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2020年  第37卷  第8期

TiO2-g-C3N4复合材料的制备及其在水泥石表面的应用
李燕, 孙宝, 王爱国, 高晗
2020, 37(8): 1981-1988. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191129.002
摘要:
以Ti(SO4)2和尿素为原料,采用均匀沉淀法及不同煅烧温度制备了TiO2-g-C3N4复合材料。利用XRD和SEM对g-C3N4和TiO2-g-C3N4复合材料的结构及形貌进行了表征,并以模拟太阳光为光源,甲基橙为目标降解物,对其光催化活性进行了研究。将高催化性能的TiO2-g-C3N4复合材料与水泥石表面结合制备了具有光催化性能的水泥石。结果表明:在300℃和400℃条件下煅烧制备的TiO2-g-C3N4复合材料具有牢固异质结,而在500℃条件下煅烧产生N掺杂的TiO2。其中400℃条件下煅烧所得TiO2-g-C3N4复合材料的光催化性能最好,模拟太阳光光照60 min降解率达到91%。通过拟合计算,发现400℃条件下TiO2-g-C3N4复合材料的光催化速率最快。与400℃ TiO2-g-C3N4复合材料结合的水泥石也具有较好的光催化降解性能,模拟太阳光光照240 min降解率可达到90%以上,TiO2-g-C3N4复合材料在400°C可以降低水泥石的初凝终凝时间,并提高其抗压强度。
纳米Si掺杂SiOx-Si@C@碳纳米管复合负极材料的制备及性能
李文超, 唐仁衡, 肖方明, 黄玲, 王英
2020, 37(8): 1989-1996. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191206.005
摘要:
在对氧化亚硅(SiO)材料进行表面碳包覆和添加导电材料的基础上,掺杂少量纳米Si进一步提高其首次充放电容量和首次库仑效率。采用XRD、SEM、TEM、Raman、FTIR分析材料的物相结构和微观形貌,通过恒流充放电测试仪分析复合材料的电化学性能。结果显示,纳米Si质量为SiOx质量10%的复合材料(SiOx-Si@C@碳纳米管(CNTs)-10)的首次充放电容量分别为1 348.1 mA•h/g和1 874.4 mA•h/g,首次库仑效率为71.9%,循环100周后材料的可逆容量为1 116.2 mA•h/g,容量保持率为82.8%;以不同电流密度充放电,其放电容量远远高于没有纳米Si掺杂的材料。SiOx-Si@C@CNTs复合材料具有较高的首次库伦效率、较好的循环性能和倍率性能。
纬编双轴向织物/环氧树脂电加热复合材料电热及层间剪切性能
戴海军, 李嘉禄, 孙颖, 刘梁森, 陈利
2020, 37(8): 1997-2004. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191129.001
摘要:
为开发一种可用于航空飞行器防/除冰防护的电加热复合材料,本文设计制备了三种纬编双轴向织物/环氧树脂复合材料,采用实验方法研究了纬编双轴向织物电阻丝排列密度对复合材料电热性能和层间剪切性能的影响。电加热复合材料上、下层均为玻璃纤维/环氧树脂预浸料,中间层为电加热纬编双轴向织物,织物衬经纱、捆绑纱和衬纬纱分别采用铜镍合金丝、涤纶和玻璃纤维。采用红外温度测试仪和材料万能试验机进行性能测试。结果表明:施加电压6 s后复合材料表面温度快速升高,在60 s左右温度达到最高平衡温度,复合材料表面最高平衡温度与施加电压成正比关系;当施加电压不变时,电阻丝排列密度越小,复合材料表面最高平衡温度越高;电阻丝排列密度越小,复合材料层间剪切强度越大。可见,纬编双轴向织物/环氧树脂电加热复合材料具有轻质高强、加热速率高、成型性好等特点,适合用于飞行器多个部位的防/除冰。
负泊松比三明治结构填充泡沫混凝土的面内压缩性能
周宏元, 贾昆程, 王小娟, 刘路
2020, 37(8): 2005-2014. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191207.001
摘要:
为改善负泊松比三明治结构的受压破坏模式且提高其缓冲吸能能力,提出一种填充泡沫混凝土的新型复合三明治结构。在负泊松比结构中填充不同密度(409 kg/m3、575 kg/m3、848 kg/m3、1 014 kg/m3)的泡沫混凝土得到负泊松比填充结构,并对无填充负泊松比结构、负泊松比填充结构和泡沫混凝土对照试块在准静态压缩下的破坏模式和吸能特性进行比较。根据荷载-位移关系和破坏模式得到以下结论:当填充物密度较小时,负泊松比填充结构能够将填充物的泊松比限制在较小的数值,胞元表现出内凹的变形模式,结构发生逐渐被压实的压缩破坏;当填充物密度较大时,结构发生“X”型剪切破坏,塑性铰区域和剪切带附近的胞壁发生断裂破坏;泡沫混凝土填充物的密度越大,填充结构的压实应变越小,吸收的能量越多,但当填充物密度超过一定值后,填充物密度的增加对负泊松比填充结构能量吸收能力的提升作用不再明显,结构的比吸能降低。
侵蚀环境下FRP条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压试验
李趁趁, 于爱民, 高丹盈, 张普
2020, 37(8): 2015-2028. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200212.005
摘要:
通过侵蚀环境下碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料条带和玻璃纤维增强聚合物(GFRP)复合材料条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱试验,分析了侵蚀环境对混凝土强度、纤维增强聚合物基复合材料加固锈蚀柱的极限荷载和荷载-轴向位移曲线的影响。结果表明,混凝土强度受冻融环境影响较大,受干湿环境影响较小;纤维增强聚合物(FRP)复合材料加固锈蚀柱的轴向极限荷载与冻融循环次数、钢筋锈蚀率及FRP复合材料种类有关,随冻融循环次数分别增加到25次、50次、75次,GFRP复合材料条带和CFRP复合材料条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱的轴向极限荷载分别降低了10.97%、13.37%、16.04%和5.95%、4.66%、4.33%;FRP复合材料加固锈蚀柱的刚度和耗能受侵蚀环境种类、侵蚀环境作用次数、锈蚀率及FRP复合材料种类的影响。在试验研究的基础上,通过理论分析侵蚀环境下混凝土强度损伤系数和锈蚀钢筋强度退化方程,提出了侵蚀环境下FRP复合材料条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压承载力计算方法。
改性凹凸棒土吸附剂去除水中的Cr(VI)
王家宏, 孙彤彤, 陈瑶
2020, 37(8): 2029-2035. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200103.001
摘要:
以凹凸棒土为载体,合成了乙二胺(EDA)改性凹凸棒土(ATP)吸附剂EDA/ATP复合材料。采用FTIR、TGA对吸附剂进行表征,同时将其应用于对水中Cr(VI)的吸附,研究了溶液初始浓度、吸附时间、溶液pH、Cl与PO43−阴离子浓度对吸附的影响。FTIR和TGA结果表明乙二胺已成功接枝到凹凸棒土表面。吸附实验表明,25℃时EDA/ATP复合材料对Cr(VI)的最大吸附容量为153.78 mg·g−1,吸附在800~900 min内达到平衡,吸附符合Freundlich吸附等温模型和拟二级动力学模型;在初始溶液pH为2~10条件下,随着pH的增加,吸附量先增加再降低,pH为3时,吸附量最大;Cl对吸附影响较小,PO43−对吸附的影响较大,当PO43−浓度达到20 mmol·L−1时,Cr(VI)最大吸附量下降了83 mg·g−1;实验表明EDA/ATP可作为一种潜在处理水中Cr(VI)的吸附剂。
基于矿物组分摩尔比的地质聚合物早期强度形成机制
顾功辉, 徐方, 周宇, 黄晓明, 李云凡
2020, 37(8): 2036-2044. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191206.004
摘要:
通过调控地质聚合物内部的矿物组分SiO2/Al2O3、CaO/Al2O3与Na2O/Al2O3等的摩尔比,采用XRD与SEM观察地质聚合物反应程度与CaSiO3水化反应程度的复合变化规律,探究了地质聚合物反应与CaSiO3水化反应的复合协同作用效果。进一步揭示了地质聚合物的早期强度形成机制。研究表明:地质聚合物反应产物中含有一定量的石英组分,其物理性质和化学性质均十分稳定,强度较高。CaSiO3水化反应产物以水化CaSiO3为主,其内部结构疏松。随着SiO2/Al2O3和CaO/Al2O3摩尔比的增加,地质聚合物反应程度先增加后减少,CaSiO3水化反应程度先增加后趋于稳定且大于地质聚合物反应程度。当SiO2/Al2O3摩尔比为3.8、CaO/Al2O3摩尔比为2.750时,地质聚合物反应与CaSiO3水化反应的复合协同效果最佳,此时地质聚合物内石英质量分数约为66wt%,水化CaSiO3质量分数约为24wt%,力学性能良好。
柔性可拉伸硅橡胶@多壁碳纳米管/硅橡胶可穿戴应变传感纤维
魏阿静, 李运涛, 马忠雷
2020, 37(8): 2045-2054. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200103.002
摘要:
基于核-壳结构设计,采用简便、低成本的浸涂-固化法制得柔性、可拉伸、高灵敏且稳定的聚二甲基硅氧烷硅橡胶@多壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷硅橡胶(PDMS@MWCNTs/PDMS)压阻式应变传感纤维。通过FTIR、XRD、TG、TEM对硅烷偶联剂改性多壁碳纳米管(MWCNTs-KH570)的化学结构、热稳定性和微观形貌进行了分析,深入研究了核-壳结构与MWCNTs-KH570质量分数对PDMS@MWCNTs/PDMS复合纤维导电性能、传感性能及力学性能的影响规律与机制。结果表明:羟基化MWCNTs(MWCNTs—OH)表面接枝KH570使其在壳层PDMS基体中具有良好的分散性和界面相互作用;核-壳结构的设计使PDMS@MWCNTs/PDMS复合纤维在低填充下具有高电导率和传感性能;PDMS@MWCNTs/PDMS复合纤维的导电性能与传感性能随着MWCNTs-KH570质量分数增加而提高,且在人体关节运动监测中表现出良好的可重复性和工作稳定性。
基于分数阶黏弹性模型的木塑复合材料蠕变/回复性能分析
梅生启, 唐广, 杨斌, 王元丰
2020, 37(8): 2055-2064. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191230.002
摘要:
木塑复合材料(WPC)是一种木质纤维增强聚合物的新型环保复合材料,为分析WPC在非恒定荷载下的变形行为,进行结构的长期变形设计,对WPC的蠕变/回复变形进行计算分析。采用叠加原理对比分析既有蠕变计算模型对WPC蠕变/回复的整体预测效果。结果表明,现有模型均不能良好预测其蠕变/回复行为。采用基于分数阶微积分的黏弹性模型对其蠕变/回复行为进行预测,提出一种双参数法的修正分数阶黏弹性模型。通过与已有实测数据对比表明,该模型能够准确反映WPC的静态黏弹性行为。结合实验数据,给出了不同WPC蠕变/回复模型的参数取值。
复合材料连续损伤力学模型在螺栓接头渐进失效预测中的应用
何柏灵, 葛东云
2020, 37(8): 2065-2075. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191030.004
摘要:
提出考虑层合板面内(纤维和基体失效)和层间失效的复合材料连续损伤力学模型,对螺栓接头的渐进失效行为进行预测。基于Tsai-Wu强度准则,发展可以判定复合材料面内和层间失效的强度准则。采用幂指数衰减材料退化模型模拟复合材料的损伤扩展过程。建立连续损伤力学模型用以研究0°铺层比例和螺栓直径对复合材料螺栓接头挤压性能的影响,预测结果与实验结果吻合。结果表明:0°铺层比例过高,接头发生剪切破坏,降低连接结构承载能力;增大螺栓直径,层合板损伤受到抑制,可提高复合材料螺栓接头的挤压强度。
综述
热塑性树脂基复合材料用碳纤维上浆剂研究进展
周典瑞, 高亮, 霍红宇, 张宝艳
2020, 37(8): 1785-1795. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200507.001
摘要:
与高性能热塑性树脂不匹配、耐热性偏低的传统上浆剂越发难以满足热塑性树脂基复合材料快速发展与应用的需求,开发面向热塑性树脂基复合材料的碳纤维上浆剂具有重要意义。本文对上浆剂的主要作用效果、上浆剂与增强材料和基体树脂间的相互作用、热塑性树脂基复合材料用碳纤维上浆剂的主要特点进行了概述;对聚酰胺、聚氨酯、聚芳醚、聚酰亚胺及其他类型上浆剂的研究进展进行了重点论述,结合各体系的性能特点和主要问题,梳理了不同热塑性树脂基复合材料用碳纤维上浆剂的改性途径及近年来在各大生产企业中的研发应用情况,分析和阐明了各自的作用机制与发展现状,对热塑性树脂基复合材料用碳纤维上浆剂的未来趋势进行了展望,并给出了发展建议。
高孔隙率三维结构木材构建功能复合材料的研究进展
杨蕊, 曹清华, 梅长彤, 洪枢, 徐真, 李建章
2020, 37(8): 1796-1804. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200324.001
摘要:
木材兼具生态友好性和再生性,是符合可持续发展的生态材料。通过选择性去除半纤维素和木质素,将木材制备成具备高孔隙率的三维结构木材,可充分发挥其孔隙率高、纤维排布有序、比表面积大等特点,同时保留木材本身生物相容性好、各向异性突出等优势,在柔性电子设备、污染治理、智能窗户、生物医学、锂电池和建筑材料等领域具有潜在发展潜力。本文总结了以柔性木材、透明木材、木材海绵、碳化木材、木材水凝胶和致密化木材为代表的功能性高孔隙率三维结构木材的形成机制及制备方法,指出了存在的问题,探讨其未来的研究发展方向,以期为新型木基功能材料的研究提供新思路。
聚甲基丙烯酰亚胺泡沫夹层结构全生命周期的关键技术研究进展
王凯, 贺强
2020, 37(8): 1805-1822. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200512.002
摘要:
聚甲基丙烯酰亚胺(Polymethylimide,PMI)泡沫夹层结构特有的性能优势使其广泛应用于航空航天领域。为推动PMI泡沫夹层结构的稳定化、系列化和高性能化,本文系统地综述了面向全生命周期的PMI泡沫夹层结构设计与制造技术的研究现状与发展趋势。首先,总结了PMI泡沫及其夹层结构的性能和应用现状,分析了PMI泡沫夹层结构的市场需求。然后,概述了面向全生命周期的PMI泡沫夹层结构关键技术现状,包括PMI泡沫研发、结构设计与分析、结构固化成型、维修及维护。最后,展望了PMI泡沫夹层结构的发展趋势,以期为该领域后续的研究工作提供参考。
树脂基复合材料
钢-聚丙烯纤维增强人造花岗岩复合材料的制备与性能
乔雪涛, 王朋, 闫存富, 许华威, 张力斌, 贾克, 杨泽, 吴隆
2020, 37(8): 1823-1831. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191206.006
摘要:
为深入研究钢-聚丙烯纤维增强人造花岗岩复合材料(钢-聚丙烯纤维/人造花岗岩)抗压、抗弯强度的影响因素,通过排水法实验研究了骨料堆积的空隙率,确定了骨料级配和实验指数q并对大量试件进行了抗压、抗弯强度测试,分析了钢-聚丙烯纤维/人造花岗岩复合材料各组分质量分数、骨料堆积空隙率等因素对钢-聚丙烯纤维/人造花岗岩复合材料抗压、抗弯强度的影响。实验结果表明:钢纤维与聚丙烯纤维能够明显增大钢-聚丙烯纤维/人造花岗岩复合材料的抗弯强度,随着钢-聚丙烯纤维质量分数的增加,钢-聚丙烯纤维/人造花岗岩复合材料试件的抗压和抗弯强度都逐渐增大;当钢纤维与聚丙烯纤维质量比为30∶1、钢-聚丙烯纤维质量分数为1.7wt%时,钢-聚丙烯纤维/人造花岗岩复合材料试件的抗压强度达到最大,当钢-聚丙烯纤维质量分数为1.9wt%时,钢-聚丙烯纤维/人造花岗岩试件的抗弯强度达到最大;黏结剂质量分数越接近骨料堆积空隙率,钢-聚丙烯纤维/人造花岗岩复合材料试件的抗压和抗弯强度越大,当骨料质量分数为80wt%、黏结剂质量分数为11wt%时,钢-聚丙烯纤维/人造花岗岩复合材料试件的抗压、抗弯强度同时达到最大。
SiO2或TiO2纳米粒子/含氟聚丙烯酸酯复合涂层的制备及其防腐蚀性能
梁晓蕾, 刘创华, 米欣, 朱伟东, 周强, 肖强
2020, 37(8): 1832-1840. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191206.003
摘要:
通过在含氟聚丙烯酸酯(PFHI)溶液中添加固体纳米粒子,经涂覆热固化后得到了厚度约为1 μm的SiO2或TiO2纳米粒子/PFHI复合涂层,考察了SiO2或TiO2两种纳米粒子质量分数对复合涂层表面性质和防腐蚀性能的影响。利用Tafel极化曲线和电化学交流阻抗(EIS)测试研究了复合涂层在3.5wt% NaCl溶液中的电化学防腐蚀性能,并运用XPS、衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)、TG-DTA、SEM、光学接触角(OCA)手段对复合涂层进行表征。结果表明,添加SiO2或TiO2纳米粒子均可大幅提高PFHI涂层的电化学防腐蚀性能,SiO2与PFHI质量比为0.3的SiO2/PFHI复合涂层电荷转移阻抗值Rct与PFHI涂层相比上升了2个数量级。SiO2或TiO2纳米粒子增大了涂层表面粗糙度,与PFHI紧密结合形成致密的复合涂层,提高了涂层的疏水性和致密性,从而改善了涂层的抗腐蚀性能。
超声强制浸润法制备碳纳米纸/聚合物导热复合材料
任兴国, 孙靖尧, 赵中里, 黄尧, 刘颖, 吴大鸣
2020, 37(8): 1841-1849. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200214.001
摘要:
为实现聚合物基导热复合材料的高效制备,提出了一种利用超声焊接设备实施的超声强制浸润方法。采用真空抽滤方法制备出由碳纳米管(Carbon nanotubes, CNTs)堆叠而成的碳纳米纸(Carbon nanopapers, CNPs), 将CNPs放置在未固化的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)中,利用超声焊接设备的高频率、高功率超声源进行震荡,凭借超声波的能量传递作用,使液态PDMS逐步浸润到CNPs中。在100℃加热30 min固化后,即得到兼具高柔性和优良导热性能的CNPs/PDMS复合材料。结果表明,相同振幅条件下,CNPs/PDMS复合材料的导热性能随超声处理时长的增加而先上升后下降,并在超声时长为1.9 s时达到最优,热导率达5.781 W/(m·K)。验证了超声强制浸润法高效的制备柔性导热复合材料的可行性。
泡沫铝填充碳纤维增强树脂复合材料薄壁管的压缩变形行为与吸能特性
杨旭东, 安涛, 冯晓琳, 邹田春, 纵荣荣
2020, 37(8): 1850-1860. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191206.002
摘要:
将填加造孔剂法制备的泡沫铝物理嵌入碳纤维增强树脂(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)复合材料薄壁管中,从而获得泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的复合结构。针对CFRP薄壁管、泡沫铝和泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管分别开展准静态压缩试验测试其压缩和吸能性能,并在压缩过程中采用数字图像相关技术(Digital image correlation,DIC)同步分析其变形模式;进一步研究在不同环境温度下(25~150℃)泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的压缩与吸能性能及失效模式。结果表明:泡沫铝作为填充芯材改变了CFRP复合材料薄壁管的压缩变形行为,由单一CFRP复合材料薄壁管的散射开花失效转变为泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的纤维层断裂失效。同CFRP复合材料薄壁管相比,泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的应力波动显著减小。随环境温度的升高,CFRP复合材料薄壁管、泡沫铝和泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的压缩与吸能性能均不断降低,但泡沫铝与CFRP复合材料薄壁管之间的交互作用增强,泡沫铝对CFRP复合材料薄壁管的增强作用在高温下表现更为显著。
碳纤维增强树脂复合材料细观蠕变性能
李云芳, 潘俊臣, 郎风超, 杨诗婷, 姜爱峰, 李继军
2020, 37(8): 1861-1867. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191118.001
摘要:
碳纤维增强树脂复合材料以其优异的性能,在各领域得到广泛应用。由于树脂基体具有黏弹性,使其合成的复合材料也表现出黏弹性行为。蠕变是材料黏弹性行为中最典型的一类现象,因此对碳纤维增强树脂复合材料细观蠕变性能的研究具有重要意义。室温下利用纳米压痕技术对碳纤维增强树脂复合材料中的基体、界面及纤维相在不同峰值载荷下的细观蠕变行为进行分析。结果表明:在相同的蠕变时间下,最大载荷为2 mN和10 mN的纤维蠕变位移约为基体蠕变位移的1/3和1/2,界面的蠕变位移介于两者之间;稳态蠕变阶段的蠕变速率小于0.1%;基体、界面、纤维的蠕变应力指数分别为3.6、2.9和2.1。同时根据Kelvin-Voigt模型得到了基体、界面及纤维的第一、第二复数模量、黏度系数及蠕变柔量。
考虑面内载荷的复合材料层合板冲击性能
王计真, 刘小川
2020, 37(8): 1868-1874. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191125.001
摘要:
考虑面内初始载荷作用,开展复合材料层合板高速冲击响应与损伤特性研究。设计一种面内拉伸/压缩/剪切初始载荷施加装置,结合气炮试验装置,提出一种初始载荷复合材料高速冲击试验方法,针对X850/IM+和M21C/IMA两种牌号复合材料层合板开展高速冲击试验。结果表明:面内初始载荷对复合材料层合板高速冲击响应和损伤特性有显著影响;相比无初始载荷冲击情况,面内拉伸载荷作用提高了结构抗弯刚度,使冲击剩余速度提高,穿透速度降低,分层损伤面积减小;而面内压缩载荷则反之。
Pickering乳液技术制备纤维素纳米纤丝-还原氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯电磁屏蔽复合材料
管宇鹏, 齐晓俊, 李帅, 贺莹莹, 刘红霞
2020, 37(8): 1875-1883. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191226.001
摘要:
利用纤维素纳米纤丝(CNF)和氧化石墨烯(GO)共稳定的含有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的Pickering乳液法,并经抽滤、还原、热压等工艺制备高性能的纤维素纳米纤丝-还原氧化石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯(CNF-rGO/PMMA)电磁屏蔽复合材料。通过调节油相中聚合物的质量浓度、水油体积比,从而调控GO在复合材料中的质量分数。研究GO还原方式、质量分数及热压过程对所制备的CNF-rGO/PMMA电磁屏蔽复合材料的形貌结构与性能的影响。CNF-rGO/PMMA电磁屏蔽复合材料中GO经水合肼处理后有效还原为rGO,热压工艺使包裹在PMMA颗粒外的CNF-rGO片层与PMMA颗粒紧密堆积并形成交联的三维导电网络从而具有优异的导电率,在X波段不同频率(8.2~12.4 GHz)下具有良好的电磁屏蔽效能及稳定性,电磁屏蔽效能可达20 dB以上,可用于民用电磁屏蔽材料。
服役低温老化对铝合金-玄武岩纤维增强树脂复合材料粘接接头力学性能的影响及失效预测
栾建泽, 那景新, 谭伟, 慕文龙, 秦国锋
2020, 37(8): 1884-1893. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191014.001
摘要:
为了给铝合金-玄武岩纤维增强树脂(BFRP)复合材料粘接结构在汽车工业中的应用提供参考和指导,加工了铝合金-BFRP复合材料粘接接头。结合汽车服役中的温度区间,选取−10℃和−40℃的低温老化环境,对接头进行0、10、20、30天的老化。对老化后的粘接接头进行准静态拉伸试验和剪切试验,得到不同老化时间下铝合金-BFRP粘接接头的准静态失效强度。结合DSC和FTIR分析低温老化对BFRP复合材料的影响,并对粘接接头的失效断面进行宏观分析和SEM分析。结果表明:在低温老化环境中,胶粘剂与BFRP复合材料的化学性质受低温老化作用影响不大,BFRP中的官能团与玻璃化转变温度(Tg)没有发生明显的变化,接头的失效强度和失效模式主要受胶粘剂与粘接基材的热应力影响。对于拉伸接头,随着低温老化时间的增加,BFRP复合材料纤维与树脂基体间的结合力降低,铝合金-BFRP复合材料接头的失效断面中纤维撕裂的比例逐渐减少,拉伸接头失效强度逐渐下降。老化后剪切接头仍为内聚失效,BFRP复合材料的低温老化对铝合金-BFRP复合材料剪切接头的失效强度几乎没有影响,剪切接头失效强度的下降主要是胶粘剂与粘接基材热膨胀系数不一致引起的热应力的影响。采用二次应力准则公式对−10℃和−40℃低温环境下,拉应力、剪应力值随老化时间的变化规律进行了拟合,在此失效准则的基础上,根据响应面原理,建立接头失效强度随老化时间变化的三维曲面,为粘接技术在车身结构中的工程应用提供参考。
蓝藻粉-青霉素菌渣/低密度聚乙烯复合材料配方的响应面法优化设计和验证
赵冰冰, 方艳, 武康, 汪家权
2020, 37(8): 1894-1903. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191206.001
摘要:
为了实现水华蓝藻和青霉素菌渣的资源化利用,并进一步提升蓝藻粉-青霉素菌渣/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料的力学性能,以菌渣与蓝藻粉共混物、LDPE为原料,通过响应面法优化实验方案,研究聚乙烯蜡(PE-wax)和白油、马来酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH)、三乙醇胺对蓝藻粉-青霉素菌渣/LDPE复合材料力学性能的影响。当蓝藻粉-菌渣共混粉末与LDPE的质量比为15.00%和85.00%时,响应面回归方程的方差分析结果表明,PE-g-MAH和三乙醇胺两因素间的交互作用显著,润滑剂与PE-g-MAH、润滑剂与三乙醇胺之间的交互作用不显著;回归方程预测的最佳工艺参数如下:润滑剂、PE-g-MAH、三乙醇胺的质量比分别为3.08%、4.33%和4.23%,此条件下蓝藻粉-青霉素菌渣/LDPE复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量分别为12.30 MPa、9.03 MPa和220.00 MPa,相较于未添加助剂时的蓝藻粉-青霉素菌渣/LDPE复合材料分别提高了10.81%、29.74%和34.97%。
热塑性颗粒-无机粒子协同增韧碳纤维增强环氧树脂复合材料
刘新, 陈铎, 何辉永, 孙涛, 武湛君
2020, 37(8): 1904-1910. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191113.006
摘要:
针对碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料层间断裂韧性进行研究,通过在CF/EP复合材料层间添加四种无机纳米粒子和三种热塑性颗粒对其进行II型层间断裂韧性(GIIC)研究,选择工艺性和增韧性效果好的两种无机纳米粒子和热塑性颗粒进行协同增韧研究。结果表明,CF/EP复合材料的GIIC在适当的无机纳米粒子含量下都得到提高,这主要是由于无机纳米粒子在层间形成了有效吸收断裂能的微结构,纳米羟基氧化铝(AlOOH)的工艺性及增韧性等综合性能最好,AlOOH质量分数为1wt%时,CF/EP复合材料的GIIC达到931 J/m2,提高了29.3%;热塑性颗粒中,改性聚芳醚酮颗粒(PAEK)的综合性能最好,添加10wt% PAEK,CF/EP复合材料的GIIC可以提高32%,这是由于预制在层间的热塑性颗粒随着基体流动而得到扩散,形成了独特的跨层间连续结构,从而使裂纹扩展的阻力增加,有效提高了CF/EP复合材料的GIIC;10wt%PAEK和1wt%AlOOH共同增韧CF/EP复合材料的GIIC达到1 368 J/m2,相对于未增韧的CF/EP复合材料提高了90%,增韧效果比PAEK和AlOOH对CF/EP复合材料的增韧效果之和大,这表明,PAEK和AlOOH同时加入CF/EP复合材料层间,对CF/EP复合材料具有协同增韧效应。
碳纤维增强银粉改性树脂复合材料的雷击损伤效应
李斌, 常飞, 肖尧, 李曙林, 孙晋茹
2020, 37(8): 1911-1920. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191118.002
摘要:
针对碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料中树脂电阻大,在雷电流作用下会产生大量焦耳热造成雷击损伤的短板,探索通过增强基体的导电性来解决这一问题。为实现对CFRP复合材料的改性,在其环氧树脂浆料中加入了以Ag粉为主的导电填料,使改性CFRP复合材料层合板沿厚度方向的电导率提高217.30倍。采用不同峰值的单一雷电流D分量分别对改性及未改性CFRP复合材料层合板试件进行雷击损伤实验,通过损伤区域超声C扫描图像、试件残余温度场和仿真热解损伤的对比,分析基体改性对CFRP复合材料雷击损伤的防护机制。结果表明:通过Ag粉改性能有效提高CFRP复合材料层合板的电导率,且在厚度方向上的改性效果最佳;在峰值电流分别为20 kA、40 kA和60 kA的条件下,改性CFRP复合材料层合板的损伤面积分别下降87.28%、77.82%和88.59%,损伤深度分别增加147.06%、130.65%和119.72%;以损伤体积为最终指标,则Ag粉改性基体能有效降低CFRP复合材料的雷击损伤,其防护机制是通过减少雷电流作用下的高温区域面积和升温幅度来降低热解和爆炸冲击实现。
基于经验模态分解和相关系数对玻璃纤维增强聚合物复合材料板的损伤识别及扫查成像
万陶磊, 常俊杰, 曾雪峰, 李媛媛
2020, 37(8): 1921-1931. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191031.003
摘要:
针对外界环境噪声等因素造成损伤因子不敏感,导致复合材料损伤识别困难和成像误差大等问题,提出了一种基于经验模态分解(Empirical mode decomposition, EMD)和相关系数的损伤因子。用空气耦合探头采集损伤前后的Lamb波信号进行EMD分解获取多个本征模态分量(Intrinsic mode function, IMF)。根据相关系数获取与信号相关性最大的IMF分量,并定义其能量值的相对变化为损伤因子。在模拟噪声环境前后,分别对玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)板中的分层缺陷进行识别和扫查成像,验证了该损伤因子的有效性。结果表明:信号经过EMD分解后,与其相关性最大的IMF分量对损伤最敏感,能够定义为识别损伤的损伤因子。将该损伤因子结合概率成像方法进行空耦Lamb波扫查,不仅能够有效对复合材料中的缺陷进行成像,而且在模拟强噪声环境中具有良好的抗噪性。
褶皱缺陷影响L型层合板失效行为:实验和数值研究
于晓东, 胡海晓, 贾欲明, 王敏, 曹东风
2020, 37(8): 1932-1943. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191022.001
摘要:
通过实验和数值分析相结合的方法开展了褶皱缺陷对L型复合材料层合板承载能力和失效过程影响的研究。实验方面,通过“横条法”人为引入褶皱缺陷,制备了含两种缺陷大小的L型层合板,研究了其在弯曲载荷作用下的承载能力和损伤扩展形式,并与无缺陷L型层合板进行对比分析。数值分析方面,基于3D Hashin失效准则的渐进损伤失效模型, 研究其失效过程中应力分布特征和失效模式,探求褶皱缺陷对L型层合板失效行为的影响机制。实验结果表明,褶皱缺陷会显著降低曲梁的承载能力,并使分层损伤演化的空间扩展特征从无褶皱试样的逐层扩展转变为褶皱区域的聚集式扩展。数值预测与实验现象吻合,并共同表明褶皱处横向应力和面法线应力的集中是导致结构提前失效的主导因素,且褶皱区域的应力集中改变了损伤过程中应力逐层重分配的趋势,导致含褶皱试样呈现出聚集式扩展的破坏特征。该工作可扩展应用于含褶皱缺陷L型层合板的安全性能评估及损伤容限设计。
金属和陶瓷基复合材料
FeOOH-Ni(OH)2复合材料的制备及其电催化析氧性能
涂言言, 赵子涵, 孙一强
2020, 37(8): 1944-1950. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190618.001
摘要:
以碳纤维布(CFC)为基底,通过两步法(恒电流电沉积法、溶剂热法)成功制备了FeOOH-Ni(OH)2复合材料。与FeOOH和Ni(OH)2相比,该FeOOH-Ni(OH)2复合材料作为电催化剂时,电催化析氧反应(OER)活性显著提高。在1 mol/L KOH电解质溶液中,达到10 mA·cm−2电流密度时所需要的过电位仅为270 mV,Tafel斜率为78 mV/dec,电化学阻抗谱进一步揭示了电解过程中良好的动力学特性。FeOOH-Ni(OH)2复合材料在碱性介质中具有优异的稳定性,其在高电流密度下(50 mA·cm−2)的过电势经过连续24 h的测试之后几乎没有发生明显变化。FeOOH和Ni(OH)2之间的强电子相互作用和协同效应有效提高了电导性,促进了电荷转移;此外,这种核壳结构有效增强了电催化活性面积,进而增强了其电催化析氧性能。
高定向石墨/铜复合材料的制备和热物理性能
曾凡坤, 马洪兵, 江南, 薛晨
2020, 37(8): 1951-1959. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191230.001
摘要:
为了制备出具有优良热物理性能的石墨/铜复合材料,采用流延法将天然鳞片石墨定向排列在铜箔表面,并使用真空热压法制备具有层状结构的高定向石墨/铜复合材料。使用XRD和SEM等表征方法分析样品的微观形貌和成分,结果表明,在高温的作用下,流延所使用的溶剂充分挥发,热压后石墨仍高定向排列在相邻的两层铜箔之间,并相互搭接;部分熔化的铜在压力作用下渗透到石墨层的孔隙处,铜层之间相互贯穿。这种结构使石墨/铜复合材料具有优良的热物理性能。当石墨体积分数为20vol%~70vol%时,石墨/铜复合材料在高导热平面内热导率高达402~743 W/(m·K),抗弯强度达到126~48 MPa。深入讨论了石墨/铜复合材料的热传导机制,并建立了导热预测模型。
SiCp/Al复合材料微弧氧化膜的组织结构及性能
杜春燕, 黄树涛, 于晓琳, 王全兆, 赵晖
2020, 37(8): 1960-1968. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191223.001
摘要:
采用微弧氧化技术对SiC体积分数分别为17vol%和55vol%的两种SiCp/Al复合材料进行处理。分析了两种材料微弧氧化膜的组织、形貌、相组成,测定了膜层的粗糙度、显微硬度、结合力,考察了膜层的耐磨和耐蚀性。结果表明:SiC的含量对SiCp/Al复合材料微弧氧化膜的表面形貌、粗糙度、相组成、结合力及摩擦磨损性能均有影响。17vol%SiCp/2009Al复合材料的微弧氧化膜较55vol%SiCp/6061Al复合材料更平整,微孔大小更均匀。55vol%SiCp/6061Al复合材料的微弧氧化膜的粗糙度(3.308 μm)比17vol%SiCp/2009Al复合材料(2.140 μm)大,表面熔融物堆积更多。两种材料的微弧氧化膜中均含有Al、Si、O、C、W等元素。55vol%SiCp/6061Al复合材料的微弧氧化膜中Mullite(SiO2-Al2O3)相、α-Al2O3相、β-Al2O3相较多。17vol%SiCp/2009Al复合材料的微弧氧化膜的结合(38.55 N)较55vol%SiCp/6061Al(11.5 N)复合材料好。55vol%SiCp/6061Al复合材料的微弧氧化膜摩擦系数较大,磨损较严重。微弧氧化处理能有效改善两种SiCp/Al复合材料的耐蚀性。
C/C-SiC缎纹编织复合材料孔隙缺陷的建模及其拉伸性能仿真
张兆杭, 崔少康, 谭志勇, 杨振宇, 卢子兴
2020, 37(8): 1969-1980. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191216.001
摘要:
主要研究了随机孔隙缺陷在C/C-SiC缎纹编织复合材料中的有限元建模方法及其对拉伸性能的影响。基于C/C-SiC缎纹编织复合材料的细观结构和实验观察所得的微观形貌,得出孔隙缺陷具有随机分布特征,提出了一种三维随机碰撞算法模拟孔隙在复合材料中的分布,建立了含随机孔隙缺陷的C/C-SiC缎纹编织复合材料的有限元模型。采用有限元软件ABAQUS模拟了其在拉伸载荷下的力学行为,讨论了孔隙缺陷的尺寸和分布形式对材料拉伸性能的影响,并对试样进行了单轴拉伸实验测试,验证了数值模拟的有效性。结果表明,用本文方法建立的有限元模型符合含孔隙缺陷C/C-SiC缎纹编织复合材料的真实细观结构,相应的数值模拟结果也与试验数据吻合较好。本文的研究结果为含孔隙缺陷的缎纹编织复合材料及具有相似结构特征的复合材料的力学分析与优化设计提供了一种有效的方法。