2020年 第37卷 第11期
栏目
2020, 37(11): 1-5.
摘要:
2020, 37(11): 2889-2896.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200421.002
摘要:
为提高壳聚糖(CS)-丝素蛋白(SF)复合纳米纤维的可纺性，解决其易溶胀从而导致纳米纤维尺寸稳定性较差的问题，采用聚氧化乙烯(PEO)提高纳米纤维的可纺性，用静电纺丝来制备纳米纤维，然后通过1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺(EDC)和 N-羟基丁二酰亚胺(NHS)进行交联改性，制备了CS-PEO-SF三元体系的纳米纤维。利用FTIR、XRD、单纤维强力机、SEM分别表征了CS-PEO-SF纳米纤维的分子间相互作用、结晶性能、纳米纤维的力学性能和形貌，同时考察纳米纤维的溶胀度；利用细胞毒性和细胞培养测试表征了CS-PEO-SF纳米纤维的生物相容性。结果表明：PEO的加入可以有效提高CS-SF的可纺性，CS-PEO-SF纳米纤维的平均直径范围为240~510 nm，各组分纤维形态较好；随着SF含量的增加，CS-PEO-SF纳米纤维结晶性能、拉伸强度和断裂伸长率逐渐增大。经交联后的CS-PEO-SF纳米纤维结晶能力和溶胀度降低，力学性能提高。交联前后CS-PEO-SF纳米纤维均不具毒性，有良好的细胞相容性。
为提高壳聚糖(CS)-丝素蛋白(SF)复合纳米纤维的可纺性，解决其易溶胀从而导致纳米纤维尺寸稳定性较差的问题，采用聚氧化乙烯(PEO)提高纳米纤维的可纺性，用静电纺丝来制备纳米纤维，然后通过1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺(EDC)和 N-羟基丁二酰亚胺(NHS)进行交联改性，制备了CS-PEO-SF三元体系的纳米纤维。利用FTIR、XRD、单纤维强力机、SEM分别表征了CS-PEO-SF纳米纤维的分子间相互作用、结晶性能、纳米纤维的力学性能和形貌，同时考察纳米纤维的溶胀度；利用细胞毒性和细胞培养测试表征了CS-PEO-SF纳米纤维的生物相容性。结果表明：PEO的加入可以有效提高CS-SF的可纺性，CS-PEO-SF纳米纤维的平均直径范围为240~510 nm，各组分纤维形态较好；随着SF含量的增加，CS-PEO-SF纳米纤维结晶性能、拉伸强度和断裂伸长率逐渐增大。经交联后的CS-PEO-SF纳米纤维结晶能力和溶胀度降低，力学性能提高。交联前后CS-PEO-SF纳米纤维均不具毒性，有良好的细胞相容性。
2020, 37(11): 2897-2907.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200311.002
摘要:
选用以凝聚相阻燃机制为主的间苯二酚-双(二苯基磷酸酯)(RDP)作为阻燃剂，纳米SiO2为协效剂，以熔融共混法制备了聚碳酸酯(PC)-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)阻燃合金。通过垂直燃烧(UL94)和锥形量热测试(Cone)探究了纳米SiO2与RDP复配对PC-ABS合金阻燃性能和燃烧行为的影响。采用SEM观察燃烧残炭的微观形貌，用EDS分析炭层表面元素含量的变化，进一步探究了纳米SiO2与RDP在PC-ABS凝聚相中的协效阻燃机制。通过拉伸性能和冲击性能测试研究纳米SiO2与RDP复配对PC-ABS合金力学性能的影响及甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯(MBS)对PC-ABS合金的增韧增容作用。结果表明，纳米SiO2与RDP可以在凝聚相中形成Si—O—P化合物，对PC-ABS合金的燃烧炭层起到增强作用，从而改善PC-ABS合金的阻燃性能；适量MBS的加入可以提高PC-ABS合金的冲击强度和断裂伸长率，但会降低其阻燃性能。
选用以凝聚相阻燃机制为主的间苯二酚-双(二苯基磷酸酯)(RDP)作为阻燃剂，纳米SiO2为协效剂，以熔融共混法制备了聚碳酸酯(PC)-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)阻燃合金。通过垂直燃烧(UL94)和锥形量热测试(Cone)探究了纳米SiO2与RDP复配对PC-ABS合金阻燃性能和燃烧行为的影响。采用SEM观察燃烧残炭的微观形貌，用EDS分析炭层表面元素含量的变化，进一步探究了纳米SiO2与RDP在PC-ABS凝聚相中的协效阻燃机制。通过拉伸性能和冲击性能测试研究纳米SiO2与RDP复配对PC-ABS合金力学性能的影响及甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯(MBS)对PC-ABS合金的增韧增容作用。结果表明，纳米SiO2与RDP可以在凝聚相中形成Si—O—P化合物，对PC-ABS合金的燃烧炭层起到增强作用，从而改善PC-ABS合金的阻燃性能；适量MBS的加入可以提高PC-ABS合金的冲击强度和断裂伸长率，但会降低其阻燃性能。
2020, 37(11): 2908-2916.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200212.004
摘要:
分形维数可以表征裂缝形态，能够用来分析混凝土裂缝断面的粗糙程度。裂缝形态对开裂混凝土的渗透性有重要影响，为研究这种影响，利用劈裂试验获得不同宽度的裂缝，使用不同的纤维种类，并设置多种纤维掺量，得到粗糙程度不同的裂缝断面，通过水渗透试验测量不同裂缝宽度时混凝土的渗透系数。采用激光扫描仪扫描裂缝断面并重构3D断面几何形态，采用立方体覆盖法计算断面分形维数。采用分形维数将实测裂缝宽度和有效裂缝宽度联系起来，联立达西定律和泊肃叶定律建立开裂混凝土渗透系数和分形维数的函数关系。结果表明：使用相同的网格划分法，分形维数随着纤维掺量的增加而增大；渗透系数随着纤维掺量的增加而减小；函数关系式中分形维数的指数绝对值和修正系数都随裂缝宽度增加而减小。
分形维数可以表征裂缝形态，能够用来分析混凝土裂缝断面的粗糙程度。裂缝形态对开裂混凝土的渗透性有重要影响，为研究这种影响，利用劈裂试验获得不同宽度的裂缝，使用不同的纤维种类，并设置多种纤维掺量，得到粗糙程度不同的裂缝断面，通过水渗透试验测量不同裂缝宽度时混凝土的渗透系数。采用激光扫描仪扫描裂缝断面并重构3D断面几何形态，采用立方体覆盖法计算断面分形维数。采用分形维数将实测裂缝宽度和有效裂缝宽度联系起来，联立达西定律和泊肃叶定律建立开裂混凝土渗透系数和分形维数的函数关系。结果表明：使用相同的网格划分法，分形维数随着纤维掺量的增加而增大；渗透系数随着纤维掺量的增加而减小；函数关系式中分形维数的指数绝对值和修正系数都随裂缝宽度增加而减小。
2020, 37(11): 2917-2927.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200305.001
摘要:
利用电化学阻抗谱、循环动电位极化、阴极极化、热重和XRD等方法，研究了偏高岭土(MK)掺量(占MK/水泥总质量的20wt%、30wt%、40wt%)对钢筋-MK/水泥砂浆中钢筋钝化膜形成及其耐蚀性能的影响。结果表明：在一般环境中，钢筋在不同MK掺量的钢筋-MK/水泥砂浆中均可以形成稳定的钝化膜；在质量分数为3.5wt%的NaCl溶液环境中，MK掺量过多会使钢筋-MK/水泥砂浆中钢筋的钝化膜稳定性降低，耐蚀性能下降。从钢筋钝化膜稳定角度考虑，在氯盐环境中，水泥基材料中MK掺量应予以限制。
利用电化学阻抗谱、循环动电位极化、阴极极化、热重和XRD等方法，研究了偏高岭土(MK)掺量(占MK/水泥总质量的20wt%、30wt%、40wt%)对钢筋-MK/水泥砂浆中钢筋钝化膜形成及其耐蚀性能的影响。结果表明：在一般环境中，钢筋在不同MK掺量的钢筋-MK/水泥砂浆中均可以形成稳定的钝化膜；在质量分数为3.5wt%的NaCl溶液环境中，MK掺量过多会使钢筋-MK/水泥砂浆中钢筋的钝化膜稳定性降低，耐蚀性能下降。从钢筋钝化膜稳定角度考虑，在氯盐环境中，水泥基材料中MK掺量应予以限制。
2020, 37(11): 2928-2940.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200222.001
摘要:
基于仿生学原理构建一种鱼鳞状的柔性叠层防护装具，仿生鳞片为中间厚边缘薄的双层复合结构，上下层分别为SiC陶瓷和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。采用ANSYS LS-DYNA软件的显式分析方法模拟了SiC-UHMWPE柔性叠层结构的防弹性能，主要从装具变形量、应力传递规律、能量耗散机制和子弹残余速度展开分析，重点研究了支撑点数量、曲率半径及覆盖角对防护性能的影响。鳞片单排与多排排列时背面垫料的凹陷深度仿真结果分别为32.52 mm和24.73 mm。本文依据NIJ标准Ⅲ级要求对柔性防护装具进行实弹测试。结果表明，试件在多发子弹侵彻后，出现局部两点支撑的不利情形。该成果将对新型柔性防护装具的设计和制备具有重要意义。
基于仿生学原理构建一种鱼鳞状的柔性叠层防护装具，仿生鳞片为中间厚边缘薄的双层复合结构，上下层分别为SiC陶瓷和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。采用ANSYS LS-DYNA软件的显式分析方法模拟了SiC-UHMWPE柔性叠层结构的防弹性能，主要从装具变形量、应力传递规律、能量耗散机制和子弹残余速度展开分析，重点研究了支撑点数量、曲率半径及覆盖角对防护性能的影响。鳞片单排与多排排列时背面垫料的凹陷深度仿真结果分别为32.52 mm和24.73 mm。本文依据NIJ标准Ⅲ级要求对柔性防护装具进行实弹测试。结果表明，试件在多发子弹侵彻后，出现局部两点支撑的不利情形。该成果将对新型柔性防护装具的设计和制备具有重要意义。
2020, 37(11): 2657-2673.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200714.001
摘要:
木质素是一种最丰富的芳香族天然高分子生物质资源，木质素纳米粒子既具有木质素原本特点，还具有纳米材料的纳米效应等特性，在众多功能材料领域具有很大的潜在应用价值，特别是作为绿色还原剂直接还原金属离子生成木质素基金属纳米粒子复合材料，被广泛应用于催化领域等。本文综述了木质素纳米粒子的制备及其在金属离子还原和金属纳米粒子负载的研究进展，重点综述了木质素基金属纳米粒子复合材料在不同应用领域的研究进展，最后总结并展望了木质素在金属纳米粒子复合材料制备和应用中面临的机遇和挑战。
木质素是一种最丰富的芳香族天然高分子生物质资源，木质素纳米粒子既具有木质素原本特点，还具有纳米材料的纳米效应等特性，在众多功能材料领域具有很大的潜在应用价值，特别是作为绿色还原剂直接还原金属离子生成木质素基金属纳米粒子复合材料，被广泛应用于催化领域等。本文综述了木质素纳米粒子的制备及其在金属离子还原和金属纳米粒子负载的研究进展，重点综述了木质素基金属纳米粒子复合材料在不同应用领域的研究进展，最后总结并展望了木质素在金属纳米粒子复合材料制备和应用中面临的机遇和挑战。
2020, 37(11): 2674-2683.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200615.001
摘要:
SiO2气凝胶是一种含有纳米介孔结构的轻质固体材料，具有高孔隙率、高比表面积、低导热性、低介电性等特性，在隔热、吸附、吸声、发光、催化、电子等工业领域具有广阔的应用前景。但SiO2气凝胶自身孔结构存在易碎、易坍塌等缺陷，导致应用受到较大限制。在保持SiO2气凝胶良好特性的前提下，对其进行增强改性制备力学性能优良的SiO2气凝胶复合材料是近年来的研究热点。本文报道了无机/有机纤维增强改性SiO2气凝胶、有机聚合物增强改性SiO2气凝胶及无机物掺杂增强改性SiO2气凝胶等复合材料的主要制备工艺过程、材料综合性能表现及增强改性机制，探讨了增强改性SiO2气凝胶复合材料研究进展及重点方向，以期为增强改性SiO2气凝胶复合材料的研究和应用提供新的设计思路。
SiO2气凝胶是一种含有纳米介孔结构的轻质固体材料，具有高孔隙率、高比表面积、低导热性、低介电性等特性，在隔热、吸附、吸声、发光、催化、电子等工业领域具有广阔的应用前景。但SiO2气凝胶自身孔结构存在易碎、易坍塌等缺陷，导致应用受到较大限制。在保持SiO2气凝胶良好特性的前提下，对其进行增强改性制备力学性能优良的SiO2气凝胶复合材料是近年来的研究热点。本文报道了无机/有机纤维增强改性SiO2气凝胶、有机聚合物增强改性SiO2气凝胶及无机物掺杂增强改性SiO2气凝胶等复合材料的主要制备工艺过程、材料综合性能表现及增强改性机制，探讨了增强改性SiO2气凝胶复合材料研究进展及重点方向，以期为增强改性SiO2气凝胶复合材料的研究和应用提供新的设计思路。
2020, 37(11): 2684-2699.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200727.002
摘要:
吸波材料既可减少电磁污染，又能达到军事装备隐身的目的，要求具有“薄、轻、宽、强”的特点。铁氧体吸波材料阻抗匹配较好，吸收强，研究早且使用多。但铁氧体吸波材料的密度大、吸收频带窄、热稳定性差的缺点限制了其应用。通过离子取代，设计微观形貌，与碳材料、高分子材料、MXene等进行复合，可有效提高铁氧体吸波材料的综合性能。本文总结了改善铁氧体吸波材料性能的主要方法及近几年的研究进展，并展望了进一步的研究方向。
吸波材料既可减少电磁污染，又能达到军事装备隐身的目的，要求具有“薄、轻、宽、强”的特点。铁氧体吸波材料阻抗匹配较好，吸收强，研究早且使用多。但铁氧体吸波材料的密度大、吸收频带窄、热稳定性差的缺点限制了其应用。通过离子取代，设计微观形貌，与碳材料、高分子材料、MXene等进行复合，可有效提高铁氧体吸波材料的综合性能。本文总结了改善铁氧体吸波材料性能的主要方法及近几年的研究进展，并展望了进一步的研究方向。
2020, 37(11): 2700-2706.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200824.005
摘要:
本文介绍了国内外高性能碳纤维、碳纤维增强树脂基复合材料、复合材料制造技术等发展现状及未来发展趋势，总结了国内碳纤维增强树脂基复合材料产业发展存在的问题，分析了国内碳纤维增强树脂基复合材料产业发展的需求，提出了碳纤维增强树脂基复合材料重点发展方向。
本文介绍了国内外高性能碳纤维、碳纤维增强树脂基复合材料、复合材料制造技术等发展现状及未来发展趋势，总结了国内碳纤维增强树脂基复合材料产业发展存在的问题，分析了国内碳纤维增强树脂基复合材料产业发展的需求，提出了碳纤维增强树脂基复合材料重点发展方向。
2020, 37(11): 2707-2717.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200319.003
摘要:
为改善环氧树脂的阻燃性，成功合成了一种含苯砜基和磷杂菲杂环的阻燃添加剂(FRASP)。采用傅里叶变换衰减全反射红外光谱法(ATR-FTIR)、核磁共振(NMR)和元素分析等手段对FRASP的化学结构进行表征。将FRASP添加到双酚A型环氧树脂(DGEBA)中，经4,4’-二氨基二苯甲烷(DDM)固化后，制备出DGEBA-FRASP复合树脂。FRASP质量分数为9wt%的DGEBA-FRASP复合树脂的极限氧指数(LOI)达到35.9%，垂直燃烧(UL94)的等级为V-0级。残炭的形貌和激光拉曼光谱(LRS)分析显示，FRASP促进膨胀、致密、高石墨化程度的多孔炭层的生成。热重分析表明，FRASP改变了DGEBA-FRASP复合树脂的热降解过程，促进了DGEBA-FRASP复合树脂提前热分解，使最大失重率降低，并提高了残炭量。热裂解分析显示，DGEBA-FRASP复合树脂裂解过程中产生了含磷分子和不可燃气体，可稀释O2并抑制燃烧过程中自由基链式反应。FRASP分子中P、N和S的协同作用，改善了DGEBA-FRASP复合树脂的阻燃性能。
为改善环氧树脂的阻燃性，成功合成了一种含苯砜基和磷杂菲杂环的阻燃添加剂(FRASP)。采用傅里叶变换衰减全反射红外光谱法(ATR-FTIR)、核磁共振(NMR)和元素分析等手段对FRASP的化学结构进行表征。将FRASP添加到双酚A型环氧树脂(DGEBA)中，经4,4’-二氨基二苯甲烷(DDM)固化后，制备出DGEBA-FRASP复合树脂。FRASP质量分数为9wt%的DGEBA-FRASP复合树脂的极限氧指数(LOI)达到35.9%，垂直燃烧(UL94)的等级为V-0级。残炭的形貌和激光拉曼光谱(LRS)分析显示，FRASP促进膨胀、致密、高石墨化程度的多孔炭层的生成。热重分析表明，FRASP改变了DGEBA-FRASP复合树脂的热降解过程，促进了DGEBA-FRASP复合树脂提前热分解，使最大失重率降低，并提高了残炭量。热裂解分析显示，DGEBA-FRASP复合树脂裂解过程中产生了含磷分子和不可燃气体，可稀释O2并抑制燃烧过程中自由基链式反应。FRASP分子中P、N和S的协同作用，改善了DGEBA-FRASP复合树脂的阻燃性能。
2020, 37(11): 2718-2725.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200224.002
摘要:
采用氨基稀释剂(AD)和端乙炔基型聚苯并噁嗪(EB)树脂改性一种具有高力学性能的聚(间二乙炔基苯-二甲基硅烷)(PDMP)树脂。按照质量比PDMP∶EB∶AD=5∶1∶1进行共混后制备PDMP-EB-AD树脂。利用FTIR、DSC、介电分析仪(DEA)、TGA分析改性前后树脂的结构、黏度、固化过程和耐热性能变化。结果表明，AD与EB中的—NH2和—C≡CH均参与进PDMP固化过程中，共混后PDMP-EB-AD树脂固化温度升高，黏度降低，热分解温度(Td5)在N2和空气下分别为539.5℃和518.7℃，1 000℃质量保留率分别为85.1%和18.1%。利用浸渍法将PDMP-EB-AD树脂与石英纤维(QF)制备成预浸料进行模压成型，制备的QF增强PDMP-EB-AD树脂(QF/(PDMP-EB-AD))复合材料力学性能极大提高，且树脂与纤维的黏结性得到改善。常温下QF/(PDMP-EB-AD)复合材料弯曲强度和层间剪切强度(ILSS)分别为694.5 MPa和41.9 MPa，较QF/PDMP复合材料分别提高了176.6%和96.7%，250℃时弯曲强度和ILSS达到319.5 MPa和20.11 MPa。
采用氨基稀释剂(AD)和端乙炔基型聚苯并噁嗪(EB)树脂改性一种具有高力学性能的聚(间二乙炔基苯-二甲基硅烷)(PDMP)树脂。按照质量比PDMP∶EB∶AD=5∶1∶1进行共混后制备PDMP-EB-AD树脂。利用FTIR、DSC、介电分析仪(DEA)、TGA分析改性前后树脂的结构、黏度、固化过程和耐热性能变化。结果表明，AD与EB中的—NH2和—C≡CH均参与进PDMP固化过程中，共混后PDMP-EB-AD树脂固化温度升高，黏度降低，热分解温度(Td5)在N2和空气下分别为539.5℃和518.7℃，1 000℃质量保留率分别为85.1%和18.1%。利用浸渍法将PDMP-EB-AD树脂与石英纤维(QF)制备成预浸料进行模压成型，制备的QF增强PDMP-EB-AD树脂(QF/(PDMP-EB-AD))复合材料力学性能极大提高，且树脂与纤维的黏结性得到改善。常温下QF/(PDMP-EB-AD)复合材料弯曲强度和层间剪切强度(ILSS)分别为694.5 MPa和41.9 MPa，较QF/PDMP复合材料分别提高了176.6%和96.7%，250℃时弯曲强度和ILSS达到319.5 MPa和20.11 MPa。
2020, 37(11): 2726-2734.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200302.002
摘要:
为了制备高力学性能、阻隔性能和导热性能的热塑性聚氨酯(TPU)复合材料，采用改进的原位溶液聚合法，将壳聚糖改性的氧化石墨烯(CS-GO)与TPU预聚体接枝，再经扩链反应得到CS-GO/TPU复合材料。利用FTIR、XRD、FESEM对CS-GO进行表征，并采用万能试验机、氧气透过仪和导热仪对CS-GO/TPU复合材料的性能进行测试分析。结果表明：CS与GO之间存在氢键作用，CS-GO在TPU基体中的分散性优于GO。CS-GO的均匀分散有效阻隔了O2的渗透，提高了CS-GO/TPU复合材料的阻隔性能。CS-GO与TPU基体之间的相互作用有利于应力载荷的传递和导热网络的形成，与纯TPU相比，当CS-GO含量为1wt%时，CS-GO/TPU复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了106.8%和111.2%，导热系数提高了1.55倍。
为了制备高力学性能、阻隔性能和导热性能的热塑性聚氨酯(TPU)复合材料，采用改进的原位溶液聚合法，将壳聚糖改性的氧化石墨烯(CS-GO)与TPU预聚体接枝，再经扩链反应得到CS-GO/TPU复合材料。利用FTIR、XRD、FESEM对CS-GO进行表征，并采用万能试验机、氧气透过仪和导热仪对CS-GO/TPU复合材料的性能进行测试分析。结果表明：CS与GO之间存在氢键作用，CS-GO在TPU基体中的分散性优于GO。CS-GO的均匀分散有效阻隔了O2的渗透，提高了CS-GO/TPU复合材料的阻隔性能。CS-GO与TPU基体之间的相互作用有利于应力载荷的传递和导热网络的形成，与纯TPU相比，当CS-GO含量为1wt%时，CS-GO/TPU复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了106.8%和111.2%，导热系数提高了1.55倍。
2020, 37(11): 2735-2742.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200306.003
摘要:
采用2,2,6,6−四甲基哌啶−1−氧自由基(TEMPO)氧化法制备了不同羧基含量的纳米纤维素(CNF)，并将其用作碳纳米管(CNTs)的分散剂，通过超声、离心处理制备出稳定均一的CNF−CNTs分散液，然后通过朗伯−比尔定律测定CNF−CNTs分散液中CNTs的浓度，研究了不同CNF羧基含量对CNTs的分散效果。此外，利用静电纺丝法制备出柔性、多孔的热塑性聚氨酯(TPU)薄膜作为基体，以CNF−CNTs分散液作为导电填料，通过真空抽滤法将CNF−CNTs负载于TPU多孔膜上，制备出CNF−CNTs/TPU复合薄膜，并探究了不同CNF羧基含量对CNF−CNTs/TPU复合薄膜应变响应性能的影响规律。结果表明，羧基含量对CNF的分散性能具有重要影响。随着CNF羧基含量的提高，CNF对CNTs分散效果越好，CNF−CNTs/TPU复合薄膜具有更大的应变响应范围。当CNF羧基含量为1.698 mmol/g时，CNF−CNTs/TPU复合薄膜的应变响应范围高达507%，灵敏度系数为335，表现出优异的应变响应性能。
采用2,2,6,6−四甲基哌啶−1−氧自由基(TEMPO)氧化法制备了不同羧基含量的纳米纤维素(CNF)，并将其用作碳纳米管(CNTs)的分散剂，通过超声、离心处理制备出稳定均一的CNF−CNTs分散液，然后通过朗伯−比尔定律测定CNF−CNTs分散液中CNTs的浓度，研究了不同CNF羧基含量对CNTs的分散效果。此外，利用静电纺丝法制备出柔性、多孔的热塑性聚氨酯(TPU)薄膜作为基体，以CNF−CNTs分散液作为导电填料，通过真空抽滤法将CNF−CNTs负载于TPU多孔膜上，制备出CNF−CNTs/TPU复合薄膜，并探究了不同CNF羧基含量对CNF−CNTs/TPU复合薄膜应变响应性能的影响规律。结果表明，羧基含量对CNF的分散性能具有重要影响。随着CNF羧基含量的提高，CNF对CNTs分散效果越好，CNF−CNTs/TPU复合薄膜具有更大的应变响应范围。当CNF羧基含量为1.698 mmol/g时，CNF−CNTs/TPU复合薄膜的应变响应范围高达507%，灵敏度系数为335，表现出优异的应变响应性能。
2020, 37(11): 2743-2748.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200421.004
摘要:
利用聚乙烯亚胺(PEI)分子中活泼的−NH−与富勒烯(C60)结构中C=C键之间的加成反应，制备了PEI修饰C60杂化物(C60−PEI)，并采用FTIR、TEM等测试方法对C60−PEI的分子结构和形态进行表征。采用熔融共混法制备了C60−PEI/聚丙烯(PP)复合材料，并对其热性能和阻燃性能进行研究。热失重分析结果表明，C60−PEI可以更有效地发挥C60的自由基捕捉作用，对PP热稳定性的提高效果较C60更明显；氧化诱导测试(OIT)结果表明，C60−PEI/PP复合材料比C60/PP复合材料具有更优异的抗氧性能；微型量热测试也表明，燃烧过程中C60−PEI/PP复合材料比C60/PP复合材料具有更低的热释放量。
利用聚乙烯亚胺(PEI)分子中活泼的−NH−与富勒烯(C60)结构中C=C键之间的加成反应，制备了PEI修饰C60杂化物(C60−PEI)，并采用FTIR、TEM等测试方法对C60−PEI的分子结构和形态进行表征。采用熔融共混法制备了C60−PEI/聚丙烯(PP)复合材料，并对其热性能和阻燃性能进行研究。热失重分析结果表明，C60−PEI可以更有效地发挥C60的自由基捕捉作用，对PP热稳定性的提高效果较C60更明显；氧化诱导测试(OIT)结果表明，C60−PEI/PP复合材料比C60/PP复合材料具有更优异的抗氧性能；微型量热测试也表明，燃烧过程中C60−PEI/PP复合材料比C60/PP复合材料具有更低的热释放量。
2020, 37(11): 2749-2759.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200318.001
摘要:
为提高聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜的通量及抗污染性能，首先利用吸附相反应技术耦合乙醇热处理制备La掺杂TiO2-还原氧化石墨烯(La-TiO2-RGO)，再将其与PVDF共混制备La-TiO2-RGO/PVDF抗污染超滤膜。结果表明，均匀分散于PVDF高分子中表面亲水的La-TiO2-RGO增多，La-TiO2-RGO/PVDF共混膜的水通量和抗污染性能也显著提升。当La-TiO2-RGO/PVDF共混膜中出现团聚体，则会削弱其膜通量和抗污染性。在La-TiO2-RGO填充量(与PVDF质量比)为2.0%时，La-TiO2-RGO/PVDF共混膜具有最优纯水通量。La-TiO2-RGO/PVDF共混膜最高纯水通量可达171.5 L·m−2·h−1，是PVDF膜的5倍以上，其通量衰减速率也明显低于PVDF膜。另外，由于La-TiO2-RGO具有可见光催化活性，被污染后的La-TiO2-RGO/PVDF共混膜经过光照处理后用水清洗，其膜通量恢复率较直接用水清洗后的通量恢复率大幅提高；热处理温度升高，La-TiO2-RGO弱可见光活性增强，光照后La-TiO2-RGO/PVDF共混膜通量恢复率变大。但过高热处理温度抑制了La-TiO2-RGO中Ti3+形成，且削弱其光活性，La-TiO2-RGO/PVDF共混膜通量恢复率反而下降；对于La-TiO2-RGO填充量为2.0%的La-TiO2-RGO/PVDF共混膜，被污染后分别采用直接水清洗、仅光照处理2 h、先光照处理2 h后水清洗的膜通量恢复率分别为79.28%、52.42%、90.01%。
为提高聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜的通量及抗污染性能，首先利用吸附相反应技术耦合乙醇热处理制备La掺杂TiO2-还原氧化石墨烯(La-TiO2-RGO)，再将其与PVDF共混制备La-TiO2-RGO/PVDF抗污染超滤膜。结果表明，均匀分散于PVDF高分子中表面亲水的La-TiO2-RGO增多，La-TiO2-RGO/PVDF共混膜的水通量和抗污染性能也显著提升。当La-TiO2-RGO/PVDF共混膜中出现团聚体，则会削弱其膜通量和抗污染性。在La-TiO2-RGO填充量(与PVDF质量比)为2.0%时，La-TiO2-RGO/PVDF共混膜具有最优纯水通量。La-TiO2-RGO/PVDF共混膜最高纯水通量可达171.5 L·m−2·h−1，是PVDF膜的5倍以上，其通量衰减速率也明显低于PVDF膜。另外，由于La-TiO2-RGO具有可见光催化活性，被污染后的La-TiO2-RGO/PVDF共混膜经过光照处理后用水清洗，其膜通量恢复率较直接用水清洗后的通量恢复率大幅提高；热处理温度升高，La-TiO2-RGO弱可见光活性增强，光照后La-TiO2-RGO/PVDF共混膜通量恢复率变大。但过高热处理温度抑制了La-TiO2-RGO中Ti3+形成，且削弱其光活性，La-TiO2-RGO/PVDF共混膜通量恢复率反而下降；对于La-TiO2-RGO填充量为2.0%的La-TiO2-RGO/PVDF共混膜，被污染后分别采用直接水清洗、仅光照处理2 h、先光照处理2 h后水清洗的膜通量恢复率分别为79.28%、52.42%、90.01%。
2020, 37(11): 2760-2768.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200728.001
摘要:
通过在有机基体内添加无机陶瓷颗粒形成二相复合材料是当前研究高储能密度的热点和难点，材料的静电储能特性由其内部电场分布决定。对于纯高聚物材料在均匀外电场环境中其内部电场分布均匀，但当填充无机颗粒形成复合材料时，材料局部电场会发生畸变，进而影响复合材料的介电性能。本文通过有限元方法系统研究了不同形状颗粒，包括球型、纤维状和圆片状颗粒及其空间分布的电响应特性，进而分析其对复合材料储能特性的影响。结果表明，颗粒形状及空间分布的不同均会产生不同的局部电场分布，对于球型颗粒其顶端和低端会出现明显的电场集中现象；对于纤维状颗粒，当其长径比较小时，其端部束缚电荷产生的电场畸变不能被忽略。最后，本文建立了不同形状颗粒填充复合材料三维有限元模型，计算结果表明，在相同填充浓度下，一维纤维状颗粒填充复合材料的介电常数最大，二维圆片状颗粒填充复合材料介电常数最小，而球型颗粒填充复合材料介于二者之间。本文对理解复合材料储能特性的微观机制具有重要的意义。
通过在有机基体内添加无机陶瓷颗粒形成二相复合材料是当前研究高储能密度的热点和难点，材料的静电储能特性由其内部电场分布决定。对于纯高聚物材料在均匀外电场环境中其内部电场分布均匀，但当填充无机颗粒形成复合材料时，材料局部电场会发生畸变，进而影响复合材料的介电性能。本文通过有限元方法系统研究了不同形状颗粒，包括球型、纤维状和圆片状颗粒及其空间分布的电响应特性，进而分析其对复合材料储能特性的影响。结果表明，颗粒形状及空间分布的不同均会产生不同的局部电场分布，对于球型颗粒其顶端和低端会出现明显的电场集中现象；对于纤维状颗粒，当其长径比较小时，其端部束缚电荷产生的电场畸变不能被忽略。最后，本文建立了不同形状颗粒填充复合材料三维有限元模型，计算结果表明，在相同填充浓度下，一维纤维状颗粒填充复合材料的介电常数最大，二维圆片状颗粒填充复合材料介电常数最小，而球型颗粒填充复合材料介于二者之间。本文对理解复合材料储能特性的微观机制具有重要的意义。
2020, 37(11): 2769-2775.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200312.001
摘要:
以Ti合金为基体材料，通过超快激光加工微结构并复合纳米SiO2/氟化聚氨酯涂料，获得微纳结构的涂层表面，并与涂料喷涂获得的纳米涂层表面和未处理的Ti合金表面进行对比分析。分别采用扫描电镜、超景深显微镜、接触角和冰结合力测量仪，研究分析未处理Ti合金表面、纳米结构表面、微纳结构表面的形貌、疏水性、防覆冰性能。结果表明：具有微纳结构的涂层表面具有最佳的超疏水性，接触角为158.9°；与未处理Ti合金表面、纳米结构表面相比，微纳结构表面冰结合力显著降低，表面冰结合强度约为410 kPa。
以Ti合金为基体材料，通过超快激光加工微结构并复合纳米SiO2/氟化聚氨酯涂料，获得微纳结构的涂层表面，并与涂料喷涂获得的纳米涂层表面和未处理的Ti合金表面进行对比分析。分别采用扫描电镜、超景深显微镜、接触角和冰结合力测量仪，研究分析未处理Ti合金表面、纳米结构表面、微纳结构表面的形貌、疏水性、防覆冰性能。结果表明：具有微纳结构的涂层表面具有最佳的超疏水性，接触角为158.9°；与未处理Ti合金表面、纳米结构表面相比，微纳结构表面冰结合力显著降低，表面冰结合强度约为410 kPa。
2020, 37(11): 2776-2781.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200311.003
摘要:
复合材料固化成型工艺是影响树脂基复合材料结构性能的关键之一，因此需要针对其固化过程进行有效在线监测。本文基于压电传感器提出一种超声导波技术和机电阻抗技术相结合的树脂基复合材料固化过程监测方法，研究了超声导波能量与固化时间的关系及机电阻抗共振峰随固化时间的变化规律。研究表明，固化过程中树脂基复合材料结构的超声导波信号幅值和机电阻抗信号共振峰频率均出现先减小后增大并逐渐平稳的趋势，可以体现树脂基复合材料固化过程中的一系列变化。以监测单向碳纤维(T300)/热固性环氧树脂预浸料固化为例，验证压电传感器对复合材料固化的监测方法。T300/热固性环氧树脂复合材料在真空袋压、固化温度为120℃条件下，20 min为凝胶时间点，65 min为固化完成时间点。本研究基于压电固化过程在线监测方法为树脂基复合材料成型工艺的设计和优化提供了基础数据和技术支撑。
复合材料固化成型工艺是影响树脂基复合材料结构性能的关键之一，因此需要针对其固化过程进行有效在线监测。本文基于压电传感器提出一种超声导波技术和机电阻抗技术相结合的树脂基复合材料固化过程监测方法，研究了超声导波能量与固化时间的关系及机电阻抗共振峰随固化时间的变化规律。研究表明，固化过程中树脂基复合材料结构的超声导波信号幅值和机电阻抗信号共振峰频率均出现先减小后增大并逐渐平稳的趋势，可以体现树脂基复合材料固化过程中的一系列变化。以监测单向碳纤维(T300)/热固性环氧树脂预浸料固化为例，验证压电传感器对复合材料固化的监测方法。T300/热固性环氧树脂复合材料在真空袋压、固化温度为120℃条件下，20 min为凝胶时间点，65 min为固化完成时间点。本研究基于压电固化过程在线监测方法为树脂基复合材料成型工艺的设计和优化提供了基础数据和技术支撑。
2020, 37(11): 2782-2788.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200302.003
摘要:
采用复合纱拉挤方法制备连续玻璃纤维/聚丙烯(GF/PP)热塑性复合材料，研究了复合纱拉挤成型过程中模具温度及拉挤速度对GF/PP复合材料截面中心温度的影响。以傅里叶定律为理论基础，分析了拉挤过程中模腔内的瞬态传热过程；建立了工艺参数矩阵，通过有限元数值计算，预测了不同模具温度、拉挤速度下GF/PP复合材料截面中心的温度变化，优选了工艺参数组合。通过实验制备不同温度、不同拉挤速度的GF/PP复合材料，并进行弯曲模量测试及截面形貌观察。结果表明：在GF/PP复合纱拉挤过程中，拉挤速度不宜超过350 mm/min，模具熔融区温度设定应高于180℃；GF/PP复合材料在150℃-230℃-50℃成型温度、100 mm/min拉挤速度的工艺参数设定下获得最优的制品力学性能；在设定拉挤参数时，拉挤速度相较于熔融区温度更重要。
采用复合纱拉挤方法制备连续玻璃纤维/聚丙烯(GF/PP)热塑性复合材料，研究了复合纱拉挤成型过程中模具温度及拉挤速度对GF/PP复合材料截面中心温度的影响。以傅里叶定律为理论基础，分析了拉挤过程中模腔内的瞬态传热过程；建立了工艺参数矩阵，通过有限元数值计算，预测了不同模具温度、拉挤速度下GF/PP复合材料截面中心的温度变化，优选了工艺参数组合。通过实验制备不同温度、不同拉挤速度的GF/PP复合材料，并进行弯曲模量测试及截面形貌观察。结果表明：在GF/PP复合纱拉挤过程中，拉挤速度不宜超过350 mm/min，模具熔融区温度设定应高于180℃；GF/PP复合材料在150℃-230℃-50℃成型温度、100 mm/min拉挤速度的工艺参数设定下获得最优的制品力学性能；在设定拉挤参数时，拉挤速度相较于熔融区温度更重要。
2020, 37(11): 2789-2797.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200805.002
摘要:
将马来酰亚胺官能化的多壁碳纳米管(CNTs)和碳纤维(CF)混合并通过CeCl3处理，得到CNTs-CF多尺度增强体，采用FTIR、XPS、SEM对增强体的表面物理化学状态进行表征；以环氧树脂(EP)为基体，通过模压法制备CNTs-CF/EP复合材料，对其力学性能和断口形貌进行分析，探讨CNTs-CF多尺度增强体对CNTs-CF/EP复合材料界面性能的影响。结果表明：通过Ce的桥接作用，可以将改性后的CNTs化学接枝在CF表面，以同时解决CF与树脂基体间界面结合弱及CNTs不易分散的问题，有效改善了增强体与基体间的界面性能。因此CNTs-CF/EP复合材料的拉伸强度和杨氏模量较CF/EP复合材料分别提高了36.76%和71.57%；较CeCl3改性CF(RECF)/EP复合材料分别提高了24.79%和52.17%。采用稀土Ce的化学接枝法成功制备出CNTs-CF多尺度增强体，为获得高级轻质树脂基复合材料提供了一种环境友好的新方法。
将马来酰亚胺官能化的多壁碳纳米管(CNTs)和碳纤维(CF)混合并通过CeCl3处理，得到CNTs-CF多尺度增强体，采用FTIR、XPS、SEM对增强体的表面物理化学状态进行表征；以环氧树脂(EP)为基体，通过模压法制备CNTs-CF/EP复合材料，对其力学性能和断口形貌进行分析，探讨CNTs-CF多尺度增强体对CNTs-CF/EP复合材料界面性能的影响。结果表明：通过Ce的桥接作用，可以将改性后的CNTs化学接枝在CF表面，以同时解决CF与树脂基体间界面结合弱及CNTs不易分散的问题，有效改善了增强体与基体间的界面性能。因此CNTs-CF/EP复合材料的拉伸强度和杨氏模量较CF/EP复合材料分别提高了36.76%和71.57%；较CeCl3改性CF(RECF)/EP复合材料分别提高了24.79%和52.17%。采用稀土Ce的化学接枝法成功制备出CNTs-CF多尺度增强体，为获得高级轻质树脂基复合材料提供了一种环境友好的新方法。
2020, 37(11): 2798-2806.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200211.001
摘要:
采用试验和数值方法研究了含孔玻璃纤维/环氧树脂(GF/EP)复合材料-铝合金层板在不同热暴露温度下的拉伸剩余强度和损伤失效模式，揭示了层间损伤、纤维损伤及基体损伤的演化过程。结果表明：随着热暴露温度升高，含孔GF/EP复合材料-铝合金层板剩余强度不断下降，拉伸破坏呈现出明显的纤维断裂与层间分层混合失效模式。热暴露温度越高或开孔直径越大，GF/EP复合材料-铝合金层板的层间分层损伤区域越小。随着载荷的增大，沿加载方向的0°纤维和基体的损伤分别呈现出类似“漏斗”形和“花瓣”状的损伤演化形式，而层间损伤区域呈现出一对相对开孔对称的三角形损伤演化形式。基于GF/EP复合材料-铝合金层板的剩余强度和损伤失效模式的数值仿真与试验结果吻合较好。
采用试验和数值方法研究了含孔玻璃纤维/环氧树脂(GF/EP)复合材料-铝合金层板在不同热暴露温度下的拉伸剩余强度和损伤失效模式，揭示了层间损伤、纤维损伤及基体损伤的演化过程。结果表明：随着热暴露温度升高，含孔GF/EP复合材料-铝合金层板剩余强度不断下降，拉伸破坏呈现出明显的纤维断裂与层间分层混合失效模式。热暴露温度越高或开孔直径越大，GF/EP复合材料-铝合金层板的层间分层损伤区域越小。随着载荷的增大，沿加载方向的0°纤维和基体的损伤分别呈现出类似“漏斗”形和“花瓣”状的损伤演化形式，而层间损伤区域呈现出一对相对开孔对称的三角形损伤演化形式。基于GF/EP复合材料-铝合金层板的剩余强度和损伤失效模式的数值仿真与试验结果吻合较好。
2020, 37(11): 2807-2815.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200218.001
摘要:
基于自动铺放技术制备的曲线变刚度复合材料层合板，通过定制面内刚度，可有效提高结构的抗屈曲性能。在铺放过程中，铺放轨迹的路径规划是实现变刚度设计的关键技术之一。鉴于此，本文分别以纤维角度线性变化曲线、等曲率曲线及二次Bezier曲线构成的纤维轨迹为研究对象，对其压缩屈曲性能进行参数化分析。并利用有限元模型研究了铺丝头上丝带宽度对层合板型面精度和抗屈曲力学性能的影响。结果表明：在压缩工况下，二次Bezier曲线路径的抗屈曲性能最佳，等曲率曲线路径受曲率约束的影响最小。铺丝头丝束宽度一定，丝带宽度与重叠区域面积和抗屈曲性能呈负相关。使用最大的丝带宽度可最大程度地减小重叠区域面积，提高结构的型面精度，同时保证结构屈曲性能提高37.3%。
基于自动铺放技术制备的曲线变刚度复合材料层合板，通过定制面内刚度，可有效提高结构的抗屈曲性能。在铺放过程中，铺放轨迹的路径规划是实现变刚度设计的关键技术之一。鉴于此，本文分别以纤维角度线性变化曲线、等曲率曲线及二次Bezier曲线构成的纤维轨迹为研究对象，对其压缩屈曲性能进行参数化分析。并利用有限元模型研究了铺丝头上丝带宽度对层合板型面精度和抗屈曲力学性能的影响。结果表明：在压缩工况下，二次Bezier曲线路径的抗屈曲性能最佳，等曲率曲线路径受曲率约束的影响最小。铺丝头丝束宽度一定，丝带宽度与重叠区域面积和抗屈曲性能呈负相关。使用最大的丝带宽度可最大程度地减小重叠区域面积，提高结构的型面精度，同时保证结构屈曲性能提高37.3%。
2020, 37(11): 2816-2824.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200224.001
摘要:
以稻壳为原料，以H3PO4、KOH、ZnCl2为活化剂在600℃条件下制备三种活性炭，以生物炭、三种活性炭为填料填充高密度聚乙烯(HDPE)制备生物炭/HDPE复合材料和活性炭/HDPE复合材料，并对其力学性能进行测试和分析。结果表明，活性炭比生物炭具有更高的比表面积和发达的孔隙结构，其中经H3PO4活化制备的活性炭比表面积最高，为714.27 m2/g；活性炭/HDPE复合材料比生物炭/HDPE复合材料具有更佳的力学性能，相对于其他材料而言，经H3PO4活化制备的活性炭/HDPE复合材料具有较佳的弯曲性能、拉伸性能、刚性、弹性、抗蠕变性能及抗应力松弛能力，其弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为38.66 MPa、2.46 GPa、32.17 MPa、1.95 GPa。本研究可为活性炭的材料化利用提供有益的借鉴经验。
以稻壳为原料，以H3PO4、KOH、ZnCl2为活化剂在600℃条件下制备三种活性炭，以生物炭、三种活性炭为填料填充高密度聚乙烯(HDPE)制备生物炭/HDPE复合材料和活性炭/HDPE复合材料，并对其力学性能进行测试和分析。结果表明，活性炭比生物炭具有更高的比表面积和发达的孔隙结构，其中经H3PO4活化制备的活性炭比表面积最高，为714.27 m2/g；活性炭/HDPE复合材料比生物炭/HDPE复合材料具有更佳的力学性能，相对于其他材料而言，经H3PO4活化制备的活性炭/HDPE复合材料具有较佳的弯曲性能、拉伸性能、刚性、弹性、抗蠕变性能及抗应力松弛能力，其弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为38.66 MPa、2.46 GPa、32.17 MPa、1.95 GPa。本研究可为活性炭的材料化利用提供有益的借鉴经验。
2020, 37(11): 2825-2832.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200121.003
摘要:
以碳纤维/双马来酰亚胺(BMI)树脂复合材料平-折-平(FJF)连接接头为对象，通过试验对比分析了特定胶层厚度下碳纤维/BMI树脂复合材料FJF连接接头的静强度和疲劳性能，并探究了胶层厚度对碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头力学性能的影响。利用背面应变技术对碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头搭接区端部胶层开裂进行监测。利用有限元软件ABAQUS对不同胶层厚度下碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头搭接区胶层应力分布进行了分析。结果表明，碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头的平均拉伸极限载荷、搭接区端部胶层开裂平均循环次数和平均疲劳寿命均随着胶层厚度在0.1~0.3 mm范围内增加而增大。不同胶层厚度的碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头均经历相同的失效阶段，即搭接区胶层端部开裂，胶层沿搭接区断裂扩展，最终靠近加载端孔边拉伸断裂，呈±45°断口。随着胶层厚度在0.1~0.3 mm范围的增加，搭接区端部胶层剥离应力、剪切应力及孔边胶层压缩应力均减小。在胶层厚度为0.1~0.3 mm范围内，剪应力是胶层破坏的控制因素。
以碳纤维/双马来酰亚胺(BMI)树脂复合材料平-折-平(FJF)连接接头为对象，通过试验对比分析了特定胶层厚度下碳纤维/BMI树脂复合材料FJF连接接头的静强度和疲劳性能，并探究了胶层厚度对碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头力学性能的影响。利用背面应变技术对碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头搭接区端部胶层开裂进行监测。利用有限元软件ABAQUS对不同胶层厚度下碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头搭接区胶层应力分布进行了分析。结果表明，碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头的平均拉伸极限载荷、搭接区端部胶层开裂平均循环次数和平均疲劳寿命均随着胶层厚度在0.1~0.3 mm范围内增加而增大。不同胶层厚度的碳纤维/BMI树脂复合材料FJF混合接头均经历相同的失效阶段，即搭接区胶层端部开裂，胶层沿搭接区断裂扩展，最终靠近加载端孔边拉伸断裂，呈±45°断口。随着胶层厚度在0.1~0.3 mm范围的增加，搭接区端部胶层剥离应力、剪切应力及孔边胶层压缩应力均减小。在胶层厚度为0.1~0.3 mm范围内，剪应力是胶层破坏的控制因素。
2020, 37(11): 2833-2843.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200121.004
摘要:
开展了单钉修复对含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力影响的试验研究。测试了三种不同能量冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力及失效模式，测定了单螺栓对碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力的修复效率，并借助数字图像相关技术(DIC)表征手段揭示了单螺栓修复对含冲击损伤结构失效行为的影响。结果表明：冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力随着冲击能量的增加而降低，冲击损伤破坏了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板结构的对称性，并导致结构在加载初期呈非对称的局部屈曲变形特征，局部屈曲诱发并加剧分层损伤扩展；单螺栓修复能有效恢复结构的整体对称性，在一定程度上抑制含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的局部屈曲，达到可观的修复效率。该研究为复合材料紧固件修理方案的制订及修理损伤容限的定义提供一定的指导意义。
开展了单钉修复对含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力影响的试验研究。测试了三种不同能量冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力及失效模式，测定了单螺栓对碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力的修复效率，并借助数字图像相关技术(DIC)表征手段揭示了单螺栓修复对含冲击损伤结构失效行为的影响。结果表明：冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力随着冲击能量的增加而降低，冲击损伤破坏了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板结构的对称性，并导致结构在加载初期呈非对称的局部屈曲变形特征，局部屈曲诱发并加剧分层损伤扩展；单螺栓修复能有效恢复结构的整体对称性，在一定程度上抑制含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的局部屈曲，达到可观的修复效率。该研究为复合材料紧固件修理方案的制订及修理损伤容限的定义提供一定的指导意义。
2020, 37(11): 2844-2852.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200723.002
摘要:
以Ti3SiC2陶瓷粉和Cu粉作为原料，采用放电等离子烧结(SPS)工艺制备Ti3SiC2/Cu块体复合材料，研究不同Ti3SiC2添加含量及烧结温度对Ti3SiC2/Cu复合材料的组织、致密度和显微硬度的影响，研究SPS后Ti3SiC2/Cu复合材料的摩擦磨损性能。研究表明：采用SPS工艺制备的Ti3SiC2/Cu复合材料的Ti3SiC2在Cu中分布均匀，但随着Ti3SiC2含量的增加和烧结温度的升高，组织中出现团聚趋势，部分Ti3SiC2与Cu在界面处发生互溶现象，互溶增强了Ti3SiC2与基体的结合能力；Ti3SiC2含量和烧结温度对Ti3SiC2/Cu复合材料的致密度和显微硬度影响较大，当烧结温度为900℃时，Ti3SiC2/Cu复合材料的致密度达到99.7%，接近完全致密，Ti3SiC2/Cu复合材料的硬度较纯Cu提高了2倍左右；对于不同Ti3SiC2含量的Ti3SiC2/Cu复合材料的磨损机制也有所差异，当Ti3SiC2含量较低时(1vol%~5vol%)，磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损；随着Ti3SiC2含量的增加(10vol%~15vol%)，Ti3SiC2发挥了本身的自润滑性，Ti3SiC2/Cu复合材料的摩擦磨损性能有所改善，磨损机制转为犁削磨损和轻微黏着磨损；当Ti3SiC2含量增加到20vol%时，Ti3SiC2/Cu复合材料的磨损表面变得均匀而平整，表明Ti3SiC2/Cu复合材料的耐磨性提高。
以Ti3SiC2陶瓷粉和Cu粉作为原料，采用放电等离子烧结(SPS)工艺制备Ti3SiC2/Cu块体复合材料，研究不同Ti3SiC2添加含量及烧结温度对Ti3SiC2/Cu复合材料的组织、致密度和显微硬度的影响，研究SPS后Ti3SiC2/Cu复合材料的摩擦磨损性能。研究表明：采用SPS工艺制备的Ti3SiC2/Cu复合材料的Ti3SiC2在Cu中分布均匀，但随着Ti3SiC2含量的增加和烧结温度的升高，组织中出现团聚趋势，部分Ti3SiC2与Cu在界面处发生互溶现象，互溶增强了Ti3SiC2与基体的结合能力；Ti3SiC2含量和烧结温度对Ti3SiC2/Cu复合材料的致密度和显微硬度影响较大，当烧结温度为900℃时，Ti3SiC2/Cu复合材料的致密度达到99.7%，接近完全致密，Ti3SiC2/Cu复合材料的硬度较纯Cu提高了2倍左右；对于不同Ti3SiC2含量的Ti3SiC2/Cu复合材料的磨损机制也有所差异，当Ti3SiC2含量较低时(1vol%~5vol%)，磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损；随着Ti3SiC2含量的增加(10vol%~15vol%)，Ti3SiC2发挥了本身的自润滑性，Ti3SiC2/Cu复合材料的摩擦磨损性能有所改善，磨损机制转为犁削磨损和轻微黏着磨损；当Ti3SiC2含量增加到20vol%时，Ti3SiC2/Cu复合材料的磨损表面变得均匀而平整，表明Ti3SiC2/Cu复合材料的耐磨性提高。
2020, 37(11): 2853-2860.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200225.002
摘要:
利用直桨叶搅拌器在圆柱坩埚内机械搅拌C-SiC/Cu半固态浆料，研究搅拌速度为200 r/min、搅拌器上下移动速度为10 mm/s时C-SiC/Cu半固态浆料中石墨颗粒和SiC颗粒(SiCP)的均匀性。结果表明：直桨叶与水平面的夹角γ与两种颗粒在坩埚顶部和底部含量偏差都存在二次关系，当γ=30°时石墨颗粒和SiCP在坩埚中轴向分布均匀，但同一水平面内的SiCP仍存在偏聚现象，说明SiCP的偏聚是导致常规直桨叶机械搅拌C-SiC/Cu半固态浆料整体不均匀的主要原因；利用双层桨叶搅拌器代替常规直桨叶搅拌器，通过调整叶片层间距h，当h=10~20 mm时可以消除SiCP的偏聚现象；通过对单层桨叶搅拌器和双层桨叶搅拌器机械搅拌铸造获得的C-SiC/Cu复合材料进行磨损试验发现，单层桨叶搅拌器不同部位磨损率存在差异，双层桨叶搅拌器磨损率几乎相同。说明SiCP的偏聚可以通过增大机械搅拌剪切力度得以消除，利用双层桨叶搅拌器进行机械搅拌可以获得均质的C-SiC/Cu半固态浆料。
利用直桨叶搅拌器在圆柱坩埚内机械搅拌C-SiC/Cu半固态浆料，研究搅拌速度为200 r/min、搅拌器上下移动速度为10 mm/s时C-SiC/Cu半固态浆料中石墨颗粒和SiC颗粒(SiCP)的均匀性。结果表明：直桨叶与水平面的夹角γ与两种颗粒在坩埚顶部和底部含量偏差都存在二次关系，当γ=30°时石墨颗粒和SiCP在坩埚中轴向分布均匀，但同一水平面内的SiCP仍存在偏聚现象，说明SiCP的偏聚是导致常规直桨叶机械搅拌C-SiC/Cu半固态浆料整体不均匀的主要原因；利用双层桨叶搅拌器代替常规直桨叶搅拌器，通过调整叶片层间距h，当h=10~20 mm时可以消除SiCP的偏聚现象；通过对单层桨叶搅拌器和双层桨叶搅拌器机械搅拌铸造获得的C-SiC/Cu复合材料进行磨损试验发现，单层桨叶搅拌器不同部位磨损率存在差异，双层桨叶搅拌器磨损率几乎相同。说明SiCP的偏聚可以通过增大机械搅拌剪切力度得以消除，利用双层桨叶搅拌器进行机械搅拌可以获得均质的C-SiC/Cu半固态浆料。
2020, 37(11): 2861-2869.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200306.002
摘要:
采用搅拌摩擦加工(FSP)技术对SiC颗粒增强2A14铝合金(SiCP/2A14)复合材料进行处理，通过金相表征、电子背散射衍射(EBSD)、SEM、硬度测试及力学拉伸实验等分析了多道次搅拌摩擦加工对SiCP/2A14复合材料微观组织、力学性能及超塑性变形行为的影响。研究表明：经搅拌摩擦加工后，SiCP/2A14复合材料搅拌区内SiC颗粒分布明显均匀，晶粒细化，其中2道次搅拌摩擦加工的SiCP/2A14复合材料的晶粒尺寸最小，为3.14 μm。随着搅拌加工道次的增加，SiCP/2A14复合材料的硬度降低，室温抗拉强度和高温延伸率均先提高后降低，其中2道次搅拌摩擦加工的SiCP/2A14复合材料的室温抗拉强度为319 MPa，相较于未经FSP处理的SiCP/2A14复合材料提高了41%，在500℃、应变速率为1.0×10−3 s−1条件下高温延伸率为609%，相较于未经FSP处理的SiCP/2A14复合材料提高了133%。
采用搅拌摩擦加工(FSP)技术对SiC颗粒增强2A14铝合金(SiCP/2A14)复合材料进行处理，通过金相表征、电子背散射衍射(EBSD)、SEM、硬度测试及力学拉伸实验等分析了多道次搅拌摩擦加工对SiCP/2A14复合材料微观组织、力学性能及超塑性变形行为的影响。研究表明：经搅拌摩擦加工后，SiCP/2A14复合材料搅拌区内SiC颗粒分布明显均匀，晶粒细化，其中2道次搅拌摩擦加工的SiCP/2A14复合材料的晶粒尺寸最小，为3.14 μm。随着搅拌加工道次的增加，SiCP/2A14复合材料的硬度降低，室温抗拉强度和高温延伸率均先提高后降低，其中2道次搅拌摩擦加工的SiCP/2A14复合材料的室温抗拉强度为319 MPa，相较于未经FSP处理的SiCP/2A14复合材料提高了41%，在500℃、应变速率为1.0×10−3 s−1条件下高温延伸率为609%，相较于未经FSP处理的SiCP/2A14复合材料提高了133%。
2020, 37(11): 2870-2876.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200702.001
摘要:
采用刷涂法在Al2O3基多孔隔热材料表面制备Al2O3/MoSi2涂层，涂层以硅溶胶作为粘结剂，纳米Al2O3与Al2O3纤维作为耐高温组分，MoSi2为高发射率组分。通过SEM、XRD对Al2O3/MoSi2涂层微观表面结构、物相组成进行分析。研究纳米Al2O3与Al2O3纤维的质量比和MoSi2含量对Al2O3/MoSi2涂层耐温性能的影响，并对Al2O3/MoSi2涂层的抗热震性能、发射率进行表征。结果表明，当纳米Al2O3与Al2O3纤维的质量比小于1∶1时，热考核后Al2O3/MoSi2涂层表面无裂纹产生；当纳米Al2O3与Al2O3纤维的质量比在1∶2~1∶4之间时，Al2O3/MoSi2涂层中的纤维网络较完整。MoSi2的含量为20%时，Al2O3/MoSi2涂层抗热震实验循环25次后表面保持完好，热考核后在2.5~25 μm波段的平均发射率在0.85左右，具有较高的发射率。
采用刷涂法在Al2O3基多孔隔热材料表面制备Al2O3/MoSi2涂层，涂层以硅溶胶作为粘结剂，纳米Al2O3与Al2O3纤维作为耐高温组分，MoSi2为高发射率组分。通过SEM、XRD对Al2O3/MoSi2涂层微观表面结构、物相组成进行分析。研究纳米Al2O3与Al2O3纤维的质量比和MoSi2含量对Al2O3/MoSi2涂层耐温性能的影响，并对Al2O3/MoSi2涂层的抗热震性能、发射率进行表征。结果表明，当纳米Al2O3与Al2O3纤维的质量比小于1∶1时，热考核后Al2O3/MoSi2涂层表面无裂纹产生；当纳米Al2O3与Al2O3纤维的质量比在1∶2~1∶4之间时，Al2O3/MoSi2涂层中的纤维网络较完整。MoSi2的含量为20%时，Al2O3/MoSi2涂层抗热震实验循环25次后表面保持完好，热考核后在2.5~25 μm波段的平均发射率在0.85左右，具有较高的发射率。
2020, 37(11): 2877-2888.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200723.001
摘要:
将单层碳纳米管(CNT)纸浸渍酚醛树脂致密化，通过树脂碳层层焊接得到厚度约为2.6 mm的CNT纸/SiC层状梯度复合材料，由13个CNT纸/SiC复合材料结构层和12个膨胀石墨增韧树脂C界面层组成，SiC含量沿厚度方向由中心向两端呈递增的对称梯度分布。CNT纸/SiC层状梯度复合材料的体积密度为1.65 g/cm3，开气孔率为7.25%，在宏观尺度范围获得在SiC基体中均匀弥散分布的高含量的CNT。在X频段范围，CNT纸/SiC层状梯度复合材料600℃时的平均总屏蔽效率(37.19 dB)高于室温(35.00 dB)。较之室温时的屏蔽性能，CNT纸/SiC层状梯度复合材料600℃时的反射系数略有减小，但吸收系数明显增加，透射系数由0.0003减小至0.0002，展示了良好的在电磁屏蔽领域尤其是高温屏蔽领域的应用前景。在X频段范围，随温度由室温升高至600℃，CNT纸/SiC层状梯度复合材料的虚介电常数平均值由114.6增大至149.1；平均损耗正切值由1.62增大至1.79。
将单层碳纳米管(CNT)纸浸渍酚醛树脂致密化，通过树脂碳层层焊接得到厚度约为2.6 mm的CNT纸/SiC层状梯度复合材料，由13个CNT纸/SiC复合材料结构层和12个膨胀石墨增韧树脂C界面层组成，SiC含量沿厚度方向由中心向两端呈递增的对称梯度分布。CNT纸/SiC层状梯度复合材料的体积密度为1.65 g/cm3，开气孔率为7.25%，在宏观尺度范围获得在SiC基体中均匀弥散分布的高含量的CNT。在X频段范围，CNT纸/SiC层状梯度复合材料600℃时的平均总屏蔽效率(37.19 dB)高于室温(35.00 dB)。较之室温时的屏蔽性能，CNT纸/SiC层状梯度复合材料600℃时的反射系数略有减小，但吸收系数明显增加，透射系数由0.0003减小至0.0002，展示了良好的在电磁屏蔽领域尤其是高温屏蔽领域的应用前景。在X频段范围，随温度由室温升高至600℃，CNT纸/SiC层状梯度复合材料的虚介电常数平均值由114.6增大至149.1；平均损耗正切值由1.62增大至1.79。
