料混凝土双轴力学性能。研究结果表明：双轴压-压工况下，当侧向压应力较低时，试件主要呈现剪切破坏形态；当侧向应力较高时，试件呈劈裂破坏形态。双轴拉-压工况下，试件主要呈劈拉破坏形态，与侧向应力无关。随着侧向压应力的提高，自密实轻集料混凝土主压应力相对比无侧向应力工况明显提高，峰值应力最大提高均值幅度为68.08%，主拉应力随侧向压应力的提高逐步降低，最大降低幅度为62.35%。应用Kupfer双轴受力破坏准则验证自密实轻集料混凝土受侧向应力影响变化规律较为保守，同时基于Kupfer提出自密实轻集料混凝土双轴力学性能破坏准则，所得到的破坏准则方程具有良好的适用性。
2019, 36(4): 1001-1007.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180614.001
摘要:
为了同时考虑沥青混合料在降温过程中温度应力的累积和松弛作用，确定临界开裂温度，对试件进行了线收缩系数试验，并利用间接拉伸试验确定其抗拉强度和蠕变柔量，由蠕变柔量和松弛模量的关系得到松弛模量的Prony系列表达式；由Boltzmann叠加原理，得到温度应力公式，计算出不同降温速率下产生的温度应力，根据低温抗拉强度曲线，确定出沥青混合料的临界开裂温度，并对结果予以验证。结果表明：该方法考虑了应力累积和松弛二者的综合作用，能够较好地反映沥青混合料的低温开裂特性，其计算结果与约束试件温度应力试验结果相近；该方法不仅适用于恒定降温速率，还适用于现场连续变速降温工况；随温度的降低或降温速率的增加沥青混合料内部温度应力累积速度加快，临界开裂温度随降温速率增加而升高。
为了同时考虑沥青混合料在降温过程中温度应力的累积和松弛作用，确定临界开裂温度，对试件进行了线收缩系数试验，并利用间接拉伸试验确定其抗拉强度和蠕变柔量，由蠕变柔量和松弛模量的关系得到松弛模量的Prony系列表达式；由Boltzmann叠加原理，得到温度应力公式，计算出不同降温速率下产生的温度应力，根据低温抗拉强度曲线，确定出沥青混合料的临界开裂温度，并对结果予以验证。结果表明：该方法考虑了应力累积和松弛二者的综合作用，能够较好地反映沥青混合料的低温开裂特性，其计算结果与约束试件温度应力试验结果相近；该方法不仅适用于恒定降温速率，还适用于现场连续变速降温工况；随温度的降低或降温速率的增加沥青混合料内部温度应力累积速度加快，临界开裂温度随降温速率增加而升高。
2019, 36(4): 1008-1016.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180716.001
摘要:
为了研究废胎胶粉经过氧化氢（H2O2）溶液处理后其孔结构和表观形貌的变化及对所制备橡胶-沥青高温性能的影响，采用三种不同比例的H2O2溶液对废胎胶粉进行表面改性处理，并制备橡胶-沥青。通过胶粉气体吸附试验、扫描电镜试验、沥青旋转黏度试验和动态剪切流变试验分析了不同比例的H2O2溶液对胶粉的孔隙结构、微观形貌和所制备橡胶-沥青的黏度、黏弹性等宏观力学性能的影响规律。结果表明：胶粉经H2O2溶液处理后，平均孔径明显变小，孔体积和孔面积的变化呈现一定的规律；随H2O2溶液比例的增加，胶粉颗粒间接触面增加，表面絮状物和孔隙增多，加强了胶粉与沥青的界面结合度。这使得胶粉中的橡胶烃在沥青中的溶解度增加，炭黑颗粒释放增多，胶粉颗粒的强度、弹性和耐磨性等力学性能下降，导致橡胶-沥青的弹性、黏度和高温抗车辙能力降低。
为了研究废胎胶粉经过氧化氢（H2O2）溶液处理后其孔结构和表观形貌的变化及对所制备橡胶-沥青高温性能的影响，采用三种不同比例的H2O2溶液对废胎胶粉进行表面改性处理，并制备橡胶-沥青。通过胶粉气体吸附试验、扫描电镜试验、沥青旋转黏度试验和动态剪切流变试验分析了不同比例的H2O2溶液对胶粉的孔隙结构、微观形貌和所制备橡胶-沥青的黏度、黏弹性等宏观力学性能的影响规律。结果表明：胶粉经H2O2溶液处理后，平均孔径明显变小，孔体积和孔面积的变化呈现一定的规律；随H2O2溶液比例的增加，胶粉颗粒间接触面增加，表面絮状物和孔隙增多，加强了胶粉与沥青的界面结合度。这使得胶粉中的橡胶烃在沥青中的溶解度增加，炭黑颗粒释放增多，胶粉颗粒的强度、弹性和耐磨性等力学性能下降，导致橡胶-沥青的弹性、黏度和高温抗车辙能力降低。
2019, 36(4): 1017-1028.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180626.003
摘要:
基于热弹性耦合理论，对处于热载荷下的Al-Al2O3功能梯度材料（FGM）薄壁旋转碟片进行研究。根据FGM构造理论结合碟片轴对称特性，得到其力学特性全场分布。分别采用函数构造方法和热耦合传导方程推导得到模型所处温度场，并加以分析对比。建立了统一温度场的热耦合本构方程，并根据平面应力情况下热弹性材料力学特性基本原理，拟合确定其物性系数。通过微分求积方法（DQM）求解不同温度场下不同FGM构造形式模型的位移控制方程。结果表明：常温下，热耦合本构方程可以退化到胡克定律；经典热弹性理论与热弹性耦合理论下的碟片径向位移误差可达41.7%；热弹性耦合理论的结果随温度非线性变化，这种变化趋势也体现在大量科学实验中；碟片外表面温度变化、转速和所处的温度场显著地影响其热弹性场。
基于热弹性耦合理论，对处于热载荷下的Al-Al2O3功能梯度材料（FGM）薄壁旋转碟片进行研究。根据FGM构造理论结合碟片轴对称特性，得到其力学特性全场分布。分别采用函数构造方法和热耦合传导方程推导得到模型所处温度场，并加以分析对比。建立了统一温度场的热耦合本构方程，并根据平面应力情况下热弹性材料力学特性基本原理，拟合确定其物性系数。通过微分求积方法（DQM）求解不同温度场下不同FGM构造形式模型的位移控制方程。结果表明：常温下，热耦合本构方程可以退化到胡克定律；经典热弹性理论与热弹性耦合理论下的碟片径向位移误差可达41.7%；热弹性耦合理论的结果随温度非线性变化，这种变化趋势也体现在大量科学实验中；碟片外表面温度变化、转速和所处的温度场显著地影响其热弹性场。
2019, 36(4): 1029-1035.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180626.002
摘要:
为有效分析夹芯梁结构性能，基于变分渐近法建立多尺度变分渐近模型。首先基于旋转张量分解概念建立三维夹芯梁几何非线性的能量方程；利用梁结构细长和非均质较小的特征，将三维夹芯梁结构各向异性、非均质问题严格分解为宏观层面的梁轴线的一维非线性分析和细观层面的单胞本构分析。基于最小势能原理，通过对单胞应变能泛函变分主导项最小化得到有效属性和波动函数解，代入梁的一维模型进行全局非线性响应分析。利用得到的全局响应、波动函数解重构局部场。由于变分特性，构建多尺度模型可以很容易通过有限元数值实现。通过三类夹芯梁结构算例表明：构建模型得到的全局位移和局部应力场与三维有限元具有很好的一致性，但计算成本和建模工作量明显减少，为结构设计人员在初始设计阶段对夹芯梁结构性能评估提供了一种简洁的途径。
为有效分析夹芯梁结构性能，基于变分渐近法建立多尺度变分渐近模型。首先基于旋转张量分解概念建立三维夹芯梁几何非线性的能量方程；利用梁结构细长和非均质较小的特征，将三维夹芯梁结构各向异性、非均质问题严格分解为宏观层面的梁轴线的一维非线性分析和细观层面的单胞本构分析。基于最小势能原理，通过对单胞应变能泛函变分主导项最小化得到有效属性和波动函数解，代入梁的一维模型进行全局非线性响应分析。利用得到的全局响应、波动函数解重构局部场。由于变分特性，构建多尺度模型可以很容易通过有限元数值实现。通过三类夹芯梁结构算例表明：构建模型得到的全局位移和局部应力场与三维有限元具有很好的一致性，但计算成本和建模工作量明显减少，为结构设计人员在初始设计阶段对夹芯梁结构性能评估提供了一种简洁的途径。
2019, 36(4): 1036-1044.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180613.001
摘要:
通过有限元软件ABAQUS对纤维增强聚合物基复合材料（FRP）增强重组竹梁受弯性能进行了分析，有限元模拟结果与试验结果相一致，两者荷载-位移曲线相吻合，跨中截面应变发展过程基本一致，70 kN荷载时，截面应变误差在13.96%内，承载力预测具有很好的精度，预测最大误差为9.04%，FRP的增强使竹梁截面的应力重新分布，受压区竹材得到更加充分的利用；进一步参数化分析了截面宽高比、FRP层数、FRP种类对FRP增强重组竹梁受弯性能的影响。发现：FRP层数的增加对重组竹梁极限承载力和截面刚度提升作用显著；相同层数、相同种类FRP增强重组竹梁时，截面高度减小，极限承载力和截面刚度提高幅度增加；相同截面宽高比和FRP层数时，碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）增强效果优于玄武岩纤维增强聚合物基复合材料（BFRP）增强效果。
通过有限元软件ABAQUS对纤维增强聚合物基复合材料（FRP）增强重组竹梁受弯性能进行了分析，有限元模拟结果与试验结果相一致，两者荷载-位移曲线相吻合，跨中截面应变发展过程基本一致，70 kN荷载时，截面应变误差在13.96%内，承载力预测具有很好的精度，预测最大误差为9.04%，FRP的增强使竹梁截面的应力重新分布，受压区竹材得到更加充分的利用；进一步参数化分析了截面宽高比、FRP层数、FRP种类对FRP增强重组竹梁受弯性能的影响。发现：FRP层数的增加对重组竹梁极限承载力和截面刚度提升作用显著；相同层数、相同种类FRP增强重组竹梁时，截面高度减小，极限承载力和截面刚度提高幅度增加；相同截面宽高比和FRP层数时，碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）增强效果优于玄武岩纤维增强聚合物基复合材料（BFRP）增强效果。
2019, 36(4): 1045-1051.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180530.002
摘要:
为揭示点阵材料在航空航天工程中的应用潜力，对承受面内压缩载荷点阵夹芯板的力学行为进行了研究。基于夹芯板整体欧拉失稳、剪切失稳、格间局部失稳、跨格局部失稳和应力破坏多种理论失效模式，引入面板厚度、厚度方向的点阵层数、点阵杆件长度、截面尺寸、倾斜度、胞元长细比等优化变量，推导了点阵夹芯板的最小质量优化设计方法。同时利用激光选取熔融（SLM）增材制造工艺生产了点阵夹芯板试验件。随后，采用有限元方法对试验结果进行了仿真分析，两者误差在10%以内，证实了数值方法的准确性。最终对初始设计和优化设计方案进行了数值分析，发现优化方案在保持相同承载力的条件下，实现结构减重16.6%，验证了优化设计方法的有效性。同时，试验与仿真的一致性有力地证明了增材制造工艺在点阵夹芯结构制造方面的可行性。
为揭示点阵材料在航空航天工程中的应用潜力，对承受面内压缩载荷点阵夹芯板的力学行为进行了研究。基于夹芯板整体欧拉失稳、剪切失稳、格间局部失稳、跨格局部失稳和应力破坏多种理论失效模式，引入面板厚度、厚度方向的点阵层数、点阵杆件长度、截面尺寸、倾斜度、胞元长细比等优化变量，推导了点阵夹芯板的最小质量优化设计方法。同时利用激光选取熔融（SLM）增材制造工艺生产了点阵夹芯板试验件。随后，采用有限元方法对试验结果进行了仿真分析，两者误差在10%以内，证实了数值方法的准确性。最终对初始设计和优化设计方案进行了数值分析，发现优化方案在保持相同承载力的条件下，实现结构减重16.6%，验证了优化设计方法的有效性。同时，试验与仿真的一致性有力地证明了增材制造工艺在点阵夹芯结构制造方面的可行性。
2019, 36(4): 1052-1061.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180626.004
摘要:
通过曲线纤维轨迹设计，变刚度复合材料回转壳将拥有比常刚度（直线纤维）回转壳更好的抗屈曲稳定性，为此，研究了复合载荷作用下曲线纤维铺层形式和几何参数对变刚度复合材料回转壳屈曲性能的影响规律。首先根据回转壳横截面圆弧变化改进曲线纤维角度线性描述方法，建立了变刚度复合材料回转壳的参数化有限元模型；其次，结合序列二次响应面方法和回转壳屈曲优化模型，搭建了复合材料回转壳曲线纤维轨迹优化的设计流程；最后，以准各向同性铺层复合材料回转壳为比较基准，对弯扭载荷作用变刚度圆柱壳和轴压、弯矩和扭矩分别作用变刚度椭圆柱壳在不同铺层方式、不同几何参数下的屈曲性能进行了优化比较。结果表明：弯扭载荷作用下，变刚度圆柱壳的屈曲性能随弯矩载荷占比增加而提高，且均好于准各向同性圆柱壳，但扭矩载荷占优时，优化常刚度圆柱壳的屈曲性能更具有优势；不同载荷作用下，具有较小截面方向比的变刚度椭圆柱壳屈曲性能要明显好于对应的准各向同性椭圆柱壳，且横截面越接近圆形，曲线纤维对椭圆柱壳屈曲性能的改善越弱。
通过曲线纤维轨迹设计，变刚度复合材料回转壳将拥有比常刚度（直线纤维）回转壳更好的抗屈曲稳定性，为此，研究了复合载荷作用下曲线纤维铺层形式和几何参数对变刚度复合材料回转壳屈曲性能的影响规律。首先根据回转壳横截面圆弧变化改进曲线纤维角度线性描述方法，建立了变刚度复合材料回转壳的参数化有限元模型；其次，结合序列二次响应面方法和回转壳屈曲优化模型，搭建了复合材料回转壳曲线纤维轨迹优化的设计流程；最后，以准各向同性铺层复合材料回转壳为比较基准，对弯扭载荷作用变刚度圆柱壳和轴压、弯矩和扭矩分别作用变刚度椭圆柱壳在不同铺层方式、不同几何参数下的屈曲性能进行了优化比较。结果表明：弯扭载荷作用下，变刚度圆柱壳的屈曲性能随弯矩载荷占比增加而提高，且均好于准各向同性圆柱壳，但扭矩载荷占优时，优化常刚度圆柱壳的屈曲性能更具有优势；不同载荷作用下，具有较小截面方向比的变刚度椭圆柱壳屈曲性能要明显好于对应的准各向同性椭圆柱壳，且横截面越接近圆形，曲线纤维对椭圆柱壳屈曲性能的改善越弱。
