2023年 第40卷 第1期
2023, 40(1): 1-12.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220512.005
摘要:
随着电子设备在军事、通讯、医疗、交通等领域的广泛应用，电磁干扰和电磁辐射问题日益加剧。电磁吸波材料可以将进入材料内部的电磁波能量转化为热能或其他形式的能量耗散掉，是一种直接有效的电磁污染防控手段。因此，国内外研究者围绕高性能吸波材料的开发及应用投入了大量研究。结合国内外研究现状对电磁吸波材料的吸收理论进行了简要概述，并对吸波材料的分类进行了总结归纳，重点探讨了吸波材料结构设计对电磁波吸收性能提升的作用机制，最后从吸波材料应用的“兼容化、复合化、智能化、环保化”方面对其发展趋势进行了展望，旨在为新型及高性能吸波材料的开发提供研究思路和理论依据。
随着电子设备在军事、通讯、医疗、交通等领域的广泛应用，电磁干扰和电磁辐射问题日益加剧。电磁吸波材料可以将进入材料内部的电磁波能量转化为热能或其他形式的能量耗散掉，是一种直接有效的电磁污染防控手段。因此，国内外研究者围绕高性能吸波材料的开发及应用投入了大量研究。结合国内外研究现状对电磁吸波材料的吸收理论进行了简要概述，并对吸波材料的分类进行了总结归纳，重点探讨了吸波材料结构设计对电磁波吸收性能提升的作用机制，最后从吸波材料应用的“兼容化、复合化、智能化、环保化”方面对其发展趋势进行了展望，旨在为新型及高性能吸波材料的开发提供研究思路和理论依据。
2023, 40(1): 13-37.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220419.008
摘要:
纤维增强复合材料具有优良的物理、化学和力学性能，在航空航天、汽车、新能源等高新技术领域应用广泛。相比传统钻铣刀具，磨料工具在纤维增强复合材料制孔时，加工后的分层、毛刺、撕裂及热损伤等缺陷更小，且磨料工具可以稳定加工硬度更高的纤维增强陶瓷基复合材料。首先，综述了纤维增强复合材料在磨削制孔过程中的切屑形成、磨削轴向力、磨削温度等磨削加工机制；其次，探讨了近年来国内外在纤维增强复合材料磨削制孔技术中的制孔加工缺陷及其评价方法；然后，分析了纤维增强复合材料磨削制孔质量及其影响因素；此外，综述了纤维增强复合材料磨削制孔刀具及其磨损机制等方面的研究现状；最后，对纤维增强复合材料磨削制孔加工技术研究进行了总结和展望。
纤维增强复合材料具有优良的物理、化学和力学性能，在航空航天、汽车、新能源等高新技术领域应用广泛。相比传统钻铣刀具，磨料工具在纤维增强复合材料制孔时，加工后的分层、毛刺、撕裂及热损伤等缺陷更小，且磨料工具可以稳定加工硬度更高的纤维增强陶瓷基复合材料。首先，综述了纤维增强复合材料在磨削制孔过程中的切屑形成、磨削轴向力、磨削温度等磨削加工机制；其次，探讨了近年来国内外在纤维增强复合材料磨削制孔技术中的制孔加工缺陷及其评价方法；然后，分析了纤维增强复合材料磨削制孔质量及其影响因素；此外，综述了纤维增强复合材料磨削制孔刀具及其磨损机制等方面的研究现状；最后，对纤维增强复合材料磨削制孔加工技术研究进行了总结和展望。
2023, 40(1): 38-50.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220512.004
摘要:
韧皮纤维是一种重要的非木质植物纤维，具有较好的力学性能和环境友好性，被广泛用于增强复合材料。在韧皮纤维细胞壁中，螺旋结构的纤维素被半纤维素、果胶、木质素等无定形基质聚合物包裹。随着纤维素微纤丝角度变化，形成了多薄层/壁层的细胞壁结构。这种不同层级细胞壁的组装构筑，对于韧皮纤维力学性能的产生与力学行为的表现均具有重要影响。本文总结了以麻为代表的韧皮纤维在组织层级、细胞层级、细胞壁层级及分子层级的结构特点；重点分析了不同微观尺度的构造特征对单轴拉伸过程中纤维力学行为的影响；最后对韧皮纤维层级结构与力学行为研究存在的问题及未来发展方向提出了建议和展望，以期为韧皮纤维的利用及多尺度仿生结构的构建提供新思路。
韧皮纤维是一种重要的非木质植物纤维，具有较好的力学性能和环境友好性，被广泛用于增强复合材料。在韧皮纤维细胞壁中，螺旋结构的纤维素被半纤维素、果胶、木质素等无定形基质聚合物包裹。随着纤维素微纤丝角度变化，形成了多薄层/壁层的细胞壁结构。这种不同层级细胞壁的组装构筑，对于韧皮纤维力学性能的产生与力学行为的表现均具有重要影响。本文总结了以麻为代表的韧皮纤维在组织层级、细胞层级、细胞壁层级及分子层级的结构特点；重点分析了不同微观尺度的构造特征对单轴拉伸过程中纤维力学行为的影响；最后对韧皮纤维层级结构与力学行为研究存在的问题及未来发展方向提出了建议和展望，以期为韧皮纤维的利用及多尺度仿生结构的构建提供新思路。
2023, 40(1): 51-61.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220412.001
摘要:
抗生素自发现至今，由于其可以阻碍细菌的生长，被广泛应用于预防和治疗细菌的感染疾病上。但是抗生素在畜牧业、农业等方面的滥用滥排导致抗生素污染，极大地威胁水源地的安全，导致细菌耐药性增强、给环境及人类健康带来重大的危害。因此，抗生素的检测近年来得到了广泛的关注，而大多抗生素都具有电化学活性。基于此，纳米修饰电极可以使抗生素在电解质中的电化学氧化或还原反应增强，从而促进其灵敏度的提高，使电化学传感器可以检测到各类抗生素。本文详细介绍了用于检测抗生素的各种纳米材料修饰电极的电化学传感器及其性能。最后，讨论了纳米材料电化学传感器在抗生素检测中面临的挑战和发展前景。
抗生素自发现至今，由于其可以阻碍细菌的生长，被广泛应用于预防和治疗细菌的感染疾病上。但是抗生素在畜牧业、农业等方面的滥用滥排导致抗生素污染，极大地威胁水源地的安全，导致细菌耐药性增强、给环境及人类健康带来重大的危害。因此，抗生素的检测近年来得到了广泛的关注，而大多抗生素都具有电化学活性。基于此，纳米修饰电极可以使抗生素在电解质中的电化学氧化或还原反应增强，从而促进其灵敏度的提高，使电化学传感器可以检测到各类抗生素。本文详细介绍了用于检测抗生素的各种纳米材料修饰电极的电化学传感器及其性能。最后，讨论了纳米材料电化学传感器在抗生素检测中面临的挑战和发展前景。
2023, 40(1): 62-71.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220415.002
摘要:
热固性聚酰亚胺树脂基复合材料已在航空航天领域得到了广泛的应用，然而随着航空航天技术的发展，传统有机聚酰亚胺基体树脂的耐温等级逐渐不足以达到飞行器的设计和应用需求，发展新型耐高温有机/无机杂化聚酰亚胺树脂成为国内外研究重点。本文总结了近年来国内外有机/无机杂化聚酰亚胺基体树脂的发展现状，重点从合成方法、结构设计与性能调控、固化过程和高温降解行为等方面对含笼状倍半硅氧烷聚酰亚胺、含碳硼烷聚酰亚胺和含硅氧烷聚酰亚胺的特点和耐热机制进行了介绍，并对有机/无机杂化聚酰亚胺树脂未来发展面临的挑战与机遇进行了讨论分析。
热固性聚酰亚胺树脂基复合材料已在航空航天领域得到了广泛的应用，然而随着航空航天技术的发展，传统有机聚酰亚胺基体树脂的耐温等级逐渐不足以达到飞行器的设计和应用需求，发展新型耐高温有机/无机杂化聚酰亚胺树脂成为国内外研究重点。本文总结了近年来国内外有机/无机杂化聚酰亚胺基体树脂的发展现状，重点从合成方法、结构设计与性能调控、固化过程和高温降解行为等方面对含笼状倍半硅氧烷聚酰亚胺、含碳硼烷聚酰亚胺和含硅氧烷聚酰亚胺的特点和耐热机制进行了介绍，并对有机/无机杂化聚酰亚胺树脂未来发展面临的挑战与机遇进行了讨论分析。
2023, 40(1): 72-82.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220112.002
摘要:
I型双悬臂梁(DCB)试验通常用于单向复合材料的层间抗拉性能研究，目标是测量I型层间断裂韧性，其可作为复合材料分层扩展及失效机制研究的重要输入参数。在DCB试验中必须经常暂停试验以实现多次测量裂纹长度，这不仅会对裂纹传播产生潜在影响，造成测量误差且多次反复试验的时效性较差。数字图像相关(DIC)测试技术应用于裂纹扩展长度测量具有实时跟踪、精确定位的优点，可有效提高I型断裂韧性试验的测量效率，但应用于非连续变形行为仍存在局限性，且易受到图像噪声的干扰，产生测量误差。本文发展了一种基于DIC测试技术的实时获取裂纹长度的检测方法，通过图像匹配算法获取试件的非连续变形位移场，并提出一种根据全局横向位移离散程度的辨别方法，实现了裂纹尖端的实时捕捉。再通过DCB试验，与传统测量方式对比，裂纹长度的测量误差平均不超过2.76%，验证了该方法的准确性和高效性，同时也克服了聚对苯撑苯并双噁唑 (PBO)/环氧树脂复合材料侧表面毛糙、散斑质量较差及纤维桥接对测量结果的干扰，最终获取了有效的I型层间断裂韧性初始值及稳态扩展值。
I型双悬臂梁(DCB)试验通常用于单向复合材料的层间抗拉性能研究，目标是测量I型层间断裂韧性，其可作为复合材料分层扩展及失效机制研究的重要输入参数。在DCB试验中必须经常暂停试验以实现多次测量裂纹长度，这不仅会对裂纹传播产生潜在影响，造成测量误差且多次反复试验的时效性较差。数字图像相关(DIC)测试技术应用于裂纹扩展长度测量具有实时跟踪、精确定位的优点，可有效提高I型断裂韧性试验的测量效率，但应用于非连续变形行为仍存在局限性，且易受到图像噪声的干扰，产生测量误差。本文发展了一种基于DIC测试技术的实时获取裂纹长度的检测方法，通过图像匹配算法获取试件的非连续变形位移场，并提出一种根据全局横向位移离散程度的辨别方法，实现了裂纹尖端的实时捕捉。再通过DCB试验，与传统测量方式对比，裂纹长度的测量误差平均不超过2.76%，验证了该方法的准确性和高效性，同时也克服了聚对苯撑苯并双噁唑 (PBO)/环氧树脂复合材料侧表面毛糙、散斑质量较差及纤维桥接对测量结果的干扰，最终获取了有效的I型层间断裂韧性初始值及稳态扩展值。
2023, 40(1): 83-95.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211223.001
摘要:
针对新一代航天器长时防隔热-高气动剪切的防热需求，以杂化酚醛树脂为基体、纤维布/纤维网胎逐层针刺结构为增强体，通过溶胶-凝胶工艺，制备出一种中密度-高强度-防隔热一体化的纳米孔树脂基复合材料(IPC-90)，系统研究了石英纤维(QF/IPC-90)和碳纤维(CF/IPC-90)对复合材料的微观结构、力学性能、静态隔热和烧蚀性能的影响，探讨了其在低-中-高温度下的烧蚀机制。结果表明：纤维布的引入使IPC-90具有优异的力学性能(拉伸曲强度 >120 MPa，弯曲强度 >90 MPa)；纳米孔基体和纤维网胎的引入使IPC-90在中密度(~0.95 g/cm3)下具有较低的热导率(室温热导率依次为0.089 W/(m∙K)和0.120 W/(m∙K))。在1000℃静态隔热试验中，两种材料均展现了较好的热稳定性和抗氧化性，其等效热导率分别为0.142 W/(m∙K)和0.186 W/(m∙K)。在2000℃以下氧-丙烷烧蚀试验中，QF/IPC-90和CF/IPC-90的烧蚀主要由基体热解、炭化收缩引起，其1600℃下的线烧蚀率依次为0.0208 mm/s和0.0133 mm/s；在2000℃ 以上氧-乙炔烧蚀试验中，CF/IPC-90的烧蚀由表面超高温炭化-升华主导，而QF/IPC-90则因石英纤维熔融导致其抗烧蚀性下降较为明显，两者在4.2 MW/m2下的线烧蚀率依次为0.073 mm/s和0.186 mm/s。
针对新一代航天器长时防隔热-高气动剪切的防热需求，以杂化酚醛树脂为基体、纤维布/纤维网胎逐层针刺结构为增强体，通过溶胶-凝胶工艺，制备出一种中密度-高强度-防隔热一体化的纳米孔树脂基复合材料(IPC-90)，系统研究了石英纤维(QF/IPC-90)和碳纤维(CF/IPC-90)对复合材料的微观结构、力学性能、静态隔热和烧蚀性能的影响，探讨了其在低-中-高温度下的烧蚀机制。结果表明：纤维布的引入使IPC-90具有优异的力学性能(拉伸曲强度 >120 MPa，弯曲强度 >90 MPa)；纳米孔基体和纤维网胎的引入使IPC-90在中密度(~0.95 g/cm3)下具有较低的热导率(室温热导率依次为0.089 W/(m∙K)和0.120 W/(m∙K))。在1000℃静态隔热试验中，两种材料均展现了较好的热稳定性和抗氧化性，其等效热导率分别为0.142 W/(m∙K)和0.186 W/(m∙K)。在2000℃以下氧-丙烷烧蚀试验中，QF/IPC-90和CF/IPC-90的烧蚀主要由基体热解、炭化收缩引起，其1600℃下的线烧蚀率依次为0.0208 mm/s和0.0133 mm/s；在2000℃ 以上氧-乙炔烧蚀试验中，CF/IPC-90的烧蚀由表面超高温炭化-升华主导，而QF/IPC-90则因石英纤维熔融导致其抗烧蚀性下降较为明显，两者在4.2 MW/m2下的线烧蚀率依次为0.073 mm/s和0.186 mm/s。
2023, 40(1): 96-108.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220225.002
摘要:
通过改变预制体结构衬纱取向的方法制备了几种含不同剪切角的纬编双轴向多层衬纱(Multilayered biaxial weft knitted，MBWK)织物增强复合材料。基于Arrhenius模型和Ozawa法设计了热氧老化试验，采用力学性能测试、DSC、FTIR和DMA测试对老化前后的试样热-物理性能进行了表征。实验结果表明：预制体的纱线剪切角不同，其复合材料受热氧老化后力学性能的保留率也显著不同，由于乙烯基酯树脂在热氧老化环境中会发生后固化现象，因此复合材料的弯曲模量在老化过程中呈现先增加后下降的趋势，而拉伸性能则受到增强体结构的影响，纤维/基体界面的结合力退化使拉伸模量在老化过程中持续下降；随着老化时间的延长，树脂的固化度逐渐增加，玻璃化转变温度Tg逐渐升高，储能模量峰值在老化初期由于分子链交联上升，老化后期分子链断裂占据主导作用致使峰值逐渐下降。
通过改变预制体结构衬纱取向的方法制备了几种含不同剪切角的纬编双轴向多层衬纱(Multilayered biaxial weft knitted，MBWK)织物增强复合材料。基于Arrhenius模型和Ozawa法设计了热氧老化试验，采用力学性能测试、DSC、FTIR和DMA测试对老化前后的试样热-物理性能进行了表征。实验结果表明：预制体的纱线剪切角不同，其复合材料受热氧老化后力学性能的保留率也显著不同，由于乙烯基酯树脂在热氧老化环境中会发生后固化现象，因此复合材料的弯曲模量在老化过程中呈现先增加后下降的趋势，而拉伸性能则受到增强体结构的影响，纤维/基体界面的结合力退化使拉伸模量在老化过程中持续下降；随着老化时间的延长，树脂的固化度逐渐增加，玻璃化转变温度Tg逐渐升高，储能模量峰值在老化初期由于分子链交联上升，老化后期分子链断裂占据主导作用致使峰值逐渐下降。
2023, 40(1): 109-118.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220223.001
摘要:
2.5D机织复合材料抗分层、耐冲击，在航空发动机结构上具有巨大的应用前景。本文对一种2.5D机织碳纤维增强双马树脂基复合材料经向和纬向试件，开展了不同名义应力水平下的一阶弯曲共振疲劳试验。试验结果表明：经向试件的振动疲劳性能优于纬向试件，随着应力水平的提高，经向和纬向试件的寿命明显缩短，而固有频率下降百分比增加，试件内部的损伤严重程度和损伤扩展速度都随之提高。2.5D机织复合材料经向和纬向试件在共振疲劳试验过程中的主要失效模式是纱线与基体之间脱粘造成的结构完整性丧失，从而导致试件的刚度持续下降。试件内部损伤的三维电子计算机断层扫描(Computerized tomography，CT)重构图像表明，损伤散布于试件工作段区域，应力水平越高，2.5D机织复合材料经向和纬向试件内部损伤范围越大，损伤程度越高，而且纬向试件内部损伤状态比经向试件严重。利用双对数线性寿命模型，对经向和纬向试件在不同名义应力水平下的共振疲劳试验数据进行拟合，得到2.5D机织复合材料经向和纬向试件共振疲劳应力-寿命(Stress-life，S-N)曲线的数学模型，得到的S-N曲线可用于预测2.5D机织复合材料的寿命。
2.5D机织复合材料抗分层、耐冲击，在航空发动机结构上具有巨大的应用前景。本文对一种2.5D机织碳纤维增强双马树脂基复合材料经向和纬向试件，开展了不同名义应力水平下的一阶弯曲共振疲劳试验。试验结果表明：经向试件的振动疲劳性能优于纬向试件，随着应力水平的提高，经向和纬向试件的寿命明显缩短，而固有频率下降百分比增加，试件内部的损伤严重程度和损伤扩展速度都随之提高。2.5D机织复合材料经向和纬向试件在共振疲劳试验过程中的主要失效模式是纱线与基体之间脱粘造成的结构完整性丧失，从而导致试件的刚度持续下降。试件内部损伤的三维电子计算机断层扫描(Computerized tomography，CT)重构图像表明，损伤散布于试件工作段区域，应力水平越高，2.5D机织复合材料经向和纬向试件内部损伤范围越大，损伤程度越高，而且纬向试件内部损伤状态比经向试件严重。利用双对数线性寿命模型，对经向和纬向试件在不同名义应力水平下的共振疲劳试验数据进行拟合，得到2.5D机织复合材料经向和纬向试件共振疲劳应力-寿命(Stress-life，S-N)曲线的数学模型，得到的S-N曲线可用于预测2.5D机织复合材料的寿命。
2023, 40(1): 119-130.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220221.001
摘要:
以弹道防护用超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE)纤维增强热塑性树脂基复合材料作为研究对象，通过热压工艺制备单向正交结构的复合材料层压板。基于自主设计的拉伸试验装置，开展UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在宏观尺度和准细观尺度上的面内拉伸试验，研究其面内拉伸力学性能及失效模式。研究结果显示：弹道防护用UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在准细观尺度上的面内拉伸力学性能是其本征性能；随着偏轴角度的增加，拉伸断裂强度呈现指数型下降，这是由于失效模式由纤维的拉伸断裂破坏转变为纤维-树脂基体的界面破坏；此外，其在宏观尺度上的拉伸破坏强度比在准细观尺度上的拉伸断裂强度降低了50.52%，这是由于宏观尺度上的面内拉伸力学响应是其面内拉伸变形和层间分层破坏的耦合结果，即层压板的叠层效应。
以弹道防护用超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE)纤维增强热塑性树脂基复合材料作为研究对象，通过热压工艺制备单向正交结构的复合材料层压板。基于自主设计的拉伸试验装置，开展UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在宏观尺度和准细观尺度上的面内拉伸试验，研究其面内拉伸力学性能及失效模式。研究结果显示：弹道防护用UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在准细观尺度上的面内拉伸力学性能是其本征性能；随着偏轴角度的增加，拉伸断裂强度呈现指数型下降，这是由于失效模式由纤维的拉伸断裂破坏转变为纤维-树脂基体的界面破坏；此外，其在宏观尺度上的拉伸破坏强度比在准细观尺度上的拉伸断裂强度降低了50.52%，这是由于宏观尺度上的面内拉伸力学响应是其面内拉伸变形和层间分层破坏的耦合结果，即层压板的叠层效应。
2023, 40(1): 131-140.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220124.001
摘要:
聚酰亚胺是先进复合材料重要的基体材料之一。在聚酰亚胺主链中成功引入碳硼烷笼状单元，制备出一系列有机-无机杂化的聚酰亚胺材料。从单体设计入手，设计合成了含邻碳硼烷单元的二胺单体(DNCB)，再与4,4'-二氨基二苯醚(ODA)和3,3',4,4'-苯甲酮四羧酸二酐(BTDA)进行共聚反应，合成前驱体聚酰胺酸(PAA)溶液并制备PAA薄膜，再经高温热亚胺化处理得到含碳硼烷单元的聚酰亚胺。对制备的聚酰亚胺材料的耐热性能和耐热氧化稳定性进行了系统研究，结果表明，碳硼烷单元的引入使聚酰亚胺基体的热稳定性和热氧化稳定性得到显著提升。当二胺单体中DNCB摩尔分数为40%时，N2气氛下，5wt% 热失重温度T5%提升近13℃，T10%提升近43℃，质量残留率高达82.6wt%；空气氛围下，T5%提升近36℃，T10%提升近64℃，质量残留率高达83.1wt%。X-射线光电子能谱(XPS)及扫描电镜(SEM)结果表明在聚酰亚胺主链中引入碳硼烷笼状单元后在高温环境中易在材料表面形成氧化硼(B2O3)钝化层，从而显著提升材料的耐热氧化稳定性。
聚酰亚胺是先进复合材料重要的基体材料之一。在聚酰亚胺主链中成功引入碳硼烷笼状单元，制备出一系列有机-无机杂化的聚酰亚胺材料。从单体设计入手，设计合成了含邻碳硼烷单元的二胺单体(DNCB)，再与4,4'-二氨基二苯醚(ODA)和3,3',4,4'-苯甲酮四羧酸二酐(BTDA)进行共聚反应，合成前驱体聚酰胺酸(PAA)溶液并制备PAA薄膜，再经高温热亚胺化处理得到含碳硼烷单元的聚酰亚胺。对制备的聚酰亚胺材料的耐热性能和耐热氧化稳定性进行了系统研究，结果表明，碳硼烷单元的引入使聚酰亚胺基体的热稳定性和热氧化稳定性得到显著提升。当二胺单体中DNCB摩尔分数为40%时，N2气氛下，5wt% 热失重温度T5%提升近13℃，T10%提升近43℃，质量残留率高达82.6wt%；空气氛围下，T5%提升近36℃，T10%提升近64℃，质量残留率高达83.1wt%。X-射线光电子能谱(XPS)及扫描电镜(SEM)结果表明在聚酰亚胺主链中引入碳硼烷笼状单元后在高温环境中易在材料表面形成氧化硼(B2O3)钝化层，从而显著提升材料的耐热氧化稳定性。
2023, 40(1): 141-150.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220315.001
摘要:
碳纤维增强复合材料 (CFRP)传动轴因性能优越广泛应用于汽车、航空航天、船舶、冷却塔风机等轻量化领域，但其钻削过程中容易出现毛刺、分层等缺陷。为了揭示CFRP管面钻削缺陷形成机制，选择双锋角钻头和三尖二刃钻对CFRP管面钻孔，利用分步钻削盲孔和通孔的方法，分析了损伤部位的受力情况，揭示了入口撕裂、出口毛刺和分层产生原因。根据实验结果，发现双锋角钻头钻孔时入口撕裂损伤较大，损伤位置在钻头与管面接触最低点，且主要是那部分水平缠绕CFRP管的纤维，原因是水平缠绕的纤维屈曲变形最大，对切削力更加敏感。双锋角钻头和三尖二刃钻的横刃对孔最终出口分层没有影响，主切削刃的切削行为决定孔最终出口分层。相同钻头钻孔时，轴向力不是唯一影响分层因子的因素，还需考虑切削热。相比双锋角钻头，三尖二刃钻因锋利的外缘尖角能有效划断纤维，使出口分层较小。
碳纤维增强复合材料 (CFRP)传动轴因性能优越广泛应用于汽车、航空航天、船舶、冷却塔风机等轻量化领域，但其钻削过程中容易出现毛刺、分层等缺陷。为了揭示CFRP管面钻削缺陷形成机制，选择双锋角钻头和三尖二刃钻对CFRP管面钻孔，利用分步钻削盲孔和通孔的方法，分析了损伤部位的受力情况，揭示了入口撕裂、出口毛刺和分层产生原因。根据实验结果，发现双锋角钻头钻孔时入口撕裂损伤较大，损伤位置在钻头与管面接触最低点，且主要是那部分水平缠绕CFRP管的纤维，原因是水平缠绕的纤维屈曲变形最大，对切削力更加敏感。双锋角钻头和三尖二刃钻的横刃对孔最终出口分层没有影响，主切削刃的切削行为决定孔最终出口分层。相同钻头钻孔时，轴向力不是唯一影响分层因子的因素，还需考虑切削热。相比双锋角钻头，三尖二刃钻因锋利的外缘尖角能有效划断纤维，使出口分层较小。
2023, 40(1): 151-159.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220225.001
摘要:
利用热应力、DSC、FTIR、元素分析(EA)、XRD及力学性能、密度等测试表征手段，结合小丝束(24K)聚丙烯腈(PAN)原丝，解析了大丝束(48K) PAN原丝的热反应特性，并采用50 min连续预氧化制备高性能大丝束碳纤维，研究了大丝束PAN原丝连续预氧化过程中的结构性能演变规律。结果表明，大丝束PAN纤维的化学热应力是小丝束的1.13~1.43倍，且启动温度更低，当温度为250℃时，化学热应力差值最大，对应大丝束纤维密度为1.316 g/cm3；纤维内准晶区在反应初期即大量转化为无定形状态，准晶区晶粒尺寸呈现先增大后减小的趋势；50 min连续预氧化制备的大丝束碳纤维单丝拉伸强度和拉伸模量分别为4 240 MPa和244 GPa，相关力学性能达到市售国外大丝束碳纤维同等水平。
利用热应力、DSC、FTIR、元素分析(EA)、XRD及力学性能、密度等测试表征手段，结合小丝束(24K)聚丙烯腈(PAN)原丝，解析了大丝束(48K) PAN原丝的热反应特性，并采用50 min连续预氧化制备高性能大丝束碳纤维，研究了大丝束PAN原丝连续预氧化过程中的结构性能演变规律。结果表明，大丝束PAN纤维的化学热应力是小丝束的1.13~1.43倍，且启动温度更低，当温度为250℃时，化学热应力差值最大，对应大丝束纤维密度为1.316 g/cm3；纤维内准晶区在反应初期即大量转化为无定形状态，准晶区晶粒尺寸呈现先增大后减小的趋势；50 min连续预氧化制备的大丝束碳纤维单丝拉伸强度和拉伸模量分别为4 240 MPa和244 GPa，相关力学性能达到市售国外大丝束碳纤维同等水平。
2023, 40(1): 160-170.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211215.002
摘要:
电子电器设备中元器件的高密度集成使得散热问题日益突出，对导热材料的需求不断增长。本文以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为基体，六方氮化硼(h-BN)作为导热填料，通过熔融共混法制备h-BN/PET复合材料，考察了h-BN含量和PET基体聚集态结构对复合材料导热性能的影响，分析了复合材料的导热机制，并从材料应用的角度探讨了复合材料导热系数的温度依赖性和散热效果。结果表明，PET基体的结晶度和h-BN含量对复合材料的最终导热系数均有贡献，复合材料的导热系数随结晶度和h-BN含量的增加而提升。h-BN发挥了异相成核作用，显著加快了PET的结晶速度，提高了PET的结晶度。模压成型中h-BN受剪切应力驱使在PET基体中沿流动方向取向，导致复合材料呈现明显的各向异性特征。面内方向h-BN的有序排列为声子提供了更为通畅的传导通道。当h-BN含量为50wt%时，复合材料的面内与面间导热系数分别达到最大值3.00 W·(m·K)−1和2.19 W·(m·K)−1。h-BN/PET复合材料具有良好的散热效果，h-BN含量越高，复合材料的冷却速率越快，散热过程中温度下降符合指数函数规律。
电子电器设备中元器件的高密度集成使得散热问题日益突出，对导热材料的需求不断增长。本文以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为基体，六方氮化硼(h-BN)作为导热填料，通过熔融共混法制备h-BN/PET复合材料，考察了h-BN含量和PET基体聚集态结构对复合材料导热性能的影响，分析了复合材料的导热机制，并从材料应用的角度探讨了复合材料导热系数的温度依赖性和散热效果。结果表明，PET基体的结晶度和h-BN含量对复合材料的最终导热系数均有贡献，复合材料的导热系数随结晶度和h-BN含量的增加而提升。h-BN发挥了异相成核作用，显著加快了PET的结晶速度，提高了PET的结晶度。模压成型中h-BN受剪切应力驱使在PET基体中沿流动方向取向，导致复合材料呈现明显的各向异性特征。面内方向h-BN的有序排列为声子提供了更为通畅的传导通道。当h-BN含量为50wt%时，复合材料的面内与面间导热系数分别达到最大值3.00 W·(m·K)−1和2.19 W·(m·K)−1。h-BN/PET复合材料具有良好的散热效果，h-BN含量越高，复合材料的冷却速率越快，散热过程中温度下降符合指数函数规律。
2023, 40(1): 171-179.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220126.003
摘要:
硅碳负极是未来锂离子电池材料发展的重点方向之一，本文针对传统球磨法制备硅碳负极复合不均匀、界面融合差等问题，提出了一种超临界二氧化碳(scCO2)流体介质球磨合成Si-Fe-Fe3O4-C复合材料的新方法。研究发现，纳米硅和中间相碳微球(MCMB)在scCO2介质球磨混合过程中，CO2和Fe反应先得到均匀分散的Si-FeCO3-C前驱体，然后FeCO3原位高温固相分解得到Si-Fe-Fe3O4-C复合材料。同时，在scCO2流体渗透下，MCMB剥离成石墨片，并与纳米硅和Fe-Fe3O4实现较好的界面融合，Fe-Fe3O4的引入显著提升了硅碳负极的储锂容量、循环稳定性和倍率性能，Si-Fe-Fe3O4-C复合材料在0.2 A·g−1下100次循环后可逆容量保持在1065 mA·h·g−1。本方法利用超临界流体渗透性好、扩散能力强等特点，合成工艺简便，容易工业化实施，具有商业化开发潜力。
硅碳负极是未来锂离子电池材料发展的重点方向之一，本文针对传统球磨法制备硅碳负极复合不均匀、界面融合差等问题，提出了一种超临界二氧化碳(scCO2)流体介质球磨合成Si-Fe-Fe3O4-C复合材料的新方法。研究发现，纳米硅和中间相碳微球(MCMB)在scCO2介质球磨混合过程中，CO2和Fe反应先得到均匀分散的Si-FeCO3-C前驱体，然后FeCO3原位高温固相分解得到Si-Fe-Fe3O4-C复合材料。同时，在scCO2流体渗透下，MCMB剥离成石墨片，并与纳米硅和Fe-Fe3O4实现较好的界面融合，Fe-Fe3O4的引入显著提升了硅碳负极的储锂容量、循环稳定性和倍率性能，Si-Fe-Fe3O4-C复合材料在0.2 A·g−1下100次循环后可逆容量保持在1065 mA·h·g−1。本方法利用超临界流体渗透性好、扩散能力强等特点，合成工艺简便，容易工业化实施，具有商业化开发潜力。
2023, 40(1): 180-191.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220117.004
摘要:
为了改善氧化亚铜(Cu2O)的光催化性能，将Cu2O颗粒和聚乙烯醇(PVA)同时加入纳米纤维素(CNF)中，成功制备了具有三维(3D)多孔结构和丰富活性位点的功能化纤维素基气凝胶(Cu2O-PVA/CNF)。采用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射仪、全自动比表面积、压缩测试对气凝胶样品进行了表征。以降解亚甲基蓝(MB)为模型污染物，评价了Cu2O-PVA/CNF复合催化剂的光催化性能，考察了6wt%Cu2O-PVA/CNF在不同初始浓度、不同催化剂用量及不同溶液pH条件下对MB光降解效率的影响。结果表明，三维多孔的纤维素气凝胶的使用提高了对MB的吸附能力，延长了对可见光的吸收。特别是在纤维素基体中掺杂的Cu2O在光照下激发出电子-空穴，增加了活性位点，从而提高了催化能力。6wt%Cu2O-PVA/CNF复合催化剂对MB的光降解率达到95.6%，远高于纯Cu2O的79.6%。Cu2O-PVA/CNF复合催化剂的光降解过程遵循表观准一级动力学模型。此外，与纯CNF气凝胶相比，PVA的加入使其压缩强度提高了4.4倍。该催化剂经5次光催化循环后再利用，对MB的可见光催化降解率仍能达到71.06%。这种Cu2O-PVA/CNF复合材料有利于用太阳辐射处理染料废水。
为了改善氧化亚铜(Cu2O)的光催化性能，将Cu2O颗粒和聚乙烯醇(PVA)同时加入纳米纤维素(CNF)中，成功制备了具有三维(3D)多孔结构和丰富活性位点的功能化纤维素基气凝胶(Cu2O-PVA/CNF)。采用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射仪、全自动比表面积、压缩测试对气凝胶样品进行了表征。以降解亚甲基蓝(MB)为模型污染物，评价了Cu2O-PVA/CNF复合催化剂的光催化性能，考察了6wt%Cu2O-PVA/CNF在不同初始浓度、不同催化剂用量及不同溶液pH条件下对MB光降解效率的影响。结果表明，三维多孔的纤维素气凝胶的使用提高了对MB的吸附能力，延长了对可见光的吸收。特别是在纤维素基体中掺杂的Cu2O在光照下激发出电子-空穴，增加了活性位点，从而提高了催化能力。6wt%Cu2O-PVA/CNF复合催化剂对MB的光降解率达到95.6%，远高于纯Cu2O的79.6%。Cu2O-PVA/CNF复合催化剂的光降解过程遵循表观准一级动力学模型。此外，与纯CNF气凝胶相比，PVA的加入使其压缩强度提高了4.4倍。该催化剂经5次光催化循环后再利用，对MB的可见光催化降解率仍能达到71.06%。这种Cu2O-PVA/CNF复合材料有利于用太阳辐射处理染料废水。
2023, 40(1): 192-200.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220214.003
摘要:
软@硬复合炭结构有助于协同改善炭负极材料的电化学储钾性能，但目前对不同复合结构对电化学储钾性能的影响规律仍缺乏系统研究。有鉴于此，将罗丹宁和嵌段共聚物F127作为硬炭前驱体，煤沥青热挥发份作为软炭前驱体，通过共炭化与气相沉积的协同使用，开发硬炭、软/硬三维杂化炭结构、软炭壳@硬炭核复合结构，并研究3种结构对电化学储钾性能的影响。软炭壳@硬炭核复合材料具有高可逆容量(0.05 A·g−1下容量为365 mA·h·g−1)、高循环稳定性(100圈循环后容量保持率为80%)、高倍率性能(1 A·g−1下容量为177 mA·h·g−1)的特征。硬炭核丰富的缺陷活性位点可提高复合材料储钾容量。软炭壳的涡轮碳结构可覆盖硬炭表面缺陷，促进钾离子去溶剂化嵌入以改善循环稳定性。此外，高导电性软炭壳可改善电荷交换，进而提高复合材料的倍率性能并缓解电压滞后。得益于软炭与硬炭复合结构的协同储钾机制，软炭壳@硬炭核复合材料表现出明显优于硬炭的电化学储钾性能。
软@硬复合炭结构有助于协同改善炭负极材料的电化学储钾性能，但目前对不同复合结构对电化学储钾性能的影响规律仍缺乏系统研究。有鉴于此，将罗丹宁和嵌段共聚物F127作为硬炭前驱体，煤沥青热挥发份作为软炭前驱体，通过共炭化与气相沉积的协同使用，开发硬炭、软/硬三维杂化炭结构、软炭壳@硬炭核复合结构，并研究3种结构对电化学储钾性能的影响。软炭壳@硬炭核复合材料具有高可逆容量(0.05 A·g−1下容量为365 mA·h·g−1)、高循环稳定性(100圈循环后容量保持率为80%)、高倍率性能(1 A·g−1下容量为177 mA·h·g−1)的特征。硬炭核丰富的缺陷活性位点可提高复合材料储钾容量。软炭壳的涡轮碳结构可覆盖硬炭表面缺陷，促进钾离子去溶剂化嵌入以改善循环稳定性。此外，高导电性软炭壳可改善电荷交换，进而提高复合材料的倍率性能并缓解电压滞后。得益于软炭与硬炭复合结构的协同储钾机制，软炭壳@硬炭核复合材料表现出明显优于硬炭的电化学储钾性能。
2023, 40(1): 201-211.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220216.001
摘要:
农药污染严重危害生态环境和饮用水安全。采用溶剂热法制备一种新型高效的BiOI/BiOBr0.9I0.1光催化剂。通过XRD、SEM、XPS、UV-vis DRS、PL、EIS等手段表征其结构、形貌和光学性能等理化性质。制备的BiOI/BiOBr0.9I0.1呈团簇状堆积结构，有助于活性位点的增加，固溶体和异质结两种策略的结合拓宽了BiOBr的光响应范围，有效防止光生电子-空穴对在BiOI/BiOBr0.9I0.1内部复合并提高产生光生载流子的氧化还原能力。光催化实验结果表明，合成的15wt%BiOI/BiOBr0.9I0.1在可见光下对2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)有最佳的光催化性能，120 min降解2,4-D效率最高可达95%，4次循环实验后降解率仍达到80.9%。结合捕获实验与电子自旋共振(ESR)技术结果可以证实•O2−和h+是主要的活性物种。制备的BiOBr0.9I0.1能有效调节BiOBr能带结构。BiOBr0.9I0.1和BiOI构成的异质结符合Z型异质结特点，构建异质结和固溶体两方法之间可在增强BiOBr光催化活性上产生协同作用。
农药污染严重危害生态环境和饮用水安全。采用溶剂热法制备一种新型高效的BiOI/BiOBr0.9I0.1光催化剂。通过XRD、SEM、XPS、UV-vis DRS、PL、EIS等手段表征其结构、形貌和光学性能等理化性质。制备的BiOI/BiOBr0.9I0.1呈团簇状堆积结构，有助于活性位点的增加，固溶体和异质结两种策略的结合拓宽了BiOBr的光响应范围，有效防止光生电子-空穴对在BiOI/BiOBr0.9I0.1内部复合并提高产生光生载流子的氧化还原能力。光催化实验结果表明，合成的15wt%BiOI/BiOBr0.9I0.1在可见光下对2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)有最佳的光催化性能，120 min降解2,4-D效率最高可达95%，4次循环实验后降解率仍达到80.9%。结合捕获实验与电子自旋共振(ESR)技术结果可以证实•O2−和h+是主要的活性物种。制备的BiOBr0.9I0.1能有效调节BiOBr能带结构。BiOBr0.9I0.1和BiOI构成的异质结符合Z型异质结特点，构建异质结和固溶体两方法之间可在增强BiOBr光催化活性上产生协同作用。
2023, 40(1): 212-218.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220225.004
摘要:
随着环境污染问题的不断加剧，瓶片基再生聚酯纤维的开发和应用具有重要意义。本文以再生聚酯中空纤维和皮芯型热粘合纤维为原料，通过热风固结成型制备具有多尺度微孔的吸声材料，表征了聚酯中空纤维的结构与性能，此外采用驻波管法研究了中空纤维的线密度与吸声效果的关系，并提出了“多级”吸声理论。结果表明，线密度为10 D的中空纤维具有最大的中空度，最好的韧性，最优的吸声效果；吸声系数和降噪系数随厚度的增加线性增加，当厚度为2 cm时，降噪系数(NRC)大于0.5 ，有望成为理想的吸声材料。
随着环境污染问题的不断加剧，瓶片基再生聚酯纤维的开发和应用具有重要意义。本文以再生聚酯中空纤维和皮芯型热粘合纤维为原料，通过热风固结成型制备具有多尺度微孔的吸声材料，表征了聚酯中空纤维的结构与性能，此外采用驻波管法研究了中空纤维的线密度与吸声效果的关系，并提出了“多级”吸声理论。结果表明，线密度为10 D的中空纤维具有最大的中空度，最好的韧性，最优的吸声效果；吸声系数和降噪系数随厚度的增加线性增加，当厚度为2 cm时，降噪系数(NRC)大于0.5 ，有望成为理想的吸声材料。
2023, 40(1): 219-231.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220117.001
摘要:
为解决磁性纳米Fe3O4易被腐蚀、团聚等问题，可对其进行功能化修饰。在超声波辐照下首先制备磁性纳米Fe3O4颗粒，然后选用2,5-二氨基苯磺酸(SP)和间苯二胺(mPD)单体为引入剂进行功能化修饰，制备得到富含氨基、磺酸基和亚氨基活性官能团的金属基复合材料Fe3O4-mPD/SP(95∶5)，并采用FTIR、TEM、XRD等手段对其进行表征，证实了超声波辐照法制得的磁性纳米复合材料具有稳定性好、反应活性高、粒径小和比表面积更大等特点。同时考察其对Pb(II)的吸附性能，结果表明：mPD和SP摩尔比、溶液pH值、竞争性阳离子种类和反应温度等因素均会影响吸附效果；等温吸附过程符合Freundlich模型，吉布斯自由能∆G0<0，吸附是一个自发过程；Pb(II)的吸附行为符合准二级动力学，速率常数k2=3.61×10−3 g·mg−1·min−1，平衡吸附量qe=63.297 mg·g−1；推测得到吸附机制主要为离子交换、络合吸附和静电引力等。
为解决磁性纳米Fe3O4易被腐蚀、团聚等问题，可对其进行功能化修饰。在超声波辐照下首先制备磁性纳米Fe3O4颗粒，然后选用2,5-二氨基苯磺酸(SP)和间苯二胺(mPD)单体为引入剂进行功能化修饰，制备得到富含氨基、磺酸基和亚氨基活性官能团的金属基复合材料Fe3O4-mPD/SP(95∶5)，并采用FTIR、TEM、XRD等手段对其进行表征，证实了超声波辐照法制得的磁性纳米复合材料具有稳定性好、反应活性高、粒径小和比表面积更大等特点。同时考察其对Pb(II)的吸附性能，结果表明：mPD和SP摩尔比、溶液pH值、竞争性阳离子种类和反应温度等因素均会影响吸附效果；等温吸附过程符合Freundlich模型，吉布斯自由能∆G0<0，吸附是一个自发过程；Pb(II)的吸附行为符合准二级动力学，速率常数k2=3.61×10−3 g·mg−1·min−1，平衡吸附量qe=63.297 mg·g−1；推测得到吸附机制主要为离子交换、络合吸附和静电引力等。
2023, 40(1): 232-243.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220120.007
摘要:
为实现对隔震支座工作性能的有效监测，采用开炼法制备了多壁碳纳米管(MWCNT)/天然橡胶(NR)复合材料，研究了该复合材料在恒应变和间歇加载下的电阻-应变响应行为。结果表明： MWCNT/NR复合材料电阻-应变响应稳定性、重复性、单调性、对称性及“肩峰”效应依赖恒应变载荷；随着间歇时间的增加电阻变化幅值趋于稳定，所建立的理论模型能有效预测该幅值变化。不同脱层形式下MWCNT/NR复合材料表现出不同的压阻行为，采用Digimat和Workbench解释了其响应机制。基于MWCNT导电网络和橡胶材料黏弹性，一个能够完整表征和预测循环电阻-应变响应的数学模型被提出和验证，模型拟合结果与实验结果高度吻合，为实现MWCNT/NR复合材料的工业应用奠定理论基础。
为实现对隔震支座工作性能的有效监测，采用开炼法制备了多壁碳纳米管(MWCNT)/天然橡胶(NR)复合材料，研究了该复合材料在恒应变和间歇加载下的电阻-应变响应行为。结果表明： MWCNT/NR复合材料电阻-应变响应稳定性、重复性、单调性、对称性及“肩峰”效应依赖恒应变载荷；随着间歇时间的增加电阻变化幅值趋于稳定，所建立的理论模型能有效预测该幅值变化。不同脱层形式下MWCNT/NR复合材料表现出不同的压阻行为，采用Digimat和Workbench解释了其响应机制。基于MWCNT导电网络和橡胶材料黏弹性，一个能够完整表征和预测循环电阻-应变响应的数学模型被提出和验证，模型拟合结果与实验结果高度吻合，为实现MWCNT/NR复合材料的工业应用奠定理论基础。
2023, 40(1): 244-254.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220120.005
摘要:
为了应对日益频发的溢油事故，实现含油水体的净化，通过高内相Pickering乳液模板法制备了FeNi2O4掺杂的甲基丙烯酸乙烯酯-二乙烯苯共聚物多孔材料。采用FTIR、SEM、TGA、VSM、接触角测量仪、静态压汞仪、万能试验机等对材料结构与性能进行表征与分析。结果表明，材料具有三维分级多孔结构，孔径主要分布于3 μm及6~14 μm且大孔孔径可调节。材料热稳定性好，初始热分解温度最高达300℃。FeNi2O4纳米粒子的引入不仅提升了乳液稳定性，也赋予材料磁响应性。材料具有良好的疏水亲油性，水接触角达151°、滚动角为5°、油接触角为0°，吸油速率快，并具有良好的重复利用性和优异的油水吸附选择性，对多种油品及有机溶剂的饱和吸附倍率达40.80~93.08 g·g−1，且保油率均在90%以上。探究了材料的孔结构调控，发现，改变乳液的内相比可以调节材料的大孔分布、孔隙率、密度、比表面积、吸油倍率和力学性能。综上说明：超疏水FeNi2O4/甲基丙烯酸乙烯酯-二乙烯苯共聚物多孔材料可以高效分离水中油污，对水体环境的治理与净化具有现实意义。
为了应对日益频发的溢油事故，实现含油水体的净化，通过高内相Pickering乳液模板法制备了FeNi2O4掺杂的甲基丙烯酸乙烯酯-二乙烯苯共聚物多孔材料。采用FTIR、SEM、TGA、VSM、接触角测量仪、静态压汞仪、万能试验机等对材料结构与性能进行表征与分析。结果表明，材料具有三维分级多孔结构，孔径主要分布于3 μm及6~14 μm且大孔孔径可调节。材料热稳定性好，初始热分解温度最高达300℃。FeNi2O4纳米粒子的引入不仅提升了乳液稳定性，也赋予材料磁响应性。材料具有良好的疏水亲油性，水接触角达151°、滚动角为5°、油接触角为0°，吸油速率快，并具有良好的重复利用性和优异的油水吸附选择性，对多种油品及有机溶剂的饱和吸附倍率达40.80~93.08 g·g−1，且保油率均在90%以上。探究了材料的孔结构调控，发现，改变乳液的内相比可以调节材料的大孔分布、孔隙率、密度、比表面积、吸油倍率和力学性能。综上说明：超疏水FeNi2O4/甲基丙烯酸乙烯酯-二乙烯苯共聚物多孔材料可以高效分离水中油污，对水体环境的治理与净化具有现实意义。
2023, 40(1): 255-269.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220101.001
摘要:
粉末状LaFeO3材料具有易团聚、分离困难等缺点，规模化应用中受到限制。聚苯乙烯树脂(PS)上沉积粉末状催化剂，弥补了以上粉末材料的不足。为此，本文采用超声辅助溶胶-凝胶和水热法，在PS上沉积了自组装形成的LaFeO3凝胶微球，制得了LaFeO3/PS催化剂，并对其结构和性能进行了系统的研究。LaFeO3凝胶微球在PS上的分散分布使LaFeO3的禁带宽度变宽，从而增加了氧化还原能力，并解决了催化剂团聚等问题，提高了LaFeO3的光芬顿催化活性。在La∶Fe∶柠檬酸(CA)摩尔比=1∶1∶2、超声40 min、水热时间18 h、水热温度90℃、LaFeO3起始剂/PS质量比=32∶1的制备条件制得的复合材料，在可见光下催化芬顿降解盐酸四环素(TC)，TC的去除率可达96.51%(降解速率k=0.0160 min−1)。自由基捕获实验表明，•O2−是主要活性物种。结合捕获实验提出了TC的降解机制。通过LC/MS分析，得到了TC的降解路径。该技术提高了催化剂的稳定性，高效利用了太阳能，是一种很有前途的有机污染物降解技术。
粉末状LaFeO3材料具有易团聚、分离困难等缺点，规模化应用中受到限制。聚苯乙烯树脂(PS)上沉积粉末状催化剂，弥补了以上粉末材料的不足。为此，本文采用超声辅助溶胶-凝胶和水热法，在PS上沉积了自组装形成的LaFeO3凝胶微球，制得了LaFeO3/PS催化剂，并对其结构和性能进行了系统的研究。LaFeO3凝胶微球在PS上的分散分布使LaFeO3的禁带宽度变宽，从而增加了氧化还原能力，并解决了催化剂团聚等问题，提高了LaFeO3的光芬顿催化活性。在La∶Fe∶柠檬酸(CA)摩尔比=1∶1∶2、超声40 min、水热时间18 h、水热温度90℃、LaFeO3起始剂/PS质量比=32∶1的制备条件制得的复合材料，在可见光下催化芬顿降解盐酸四环素(TC)，TC的去除率可达96.51%(降解速率k=0.0160 min−1)。自由基捕获实验表明，•O2−是主要活性物种。结合捕获实验提出了TC的降解机制。通过LC/MS分析，得到了TC的降解路径。该技术提高了催化剂的稳定性，高效利用了太阳能，是一种很有前途的有机污染物降解技术。
2023, 40(1): 270-279.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220110.002
摘要:
基于绿色低成本的单宁所具有的大量反应性羟基，其与醛类反应具有与苯酚或间苯二酚相似的机制。在传统的酚醛树脂基(苯酚-尿素-甲醛)炭气凝胶的基础上，通过添加单宁进行改性，成功制备出新型高效的CO2吸附用酚醛基炭气凝胶。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)和氮气吸脱附测试对其表面化学和孔隙结构进行了系统表征，同时通过CO2吸脱附测试对其CO2吸附量、选择性吸附及吸附热等进行了研究。结果表明：以绿色可再生的生物质原料单宁对原料进行部分取代，不仅可以显著降低产品成本，还可以明显改善其CO2的吸附性能。当单宁的添加量(15 g)为苯酚用量的50wt%时，样品具有最大的比表面积(1376.31 m2·g−1)和微孔体积(0.55 cm3·g−1)，是一种极具潜力的气体吸附材料。其相应的CO2吸附量高达5.36 mmol·g−1，选择性吸附和吸附热则分别为16.84和34.49 kJ·mol−1，性能较未改性的酚醛基炭气凝胶显著改善，同时也优于大部分传统的炭气凝胶材料，这主要归因于其具有较高的比表面积、微孔体积、适宜的孔径分布和良好的三维网络结构。
基于绿色低成本的单宁所具有的大量反应性羟基，其与醛类反应具有与苯酚或间苯二酚相似的机制。在传统的酚醛树脂基(苯酚-尿素-甲醛)炭气凝胶的基础上，通过添加单宁进行改性，成功制备出新型高效的CO2吸附用酚醛基炭气凝胶。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)和氮气吸脱附测试对其表面化学和孔隙结构进行了系统表征，同时通过CO2吸脱附测试对其CO2吸附量、选择性吸附及吸附热等进行了研究。结果表明：以绿色可再生的生物质原料单宁对原料进行部分取代，不仅可以显著降低产品成本，还可以明显改善其CO2的吸附性能。当单宁的添加量(15 g)为苯酚用量的50wt%时，样品具有最大的比表面积(1376.31 m2·g−1)和微孔体积(0.55 cm3·g−1)，是一种极具潜力的气体吸附材料。其相应的CO2吸附量高达5.36 mmol·g−1，选择性吸附和吸附热则分别为16.84和34.49 kJ·mol−1，性能较未改性的酚醛基炭气凝胶显著改善，同时也优于大部分传统的炭气凝胶材料，这主要归因于其具有较高的比表面积、微孔体积、适宜的孔径分布和良好的三维网络结构。
2023, 40(1): 280-289.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220112.001
摘要:
Cu-Al2O3复合材料具有优异的传导性能和力学性能，在耐磨材料领域具有广阔的应用前景。为进一步提升电摩擦条件下复合材料的耐电弧侵蚀性能，本文采用内氧化法与粉末冶金法相结合制备了不同碳纳米管 (CNTs) 含量的CNTs/Cu-Al2O3复合材料，观察了CNTs/Cu-Al2O3复合材料中增强相的分布及其与基体界面结合情况，研究了添加不同含量CNTs对Cu-Al2O3复合材料传导性能和力学性能的影响，重点探究了CNTs/Cu-Al2O3复合材料的耐电弧侵蚀机制。结果表明：原位生成的纳米Al2O3颗粒钉扎位错及对CNTs分布具有调控作用，使CNTs弥散分布在铜基体中。与Cu-Al2O3复合材料相比，CNTs/Cu-Al2O3复合材料燃弧时间和燃弧能量明显降低，波动更平稳。在电弧侵蚀过程中，熔池中的CNTs会上浮至表面分散电弧，减小集中侵蚀区域；纳米Al2O3颗粒可以稳定熔池，减小熔融液滴的喷溅，有效减小CNTs/Cu-Al2O3复合材料质量损失。其中添加1.2vol%CNTs的CNTs/Cu-3.5Al2O3复合材料的燃弧时间和燃弧能量最低、最稳定。这一研究结果对耐烧蚀材料的研究提供有利的理论依据。
Cu-Al2O3复合材料具有优异的传导性能和力学性能，在耐磨材料领域具有广阔的应用前景。为进一步提升电摩擦条件下复合材料的耐电弧侵蚀性能，本文采用内氧化法与粉末冶金法相结合制备了不同碳纳米管 (CNTs) 含量的CNTs/Cu-Al2O3复合材料，观察了CNTs/Cu-Al2O3复合材料中增强相的分布及其与基体界面结合情况，研究了添加不同含量CNTs对Cu-Al2O3复合材料传导性能和力学性能的影响，重点探究了CNTs/Cu-Al2O3复合材料的耐电弧侵蚀机制。结果表明：原位生成的纳米Al2O3颗粒钉扎位错及对CNTs分布具有调控作用，使CNTs弥散分布在铜基体中。与Cu-Al2O3复合材料相比，CNTs/Cu-Al2O3复合材料燃弧时间和燃弧能量明显降低，波动更平稳。在电弧侵蚀过程中，熔池中的CNTs会上浮至表面分散电弧，减小集中侵蚀区域；纳米Al2O3颗粒可以稳定熔池，减小熔融液滴的喷溅，有效减小CNTs/Cu-Al2O3复合材料质量损失。其中添加1.2vol%CNTs的CNTs/Cu-3.5Al2O3复合材料的燃弧时间和燃弧能量最低、最稳定。这一研究结果对耐烧蚀材料的研究提供有利的理论依据。
2023, 40(1): 290-299.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220124.003
摘要:
介电弹性体驱动器(DEA)的柔性电极发挥着产生电场和约束介电母体形变的重要作用。本文以一维的多壁碳纳米管(MWCNT)和零维的导电炭黑(CB)为共同导电填料，设计浇注了一系列不同尺寸、不同力学、电学性能的聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合电极膜(MWCNT-CB/PDMS)。将电极膜黏附在聚氯乙烯凝胶膜的两侧表面，导入脉冲高压电信号，获得一系列电驱动行为变化的新型介电聚合物驱动器。驱动性能测试结果表明：电极覆盖率的增加有利于DEA位移输出；电极厚度的增加限制了DEA的位移输出；随着MWCNT掺杂量的增加，位移输出先增后减。正交实验结果表明：MWCNT掺杂量对DEA的驱动位移有显著的影响，电极覆盖率和厚度有高度显著的影响；最优组合下，驱动器的最大位移输出为1.71 mm。
介电弹性体驱动器(DEA)的柔性电极发挥着产生电场和约束介电母体形变的重要作用。本文以一维的多壁碳纳米管(MWCNT)和零维的导电炭黑(CB)为共同导电填料，设计浇注了一系列不同尺寸、不同力学、电学性能的聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合电极膜(MWCNT-CB/PDMS)。将电极膜黏附在聚氯乙烯凝胶膜的两侧表面，导入脉冲高压电信号，获得一系列电驱动行为变化的新型介电聚合物驱动器。驱动性能测试结果表明：电极覆盖率的增加有利于DEA位移输出；电极厚度的增加限制了DEA的位移输出；随着MWCNT掺杂量的增加，位移输出先增后减。正交实验结果表明：MWCNT掺杂量对DEA的驱动位移有显著的影响，电极覆盖率和厚度有高度显著的影响；最优组合下，驱动器的最大位移输出为1.71 mm。
2023, 40(1): 300-309.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220222.002
摘要:
工业固废兰炭灰(SCA)大量堆积会造成局部生态环境破坏，为促进工业固废兰炭灰的规模化消纳及复合相变储热材料(SSPCCs)的低成本制备，创新提出兰炭灰作为骨架材料制备复合相变储热材料。为研究兰炭灰骨架复合相变储热材料的可行性，制备了8种不同比例的NaNO3/兰炭灰复合相变储热材料，采用差示扫描量热法、激光导热分析法、微观形貌分析法、定速加压法和X射线衍射法对NaNO3/兰炭灰复合相变储热材料的关键性能进行表征。结果表明，未发生明显泄露和形变的样品NaNO3/SCA-50具有最佳兰炭灰与NaNO3质量比(5∶5)，其抗压强度达到96.98 MPa，100~380℃范围内储热密度达到338.24 J/g；经4027次加热/冷却循环后，样品NaNO3/SCA-50保持良好的热稳定性和化学相容性。兰炭灰作为骨架材料制备复合相变储热材料具有较好的可行性，为工业固废兰炭灰的资源化利用提供了新的途径。
工业固废兰炭灰(SCA)大量堆积会造成局部生态环境破坏，为促进工业固废兰炭灰的规模化消纳及复合相变储热材料(SSPCCs)的低成本制备，创新提出兰炭灰作为骨架材料制备复合相变储热材料。为研究兰炭灰骨架复合相变储热材料的可行性，制备了8种不同比例的NaNO3/兰炭灰复合相变储热材料，采用差示扫描量热法、激光导热分析法、微观形貌分析法、定速加压法和X射线衍射法对NaNO3/兰炭灰复合相变储热材料的关键性能进行表征。结果表明，未发生明显泄露和形变的样品NaNO3/SCA-50具有最佳兰炭灰与NaNO3质量比(5∶5)，其抗压强度达到96.98 MPa，100~380℃范围内储热密度达到338.24 J/g；经4027次加热/冷却循环后，样品NaNO3/SCA-50保持良好的热稳定性和化学相容性。兰炭灰作为骨架材料制备复合相变储热材料具有较好的可行性，为工业固废兰炭灰的资源化利用提供了新的途径。
2023, 40(1): 310-322.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220223.002
摘要:
为解决单一有机相变材料二十烷(n-Eicosane)导热性差及在相变过程中易发生泄漏的问题，本实验选取玉米秸秆作为生物质原料，通过700℃高温热解、KOH刻蚀改性制备了具有多级孔道结构的生物炭(KBC)材料，再通过乙醇熔融、真空浸渍的方法将二十烷封装到生物炭内部孔道，得到了一种生物炭/二十烷(KBC/n-Eicosane)复合定型相变材料。通过SEM、XRD、FTIR等表征手段研究了复合材料的微观结构和形貌，同时利用TG及DSC测试了复合相变材料的热稳定性和储热性能，并探讨了复合相变材料中二十烷不同用量与焓值的关系。结果表明，复合相变材料的焓值与二十烷的用量成正比，当复合相变材料中生物炭与二十烷的质量比为 1∶2 时，复合相变材料未明显泄漏，定型效果良好，此时对应的熔融焓和凝固焓值分别为121.3 J·g−1 和117.6 J·g−1，经过100次循环储热和放热性能测试后，未产生渗漏现象，相变焓值亦无明显变化，表明该复合相变材料的储热能力和稳定性较好。此外，还通过模拟太阳光辐射和接入直流电源的方式测试了复合相变材料的光热转换和电热转换能力，结果表明，复合相变材料能高效的将太阳光热和电能转换为热能并加以储存和释放，因此，本实验所制备的复合相变材料不仅是一种性能优异的相变储热材料，而且可以实现对不同形式能源的高效转化和利用，在清洁能源的转换和利用方面具有一定的应用潜力。
为解决单一有机相变材料二十烷(n-Eicosane)导热性差及在相变过程中易发生泄漏的问题，本实验选取玉米秸秆作为生物质原料，通过700℃高温热解、KOH刻蚀改性制备了具有多级孔道结构的生物炭(KBC)材料，再通过乙醇熔融、真空浸渍的方法将二十烷封装到生物炭内部孔道，得到了一种生物炭/二十烷(KBC/n-Eicosane)复合定型相变材料。通过SEM、XRD、FTIR等表征手段研究了复合材料的微观结构和形貌，同时利用TG及DSC测试了复合相变材料的热稳定性和储热性能，并探讨了复合相变材料中二十烷不同用量与焓值的关系。结果表明，复合相变材料的焓值与二十烷的用量成正比，当复合相变材料中生物炭与二十烷的质量比为 1∶2 时，复合相变材料未明显泄漏，定型效果良好，此时对应的熔融焓和凝固焓值分别为121.3 J·g−1 和117.6 J·g−1，经过100次循环储热和放热性能测试后，未产生渗漏现象，相变焓值亦无明显变化，表明该复合相变材料的储热能力和稳定性较好。此外，还通过模拟太阳光辐射和接入直流电源的方式测试了复合相变材料的光热转换和电热转换能力，结果表明，复合相变材料能高效的将太阳光热和电能转换为热能并加以储存和释放，因此，本实验所制备的复合相变材料不仅是一种性能优异的相变储热材料，而且可以实现对不同形式能源的高效转化和利用，在清洁能源的转换和利用方面具有一定的应用潜力。
2023, 40(1): 323-333.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220225.006
摘要:
为扩大BiOCl的太阳光吸收范围，获得更高效的光催化剂，本文通过水热法制备了石墨相氮化碳(g-C3N4)/BiOCl (2D/2D)复合光催化剂并对其进行详细表征。结构与形貌表征结果显示BiOCl纳米片沉积在层状g-C3N4表面，形成了2D/2D面-面复合结构；光电化学性质分析表明形成的异质结构能有效扩展光吸收频率范围，促进光生载流子分离和迁移，从而有利于光催化性能的提高。以500 W氙灯模拟太阳光源，光催化降解罗丹明B(RhB)的结果表明g-C3N4/BiOCl异质结的光催化降解活性远高于单纯的g-C3N4和BiOCl。其中9wt%g-C3N4/BiOCl表现出了最优越的光催化活性，在180 min内对RhB的降解率为94%，其表观速率常数Kapp值为g-C3N4和BiOCl的5.7和3.6倍。同时对g-C3N4/BiOCl异质结的光催化机制展开研究，结合复合催化剂电子结构和自由基捕获实验提出了在染料敏化作用下RhB的光催化降解机制。
为扩大BiOCl的太阳光吸收范围，获得更高效的光催化剂，本文通过水热法制备了石墨相氮化碳(g-C3N4)/BiOCl (2D/2D)复合光催化剂并对其进行详细表征。结构与形貌表征结果显示BiOCl纳米片沉积在层状g-C3N4表面，形成了2D/2D面-面复合结构；光电化学性质分析表明形成的异质结构能有效扩展光吸收频率范围，促进光生载流子分离和迁移，从而有利于光催化性能的提高。以500 W氙灯模拟太阳光源，光催化降解罗丹明B(RhB)的结果表明g-C3N4/BiOCl异质结的光催化降解活性远高于单纯的g-C3N4和BiOCl。其中9wt%g-C3N4/BiOCl表现出了最优越的光催化活性，在180 min内对RhB的降解率为94%，其表观速率常数Kapp值为g-C3N4和BiOCl的5.7和3.6倍。同时对g-C3N4/BiOCl异质结的光催化机制展开研究，结合复合催化剂电子结构和自由基捕获实验提出了在染料敏化作用下RhB的光催化降解机制。
2023, 40(1): 334-341.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220303.003
摘要:
超疏水材料因性能独特，应用前景广阔而被广泛关注。本文采用碱式硫酸镁晶须(MOSWs)与二氧化硅纳米粒子制备超疏水涂层，首先对MOSWs及50 nm、500 nm SiO2进行表面改性以降低表面能，然后基于混料实验将三者按比例混合以构造表面粗糙度，以接触角、滚动角及平均粗糙度Ra为响应变量建立回归模型，分析了混合分量的形貌、尺寸与混合比例对响应变量的影响，并探讨了超疏水涂层微观结构对水滴黏附性的影响以及粗糙度与超疏水性能之间的关系。结果表明：MOSWs复合SiO2纳米粒子可制备具有不同黏附性的超疏水涂层，单独使用MOSWs可制备高黏附性超疏水涂层，其接触角达152.59°，涂层水平倒置水滴不滴落；而MOSWs与50 nm SiO2以相同质量分数混合，可制备低黏附性超疏水涂层，其接触角达163.25°，滚动角可趋近0°。所制备涂层的平均粗糙度Ra值位于5~10 μm之间时，接触角较大，滚动角较小，超疏水性能较佳。
超疏水材料因性能独特，应用前景广阔而被广泛关注。本文采用碱式硫酸镁晶须(MOSWs)与二氧化硅纳米粒子制备超疏水涂层，首先对MOSWs及50 nm、500 nm SiO2进行表面改性以降低表面能，然后基于混料实验将三者按比例混合以构造表面粗糙度，以接触角、滚动角及平均粗糙度Ra为响应变量建立回归模型，分析了混合分量的形貌、尺寸与混合比例对响应变量的影响，并探讨了超疏水涂层微观结构对水滴黏附性的影响以及粗糙度与超疏水性能之间的关系。结果表明：MOSWs复合SiO2纳米粒子可制备具有不同黏附性的超疏水涂层，单独使用MOSWs可制备高黏附性超疏水涂层，其接触角达152.59°，涂层水平倒置水滴不滴落；而MOSWs与50 nm SiO2以相同质量分数混合，可制备低黏附性超疏水涂层，其接触角达163.25°，滚动角可趋近0°。所制备涂层的平均粗糙度Ra值位于5~10 μm之间时，接触角较大，滚动角较小，超疏水性能较佳。
2023, 40(1): 342-354.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220307.001
摘要:
以粉煤灰磁珠作为原料，采用化学气相沉积(CVD)方法制备纳米结构铁/碳复合材料。该复合材料呈现良好的吸波性能，但存在磁珠性质不均一、结构调控难等问题。本文采用摇床方法对磁珠进行分选，并进行研磨处理，考察了磁珠Fe含量和研磨粒径对CVD生成产物的影响。结果表明，富铁磁珠CVD生成产物为碳包覆磁性颗粒与碳纳米管组成的复合材料(Fe3C@C-CNTs)，该复合材料呈现多孔团簇球形结构。磁珠Fe含量增加，复合材料的相对碳沉积量(C/Fe值)减小，石墨化程度降低(D峰和G峰面积比ID/IG值升高)，导致材料阻抗匹配值升高，吸波性能获得提升。磁珠Fe含量为71.43wt%时，复合材料有效吸收频带达到4.5 GHz，最小反射损耗(RLmin)达到−16.1 dB。对磁珠进行研磨后，CVD生成产物的C/Fe值不变，但碳沉积速率增大，ID/IG值升高，电磁波衰减常数下降，但阻抗匹配明显提高，吸波性能大幅度提升。研磨粒径为18.23 μm时，复合材料有效吸收频带达到4.8 GHz，RLmin可达到−34.7 dB。分析表明，复合材料优异的吸波性能得益于CNTs和Fe3C@C对电磁波的协同吸收作用；独特的多孔团簇结构增强了电磁波在材料中多次反射，促进了界面极化。
以粉煤灰磁珠作为原料，采用化学气相沉积(CVD)方法制备纳米结构铁/碳复合材料。该复合材料呈现良好的吸波性能，但存在磁珠性质不均一、结构调控难等问题。本文采用摇床方法对磁珠进行分选，并进行研磨处理，考察了磁珠Fe含量和研磨粒径对CVD生成产物的影响。结果表明，富铁磁珠CVD生成产物为碳包覆磁性颗粒与碳纳米管组成的复合材料(Fe3C@C-CNTs)，该复合材料呈现多孔团簇球形结构。磁珠Fe含量增加，复合材料的相对碳沉积量(C/Fe值)减小，石墨化程度降低(D峰和G峰面积比ID/IG值升高)，导致材料阻抗匹配值升高，吸波性能获得提升。磁珠Fe含量为71.43wt%时，复合材料有效吸收频带达到4.5 GHz，最小反射损耗(RLmin)达到−16.1 dB。对磁珠进行研磨后，CVD生成产物的C/Fe值不变，但碳沉积速率增大，ID/IG值升高，电磁波衰减常数下降，但阻抗匹配明显提高，吸波性能大幅度提升。研磨粒径为18.23 μm时，复合材料有效吸收频带达到4.8 GHz，RLmin可达到−34.7 dB。分析表明，复合材料优异的吸波性能得益于CNTs和Fe3C@C对电磁波的协同吸收作用；独特的多孔团簇结构增强了电磁波在材料中多次反射，促进了界面极化。
2023, 40(1): 355-368.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220322.001
摘要:
为研究不同温度、不同聚乙烯醇(PVA)纤维体积掺量和不同应变率对高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA/ECC)动态压缩性能的影响，采用直径50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)，对高温浸水冷却后的PVA/ECC进行了冲击压缩试验，结果表明：当温度≥250℃，PVA/ECC试件冲击破坏后的整体性变差，应力-应变曲线更趋于扁平，其动态峰值应变提高不明显但动态峰值应力、冲击韧度显著降低，且高温对较大纤维体积掺量PVA/ECC动态峰值应力、冲击韧度的劣化效应更明显；温度≤150℃时，增大PVA纤维体积掺量，PVA/ECC动态峰值应力、峰值应变和冲击韧度均明显提高，但当温度≥250℃时，增大PVA纤维体积掺量，PVA/ECC动态峰值应变增大，而冲击韧度的提高幅度显著降低且动态峰值应力下降；高温水冷后的PVA/ECC仍具有明显的应变率效应，但温度≥150℃后，其抗压强度的应变率敏感性有所降低。
为研究不同温度、不同聚乙烯醇(PVA)纤维体积掺量和不同应变率对高延性纤维增强水泥基复合材料(PVA/ECC)动态压缩性能的影响，采用直径50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)，对高温浸水冷却后的PVA/ECC进行了冲击压缩试验，结果表明：当温度≥250℃，PVA/ECC试件冲击破坏后的整体性变差，应力-应变曲线更趋于扁平，其动态峰值应变提高不明显但动态峰值应力、冲击韧度显著降低，且高温对较大纤维体积掺量PVA/ECC动态峰值应力、冲击韧度的劣化效应更明显；温度≤150℃时，增大PVA纤维体积掺量，PVA/ECC动态峰值应力、峰值应变和冲击韧度均明显提高，但当温度≥250℃时，增大PVA纤维体积掺量，PVA/ECC动态峰值应变增大，而冲击韧度的提高幅度显著降低且动态峰值应力下降；高温水冷后的PVA/ECC仍具有明显的应变率效应，但温度≥150℃后，其抗压强度的应变率敏感性有所降低。
2023, 40(1): 369-382.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220317.004
摘要:
为研究圆钢管玄武岩纤维再生混凝土(BFRRC)短柱的轴压力学性能，以再生粗骨料取代率和玄武岩纤维掺量为变化参数，设计并完成了15根圆钢管BFRRC短柱试件的轴压试验。观察了试件的受力全过程及破坏形态，获取了试件的荷载-位移曲线及荷载-应变曲线，分析了变化参数对圆钢管BFRRC短柱轴压性能的影响，建立了可行的组合截面应力-应变全过程曲线方程。研究表明：试件均发生鼓曲破坏，但核心混凝土在钢管约束下处于碎而不散状态；随着再生粗骨料取代率的增大，试件的耗能性能、延性系数逐渐增大，耗能因子、延性系数提升幅度最高可达1.84%和10.36%，承载力逐渐降低，降低幅度最大达5.03%；随着玄武岩纤维掺量的增大，试件的耗能性能、延性系数逐渐增大，增加幅度最高可达2.97%和4.93%，承载力提高幅度不大；不同的玄武岩纤维掺量下，试件实测的荷载-位移曲线饱满，且具有较长的变形流幅，延性较好。
为研究圆钢管玄武岩纤维再生混凝土(BFRRC)短柱的轴压力学性能，以再生粗骨料取代率和玄武岩纤维掺量为变化参数，设计并完成了15根圆钢管BFRRC短柱试件的轴压试验。观察了试件的受力全过程及破坏形态，获取了试件的荷载-位移曲线及荷载-应变曲线，分析了变化参数对圆钢管BFRRC短柱轴压性能的影响，建立了可行的组合截面应力-应变全过程曲线方程。研究表明：试件均发生鼓曲破坏，但核心混凝土在钢管约束下处于碎而不散状态；随着再生粗骨料取代率的增大，试件的耗能性能、延性系数逐渐增大，耗能因子、延性系数提升幅度最高可达1.84%和10.36%，承载力逐渐降低，降低幅度最大达5.03%；随着玄武岩纤维掺量的增大，试件的耗能性能、延性系数逐渐增大，增加幅度最高可达2.97%和4.93%，承载力提高幅度不大；不同的玄武岩纤维掺量下，试件实测的荷载-位移曲线饱满，且具有较长的变形流幅，延性较好。
2023, 40(1): 383-395.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211216.002
摘要:
采用低成本和高稳定性的纳米导电炭黑Super-P (CBSP)作为水泥混凝土的添加剂。通过设置不同的水灰比和不同的CBSP掺量，研究了CBSP的加入对混凝土各方面性能的影响(即坍落度、力学性能、抗渗性能、导电性能和温敏性能)。通过SEM对混凝土微观形貌进行分析。实验结果显示，掺入纳米材料CBSP使混凝土坍落度不断降低。随着CBSP的掺入量不断增大，混凝土的力学性能先提升后降低且各龄期变化趋势相似，当CBSP的掺入量为0.75wt%时力学性能达到最大。同时混凝土的力学性能随水灰比的增加而降低。混凝土的抗渗性能随着CBSP掺量的增加而先提高后降低，且当水灰比较大时抗渗性能有所降低。当CBSP掺入量为0.75wt%~2wt%时，混凝土电阻率迅速降低。标准养护条件比室内干燥养护的混凝土电阻率低。不同水灰比混凝土之间电阻率相差较小。SEM显示了CBSP的填充孔隙和隧道导电作用。通过实验证明CBSP的加入可以改善混凝土的各项性能。
采用低成本和高稳定性的纳米导电炭黑Super-P (CBSP)作为水泥混凝土的添加剂。通过设置不同的水灰比和不同的CBSP掺量，研究了CBSP的加入对混凝土各方面性能的影响(即坍落度、力学性能、抗渗性能、导电性能和温敏性能)。通过SEM对混凝土微观形貌进行分析。实验结果显示，掺入纳米材料CBSP使混凝土坍落度不断降低。随着CBSP的掺入量不断增大，混凝土的力学性能先提升后降低且各龄期变化趋势相似，当CBSP的掺入量为0.75wt%时力学性能达到最大。同时混凝土的力学性能随水灰比的增加而降低。混凝土的抗渗性能随着CBSP掺量的增加而先提高后降低，且当水灰比较大时抗渗性能有所降低。当CBSP掺入量为0.75wt%~2wt%时，混凝土电阻率迅速降低。标准养护条件比室内干燥养护的混凝土电阻率低。不同水灰比混凝土之间电阻率相差较小。SEM显示了CBSP的填充孔隙和隧道导电作用。通过实验证明CBSP的加入可以改善混凝土的各项性能。
2023, 40(1): 396-406.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220128.001
摘要:
为改善医用材料的生物相容性并赋予材料表面一定的生物学功能，本文以单宁酸(TA)和聚醚胺ED900为组装单元，通过层层自组装的方法制备了复合涂层。采用纳米粒度仪、Zeta电位分析仪、紫外分光光度计、红外光谱、石英晶体微天平(QCM-D) 、扫描电子显微镜等仪器对ED900-TA复合溶液行为及复合涂层的理化性质进行表征。通过细胞实验考察了涂层对细胞行为的影响。利用1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)法和总抗氧化能力检测试剂盒(FRAP)法评价了涂层的抗氧化性。最后，分别通过琼脂糖插入实验和细胞培养液浸泡研究涂层的稳定性。结果表明：ED900-TA涂层具有良好的细胞相容性和抗氧化性，表面的微结构呈现调控亲/憎细胞的能力。此外，涂层在模拟植入的过程未出现脱落。并在细胞培养条件下，涂层形貌在21天的评价周期内无显著变化。该复合涂层为生物材料表面多功能化提供了新思路。
为改善医用材料的生物相容性并赋予材料表面一定的生物学功能，本文以单宁酸(TA)和聚醚胺ED900为组装单元，通过层层自组装的方法制备了复合涂层。采用纳米粒度仪、Zeta电位分析仪、紫外分光光度计、红外光谱、石英晶体微天平(QCM-D) 、扫描电子显微镜等仪器对ED900-TA复合溶液行为及复合涂层的理化性质进行表征。通过细胞实验考察了涂层对细胞行为的影响。利用1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)法和总抗氧化能力检测试剂盒(FRAP)法评价了涂层的抗氧化性。最后，分别通过琼脂糖插入实验和细胞培养液浸泡研究涂层的稳定性。结果表明：ED900-TA涂层具有良好的细胞相容性和抗氧化性，表面的微结构呈现调控亲/憎细胞的能力。此外，涂层在模拟植入的过程未出现脱落。并在细胞培养条件下，涂层形貌在21天的评价周期内无显著变化。该复合涂层为生物材料表面多功能化提供了新思路。
2023, 40(1): 407-418.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220414.003
摘要:
通过熔融沉积成型3D打印的三维模型，不可避免存有层间界面，针对层间界面增强，本文采用超声浸渍法制备了纳米羟基磷灰石(n-HA)与微米短切碳纤维(CF)两相增强材料在聚乳酸(PLA)基体上牢固结合、均匀分布的PLA基生物复材丝材，该方法避免混炼的同时，也为层间界面储备了增强相。然而，经过熔融沉积成型3D打印之后，n-HA与微米短切CF两相增强材料在层间界面区域的分布状态尤为关键。运用Ansys进行流体数值计算，借助Minitab进行正交参数设计和信噪比数据分析，研究喷嘴直径、送丝速度、微米短切CF含量3个关键因素对于喷嘴出口流体速度的影响规律，并进一步通过熔融沉积成型3D打印机，在相同的打印参数设置下，制备标准拉伸试样，进行拉伸性能表征和SEM观察，研究PLA基生物复材丝材中，两相增强材料n-HA与微米短切CF在层间界面区域的分布状态。结果表明：借助Minitab信噪比优化实验参数，比正交试验参数设计手段更加有效；选取熔融温度为210℃、喷嘴直径为0.5 mm、送丝速度为14 mm·s−1、微米短切CF含量为7wt%，上述参数组合进行数值计算获得的喷嘴出口流体速度方差最大，为两相增强材料n-HA与微米短切CF在层间界面区域最均匀分布创造了积极有利条件，且试样拉伸性能最强。
通过熔融沉积成型3D打印的三维模型，不可避免存有层间界面，针对层间界面增强，本文采用超声浸渍法制备了纳米羟基磷灰石(n-HA)与微米短切碳纤维(CF)两相增强材料在聚乳酸(PLA)基体上牢固结合、均匀分布的PLA基生物复材丝材，该方法避免混炼的同时，也为层间界面储备了增强相。然而，经过熔融沉积成型3D打印之后，n-HA与微米短切CF两相增强材料在层间界面区域的分布状态尤为关键。运用Ansys进行流体数值计算，借助Minitab进行正交参数设计和信噪比数据分析，研究喷嘴直径、送丝速度、微米短切CF含量3个关键因素对于喷嘴出口流体速度的影响规律，并进一步通过熔融沉积成型3D打印机，在相同的打印参数设置下，制备标准拉伸试样，进行拉伸性能表征和SEM观察，研究PLA基生物复材丝材中，两相增强材料n-HA与微米短切CF在层间界面区域的分布状态。结果表明：借助Minitab信噪比优化实验参数，比正交试验参数设计手段更加有效；选取熔融温度为210℃、喷嘴直径为0.5 mm、送丝速度为14 mm·s−1、微米短切CF含量为7wt%，上述参数组合进行数值计算获得的喷嘴出口流体速度方差最大，为两相增强材料n-HA与微米短切CF在层间界面区域最均匀分布创造了积极有利条件，且试样拉伸性能最强。
2023, 40(1): 419-427.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220120.004
摘要:
碳纤维/竹展平板是提高竹材在工程产品中应用的一种新型复合材料。胶合界面是复合材料传递力的桥梁，胶合界面的胶合性能是影响复合材料整体力学性能的关键。研究了羟甲基化间苯二酚(Hydroxymethylated resorcinol，HMR)偶联剂处理竹展平板表面对碳纤维/竹展平板复合材料的胶合性能的影响，按照不同的组坯方式和竹展平板表面处理方式将测试的试件分为4组。从碳纤维/竹展平板复合材料胶合界面的端面密度分布梯度、应变分布和应力传递及微观形貌3个角度进行测试分析。结果表明：HMR偶联剂处理后，碳纤维/竹展平板复合材料的胶合强度相较于未处理组提高了42.7%；碳纤维/竹展平板复合材料胶合界面密度明显增大，胶层厚度变宽，胶层应变分布和应力传递更加均匀，HMR偶联剂起到了良好的桥接作用；HMR偶联剂与碳纤维协同作用，使胶合界面的应力传递更连续，提高了碳纤维/竹展平板复合材料的胶合性能。
碳纤维/竹展平板是提高竹材在工程产品中应用的一种新型复合材料。胶合界面是复合材料传递力的桥梁，胶合界面的胶合性能是影响复合材料整体力学性能的关键。研究了羟甲基化间苯二酚(Hydroxymethylated resorcinol，HMR)偶联剂处理竹展平板表面对碳纤维/竹展平板复合材料的胶合性能的影响，按照不同的组坯方式和竹展平板表面处理方式将测试的试件分为4组。从碳纤维/竹展平板复合材料胶合界面的端面密度分布梯度、应变分布和应力传递及微观形貌3个角度进行测试分析。结果表明：HMR偶联剂处理后，碳纤维/竹展平板复合材料的胶合强度相较于未处理组提高了42.7%；碳纤维/竹展平板复合材料胶合界面密度明显增大，胶层厚度变宽，胶层应变分布和应力传递更加均匀，HMR偶联剂起到了良好的桥接作用；HMR偶联剂与碳纤维协同作用，使胶合界面的应力传递更连续，提高了碳纤维/竹展平板复合材料的胶合性能。
2023, 40(1): 428-436.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220211.002
摘要:
为了改善Ti-13Nb-13Zr医用钛合金的生物活性与细胞相容性，利用放电等离子烧结(SPS)技术制备了Ti-13Nb-13Zr合金和羟基磷灰石(HA)含量5wt%的5HA/Ti-13Nb-13Zr复合材料并进行退火处理，研究了两种材料的显微组织、力学性能、表面润湿性、体外矿化行为及细胞增殖与凋亡等生物学性能。结果表明：合金主要由β-Ti和α-Ti相组成，复合材料由β-Ti、α-Ti、HA相及少量陶瓷反应相(Ca3(PO4)2、CaZrO3、CaO)组成，退火后部分初生α-Ti转变为β-Ti且组织更均匀，HA的加入会使得晶粒细化；退火后两种材料抗压强度、屈服强度、屈强比和弹性模量均略微下降；HA的加入提高了复合材料亲水性、类骨磷灰石形成能力、细胞增殖率并降低了细胞凋亡率；综合分析，退火后的5HA / Ti-13Nb-13Zr复合材料抗压强度、屈服强度和弹性模量分别为(1744±9) MPa、(1493±12) MPa和(43±1.6) GPa，具有优异的类骨磷灰石形成能力，同时细胞增殖率达到99.1%±0.8%，表明HA的加入明显提高了Ti-13Nb-13Zr合金的生物活性与细胞相容性。
为了改善Ti-13Nb-13Zr医用钛合金的生物活性与细胞相容性，利用放电等离子烧结(SPS)技术制备了Ti-13Nb-13Zr合金和羟基磷灰石(HA)含量5wt%的5HA/Ti-13Nb-13Zr复合材料并进行退火处理，研究了两种材料的显微组织、力学性能、表面润湿性、体外矿化行为及细胞增殖与凋亡等生物学性能。结果表明：合金主要由β-Ti和α-Ti相组成，复合材料由β-Ti、α-Ti、HA相及少量陶瓷反应相(Ca3(PO4)2、CaZrO3、CaO)组成，退火后部分初生α-Ti转变为β-Ti且组织更均匀，HA的加入会使得晶粒细化；退火后两种材料抗压强度、屈服强度、屈强比和弹性模量均略微下降；HA的加入提高了复合材料亲水性、类骨磷灰石形成能力、细胞增殖率并降低了细胞凋亡率；综合分析，退火后的5HA / Ti-13Nb-13Zr复合材料抗压强度、屈服强度和弹性模量分别为(1744±9) MPa、(1493±12) MPa和(43±1.6) GPa，具有优异的类骨磷灰石形成能力，同时细胞增殖率达到99.1%±0.8%，表明HA的加入明显提高了Ti-13Nb-13Zr合金的生物活性与细胞相容性。
2023, 40(1): 437-446.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220208.001
摘要:
细菌滋生将缩短食品货架周期，对人体健康产生负面影响，因此开展抗菌包装膜的研究十分重要。本文采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂(KH550)改性了纳米氧化锌(ZnO)，并将改性后的纳米氧化锌(m-ZnO)与尼龙612 (PA612)进行熔融共混制备复合材料，最终采用挤出流延制备了m-ZnO/PA612纳米复合抗菌薄膜。采用FTIR对改性前后的ZnO进行表征，证明了KH550成功接枝到ZnO上。通过SEM、DSC、TGA、平板计数法等测试手段对ZnO的分散及复合材料的结晶性能、热性能、抗菌性能进行了研究。结果表明：m-ZnO在PA612基体中分散良好。m-ZnO可以作为成核剂提高PA612的结晶度，m-ZnO的含量为2wt%时，其结晶度提高了4.1%。m-ZnO对PA612有增强作用，m-ZnO的添加量为2wt%时，m-ZnO/PA612纳米复合薄膜的拉伸强度较纯PA612提高了15%。m-ZnO的存在赋予了PA612抗菌性能，m-ZnO/PA612纳米复合薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有很好的抗菌效果，且随着m-ZnO含量的增大，抗菌率增大，m-ZnO的质量分数为4wt%时，对大肠杆菌的抗菌率为93.25%，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为91.03%。
细菌滋生将缩短食品货架周期，对人体健康产生负面影响，因此开展抗菌包装膜的研究十分重要。本文采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂(KH550)改性了纳米氧化锌(ZnO)，并将改性后的纳米氧化锌(m-ZnO)与尼龙612 (PA612)进行熔融共混制备复合材料，最终采用挤出流延制备了m-ZnO/PA612纳米复合抗菌薄膜。采用FTIR对改性前后的ZnO进行表征，证明了KH550成功接枝到ZnO上。通过SEM、DSC、TGA、平板计数法等测试手段对ZnO的分散及复合材料的结晶性能、热性能、抗菌性能进行了研究。结果表明：m-ZnO在PA612基体中分散良好。m-ZnO可以作为成核剂提高PA612的结晶度，m-ZnO的含量为2wt%时，其结晶度提高了4.1%。m-ZnO对PA612有增强作用，m-ZnO的添加量为2wt%时，m-ZnO/PA612纳米复合薄膜的拉伸强度较纯PA612提高了15%。m-ZnO的存在赋予了PA612抗菌性能，m-ZnO/PA612纳米复合薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有很好的抗菌效果，且随着m-ZnO含量的增大，抗菌率增大，m-ZnO的质量分数为4wt%时，对大肠杆菌的抗菌率为93.25%，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为91.03%。
2023, 40(1): 447-454.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211230.003
摘要:
为改善玉米醇溶蛋白(Zein)的拉伸性能，本文以竹粉为原料制备生物炭，以球磨后的生物炭(0.536 μm)、竹纤维(2.157 μm)为增强相，以Zein为连续相，利用溶液浇注法制备复合膜材料，并对复合膜材料的基本特性与拉伸性能进行了研究。结果表明，生物炭与竹纤维加入没有改变Zein的晶面结构，提高了Zein的无序性，降低了Zein的脆性，提高了Zein的韧性。生物炭的加入降低了竹纤维/Zein复合膜的亲水性，降低了竹纤维/Zein复合膜的热稳定性，改善了竹纤维/Zein复合膜的拉伸性能。相比而言，添加0.2 g竹纤维、0.1 g生物炭的Zein复合膜材料的拉伸性能最佳，其拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率分别为0.24 MPa、4.17 MPa、327.27%。本文制备的复合膜材料具有较好的拉伸性能，在包装膜材料领域具有一定的应用潜力。
为改善玉米醇溶蛋白(Zein)的拉伸性能，本文以竹粉为原料制备生物炭，以球磨后的生物炭(0.536 μm)、竹纤维(2.157 μm)为增强相，以Zein为连续相，利用溶液浇注法制备复合膜材料，并对复合膜材料的基本特性与拉伸性能进行了研究。结果表明，生物炭与竹纤维加入没有改变Zein的晶面结构，提高了Zein的无序性，降低了Zein的脆性，提高了Zein的韧性。生物炭的加入降低了竹纤维/Zein复合膜的亲水性，降低了竹纤维/Zein复合膜的热稳定性，改善了竹纤维/Zein复合膜的拉伸性能。相比而言，添加0.2 g竹纤维、0.1 g生物炭的Zein复合膜材料的拉伸性能最佳，其拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率分别为0.24 MPa、4.17 MPa、327.27%。本文制备的复合膜材料具有较好的拉伸性能，在包装膜材料领域具有一定的应用潜力。
2023, 40(1): 455-463.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220217.001
摘要:
随着电子器件热流密度的不断增加，热聚集产生的热点问题严重影响电子器件性能和应用，急需开发高效热扩散材料。采用真空热压烧结工艺制备了以6061铝合金为基体材料，退火石墨(Annealed pyrolytic graphite，APG)为导热组元的高导热复合材料。探究了退火石墨表面Ti元素的改性处理对退火石墨/铝复合材料的微观结构、界面结合状况的影响规律，研究讨论了退火石墨/铝层厚比对复合材料整体热、力性能的影响。结果表明，经Ti元素改性处理的退火石墨材料与铝之间形成了干净、紧密结合厚度在400 nm的Al—Ti—C界面。当Al∶ APG∶ Al的层厚比为1∶3∶1时，复合材料面内方向热扩散系数达901 mm2·s−1，所承载最大抗弯强度为141 MPa，具有优异的综合性能。
随着电子器件热流密度的不断增加，热聚集产生的热点问题严重影响电子器件性能和应用，急需开发高效热扩散材料。采用真空热压烧结工艺制备了以6061铝合金为基体材料，退火石墨(Annealed pyrolytic graphite，APG)为导热组元的高导热复合材料。探究了退火石墨表面Ti元素的改性处理对退火石墨/铝复合材料的微观结构、界面结合状况的影响规律，研究讨论了退火石墨/铝层厚比对复合材料整体热、力性能的影响。结果表明，经Ti元素改性处理的退火石墨材料与铝之间形成了干净、紧密结合厚度在400 nm的Al—Ti—C界面。当Al∶ APG∶ Al的层厚比为1∶3∶1时，复合材料面内方向热扩散系数达901 mm2·s−1，所承载最大抗弯强度为141 MPa，具有优异的综合性能。
2023, 40(1): 464-471.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220211.001
摘要:
碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiCf/SiC)是制造下一代航空发动机热结构件的关键材料，中等温度(~800℃)下，SiCf/SiC的蠕变断裂时间tu显著下降。为此，研究了平纹编织SiCf/SiC (2D-SiCf/SiC)在空气中500~1000℃的蠕变性能及损伤机制，应力水平为100~160 MPa。利用SEM、TEM和EDS分析了断口形貌、微观组织和化学成分。结果表明：2D-SiCf/SiC的tu与温度和应力水平有关。相同温度下，2D-SiCf/SiC的tu随着应力增加而变短。当温度为800℃、蠕变应力大于基体开裂应力(PLS)时，2D-SiCf/SiC发生中温脆化现象，其tu下降。2D-SiCf/SiC的中温脆化机制为基体开裂、BN界面氧化和SiO2替代BN界面导致的强界面/基体结合。2D-SiCf/SiC的tu与应力在对数坐标下呈线性关系，且在过渡应力时发生线性转变，过渡应力与PLS一致。提高PLS能够有效提高SiCf/SiC的tu。
碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiCf/SiC)是制造下一代航空发动机热结构件的关键材料，中等温度(~800℃)下，SiCf/SiC的蠕变断裂时间tu显著下降。为此，研究了平纹编织SiCf/SiC (2D-SiCf/SiC)在空气中500~1000℃的蠕变性能及损伤机制，应力水平为100~160 MPa。利用SEM、TEM和EDS分析了断口形貌、微观组织和化学成分。结果表明：2D-SiCf/SiC的tu与温度和应力水平有关。相同温度下，2D-SiCf/SiC的tu随着应力增加而变短。当温度为800℃、蠕变应力大于基体开裂应力(PLS)时，2D-SiCf/SiC发生中温脆化现象，其tu下降。2D-SiCf/SiC的中温脆化机制为基体开裂、BN界面氧化和SiO2替代BN界面导致的强界面/基体结合。2D-SiCf/SiC的tu与应力在对数坐标下呈线性关系，且在过渡应力时发生线性转变，过渡应力与PLS一致。提高PLS能够有效提高SiCf/SiC的tu。
2023, 40(1): 472-484.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220117.002
摘要:
为了研究烧蚀时间对C/C-SiC复合材料在高超声速富氧环境下烧蚀机制的影响规律，采用富氧环境下的高超声速烧蚀试验技术，对“化学气相渗透+先驱体浸渍裂解”混合工艺制备的针刺C/C-SiC复合材料动态烧蚀机制进行研究，并采用电子扫描显微镜观察烧蚀表面形貌。研究表明：在极端苛刻的高超声速富氧烧蚀环境下，C/C-SiC复合材料能够短时抵抗高温、高压、高超声速燃气射流的氧化工作环境。材料经高超声速富氧烧蚀10 s、20 s、30 s、40 s及50 s后的质量烧蚀率分别为0.021 g/s、0.025 g/s、0.027 g/s、0.026 g/s与0.034 g/s。C/C-SiC复合材料在高超声速富氧环境下的动态烧蚀行为主要受热化学烧蚀与机械剥蚀两种烧蚀机制共同作用。在初始阶段，SiO2保护膜的存在有效阻止了氧化性组分向基体内部的扩散，仅材料中心区域存在轻微热化学烧蚀；烧蚀试验中期，材料的烧蚀主要表现为热化学烧蚀与机械剥蚀联合作用，并由热化学烧蚀向机械剥蚀呈渐变性转变；烧蚀试验后期，基体的深度反应使得材料的烧蚀主要表现为纤维与基体的大面积片状剥落。
为了研究烧蚀时间对C/C-SiC复合材料在高超声速富氧环境下烧蚀机制的影响规律，采用富氧环境下的高超声速烧蚀试验技术，对“化学气相渗透+先驱体浸渍裂解”混合工艺制备的针刺C/C-SiC复合材料动态烧蚀机制进行研究，并采用电子扫描显微镜观察烧蚀表面形貌。研究表明：在极端苛刻的高超声速富氧烧蚀环境下，C/C-SiC复合材料能够短时抵抗高温、高压、高超声速燃气射流的氧化工作环境。材料经高超声速富氧烧蚀10 s、20 s、30 s、40 s及50 s后的质量烧蚀率分别为0.021 g/s、0.025 g/s、0.027 g/s、0.026 g/s与0.034 g/s。C/C-SiC复合材料在高超声速富氧环境下的动态烧蚀行为主要受热化学烧蚀与机械剥蚀两种烧蚀机制共同作用。在初始阶段，SiO2保护膜的存在有效阻止了氧化性组分向基体内部的扩散，仅材料中心区域存在轻微热化学烧蚀；烧蚀试验中期，材料的烧蚀主要表现为热化学烧蚀与机械剥蚀联合作用，并由热化学烧蚀向机械剥蚀呈渐变性转变；烧蚀试验后期，基体的深度反应使得材料的烧蚀主要表现为纤维与基体的大面积片状剥落。
2023, 40(1): 485-498.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220307.003
摘要:
石墨烯具有独特的二维结构及性能已成为金属基复合材料制备过程中理想的增强相备选材料之一。而铜因具有良好的导热性、导电性和化学稳定性已被广泛应用到电子产品中，但其存在机械强度低、硬度低等缺点成为其应用亟需解决的瓶颈问题。目前，将石墨烯和铜基材料进行结合，虽然在一定程度上可以改善铜基材料的的综合性能。但由于石墨烯易产生团聚，石墨烯与铜之间的润湿性差，使其两者难以形成良好的界面结合，进而导致复合材料的性能变差。因此，为了解决上述问题，本文通过化学还原法在石墨烯上负载铜粒子对石墨烯进行改性处理，成功制备了石墨烯负载铜复合粉体(Cu-rGO)，并将其作为增强相，与纳米铜粉混合，运用放电等离子烧结(SPS)工艺制备了石墨烯负载铜增强铜基块体复合材料(Cu-rGO/Cu)，研究Cu-rGO复合粉体含量对铜基体组织和性能的影响。研究发现，在50 mg氧化石墨烯(GO)和200 mg硫酸铜(CuSO4·5H2O)时，获得Cu-rGO复合粉体中还原氧化石墨烯较薄且分布均匀。同时结合TEM结构分析发现铜基体与增强相接触界面紧密，且增强相的引入可以有效地细化块体复合材料的晶粒。另外，随着增强相含量的递增，硬度呈现先增加后减小，尤其在含量为2wt%时，硬度提高17.6%。但其导电率和致密度呈现出下降趋势，可能是还原过程中，氧化石墨烯中含氧官能团没有彻底还原，同时也有可能是石墨烯因有缺陷的产生和团聚现象造成的。
石墨烯具有独特的二维结构及性能已成为金属基复合材料制备过程中理想的增强相备选材料之一。而铜因具有良好的导热性、导电性和化学稳定性已被广泛应用到电子产品中，但其存在机械强度低、硬度低等缺点成为其应用亟需解决的瓶颈问题。目前，将石墨烯和铜基材料进行结合，虽然在一定程度上可以改善铜基材料的的综合性能。但由于石墨烯易产生团聚，石墨烯与铜之间的润湿性差，使其两者难以形成良好的界面结合，进而导致复合材料的性能变差。因此，为了解决上述问题，本文通过化学还原法在石墨烯上负载铜粒子对石墨烯进行改性处理，成功制备了石墨烯负载铜复合粉体(Cu-rGO)，并将其作为增强相，与纳米铜粉混合，运用放电等离子烧结(SPS)工艺制备了石墨烯负载铜增强铜基块体复合材料(Cu-rGO/Cu)，研究Cu-rGO复合粉体含量对铜基体组织和性能的影响。研究发现，在50 mg氧化石墨烯(GO)和200 mg硫酸铜(CuSO4·5H2O)时，获得Cu-rGO复合粉体中还原氧化石墨烯较薄且分布均匀。同时结合TEM结构分析发现铜基体与增强相接触界面紧密，且增强相的引入可以有效地细化块体复合材料的晶粒。另外，随着增强相含量的递增，硬度呈现先增加后减小，尤其在含量为2wt%时，硬度提高17.6%。但其导电率和致密度呈现出下降趋势，可能是还原过程中，氧化石墨烯中含氧官能团没有彻底还原，同时也有可能是石墨烯因有缺陷的产生和团聚现象造成的。
2023, 40(1): 499-509.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20211230.004
摘要:
传统的耐磨金属基复合材料普遍存在塑韧性低的问题。对氧化铝颗粒(Al2O3p)增强高锰钢复合材料进行球形网络构型设计，研究了构型方式、参数及热处理对复合材料压缩性能的影响。制备了3种构型参数(球径ϕ分别为6 mm、7 mm、8 mm)结合两种构型方式(平行、错落)的Al2O3p/高锰钢球形网络复合材料、均匀复合材料和基体材料。结果表明：同构型方式下，随着构型参数(复合区体积分数)的增加，材料的压缩性能降低，其中ϕ
传统的耐磨金属基复合材料普遍存在塑韧性低的问题。对氧化铝颗粒(Al2O3p)增强高锰钢复合材料进行球形网络构型设计，研究了构型方式、参数及热处理对复合材料压缩性能的影响。制备了3种构型参数(球径ϕ分别为6 mm、7 mm、8 mm)结合两种构型方式(平行、错落)的Al2O3p/高锰钢球形网络复合材料、均匀复合材料和基体材料。结果表明：同构型方式下，随着构型参数(复合区体积分数)的增加，材料的压缩性能降低，其中ϕ
2023, 40(1): 510-520.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220125.002
摘要:
纤维增强树脂复合材料(FRP)以其质量轻、强度高、耐腐蚀和施工方便等优势被广泛应用于混凝土结构性能提升和受损构件加固中。FRP约束混凝土的极限条件是选择FRP种类、选择FRP厚度及确定包裹层数等必须要考虑的因素，现有极限应力模型的预测结果能够较好反地映真实情况，而现有极限轴向应变模型的预测精度偏低，故本文对极限轴向应变进行了研究。由于影响FRP约束混凝土极限轴向应变的因素较多，许多研究人员提出的模型在输入参数的选择上存在较大差异，故本文在通过基因表达式编程建立极限轴向应变模型的同时还探讨了不同输入形式对模型预测精度的影响。采用决定系数及平均绝对误差等5种统计指标对模型预测结果进行评价，并将其与现有模型进行对比分析。研究结果表明：原始数据和新数据组合的输入形式对应的模型具有最高的预测精度，因此在模型输入参数的选择上不能仅考虑原始数据或者新数据；与其他研究人员所提模型相比，本文所提模型预测精度更高，其决定系数为0.893，平均绝对误差等指标均在0.35以下。
纤维增强树脂复合材料(FRP)以其质量轻、强度高、耐腐蚀和施工方便等优势被广泛应用于混凝土结构性能提升和受损构件加固中。FRP约束混凝土的极限条件是选择FRP种类、选择FRP厚度及确定包裹层数等必须要考虑的因素，现有极限应力模型的预测结果能够较好反地映真实情况，而现有极限轴向应变模型的预测精度偏低，故本文对极限轴向应变进行了研究。由于影响FRP约束混凝土极限轴向应变的因素较多，许多研究人员提出的模型在输入参数的选择上存在较大差异，故本文在通过基因表达式编程建立极限轴向应变模型的同时还探讨了不同输入形式对模型预测精度的影响。采用决定系数及平均绝对误差等5种统计指标对模型预测结果进行评价，并将其与现有模型进行对比分析。研究结果表明：原始数据和新数据组合的输入形式对应的模型具有最高的预测精度，因此在模型输入参数的选择上不能仅考虑原始数据或者新数据；与其他研究人员所提模型相比，本文所提模型预测精度更高，其决定系数为0.893，平均绝对误差等指标均在0.35以下。
2023, 40(1): 521-529.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220125.001
摘要:
成形具有一定曲率的夹层结构时，需要将蜂窝芯铣削成曲面形状，造成蜂窝胞壁呈一定倾角，进而降低蜂窝夹芯结构面外承载能力。为了定量化分析面外载荷作用下倾斜胞壁蜂窝芯的力学性能，建立了倾斜胞壁蜂窝芯面外压剪复合有限元模型，并通过设计专用Arcan夹具实现蜂窝芯的面外压剪复合加载，用于验证模型的有效性。对比仿真与实验结果，发现蜂窝芯压剪响应及胞壁变形模式吻合较好。利用验证的有限元模型对胞壁倾角范围为0°~40°的蜂窝芯在面外压剪复合载荷下的力学响应进行了研究，结果表明随着蜂窝胞壁倾角的增大，蜂窝芯面外承载能力逐渐降低；当胞壁倾斜角由0°增加到40°，初始应力峰值下降最大幅度为47.7%，平原阶段强度下降幅度为29%；进一步分析了倾斜胞壁蜂窝芯截面芯格尺寸与胞壁倾角的几何关系，将倾斜胞壁蜂窝芯等效为具有相同截面尺寸的垂直胞壁蜂窝芯，推导了倾斜胞壁蜂窝芯在面外压缩及剪切载荷作用下的坍塌强度，揭示了胞壁倾角对蜂窝芯坍塌强度影响机制。
成形具有一定曲率的夹层结构时，需要将蜂窝芯铣削成曲面形状，造成蜂窝胞壁呈一定倾角，进而降低蜂窝夹芯结构面外承载能力。为了定量化分析面外载荷作用下倾斜胞壁蜂窝芯的力学性能，建立了倾斜胞壁蜂窝芯面外压剪复合有限元模型，并通过设计专用Arcan夹具实现蜂窝芯的面外压剪复合加载，用于验证模型的有效性。对比仿真与实验结果，发现蜂窝芯压剪响应及胞壁变形模式吻合较好。利用验证的有限元模型对胞壁倾角范围为0°~40°的蜂窝芯在面外压剪复合载荷下的力学响应进行了研究，结果表明随着蜂窝胞壁倾角的增大，蜂窝芯面外承载能力逐渐降低；当胞壁倾斜角由0°增加到40°，初始应力峰值下降最大幅度为47.7%，平原阶段强度下降幅度为29%；进一步分析了倾斜胞壁蜂窝芯截面芯格尺寸与胞壁倾角的几何关系，将倾斜胞壁蜂窝芯等效为具有相同截面尺寸的垂直胞壁蜂窝芯，推导了倾斜胞壁蜂窝芯在面外压缩及剪切载荷作用下的坍塌强度，揭示了胞壁倾角对蜂窝芯坍塌强度影响机制。
2023, 40(1): 530-541.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220114.001
摘要:
金属-复合材料混合接头广泛存在于航空、船舶及汽车等领域，具有凹槽形貌的共固化金属-复合材料接头可保持复合材料结构的完整性和纤维的连续性。在被连接金属表面设计了±45°凹槽，评估了表面形貌对钢-玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)接头胶接性能的影响，设计了单搭接拉伸剪切试验，验证胶接接头的剪切性能；在模拟中引入随机Weibull分布，定义内聚单元材料参数，结合矢量化用户材料(Vectorized user material，VUMAT)子程序模拟了接头的渐进失效过程，并建立±45°凹槽结构的代表性体积单元(Representative volume element，RVE)模型，分析了凹槽宽度和深度等参数对胶接接头的性能影响。研究表明，±45°凹槽结构可以显著提高钢-GFRP胶接接头的剪切强度，数值模拟强度和破坏模式与试验吻合；凹槽深度和宽度对结构胶接性能的影响显著，本文可为金属-复合材料接头的设计提供参考。
金属-复合材料混合接头广泛存在于航空、船舶及汽车等领域，具有凹槽形貌的共固化金属-复合材料接头可保持复合材料结构的完整性和纤维的连续性。在被连接金属表面设计了±45°凹槽，评估了表面形貌对钢-玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)接头胶接性能的影响，设计了单搭接拉伸剪切试验，验证胶接接头的剪切性能；在模拟中引入随机Weibull分布，定义内聚单元材料参数，结合矢量化用户材料(Vectorized user material，VUMAT)子程序模拟了接头的渐进失效过程，并建立±45°凹槽结构的代表性体积单元(Representative volume element，RVE)模型，分析了凹槽宽度和深度等参数对胶接接头的性能影响。研究表明，±45°凹槽结构可以显著提高钢-GFRP胶接接头的剪切强度，数值模拟强度和破坏模式与试验吻合；凹槽深度和宽度对结构胶接性能的影响显著，本文可为金属-复合材料接头的设计提供参考。
2023, 40(1): 542-552.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220317.003
摘要:
设计了单L型(LS)及双L型(LD)两种重量相近的L型接头。采用试验与数值模拟相结合的方式对两种接头的拉伸失效机制进行了研究。通过自行设计的试验夹具在伺服液压试验机上将两种L型接头准静态加载至破坏，分析其破坏机制及应变分布。研究发现，两种L型接头存在不同的失效机制，在破坏阶段单L型接头表现出更好的延展性。单L型接头加载至峰值载荷时，在靠近加载侧的内侧螺栓孔附近首先出现破坏，随后损伤向外侧螺栓孔附近扩展，直至完全失效。双L型接头加载至峰值载荷的50%左右时，L型框体和L型片之间的胶膜首先发生破坏，随后载荷继续增加至峰值载荷时，L型框螺栓孔附近发生破坏，损伤向框体边缘扩展，载荷大幅下降。此外，两种接头的应变随载荷的增加存在不同的变化趋势。采用一种新型复合材料初始失效准则及刚度折减方法，编写用户自定义子程序(UMAT)，结合内聚区模型建立复合材料L型接头的渐进损伤模型。基于ABAQUS软件进行计算，得到接头的预测失效载荷及破坏形式。结果表明：有限元分析所得复合材料L型接头的损伤位置及失效模式与试验吻合，预测载荷与试验值相差较小，证明了有限元模型的适用性。
设计了单L型(LS)及双L型(LD)两种重量相近的L型接头。采用试验与数值模拟相结合的方式对两种接头的拉伸失效机制进行了研究。通过自行设计的试验夹具在伺服液压试验机上将两种L型接头准静态加载至破坏，分析其破坏机制及应变分布。研究发现，两种L型接头存在不同的失效机制，在破坏阶段单L型接头表现出更好的延展性。单L型接头加载至峰值载荷时，在靠近加载侧的内侧螺栓孔附近首先出现破坏，随后损伤向外侧螺栓孔附近扩展，直至完全失效。双L型接头加载至峰值载荷的50%左右时，L型框体和L型片之间的胶膜首先发生破坏，随后载荷继续增加至峰值载荷时，L型框螺栓孔附近发生破坏，损伤向框体边缘扩展，载荷大幅下降。此外，两种接头的应变随载荷的增加存在不同的变化趋势。采用一种新型复合材料初始失效准则及刚度折减方法，编写用户自定义子程序(UMAT)，结合内聚区模型建立复合材料L型接头的渐进损伤模型。基于ABAQUS软件进行计算，得到接头的预测失效载荷及破坏形式。结果表明：有限元分析所得复合材料L型接头的损伤位置及失效模式与试验吻合，预测载荷与试验值相差较小，证明了有限元模型的适用性。
2023, 40(1): 553-566.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220126.001
摘要:
为了准确预测变厚度CCF800H/AC531碳纤维/环氧树脂复合材料U型零件的固化变形，并分析弯边以及变厚区参数对变形的影响。首先，利用自洽方法确定了单层复合材料力学性能，采用细观有限元方法预测了层合板的整体性能以避免仿真建模时复杂的铺层设置。而后结合固化硬化瞬时线弹性模型建立了零件的固化变形预测方法并进行了验证。变厚区对相邻区域的变形的影响规律由变厚区结构参数确定，与铺层方式和材料种类无关。运用Box-Behnken响应面方法，拟合了两个二次模型以分析弯边参数和变厚度结构参数对固化变形的影响规律。变厚区对较薄区域的影响较大，变形最大减小幅度达15%，而对较厚区域的影响可以忽略。采用方差分析比较了不同因素的影响，变厚区的宽度变化对变形的影响较小。当截面距变厚区的距离大于150 mm时，变厚区对较薄区域的影响接近为0。
为了准确预测变厚度CCF800H/AC531碳纤维/环氧树脂复合材料U型零件的固化变形，并分析弯边以及变厚区参数对变形的影响。首先，利用自洽方法确定了单层复合材料力学性能，采用细观有限元方法预测了层合板的整体性能以避免仿真建模时复杂的铺层设置。而后结合固化硬化瞬时线弹性模型建立了零件的固化变形预测方法并进行了验证。变厚区对相邻区域的变形的影响规律由变厚区结构参数确定，与铺层方式和材料种类无关。运用Box-Behnken响应面方法，拟合了两个二次模型以分析弯边参数和变厚度结构参数对固化变形的影响规律。变厚区对较薄区域的影响较大，变形最大减小幅度达15%，而对较厚区域的影响可以忽略。采用方差分析比较了不同因素的影响，变厚区的宽度变化对变形的影响较小。当截面距变厚区的距离大于150 mm时，变厚区对较薄区域的影响接近为0。
2023, 40(1): 567-576.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220127.001
摘要:
为了避免理想化织物模型横截面恒定、纱线间相互渗透的问题，生成具有真实感的二维机织物三维细观模型，提出一种基于自由变形技术的几何变形方法。首先通过理想化的纱线中心线轨迹、横截面建立织物初始几何模型，然后应用自由变形技术对纱线进行变形。在变形过程中，所有纱线横截面在空间位置和参数的约束下进行自由变形，所有横截面变形后的控制网格组成纱线的控制网格，以驱动纱线的整体变形，最终生成具有真实感的织物细观模型。变形过程中纱线间的接触应用基于射线的碰撞检测技术处理。该方法可以扩展并应用于其他织物结构，且可以输出到其他软件中进行模拟计算。
为了避免理想化织物模型横截面恒定、纱线间相互渗透的问题，生成具有真实感的二维机织物三维细观模型，提出一种基于自由变形技术的几何变形方法。首先通过理想化的纱线中心线轨迹、横截面建立织物初始几何模型，然后应用自由变形技术对纱线进行变形。在变形过程中，所有纱线横截面在空间位置和参数的约束下进行自由变形，所有横截面变形后的控制网格组成纱线的控制网格，以驱动纱线的整体变形，最终生成具有真实感的织物细观模型。变形过程中纱线间的接触应用基于射线的碰撞检测技术处理。该方法可以扩展并应用于其他织物结构，且可以输出到其他软件中进行模拟计算。
2023, 40(1): 577-589.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220214.001
摘要:
根据防护要求和防护机制，设计了一种C/C-SiC陶瓷/铝基复合泡沫复合装甲。在确保复合装甲面密度为44 kg/m2的前提下，以弹击后剩余弯曲强度为评价标准，以陶瓷板布置位置、各组成层厚度、泡沫金属中泡沫孔径尺寸为研究因素，设计了三因素三水平的正交模拟优化方案，利用有限元软件ABAQUS模拟了子弹侵彻陶瓷靶板的过程及弹击损伤后复合装甲的弯曲实验过程，预测了剩余弯曲强度，并进行了结构优化。根据数值模拟结果制备陶瓷复合装甲试样，进行实弹打靶和弯曲实验以验证复合装甲试样剩余弯曲强度。结果表明，以MIL-A-46103E III类2A级为防护标准，剩余弯曲强度最高的陶瓷复合装甲最优化结构形式为：陶瓷板厚度12 mm、陶瓷板做防弹面板、Al基复合泡沫孔径为4 mm+10 mm的混合；对剩余弯曲强度的主次影响因素排序为：陶瓷板厚度＞陶瓷板布置位置＞Al基复合泡沫孔径。
根据防护要求和防护机制，设计了一种C/C-SiC陶瓷/铝基复合泡沫复合装甲。在确保复合装甲面密度为44 kg/m2的前提下，以弹击后剩余弯曲强度为评价标准，以陶瓷板布置位置、各组成层厚度、泡沫金属中泡沫孔径尺寸为研究因素，设计了三因素三水平的正交模拟优化方案，利用有限元软件ABAQUS模拟了子弹侵彻陶瓷靶板的过程及弹击损伤后复合装甲的弯曲实验过程，预测了剩余弯曲强度，并进行了结构优化。根据数值模拟结果制备陶瓷复合装甲试样，进行实弹打靶和弯曲实验以验证复合装甲试样剩余弯曲强度。结果表明，以MIL-A-46103E III类2A级为防护标准，剩余弯曲强度最高的陶瓷复合装甲最优化结构形式为：陶瓷板厚度12 mm、陶瓷板做防弹面板、Al基复合泡沫孔径为4 mm+10 mm的混合；对剩余弯曲强度的主次影响因素排序为：陶瓷板厚度＞陶瓷板布置位置＞Al基复合泡沫孔径。
2023, 40(1): 590-600.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220215.001
摘要:
为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板单搭接双螺栓胶螺混合连接失效机制，采用基于断裂能断裂准则的连续渐进退化方式，仿真CFRP层合板刚度退化，采用基于能量的B-K准则仿真胶层的损伤演化，建立胶螺混合连接结构渐进损伤三维有限元模型，有限元模型预测的最大失效载荷与实验结果吻合较好。搭接长度La为影响胶螺混合接头刚度和强度的重要几何参数，螺栓的位置不会明显影响接头的刚度，粘结面积越大，强度越大。胶螺混合接头在拉伸载荷作用下，由于二次弯曲效应的影响，螺栓向左倾斜，搭接区域的胶层损伤起始于搭接区域胶层外侧，并由外侧向内部扩展到钉孔附近，当胶层损伤扩展到钉孔附近时，螺栓承载增加，胶层和螺栓共同承载，此时CFRP层合板开始出现损伤；最终，左侧钉孔处的上层合板和右侧钉孔处的下层合板产生分层损伤并发生断裂。
为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板单搭接双螺栓胶螺混合连接失效机制，采用基于断裂能断裂准则的连续渐进退化方式，仿真CFRP层合板刚度退化，采用基于能量的B-K准则仿真胶层的损伤演化，建立胶螺混合连接结构渐进损伤三维有限元模型，有限元模型预测的最大失效载荷与实验结果吻合较好。搭接长度La为影响胶螺混合接头刚度和强度的重要几何参数，螺栓的位置不会明显影响接头的刚度，粘结面积越大，强度越大。胶螺混合接头在拉伸载荷作用下，由于二次弯曲效应的影响，螺栓向左倾斜，搭接区域的胶层损伤起始于搭接区域胶层外侧，并由外侧向内部扩展到钉孔附近，当胶层损伤扩展到钉孔附近时，螺栓承载增加，胶层和螺栓共同承载，此时CFRP层合板开始出现损伤；最终，左侧钉孔处的上层合板和右侧钉孔处的下层合板产生分层损伤并发生断裂。
2023, 40(1): 601-612.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220120.001
摘要:
为了进一步提高泡沫夹层复合材料的承载能力和综合性能，实现其在轨道交通及汽车等工业领域的应用，开展了玻璃纤维立体织物增强环氧树脂泡沫(GF-Fabric/EP)复合材料的制备及其力学性能的研究。制备GF-Fabric/EP复合材料及其夹层结构，探索了GF-Fabric/EP复合材料及其夹层结构的失效行为，以揭示立体织物的增强机制。结果表明：立体织物的引入可显著改善GF-Fabric/EP复合材料的强度、刚度及破坏应变；但在不同承载条件下，各纱线发挥承载作用和效果不同。面板、芯材各自的性能、尺寸及面/芯界面性能均是影响GF-Fabric/EP夹层复合材料力学性能及失效特征的重要因素。以三点加载下的弯曲性能为例，针对不同的GF-Fabric/EP夹层复合材料，需调整跨厚比和试样尺寸并获得理想的失效特征，方可对其弯曲性能或层间剪切性能进行有效、合理的评价。
为了进一步提高泡沫夹层复合材料的承载能力和综合性能，实现其在轨道交通及汽车等工业领域的应用，开展了玻璃纤维立体织物增强环氧树脂泡沫(GF-Fabric/EP)复合材料的制备及其力学性能的研究。制备GF-Fabric/EP复合材料及其夹层结构，探索了GF-Fabric/EP复合材料及其夹层结构的失效行为，以揭示立体织物的增强机制。结果表明：立体织物的引入可显著改善GF-Fabric/EP复合材料的强度、刚度及破坏应变；但在不同承载条件下，各纱线发挥承载作用和效果不同。面板、芯材各自的性能、尺寸及面/芯界面性能均是影响GF-Fabric/EP夹层复合材料力学性能及失效特征的重要因素。以三点加载下的弯曲性能为例，针对不同的GF-Fabric/EP夹层复合材料，需调整跨厚比和试样尺寸并获得理想的失效特征，方可对其弯曲性能或层间剪切性能进行有效、合理的评价。
2023, 40(1): 613-624.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220125.003
摘要:
采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备了结构对称和非对称两种复合材料T型接头试样，并对其进行了静态拉伸力学试验，对比分析了两种结构的拉伸破坏模式、结构刚度及破坏载荷。同时基于T接头内聚力模型(CZM)，研究了两种不同结构T型接头的拉伸破坏过程及失效机制，并对比分析了不同偏转角下T接头的层间应力。结果表明：不同结构T型接头的拉伸破坏模式不同，偏转角的存在使结构非对称T型接头夹角大侧圆弧受力明显高于小侧圆弧，导致接头首先在大侧夹角圆弧与三角区界面定向萌生初始裂纹，随后裂纹主要沿大侧腹板翻边与蒙皮的界面扩展，进而导致接头最终破坏，最终失效载荷较对称T型接头提高了15.3%，且结构刚度更大。有限元结果表明T型接头三角区的初始失效主要由层间正应力及剪应力引起，有限元分析的失效模式与试验一致，结构对称及非对称T型接头最终失效载荷与试验值均吻合较好；且随着偏转角的增加，腹板圆弧处层间应力逐渐减小，初始失效载荷将随之增大；初始破坏位置将转移至大侧夹角圆弧末端。
采用树脂传递模塑(RTM)工艺制备了结构对称和非对称两种复合材料T型接头试样，并对其进行了静态拉伸力学试验，对比分析了两种结构的拉伸破坏模式、结构刚度及破坏载荷。同时基于T接头内聚力模型(CZM)，研究了两种不同结构T型接头的拉伸破坏过程及失效机制，并对比分析了不同偏转角下T接头的层间应力。结果表明：不同结构T型接头的拉伸破坏模式不同，偏转角的存在使结构非对称T型接头夹角大侧圆弧受力明显高于小侧圆弧，导致接头首先在大侧夹角圆弧与三角区界面定向萌生初始裂纹，随后裂纹主要沿大侧腹板翻边与蒙皮的界面扩展，进而导致接头最终破坏，最终失效载荷较对称T型接头提高了15.3%，且结构刚度更大。有限元结果表明T型接头三角区的初始失效主要由层间正应力及剪应力引起，有限元分析的失效模式与试验一致，结构对称及非对称T型接头最终失效载荷与试验值均吻合较好；且随着偏转角的增加，腹板圆弧处层间应力逐渐减小，初始失效载荷将随之增大；初始破坏位置将转移至大侧夹角圆弧末端。
2023, 40(1): 625-636.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220120.008
摘要:
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在航空航天等领域应用广泛。在CFRP制造过程中难以避免会产生孔隙等缺陷，对后续的切削加工造成一定影响。在考虑了CFRP成型过程形成的孔隙缺陷基础上，运用有限元仿真模拟方法，从纤维-树脂-界面尺度建立了含孔隙缺陷的CFRP微观切削仿真模型，研究了不同孔隙率条件下不同纤维排布方向的CFRP微观切削行为，并通过实验验证了仿真模型的正确性。研究结果表明：孔隙的存在会增加刀具的“空切”现象，从而对CFRP切削过程的切削力、材料破坏及亚表面损伤、材料能量等产生影响。随孔隙率的增加，切削力呈下降趋势，孔隙边缘的纤维产生整体断裂的倾向增加；孔隙对0°、45°和135°纤维排布方向的CFRP切削加工的面下损伤影响不大，在纤维排布方向为90°条件下，孔隙率高于3vol%时对加工表面的面下损伤具有较大影响；在材料内部能量耗散方面，“顺切”(纤维方向角小于90°)时的总耗散能低于“逆切”，随孔隙率增加，总耗散能降低。
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)在航空航天等领域应用广泛。在CFRP制造过程中难以避免会产生孔隙等缺陷，对后续的切削加工造成一定影响。在考虑了CFRP成型过程形成的孔隙缺陷基础上，运用有限元仿真模拟方法，从纤维-树脂-界面尺度建立了含孔隙缺陷的CFRP微观切削仿真模型，研究了不同孔隙率条件下不同纤维排布方向的CFRP微观切削行为，并通过实验验证了仿真模型的正确性。研究结果表明：孔隙的存在会增加刀具的“空切”现象，从而对CFRP切削过程的切削力、材料破坏及亚表面损伤、材料能量等产生影响。随孔隙率的增加，切削力呈下降趋势，孔隙边缘的纤维产生整体断裂的倾向增加；孔隙对0°、45°和135°纤维排布方向的CFRP切削加工的面下损伤影响不大，在纤维排布方向为90°条件下，孔隙率高于3vol%时对加工表面的面下损伤具有较大影响；在材料内部能量耗散方面，“顺切”(纤维方向角小于90°)时的总耗散能低于“逆切”，随孔隙率增加，总耗散能降低。
