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2015年  第32卷  第3期

复合材料多尺度分析方法与典型元件拉伸损伤模拟
杨强, 解维华, 孟松鹤, 杜善义, 李勇霞
2015, 32(3): 617-624. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150128.002
摘要:
复合材料具有多尺度特性, 多尺度模拟方法能够考虑细观损伤、演变对宏观材料性能和力学行为的影响, 是复合材料响应分析的一种重要方法和手段。基于多尺度渐进展开理论, 对复合材料弹性问题控制方程进行尺度分解, 推导了细观尺度与宏观尺度的控制方程, 建立了复合材料宏观和细观尺度响应之间的关联。基于协同多尺度计算策略, 利用通用有限元软件的用户子程序与脚本二次开发, 在宏观模型计算中实时调用细观模型进行多尺度渐进损伤模拟, 实现了宏观和细观尺度的信息传递与反馈。建立的复合材料多尺度数值模拟方法可以快速集成细观损伤模型以及宏观唯象强度理论, 具有良好的通用性。碳/碳复合材料拉伸模拟算例结果与试验结果吻合较好。
MWCNTs表面改性剑麻纤维及其环氧树脂基复合材料传感器的制备及性能
黄怀国
2015, 32(3): 625-631. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201503.001
摘要:
通过引入多功能化纳米颗粒从而赋予天然纤维增强高分子复合材料多功能性,使其具有传感性能,可原位感应外界环境变化。但制备多功能纳米复合材料通常需预先将纳米颗粒均匀分散在基体中,造成基体粘度大,难以工程化应用,同时需使用较大添加量才能达到渗透阈值。采用"染布法"以多壁碳纳米管(MWCNTs)悬浮液为"染料"对剑麻纤维(SF)表面进行改性, 制备了多功能的剑麻纤维(MWCNTs-SF)及其环氧树脂基复合材料(MWCNTs-SF/EP)传感器。改性后剑麻纤维表面形成了一层连续的MWCNTs涂层。MWCNTs-SF的伏安特性曲线显示MWCNTs-MWCNTs和MWCNTs-电极之间形成了欧姆接触。MWCNTs-SF及MWCNTs-SF/EP均为负温度系数热敏电阻。在外界应力-应变的作用下, MWCNTs-SF及MWCNTs-SF/EP的电阻起初没有明显的变化, 然后随应变线性增加, 接着与应变成指数关系。MWCNTs-SF及MWCNTs-SF/EP对温度与应力-应变的响应特性不同是由于复合材料成型过程中的MWCNTs网络结构发生了变化。同时, 随着MWCNTs改性次数增加, 剑麻纤维布增强环氧树脂基复合材料的拉伸强度逐渐从37.6 MPa增大到46.7 MPa, 弹性模量也相应增大。
壳聚糖/纤维素生物质发泡复合材料多孔结构的表征
吕芳兵, 张传杰, 王潮霞, 朱平
2015, 32(3): 632-639. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140725.002
摘要:
以壳聚糖微粒为增强体, 离子液体为纤维素溶剂, 采用冷冻干燥法成功制备了壳聚糖/纤维素生物质发泡复合材料。利用SEM、XRD和TGA表征多孔复合材料微观结构、结晶性能以及热稳定性, 测试了其孔隙率和吸水性能。实验结果表明:壳聚糖/纤维素多孔复合材料具有三维相互贯通的微孔结构, 壳聚糖粉体有助于孔洞结构的形成, TGA结果显示纤维素多孔材料的热稳定性能得以提高。XRD结果显示纤维素经离子液体溶解再生后晶型结构由纤维素I转化为纤维素II。纤维素含量较低(≤4wt%)时, 随1wt%壳聚糖粉体的加入, 孔隙率明显提高。壳聚糖/纤维素多孔复合材料的力学性能随纤维素含量的增加而不断提高, 而吸水性能有所下降。壳聚糖与纤维素质量比为1:3时, 壳聚糖/纤维素多孔复合材料孔隙率为72.7%, 吸水率和相对保湿率分别为28.0 g/g 和17.6 g/g, 断裂强度和断裂伸长率分别为0.32 MPa和25.4%, 能够作为一种优良的吸附材料用于制备高性能的医用敷料。
不同官能化碳纳米管对MWCNTs-碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响
郑国栋, 张清杰, 邓火英, 蒋文革, 杨小平, 隋刚
2015, 32(3): 640-648. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150601.001
摘要:
为研究加入不同官能化碳纳米管对环氧树脂力学性能的影响, 通过对羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs-COOH)进行化学处理, 得到表面接枝乙二胺的碳纳米管(MWCNTs-EDA)。分别将MWCNTs-COOH和MWCNTs-EDA分散在环氧树脂中, 通过热熔法制备环氧树脂中含有碳纳米管的T700碳纤维预浸料, 并热压成准各向同性复合材料层合板。结果表明: MWCNTs-EDA在环氧树脂中的分散性优于MWCNTs-COOH, MWCNTs-EDA本身具有固化反应活性, 加入后对基体的交联密度影响较小。与MWCNTs-COOH相比, MWCNTs-EDA可以有效改善环氧树脂及碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能。当MWCNTs-EDA含量为1.0wt%时, MWCNTs-碳纤维/环氧树脂准各向同性复合材料层合板的压缩性能、弯曲性能和冲击后压缩强度分别提高了14.7%、40.9%和20.6%。
无卤阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物泡沫复合材料的制备及性能表征
陈志杰, 郑玉婴, 张延兵, 刘先斌, 尚鹏博, 樊志敏
2015, 32(3): 649-656. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140702.003
摘要:
为使得乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)泡沫复合材料具有阻燃功能, 分别添加膨胀石墨-聚磷酸铵(EG-APP)和膨胀石墨-聚磷酸铵-热塑性淀粉(EG-APP-TPS)两种不同复配阻燃剂, 通过熔融共混和硫化发泡制备了无卤阻燃EVA泡沫复合材料。采用极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)、热分析质谱联用(TG-MASS)及扫描电镜(SEM)测试等对EG-APP/EVA及EG-APP-TPS/EVA泡沫复合材料进行表征。结果表明: EG-APP复配阻燃剂添加量为30wt%、EG与APP质量比为1:4时, EG-APP/EVA泡沫复合材料的LOI达28.1%, UL-94为V-1级; 而当EG-APP-TPS复配阻燃剂添加量同为30wt%, EG、APP与TPS质量比为1:4:1时, EG-APP-TPS/EVA泡沫复合材料的LOI可达29.3%, UL-94为V-0级。TG-MASS和SEM分析表明: EG、APP和TPS在气相和固相中均具有显著的协同阻燃作用。
木质素磺酸铵对聚乳酸/木纤维可生物降解复合材料力学与热性能的影响
胡建鹏, 郭明辉
2015, 32(3): 657-664. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140718.001
摘要:
为探讨生物质资源改善复合材料的界面及综合性能的可行性, 以木纤维(WF)为基体, 聚乳酸(PLA)为增强体, 添加氧化改性木质素磺酸铵(OMAL), 采用高速混合-平板热压工艺制备环境友好型OMAL-PLA/WF复合材料。研究了OMAL对OMAL-PLA/WF复合材料力学和热性能的影响。结果表明:在WF与PLA质量比为7:3的复合体系中, OMAL对提高OMAL-PLA/WF复合材料的静曲强度、弹性模量以及内结合强度具有促进作用。OMAL添加量为15wt%~20wt%时, OMAL-PLA/WF复合材料的力学性能最好; 当OMAL添加量为20wt%时, 与PLA/WF对照样相比, OMAL-PLA/WF复合材料的热分解起始温度降低45 ℃, 热分解速率特征峰温度提前107 ℃, 残渣量增加5.3%, 玻璃化转变温度、冷结晶温度和熔融温度均向低温方向移动, 储能模量和损耗角正切值增大, 玻璃态阶段的热稳定温度范围提高约20 ℃。
超临界氧化铝/聚醚砜-BMI-BBA-BBE复合材料的微观结构与耐热性
陈宇飞, 代起望, 滕成君, 谭 琰, 张清宇
2015, 32(3): 665-672. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140721.003
摘要:
利用超临界乙醇修饰纳米Al2O3, 得SCE-Al2O3, 使其表面沉积活性基团; 以4, 4'-二氨基二苯甲烷双马来酰亚胺(BMI)为基体、3, 3'-二烯丙基双酚A(BBA)和双酚A双烯丙基醚(BBE)为活性稀释剂、聚醚砜(PES)为增韧剂、SCE-Al2O3为改性剂, 通过原位聚合法合成了SCE-Al2O3/PES-BMI-BBA-BBE复合材料。采用SEM和FTIR观察分析了SCE-Al2O3纳米粒子和PES的增韧机制。结果表明: SCE-Al2O3纳米粒子处理时间不宜过长, 5 min为宜; FTIR显示在3 457 cm-1附近的—OH吸收峰增强, 说明粒子表面沉积了活性基团—OH; PES与BMI-BBA-BBE呈现两相结构, PES树脂以"蜂窝"状均匀分散在聚合物基体BMI-BBA-BBE中, PES用量增加会使其粒子尺寸增大, 适宜用量为5wt%。 SCE-Al2O3/PES-BMI-BBA-BBE复合材料的耐热性能测试结果显示: PES树脂会使材料的热分解温度降低, 但SCE - Al2O3会提高材料的耐热性能, 4wt% SCE-Al2O3/PES-BMI-BBA-BBE的热分解温度为444.41 ℃, 较基体树脂提高了20.52 ℃, 600 ℃时残重率为47.64%, 提高了7.09%。
氧化石墨烯/聚氨酯杂化膜的原位聚合构建及气体渗透性
赵丽, 陈雨霏, 王挺, 吴礼光
2015, 32(3): 673-682. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140721.005
摘要:
采用Hummers法制备了3种不同氧化程度的氧化石墨烯(GO), 通过聚氨酯(PU)单体(4, 4'-二异氰酸苯酯(MDI)和1, 4-丁二醇(BDO))与GO的原位聚合构建了GO/PU杂化膜。利用XRD、Raman、FTIR和TEM等表征了GO的结构; 探讨了GO填充量对GO/PU杂化膜的形貌和CO2、N2渗透性的影响。结果表明:3种不同氧化程度的GO均呈完全剥离状态, 为半透明片状结构; 随着氧化程度的增加, 拉曼D峰与G峰的相对强度比分别为0.947、1.103和1.245; GO的氧化程度对GO在溶剂和杂化膜中的分散性有较大影响, 氧化程度越高, 分散性越好。GO/PU杂化膜的CO2、N2渗透系数及CO2/N2渗透选择因子均随GO填充量的增加先增大后减小; 当中等氧化程度的GO(M-GO)与(MDI+BDO)的质量比为1.0%时, M-GO/PU杂化膜的CO2渗透系数为63.6×10-13 cm3(STP)/(cm·Pa·s), 其中STP表示标准温度及压力, CO2/N2渗透选择因子可达48.5; 填充适量的GO能显著提高GO/PU杂化膜的CO2渗透性及CO2/N2渗透选择性。
碱处理对竹纤维及竹纤维增强聚丙烯复合材料性能的影响
王春红, 刘胜凯
2015, 32(3): 683-690. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141105.003
摘要:
为探究竹纤维表面能对纤维与树脂的粘附功及复合材料界面的影响, 采用碱处理对竹纤维进行表面改性, 通过模压工艺制备了竹纤维增强聚丙烯(PP)复合材料。研究了碱处理对竹纤维性能、竹纤维与PP间的粘附功及对竹纤维/PP复合材料力学性能的影响, 采用SEM研究了不同浓度碱处理后竹纤维表面形貌的变化。结果表明: 随着碱浓度的增加, 竹纤维断裂强度呈现一定波动, 当碱浓度为1wt%时竹纤维断裂强度达到最大值; 竹纤维与PP的粘附功与竹纤维极性比密切相关, 竹纤维极性比越小, 粘附功越大; 随着碱浓度增大, 竹纤维与PP间粘附功与竹纤维/PP复合材料剪切性能呈现相同的趋势, 并且都在碱浓度为20wt%时达到最大值, 此时竹纤维与PP的粘附功较未处理时提高了67.18%; 竹纤维/PP复合材料剪切性能较未处理时提高了23.29%; 复合材料弯曲强度在碱浓度为5wt%时达到最大值, 相比未处理时提高了23.13%。
玻璃纤维表面纳米SiO2改性对GF/PCBT复合材料力学性能的影响
杨斌, 章继峰, 梁文彦, 周利民
2015, 32(3): 691-698. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140611.002
摘要:
为研究玻璃纤维(GF)表面纳米SiO2改性对GF增强树脂基复合材料力学性能的影响, 利用真空辅助模压(VAMP)工艺制备了不同含量的纳米SiO2表面改性GF增强聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)复合材料。分析了GF表面改性对GF/PCBT复合材料力学性能的影响, 研究了纤维表面改性对GF/PCBT复合材料抗湿热老化性能的影响规律。纤维拔出试验结果表明: 经表面处理的GF/PCBT复合材料的界面剪切强度提高了1.16倍; 采用含量为0.5wt%和2wt%(与树脂质量比)的纳米SiO2处理GF表面后, 复合材料的三点弯曲强度分别提高1.5倍和1.67倍, 弯曲模量分别提高1.03倍和1.17倍。SEM结果显示: 当纳米SiO2用量为2wt%时, 破坏后的纤维表面被树脂完全覆盖, 树脂与纤维粘结良好。在湿热条件下, 由于纳米SiO2颗粒的存在, 水分子很难通过界面相扩散到改性后的材料内部, 其抗湿热性能提高。
多巴胺改性BaTiO3对BaTiO3/PVDF复合材料击穿场强的影响
冯晓军, 刘晓林, 赵坤, 陈建峰
2015, 32(3): 699-704. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141021.003
摘要:
为了提高BaTiO3/PVDF复合材料的击穿场强。首先, 利用多巴胺对BaTiO3进行表面功能化处理, 得到多巴胺改性的BaTiO3(Dopa@BaTiO3); 然后, 将其与聚偏氟乙烯(PVDF)混合, 采用液相浇铸法制得Dopa@BaTiO3/PVDF复合材料; 最后, 测量了不同Dopa@BaTiO3添加量的Dopa@BaTiO3/PVDF复合材料的击穿场强和介电性能。结果表明:与改性前的BaTiO3/PVDF复合材料相比, Dopa@BaTiO3/PVDF复合材料在击穿场强显著提高的同时, 介电常数基本保持不变; 当Dopa@BaTiO3添加量为3vol%时, 击穿场强为210 kV/mm, 比改性前的复合材料的提高了78%; 当Dopa@BaTiO3添加量为10vol%时, 击穿场强为180 kV/mm, 比改性前的合材料的提高了88%。研究解决了BaTiO3/PVDF复合材料击穿场强较低的问题, 可为同时提高复合材料的介电常数和击穿场强提供参考。
功能氧化石墨烯/热塑性聚氨酯复合材料薄膜的制备及阻隔性能
樊志敏, 郑玉婴, 刘先斌, 尚鹏博, 汪晓莉, 陈志杰,
2015, 32(3): 705-711. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140725.003
摘要:
为了提高热塑性聚氨酯(TPU)的阻隔性能, 首先, 采用溶液成型的方法在涂膜机上制备了功能氧化石墨烯(IP-GO)/TPU复合材料薄膜。然后, 利用FTIR、XPS、XRD、FE-SEM、原子力显微镜和氧气透过仪对IP-GO/TPU复合材料的形貌和性能进行了表征。结果表明:IP-GO层间距相对原始鳞片石墨的增加了0.696 nm, 片层的厚度为1.2 nm左右。IP-GO以褶皱层状的形式均匀分散在TPU基体中, 并且包覆在复合材料薄膜断口表面。当IP-GO含量为3wt%时, IP-GO/TPU复合材料薄膜的氧气透过率为84.325 cm3/(m2·d·Pa), 相比纯TPU薄膜的280.973 cm3/(m2·d·Pa)下降了70%, 阻隔性能明显提高。研究解决了TPU薄膜阻隔性能不佳的问题, 为高阻隔聚合物的制备提供了一种思路和方法。
MCA-MMT的制备及其对玻璃纤维增强聚丙烯复合材料阻燃性能的影响
李恺丹, 许家友, 刘杰
2015, 32(3): 712-720. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201503.005
摘要:
为了提高玻璃纤维(GF)增强聚丙烯(PP)复合材料(GF/PP)的阻燃性能,通过在蒙脱土(MMT)悬浮液中进行三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)分子自组装制备了新型协效成炭剂MCA-MMT,并采用FTIR、XRD、SEM和TGA对MCA-MMT的结构及热性能进行了表征;将MCA-MMT、无卤膨胀型阻燃剂与GF/PP熔融共混制备了阻燃复合材料MCA-MMT/(GF/PP),通过极限氧指数(LOI)测试、垂直燃烧试验和锥形量热测试研究了MCA-MMT对GF/PP的阻燃效果和阻燃机制,并测试了复合材料的力学性能。结果表明:MMT的加入会影响氰尿酸和三聚氰胺在MCA合成过程中的氢键作用,干扰和抑制大平面氢键网络的形成,减少MCA氢键复合体的分子体积,使颗粒变小。MCA-MMT/(GF/PP)的UL-94防火等级达到V-0级,LOI为31.3%。MCA-MMT的阻燃效率高于传统MCA的,可降低材料燃烧的热释放程度和总烟释放量,使复合材料的阻燃性能提高,其阻燃机制为片层结构的MMT可提高MCA的成炭量,使MCA-MMT/(GF/PP)燃烧后能形成致密的残留炭层。MCA-MMT/(GF/PP)的拉伸、冲击强度与MCA/(GF/PP)的相比并未下降。
等离子体处理碳纤维/树脂复合材料
倪新亮, 金凡亚, 沈丽如, 童洪辉
2015, 32(3): 721-727. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201503.006
摘要:
为了提高碳纤维/树脂复合材料的表面浸润性,采用等离子体直接对复合材料进行表面处理, 通过接触角测试、拉伸试验、金相显微分析和红外光谱分析, 探究了等离子体处理碳纤维/树脂复合材料的最佳处理工艺、处理前后碳纤维/树脂复合材料的力学性能和表面官能团的变化。结果显示:电流、气压和处理时间均对碳纤维/树脂复合材料表面浸润性有明显影响, 当电流为1.0 A、气压为1.0 Pa、处理时间为10min时, 表面浸润性最佳;处理后碳纤维/树脂复合材料的拉伸强度没有减小, 反而提高了8%。红外光谱分析显示处理后碳纤维/树脂复合材料表面酯基链发生断裂, 酯基数量降低, 相应形成更多的酮基、羧基和醇羟基, 表面极性增强, 浸润性显著提高。研究解决了碳纤维/树脂复合材料表面呈惰性的问题, 为其表面功能涂层制备奠定了基础。
环氧树脂包覆聚磷酸铵微胶囊的制备及其对聚丙烯的阻燃效果
刘成娟, 陈葵, 纪利俊, 朱家文
2015, 32(3): 728-736. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201503.007
摘要:
为了探究环氧树脂包覆聚磷酸(EP@APP)微胶囊对聚丙烯(PP)的阻燃效果, 首先, 采用原位聚合法以EP为外壳包覆APP, 制备了EP@APP微胶囊, 并将其与PP进行复合, 制备了EP@APP/PP复合材料。然后, 测试了EP@APP微胶囊的溶解性, 探讨了工艺参数对溶解性的影响; 考察了EP@APP微胶囊的耐水性, 并借助红外光谱分析了EP@APP微胶囊的表面官能团。最后, 测试了PP复合材料的极限氧指数、拉伸强度和热重曲线, 并分析了PP复合材料的热分解动力学。结果表明:当EP的加入量为APP的10wt%、固化剂加入量为EP加入量的15wt%时, 采用先于40 ℃下维持1 h、再于70 ℃下维持1 h的阶跃升温方法可制备包覆完全的EP@APP微胶囊; 该种微胶囊在水中溶解度低, 且具有良好的耐水性。在PP中添加EP@APP微胶囊后, PP复合材料的极限氧指数为35.5%, 达到V-0燃烧等级, 燃烧后的残炭量增多, 成炭效果明显优于直接添加APP的PP复合材料。与APP相比, EP@APP微胶囊对PP拉伸强度的破坏程度明显降低。EP@APP微胶囊的加入使PP复合材料的表观活化能由100.8 kJ/mol提高到127.5 kJ/mol, 改变了PP复合材料的热降解氧化过程, 且生成的残炭形成了稳定的保护炭层。研究结果表明EP@APP微胶囊可有效提高PP复合材料的阻燃性能。
SiO2-MWNTs/聚乳酸复合材料的冷结晶动力学及球晶形态
石坚, 卢秀萍, 李红月, 李东泽
2015, 32(3): 737-743. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201503.004
摘要:
为研究多壁碳纳米管(MWNTs)对聚乳酸(PLA)冷结晶动力学和球晶形态的影响, 分别以PLA和表面包覆纳米SiO2并接枝硅烷偶联剂的纳米SiO2改性MWNTs(SiO2-MWNTs)为基体和改性剂, 经溶液共混法制备了SiO2-MWNTs/PLA复合材料。采用DSC、偏光显微镜、Jeziorny模型和Johnson-Mehl-Avrami模型研究了复合材料的非等温冷结晶动力学和球晶形态。结果表明:SiO2-MWNTs可作为异相成核剂, 能有效降低SiO2-MWNTs/PLA复合材料的冷结晶温度, 提高晶核生成速率和晶体生长活化能。SiO2-MWNTs/PLA复合材料的冷结晶过程主要由成核作用控制, 加入SiO2-MWNTs可同时提高复合材料的结晶速率和结晶度。冷结晶时, PLA球晶尺寸小于熔体冷却结晶时的, 且SiO2-MWNTs含量对冷结晶球晶尺寸的影响远小于其对熔体冷却结晶球晶尺寸的。所得结论对优化PLA的结晶结构和性能、制备高性能PLA复合材料具有指导意义。
石墨/酚醛树脂复合材料双极板的制备与性能
陈惠, 刘洪波, 夏笑虹, 杨丽, 何月德
2015, 32(3): 744-755. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201503.008
摘要:
双极板是质子交换膜燃料电池的重要组成部分, 石墨与聚合物的复合材料双极板是目前研究的重要方向。采用模压热固化二步法, 以酚醛树脂为粘结剂、天然鳞片石墨为导电骨料、炭黑为添加剂制备了质子交换膜燃料电池用复合材料双极板。系统研究了不同种类石墨对石墨/酚醛树脂复合材料电性能和抗弯强度的影响。结果表明: 以天然鳞片石墨为导电原料时, 所制备的石墨/酚醛树脂双极板的性能最好; 添加导电炭黑能有效提高石墨/酚醛树脂复合材料的电导率; 在复合材料制备中加入4wt%的碳纤维, 碳纤维-石墨/酚醛树脂复合材料的抗弯强度提高了29%; 碳纤维表面液相氧化处理能有效提高纤维与基体间的结合强度, 随着处理时间的延长与处理温度的升高, 碳纤维-石墨/酚醛树脂复合材料的电导率和抗弯强度都有很大程度的提高; 最终固化温度主要影响酚醛树脂的交联程度, 随着最终固化温度的升高, 酚醛树脂的交联程度增加, 电导率增大, 但抗弯强度有一定程度减小。
炭黑/聚丙烯-聚(苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯)复合材料的介电性能和压阻性能
施昌勇, 游峰, 王东瑞, 李欣欣, 党智敏
2015, 32(3): 756-761. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140402.002
摘要:
为了制备柔性较好的聚合物基压阻材料, 利用熔融共混法制备了炭黑/聚丙烯-聚(苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯) (CB/PP-SEBS)复合材料, 并研究了CB含量对CB/PP-SEBS复合材料介电性能和压阻性能的影响。结果表明:随着CB含量的增加, CB/PP-SEBS复合材料的介电常数、介电损耗及电导率均提高; CB/PP-SEBS复合材料发生导电逾渗时, CB的含量为12.2wt%; 在CB/PP-SEBS复合材料发生弹性形变时, 由于外力破坏了CB的导电网络, 复合材料的电阻随着应变的增大而增大; 循环压阻测试结果显示, 在弹性变形区CB/PP-SEBS复合材料的电阻随着应变呈现周期性变化。研究结果可为制备具有稳定电阻变化的聚合物基压阻材料提供借鉴。
TiC0.7N0.3增强ZrO2基复合材料的微观结构及力学性能
张梦雯, 韩成玮, 修稚萌, 孙旭东
2015, 32(3): 762-768. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140917.003
摘要:
为提高ZrO2基复合材料硬度, 采用热压烧结法制备了TiC0.7N0.3/ZrO2复合材料, 并研究了TiC0.7N0.3颗粒增强相对复合材料的物相组成、微观结构和力学性能的影响。结果表明:TiC0.7N0.3的添加具有稳定四方相ZrO2(t-ZrO2)的作用, 能增加TiC0.7N0.3/ZrO2复合材料中t-ZrO2的含量, 提高断裂韧性。随着热压烧结温度的升高和TiC0.7N0.3含量的增加, 复合材料的硬度升高。1 400 ℃下热压烧结时, TiC0.7N0.3发生部分分解, 分解的N与被还原的ZrO2反应生成ZrN, 提高了复合材料的硬度。1 400 ℃下热压烧结后的35wt% TiC0.7N0.3/ZrO2复合材料的相对密度达99.9%, 维氏硬度达17 GPa。而1 300 ℃下热压烧结后, 复合材料断裂韧性较高, 为6.48 MPa·m1/2。研究结果为TiC0.7N0.3/ZrO2复合材料的组织控制及性能改进提供了参考。
微波强化掺Al-TiO2改性膨润土的制备及其结构表征
吴光锋, 聂锦旭, 陈仕稳, 谢伟楠, 骆科枢
2015, 32(3): 769-775. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141118.006
摘要:
为制备一种新型水处理吸附剂复合材料, 在微波作用下, 采用掺Al-TiO2作为改性剂制备改性膨润土, 考察了最佳微波辐射条件, 利用EDS、SEM、FTIR、XRD、N2吸附-脱附和差热热重(DSC-TGA)等手段对样品进行表征。结果表明: 辐射功率260 W, 辐射时间8 min为最佳微波辐射条件; 改性膨润土中的改性剂已进入到膨润土层间, 与蒙脱石骨架发生成键反应, 形成Ti—O—Si键; 改性膨润土的层间距由1.280 nm增大至1.533 nm, 比表面积由39.66 m2·g-1增大至72.05 m2·g-1, 孔隙体积由0.103 4 cm3·g-1增大至0.140 5 cm3·g-1, 对亚甲基蓝的饱和吸附量也由32.56 g/100 g增大至57.96 g/100 g, 且热稳定性较改性前明显提高。
ZrO2增韧Al2O3陶瓷的力学性能和增韧机制
任会兰, 龙波, 宁建国, 褚亮
2015, 32(3): 776-781. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140620.001
摘要:
对通过热压烧结法制备的3种陶瓷99.5vol% Al2O3(AD995)、ZrO2(15vol%)/Al2O3和ZrO2(25vol%)/Al2O3的力学性能和增韧机制进行了实验和理论研究。基于复合材料细观力学理论并考虑ZrO2的相变特性, 建立了描述ZrO2/Al2O3陶瓷力学性能的本构模型。结果表明:ZrO2的加入细化了基体Al2O3晶粒, ZrO2/Al2O3陶瓷的致密性得到提高; 3种陶瓷试件的破坏呈现小变形到脆性破坏的特点, 压缩加载下试件应力-应变曲线近似为线性关系; AD995陶瓷的断裂韧性为5.65 MPa·m1/2, ZrO2(25vol%)/Al2O3陶瓷的断裂韧性为8.42 MPa·m1/2, 提高了近50%; 随ZrO2增韧相含量的增加, ZrO2/Al2O3陶瓷的弹性模量降低而断裂韧性增加, 这一变化趋势与实验结果有良好的一致性。
碳纤维增强油井水泥石的力学性能
李明, 杨雨佳, 郭小阳
2015, 32(3): 782-788. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141010.002
摘要:
油井水泥石在井下易脆裂, 造成油井层间封隔失效, 进而影响油井开采。为了解决这一问题, 需要对水泥石进行降脆增韧。首先, 考察了甲基纤维素和羧甲基纤维素对碳纤维的分散效果; 然后, 研究了碳纤维对油井水泥石抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的影响, 并模拟井下环境测试了水泥石单轴和三轴应力-应变曲线; 最后, 使用扫描电子显微镜对碳纤维增强水泥石的微观形貌进行观察, 探讨碳纤维对水泥石的增韧机制。结果表明:0.2wt%的羧甲基纤维素溶液可有效分散碳纤维; 养护28 d后, 0.3wt%碳纤维增强水泥石的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度较纯水泥石的分别提高8.6%、31.5%和52.4%, 三轴直接加载条件下, 其弹性模量较纯水泥石的低49.5%; 经过分散的碳纤维在水泥石中乱向分布, 形成三维网络结构, 通过桥联、剥离及拔出耗能作用增强水泥石。研究结果为解决油井水泥石易脆裂的问题提供了理论参考。
考虑纤维体积含量变化的纤维缠绕厚壁柱形结构的等强度设计
吴杨, 邢静忠, 耿沛, 杨涛
2015, 32(3): 789-796. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140725.001
摘要:
纤维缠绕厚壁柱形管道或容器在缠绕张力作用下会使缠绕纤维层的应力状态不断变化, 形成沿壁厚力学性能非均匀的结构。依据缠绕过程中的纤维束应力状态分析和纤维束本构关系, 获得了纤维体积含量与所受应力状态的关系。基于正交各向异性本构关系和双层筒模型的离散叠加法, 建立了给定缠绕张力确定纤维缠绕厚壁柱形结构剩余张力的计算方法, 并计算了等张力缠绕纤维层的纤维体积含量沿壁厚的分布。利用Tsai-Wu失效准则研究了纤维体积含量非均匀的厚壁柱形结构的纤维层强度。研究表明: 缠绕工艺使内层纤维体积含量和强度均略高于外层, 纤维缠绕厚壁柱形结构的强度分析和设计时应考虑这种影响; 利用变化的缠绕张力设计可以实现强度比沿壁厚的均匀分布。
基于分级优化的复合材料带加强筋板屈曲优化
范志瑞, 杨世文, 金达锋, 刘哲
2015, 32(3): 797-804. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140918.003
摘要:
对工程中常用复合材料带加强筋板结构的优化方法进行研究。由于优化变量较多且变量类型涉及离散型和连续型两种类型, 因此优化中引入了分级优化方法。在结构质量一定的前提下, 确定各加强筋最优的位置、截面尺寸、铺层数及铺层顺序, 以提高整体结构的抗屈曲性能。代理层的引入使优化问题可以在先不考虑铺层顺序的情况下对其余变量进行优化, 通过析因实验设计方法确定剩余变量中影响结构屈曲载荷的主要变量和次要变量, 并分别在第1、2级优化中独立对两类变量进行优化, 在优化过程中根据变量的类型及取值范围, 对部分变量建立径向基代理模型以提高优化效率。第3级优化采用遗传算法对铺层顺序进行优化。优化结果表明: 优化后方案比原方案的抗屈曲能力提高了3.21倍。
二维编织复合材料圆柱曲板屈曲性能试验与有限元分析
张劲松, 余音, 汪海
2015, 32(3): 805-814. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141021.005
摘要:
采用试验和数值模拟方法研究了二维编织复合材料曲板的屈曲性能。为研究曲率半径、长度以及弧长等参数对二维编织复合材料曲板屈曲性能的影响, 设计了4组不同曲率半径、长度以及弧长的曲板进行屈曲试验。通过对比4组不同几何尺寸曲板的屈曲载荷与屈曲模态, 发现曲率半径减小25%, 相应的屈曲载荷增大26.85%, 影响最大; 弧长增大26.32%, 单位面积的屈曲载荷基本不变, 屈曲载荷增大23.783%; 长度减小42.25%, 屈曲载荷提高24.41%。长度对屈曲模态的影响最大, 弧长影响次之, 曲率半径影响最小。设计相应材料的ASTM标准试验获取材料刚度系数, 基于曲板弧形边在飞机结构和试验过程中存在安装和摩擦等影响而存在一定约束, 进行曲板四边沿弧线方向存在约束和不存在约束两种简支条件下的屈曲有限元分析。通过试验与有限元的对比, 在两种边界条件下模拟载荷能很好地确定试验屈曲载荷的范围。
用于变形机翼夹心式柔性伸缩蒙皮的梯形蜂窝支撑结构
沈元, 昂海松, 刘卫东
2015, 32(3): 815-822. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140917.001
摘要:
变形机翼技术的实现离不开柔性蒙皮技术的支持,提出了一种应用于变形机翼夹心式柔性伸缩蒙皮的面内褶皱型梯形蜂窝蒙皮支撑结构。通过理论分析研究了该支撑结构的面内伸缩特性, 得到其面内横向无量纲化等效弹性模量大小与3个参数(形状系数k 、宽度系数 t 和高度系数 h)之间的关系: 其等效弹性模量随 k 增大而减小, 随 t 增大而增大, 随 h 增大而减小。利用ANSYS软件对其进行了有限元分析并通过实验对其面内力学特性进行了验证。结果表明:理论分析、有限元结果与实验结果基本吻合。通过选择合适的结构参数, 其面内横向等效弹性模量可达到原材料弹性模量的10-4, 比同等参数下手风琴式支撑结构的面内横向等效弹性模量更小, 变形能力更强。相比传统蒙皮支撑结构, 该结构可以减小变形过程中的驱动力与能量消耗, 提高柔性蒙皮的变形效率。
基于渐进损伤分析的复合材料螺栓连接强度包线法研究
赵丽滨, 秦田亮, 山美娟, 张建宇
2015, 32(3): 823-830. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150609.001
摘要:
针对中国民机采用T800级复合材料这一新材料体系而基础数据匮乏的现状, 采用渐进损伤分析(PDA)替代试验以显著降低研究周期和成本。综合渐进损伤方法和工程算法各自的优点, 提出以渐进损伤分析替代应力集中减缓因子(SCRFs)测定试验, 进而建立强度包线, 并进行多钉连接强度预测的数值策略。为验证该数值策略的可行性, 针对典型铺层应力集中减缓因子, 测定试样, 并开展渐进损伤分析, 获得了试验件强度预测值来计算应力集中减缓因子, 采用旁路载荷修正的强度包线法, 绘制了典型铺层复合材料多钉连接旁路载荷修正强度包线, 预测多钉连接的失效载荷, 并与试验结果进行对比。结果表明: 采用该数值策略预测的强度包线、多钉连接的失效载荷和失效模式均与试验结果吻合良好, 证明了该数值策略的可行性。
复合材料带缠绕成型工艺参数耦合机制及优化
史耀耀, 俞涛, 何晓东, 康超, 张晓扬, 张军
2015, 32(3): 831-839. doi: 10.13801/j.cnki.fhdxb.20150609.003
摘要:
基于复合材料缠绕成型工艺过程研究, 分别对成型过程中紧密接触与自粘接过程进行理论分析, 提出影响复合材料缠绕制品质量的关键工艺参数: 缠绕温度、缠绕压力和缠绕张力;以层间剪切强度(ILSS)为优化目标, 根据响应面法Box-Behnken Design(BBD)原理设计实验, 建立工艺参数耦合对剪切强度的回归模型, 通过对残差、方差(ANVOA)、预测值与实际值对比等检验分析, 验证回归模型的可靠性及有效性, 进而获得缠绕成型最优工艺参数。结果表明: 在最优工艺参数作用下, 层间剪切强度达到22.9 MPa, 缠绕制品结合强度最高。
预成型体渗透率预测及其受压缩变形的影响
金天国, 魏雅君, 杨波, 毕凤阳
2015, 32(3): 840-847. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201503.009
摘要:
建立了织物预成型体单胞内纱线间细观流动和纱线内部微观流动的统一的数学模型。基于最小势能原理建立了织物松弛状态下的单胞几何模型, 同时对在模具压缩下的单胞变形进行了分析, 并建立了不同压缩状态下的单胞几何模型。通过对单胞内树脂流动数学模型的数值求解, 获得了流动速度场及压力场, 进而预测了预成型体的渗透率。预测1组不同压缩状态下的单胞渗透率, 研究了预成型体压缩变形对渗透率的影响。结果显示: 随着压缩量的增加, 其渗透率逐渐降低。通过实验测量及数据分析, 验证了建模和预测方法的正确性。
非贯通球形空腔型轻质仿生结构的设计及其力学性能
杨志贤, 于娜, 刘泽华
2015, 32(3): 848-855. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140916.001
摘要:
为设计并开发轻量型仿生复合材料, 分析了东方龙虱鞘翅断面的微观结构, 发现龙虱鞘翅的内部空腔结构为非贯通球形空腔。受龙虱鞘翅独特结构的启发设计了一种轻质仿生结构, 球形空腔以正六边形的形式分布于该结构内部。为考察该仿生结构的力学特性, 引入了两种常见的中空结构, 并借助有限元分析软件ANSYS分别对该仿生结构和其他两种常见的中空结构的压缩、拉伸及弯曲性能进行了有限元分析和对比研究。结果表明:该仿生结构较其他两种常见的中空结构具有更强的抗压能力、抗拉能力及更高的屈服强度, 力学性能优异。该仿生结构在材料结构方面为研制新型仿生复合材料提供了仿生学参考。
仿甲虫鞘翅轻质结构及其参数优化设计
郭策, 江小婷, 邹稳蓬, 王笑春
2015, 32(3): 856-863. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140918.002
摘要:
为研发新型轻质结构, 在对甲虫鞘翅断面微结构进行观测的基础上, 分析了甲虫鞘翅的微观结构特征, 并据此设计和制备了基于碳纤维/环氧树脂复合材料的仿生轻质结构。对仿生轻质结构进行准静态压缩试验, 同时利用有限元法对仿生轻质结构进行压缩性能分析, 并将分析结果与试验结果进行对比, 证明了有限元分析的正确性和可靠性。在此基础上进一步利用响应面法对仿生轻质结构进行参数优化设计。结果显示:压缩载荷下仿生轻质结构的最大承载力为18 455.00 N, 较优化前结构的提高了26.4%, 压缩比强度为47.43 MPa/(g·cm-3), 优化效果显著。
复合材料宏观强度准则预测能力分析
吴义韬, 姚卫星, 沈浩杰
2015, 32(3): 864-873. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140925.001
摘要:
对复合材料宏观强度准则进行了总结和评述, 对最具有代表性的5种强度准则的预测能力进行了综合评估。首先, 由各强度准则得到了不同平面应力状态下AS4/3501-6材料的理论失效包线, 以此阐明了各强度准则的物理本质。然后, 考虑到强度的分散性, 采用Monte-Carlo方法并基于各强度准则建立了4种材料的概率失效包线和强度分散带。最后, 结合多组试验数据, 客观评估了各强度准则的预测能力。评估结果表明:各强度准则的预测结果都不可能完好地吻合所有的试验结果; 相比于Max-Stress准则、Hashin准则和Tsai-Wu准则, Puck准则和LaRC03准则的预测能力相对较好, 且对复合材料的损伤机理有更为合理的解释。
树脂基复合材料曲面结构件固化变形数值模拟
马云荣, 贺继林, 李栋, 谭耀, 徐雷
2015, 32(3): 874-880. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141028.004
摘要:
为了研究树脂基复合材料曲面结构件的固化变形过程, 首先分析了碳纤维增强树脂基复合材料在固化过程中密度、模量、热膨胀系数、比热容及热传导系数等材料物性的变化, 并将这些变化引入到数值模拟当中。接着, 针对复合材料复杂曲面结构件, 提出了利用定常流动的流线方程构建曲线坐标系的新方法。然后, 根据建立的曲线坐标系, 运用有限元法计算了某轻型飞机机翼上蒙皮板在固化过程中内部温度、固化度和内应力的分布情况以及材料物性随固化度的变化情况。最后, 计算了由于内部温度场和固化度场的不均匀、热膨胀系数的各向异性和固化引起的树脂体积收缩而导致的结构变形。结果表明:引入材料物性变化使固化过程的数值模拟更加合理、模拟结果更加精确, 利用定常流动的流线方程构建的曲线坐标系适用于复合材料曲面结构件的有限元分析。所得结论对研究树脂基复合材料的固化变形过程和各向异性复合材料复杂曲面构件的三维实体建模均具有指导意义。
复合材料三维损伤模型在大开口结构强度预测中的应用
黄河源, 赵美英, 王文智, 侯赤
2015, 32(3): 881-887. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140919.001
摘要:
为了预测复合材料大开口结构的强度及损伤扩展情况, 开展了3种不同复合材料三维损伤退化模型(瞬间退化模型、渐进损伤退化模型和连续损伤退化模型)在复合材料大开口结构强度预测中的应用研究, 完成了含口框加强件的复合材料大开口结构面内纯剪切试验, 并采用3种损伤退化模型对试验件及相关文献算例进行了数值模拟。数值模拟结果与试验结果的对比表明:3种损伤退化模型均可以较为精确地预测复合材料大开口结构的极限强度; 与其他模型相比, 连续损伤退化模型的预测精度最高、通用性最好且网格依赖度最低。研究结果为复合材料大开口结构力学性能的研究提供了理论指导。
有限高磁电弹性体中双半动态与静态裂纹分析
郭怀民, 赵国忠
2015, 32(3): 888-895. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150303.001
摘要:
狭长体中的裂纹是断裂力学中经常采用的研究模型。含有共线无限长裂纹的条形磁电弹性体, 当面内的力电磁和反平面的剪应力作用在左边裂纹尖端附近的一段裂纹面上时, 往往会产生动态断裂。利用复变函数法中的拱形变换公式, 导出了磁电全非渗透型边界条件下左裂纹尖端动态的应力强度因子以及机械应变能释放率的解析解。当运动速度趋于零时退化为静止状态下的解。通过数值算例分析了断裂机理, 讨论了静止状态下狭长体和裂纹的几何尺寸、外力、电场和磁场分别对能量释放率的影响, 为相关器件的设计与制造提供了帮助。
基于阻尼材料拓扑分布的结构-声辐射优化
陈炉云, 张裕芳
2015, 32(3): 896-901. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140702.001
摘要:
基于拓扑优化思想, 提出一种人工材料假设, 建立了阻尼材料铺设的拓扑优化数学模型。在阻尼材料用量一定的情况下实现阻尼材料最优分布, 达到减振降噪之目的。采用遗传算法进行求解, 进行了阻尼材料和人工材料的转换, 实现了阻尼材料的拓扑优化。数值算例表明: 所提方法在减振降噪设计中具有可行性和有效性, 有较好的工程应用价值, 可为阻尼材料的敷设提供一种可行有效的思路。
基于改进模拟退火算法的复合材料层合板频率优化
孙士平, 张卫红
2015, 32(3): 902-910. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201503.002
摘要:
针对复合材料层合板频率优化问题, 结合可行规则法和直接搜索模拟退化算法, 提出了一种自适应模拟退火(SA)改进算法。层合板优化目标是基频、频率带隙以及给定基频和带隙约束的层合板厚度。设计变量包括铺层角度和铺层数两种离散变量。改进算法的自适应新点产生模块采用依赖温度的动态调整搜索半径, 改善了直接搜索模拟退化(DSA)算法易陷入局部极值的缺陷, 而可行规则法的引入提高了SA算法求解约束问题的效率和简易性。采用Ritz法进行频率响应分析以考虑弯扭耦合影响。不同铺层数、角度增量和长宽比时的层合板3类算例结果显示: 改进算法能有效求解层合板频率优化, 可获得更多或更好的铺层顺序全局优化解。
TiO2-海藻酸钙复合膜的表征、对染料的光催化降解及TiO2回收
蔺洪全, 赵孔银, 马敬环, 冯灵智, 李志辉, 魏书心
2015, 32(3): 911-917. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201503.003
摘要:
为了解决TiO2纳米粒子难分离, 负载的催化剂难回收等问题, 首先, 将TiO2与海藻酸钠充分混合制成铸膜液, 在玻璃板上刮膜, 经钙离子交联制备了TiO2-海藻酸钙(T-CA)复合膜。然后, 对T-CA复合膜进行了SEM和XRD表征, 并研究了T-CA复合膜对染料的光催化降解性能。最后, 将T-CA复合膜从染料降解液中取出, 浸泡在柠檬酸钠水溶液中, 柠檬酸根对钙离子的结合力较强, 可使海藻酸盐水凝胶溶解, 离心分离TiO2纳米粒子并清洗干燥后, 得到了回收TiO2; 利用SEM、TEM、FTIR和XRD对回收TiO2进行了表征。结果表明:T-CA复合膜对甲基橙的光催化降解率可达82.37%。回收TiO2与初始的TiO2几乎完全一样, 可重新使用且催化能力不变。该方法是一种绿色环保、方便快速的从载体中回收TiO2纳米粒子的方法。
氮掺杂TiO2中空复合微球的制备及可见光光催化性能
陈苗, 敖卫, 王如意, 刘嘉宁, 张高文
2015, 32(3): 918-923. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140917.002
摘要:
为了提高TiO2的可见光光催化性能, 以微米级聚苯乙烯微球为模板, 钛酸四丁酯为前驱体, 三乙胺为氮源, 采用静电吸附自组装法制备了粒径为1.20 μm、壳层的厚度约为30 nm且球形形貌良好的氮掺杂TiO2中空复合微球, 采用SEM、XPS、XRD和紫外-可见分光光度计研究了其结构及光催化性能。结果表明:氮进入TiO2晶格内取代了部分O并改变了晶格中Ti和O的化学状态, 但对TiO2晶型结构没有明显影响; 氮掺杂后的TiO2中空复合微球禁带宽度变窄, 氮掺杂TiO2中空复合微球不仅在紫外区有较强的光吸收能力, 在可见光区也表现出较强的光响应性, 对甲基橙的光催化降解率较Degussa P25型纳米TiO2的明显增强。研究结果对TiO2在光催化领域的应用具有理论指导意义。