2011年 第28卷 第1期
2011, 28(1): 1-7.
摘要:
采用溶剂辅助原位分散方法, 制备纳米二氧化硅(nano-SiO2)/聚(癸二酸-甘油-柠檬酸)酯(PGSC)生物弹性体复合材料。通过FTIR、 SEM、 广角X射线衍射(WXRD)、 DSC以及力学测试等手段, 对复合材料的结构和性能进行了表征。PGSC基体不仅对nano-SiO2产生包覆, 还与nano-SiO2之间形成化学结合。随nano-SiO2质量分数增加, 其在基体中的分散更精细均匀。nano-SiO2的加入消弱了基体的有序结构, 但是无机填料网络的形成则使复合材料的有序结构增强; 加入少量nano-SiO2有利于提高基体的玻璃化转变温度(Tg), 但加入较多nano-SiO2时, Tg反而降低。复合材料具有优良的回弹性, 其拉伸强度和模量随nano-SiO2质量分数的增加而提高; 当质量分数为16.67%时, 强度和模量分别提高了602.20%和258.21%。
采用溶剂辅助原位分散方法, 制备纳米二氧化硅(nano-SiO2)/聚(癸二酸-甘油-柠檬酸)酯(PGSC)生物弹性体复合材料。通过FTIR、 SEM、 广角X射线衍射(WXRD)、 DSC以及力学测试等手段, 对复合材料的结构和性能进行了表征。PGSC基体不仅对nano-SiO2产生包覆, 还与nano-SiO2之间形成化学结合。随nano-SiO2质量分数增加, 其在基体中的分散更精细均匀。nano-SiO2的加入消弱了基体的有序结构, 但是无机填料网络的形成则使复合材料的有序结构增强; 加入少量nano-SiO2有利于提高基体的玻璃化转变温度(Tg), 但加入较多nano-SiO2时, Tg反而降低。复合材料具有优良的回弹性, 其拉伸强度和模量随nano-SiO2质量分数的增加而提高; 当质量分数为16.67%时, 强度和模量分别提高了602.20%和258.21%。
2011, 28(1): 8-14.
摘要:
设计了一套隔热材料高温(>1200℃)隔热效果的测试装置, 可对隔热材料进行快速、 低成本的有效测试和筛选。采用本装置在材料热面中心温度为1600℃±10℃时, 考察了碳/酚醛复合材料和ZrO2纤维板材料背部升温历程, 评价了2种材料的隔热性能, 并采用有限差分法数值模拟了ZrO2纤维板材料背部升温历程, 预测其有效导热系数。研究表明, 在加热初期400s时间内, 碳/酚醛复合材料的隔热性能优于ZrO2纤维板的隔热性能, 后期则相反; ZrO2纤维板的隔热性能与体积密度有关, 有效导热系数随温度升高而非线性地增大。
设计了一套隔热材料高温(>1200℃)隔热效果的测试装置, 可对隔热材料进行快速、 低成本的有效测试和筛选。采用本装置在材料热面中心温度为1600℃±10℃时, 考察了碳/酚醛复合材料和ZrO2纤维板材料背部升温历程, 评价了2种材料的隔热性能, 并采用有限差分法数值模拟了ZrO2纤维板材料背部升温历程, 预测其有效导热系数。研究表明, 在加热初期400s时间内, 碳/酚醛复合材料的隔热性能优于ZrO2纤维板的隔热性能, 后期则相反; ZrO2纤维板的隔热性能与体积密度有关, 有效导热系数随温度升高而非线性地增大。
2011, 28(1): 15-20.
摘要:
制备了一种可用于树脂传递模塑( RTM) 工艺的高性能苯并噁嗪共混树脂体系( BA21) 。研究了BA21 的注射工艺性, 确定了其固化程序, 并考察了采用RTM 工艺制备的BA21 基复合材料的基本力学性能。升温及恒温黏度测试结果表明, BA21 树脂体系能够用于RTM 工艺。依据修正的双阿累尼乌斯方程建立了与实验数据较为吻合的化学流变模型, 利用该模型可以选择合适的注射温度。通过不同温度下的恒温DSC 测试及修正的Kamal 动力学模型计算得到BA21 树脂体系的固化反应级数, 并确定后固化温度为200 ℃。采用RTM 工艺制得的玻璃纤维/ BA21 复合材料表现出优异的力学性能, 弯曲强度达600 MPa , 弯曲模量达30 GPa , 冲击强度达210 kJ/ m2 。
制备了一种可用于树脂传递模塑( RTM) 工艺的高性能苯并噁嗪共混树脂体系( BA21) 。研究了BA21 的注射工艺性, 确定了其固化程序, 并考察了采用RTM 工艺制备的BA21 基复合材料的基本力学性能。升温及恒温黏度测试结果表明, BA21 树脂体系能够用于RTM 工艺。依据修正的双阿累尼乌斯方程建立了与实验数据较为吻合的化学流变模型, 利用该模型可以选择合适的注射温度。通过不同温度下的恒温DSC 测试及修正的Kamal 动力学模型计算得到BA21 树脂体系的固化反应级数, 并确定后固化温度为200 ℃。采用RTM 工艺制得的玻璃纤维/ BA21 复合材料表现出优异的力学性能, 弯曲强度达600 MPa , 弯曲模量达30 GPa , 冲击强度达210 kJ/ m2 。
2011, 28(1): 21-25.
摘要:
为了考察药物5-氟尿嘧啶(5-Fu)与吲哚美辛(IDMC)的协同作用, 采用超临界流体强制分散溶液技术(SEDS), 以二氯甲烷/二甲亚砜为共溶剂, 制备了复合5-Fu和IDMC的L-聚乳酸(PLLA)微球。利用单因素法探索了制备复合微球的最佳外部条件, 通过表面形貌、 载药量、 粒径分布、 释放性能的检测和体外细胞实验来表征微球的各项性能。结果表明: 当共溶剂二氯甲烷/二甲亚砜比例为30∶1时, 制备该微球的优化条件为39℃、 14MPa; 微球形貌呈类球形, 粒径分布在0.5~5μm; 复合IDMC后微球具有更优良的缓释效果; 载药微球对A549细胞系增殖有明显的抑制作用, 但与复合IDMC前后微球共培养的2组细胞的相对生长速率(RGR)无显著性差异。
为了考察药物5-氟尿嘧啶(5-Fu)与吲哚美辛(IDMC)的协同作用, 采用超临界流体强制分散溶液技术(SEDS), 以二氯甲烷/二甲亚砜为共溶剂, 制备了复合5-Fu和IDMC的L-聚乳酸(PLLA)微球。利用单因素法探索了制备复合微球的最佳外部条件, 通过表面形貌、 载药量、 粒径分布、 释放性能的检测和体外细胞实验来表征微球的各项性能。结果表明: 当共溶剂二氯甲烷/二甲亚砜比例为30∶1时, 制备该微球的优化条件为39℃、 14MPa; 微球形貌呈类球形, 粒径分布在0.5~5μm; 复合IDMC后微球具有更优良的缓释效果; 载药微球对A549细胞系增殖有明显的抑制作用, 但与复合IDMC前后微球共培养的2组细胞的相对生长速率(RGR)无显著性差异。
2011, 28(1): 26-30.
摘要:
利用丙交酯的开环聚合反应成功地制备了单壁碳纳米管/聚乳酸复合材料, 研究了其降解性和热稳定性。通过红外光谱(FTIR)、 Raman光谱、 热失重分析(TGA)和扫描电子显微镜(SEM)研究, 证明乙二醇功能化的单壁碳纳米管能够参与丙交酯的开环聚合反应, 并在碳纳米管侧壁成功接枝聚乳酸链, 得到的复合材料在碱性溶液中容易降解。差示热分析(DSC)表明, 功能化单壁碳纳米管/聚乳酸复合材料的玻璃化转变温度与纯聚乳酸相比有所提高。
利用丙交酯的开环聚合反应成功地制备了单壁碳纳米管/聚乳酸复合材料, 研究了其降解性和热稳定性。通过红外光谱(FTIR)、 Raman光谱、 热失重分析(TGA)和扫描电子显微镜(SEM)研究, 证明乙二醇功能化的单壁碳纳米管能够参与丙交酯的开环聚合反应, 并在碳纳米管侧壁成功接枝聚乳酸链, 得到的复合材料在碱性溶液中容易降解。差示热分析(DSC)表明, 功能化单壁碳纳米管/聚乳酸复合材料的玻璃化转变温度与纯聚乳酸相比有所提高。
2011, 28(1): 31-36.
摘要:
以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)及短玻璃纤维(SGF)为原料, 以苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)和环氧树脂(EP)为界面相容剂, 制备了SGF/SMA-EP-ABS复合材料。用扫描电镜(SEM)、 动态力学热分析(DMTA)等研究了界面相容剂对SGF增强ABS复合材料力学性能及界面粘结性能的影响。结果表明:加入SMA或EP, SGF增强ABS复合材料的力学性能明显提高; SMA与EP同时加入具有明显的协同效果, 使复合材料的性能更为优越。当SGF加入质量分数为30%时, SGF/SMA-EP-ABS复合材料的拉伸强度、 弯曲强度、 冲击强度较未添加界面相容剂时分别提高了56%、 42%、 79%。SEM和DMTA测试表明, 加入SMA和环氧树脂后, SGF与ABS基体之间的界面粘结性能得到很大改善。
以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)及短玻璃纤维(SGF)为原料, 以苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)和环氧树脂(EP)为界面相容剂, 制备了SGF/SMA-EP-ABS复合材料。用扫描电镜(SEM)、 动态力学热分析(DMTA)等研究了界面相容剂对SGF增强ABS复合材料力学性能及界面粘结性能的影响。结果表明:加入SMA或EP, SGF增强ABS复合材料的力学性能明显提高; SMA与EP同时加入具有明显的协同效果, 使复合材料的性能更为优越。当SGF加入质量分数为30%时, SGF/SMA-EP-ABS复合材料的拉伸强度、 弯曲强度、 冲击强度较未添加界面相容剂时分别提高了56%、 42%、 79%。SEM和DMTA测试表明, 加入SMA和环氧树脂后, SGF与ABS基体之间的界面粘结性能得到很大改善。
2011, 28(1): 37-42.
摘要:
为开发环境友好型木材胶黏剂, 利用差示扫描量热法(DSC)和流变仪分析了葡甘聚糖、 壳聚糖、 聚乙烯醇共混胶黏剂的热固化过程和流变特性。结果表明: 三元共混胶黏剂的流变特性呈明显的非线性, 黏度与剪切速率的关系可用Cross模型拟合, 黏度与温度的关系可用Arrhenius方程拟合, 前置因子K为1.25×10-6Pa·s, 流动活化能为54.24kJ/mol, 频率曲线可用四阶多项式拟合, 同时可得到胶黏剂的平均分子量随温度升高逐渐降低, 分子量分布随着温度升高逐渐增大。温度和时间扫描得到凝胶化温度110.4℃, 凝胶时间20.1min, 玻璃化转变温度87.4℃, 加热温度130℃。
为开发环境友好型木材胶黏剂, 利用差示扫描量热法(DSC)和流变仪分析了葡甘聚糖、 壳聚糖、 聚乙烯醇共混胶黏剂的热固化过程和流变特性。结果表明: 三元共混胶黏剂的流变特性呈明显的非线性, 黏度与剪切速率的关系可用Cross模型拟合, 黏度与温度的关系可用Arrhenius方程拟合, 前置因子K为1.25×10-6Pa·s, 流动活化能为54.24kJ/mol, 频率曲线可用四阶多项式拟合, 同时可得到胶黏剂的平均分子量随温度升高逐渐降低, 分子量分布随着温度升高逐渐增大。温度和时间扫描得到凝胶化温度110.4℃, 凝胶时间20.1min, 玻璃化转变温度87.4℃, 加热温度130℃。
2011, 28(1): 43-49.
摘要:
采用表面处理和接枝聚合的方法分别制备了以环氧树脂为基体, 以钐元素为功能元素的氧化钐/环氧树脂与聚丙烯酸钐/环氧树脂辐射防护材料。用X射线衍射、 扫描电镜等方法对比研究了通过表面处理法制得的氧化钐/环氧树脂和通过接枝聚合法制得的聚丙烯酸钐/环氧树脂2种材料样品的微观结构; 测试了材料的力学性能, 并用多道碘化钠(NaI)γ谱仪和GammaVision软件分析了其辐射防护能力。结果表明: 聚丙烯酸钐/环氧树脂复合材料的制备过程相对较复杂, 该样品中钐元素分布更均匀, 力学性能优于氧化钐/环氧树脂复合材料, 但是聚丙烯酸钐/环氧树脂样品中钐的质量分数最多只能提高到11%; 对于低能射线, 钐元素的含量是影响复合材料屏蔽率的决定性因素, 而对于高能射线, 钐元素分布对复合材料屏蔽率的影响大于钐元素质量分数带来的影响。
采用表面处理和接枝聚合的方法分别制备了以环氧树脂为基体, 以钐元素为功能元素的氧化钐/环氧树脂与聚丙烯酸钐/环氧树脂辐射防护材料。用X射线衍射、 扫描电镜等方法对比研究了通过表面处理法制得的氧化钐/环氧树脂和通过接枝聚合法制得的聚丙烯酸钐/环氧树脂2种材料样品的微观结构; 测试了材料的力学性能, 并用多道碘化钠(NaI)γ谱仪和GammaVision软件分析了其辐射防护能力。结果表明: 聚丙烯酸钐/环氧树脂复合材料的制备过程相对较复杂, 该样品中钐元素分布更均匀, 力学性能优于氧化钐/环氧树脂复合材料, 但是聚丙烯酸钐/环氧树脂样品中钐的质量分数最多只能提高到11%; 对于低能射线, 钐元素的含量是影响复合材料屏蔽率的决定性因素, 而对于高能射线, 钐元素分布对复合材料屏蔽率的影响大于钐元素质量分数带来的影响。
2011, 28(1): 50-55.
摘要:
研究了不同多孔结构聚乙烯醇水凝胶的微观形貌, 采用数字散斑相关技术和力学实验测试等对多孔水凝胶在受力状态下的微区位移、 压缩模量及泊松比进行分析和计算。研究发现, 多孔水凝胶的孔隙率和孔径大小对形变等位移线分布有明显影响。随着致孔剂含量的增加, 多孔水凝胶的等位移线由均匀分布的近似平行线变为不均匀的S形曲线, 出现等位移线密度明显增大的应力集中区域。 多孔水凝胶孔隙率增加, 形变增大。致孔剂种类及含量不同时, 水凝胶的泊松比值随着载荷的增加逐渐减小, 致孔剂含量越多泊松比值越小, 压缩模量则随着应变的增加逐渐增大。
研究了不同多孔结构聚乙烯醇水凝胶的微观形貌, 采用数字散斑相关技术和力学实验测试等对多孔水凝胶在受力状态下的微区位移、 压缩模量及泊松比进行分析和计算。研究发现, 多孔水凝胶的孔隙率和孔径大小对形变等位移线分布有明显影响。随着致孔剂含量的增加, 多孔水凝胶的等位移线由均匀分布的近似平行线变为不均匀的S形曲线, 出现等位移线密度明显增大的应力集中区域。 多孔水凝胶孔隙率增加, 形变增大。致孔剂种类及含量不同时, 水凝胶的泊松比值随着载荷的增加逐渐减小, 致孔剂含量越多泊松比值越小, 压缩模量则随着应变的增加逐渐增大。
2011, 28(1): 56-60.
摘要:
采用不同的方法及改性剂处理秸秆纤维, 并对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)进行共混改性, 利用热压工艺得到了秸秆纤维/PBS复合材料。研究了水煮和微波处理工艺对秸秆纤维提取量的影响; 研究了苯甲酸等改性剂的种类、 添加量对秸秆纤维及秸秆纤维/PBS复合材料性能的影响。采用扫描电子显微镜观察了秸秆纤维处理前后的表面形貌。研究结果表明: 水煮工艺为煮沸30min 2次, 微波处理工艺为微波连续处理15min时为最佳工艺; 对比2种工艺, 微波连续处理15min得到的秸秆纤维比水煮处理后的更为疏松, 比表面积更大, 同时得到的秸秆纤维/PBS复合材料综合性能良好, 并且在硬脂酸质量分数约为3.5%时复合材料的力学性能最优。
采用不同的方法及改性剂处理秸秆纤维, 并对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)进行共混改性, 利用热压工艺得到了秸秆纤维/PBS复合材料。研究了水煮和微波处理工艺对秸秆纤维提取量的影响; 研究了苯甲酸等改性剂的种类、 添加量对秸秆纤维及秸秆纤维/PBS复合材料性能的影响。采用扫描电子显微镜观察了秸秆纤维处理前后的表面形貌。研究结果表明: 水煮工艺为煮沸30min 2次, 微波处理工艺为微波连续处理15min时为最佳工艺; 对比2种工艺, 微波连续处理15min得到的秸秆纤维比水煮处理后的更为疏松, 比表面积更大, 同时得到的秸秆纤维/PBS复合材料综合性能良好, 并且在硬脂酸质量分数约为3.5%时复合材料的力学性能最优。
2011, 28(1): 61-67.
摘要:
以N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)、 丙烯酰胺(AM)为单体, 过硫酸铵为引发剂, N, N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂, 采用泡沫分散聚合法制备N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酰胺共聚物 超大孔水凝胶, 研究了丙烯酰胺、 引发剂、 交联剂、 盐酸、 碳酸氢钠用量对水凝胶溶胀、 退溶胀性能的影响, 通过DSC、 SEM、 FTIR表征材料的结构。结果表明凝胶随着AM含量的增加其相变温度(LCST)也随之提高。当AM摩尔含量为20%, 引发剂的质量浓度为20g/L, 交联剂的质量浓度为3.5g/L, 盐酸的摩尔浓度为0.55mol/L, NaHCO3的质量浓度为5.0×102g/L时, 所制得凝胶具有良好的多孔结构, 兼具快速的溶胀和退溶胀速率, 良好的温度敏感性等特点, 可适用于大分子药物的负载释放。
以N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)、 丙烯酰胺(AM)为单体, 过硫酸铵为引发剂, N, N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂, 采用泡沫分散聚合法制备N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酰胺共聚物 超大孔水凝胶, 研究了丙烯酰胺、 引发剂、 交联剂、 盐酸、 碳酸氢钠用量对水凝胶溶胀、 退溶胀性能的影响, 通过DSC、 SEM、 FTIR表征材料的结构。结果表明凝胶随着AM含量的增加其相变温度(LCST)也随之提高。当AM摩尔含量为20%, 引发剂的质量浓度为20g/L, 交联剂的质量浓度为3.5g/L, 盐酸的摩尔浓度为0.55mol/L, NaHCO3的质量浓度为5.0×102g/L时, 所制得凝胶具有良好的多孔结构, 兼具快速的溶胀和退溶胀速率, 良好的温度敏感性等特点, 可适用于大分子药物的负载释放。
2011, 28(1): 68-71.
摘要:
以自行合成的笼形八乙烯基硅倍半氧烷(OVP)与三元乙丙橡胶(EPDM)及硫化剂等通过双辊混炼机制备笼形低聚硅倍半氧烷(POSS)/EPDM纳米杂化材料。测定了POSS/EPDM杂化材料的力学性能和阻燃性能, 并利用热重分析仪及锥形量热仪考察了材料的热稳定性及热释放速率。结果表明: 含OVP的POSS/EPDM纳米杂化材料与纯EPDM相比, 氧指数(LOI)和热稳定性明显提高, 热释放速率显著降低。仅加入0.88%的OVP即可将LOI提高11.8%, 起始热分解温度提高51℃, 残炭量为纯EPDM的1.58倍, 热释放速率降低25.8%, 可见OVP在提高EPDM综合性能方面有较高应用价值。
以自行合成的笼形八乙烯基硅倍半氧烷(OVP)与三元乙丙橡胶(EPDM)及硫化剂等通过双辊混炼机制备笼形低聚硅倍半氧烷(POSS)/EPDM纳米杂化材料。测定了POSS/EPDM杂化材料的力学性能和阻燃性能, 并利用热重分析仪及锥形量热仪考察了材料的热稳定性及热释放速率。结果表明: 含OVP的POSS/EPDM纳米杂化材料与纯EPDM相比, 氧指数(LOI)和热稳定性明显提高, 热释放速率显著降低。仅加入0.88%的OVP即可将LOI提高11.8%, 起始热分解温度提高51℃, 残炭量为纯EPDM的1.58倍, 热释放速率降低25.8%, 可见OVP在提高EPDM综合性能方面有较高应用价值。
2011, 28(1): 72-76.
摘要:
利用浸渍法合成了Co3O4/SBA-15和CoFe2O4/SBA-15介孔纳米磁性材料, 并利用X射线粉末衍射(XRD)、 透射电子显微镜(TEM)、 场发射扫描电子显微镜(FESEM)及振动样品磁强计(VSM)对样品的微观结构和磁性能进行了分析。结果显示, Co3O4及CoFe2O4纳米颗粒分布在SBA-15介孔材料的孔道中, 可有效提高SBA-15介孔材料的磁性能。研究发现, SBA-15介孔纳米磁性材料的磁特性由掺杂的纳米磁性颗粒的性质决定, 其磁性能随Co3O4及CoFe2O4含量的增加而升高, 矫顽力可达400Oe, 饱和磁化强度达9emu/g。
利用浸渍法合成了Co3O4/SBA-15和CoFe2O4/SBA-15介孔纳米磁性材料, 并利用X射线粉末衍射(XRD)、 透射电子显微镜(TEM)、 场发射扫描电子显微镜(FESEM)及振动样品磁强计(VSM)对样品的微观结构和磁性能进行了分析。结果显示, Co3O4及CoFe2O4纳米颗粒分布在SBA-15介孔材料的孔道中, 可有效提高SBA-15介孔材料的磁性能。研究发现, SBA-15介孔纳米磁性材料的磁特性由掺杂的纳米磁性颗粒的性质决定, 其磁性能随Co3O4及CoFe2O4含量的增加而升高, 矫顽力可达400Oe, 饱和磁化强度达9emu/g。
2011, 28(1): 77-81.
摘要:
以CaO稳定的ZrO2为原料, 与适量SiO2在1400℃下反应, 制得Ca2SiO4不同含量(质量分数: 20％、 40％、 60％)的ZrO2改性CaO-SiO2复合粉体, 并采用大气等离子体喷涂技术制备涂层。利用X射线衍射(XRD)、 电子探针(EPMA)及能量色散谱(EDS)对涂层相组成和形貌进行表征。涂层的体外生物活性和稳定性以模拟体液(SBF)和Tris-HCl缓冲溶液浸泡实验进行评价。结果表明: ZrO2改性CaO-SiO2基复合涂层在SBF中浸泡后, 表面形成磷灰石能力与Ca2SiO4含量有关, Ca2SiO4含量低于40％的涂层表面难以形成磷灰石; 改性涂层在Tris-HCl缓冲溶液中的降解率远小于纯Ca2SiO4涂层, 其降解率随Ca2SiO4含量增加而增加。通过优化涂层各组分含量, 可望获得生物活性好而又抗生理体液侵蚀的长效稳定涂层。
以CaO稳定的ZrO2为原料, 与适量SiO2在1400℃下反应, 制得Ca2SiO4不同含量(质量分数: 20％、 40％、 60％)的ZrO2改性CaO-SiO2复合粉体, 并采用大气等离子体喷涂技术制备涂层。利用X射线衍射(XRD)、 电子探针(EPMA)及能量色散谱(EDS)对涂层相组成和形貌进行表征。涂层的体外生物活性和稳定性以模拟体液(SBF)和Tris-HCl缓冲溶液浸泡实验进行评价。结果表明: ZrO2改性CaO-SiO2基复合涂层在SBF中浸泡后, 表面形成磷灰石能力与Ca2SiO4含量有关, Ca2SiO4含量低于40％的涂层表面难以形成磷灰石; 改性涂层在Tris-HCl缓冲溶液中的降解率远小于纯Ca2SiO4涂层, 其降解率随Ca2SiO4含量增加而增加。通过优化涂层各组分含量, 可望获得生物活性好而又抗生理体液侵蚀的长效稳定涂层。
2011, 28(1): 82-87.
摘要:
采用常规熔炼方法在氩气保护和电磁搅拌条件下制备了纳米羟基磷灰石(nHA)/Mg-2.5Zn-0.5Zr(质量分数, %)生物复合材料, 并与基体镁合金对比, 通过与大鼠成骨细胞共培养考察材料的体外生物相容性。结果表明, 2组材料均无明显细胞毒性, 但在倒置相差显微镜下, nHA/Mg-2.5Zn-0.5Zr材料周边细胞形态完好, 密度显著高于基体镁合金组, 前3天培养液中基本无材料溶出物, 5~7天后溶出物少于基体镁合金组。细胞生长曲线显示, 随着培养时间延长2组材料表面的细胞数量均呈上升趋势, 而在复合培养的第3天和第5天, nHA/Mg-2.5Zn-0.5Zr复合材料表面细胞增殖量显著大于基体镁合金组。扫描电镜下可见成骨细胞对2组材料的反应有所不同, 在复合材料表面, 细胞呈梭形或三角形紧密贴伏, 其伪足正常伸展使细胞彼此相连, 7天后完全覆盖了整个试样。相反, 基体镁合金表面细胞呈纺锤状, 显示与材料的细胞吸附性较差。
采用常规熔炼方法在氩气保护和电磁搅拌条件下制备了纳米羟基磷灰石(nHA)/Mg-2.5Zn-0.5Zr(质量分数, %)生物复合材料, 并与基体镁合金对比, 通过与大鼠成骨细胞共培养考察材料的体外生物相容性。结果表明, 2组材料均无明显细胞毒性, 但在倒置相差显微镜下, nHA/Mg-2.5Zn-0.5Zr材料周边细胞形态完好, 密度显著高于基体镁合金组, 前3天培养液中基本无材料溶出物, 5~7天后溶出物少于基体镁合金组。细胞生长曲线显示, 随着培养时间延长2组材料表面的细胞数量均呈上升趋势, 而在复合培养的第3天和第5天, nHA/Mg-2.5Zn-0.5Zr复合材料表面细胞增殖量显著大于基体镁合金组。扫描电镜下可见成骨细胞对2组材料的反应有所不同, 在复合材料表面, 细胞呈梭形或三角形紧密贴伏, 其伪足正常伸展使细胞彼此相连, 7天后完全覆盖了整个试样。相反, 基体镁合金表面细胞呈纺锤状, 显示与材料的细胞吸附性较差。
2011, 28(1): 88-93.
摘要:
采用含氢聚硅氧烷(HPSO)和含乙烯基聚硅氧烷(VPSO)2种陶瓷先驱体作为连接剂的主要组分, 以Al-Si粉为填料, 通过反应成形连接工艺连接无压烧结碳化硅。采用热重法、 差示扫描量热法和X射线衍射法研究了Al-Si粉对HPSO和VPSO的混合物(HPSO-VPSO)的裂解过程和陶瓷产率的影响, 同时也研究了Al-Si粉含量、 升温速率及连接温度对连接强度的影响。并采用扫描电镜和能谱仪对连接件界面区域的微观结构和成分进行了分析。Al-Si粉的加入促进了HPSO-VPSO的裂解, 提高了陶瓷产率。当HPSO-VPSO与Al-Si粉质量比为1∶1, 连接压力为50kPa, 连接温度为900℃, 高温保温时间为30min, 升温速率为4℃/min时, 所得连接件的连接强度(剪切强度)达到最大值93MPa。连接层厚度约为75μm, 结构均匀致密, 连接层与母材结合良好, 在界面处没有明显的裂纹、 孔洞等缺陷。Al、 Si元素在连接层与无压烧结碳化硅的界面处发生了扩散, 促进了界面结合, 从而提高了连接强度。
采用含氢聚硅氧烷(HPSO)和含乙烯基聚硅氧烷(VPSO)2种陶瓷先驱体作为连接剂的主要组分, 以Al-Si粉为填料, 通过反应成形连接工艺连接无压烧结碳化硅。采用热重法、 差示扫描量热法和X射线衍射法研究了Al-Si粉对HPSO和VPSO的混合物(HPSO-VPSO)的裂解过程和陶瓷产率的影响, 同时也研究了Al-Si粉含量、 升温速率及连接温度对连接强度的影响。并采用扫描电镜和能谱仪对连接件界面区域的微观结构和成分进行了分析。Al-Si粉的加入促进了HPSO-VPSO的裂解, 提高了陶瓷产率。当HPSO-VPSO与Al-Si粉质量比为1∶1, 连接压力为50kPa, 连接温度为900℃, 高温保温时间为30min, 升温速率为4℃/min时, 所得连接件的连接强度(剪切强度)达到最大值93MPa。连接层厚度约为75μm, 结构均匀致密, 连接层与母材结合良好, 在界面处没有明显的裂纹、 孔洞等缺陷。Al、 Si元素在连接层与无压烧结碳化硅的界面处发生了扩散, 促进了界面结合, 从而提高了连接强度。
2011, 28(1): 94-98.
摘要:
采用传统固相法制备Mg4Nb2O9/CaTiO3复合陶瓷, 研究Li2CO3-V2O5(LV) 共掺杂对其烧结特性、 微观结构和微波介电性能的影响。实验结果表明: 一定量的LV掺杂能够使Mg4Nb2O9/CaTiO3复合陶瓷的烧结 温度降至1200℃; XRD和EDX综合分析表明, 样品由(Mg4-xCax)Nb2O9/(Ca1-xMgx)TiO3两相所组成; 陶瓷谐振频率温度系数趋近于零。含质量分数1.5%的LV, 1200℃、5h烧结样品具有较好的微波介电性能: 介电常数23.29, 品质因数23460GHz, 谐振频率温度系数1.0×10-6℃-1, 有望用作全球卫星定位系统微带天线基板材料。
采用传统固相法制备Mg4Nb2O9/CaTiO3复合陶瓷, 研究Li2CO3-V2O5(LV) 共掺杂对其烧结特性、 微观结构和微波介电性能的影响。实验结果表明: 一定量的LV掺杂能够使Mg4Nb2O9/CaTiO3复合陶瓷的烧结 温度降至1200℃; XRD和EDX综合分析表明, 样品由(Mg4-xCax)Nb2O9/(Ca1-xMgx)TiO3两相所组成; 陶瓷谐振频率温度系数趋近于零。含质量分数1.5%的LV, 1200℃、5h烧结样品具有较好的微波介电性能: 介电常数23.29, 品质因数23460GHz, 谐振频率温度系数1.0×10-6℃-1, 有望用作全球卫星定位系统微带天线基板材料。
2011, 28(1): 99-103.
摘要:
利用可降解聚合物微球的相互粘结制备了一种新型的组织工程支架材料, 可用于软骨和软骨下骨损伤的修复。采用光学显微镜、 扫描电镜对支架的表面形貌、 内部结构进行了表征, 同时研究了支架材料的力学性能, 此外还研究了微球的粒径对支架材料孔隙率的影响。结果显示, 该材料在结构上分为乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)层和PLGA/生物活性玻璃(BG)层; 材料的孔隙三维连通、 分布均匀; 采用粒径为150~200μm微球所制备的支架孔隙率为(53.37±4.39)%, 在10%的应变下材料压缩强度便已达到了0.9MPa, 显示了较强的力学性能; 随着微球粒径的变小, 材料孔隙率逐渐增大。这种微球支架在骨-软骨组织缺损修复方面有着很大的研究价值和应用价值。
利用可降解聚合物微球的相互粘结制备了一种新型的组织工程支架材料, 可用于软骨和软骨下骨损伤的修复。采用光学显微镜、 扫描电镜对支架的表面形貌、 内部结构进行了表征, 同时研究了支架材料的力学性能, 此外还研究了微球的粒径对支架材料孔隙率的影响。结果显示, 该材料在结构上分为乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)层和PLGA/生物活性玻璃(BG)层; 材料的孔隙三维连通、 分布均匀; 采用粒径为150~200μm微球所制备的支架孔隙率为(53.37±4.39)%, 在10%的应变下材料压缩强度便已达到了0.9MPa, 显示了较强的力学性能; 随着微球粒径的变小, 材料孔隙率逐渐增大。这种微球支架在骨-软骨组织缺损修复方面有着很大的研究价值和应用价值。
2011, 28(1): 104-108.
摘要:
结合壳聚糖(CS)和聚己内酯(PCL)二者的优点, 以静电纺丝的方法制备了CS/PCL血管支架。采用SEM和电子万能试验机检测了该支架的结构和力学性能, 将内皮祖细胞(EPCs)与该支架膜复合培养, 评估了该血管支架维持细胞黏附、 繁殖和分化的能力。SEM结果显示: 通过静电纺丝可以得到多孔、 类似于天然细胞外基质的直径约400nm的纤维微结构; 当CS与PCL质量比为0.5时, 静电纺丝所制备的CS/PCL血管支架弹性最大形变达到31.64%, 应力-应变曲线显示其弹性变形能力较强; EPCs在CS/PCL血管支架黏附率可达95.1%, 荧光显微镜观察结果也显示了CS/PCL血管支架利于细胞黏附、 生长。
结合壳聚糖(CS)和聚己内酯(PCL)二者的优点, 以静电纺丝的方法制备了CS/PCL血管支架。采用SEM和电子万能试验机检测了该支架的结构和力学性能, 将内皮祖细胞(EPCs)与该支架膜复合培养, 评估了该血管支架维持细胞黏附、 繁殖和分化的能力。SEM结果显示: 通过静电纺丝可以得到多孔、 类似于天然细胞外基质的直径约400nm的纤维微结构; 当CS与PCL质量比为0.5时, 静电纺丝所制备的CS/PCL血管支架弹性最大形变达到31.64%, 应力-应变曲线显示其弹性变形能力较强; EPCs在CS/PCL血管支架黏附率可达95.1%, 荧光显微镜观察结果也显示了CS/PCL血管支架利于细胞黏附、 生长。
2011, 28(1): 109-113.
摘要:
采用溶胶-凝胶技术制备纳米生物活性玻璃颗粒, 通过在溶胶中加入柠檬酸来控制生物活性玻璃的形态结构。利用比表面积分析仪、 透射电子显微镜和扫描电子显微镜对纳米生物活性玻璃的结构和形成机制进行了表征。研究结果表明:采用柠檬酸作为水解催化剂可以方便地控制生物活性玻璃的纳米结构形态, 有利于制备较小粒径、 大比表面积和孔体积的生物活性玻璃。这种制备技术提供了一种简单、 低成本制备纳米生物活性玻璃并控制其纳米粒子形态的方法。
采用溶胶-凝胶技术制备纳米生物活性玻璃颗粒, 通过在溶胶中加入柠檬酸来控制生物活性玻璃的形态结构。利用比表面积分析仪、 透射电子显微镜和扫描电子显微镜对纳米生物活性玻璃的结构和形成机制进行了表征。研究结果表明:采用柠檬酸作为水解催化剂可以方便地控制生物活性玻璃的纳米结构形态, 有利于制备较小粒径、 大比表面积和孔体积的生物活性玻璃。这种制备技术提供了一种简单、 低成本制备纳米生物活性玻璃并控制其纳米粒子形态的方法。
2011, 28(1): 114-118.
摘要:
采用硅烷偶联剂对生物活性玻璃(BG)进行表面修饰以改善其与高分子的亲和性。通过溶胶凝胶法制得BG, 将氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)键连到BG表面, 采用FTIR、 TG、 激光粒度仪等对修饰前后的BG进行表征, 并通过细胞实验对材料的细胞相容性进行初步研究。结果表明, 修饰后BG的FTIR图谱上出现归属于C—H的伸缩振动吸收峰, 在DTG曲线上观察到明显的有机基团燃烧失重峰, 表明APTES接枝到生物玻璃表面; 而MC-3T3细胞增殖测定和SEM结果显示经表面修饰后的BG更有利于细胞的生长增殖。
采用硅烷偶联剂对生物活性玻璃(BG)进行表面修饰以改善其与高分子的亲和性。通过溶胶凝胶法制得BG, 将氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)键连到BG表面, 采用FTIR、 TG、 激光粒度仪等对修饰前后的BG进行表征, 并通过细胞实验对材料的细胞相容性进行初步研究。结果表明, 修饰后BG的FTIR图谱上出现归属于C—H的伸缩振动吸收峰, 在DTG曲线上观察到明显的有机基团燃烧失重峰, 表明APTES接枝到生物玻璃表面; 而MC-3T3细胞增殖测定和SEM结果显示经表面修饰后的BG更有利于细胞的生长增殖。
2011, 28(1): 119-123.
摘要:
利用流变相反应法制备了碳微球(CMSs)负载8-羟基喹啉锌(Znq2)的复合材料。通过场发射扫描电子显微镜、 X射线衍射仪、 热重分析仪、 X射线光电子能谱仪、 傅里叶红外光谱仪和荧光分光光度计等对Znq2/CMSs复合材料结构和发光性能进行了表征和分析。结果表明: Znq2以非共价键形式负载于直径均匀的CMSs(300~400 nm)表面, 形成了一种Znq2/CMSs复合材料, 该复合材料在黄光(540 nm)区发光, 有望应用于有机电致发光领域。
利用流变相反应法制备了碳微球(CMSs)负载8-羟基喹啉锌(Znq2)的复合材料。通过场发射扫描电子显微镜、 X射线衍射仪、 热重分析仪、 X射线光电子能谱仪、 傅里叶红外光谱仪和荧光分光光度计等对Znq2/CMSs复合材料结构和发光性能进行了表征和分析。结果表明: Znq2以非共价键形式负载于直径均匀的CMSs(300~400 nm)表面, 形成了一种Znq2/CMSs复合材料, 该复合材料在黄光(540 nm)区发光, 有望应用于有机电致发光领域。
2011, 28(1): 124-131.
摘要:
研究各向同性材料内胆外对称均衡缠绕纤维的厚壁圆柱形容器在内外压力作用下的应力和强度特性。采用正交各向异性本构关系和轴对称厚壁筒理论, 获得纤维层和内胆的应力, 以及纤维方向三向应力的解析公式。利用Hoffman和Tsai-Wu失效准则研究薄壁筒理论和三维应力对应的强度随壁厚和缠绕角的分布规律。计算比较了有、 无内胆的纤维缠绕容器的强度随缠绕角的变化情况。利用ANSYS软件的层合单元SOLID191建立的模型给出的纤维向应力和强度比与本文理论结果吻合很好。研究发现: 基于层合板理论的二维纤维向应力公式给出了不准确的纤维向应力, 不准确的横向应力造成容器纤维层的强度值偏低; 不同的纤维类型和缠绕角, 厚度-半径比对强度比的影响不同; 基于二维应力分析的薄壁筒理论给出的纤维层强度比小于三维分析的结果; 缠绕角对无内胆的缠绕容器强度比的影响比有内胆的更敏感。
研究各向同性材料内胆外对称均衡缠绕纤维的厚壁圆柱形容器在内外压力作用下的应力和强度特性。采用正交各向异性本构关系和轴对称厚壁筒理论, 获得纤维层和内胆的应力, 以及纤维方向三向应力的解析公式。利用Hoffman和Tsai-Wu失效准则研究薄壁筒理论和三维应力对应的强度随壁厚和缠绕角的分布规律。计算比较了有、 无内胆的纤维缠绕容器的强度随缠绕角的变化情况。利用ANSYS软件的层合单元SOLID191建立的模型给出的纤维向应力和强度比与本文理论结果吻合很好。研究发现: 基于层合板理论的二维纤维向应力公式给出了不准确的纤维向应力, 不准确的横向应力造成容器纤维层的强度值偏低; 不同的纤维类型和缠绕角, 厚度-半径比对强度比的影响不同; 基于二维应力分析的薄壁筒理论给出的纤维层强度比小于三维分析的结果; 缠绕角对无内胆的缠绕容器强度比的影响比有内胆的更敏感。
2011, 28(1): 132-137.
摘要:
将面板单层及芯层厚度、 面板纤维方向角和材料参数作为随机变量, 通过编制基于高阶剪切理论的随机有限元程序, 对复合材料夹层板的屈曲强度分散性进行了分析, 得到了不同铺层方式下夹层板屈曲强度分散系数随纤维方向角及夹层板长厚比的变化规律。并通过对屈曲强度的分散系数进行灵敏度分析, 确定了影响分散系数大小的主要因素, 从而为材料设计、 制造工艺改进和夹层板结构可靠度的提高提供了理论依据。
将面板单层及芯层厚度、 面板纤维方向角和材料参数作为随机变量, 通过编制基于高阶剪切理论的随机有限元程序, 对复合材料夹层板的屈曲强度分散性进行了分析, 得到了不同铺层方式下夹层板屈曲强度分散系数随纤维方向角及夹层板长厚比的变化规律。并通过对屈曲强度的分散系数进行灵敏度分析, 确定了影响分散系数大小的主要因素, 从而为材料设计、 制造工艺改进和夹层板结构可靠度的提高提供了理论依据。
2011, 28(1): 138-142.
摘要:
试验研究了三维机织C/C-SiC复合材料的弹性性能, 基于复合材料的扫描电镜(SEM)照片, 分析了材料的细观结构的特点, 并提出了一系列的假设, 建立了三维机织C/C-SiC复合材料的细观力学模型, 利用均匀化方法预测了复合材料的弹性常数, 分析了材料的弹性性能随经纱倾斜角的变化规律。结果表明: 预测结果与试验结果吻合较好, 表明该预测模型和方法的正确性; 随着经纱倾斜角的增加, 经纱方向的弹性模量降低, 其它方向的弹性模量均增大, 但面内剪切模量和厚度方向的弹性模量增幅很小。
试验研究了三维机织C/C-SiC复合材料的弹性性能, 基于复合材料的扫描电镜(SEM)照片, 分析了材料的细观结构的特点, 并提出了一系列的假设, 建立了三维机织C/C-SiC复合材料的细观力学模型, 利用均匀化方法预测了复合材料的弹性常数, 分析了材料的弹性性能随经纱倾斜角的变化规律。结果表明: 预测结果与试验结果吻合较好, 表明该预测模型和方法的正确性; 随着经纱倾斜角的增加, 经纱方向的弹性模量降低, 其它方向的弹性模量均增大, 但面内剪切模量和厚度方向的弹性模量增幅很小。
2011, 28(1): 143-150.
摘要:
以某直升机复合材料旋翼桨叶为参考, 在几乎没有对结构进行简化的情况下, 利用有限元软件ANSYS建立完整的有限元模型。在桨叶展向和弦向的不同位置模拟穿孔损伤, 与无损伤桨叶进行比较, 分析不同损伤位置对振动特性的影响, 得到振动特性与穿孔损伤位置的关系。结果表明, 穿孔损伤一般不会引起各阶振动模态的改变, 但会使各阶振动频率发生变化, 对各阶振动频率的影响程度既与损伤发生的位置有关, 也与主承力结构的损伤程度有关。桨叶根部损伤对各阶振动频率都有较大影响, 前缘和后缘损伤对摆振频率影响最大, 翼盒损伤对扭转频率影响最大; 大梁和后缘条的损伤面积越大对摆振频率的影响越大, 抗扭盒形件、 加强梁和大梁内抗扭层等承扭结构的损伤面积越大对扭转频率影响越大。
以某直升机复合材料旋翼桨叶为参考, 在几乎没有对结构进行简化的情况下, 利用有限元软件ANSYS建立完整的有限元模型。在桨叶展向和弦向的不同位置模拟穿孔损伤, 与无损伤桨叶进行比较, 分析不同损伤位置对振动特性的影响, 得到振动特性与穿孔损伤位置的关系。结果表明, 穿孔损伤一般不会引起各阶振动模态的改变, 但会使各阶振动频率发生变化, 对各阶振动频率的影响程度既与损伤发生的位置有关, 也与主承力结构的损伤程度有关。桨叶根部损伤对各阶振动频率都有较大影响, 前缘和后缘损伤对摆振频率影响最大, 翼盒损伤对扭转频率影响最大; 大梁和后缘条的损伤面积越大对摆振频率的影响越大, 抗扭盒形件、 加强梁和大梁内抗扭层等承扭结构的损伤面积越大对扭转频率影响越大。
2011, 28(1): 151-155.
摘要:
通过建立的全桨叶有限元模型, 研究了穿孔损伤的大小和方向对桨叶振动特性的影响。以桨叶根部z=50mm处矩形剖面和中部z=835mm处翼型剖面为研究对象, 分别在前缘、 翼盒和后缘模拟不同口径的穿孔损伤, 得到振动特性与穿孔损伤大小的关系, 并通过改变前缘的穿孔损伤方向, 得到振动特性与穿孔损伤方向的关系。结果表明, 穿孔损伤一般不会引起各阶振动模态的改变, 但会使各阶振动频率发生变化。随着损伤口径的增大, 各阶振动频率都降低。损伤发生在前缘和后缘, 摆振频率降低最多, 发生在翼盒, 扭转频率降低最多。穿孔方向对各阶振动频率的影响不仅与损伤的位置和结构有关, 还与损伤剖面的几何形状有关。对于根部矩形剖面, 穿孔方向与剖面弦向夹角为75°和105°对摆振频率影响最大, 对于中部翼型剖面, 夹角接近0°(180°)对摆振频率影响最大。
通过建立的全桨叶有限元模型, 研究了穿孔损伤的大小和方向对桨叶振动特性的影响。以桨叶根部z=50mm处矩形剖面和中部z=835mm处翼型剖面为研究对象, 分别在前缘、 翼盒和后缘模拟不同口径的穿孔损伤, 得到振动特性与穿孔损伤大小的关系, 并通过改变前缘的穿孔损伤方向, 得到振动特性与穿孔损伤方向的关系。结果表明, 穿孔损伤一般不会引起各阶振动模态的改变, 但会使各阶振动频率发生变化。随着损伤口径的增大, 各阶振动频率都降低。损伤发生在前缘和后缘, 摆振频率降低最多, 发生在翼盒, 扭转频率降低最多。穿孔方向对各阶振动频率的影响不仅与损伤的位置和结构有关, 还与损伤剖面的几何形状有关。对于根部矩形剖面, 穿孔方向与剖面弦向夹角为75°和105°对摆振频率影响最大, 对于中部翼型剖面, 夹角接近0°(180°)对摆振频率影响最大。
2011, 28(1): 156-160.
摘要:
为了描述复合材料用机织物在大变形下由于经纱和纬纱之间角度变化所引起的非线性各向异性材料行为, 前期工作中建立了一个非正交本构模型。利用半球形冲头对复合材料用平纹机织物进行冲压模拟, 并将非正交本构模型和正交本构模型的模拟结果与实验结果进行对比, 对非正交本构模型进行验证, 以充分说明该模型的有效性和正确性。结果表明: 采用非正交本构模型模拟的复合材料用平纹机织物变形后的边界轮廓与实验结果基本一致, 并且剪切角都在实验结果的误差范围内; 而采用正交本构模型, 复合材料用机织物变形后的边界轮廓和剪切角与实验结果相差较大。研究表明, 与正交本构模型相比非正交本构模型能更好地描述复合材料用机织物在大变形下的材料属性。
为了描述复合材料用机织物在大变形下由于经纱和纬纱之间角度变化所引起的非线性各向异性材料行为, 前期工作中建立了一个非正交本构模型。利用半球形冲头对复合材料用平纹机织物进行冲压模拟, 并将非正交本构模型和正交本构模型的模拟结果与实验结果进行对比, 对非正交本构模型进行验证, 以充分说明该模型的有效性和正确性。结果表明: 采用非正交本构模型模拟的复合材料用平纹机织物变形后的边界轮廓与实验结果基本一致, 并且剪切角都在实验结果的误差范围内; 而采用正交本构模型, 复合材料用机织物变形后的边界轮廓和剪切角与实验结果相差较大。研究表明, 与正交本构模型相比非正交本构模型能更好地描述复合材料用机织物在大变形下的材料属性。
2011, 28(1): 161-165.
摘要:
试验研究了复合材料层压板的铺层方向以及裂纹混合比对层间裂纹分层扩展的影响规律。试验结果显示: 在非0°单向板的 Ⅰ 型层间裂纹分层扩展过程中, 会出现层间裂纹穿过分层开裂面的铺层而偏离到相邻铺层间扩展的现象, 而0°铺层具有阻止该裂纹偏离扩展的作用; 在不同裂纹混合比的层压板分层开裂试验中, 相应的0°单向板的断裂韧性均可以作为下限值而偏安全; 混合断裂韧性( Ⅰ 型断裂韧性+ Ⅱ 型断裂韧性)随着裂纹混合比的变化呈现类似正弦曲线的变化规律。
试验研究了复合材料层压板的铺层方向以及裂纹混合比对层间裂纹分层扩展的影响规律。试验结果显示: 在非0°单向板的 Ⅰ 型层间裂纹分层扩展过程中, 会出现层间裂纹穿过分层开裂面的铺层而偏离到相邻铺层间扩展的现象, 而0°铺层具有阻止该裂纹偏离扩展的作用; 在不同裂纹混合比的层压板分层开裂试验中, 相应的0°单向板的断裂韧性均可以作为下限值而偏安全; 混合断裂韧性( Ⅰ 型断裂韧性+ Ⅱ 型断裂韧性)随着裂纹混合比的变化呈现类似正弦曲线的变化规律。
2011, 28(1): 166-171.
摘要:
为了探寻Ni层厚度对镀镍碳纳米管增强AZ91D镁基复合材料(Ni-CNTs/AZ91D)中热残余应力的影响, 在实验基础上, 建立不同Ni层厚度时Ni-CNTs/AZ91D复合材料的有限元模型, 模拟了Ni-CNTs/AZ91D复合材料中热残余应力的分布。研究发现: 在碳纳米管表面镀镍能够明显降低Ni-CNTs/AZ91D复合材料中的热残余应力。Ni-CNTs/AZ91D复合材料中, 热残余应力在Ni层厚度为6nm时最小; Ni层厚度由2nm增至6nm时, 热残余应力随着Ni层厚度的增加而减小; 当Ni层厚度超过6 nm时热残余应力随着Ni层厚度的增加而增大。复合材料中热残余应力的最大值随碳纳米管表面Ni层厚度的增加向Ni层与基体的界面移动。
为了探寻Ni层厚度对镀镍碳纳米管增强AZ91D镁基复合材料(Ni-CNTs/AZ91D)中热残余应力的影响, 在实验基础上, 建立不同Ni层厚度时Ni-CNTs/AZ91D复合材料的有限元模型, 模拟了Ni-CNTs/AZ91D复合材料中热残余应力的分布。研究发现: 在碳纳米管表面镀镍能够明显降低Ni-CNTs/AZ91D复合材料中的热残余应力。Ni-CNTs/AZ91D复合材料中, 热残余应力在Ni层厚度为6nm时最小; Ni层厚度由2nm增至6nm时, 热残余应力随着Ni层厚度的增加而减小; 当Ni层厚度超过6 nm时热残余应力随着Ni层厚度的增加而增大。复合材料中热残余应力的最大值随碳纳米管表面Ni层厚度的增加向Ni层与基体的界面移动。
2011, 28(1): 172-177.
摘要:
对界面含短纤维的复合材料夹芯梁增韧特性进行了实验和数值研究。采用真空辅助树脂注射工艺制成复合材料夹芯梁, 并测定了含增强与未增强复合材料夹芯梁的界面断裂韧性。基于单根短纤维在界面裂纹扩展时其剥离和拔出过程产生的能量耗散, 建立了相应的细观模型。然后, 假设短纤维在界面内随机均匀分布, 得到在单位面积下短纤维能量耗散的宏观表达式。在宏观尺度上, 建立了用于界面裂纹扩展分析的双悬臂梁有限元模型, 通过引入非线性弹簧单元, 以反映界面短纤维所产生的桥联特征, 并采用虚裂纹闭合技术计算了裂纹尖端的能量释放率。通过典型复合材料夹芯梁断裂分析和参数讨论, 证实了本文中提出的随机分布细观模型预测短纤维耗散能量的有效性。实验及数值结果表明, 在复合材料夹芯结构界面中引入短纤维将是一种提高其界面断裂韧性的有效措施。
对界面含短纤维的复合材料夹芯梁增韧特性进行了实验和数值研究。采用真空辅助树脂注射工艺制成复合材料夹芯梁, 并测定了含增强与未增强复合材料夹芯梁的界面断裂韧性。基于单根短纤维在界面裂纹扩展时其剥离和拔出过程产生的能量耗散, 建立了相应的细观模型。然后, 假设短纤维在界面内随机均匀分布, 得到在单位面积下短纤维能量耗散的宏观表达式。在宏观尺度上, 建立了用于界面裂纹扩展分析的双悬臂梁有限元模型, 通过引入非线性弹簧单元, 以反映界面短纤维所产生的桥联特征, 并采用虚裂纹闭合技术计算了裂纹尖端的能量释放率。通过典型复合材料夹芯梁断裂分析和参数讨论, 证实了本文中提出的随机分布细观模型预测短纤维耗散能量的有效性。实验及数值结果表明, 在复合材料夹芯结构界面中引入短纤维将是一种提高其界面断裂韧性的有效措施。
2011, 28(1): 178-185.
摘要:
采用细观力学方法对正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场。采用断裂力学方法、 临界基体应变能准则、 应变能释放率准则及Curtin统计模型4种单一失效模型确定了90°铺层横向裂纹间距、 0°铺层基体裂纹间距、 纤维/基体界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与4种单一损伤模型结合, 对各损伤阶段应力-应变曲线进行了模拟, 建立了复合材料强韧性预测模型。与室温下正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变曲线进行了对比, 各个损伤阶段的应力-应变、 失效强度及应变与试验数据吻合较好。分析了90°铺层横向断裂能、 0°铺层纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能、 纤维Weibull模量对复合材料损伤及拉伸应力-应变曲线的影响。
采用细观力学方法对正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场。采用断裂力学方法、 临界基体应变能准则、 应变能释放率准则及Curtin统计模型4种单一失效模型确定了90°铺层横向裂纹间距、 0°铺层基体裂纹间距、 纤维/基体界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与4种单一损伤模型结合, 对各损伤阶段应力-应变曲线进行了模拟, 建立了复合材料强韧性预测模型。与室温下正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变曲线进行了对比, 各个损伤阶段的应力-应变、 失效强度及应变与试验数据吻合较好。分析了90°铺层横向断裂能、 0°铺层纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能、 纤维Weibull模量对复合材料损伤及拉伸应力-应变曲线的影响。
2011, 28(1): 186-193.
摘要:
为降低Lamb波在复合材料结构中传播时存在的频散现象和各方向传播特性的不一致性给损伤监测带来的困难, 提出一种利用Hilbert变换改进的空间滤波器对复合材料结构损伤进行成像的方法。分析了基于空间滤波器的信号合成成像原理, 在此基础上利用Hilbert变换构造传感器时域响应信号的解析信号参与到信号合成成像过程中。通过对仿真声源的成像实验, 验证了该方法的可行性, 通过对碳纤维复合材料板结构上激励源和损伤的成像实验, 验证了该方法的功能。研究表明该方法能够识别损伤相对于压电传感器阵列的角度位置和损伤散射信号的到达时刻。
为降低Lamb波在复合材料结构中传播时存在的频散现象和各方向传播特性的不一致性给损伤监测带来的困难, 提出一种利用Hilbert变换改进的空间滤波器对复合材料结构损伤进行成像的方法。分析了基于空间滤波器的信号合成成像原理, 在此基础上利用Hilbert变换构造传感器时域响应信号的解析信号参与到信号合成成像过程中。通过对仿真声源的成像实验, 验证了该方法的可行性, 通过对碳纤维复合材料板结构上激励源和损伤的成像实验, 验证了该方法的功能。研究表明该方法能够识别损伤相对于压电传感器阵列的角度位置和损伤散射信号的到达时刻。
2011, 28(1): 194-198.
摘要:
为了研究Nomex-Kevlar平纹织物对空间碎片的超高速撞击力学特性, 运用LS-DYNA本构模型二次开发技术开发了Nomex-Kevlar平纹织物在超高速撞击条件下的带最大应力失效标准的线弹性正交各向异性本构模型, 并定义了Nomex-Kevlar平纹织物在超高速撞击条件下的Gruneison状态方程参数。运用光滑粒子流体动力学方法和有限元方法建立了与NASA试验工况相同的Al-2017-T4球形弹丸以6.84km/s速度斜向30°撞击Nomex-Kevlar平纹织物的数值分析模型。仿真结果与试验结果的比较表明, 本文中开发的本构模型以及建立的数值分析模型可以准确描述Nomex-Kevlar平纹织物的超高速撞击力学特性。
为了研究Nomex-Kevlar平纹织物对空间碎片的超高速撞击力学特性, 运用LS-DYNA本构模型二次开发技术开发了Nomex-Kevlar平纹织物在超高速撞击条件下的带最大应力失效标准的线弹性正交各向异性本构模型, 并定义了Nomex-Kevlar平纹织物在超高速撞击条件下的Gruneison状态方程参数。运用光滑粒子流体动力学方法和有限元方法建立了与NASA试验工况相同的Al-2017-T4球形弹丸以6.84km/s速度斜向30°撞击Nomex-Kevlar平纹织物的数值分析模型。仿真结果与试验结果的比较表明, 本文中开发的本构模型以及建立的数值分析模型可以准确描述Nomex-Kevlar平纹织物的超高速撞击力学特性。
2011, 28(1): 199-205.
摘要:
基于锁相红外热成像理论, 对复合材料网格加筋结构的几类典型缺陷进行无损检测, 采用法国Cedip公司开发的锁相红外热成像系统对检测结果进行分析。讨论了加载频率、 输出电压偏移量对检测的影响。结果表明, 相位图比幅值图含有更多的缺陷信息。不同的加载频率会产生不同的检测结果, 选择恰当的加载频率是检测的关键; 增加输出电压偏移量有利于检测。该方法可用于对复合材料未知缺陷的检测。
基于锁相红外热成像理论, 对复合材料网格加筋结构的几类典型缺陷进行无损检测, 采用法国Cedip公司开发的锁相红外热成像系统对检测结果进行分析。讨论了加载频率、 输出电压偏移量对检测的影响。结果表明, 相位图比幅值图含有更多的缺陷信息。不同的加载频率会产生不同的检测结果, 选择恰当的加载频率是检测的关键; 增加输出电压偏移量有利于检测。该方法可用于对复合材料未知缺陷的检测。
2011, 28(1): 206-210.
摘要:
对三分之一复合材料柱面壳进行压缩性能试验研究与理论分析, 试验得到柱面壳的破坏方式为屈曲破坏。利用有限元法对其建模分析和静强度分析, 得到的静强度远大于屈曲强度, 因此柱壳应该首先发生屈曲破坏, 这与试验结果相符; 且理论计算所得的屈曲强度与试验结果相符, 说明该模型可以用来分析整个复合材料柱壳的压缩破坏行为, 研究结果可为柱壳的结构设计提供参考。对比某一载荷下理论模型与实际模型上对应点的应变, 发现二者结果相符, 证明有限元建模有效。然后分别对理论模型进行屈曲分析。
对三分之一复合材料柱面壳进行压缩性能试验研究与理论分析, 试验得到柱面壳的破坏方式为屈曲破坏。利用有限元法对其建模分析和静强度分析, 得到的静强度远大于屈曲强度, 因此柱壳应该首先发生屈曲破坏, 这与试验结果相符; 且理论计算所得的屈曲强度与试验结果相符, 说明该模型可以用来分析整个复合材料柱壳的压缩破坏行为, 研究结果可为柱壳的结构设计提供参考。对比某一载荷下理论模型与实际模型上对应点的应变, 发现二者结果相符, 证明有限元建模有效。然后分别对理论模型进行屈曲分析。
2011, 28(1): 211-217.
摘要:
为有效分析三维压电复合材料壳体结构非线性、 单向耦合压电弹性问题, 基于变分渐近方法(VAM)建立了壳体结构在机械和电场作用下的简化模型。推导了基于旋转张量分解概念的压电复合材料三维壳体能量表达式; 利用变分渐近法将三维壳体严格拆分为二维壳体线性分析和沿法线方向的一维非线性分析; 进行了降维后近似能量推导及Reissner-Mindlin形式转换; 提供了三维场重构关系以得到沿厚度方向的准确应力分布。通过对由4层压电复合材料构成的壳体柱形弯曲算例分析表明: 基于该理论和重构过程开发的变分渐近程序VAPAS重构生成的三维应力场精确性较一阶剪切变形理论和古典层合理论更好, 与三维有限元精确解相吻合, 表明该压电复合材料壳体模型的有效性。
为有效分析三维压电复合材料壳体结构非线性、 单向耦合压电弹性问题, 基于变分渐近方法(VAM)建立了壳体结构在机械和电场作用下的简化模型。推导了基于旋转张量分解概念的压电复合材料三维壳体能量表达式; 利用变分渐近法将三维壳体严格拆分为二维壳体线性分析和沿法线方向的一维非线性分析; 进行了降维后近似能量推导及Reissner-Mindlin形式转换; 提供了三维场重构关系以得到沿厚度方向的准确应力分布。通过对由4层压电复合材料构成的壳体柱形弯曲算例分析表明: 基于该理论和重构过程开发的变分渐近程序VAPAS重构生成的三维应力场精确性较一阶剪切变形理论和古典层合理论更好, 与三维有限元精确解相吻合, 表明该压电复合材料壳体模型的有效性。
2011, 28(1): 218-222.
摘要:
利用渐近展开的方法对具有一般周期结构的复合材料中描述压电现象的电势与位移建立了二阶双尺度渐近展开式及边界层解, 得到了局部单胞内电场与位移场的相互耦合关系, 并给出了复合材料中电势与位移的双尺度结合边界层的有限元计算方法。数值算例表明了该方法的可行性与高效性。
利用渐近展开的方法对具有一般周期结构的复合材料中描述压电现象的电势与位移建立了二阶双尺度渐近展开式及边界层解, 得到了局部单胞内电场与位移场的相互耦合关系, 并给出了复合材料中电势与位移的双尺度结合边界层的有限元计算方法。数值算例表明了该方法的可行性与高效性。
2011, 28(1): 223-229.
摘要:
结合随机渐进失效分析方法和声发射监测对复合材料单向拉伸试件进行损伤分析。结果表明: 随机渐进失效方法能很好地反映复合材料失效的随机性和渐进性特征。受载初期, 复合材料失效的随机性特征明显, 在整个试件内均有失效产生。随着载荷的增加, 损伤不断累积, "随机临界核"形成, 复合材料很快失效, 且一旦有失效产生, 纤维断裂数的增加与声发射事件数的累积具有很好的一致性。比较基体开裂和界面脱粘对复合材料拉伸性能的影响: 界面脱粘比基体开裂更容易导致复合材料拉伸性能的下降, 当不存在基体开裂和界面脱粘时, 纤维断裂呈现"集簇"特征, 复合材料断裂的脆性特征较为明显。
结合随机渐进失效分析方法和声发射监测对复合材料单向拉伸试件进行损伤分析。结果表明: 随机渐进失效方法能很好地反映复合材料失效的随机性和渐进性特征。受载初期, 复合材料失效的随机性特征明显, 在整个试件内均有失效产生。随着载荷的增加, 损伤不断累积, "随机临界核"形成, 复合材料很快失效, 且一旦有失效产生, 纤维断裂数的增加与声发射事件数的累积具有很好的一致性。比较基体开裂和界面脱粘对复合材料拉伸性能的影响: 界面脱粘比基体开裂更容易导致复合材料拉伸性能的下降, 当不存在基体开裂和界面脱粘时, 纤维断裂呈现"集簇"特征, 复合材料断裂的脆性特征较为明显。
2011, 28(1): 230-234.
摘要:
利用有限元软件ANSYS, 建立了三维整体中空复合材料结构模型, 进行压缩力学性能分析。利用该模型, 以芯材高度、 芯材密度和材料特性(弹性模量)为参数, 详细研究了其对材料压缩性能的影响, 并对其影响特征进行了分析和讨论。结果表明: 三维整体中空复合材料在受压状态下, 芯材与上下面板相接处应力最大, 最容易发生压缩破坏; 材料的压缩性能随着芯材密度、 材料弹性模量的增加而提高, 随着芯材高度的增加而下降。该研究结果可为整体中空复合材料的结构优化提供参考。
利用有限元软件ANSYS, 建立了三维整体中空复合材料结构模型, 进行压缩力学性能分析。利用该模型, 以芯材高度、 芯材密度和材料特性(弹性模量)为参数, 详细研究了其对材料压缩性能的影响, 并对其影响特征进行了分析和讨论。结果表明: 三维整体中空复合材料在受压状态下, 芯材与上下面板相接处应力最大, 最容易发生压缩破坏; 材料的压缩性能随着芯材密度、 材料弹性模量的增加而提高, 随着芯材高度的增加而下降。该研究结果可为整体中空复合材料的结构优化提供参考。
