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2021年  第38卷  第10期

D型Fmoc-苯丙氨酸/透明质酸复合双网络水凝胶的制备及应用
付成, 刘敏, 鲁望婷, 袁发浒, 李雯慧, 邓云
2021, 38(10): 3443-3453. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210513.003
摘要:

将N-芴甲氧羰基-D-苯丙氨酸(Fmoc-DPhe)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(Glycidyl methacrylate,GMA)修饰的透明质酸(HA-GMA)在磷酸缓冲液中共混加热,冷却后Fmoc-DPhe分子先自组装形成超分子水凝胶,超分子水凝胶中的HA-GMA再经光照引发交联制备双网络复合水凝胶。研究该双网络水凝胶的力学性能、光学性质、微观形貌、药物缓释能力和抑菌性能。研究结果表明,双网络水凝胶比HA-GMA单网络水凝胶的力学性能强一倍左右且HA-GMA网络存在于双网络水凝胶中;光学性质显示双网络水凝胶中存在Fmoc-DPhe网络;微观形貌表明有两种水凝胶网络均存在于复合水凝胶中。当复合水凝胶包裹小分子模拟药物后,复合水凝胶达到模拟药物最大累积释放量的时间要比Fmoc-DPhe单网络水凝胶的长6 h;针对革兰氏阳性细菌的抑菌能力研究显示,双网络水凝胶的抑菌效果也比Fmoc-DPhe单网络水凝胶的更好。

基于碳纤维的新型自支撑电极制备方法
谢海生, 吴芮, 刘俊逸, 胡贝利, 任俊, 顾在春, 武建勋
2021, 38(10): 3454-3462. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210111.001
摘要:

借鉴自支撑电极的制备原理,利用电化学沉积结合(NH4)2S2O8和NaOH沉积液进行表面处理等手段制备了基于碳纤维表面Cu(OH)2纳米结构的自支撑电极,分析测试了碳纤维表面的微观形貌、表面元素组成及其分布和表面物质的晶型以及利用水热反应在其表面附着电化学物质MnO2后的电化学性能。结果发现,当(NH4)2S2O8的浓度为0.43 g/L、NaOH浓度为30.48 g/L、处理时间为12 min时,由SEM观察发现碳纤维表面的Cu(OH)2纳米纤维的直径、长度、数量都较适宜;XPS、XRD和EDS的测试结果,沉积液处理后碳纤维表面部分单质铜转化为Cu(OH)2,此结构非常有利于电化学物质的负载而由此构成开放、具有核壳结构的高性能电极材料;恒电流充放电(GCD)测试结果表明此电极材料具有极快的充放电速度。因此本文首次成功地在碳纤维表面的铜层表面原位生长出Cu(OH)2纳米纤维,为未来以超级电容器为代表的能源设备的性能提升和商业化应用开拓了一种新的电极制备方法。

CFRP筋-高强钢筋/高强混凝土柱的抗震性能
王作虎, 罗义康, 刘杜, 杨菊
2021, 38(10): 3463-3473. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201222.001
摘要:
为了研究高强钢筋和碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)混合配筋/高强混凝土柱的抗震性能,对CFRP筋-高强钢筋混合配筋的高强混凝土柱进行了低周反复荷载试验和有限元分析,研究了CFRP筋的粘结条件、不同轴压比以及高强混凝土种类等参数对其抗震性能的影响。结果表明:所有的高强混合配筋高强混凝土柱均发生延性破坏;在相同条件下,高强混合配筋混凝土中分别添加了钢纤维活性粉末和钢纤维后,表现出更好的耗能能力和延性;有粘结CFRP筋混合配筋高强混凝土柱比无粘结CFRP筋混合配筋柱的变形能力和承载力分别提高了9.6%和17.1%,但是延性系数降低了22.5%;在延性破坏的条件下,随着轴压比的增加,CFRP筋-高强钢筋混合配筋柱的屈服强度和极限强度明显增大,极限位移和耗能能力也逐渐减小;高强钢筋和CFRP筋配筋率越高,高强混合配筋柱的极限承载力和变形能力越大。
聚丙烯纤维对混凝土损伤渗透特性的影响
段明翰, 覃源, 许增光, 马伟丽
2021, 38(10): 3474-3483. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201223.001
摘要:
为研究损伤开裂后聚丙烯纤维/混凝土(PPF/PC)的渗透特性,通过圆盘劈裂试验预制了不同宽度的裂缝(100~400 μm),比较了PPF掺量对裂缝曲折度的影响。利用自行设计的渗透试验装置对混凝土损伤后的渗透率进行了研究,分析了不同PPF掺量、不同水压力下混凝土的损伤渗透率的变化规律。通过研究发现,加入PPF后,混凝土脆性较低,内部裂缝更易控制,裂缝曲折度相对于PC更高,且与PPF掺量成正比;相同水压力,相同有效裂缝宽度条件下,随着PPF掺量的增加,混凝土损伤渗透率降低,PPF的存在能够有效提高混凝土损伤后的抗渗性能;相同水压力下,相同PPF掺量的混凝土试件损伤渗透率整体上与有效裂缝宽度成正比;不同水压力下,相同PPF掺量的PPF/PC损伤渗透率在同一有效裂缝宽度情况下,随水压力增加而减小;修正后的泊肃叶渗流模型可以更好地评价PPF/PC损伤渗透特性。
GFRP筋与自密实混凝土黏结性能的试验研究
吴丽丽, 王慧, 杨畅涵, 王云飞, 杨璐
2021, 38(10): 3484-3494. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210207.001
摘要:
为了研究玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋与自密实混凝土(SCC)的黏结性能,制作了66个GFRP/SCC试件进行中心拉拔试验,研究SCC混凝土保护层厚度、GFRP筋直径和黏结长度以及SCC中添加纤维种类等因素对两者黏结性能的影响,并对试件的破坏形式进行分析。结果表明:试件主要出现了三种破坏形式,即劈裂破坏、拔出破坏、拔出带缝破坏;通过电镜扫描发现SCC浇筑方向对GFRP筋与SCC黏结界面的结构有一定影响,GFRP筋上部界面与SCC黏结更紧密。当SCC保护层厚度由4D增大至7D时,黏结强度提高了约44.05%;当GFRP筋黏结长度由5D增大至15D时,黏结强度降低了约65.43%;当GFRP筋直径由12 mm增大至16 mm时,黏结强度降低了约22.57%;SCC中添加聚丙烯纤维、钢纤维、聚丙烯纤维+钢纤维的试件黏结强度比不添加纤维的试件黏结强度分别提高12.80%、15.16%、15.09%。可以通过适当增加SCC保护层厚度、在SCC中添加纤维等措施来提高GFRP/SCC试件的黏结强度。
超高性能混凝土在环境温度变化下的力学性能试验研究
过震文, 刘小方, 段昕智, 吕计委, 王飞, 阚黎黎
2021, 38(10): 3495-3503. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201208.001
摘要:
应用四点抗弯、轴压、轴拉实验,研究环境温度变化(−30℃、0℃、30℃、60℃、90℃)对超高性能混凝土(UHPC)力学性能的影响,通过数字图像技术(DIC)表征受弯过程中裂缝的发展,并结合SEM、压汞(MIP)对其微观结构进行分析。结果表明:经历不同环境温度变化后,UHPC弯拉、抗压、轴拉强度分别处于13.4~16.3 MPa、121.5~133 MPa、6.6~7.0 MPa范围,轴拉应变约为0.2%;与基准温度(30℃)相比,低温作用对其力学性能几乎无影响,随温度的升高性能有一定降低,但仍处于较高的水平;弯拉强度和轴拉强度在不同环境温度下都大致存在比例系数约为2.3的线性关系;30℃下基体更加致密,拥有最优的力学性能。
水热法制备高反射率TiO2壳层中空玻璃微球
杨威, 周广伟, 王琨, 程珏, 张军营
2021, 38(10): 3514-3521. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210105.001
摘要:
以钛酸四丁酯、盐酸、去离子水、中空玻璃微球(HGM)为原料,乙醇为溶剂,采用水热合成法制备了高反射率的锐钛矿型TiO2壳层HGM(HGM@TiO2)。采用SEM、EDS、FTIR、XRD、UV-VIS-NIR、导热系数仪研究了钛酸四丁酯用量对微球的表面形貌、表面化学成分、物相结构、反射性能、导热系数的影响。结果表明:锐钛矿型TiO2成功包覆于HGM表面,包覆形貌完整且均匀,并且包覆层厚度随着钛源用量的增加而变厚;与原始HGM相比,HGM@TiO2的导热系数有小幅上升,最大上升幅度仅为0.007 W/(m·K),证明TiO2的包覆对HGM的隔热性能的影响不大;包覆后的HGM的光谱反射率在可见光波段和近红外波段的反射率得到大幅提升,最大提升幅度为13%,HGM@TiO2的最高反射率达到90%以上。
硅化镁还原CO2一步原位合成Si/C复合负极
石永刚, 张志勇, 陈彬, 宋文龙, 梁初, 黄辉
2021, 38(10): 3522-3528. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210215.001
摘要:
硅碳(Si/C)负极被认为是高能量密度锂离子电池的首选负极材料,本文提出了一种利用Mg2Si一步还原CO2原位制备硅碳复合材料的新方法,研究了Ar∶CO2混合气体积比和反应温度等关键工艺对Si/C负极材料微结构和电化学性能的影响。研究发现,该方法原位合成的Si/C颗粒尺寸为几百纳米,晶态硅和无定形碳相互交织、分布均匀。当反应温度为700℃、Ar∶CO2=7∶1时合成的Si/C复合材料作为锂离子电池负极材料时,在0.2 A/g的电流密度下,500个循环后仍有1134 mA·h/g可逆容量。本文利用温室气体CO2来制备储能用Si/C复合负极材料,既能实现变废为宝,同时该方法合成工艺简便,容易工业化实施,具有商业化开发的潜力。
FRP筋/珊瑚混凝土柱轴心受压承载力
陈爽, 梁淑嘉, 关纪文
2021, 38(10): 3530-3541. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201217.001
摘要:
对8根塑料纤维增强树脂复合材料(FRP)筋/珊瑚混凝土轴心受压柱和1根钢筋/珊瑚混凝土轴心受压柱进行了承载能力试验,试验参数包括配筋率、箍筋间距、长细比和筋材种类。结果表明:相同配筋率下,FRP筋/珊瑚混凝土柱和钢筋/珊瑚混凝土柱的破坏机制不同,但受力性能良好;相同构件尺寸下,增大纵筋直径导致纵筋与混凝土保护层的黏结性能降低;减小箍筋间距有利于提高构件的延性;长细比越大的构件承载力越低。然后,基于筋材压缩性能试验的数据分析及参考文献的对比探讨,建议碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)筋名义屈服强度取值为0.34fy(fy为筋材的极限抗压强度),对应的理论值与试验结果相近,从而提出适用于CFRP筋/珊瑚混凝土柱的理论计算,为工程实践提供参考依据。
高温后聚丙烯纤维增强水泥基复合材料导热的多尺度方法
姚秀鹏, 韩阳, 沈雷, 朱德, 曹茂森
2021, 38(10): 3541-3552. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201211.001
摘要:
有效导热系数(ETC)是预测火灾下混凝土结构内部温度时空分布的关键物性参数,为此提出了基于考虑界面热阻和粒子形状系数的改进Maxwell-Eucken模型的多相复合材料多尺度均质化方法,以预测高温后纤维增强水泥基复合材料的ETC。首先针对经历不同温度(20、60、150、300、450和600℃)处理后的砂浆、普通高性能混凝土和聚丙烯纤维增强混凝土开展了导热系数和孔隙率的测量试验,随后利用部分试验数据确定所提方法关键参数。最终利用所提方法预测经历不同温度处理后掺加不同含量和尺寸纤维的混凝土的ETC,方法预测结果与其余试验结果吻合良好。研究发现:粒子形状(纤维长度)对水泥基复合材料ETC的影响甚微;界面热阻(粒子与基体脱粘)对ETC的影响显著,界面热阻系数与经历温度呈线性增长关系;聚丙烯纤维熔化蒸发后干燥空气填充,形成管状裂缝热阻,同时柔软的细聚丙烯纤维在浇筑过程中附着在粗骨料表面,蒸发后进一步增加骨料与砂浆之间的界面热阻效应。
Kevlar纤维增强复合材料激光-铣削组合加工试验及可行性分析
苏飞, 李纯杰, 李文毅, 郑雷
2021, 38(10): 3553-3563. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210423.001
摘要:
Kevlar增强复合材料(Kevlar fiber-reinforced plastic,KFRP)在武器装甲防护领域受到了强烈的关注和广泛的应用。在机械加工中极易产生拉毛、难以排屑、刀具磨损严重等问题,在激光加工中依然存在诸多难点。为同时规避KFRP机械加工缺陷和激光加工的短板问题,本文提出KFRP激光-铣削组合加工,分析KFRP激光-铣削组合加工工艺的可行性。试验表明,KFRP激光加工中存在明显的纤维炭化区、树脂熔融区,其中,在树脂熔融区,纤维基本未受损。激光加工的最大切缝宽度在0.5 mm以下,深度不超过2 mm,激光加工工艺参数对切缝宽度a的影响相对较小,但对切缝深度h、纤维炭化区宽度A、树脂熔融区宽度Am影响显著。激光-铣削组合加工中,切屑呈大块状和絮状,当纤维烧蚀不完全时,容易出现抽丝现象。KFRP激光-铣削组合加工,不仅能有效的避免纤维拉毛现象,还能大幅度降低切削力和切削温度,从而提高加工质量,降低加工难度。
基于二维连续小波变换与数据融合技术的逆有限元法-伪激励法结构损伤识别方法
徐浩, 沙刚刚, 李腾腾, 李建乐, 武湛君
2021, 38(10): 3564-3572. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210115.001
摘要:
在逆有限元法(iFEM)与伪激励法(PE)相结合的损伤识别方法框架下,通过引入二维连续小波变换与数据融合技术,增强了iFEM-PE方法的抗噪能力及工程适用性。通过算例分析可知,iFEM能够借助有限应变测量数据实时准确地重构结构位移,进而使PE方法摆脱了对在线位移测量的依赖。另一方面,PE法对结构损伤具有高敏感性,适用于损伤的精确定位与定量。针对iFEM-PE方法对噪声的敏感性,二维连续小波变换可以在时频域实现信号联合分析,加强损伤特征并抑制噪音。另一方面,数据融合技术通过对不同工况下损伤识别结果的综合处理,有效提升了损伤识别的适用性与稳定性。结果显示,以上方法在噪音影响下可对复合材料结构的分层损伤进行精确定位。
综述
基于微结构的柔性压力传感器设计、制备及性能
金凡, 吕大伍, 张天成, 沈文锋, 李佳, 谭瑞琴
2021, 38(10): 3133-3150. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210520.004
摘要:
随着科技的快速发展,电子皮肤和柔性可穿戴设备由于在人体运动、健康监测、智能机器人等领域具有重要应用而引起了人们广泛的关注。传统的基于贵金属或金属氧化物半导体的压力传感器成本高、柔韧性差,而新型的基于微结构的柔性压力传感器具有灵敏度高、应变范围宽、低成本、低功耗、响应速度快等优势,在电子皮肤和柔性可穿戴设备等方面发挥重要作用,成为当前柔性电子材料与器件主要研究热点之一。本文系统总结了近年来颇受关注的基于金字塔形、微球形、微柱形、仿生结构、褶皱等不同柔性基底微结构和多孔导电聚合物材料的柔性压力传感器在材料选择、结构设计、制备方法、传感性能等方面取得的重要进展,并对柔性压力传感器的未来发展进行了展望。
纤维材料表面图案化构筑及应用研究进展
徐昭, 解晓雨, 沈浩, 郭颖, 杨丽丽, 葛邓腾
2021, 38(10): 3151-3161. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210518.008
摘要:
自然界中生物体表面形形色色的图案赋予其减阻、强黏附、超疏水等多样的功能特性。受自然界的启发,研究者在平面基底表面构筑图案方面已经取得了很大研究进展。然而,纤维材料表面的图案化构筑及对纤维材料功能的影响等研究尚不深入。本文总结了目前纤维材料表面图案化的构筑方法,简述了三种“自下而上”策略的图案化形成机制;另外分析了纤维材料表面图案化对其功能的影响,展望了纤维材料表面图案化的潜在应用;最后对构筑方法、形成机制、应用领域提出了展望。本文旨在为纤维材料表面图案的构筑及功能纤维/织物更广阔的工程应用提供借鉴。
基于金属有机框架的光子晶体制备与应用研究进展
柳浩, 赵嘉欣, 张耘箫, 金梦婷, 周岚, 刘国金
2021, 38(10): 3162-3170. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210531.003
摘要:
近年来,基于光子晶体优异的光学性能和金属有机框架(MOFs)特殊的多孔结构,使基于MOFs的光子晶体研究备受研究者们的关注。本文综述了近年来MOFs材料及其在光子晶体中的应用研究进展。首先简单介绍了MOFs和光子晶体的基本概况及MOFs与光子晶体相结合的优势,然后阐述了基于MOFs的光子晶体的制备方法,进一步概括了其应用现状,并总结了当前基于MOFs的光子晶体研究所存在的困境,最后展望了其未来的发展方向。这些工作为MOFs材料在光子晶体中的实际应用提供了策略支撑。
低共熔溶剂体系下木质纤维素的功能化改性及应用研究进展
马若腾, 张庆, 张莉莉, 王志国
2021, 38(10): 3171-3183. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210518.003
摘要:
低共熔溶剂(DES)作为一种新型绿色溶剂,相比离子液体等其它溶剂,其具有制备简单、配制灵活、成本低、效率高等特点,在木质纤维素绿色加工领域有着广泛的应用前景。近年来,基于DES体系下木质纤维素的溶解、组分分离、衍生化改性等研究取得了一系列重要的进展,相比于在传统离子液体或有机溶剂体系,在DES体系下木质纤维素的化学改性更绿色环保,经过改性的木质纤维素在纳米纤维的制备、复合材料的构建等领域得到了广泛的应用。本文综述了在DES体系下木质纤维素的阳离子化、酯化及其它衍生化等功能化改性及DES体系下改性的木质纤维素在纳米分散、复合材料等功能化应用方面的研究进展。最后总结并展望了在DES体系下木质纤维素功能化改性及应用所面临的机遇和挑战。
MOFs及衍生复合材料在锂硫电池中的设计应用
杜玺, 尹雷雷, 张文隽, 苏坤梅, 李振环
2021, 38(10): 3192-3207. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210427.001
摘要:
在能源危机与环境问题日益凸显的背景下,电化学储能技术得到了迅速发展。在“超越锂”储能领域的竞争者中,锂硫电池(Li-S)因其具有高理论比容量、高质量能量密度并且环境友好、价格低廉等优点,成为最有前途的新储能技术。但是,锂硫电池的发展仍存在一些瓶颈问题需要解决,例如正极材料导电性能差、多硫化物穿梭效应及在充放电过程中电极体积膨胀等。作为锂硫电池的关键组成部分,电极和隔膜材料的设计和制备对解决这些问题及电池整体性能提升起到了重要的作用。金属有机骨架(MOFs)及衍生的复合材料作为锂硫电池电极或隔膜修饰材料,具有质量轻、电子和离子传导性好、孔道丰富和活性位点均匀分布等优势。此外,这类复合材料还具备形貌和组分可控、来源丰富和孔径可调等特性,从而便于机制研究。本文全面介绍了锂硫电池组成、工作原理并综述了近几年MOFs及衍生复合材料在锂硫电池中的研究进展,重点讨论了其在正极材料和隔膜材料中的应用,并对未来该材料在锂硫电池研究方向上的前景和突破进行了展望。
树脂基复合材料
导电分子印迹膜化学修饰电极的制备及其对胭脂红的电化学检测
姜涛, 邱海燕, 王肖元, 盛程曦, 居家奇
2021, 38(10): 3208-3216. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201229.004
摘要:
报道了一种聚丙烯酰胺(PAAM)-植酸(PA)-聚多巴胺(PDA)导电分子印迹膜(PAAM-PA-PDA MIP)化学修饰电极的制备、表征及其在电化学定量检测食品添加剂胭脂红(P4R)中的应用。即通过原位电聚合和碱液洗脱的方法在玻碳电极(GCE)表面制得具有分子识别作用的导电分子印迹膜(PAAM-PA-PDA MIP)化学修饰电极,并利用SEM、循环伏安法(CV)及交流阻抗法(EIS)对该导电分子印迹膜化学修饰电极的表面形貌和电化学性能进行表征。研究结果表明该方法所制备的导电分子印迹膜化学修饰电极具有良好的电化学检测性能和应用前景,其对P4R的线性检测区间为10~200 μmol/L,灵敏度为0.085 A/mol/L,检测限可达23.6 nmol/L,并可有效地应用于P4R实际样品的分析检测。
定向重组竹纤维素纤维/酚醛树脂复合材料的制备及其性能
李泽, 何文, 强瀚, 王瑞, 郭志豪, 郭飞宇, 曹济舟, 芦梦婷
2021, 38(10): 3228-3236. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210114.001
摘要:
研究以毛竹为原料,首先通过不同程度的脱木素处理制备成块状的定向竹纤维素纤维,然后进行酚醛树脂浸渍,最后高温热压成定向重组竹纤维素纤维/酚醛树脂复合材料(DBSP)。SEM、FTIR、XRD等检测显示随着脱木素时间的增加,木素含量逐渐降低,纤维素结晶度逐渐增加,竹材细胞壁变薄,并逐步被分离成微米级的定向竹材纤维素纤维。同时,研究指出随着脱木素处理时间的增加,DBSP的力学性能被显著提高,吸水率、尺寸稳定性均得到明显的改善。其中,脱木素处理6 h后的竹纤维素纤维制备的DBSP表现出优异的综合性能,其拉伸强度和静曲强度分别达到254.3 MPa 和176.8 MPa,24 h吸水率为5.83%,24 h吸水厚度和宽度膨胀率分别为2.28%和0.76%,因此,作为一种高性能的竹重组复合材料,可广泛应用于风力发电机叶片、汽车车身制造等领域。
季铵盐接枝聚膦腈微球的制备及抗菌活性
柯丽颖, 邝伟聪, 熊永强, 邓穗平, 卿鹏, 谭绍早
2021, 38(10): 3226-3235. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210203.002
摘要:
细菌感染引起的疾病问题在世界范围内引起广泛的关注。抗生素虽然能有效治疗细菌感染,但是不合理的使用及滥用会导致细菌产生耐药性。因此,解决细菌耐药性问题并研发出安全高效的非抗生素抗菌剂显得尤为迫切。通过在生物可降解型环交联型聚(环三膦腈-共-聚乙烯亚胺)微球(PHP)表面上接枝环氧丙基十二烷基二甲基氯化铵(DDEAC),成功制备了环交联型聚(环三膦腈-共-聚乙烯亚胺)接枝季铵盐微球(PHPD)。采用FTIR、XPS、TG、TEM和FESEM对微球的结构与形貌进行了表征分析,并研究了其抗菌活性和细胞毒性。实验结果表明,改性抗菌微球PHPD(50 μg/mL)对大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的抗菌率均达97.3%。复合材料克服了单独使用季铵盐DDEAC材料的高毒性缺陷,并且在实现高效抗菌的同时也具有很好的细胞相容性。因此,本研究对于开发安全高效的纳米抗菌剂具有一定的指导意义。
拟薄水铝石改性环氧树脂复合材料的制备与性能
刘国隆, 周宏, 张宏达, 葛静
2021, 38(10): 3237-3244. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210131.001
摘要:
采用水热合成法制备拟薄水铝石(AlOOH)纳米棒,以3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)为表面改性剂,制得mAlOOH,以环氧树脂(Epoxy,EP)为基体,制备AlOOH/EP和mAlOOH/EP复合材料。研究AlOOH和mAlOOH的填充量对AlOOH/EP及mAlOOH/EP复合材料性能的影响。结果表明,mAlOOH明显提高了mAlOOH/EP复合材料的力学性能。mAlOOH的填充量为4wt%时,mAlOOH/EP复合材料的冲击强度和弯曲强度分别比聚合物基体分别提高了259%和44%;填充量不超过5wt%时,mAlOOH/EP的介电常数与介电损耗均略低于纯环氧树脂。当添加量为3wt%时,mAlOOH/EP具有最低的介电常数和介电损耗及最高的玻璃化转变温度(123℃)。
共价功能化石墨烯超疏水防腐复合涂层材料的制备
刘刚, 欧宝立, 赵欣欣, 彭彩茹, 汪雨微
2021, 38(10): 3236-3246. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210208.002
摘要:
石墨烯/有机聚合物复合涂层材料较纯聚合物材料具有更优越的阻隔性能,然而由于石墨烯之间高表面能和分子间作用力,使石墨烯在防腐等领域的应用潜力无法充分发挥。本文首先以传统自由基共聚方法合成一种含氟丙烯酸酯共聚物,并采用丙炔胺对氧化石墨烯改性合成炔基化氧化石墨烯,然后利用含氟丙烯酸酯共聚物末端氰基通过点击化学反应以共价键形式接枝在炔基化氧化石墨烯表面。疏水性分析表明,含氟共聚物功能化石墨烯的水接触角达到153°,将制备的功能化石墨烯涂敷于钢板基体时,水接触角提高到171.3°。扫描电镜显示,在炔基化石墨烯表面生长有大量300~600 nm的半球形接枝物。同时,将含氟共聚物功能化石墨烯/环氧树脂复合材料应用于碳素结构钢中,通过Tafel曲线和电化学阻抗谱对其耐蚀性能进行表征。结果显示,氟化石墨烯含量为0.5wt%的复合涂层的电流密度Icorr最低(8.872×10−9 A/cm2),比其他涂层样品低1~2个数量级。综上所述,本实验所制备的涂层材料具有良好的防腐性能,这一研究为开发石墨烯防腐蚀涂层材料提供了一种新的策略。
表面改性自金属化技术制备表面导电热固性聚酰亚胺复合材料
张嘉阳, 倪洪江, 龚明, 李军, 张代军, 陈祥宝
2021, 38(10): 3247-3254. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210104.001
摘要:
采用碱刻蚀/离子交换的方法对碳纤维增强热固性聚酰亚胺基复合材料进行了表面自金属化,制备了表面覆银导电聚酰亚胺复合材料。表征了聚酰亚胺复合材料表面酰亚胺五元环开环程度随碱液刻蚀条件的变化,研究了碱液刻蚀、酸洗、离子源和离子交换时间对复合材料表面导电性和力学性能的影响。当碱液刻蚀5 h、离子交换9 h时,热固性聚酰亚胺复合材料表面方块电阻可达0.26 Ω·sq−1,且基本力学性能得到保持。
基于套管屈曲约束的拉挤型GFRP管轴压性能
李峰, 李达, 朱锐杰
2021, 38(10): 3255-3269. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201222.002
摘要:
为解决复合材料空间桁架结构部分关键压杆失稳引发的连续性倒塌问题,提出了一种由不锈钢套管及螺栓连接系组成的玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)管整体失稳套管屈曲约束装置。为分析该套管屈曲约束装置对拉挤型GFRP管轴压性能的影响,对3个GFRP管试件和4个套管屈曲约束GFRP管试件进行了轴压试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线和荷载-应变曲线,对比研究了两者的极限承载力和破坏模式,同时利用有限元模型分析了不同内核长细比、内核与套管间隙及套管壁厚对GFRP管轴压性能的影响。结果表明:该套管屈曲约束装置能有效约束GFRP管整体失稳变形,其极限承载力和延性均得到提升,并使GFRP管从失稳破坏向材料强度破坏发展;内核长细比越大,套管屈曲约束GFRP管极限承载力相比于内核失稳临界荷载的相对提升幅值越高,约束效果越好;内核与套管间隙越大,GFRP管延性越好,但其极限承载力会降低;套管壁厚过薄会降低GFRP管极限承载力,过厚则约束效果不明显。
热模压预成型工艺参数对复合材料帽型长桁质量的影响
李哲夫, 谈源, 张俭, 岳广全, 刘卫平, 孙宝忠
2021, 38(10): 3270-3280. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201215.004
摘要:
本文采用热模压预成装置将碳纤维单向预浸料层板制备成帽型结构长桁预成型体,通过对不同工艺条件下制备的帽型长桁预成型体的表观质量、厚度和纤维偏转角度进行检测,考察和分析了成型温度和速度对预成型体质量的影响规律。当成型温度较低时,由于树脂的黏度较高,预浸料层间摩擦力较大。预成型体表面出现褶皱现象,并且纤维由于受到层间剪切的作用而出现角度偏转。当成型温度较高时,树脂受到压力作用更易流动。这不仅降低了预成型体的厚度,同时也减弱了树脂束缚纤维的能力,使纤维偏转角度增加。而当成型速度增加时,预浸料层间的摩擦力使纤维的偏转角度增大。因此在预成型过程中,为了提高预成型质量,工艺温度和成型速度应控制在一定范围内。
磷杂菲三氮唑双基化合物高效阻燃环氧树脂
王鹏, 刘家豪
2021, 38(10): 3281-3289. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201229.003
摘要:
以对苯二甲醛、3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑和9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)为原料合成了一种磷杂菲三氮唑双基化合物(DTZ),将其用于高效阻燃环氧树脂。利用FTIR、NMR、GPC和元素分析表征了其分子结构,采用TG和DSC研究了环氧固化物的热性能,利用极限氧指数、垂直燃烧、锥形量热、拉伸性能测试仪探究了环氧固化物的阻燃和力学性能,通过分析DTZ的热裂解行为、热氧化降解行为及炭层的形貌和结构研究了其阻燃机制。结果表明,DTZ的引入会降低环氧固化物的起始降解温度和玻璃化温度,但会提高其高温残炭率和拉伸强力。DTZ可显著提升环氧固化物的阻燃性能,当添加量为6wt%时,所得固化物的极限氧指数(LOI)值为33.5%,UL-94测试等级达到V-0级,热释放速率峰值和总热释放量分别降低21.8%和18.2%。DTZ可通过猝灭自由基、稀释可燃气体、促进基体成炭,在气相和凝聚相同时发挥阻燃作用。
CFRP@GFRP混杂复合材料杆体在水浸泡环境下的性能演化
李承高, 郭瑞, 王俊琦, 黄涵鑫, 咸贵军
2021, 38(10): 3290-3301. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201215.008
摘要:
碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)@玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)混杂复合材料杆体发挥碳纤维的高力学、疲劳性能与玻璃纤维的低成本、高变形能力等优势,在桥梁与海洋工程中具有巨大应用潜力,如跨海大桥斜拉索。针对CFRP@GFRP混杂复合材料杆体在服役环境下长期性能演化,本文采用加速试验方法研究蒸馏水环境下CFRP@GFRP混杂复合材料杆体的水吸收及界面剪切性能长期演化规律。研究结果表明:混杂复合材料杆体皮、芯层及杆体吸水行为符合Fick定律,GFRP皮层扩散系数最大,CFRP芯层次之,混杂复合材料杆体由于在皮/芯界面层形成吸水屏障而扩散系数最小。浸泡在蒸馏水环境下芯层、皮/芯界面及皮层界面剪切强度下降,这是由于浸泡过程中水分子通过氢键形式与树脂基体结合形成结合水,导致树脂基体发生水解和塑化及纤维/树脂界面脱黏。基于Arrhenius加速理论建立了混杂复合材料杆体在三座典型桥梁服役环境下的界面剪切强度预测模型。
大厚度复合材料曲面典型构件的工艺优化
马彦旭, 王继辉, 倪爱清, 杨斌, 彭运松
2021, 38(10): 3302-3313. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201229.005
摘要:
大厚度复合材料的数值仿真存在缺乏实尺度验证、数值模型待优化等问题。本文针对真空辅助树脂传递模塑成型的大厚度复合材料曲面构件,通过大型风电叶片主梁的工艺仿真与实尺度实验验证,进行了工艺设计与工艺参数模型预测。首先对比研究了不同的工艺仿真方案;然后利用所选优化方案对树脂灌注方案进行工艺设计,并进行了实验验证;最后,提出了不同厚度制件的工艺参数预测模型。结果表明:所选优化方案可同时得到理想的计算效率和流动模拟结果;所设计工艺方案与实验吻合性良好;工艺参数预测模型所得结果与模拟结果基本一致。
CFRP感应加热线圈中心区域温度场
付天宇, 许家忠, 赵辉, 刘美军
2021, 38(10): 3314-3322. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201216.001
摘要:
感应加热技术是实现碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)低能耗高效固化成型的有效方法,提高CFRP感应加热温度场均匀性是保证成型质量的关键,而线圈中心区域温度场均匀性是保证材料整体温度均匀性的关键。根据电磁加热原理建立了CFRP有限元多场耦合的分析模型,通过对模拟计算和实验过程的温度场升温及分布情况的对比分析,证明了本仿真可以准确模拟CFRP感应加热温度场分布。根据图像的熵值理论将温度场均匀性通过熵值大小进行表示,实现了CFRP感应加热温度场均匀性的量化分析,并通过有限元模型计算研究了线圈直径及线圈与材料间距对线圈中心区域温度场均匀性的影响,得到了中心区域温度场均匀性与线圈直径及材料间距之间的关系曲线,为组合式线圈均匀加热CFRP提供了线圈直径及材料间距大小选择的理论依据。
基于频率变化预测玻璃纤维增强树脂复合材料层合板的剩余疲劳寿命
廖兴升, 梁智洪, 傅继阳, 江剑, 王财政, 张芝芳
2021, 38(10): 3323-3337. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201215.010
摘要:
复合材料结构在疲劳过程中的累积损伤将导致结构刚度下降,并进一步引起结构的动态参数如频率发生衰减。因此,可以将结构疲劳状态与结构频率联系起来,基于频率预测结构的剩余疲劳寿命。本文首先基于复合材料在纵向、横向和面内剪切三个方向的疲劳特性,结合ABAQUS与Umat子程序开发了三维有限元模型模拟复合材料层合板中的疲劳损伤演变,并构建了不同疲劳状态下对应的模态分析模型,由此获得了疲劳过程中的频率衰减曲线。之后,基于疲劳过程的频率变化量训练了人工神经网络,用于预测玻璃纤维增强复合材料层合板的剩余疲劳寿命。特别地,在当前的数值模型中为每个单元分配了符合高斯正态分布的材料属性,以模拟实际情况下复合材料性能的离散性。结果表明,疲劳模型数值模拟结果与已有文献的疲劳实验数据吻合,基于频率变化量训练的人工神经网络可以成功预测玻璃纤维增强复合材料试件的剩余疲劳寿命。
一种预测复合材料棘轮行为的循环塑性-损伤模型
成磊, 肖毅, 王杰, 薛元德
2021, 38(10): 3338-3350. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210115.002
摘要:
构建循环塑性本构模型并揭示其微观机制,目前仍然是复合材料力学研究富有挑战性的课题。本文提出了一种循环塑性-损伤模型,用以预测在循环载荷作用下纤维增强复合材料的应力-应变响应。该模型是在作者前期提出的描述非线性滞后行为的弹塑性本构模型的基础上的进一步扩展。它可以预测加载时的非线性响应、卸载和重加载时的迟滞行为及大量循环下的棘轮现象。作为基准问题验证,将Kawai等的实验数据与本文模型的数值预测进行了比较。结果表明,该模型能够模拟碳纤维/环氧树脂单向复合材料在偏轴循环加载下的棘轮行为。
汽车内饰用秸秆纤维/聚丙烯复合材料流变本构方程的建立
曾雄, 孟正华, 郭巍, 王金坤, 廖龙凤
2021, 38(10): 3351-3360. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201215.006
摘要:
以秸秆纤维/聚丙烯(PP)母粒和PP为主要原料,利用双螺杆挤出机共混挤出造粒制备了不同纤维含量的汽车内饰用秸秆纤维/PP复合材料。通过对复合材料的压力-比容-温度(PVT)特性和黏度特性进行测试分析,建立了不同秸秆纤维含量的秸秆纤维/PP复合材料的PVT曲线和黏度曲线,探讨了纤维含量对材料PVT特性和黏度特性的影响规律。分别使用修正的双域Tait状态方程和Cross-WLF黏度方程对PVT曲线和黏度曲线进行参数拟合;基于拟合结果的分析,最终建立了考虑秸秆纤维含量影响的修正PVT模型与黏度方程。基于Moldflow分析软件建立了材料属性文件,对某汽车门饰板进行了模流分析。结果表明,建立的复合材料流变方程可有效用于注塑成型数值模拟分析。
典型螺栓连接CFRP薄壁C型柱轴压失效行为:试验及数值模拟
解江, 宋山山, 牟浩蕾, 刘冰, 冯振宇
2021, 38(10): 3361-3372. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201215.001
摘要:
为了研究典型螺栓连接碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)薄壁C型柱的轴压失效模式及吸能特性,进行了5组不同铺层方式C型柱的准静态轴压试验,即[0/90]4s、[±45]4s、[±45/902/04]s、[±45/90/02/90/02]s、[90/±45/0]2s,获得其失效形貌及载荷-位移曲线。采用Lavadèze单层壳单元模型、Puck-Yamada失效准则、层间胶粘单元及螺栓模型,建立C型柱层合壳模型进行轴压仿真,并与试验失效形貌、载荷-位移曲线及吸能特性评估指标进行对比分析。结果表明:0°、±45°、90°纤维可以显著影响C型柱轴压失效模式及吸能特性。在轴压载荷下,±45°纤维铺设C型柱发生局部屈曲失效模式,吸能特性差。±45°纤维铺设在外部,0°和90°纤维交替铺设在内部的C型柱,其轴压失效过程平稳,吸能特性好。与C型柱轴压试验结果相比,层合壳模型获得的整体变形和局部失效形貌吻合较好,载荷-位移曲线变化趋势和吸能特性评价指标基本一致。研究结果对CFRP薄壁C型柱吸能设计具有一定的指导意义。
基于ABAQUS二次开发的球形破片侵彻UHMWPE软质防弹衣数值模拟
罗小豪, 温垚珂, 闫文敏, 曹岩枫, 董方栋
2021, 38(10): 3373-3386. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201215.003
摘要:
为准确模拟破片侵彻防弹衣的过程,揭示破片与软质防弹衣相互作用机制,本文基于ABAQUS用户子程序VUMAT编写了适用于模拟软质防弹衣材料力学性能的本构模型,建立了球形破片侵彻软质防弹衣的有限元模型,数值模拟结果与实验吻合较好。本构模型中材料失效模式数据表明,无纬布主要发生纤维拉伸、基体拉伸和压缩失效;在钢球侵彻防弹衣的初期,无纬布上的应力云图一般呈现较规则的圆形或椭圆形,然后再慢慢向四周扩散;钢球侵彻软质防弹衣的过程中伴随有较明显的纤维层间分层失效,未穿透的纤维层中也出现了分层的现象,分层面积从迎弹面到背弹面先减小后增大再减小。
金属基与陶瓷基复合材料
双屏蔽(B4C-W)/6061Al层状复合板设计与性能
连俊杰, 刘润爱, 陈洪胜, 王文先, 杨涛, 郑凡林
2021, 38(10): 3387-3393. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201225.001
摘要:
基于B4C和W良好的屏蔽中子和γ射线性能,采用6061铝合金作为基体,设计了一种新型双屏蔽(B4C-W)/6061Al层状复合材料,通过放电等离子烧结后加热轧制成板材,对制备的复合材料微观组织和力学性能进行了研究。结果表明,屏蔽组元B4C和W颗粒均匀地分布在6061Al基体中,层界面、B4C/Al、W/Al异质界面之间结合良好,无空隙和裂纹。在颗粒与基体界面处形成扩散层,扩散层的厚度约为6 μm (W/Al)和4 μm (W/Al)。轧制态的(B4C-W)/6061Al层状复合板的屈服强度(109 MPa)和极限抗拉强度(245 MPa)明显优于烧结态的复合材料,但断裂韧性降低。强度提高的原因主要是轧制后颗粒的二次分布、均匀性及界面结合强度提高,基体合金的晶粒尺寸减小,位错密度增加。层状复合板的断裂方式为基体合金的韧性断裂和颗粒的脆性断裂。
微/纳B4C增强6061Al复合材料微观结构及力学性能
刘瑞峰, 王文先, 赵威
2021, 38(10): 3394-3401. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201209.002
摘要:
采用先进粉末冶金技术(放电等离子烧结+热挤压)制备了三种体积分数(3vol%、5vol%、7vol%)的微/纳B4C增强6061Al复合材料,对不同制备阶段复合材料的微观组织(SEM、TEM、EBSD)进行观察分析,对复合材料的纳米压痕行为及拉伸性能进行测试。结果表明:烧结后B4C颗粒在基体中呈“网状”分布;挤压变形后B4C颗粒在基体实现弥散均匀分布。挤压变形后,纳米B4C在晶内及晶界均有分布,纳米B4C对位错的钉扎作用使得基体积累大量位错,提供驱动力并越过动态回复,使内部再结晶比例高达74%。当B4C体积分数为3vol%时,挤压态B4C/6061Al复合材料的抗拉强度、屈服强度及延伸率为219 MPa、88 MPa和22.5%,断裂形貌中呈现大量韧窝。
Li-Ni共掺尖晶石型LiMn2O4单晶多面体材料的制备及电化学性能
李萌, 刘红雷, 郭俊明, 向明武, 刘晓芳, 白红丽, 白玮
2021, 38(10): 3402-3411. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201215.002
摘要:
采用无焰燃烧法在500℃反应3 h,然后分别在600、650、700和750℃二次焙烧6 h制备了尖晶石型Li1.02Ni0.05Mn1.93O4正极材料。结果表明,不同焙烧温度制备的Li-Ni共掺材料没有改变LiMn2O4的立方尖晶石结构,且随着焙烧温度的升高,颗粒尺寸变大,结晶性提高。二次焙烧温度为700℃的Li1.02Ni0.05Mn1.93O4单晶多面体晶粒正极材料具有{111}、{110}和{100}面,且电化学性能较优,在1 C倍率下初始放电比容量为108.2 mA·h·g−1,循环500次后的容量保持率为76.8%;在5 C下首次放电比容量可达到99.0 mA·h·g−1,1000次循环后,仍能维持72.1%的容量保持率;在10 C下仍显示出71.3 mA·h·g−1的首次放电比容量及经500次循环后86.4%的容量保持率。并且其具有较大的Li+扩散系数和较小的表观活化能。Li-Ni共掺LiMn2O4单晶多面体材料能够有效抑制Jahn-Teller效应,减小Mn的溶解及增加Li+扩散通道,使材料的晶体结构稳定,提高倍率性能和循环性能。
二氧化钒-1, 4-双(苯并噁唑-2-基)萘复合薄膜及其热致变色和发光性能
秦成远, 高迎, 王程, 聂永, 徐慧妍, 李良, 苗金玲, 蒋绪川
2021, 38(10): 3412-3423. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210111.002
摘要:
二氧化钒(VO2)是一种较理想的可用于调节室内温度的热致变色智能玻璃材料。然而,VO2基智能玻璃涂层的应用一直受到其固有的令人不易接受的棕黄色等问题的限制。本文用1, 4-双(苯并噁唑-2-基)萘(KCB)与掺钨二氧化钒纳米颗粒制备了双层结构VO2-KCB复合薄膜,其中有机荧光分子KCB层吸收太阳光中的紫外线,发出蓝绿色荧光,使复合薄膜在太阳光下呈现浅蓝色或蓝绿色,以改善VO2薄膜固有的棕黄色。复合薄膜具有9%以上的太阳光调制能力ΔTsol,可见光透过率Tlum大于73%,且具有较好防紫外性能。这些性能将非常有利于进一步拓展VO2基智能玻璃涂层的实际应用。
SiC-BN层状陶瓷复合材料叠层方式优化设计
曾翔龙, 宗郑, 邓琼, 王波, 李玉龙, 张程煜
2021, 38(10): 3424-3431. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201215.005
摘要:
层状陶瓷复合材料可有效提高纯陶瓷材料的韧性,受到研究者的广泛关注。在材料设计阶段,通过优化叠层方式可显著提高层状陶瓷的力学性能。然而,在现有研究中缺乏叠层方式的优化设计方法。本研究采用基于复合梁模型的遗传算法得到了最优层厚比;针对SiC-BN层状陶瓷复合材料5∶ 1、10∶ 1和梯度体三种铺层形式采用流延成型结合无压烧结法进行材料制备,并进行了完好试件和含缺口试件的三点弯曲试验;基于宏观损伤分析对其增韧机制进行了分析。试验结果表明:通过解析方法计算得到的最优梯度体层状陶瓷的弯曲强度达到434.5 MPa。其力学性能相比于固定层厚比铺层方式有较大提高,同时还保持了较高的缺陷不敏感特性。进一步分析表明:受拉部分分布的较多软层和受压部分分布的较厚硬层是梯度体结构较好性能的重要原因。
考虑氧化损伤的陶瓷基复合材料弹性模量多尺度预测模型
李锦涛, 王波, 杨扬, 张程煜
2021, 38(10): 3432-3442. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210629.002
摘要:
分析了化学气相渗透(CVI)工艺制备的陶瓷基复合材料的氧化损伤演化规律,基于基体的微裂纹分布规律及界面、纤维、基体等组分氧化历程,建立了考虑温度、氧化时间影响的纤维和单胞两个尺度的弹性模量预测模型。预测结果表明,碳纤维(Cf)/SiC和SiC纤维(SiCf)/SiC复合材料的拉伸弹性模量随氧化温度升高和氧化时间的增长,下降趋势越明显。通过复合材料高温氧化后的力学性能试验,验证了弹性性能预测模型的正确性:BN界面的SiCf/SiC材料在1000℃不同时间氧化后预测结果与试验结果误差不超过2%;PyC界面的Cf/SiC在700℃不同时间氧化后预测结果与试验结果误差不超过7%。