2015年 第32卷 第1期
2015, 32(1): 1-12.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141204.004
摘要:
综述了非连续增强金属基复合材料剧烈塑性变形(SPD)行为的研究进展,系统阐述了等径弯曲通道变形(ECAP)、高压扭转(HPT)、多向锻造(MF)、累积叠轧(ARB) 和循环挤压压缩(CEC)5种SPD的加工原理和方法。集中介绍了这些方法在铝基、镁基、铜基和钛基等金属基复合材料方面应用的研究进展。重点介绍了金属基复合材料SPD的微观组织演化和变形力学行为,详细阐明了金属基复合材料SPD机制以及超细晶形成机理,指出了金属基复合材料在SPD中存在的深层次问题及发展趋势,展望了利用SPD方法制备超细晶非连续增强金属基复合材料的应用前景。
综述了非连续增强金属基复合材料剧烈塑性变形(SPD)行为的研究进展,系统阐述了等径弯曲通道变形(ECAP)、高压扭转(HPT)、多向锻造(MF)、累积叠轧(ARB) 和循环挤压压缩(CEC)5种SPD的加工原理和方法。集中介绍了这些方法在铝基、镁基、铜基和钛基等金属基复合材料方面应用的研究进展。重点介绍了金属基复合材料SPD的微观组织演化和变形力学行为,详细阐明了金属基复合材料SPD机制以及超细晶形成机理,指出了金属基复合材料在SPD中存在的深层次问题及发展趋势,展望了利用SPD方法制备超细晶非连续增强金属基复合材料的应用前景。
2015, 32(1): 13-20.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201501.005
摘要:
利用层层组装(LBL)法构建阻燃天然纤维素纤维织物是基于相反电荷聚电解质的物理吸附作用, 在织物表面交替沉积而成多层膜的一种新型阻燃改性方法。与传统方法相比, LBL法可以在基体与外部环境之间构建阻燃多层膜, 从而直接干扰燃烧过程;尤其是通过对组装条件和过程的调节, 可以方便地控制多层膜的质量、厚度和元素组成, 进而对阻燃性能进行有效调控。总结了近年来国内外基于LBL法构建纳米材料-纳米材料、纳米材料-聚电解质及聚电解质-聚电解质阻燃天然纤维素纤维织物的研究进展, 介绍了本课题组在苎麻织物表面构建氨基化碳纳米管-聚磷酸铵和聚乙烯亚胺-聚磷酸铵膨胀型阻燃涂层方面所做的探索性工作, 展望了其未来的发展趋势。
利用层层组装(LBL)法构建阻燃天然纤维素纤维织物是基于相反电荷聚电解质的物理吸附作用, 在织物表面交替沉积而成多层膜的一种新型阻燃改性方法。与传统方法相比, LBL法可以在基体与外部环境之间构建阻燃多层膜, 从而直接干扰燃烧过程;尤其是通过对组装条件和过程的调节, 可以方便地控制多层膜的质量、厚度和元素组成, 进而对阻燃性能进行有效调控。总结了近年来国内外基于LBL法构建纳米材料-纳米材料、纳米材料-聚电解质及聚电解质-聚电解质阻燃天然纤维素纤维织物的研究进展, 介绍了本课题组在苎麻织物表面构建氨基化碳纳米管-聚磷酸铵和聚乙烯亚胺-聚磷酸铵膨胀型阻燃涂层方面所做的探索性工作, 展望了其未来的发展趋势。
2015, 32(1): 21-26.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140502.002
摘要:
为了提高环氧树脂的低温力学性能,采用石墨烯与多壁碳纳米管(MWCNTs)协同改性环氧树脂,系统研究了石墨烯-MWCNTs /环氧树脂复合材料的室温(RT)和低温(77 K)力学性能。结果表明:当石墨烯的质量分数为0.1wt%,MWCNTs的质量分数为0.5wt%时, 纳米填料的加入可同时改善环氧树脂的低温拉伸强度、弹性模量和冲击强度;在此最佳含量下, 石墨烯-MWCNTs/环氧树脂复合材料在RT和77 K时的拉伸强度皆达到最大值, 比纯环氧树脂的拉伸强度分别提高了11.04% 和 43.78%。石墨烯和MWCNTs能协同提高环氧树脂的低温力学性能。
为了提高环氧树脂的低温力学性能,采用石墨烯与多壁碳纳米管(MWCNTs)协同改性环氧树脂,系统研究了石墨烯-MWCNTs /环氧树脂复合材料的室温(RT)和低温(77 K)力学性能。结果表明:当石墨烯的质量分数为0.1wt%,MWCNTs的质量分数为0.5wt%时, 纳米填料的加入可同时改善环氧树脂的低温拉伸强度、弹性模量和冲击强度;在此最佳含量下, 石墨烯-MWCNTs/环氧树脂复合材料在RT和77 K时的拉伸强度皆达到最大值, 比纯环氧树脂的拉伸强度分别提高了11.04% 和 43.78%。石墨烯和MWCNTs能协同提高环氧树脂的低温力学性能。
2015, 32(1): 27-31.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140502.001
摘要:
运用熔融共混方法制备了可X光显影的纳米硫酸钡(n-BaSO4)/聚乙烯(PE)复合材料。研究了铝酸酯偶联剂改性n-BaSO4 (Al-n-BaSO4)在PE基体中的分散情况、复合材料的力学性能以及加速老化性能。运用XRD、FTIR、SEM及万能拉伸试验机等表征了产物的形貌、结构、力学性能及填料分布。结果表明: 铝酸酯偶联剂与n-BaSO4表面基团发生了化学键合, 在Al-n-BaSO4/PE体系中Al-n-BaSO4粒子的分散性较好, 且平均粒径小于100 nm。Al-n-BaSO4/PE复合材料的最大拉伸强度为11.87 MPa, 弯曲强度为6.61 MPa, 断裂伸长率为66.78%。Al-n-BaSO4/PE复合材料在模拟宫腔液中进行14周的加速老化实验后, 复合材料的拉伸强度仅下降了5%~15%, 预期Al-BaSO4/PE复合材料能在人体中使用10年以上。
运用熔融共混方法制备了可X光显影的纳米硫酸钡(n-BaSO4)/聚乙烯(PE)复合材料。研究了铝酸酯偶联剂改性n-BaSO4 (Al-n-BaSO4)在PE基体中的分散情况、复合材料的力学性能以及加速老化性能。运用XRD、FTIR、SEM及万能拉伸试验机等表征了产物的形貌、结构、力学性能及填料分布。结果表明: 铝酸酯偶联剂与n-BaSO4表面基团发生了化学键合, 在Al-n-BaSO4/PE体系中Al-n-BaSO4粒子的分散性较好, 且平均粒径小于100 nm。Al-n-BaSO4/PE复合材料的最大拉伸强度为11.87 MPa, 弯曲强度为6.61 MPa, 断裂伸长率为66.78%。Al-n-BaSO4/PE复合材料在模拟宫腔液中进行14周的加速老化实验后, 复合材料的拉伸强度仅下降了5%~15%, 预期Al-BaSO4/PE复合材料能在人体中使用10年以上。
2015, 32(1): 32-38.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141222.002
摘要:
采用球磨法在环氧树脂中分散了不同质量分数(0、5wt%和10wt%)的埃洛石纳米管(HNTs), 通过哌啶固化剂固化, 制备了HNTs/环氧树脂复合材料, 并利用纳米压痕法测试了HNTs/环氧树脂复合材料的弹性模量、硬度和蠕变性能。SEM和TEM观测表明: HNTs在环氧树脂中分散情况较好。纳米压痕实验结果表明: 在不牺牲HNTs/环氧树脂复合材料弹性模量、硬度以及玻璃化转变温度的基础上, HNTs明显提高了环氧树脂基复合材料的抗蠕变性能, 这主要是由于HNTs和环氧基分子链形成了新的交联结构, 增加了材料的交联密度, 刚性纳米粒子限制了环氧基分子链的活动性。
采用球磨法在环氧树脂中分散了不同质量分数(0、5wt%和10wt%)的埃洛石纳米管(HNTs), 通过哌啶固化剂固化, 制备了HNTs/环氧树脂复合材料, 并利用纳米压痕法测试了HNTs/环氧树脂复合材料的弹性模量、硬度和蠕变性能。SEM和TEM观测表明: HNTs在环氧树脂中分散情况较好。纳米压痕实验结果表明: 在不牺牲HNTs/环氧树脂复合材料弹性模量、硬度以及玻璃化转变温度的基础上, HNTs明显提高了环氧树脂基复合材料的抗蠕变性能, 这主要是由于HNTs和环氧基分子链形成了新的交联结构, 增加了材料的交联密度, 刚性纳米粒子限制了环氧基分子链的活动性。
2015, 32(1): 39-46.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140521.001
摘要:
为了探讨填料含量对Cu/聚四氟乙烯(PTFE)复合材料摩擦磨损的影响, 运用二维颗粒流程序(PFC2D)对PTFE基复合材料在不同含量的Cu颗粒填充条件下与45#钢的摩擦磨损过程进行数值模拟分析, 主要研究了Cu/PTFE复合材料的摩擦转移及磨损问题。模拟结果表明: Cu/PTFE复合材料与45#钢组成摩擦副时, 会在45#钢表面形成一层转移颗粒层, 转移颗粒层的形成能够有效地降低PTFE基复合材料的磨损。Cu颗粒的添加一方面可以通过自身转移的"钉扎"作用促进转移颗粒层的形成, 另一方面由于提高了复合材料的整体强度, 又对转移颗粒层的形成产生了一定的抑制作用。所以添加适量的Cu有利于转移颗粒层的形成, 但Cu含量过高时其作用又会降低。Cu颗粒的加入降低了PTFE基复合材料的磨损量, 且随着Cu含量的增加减磨效果增强。在Cu颗粒的质量分数为50%时, PTFE基复合材料的磨损颗粒数较纯PTFE的减少了近一半。
为了探讨填料含量对Cu/聚四氟乙烯(PTFE)复合材料摩擦磨损的影响, 运用二维颗粒流程序(PFC2D)对PTFE基复合材料在不同含量的Cu颗粒填充条件下与45#钢的摩擦磨损过程进行数值模拟分析, 主要研究了Cu/PTFE复合材料的摩擦转移及磨损问题。模拟结果表明: Cu/PTFE复合材料与45#钢组成摩擦副时, 会在45#钢表面形成一层转移颗粒层, 转移颗粒层的形成能够有效地降低PTFE基复合材料的磨损。Cu颗粒的添加一方面可以通过自身转移的"钉扎"作用促进转移颗粒层的形成, 另一方面由于提高了复合材料的整体强度, 又对转移颗粒层的形成产生了一定的抑制作用。所以添加适量的Cu有利于转移颗粒层的形成, 但Cu含量过高时其作用又会降低。Cu颗粒的加入降低了PTFE基复合材料的磨损量, 且随着Cu含量的增加减磨效果增强。在Cu颗粒的质量分数为50%时, PTFE基复合材料的磨损颗粒数较纯PTFE的减少了近一半。
2015, 32(1): 47-53.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140410.001
摘要:
采用溶液共混法制备了乙二胺功能化石墨烯片/聚丙烯-马来酸酐接枝聚丙烯(GS-EDA/PP-PP-g-MAH)复合材料。利用FTIR、XRD、DSC、SEM和拉伸等表征手段对氧化石墨(GO)、GS-EDA及复合材料的结构和性能进行表征。研究结果表明: 乙二胺(EDA)成功接枝到石墨烯片(GS)的表面上;在共混过程中, GS-EDA与PP-g-MAH之间产生了强烈的氢键作用, 使GS-EDA均匀分散于基体中。DSC测试表明: GS-EDA的加入使GS-EDA/PP-PP-g-MAH复合材料的结晶峰向高温方向移动。随着GS-EDA加入量的增大, GS-EDA/PP-PP-g-MAH复合材料的拉伸强度呈先升后降的趋势。当加入质量分数为0.5%的GS-EDA时, 复合材料的拉伸强度达到最大, 较纯PP-PP-g-MAH的增加了24.7%, 较PP的增加了17.5%。SEM观察表明: 加入少量的GS-EDA时, GS-EDA能均匀分散于基体中, 但加入过多的GS-EDA将引起团聚。
采用溶液共混法制备了乙二胺功能化石墨烯片/聚丙烯-马来酸酐接枝聚丙烯(GS-EDA/PP-PP-g-MAH)复合材料。利用FTIR、XRD、DSC、SEM和拉伸等表征手段对氧化石墨(GO)、GS-EDA及复合材料的结构和性能进行表征。研究结果表明: 乙二胺(EDA)成功接枝到石墨烯片(GS)的表面上;在共混过程中, GS-EDA与PP-g-MAH之间产生了强烈的氢键作用, 使GS-EDA均匀分散于基体中。DSC测试表明: GS-EDA的加入使GS-EDA/PP-PP-g-MAH复合材料的结晶峰向高温方向移动。随着GS-EDA加入量的增大, GS-EDA/PP-PP-g-MAH复合材料的拉伸强度呈先升后降的趋势。当加入质量分数为0.5%的GS-EDA时, 复合材料的拉伸强度达到最大, 较纯PP-PP-g-MAH的增加了24.7%, 较PP的增加了17.5%。SEM观察表明: 加入少量的GS-EDA时, GS-EDA能均匀分散于基体中, 但加入过多的GS-EDA将引起团聚。
2015, 32(1): 54-60.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140421.003
摘要:
以生物基树脂聚乳酸为基体, 以植物纤维苎麻为补强剂, 利用熔融共混法制备了苎麻纤维/聚乳酸(RF/PLA)复合材料, 考查了RF/PLA复合材料在不同pH环境下的水解行为, 并以力学性能测试、SEM、DSC和维卡软化温度检测为手段对其降解行为进行了评估。结果表明: RF/PLA复合材料在碱性(pH = 12.0)环境中的降解比在酸性(pH = 2.0)和中性(pH = 7.0)环境中的更快, 界面侵蚀空化是其性能劣化的主要原因。RF的加入提高了PLA的结晶度和维卡软化温度, 同时也加快了PLA的降解速度, 降解导致材料的力学强度下降。随着降解过程的加剧, RF/PLA复合材料的结晶度和维卡软化温度因材料内部产生缺陷而有所降低;而纯PLA树脂的结晶度却随碱液处理时间的延长而增加, 但其维卡软化温度没有发生明显的变化。
以生物基树脂聚乳酸为基体, 以植物纤维苎麻为补强剂, 利用熔融共混法制备了苎麻纤维/聚乳酸(RF/PLA)复合材料, 考查了RF/PLA复合材料在不同pH环境下的水解行为, 并以力学性能测试、SEM、DSC和维卡软化温度检测为手段对其降解行为进行了评估。结果表明: RF/PLA复合材料在碱性(pH = 12.0)环境中的降解比在酸性(pH = 2.0)和中性(pH = 7.0)环境中的更快, 界面侵蚀空化是其性能劣化的主要原因。RF的加入提高了PLA的结晶度和维卡软化温度, 同时也加快了PLA的降解速度, 降解导致材料的力学强度下降。随着降解过程的加剧, RF/PLA复合材料的结晶度和维卡软化温度因材料内部产生缺陷而有所降低;而纯PLA树脂的结晶度却随碱液处理时间的延长而增加, 但其维卡软化温度没有发生明显的变化。
2015, 32(1): 61-67.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140424.003
摘要:
为了仿生莲藕内部的贯穿大孔结构, 以生物相容性好的壳聚糖(CS)作为基质材料, 利用冰粒致孔、石蜡模具和冰模具成型3种成型方法制备了分级多孔CS支架材料, 然后与力学强度较高的聚乳酸(PLLA)复合, 制备网络互穿CS/PLLA复合支架。 通过SEM、压缩强度测试和兔股骨髁骨缺损模型对CS/PLLA复合材料的形貌、力学强度和骨修复性能进行了表征。结果表明: 利用冰模具制备的CS/PLLA复合支架能可控、批量制备, 具有微米-毫米分级多孔结构, 大孔孔径约为2 mm, 内部均匀分布着孔径约为60 μm的贯穿微孔, 并在微孔内形成密集的PLLA絮状网络结构。干态复合材料的压缩强度和模量分别比纯CS支架的提高了6倍和15倍。体内植入实验结果表明, CS/PLLA复合材料能够促进骨缺损的愈合, 并随着新骨的形成, 复合材料逐渐被降解吸收。
为了仿生莲藕内部的贯穿大孔结构, 以生物相容性好的壳聚糖(CS)作为基质材料, 利用冰粒致孔、石蜡模具和冰模具成型3种成型方法制备了分级多孔CS支架材料, 然后与力学强度较高的聚乳酸(PLLA)复合, 制备网络互穿CS/PLLA复合支架。 通过SEM、压缩强度测试和兔股骨髁骨缺损模型对CS/PLLA复合材料的形貌、力学强度和骨修复性能进行了表征。结果表明: 利用冰模具制备的CS/PLLA复合支架能可控、批量制备, 具有微米-毫米分级多孔结构, 大孔孔径约为2 mm, 内部均匀分布着孔径约为60 μm的贯穿微孔, 并在微孔内形成密集的PLLA絮状网络结构。干态复合材料的压缩强度和模量分别比纯CS支架的提高了6倍和15倍。体内植入实验结果表明, CS/PLLA复合材料能够促进骨缺损的愈合, 并随着新骨的形成, 复合材料逐渐被降解吸收。
2015, 32(1): 68-75.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140424.001
摘要:
对海水环境下严重影响单向T700/环氧复合材料层间剪切性能的因素进行了研究,考察了海水和蒸馏水5个浸泡周期(15、40、70、165和400 d)后单向T700/环氧复合材料层间剪切性能和吸水率的变化,并利用SEM观测了单向T700/环氧复合材料的剪切断口微观形貌,揭示其性能衰减机制。结果表明:单向T700/环氧复合材料的吸水率随着浸泡时间的延长而增加,整体符合Fick吸水率变化规律;单向T700/环氧复合材料的层间剪切性能下降很明显,浸泡400 d后层间剪切性能损失近10%,层间剪切性能的变化规律与吸水率的变化规律相似;单向T700/环氧复合材料的层间剪切性能对海水的敏感性大于对蒸馏水的敏感性;由试样断面微观形貌可以看出,海水的渗入破坏了树脂与纤维的界面,这是导致其层间剪切性能明显下降的主要原因,因此对于单向T700/环氧复合材料在海水中的应用,需要更加关注其层间剪切性能。
对海水环境下严重影响单向T700/环氧复合材料层间剪切性能的因素进行了研究,考察了海水和蒸馏水5个浸泡周期(15、40、70、165和400 d)后单向T700/环氧复合材料层间剪切性能和吸水率的变化,并利用SEM观测了单向T700/环氧复合材料的剪切断口微观形貌,揭示其性能衰减机制。结果表明:单向T700/环氧复合材料的吸水率随着浸泡时间的延长而增加,整体符合Fick吸水率变化规律;单向T700/环氧复合材料的层间剪切性能下降很明显,浸泡400 d后层间剪切性能损失近10%,层间剪切性能的变化规律与吸水率的变化规律相似;单向T700/环氧复合材料的层间剪切性能对海水的敏感性大于对蒸馏水的敏感性;由试样断面微观形貌可以看出,海水的渗入破坏了树脂与纤维的界面,这是导致其层间剪切性能明显下降的主要原因,因此对于单向T700/环氧复合材料在海水中的应用,需要更加关注其层间剪切性能。
2015, 32(1): 76-84.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201501.003
摘要:
为了改善聚丙烯(PP)的耐电树枝性能, 以有机化蒙脱土(MMT)作为纳米填充相, 马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)作为相容剂, 采用熔融插层一步法和二步法制备了MMT/PP复合材料。分别利用偏光显微镜(PLM)及差示扫描量热(DSC)曲线观测了PP及MMT/PP复合材料的结晶形态及结晶过程, 采用SEM考察了MMT在复合材料中的分散状态。通过电树枝引发实验, 探究了制备方法及结晶形态对复合材料耐电树枝化性能的影响。实验结果表明: 采用熔融插层二步法制备的MMT/PP复合材料, 其无机相分散较均匀, 结晶尺寸减小, 结晶结构由球晶转变为片晶的堆叠, 结晶度提高了约2.7%;在PP试样中, 电树枝长度较长且分枝较少, 而MMT/PP试样中电树枝转变为长度较小且分枝较多的稠密结构。
为了改善聚丙烯(PP)的耐电树枝性能, 以有机化蒙脱土(MMT)作为纳米填充相, 马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)作为相容剂, 采用熔融插层一步法和二步法制备了MMT/PP复合材料。分别利用偏光显微镜(PLM)及差示扫描量热(DSC)曲线观测了PP及MMT/PP复合材料的结晶形态及结晶过程, 采用SEM考察了MMT在复合材料中的分散状态。通过电树枝引发实验, 探究了制备方法及结晶形态对复合材料耐电树枝化性能的影响。实验结果表明: 采用熔融插层二步法制备的MMT/PP复合材料, 其无机相分散较均匀, 结晶尺寸减小, 结晶结构由球晶转变为片晶的堆叠, 结晶度提高了约2.7%;在PP试样中, 电树枝长度较长且分枝较少, 而MMT/PP试样中电树枝转变为长度较小且分枝较多的稠密结构。
2015, 32(1): 85-93.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201501.006
摘要:
采用自制的2种大层间距(层间距分别为6.72 nm和8.66 nm)的聚醚铵(POP)改性蒙脱土(MMT) O-MMT1和O-MMT2, 通过共混法与增容剂马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)或聚丙烯(PP)复合, 考察了共混方法、共混时间、POP改性MMT的层间距及PP-g-MAH对MMT/PP-g-MAH和MMT/PP复合材料微观结构的影响。研究结果表明: 由于O-MMT1具有较大的层间距, 在溶液共混和熔融共混中, 均能使MMT在PP-g-MAH基体中发生剥离;随着共混时间延长, O-MMT1由插层型经过过渡状态向剥离型转变, 最终可以获得完全剥离的纳米MMT/PP-g-MAH复合材料;在溶液共混的过渡态中存在大量"双层结构"的MMT片层; 具有更大层间距的O-MMT2以及PP-g-MAH的加入均能更有效地促进MMT在PP基体中的剥离, 从而获得完全剥离的纳米MMT/PP复合材料。
采用自制的2种大层间距(层间距分别为6.72 nm和8.66 nm)的聚醚铵(POP)改性蒙脱土(MMT) O-MMT1和O-MMT2, 通过共混法与增容剂马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)或聚丙烯(PP)复合, 考察了共混方法、共混时间、POP改性MMT的层间距及PP-g-MAH对MMT/PP-g-MAH和MMT/PP复合材料微观结构的影响。研究结果表明: 由于O-MMT1具有较大的层间距, 在溶液共混和熔融共混中, 均能使MMT在PP-g-MAH基体中发生剥离;随着共混时间延长, O-MMT1由插层型经过过渡状态向剥离型转变, 最终可以获得完全剥离的纳米MMT/PP-g-MAH复合材料;在溶液共混的过渡态中存在大量"双层结构"的MMT片层; 具有更大层间距的O-MMT2以及PP-g-MAH的加入均能更有效地促进MMT在PP基体中的剥离, 从而获得完全剥离的纳米MMT/PP复合材料。
2015, 32(1): 94-100.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140609.001
摘要:
分别采用添加纳米ZnO和纳米蒙脱土(MMT)粒子的方法提高低密度聚乙烯(LDPE)的介电性能, 选择偶联剂对纳米粒子进行表面修饰, 并利用熔融共混法制备了纳米ZnO/LDPE和纳米MMT/LDPE复合材料, 通过XRD、FTIR和DSC对试样进行表征。研究了复合材料的交流击穿特性, 对试样进行了空间电荷试验。结果表明: 通过偶联剂修饰, 纳米粒子与聚合物之间的界面结合得到改善, 且纳米粒子在基体中的分散性更好;同时复合材料的结晶速率提高, 结晶结构更完善; 添加纳米粒子可以不同程度地提高LDPE的击穿场强, 当纳米ZnO和纳米MMT的质量分数均为3wt%时, 复合材料的击穿场强达到最大, 分别比纯LDPE的击穿场强高出11.0%和10.3%; 纳米ZnO和纳米MMT都有抑制空间电荷的作用, 且ZnO的抑制效果更明显。
分别采用添加纳米ZnO和纳米蒙脱土(MMT)粒子的方法提高低密度聚乙烯(LDPE)的介电性能, 选择偶联剂对纳米粒子进行表面修饰, 并利用熔融共混法制备了纳米ZnO/LDPE和纳米MMT/LDPE复合材料, 通过XRD、FTIR和DSC对试样进行表征。研究了复合材料的交流击穿特性, 对试样进行了空间电荷试验。结果表明: 通过偶联剂修饰, 纳米粒子与聚合物之间的界面结合得到改善, 且纳米粒子在基体中的分散性更好;同时复合材料的结晶速率提高, 结晶结构更完善; 添加纳米粒子可以不同程度地提高LDPE的击穿场强, 当纳米ZnO和纳米MMT的质量分数均为3wt%时, 复合材料的击穿场强达到最大, 分别比纯LDPE的击穿场强高出11.0%和10.3%; 纳米ZnO和纳米MMT都有抑制空间电荷的作用, 且ZnO的抑制效果更明显。
2015, 32(1): 101-107.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140507.001
摘要:
将无卤膨胀阻燃剂六(4-DOPO羟甲基苯氧基)环三磷腈(DOPOMPC)、聚磷酸铵(APP)及多壁碳纳米管(MWCNTs)复配后加入环氧树脂(EP)中, 制备出新型阻燃复合材料DOPOMPC-APP-MWCNTs/EP。通过极限氧指数(LOI)、水平垂直燃烧和锥形量热法研究其阻燃性能。研究结果表明: MWCNTs的加入增强了膨胀阻燃体系的阻燃性能和力学性能, 并在一定程度上改善了体系燃烧时的浓烟现象。当阻燃体系总质量分数为20%, MWCNTs质量分数为2%时, 材料性能最优, 其LOI达到36.8%, 热释放速率峰值、有效燃烧热平均值、比消光面积平均值和CO释放率平均值与未阻燃EP相比分别下降了83.5%、31.5%、47.6%、50.0%, 与DOPOMPC-APP/EP相比下降了83.5%、77.7%、83.7%、68.9%。SEM分析表明: 添加MWCNTs后, 燃烧炭层呈现出大面积交联网络状结构。
将无卤膨胀阻燃剂六(4-DOPO羟甲基苯氧基)环三磷腈(DOPOMPC)、聚磷酸铵(APP)及多壁碳纳米管(MWCNTs)复配后加入环氧树脂(EP)中, 制备出新型阻燃复合材料DOPOMPC-APP-MWCNTs/EP。通过极限氧指数(LOI)、水平垂直燃烧和锥形量热法研究其阻燃性能。研究结果表明: MWCNTs的加入增强了膨胀阻燃体系的阻燃性能和力学性能, 并在一定程度上改善了体系燃烧时的浓烟现象。当阻燃体系总质量分数为20%, MWCNTs质量分数为2%时, 材料性能最优, 其LOI达到36.8%, 热释放速率峰值、有效燃烧热平均值、比消光面积平均值和CO释放率平均值与未阻燃EP相比分别下降了83.5%、31.5%、47.6%、50.0%, 与DOPOMPC-APP/EP相比下降了83.5%、77.7%、83.7%、68.9%。SEM分析表明: 添加MWCNTs后, 燃烧炭层呈现出大面积交联网络状结构。
2015, 32(1): 108-116.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140424.002
摘要:
利用Al-TiO2-TiC体系, 通过机械球磨和反应热压制备出Ti3AlC2与Al2O3两相原位内生成增强TiAl3金属基复合材料。借助DSC、XRD、SEM和TEM研究了复合材料的反应机制、显微组织、力学性能及抗氧化性能。结果表明, 球磨50 h后的复合粉末经1 250 ℃/50 MPa保温10 min烧结后可得到组织均匀细小且致密的Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料, 其密度、维氏硬度、室温三点弯曲强度、断裂韧性及压缩强度分别为3.8 g/cm3、8.4 GPa、658.9 MPa、7.9 MPa·m1/2和1 742.0 MPa, 1 000 ℃的高温压缩强度为604.1 MPa。Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料的增韧机制主要包括Ti3AlC2和Al2O3颗粒的剥离、Ti3AlC2相导致的裂纹偏转和桥接以及Ti3AlC2颗粒的变形及层裂。Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在700~1 000 ℃温度区间内生成的氧化层虽不致密, 但仍表现出优异的抗高温循环氧化性能。
利用Al-TiO2-TiC体系, 通过机械球磨和反应热压制备出Ti3AlC2与Al2O3两相原位内生成增强TiAl3金属基复合材料。借助DSC、XRD、SEM和TEM研究了复合材料的反应机制、显微组织、力学性能及抗氧化性能。结果表明, 球磨50 h后的复合粉末经1 250 ℃/50 MPa保温10 min烧结后可得到组织均匀细小且致密的Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料, 其密度、维氏硬度、室温三点弯曲强度、断裂韧性及压缩强度分别为3.8 g/cm3、8.4 GPa、658.9 MPa、7.9 MPa·m1/2和1 742.0 MPa, 1 000 ℃的高温压缩强度为604.1 MPa。Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料的增韧机制主要包括Ti3AlC2和Al2O3颗粒的剥离、Ti3AlC2相导致的裂纹偏转和桥接以及Ti3AlC2颗粒的变形及层裂。Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在700~1 000 ℃温度区间内生成的氧化层虽不致密, 但仍表现出优异的抗高温循环氧化性能。
2015, 32(1): 117-124.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201501.009
摘要:
采用真空热压-内氧化烧结法制备了TiC(30vol%)/Cu-Al2O3复合材料,测试其基本性能,对其微观组织进行了观察分析。利用Gleeble-1500D热力模拟试验机,在变形温度450~850 ℃、应变速率0.001~1 s-1、变形量50%的条件下,对TiC(30vol%)/Cu-Al2O3进行了热压缩变形试验。通过对流变应力进行分析和计算,构建了该复合材料的本构方程及动态再结晶临界应变模型。利用加工硬化率-应变曲线的拐点和对应偏导曲线最小值的判据,建立了动态再结晶临界应变与Zener-Hollomon参数之间的函数关系。结果表明:TiC(30vol%)/Cu-Al2O3复合材料的真应力-真应变曲线以动态再结晶软化机制为特征,峰值应力随变形温度的降低或应变速率的升高而增加;计算得出该复合材料的热变形激活能为211.384 kJ/mol。
采用真空热压-内氧化烧结法制备了TiC(30vol%)/Cu-Al2O3复合材料,测试其基本性能,对其微观组织进行了观察分析。利用Gleeble-1500D热力模拟试验机,在变形温度450~850 ℃、应变速率0.001~1 s-1、变形量50%的条件下,对TiC(30vol%)/Cu-Al2O3进行了热压缩变形试验。通过对流变应力进行分析和计算,构建了该复合材料的本构方程及动态再结晶临界应变模型。利用加工硬化率-应变曲线的拐点和对应偏导曲线最小值的判据,建立了动态再结晶临界应变与Zener-Hollomon参数之间的函数关系。结果表明:TiC(30vol%)/Cu-Al2O3复合材料的真应力-真应变曲线以动态再结晶软化机制为特征,峰值应力随变形温度的降低或应变速率的升高而增加;计算得出该复合材料的热变形激活能为211.384 kJ/mol。
2015, 32(1): 125-130.
doi: 10.13801/j.cnki.fbclxb.201501.002
摘要:
开展了SiC(20vol%)-石墨(15vol%)/ZrB2复合材料室温及高温拉伸性能实验, 发现高温时复合材料的拉伸强度和弹性模量有所降低, 并且具有明显的非线性特征。引入热损伤来表征弹性模量随温度的衰减规律, 利用强度统计分析方法确定单向应力状态下材料的机械损伤演化方程, 建立了材料在热力耦合条件下的高温拉伸损伤非线性本构模型。分析表明: 随着温度的升高, SiC-石墨/ZrB2复合材料的热损伤和机械损伤不断增加, 延性增强, 且脆性-延性破坏转变温度范围为1 250~1 350 ℃。
开展了SiC(20vol%)-石墨(15vol%)/ZrB2复合材料室温及高温拉伸性能实验, 发现高温时复合材料的拉伸强度和弹性模量有所降低, 并且具有明显的非线性特征。引入热损伤来表征弹性模量随温度的衰减规律, 利用强度统计分析方法确定单向应力状态下材料的机械损伤演化方程, 建立了材料在热力耦合条件下的高温拉伸损伤非线性本构模型。分析表明: 随着温度的升高, SiC-石墨/ZrB2复合材料的热损伤和机械损伤不断增加, 延性增强, 且脆性-延性破坏转变温度范围为1 250~1 350 ℃。
2015, 32(1): 131-137.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140523.001
摘要:
以凹凸棒石、针铁矿和小麦秸秆为原料,添加少量的环氧树脂作为黏结剂,在适宜的温度和气氛下煅烧,同步完成了生物质碳化、凹凸棒石热活化及针铁矿的还原,获得了具有高气孔率和强磁性的凹凸棒石-针铁矿改性麦秸木质陶瓷,利用XRD和SEM分析了原料质量比及焙烧温度对其物相及微观结构的影响。结果表明:凹凸棒石-针铁矿改性麦秸木质陶瓷是一种非晶态多孔质碳素材料,在相同温度下,原料的质量比对其物相几乎无影响;随着焙烧温度的升高,凹凸棒石的特征衍射峰逐渐消失,凹凸棒石-针铁矿改性麦秸木质陶瓷中有新的物相产生。
以凹凸棒石、针铁矿和小麦秸秆为原料,添加少量的环氧树脂作为黏结剂,在适宜的温度和气氛下煅烧,同步完成了生物质碳化、凹凸棒石热活化及针铁矿的还原,获得了具有高气孔率和强磁性的凹凸棒石-针铁矿改性麦秸木质陶瓷,利用XRD和SEM分析了原料质量比及焙烧温度对其物相及微观结构的影响。结果表明:凹凸棒石-针铁矿改性麦秸木质陶瓷是一种非晶态多孔质碳素材料,在相同温度下,原料的质量比对其物相几乎无影响;随着焙烧温度的升高,凹凸棒石的特征衍射峰逐渐消失,凹凸棒石-针铁矿改性麦秸木质陶瓷中有新的物相产生。
2015, 32(1): 138-149.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140408.002
摘要:
针对复合材料层间增强的需求, 提出了一种三维织造层间增强的纤维棒复合材料几何结构, 建立了0°/90°、45°/135°及 0°/90°/45°/135° 3种织造方案下的复合材料单胞有限元模型, 该模型能较为真实地反映织造物内纤维束与纤维棒的交织特征。通过施加周期性位移边界条件, 利用该模型采用有限元方法得到了3种织造方案下复合材料的等效弹性性能参数, 讨论了复合材料弹性性能与织造方案和纱线填充因子的关系, 分析了在单向拉伸载荷下3种织造方案单胞的细观应力场分布, 制作了实体模型, 进行了相关实验。结果表明: 单胞有限元模型的模拟结果与实验结果吻合较好, 织造复合材料各弹性常数对纱线填充因子变化的敏感度不同, 不同织造方案的复合材料具有不同的力学性能特征, 其主要影响因素为纤维束在复合材料内部的排列方式。给出了3种织造模型单胞的应力场分布, 为三维织造层间增强的纤维棒复合材料的结构优化提供了依据。
针对复合材料层间增强的需求, 提出了一种三维织造层间增强的纤维棒复合材料几何结构, 建立了0°/90°、45°/135°及 0°/90°/45°/135° 3种织造方案下的复合材料单胞有限元模型, 该模型能较为真实地反映织造物内纤维束与纤维棒的交织特征。通过施加周期性位移边界条件, 利用该模型采用有限元方法得到了3种织造方案下复合材料的等效弹性性能参数, 讨论了复合材料弹性性能与织造方案和纱线填充因子的关系, 分析了在单向拉伸载荷下3种织造方案单胞的细观应力场分布, 制作了实体模型, 进行了相关实验。结果表明: 单胞有限元模型的模拟结果与实验结果吻合较好, 织造复合材料各弹性常数对纱线填充因子变化的敏感度不同, 不同织造方案的复合材料具有不同的力学性能特征, 其主要影响因素为纤维束在复合材料内部的排列方式。给出了3种织造模型单胞的应力场分布, 为三维织造层间增强的纤维棒复合材料的结构优化提供了依据。
2015, 32(1): 150-159.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140331.002
摘要:
为了研究2.5D机织复合材料的压缩损伤和失效机制,验证双尺度渐进损伤有限元数值模拟方法的有效性,对这类复合材料分别沿经纱方向和纬纱方向进行了准静态压缩实验,获得了其相应的应力-应变曲线,并测定了材料的初始弹性模量和极限强度。在此基础上,利用双尺度渐进损伤有限元数值方法模拟分析了材料的压缩应力-应变响应和损伤演化行为,取得了与实验吻合较好的模拟结果。结果表明:2.5D机织复合材料在纬向压缩下的主要失效模式是纬纱的轴向压溃与断裂,可获得相对较高的压缩强度;但在经向压缩下,经纱因弯曲会承受附加弯矩作用,从而对周围基体造成挤压,故在经纱轴向断裂之前容易出现经纱之间基体的压溃和纱线之间的分层开裂,使强度降低,不利于发挥纤维的承载优势。
为了研究2.5D机织复合材料的压缩损伤和失效机制,验证双尺度渐进损伤有限元数值模拟方法的有效性,对这类复合材料分别沿经纱方向和纬纱方向进行了准静态压缩实验,获得了其相应的应力-应变曲线,并测定了材料的初始弹性模量和极限强度。在此基础上,利用双尺度渐进损伤有限元数值方法模拟分析了材料的压缩应力-应变响应和损伤演化行为,取得了与实验吻合较好的模拟结果。结果表明:2.5D机织复合材料在纬向压缩下的主要失效模式是纬纱的轴向压溃与断裂,可获得相对较高的压缩强度;但在经向压缩下,经纱因弯曲会承受附加弯矩作用,从而对周围基体造成挤压,故在经纱轴向断裂之前容易出现经纱之间基体的压溃和纱线之间的分层开裂,使强度降低,不利于发挥纤维的承载优势。
2015, 32(1): 160-166.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201501.007
摘要:
为了建立具有不同拉伸和压缩弹性模量的缝合三明治夹芯结构梁的中性层位置和弯曲刚度的理论预测方法,并进行相关试验验证。首先,将缝合三明治夹芯结构梁看成准层状结构,考虑其拉压不同模量及材料上下面板几何尺寸不同的特点,基于修正的Reissner层板理论,建立了弯曲刚度和中性层位置的理论预测方法;其次,开展了缝合三明治夹芯结构梁的三点弯曲试验,并采用数字图像相关(DIC)法测试了中性层位置;最后,对弯曲刚度和中性层位置进行了理论预测。结果表明:理论预测值与试验结果吻合较好,证明了该理论预测方法的有效性。
为了建立具有不同拉伸和压缩弹性模量的缝合三明治夹芯结构梁的中性层位置和弯曲刚度的理论预测方法,并进行相关试验验证。首先,将缝合三明治夹芯结构梁看成准层状结构,考虑其拉压不同模量及材料上下面板几何尺寸不同的特点,基于修正的Reissner层板理论,建立了弯曲刚度和中性层位置的理论预测方法;其次,开展了缝合三明治夹芯结构梁的三点弯曲试验,并采用数字图像相关(DIC)法测试了中性层位置;最后,对弯曲刚度和中性层位置进行了理论预测。结果表明:理论预测值与试验结果吻合较好,证明了该理论预测方法的有效性。
2015, 32(1): 167-175.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140328.001
摘要:
针对热固性树脂基复合材料固化过程中各种复杂的物理化学变化之间的相互影响,建立了基于材料性能时变特性的复合材料固化过程的二维多场耦合计算模型。该模型由已知的3个经典复合材料固化过程子模型构成,包括热-化学模型、树脂黏度模型和树脂流动模型。在此基础上,将固化过程中材料性能的时变特性引入多场耦合计算模型中。通过与文献中实验结果的比较,证明了所建立的模型具有较高的可靠性。对AS4/3501-6复合材料层合平板的固化过程进行了数值模拟,重点研究了固化过程中纤维体积分数变化及材料参数的时变特性对固化过程中温度、固化度和树脂压力等参量的影响。分析结果表明:考虑纤维体积分数变化和材料性能的时变特性后,固化过程中复合材料层合板中心温度峰值明显减小,树脂压力随时间的变化将有所滞后。
针对热固性树脂基复合材料固化过程中各种复杂的物理化学变化之间的相互影响,建立了基于材料性能时变特性的复合材料固化过程的二维多场耦合计算模型。该模型由已知的3个经典复合材料固化过程子模型构成,包括热-化学模型、树脂黏度模型和树脂流动模型。在此基础上,将固化过程中材料性能的时变特性引入多场耦合计算模型中。通过与文献中实验结果的比较,证明了所建立的模型具有较高的可靠性。对AS4/3501-6复合材料层合平板的固化过程进行了数值模拟,重点研究了固化过程中纤维体积分数变化及材料参数的时变特性对固化过程中温度、固化度和树脂压力等参量的影响。分析结果表明:考虑纤维体积分数变化和材料性能的时变特性后,固化过程中复合材料层合板中心温度峰值明显减小,树脂压力随时间的变化将有所滞后。
2015, 32(1): 176-181.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140611.001
摘要:
为了分析含钉群复合材料结构的钉载分配及承载能力问题, 首先对Globle Bolted Joint Model (GBJM)方法进行了改进, 然后采用改进的方法对复合材料多钉连接结构的钉载分配和承载能力进行了预测, 并与试验结果进行了比较。结果表明: 当孔边复合材料未出现损伤时, 该方法对多钉载荷分配的预测和试验结果比较接近;而对结构承载能力的预测, 该方法偏于保守, 比试验结果约低15%。同时该方法具有两个显著优点: 一是计算结构钉载分配时效率高, 和三维有限元模型相比提高约75%;二是能够对含钉群复合材料结构的失效载荷进行有效的预测。
为了分析含钉群复合材料结构的钉载分配及承载能力问题, 首先对Globle Bolted Joint Model (GBJM)方法进行了改进, 然后采用改进的方法对复合材料多钉连接结构的钉载分配和承载能力进行了预测, 并与试验结果进行了比较。结果表明: 当孔边复合材料未出现损伤时, 该方法对多钉载荷分配的预测和试验结果比较接近;而对结构承载能力的预测, 该方法偏于保守, 比试验结果约低15%。同时该方法具有两个显著优点: 一是计算结构钉载分配时效率高, 和三维有限元模型相比提高约75%;二是能够对含钉群复合材料结构的失效载荷进行有效的预测。
2015, 32(1): 182-187.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140611.004
摘要:
为了对C/SiC复合材料螺栓螺牙的承载能力进行评估, 采用有限元法和刚度折减方法对C/SiC复合材料螺牙抵抗拉脱的能力进行了研究。结果表明: 当齿合螺牙数大于6时, 再增加齿合螺牙数已不能有效地提高螺牙的初始拉脱载荷;增大螺距会降低螺牙初始拉脱强度, 因而也不能显著地提高螺牙的初始拉脱载荷;在螺距与螺栓直径之比保持常数的情况下, 螺牙的初始拉脱载荷与螺栓直径的平方成正比;而螺牙的极限拉脱载荷则近似正比于齿合螺牙数、螺距及螺栓直径。
为了对C/SiC复合材料螺栓螺牙的承载能力进行评估, 采用有限元法和刚度折减方法对C/SiC复合材料螺牙抵抗拉脱的能力进行了研究。结果表明: 当齿合螺牙数大于6时, 再增加齿合螺牙数已不能有效地提高螺牙的初始拉脱载荷;增大螺距会降低螺牙初始拉脱强度, 因而也不能显著地提高螺牙的初始拉脱载荷;在螺距与螺栓直径之比保持常数的情况下, 螺牙的初始拉脱载荷与螺栓直径的平方成正比;而螺牙的极限拉脱载荷则近似正比于齿合螺牙数、螺距及螺栓直径。
2015, 32(1): 188-195.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140422.001
摘要:
采用考虑塑性的超弹性材料模型和基于损伤塑性的准脆性材料模型, 建立了三维单胞有限元模型, 模拟了形状记忆合金颗粒增韧大块金属玻璃基复合材料的单调拉伸行为。讨论了形状记忆合金的力学参数、体积分数、界面厚度和界面材料参数对金属玻璃增韧效果的影响。结果表明: 提高形状记忆合金的相变应变和马氏体塑性屈服应力将显著提高形状记忆合金颗粒增韧大块金属玻璃基复合材料的拉伸失效应变;形状记忆合金弹性模量超过50.0 GPa、马氏体塑性屈服应力超过1.8 GPa后, 复合材料的拉伸失效应变变化不大。能同时兼顾失效应变和失效应力的形状记忆合金体积分数为15%左右。复合材料界面弹性模量和界面屈服应力的增加将提高复合材料的失效应力, 但对失效应变影响不大;复合材料界面厚度的增加在提高失效应变的同时, 也降低了复合材料的失效应力。
采用考虑塑性的超弹性材料模型和基于损伤塑性的准脆性材料模型, 建立了三维单胞有限元模型, 模拟了形状记忆合金颗粒增韧大块金属玻璃基复合材料的单调拉伸行为。讨论了形状记忆合金的力学参数、体积分数、界面厚度和界面材料参数对金属玻璃增韧效果的影响。结果表明: 提高形状记忆合金的相变应变和马氏体塑性屈服应力将显著提高形状记忆合金颗粒增韧大块金属玻璃基复合材料的拉伸失效应变;形状记忆合金弹性模量超过50.0 GPa、马氏体塑性屈服应力超过1.8 GPa后, 复合材料的拉伸失效应变变化不大。能同时兼顾失效应变和失效应力的形状记忆合金体积分数为15%左右。复合材料界面弹性模量和界面屈服应力的增加将提高复合材料的失效应力, 但对失效应变影响不大;复合材料界面厚度的增加在提高失效应变的同时, 也降低了复合材料的失效应力。
2015, 32(1): 196-203.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140605.005
摘要:
为了探究复合材料波纹梁的吸能性能,针对铺层形式分别为[(±45)3/(0,90)/(±45)3]、[(±45)8]和[(±45)7]的3种复合材料波纹梁元件,进行了动态冲击试验,得到了吸能载荷-位移曲线,并对其损伤破坏形貌进行了分析。以连续损伤力学为基础,结合改进的Hashin损伤判定准则以及损伤演化规律,提出了针对波纹梁耐撞性损伤分析的刚度退化模型,并基于有限元软件平台开发了适用于波纹梁渐进损伤分析的子程序。对3种不同结构形式的波纹梁进行了渐进失效数值分析,模拟得到了能量评估参数比吸能(SEA)和平均载荷值,并将模拟结果与试验结果进行了对比分析。比较分析了不同薄弱环节复合材料波纹梁的吸能能力。结果表明:波纹梁在冲击载荷作用下发生了渐进压溃失效;平均压溃载荷的相对误差不超过12%,能够满足工程应用要求;薄弱环节的设置需综合考虑复合材料性能和铺层方式等因素。
为了探究复合材料波纹梁的吸能性能,针对铺层形式分别为[(±45)3/(0,90)/(±45)3]、[(±45)8]和[(±45)7]的3种复合材料波纹梁元件,进行了动态冲击试验,得到了吸能载荷-位移曲线,并对其损伤破坏形貌进行了分析。以连续损伤力学为基础,结合改进的Hashin损伤判定准则以及损伤演化规律,提出了针对波纹梁耐撞性损伤分析的刚度退化模型,并基于有限元软件平台开发了适用于波纹梁渐进损伤分析的子程序。对3种不同结构形式的波纹梁进行了渐进失效数值分析,模拟得到了能量评估参数比吸能(SEA)和平均载荷值,并将模拟结果与试验结果进行了对比分析。比较分析了不同薄弱环节复合材料波纹梁的吸能能力。结果表明:波纹梁在冲击载荷作用下发生了渐进压溃失效;平均压溃载荷的相对误差不超过12%,能够满足工程应用要求;薄弱环节的设置需综合考虑复合材料性能和铺层方式等因素。
2015, 32(1): 204-216.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140609.002
摘要:
提出了一种改进的实验与数值混合法。该方法采用随机短纤维增强复合材料的紧凑拉伸实验, 首先得到材料的宏观内聚力模型, 进而确定该材料纤维基体界面微观内聚力模型参数。通过有限元法和基于场投影的反解法得到了宏观内聚力模型结果, 对比分析这两个方法的结果, 得出该反解法对误差的容忍度较低。随后采用改进的反解法, 用数字图像相关法(DIC)直接获取宏观内聚力模型分离量, 减少了该反解法未知数的数量, 提高了容错率。再将DIC和改进的反解法结合, 对该材料裂纹尖端宏观内聚力区的牵引力进行了反解。采用双线性内聚力模型, 根据Mori-Tanaka方法, 将求得的宏观内聚力定律与纤维基体界面微观内聚力定律关联起来, 从而求得了纤维基体界面微观内聚力模型参数。该方法和结果可为短纤维增强复合材料纤维基体界面的微观力学分析提供实验基础。
提出了一种改进的实验与数值混合法。该方法采用随机短纤维增强复合材料的紧凑拉伸实验, 首先得到材料的宏观内聚力模型, 进而确定该材料纤维基体界面微观内聚力模型参数。通过有限元法和基于场投影的反解法得到了宏观内聚力模型结果, 对比分析这两个方法的结果, 得出该反解法对误差的容忍度较低。随后采用改进的反解法, 用数字图像相关法(DIC)直接获取宏观内聚力模型分离量, 减少了该反解法未知数的数量, 提高了容错率。再将DIC和改进的反解法结合, 对该材料裂纹尖端宏观内聚力区的牵引力进行了反解。采用双线性内聚力模型, 根据Mori-Tanaka方法, 将求得的宏观内聚力定律与纤维基体界面微观内聚力定律关联起来, 从而求得了纤维基体界面微观内聚力模型参数。该方法和结果可为短纤维增强复合材料纤维基体界面的微观力学分析提供实验基础。
2015, 32(1): 217-226.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201501.001
摘要:
采用真空导入模塑工艺(VIMP)制备纤维增强聚合物基复合材料多墙结构件时, 多墙体拐角处的纤维弯曲变形可能导致多墙体局部渗透特性发生变化。通过可视化流动实验考察了拐角对多墙体渗透特性和树脂流动行为的影响。结果表明: 无论是否使用导流介质, 多墙体中的拐角对树脂流体在VIMP灌注过程中都具有局部阻力作用, 降低了树脂充模流动速度和多墙体整体表观渗透率, 即存在拐角效应;拐角处铺放导流介质能有效降低拐角效应;随着拐角到注胶口的距离增大, 整体表观渗透率表现为先下降后上升。
采用真空导入模塑工艺(VIMP)制备纤维增强聚合物基复合材料多墙结构件时, 多墙体拐角处的纤维弯曲变形可能导致多墙体局部渗透特性发生变化。通过可视化流动实验考察了拐角对多墙体渗透特性和树脂流动行为的影响。结果表明: 无论是否使用导流介质, 多墙体中的拐角对树脂流体在VIMP灌注过程中都具有局部阻力作用, 降低了树脂充模流动速度和多墙体整体表观渗透率, 即存在拐角效应;拐角处铺放导流介质能有效降低拐角效应;随着拐角到注胶口的距离增大, 整体表观渗透率表现为先下降后上升。
2015, 32(1): 227-235.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201501.004
摘要:
采用非接触空耦传感器在准各向同性复合材料板中激励出单一的Lamb波模态, 用于分层缺陷的扫描检测。扫描时, 激励和接收传感器置于复合材料板同侧并相对倾斜布置, 传感器沿2个正交方向同步线性扫描, 得到不同位置的检测信号。对不同扫描路径下的检测信号进行连续小波变换, 提取激励频率下的小波系数包络信号, 对分层缺陷进行成像。在此基础上, 利用概率损伤算法定义损伤指数, 结合不同方向的损伤指数实现分层缺陷成像。采用全加法和全乘法对2个正交扫描方向得到的成像结果进行数据融合, 实现了分层缺陷的定位和重构。并在成像算法中引入阈值, 进一步提高了分层缺陷的定位精度以及重构质量。
采用非接触空耦传感器在准各向同性复合材料板中激励出单一的Lamb波模态, 用于分层缺陷的扫描检测。扫描时, 激励和接收传感器置于复合材料板同侧并相对倾斜布置, 传感器沿2个正交方向同步线性扫描, 得到不同位置的检测信号。对不同扫描路径下的检测信号进行连续小波变换, 提取激励频率下的小波系数包络信号, 对分层缺陷进行成像。在此基础上, 利用概率损伤算法定义损伤指数, 结合不同方向的损伤指数实现分层缺陷成像。采用全加法和全乘法对2个正交扫描方向得到的成像结果进行数据融合, 实现了分层缺陷的定位和重构。并在成像算法中引入阈值, 进一步提高了分层缺陷的定位精度以及重构质量。
2015, 32(1): 236-242.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140408.001
摘要:
针对应力变化较大的碳纤维增强复合材料层合板,提出削层结构铺层分级优化模式。通过将结构分解为若干子铺层并对各子铺层的位置、尺寸、铺层数以及铺层顺序进行优化,得到了满足强度和可制造性要求且质量最小的结构设计方案。该模式的第1、2级优化利用参考层对各子铺层位置及尺寸进行优化,第3级优化通过引入3次样条插值参数化方法对各子铺层层数和铺层顺序进行优化。参考层的引入可减少设计变量的数量,3次样条插值参数化方法可解决以铺层角为设计变量时设计变量数目不确定的问题。利用有限元方法对结构进行力学分析计算,并依据Tsai-Wu准则确定结构强度。在第2、3级优化中利用遗传算法对优化问题进行求解。算例计算表明:削层结构铺层分级优化模式结果合理可信。与均匀铺层方法结果比较可知:削层结构可有效减少结构质量。
针对应力变化较大的碳纤维增强复合材料层合板,提出削层结构铺层分级优化模式。通过将结构分解为若干子铺层并对各子铺层的位置、尺寸、铺层数以及铺层顺序进行优化,得到了满足强度和可制造性要求且质量最小的结构设计方案。该模式的第1、2级优化利用参考层对各子铺层位置及尺寸进行优化,第3级优化通过引入3次样条插值参数化方法对各子铺层层数和铺层顺序进行优化。参考层的引入可减少设计变量的数量,3次样条插值参数化方法可解决以铺层角为设计变量时设计变量数目不确定的问题。利用有限元方法对结构进行力学分析计算,并依据Tsai-Wu准则确定结构强度。在第2、3级优化中利用遗传算法对优化问题进行求解。算例计算表明:削层结构铺层分级优化模式结果合理可信。与均匀铺层方法结果比较可知:削层结构可有效减少结构质量。
2015, 32(1): 243-249.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140425.001
摘要:
圆形截面复合材料管件物的能量吸收性能比方形截面管件物更加优越, 但具有平整表面的方形管件物更容易与其他部件相装配, 即方管在实际运用中更具优势。结合圆形与方形管件物的各自优势, 以碳纤维为增强体, 环氧树脂为基体, 利用编织成型方法以及真空辅助树脂传递成型技术制备出编织角度为15°和60°的3类复合材料圆-方形管件物, 编号为T15-15、T15-60及T60-60。通过准静态压缩实验研究了3类管件物的能量吸收性能, 发现通过合理的编织角设计, 可以利用周向纤维限制轴向中央裂纹的扩展, 使复合材料内部更多的纤维发生断裂, 从而提高纤维增强复合材料管件物的能量吸收性能。最终制备了集高能量吸收性能与易装配性于一身的圆-方异形截面复合材料管件物。
圆形截面复合材料管件物的能量吸收性能比方形截面管件物更加优越, 但具有平整表面的方形管件物更容易与其他部件相装配, 即方管在实际运用中更具优势。结合圆形与方形管件物的各自优势, 以碳纤维为增强体, 环氧树脂为基体, 利用编织成型方法以及真空辅助树脂传递成型技术制备出编织角度为15°和60°的3类复合材料圆-方形管件物, 编号为T15-15、T15-60及T60-60。通过准静态压缩实验研究了3类管件物的能量吸收性能, 发现通过合理的编织角设计, 可以利用周向纤维限制轴向中央裂纹的扩展, 使复合材料内部更多的纤维发生断裂, 从而提高纤维增强复合材料管件物的能量吸收性能。最终制备了集高能量吸收性能与易装配性于一身的圆-方异形截面复合材料管件物。
2015, 32(1): 250-259.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140605.006
摘要:
为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)在雷电流作用下的损伤规律,对CFRP进行了雷电流直接效应实验和电-热耦合效应仿真。首先,利用冲击电流发生装置进行了雷电流的直接效应实验,对比了不同电流峰值情况下CFRP的表面损伤情况,并通过C扫描观察了内部损伤。实验结果表明:CFRP的损伤范围随电流峰值增大而显著增大,且内部损伤的范围远大于表面损伤的范围。之后,对试件进行了电-热耦合有限元分析,并利用叠加的温度场范围近似表示内部损伤的范围,与实验结果的对比说明了此方法的有效性。不同类型及不同作用积分的冲击电流作用下的电-热耦合分析结果表明,作用积分是影响损伤范围的重要因素。
为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)在雷电流作用下的损伤规律,对CFRP进行了雷电流直接效应实验和电-热耦合效应仿真。首先,利用冲击电流发生装置进行了雷电流的直接效应实验,对比了不同电流峰值情况下CFRP的表面损伤情况,并通过C扫描观察了内部损伤。实验结果表明:CFRP的损伤范围随电流峰值增大而显著增大,且内部损伤的范围远大于表面损伤的范围。之后,对试件进行了电-热耦合有限元分析,并利用叠加的温度场范围近似表示内部损伤的范围,与实验结果的对比说明了此方法的有效性。不同类型及不同作用积分的冲击电流作用下的电-热耦合分析结果表明,作用积分是影响损伤范围的重要因素。
2015, 32(1): 260-267.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.201501.010
摘要:
捻子条是用于复合材料梁肋结构三角空隙的填充材料,为优化捻子条手工制备方法,为工程实践及自动化生产提供依据,分别采用滚卷式和铺层式2种手工制备方法制备了预浸料捻子条,并通过对预浸料捻子条外形尺寸、微观结构及力学性能的表征,探索了不同手工制备方法对捻子条质量的影响。结果表明: 2种方法制备的预浸料捻子条在外形尺寸上差别不大,纤维体积分数均约为60%、孔隙率均约为3%;但2种方法制备的捻子条在内部缺陷形式及力学性能方面差别较大,滚卷式制备的捻子条内部缺陷小而分散,纤维排列混乱,在弯曲载荷下产生纤维断裂失效;铺层式制备的捻子条内部缺陷大而连续,纤维准直度好,在弯曲载荷下产生分层断裂失效。
捻子条是用于复合材料梁肋结构三角空隙的填充材料,为优化捻子条手工制备方法,为工程实践及自动化生产提供依据,分别采用滚卷式和铺层式2种手工制备方法制备了预浸料捻子条,并通过对预浸料捻子条外形尺寸、微观结构及力学性能的表征,探索了不同手工制备方法对捻子条质量的影响。结果表明: 2种方法制备的预浸料捻子条在外形尺寸上差别不大,纤维体积分数均约为60%、孔隙率均约为3%;但2种方法制备的捻子条在内部缺陷形式及力学性能方面差别较大,滚卷式制备的捻子条内部缺陷小而分散,纤维排列混乱,在弯曲载荷下产生纤维断裂失效;铺层式制备的捻子条内部缺陷大而连续,纤维准直度好,在弯曲载荷下产生分层断裂失效。
2015, 32(1): 268-275.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140519.002
摘要:
将羟乙基纤维素(HEC)与海藻酸钠(SA)进行混合,利用戊二醛交联处理后制备了HEC/SA高分子复合多孔薄膜,并探讨了其对模拟含铀废水中的六价铀(U(Ⅵ))的吸附特性。通过静态实验,探讨了初始pH值、U(Ⅵ)初始浓度、温度和吸附时间等对HEC/SA复合膜吸附U(Ⅵ)效果的影响;对吸附过程进行了热力学与动力学分析,利用FTIR、SEM和X射线能谱等手段分析了其吸附机制。实验结果表明,U(Ⅵ)的吸附量与温度正相关,吸附平衡时间约为90 min,最佳吸附效果的初始pH值为5.0;吸附过程符合准二级动力学模型,主要表现为颗粒内部扩散;等温吸附过程符合Langmuir等温吸附线模型,在45 ℃时,HEC/SA复合膜对U(Ⅵ)的最大吸附容量达357.1 mg·g-1,HEC/SA复合膜对U(Ⅵ)的吸附存在离子交换作用,与U(Ⅵ)的相互作用基团为羧基。
将羟乙基纤维素(HEC)与海藻酸钠(SA)进行混合,利用戊二醛交联处理后制备了HEC/SA高分子复合多孔薄膜,并探讨了其对模拟含铀废水中的六价铀(U(Ⅵ))的吸附特性。通过静态实验,探讨了初始pH值、U(Ⅵ)初始浓度、温度和吸附时间等对HEC/SA复合膜吸附U(Ⅵ)效果的影响;对吸附过程进行了热力学与动力学分析,利用FTIR、SEM和X射线能谱等手段分析了其吸附机制。实验结果表明,U(Ⅵ)的吸附量与温度正相关,吸附平衡时间约为90 min,最佳吸附效果的初始pH值为5.0;吸附过程符合准二级动力学模型,主要表现为颗粒内部扩散;等温吸附过程符合Langmuir等温吸附线模型,在45 ℃时,HEC/SA复合膜对U(Ⅵ)的最大吸附容量达357.1 mg·g-1,HEC/SA复合膜对U(Ⅵ)的吸附存在离子交换作用,与U(Ⅵ)的相互作用基团为羧基。
2015, 32(1): 276-283.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140617.003
摘要:
研究了具有周期微结构的多相压电纤维复合材料在反平面变形下的电弹性场。通过在各非均匀相内引入非均匀的广义本征应变, 将原问题等价为带有周期广义本征应变的均匀介质问题, 建立了两者间的等价条件。利用等价问题各区域交界处的广义应力连续条件和广义位移协调条件, 并结合双准周期Riemann边值问题理论和等价条件, 获得了各相材料电弹性场的解析解, 进而由平均场理论预测了材料的有效压电系数。比较了相同压电材料体积分数下中空压电纤维、碳芯压电结构纤维和实心压电纤维复合材料有效压电系数的差异, 讨论了压电结构纤维中非压电芯刚度及压电结构纤维与基体间涂层的刚度对有效压电系数的影响。研究结果可为高灵敏度压电复合材料的设计提供有价值的参考。
研究了具有周期微结构的多相压电纤维复合材料在反平面变形下的电弹性场。通过在各非均匀相内引入非均匀的广义本征应变, 将原问题等价为带有周期广义本征应变的均匀介质问题, 建立了两者间的等价条件。利用等价问题各区域交界处的广义应力连续条件和广义位移协调条件, 并结合双准周期Riemann边值问题理论和等价条件, 获得了各相材料电弹性场的解析解, 进而由平均场理论预测了材料的有效压电系数。比较了相同压电材料体积分数下中空压电纤维、碳芯压电结构纤维和实心压电纤维复合材料有效压电系数的差异, 讨论了压电结构纤维中非压电芯刚度及压电结构纤维与基体间涂层的刚度对有效压电系数的影响。研究结果可为高灵敏度压电复合材料的设计提供有价值的参考。
2015, 32(1): 284-294.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140605.004
摘要:
基于A+B+C+D 4种标准雷电流波形的联合作用, 开展了不同防护形式复合材料板雷击试验。考虑放电通道物理特性,分析放电通道与复合材料表面间的作用过程,将复合材料表面损伤区域分解成初始附着区、附着传导区、附着扩展区、二次附着区和扫掠损伤区,并对未防护基准件、局部喷铝、全喷铝防护件及铜网防护件4类板的各区域进行了损伤特性分析。结果表明:复合材料表面损伤是强电磁场条件下放电通道热电物理特性与复合材料表面热电特性及电荷分布的共同作用结果;复合材料表面铝层喷涂方式、厚度以及均匀程度均影响表面损伤的对称性和损伤分区特性;铜网防护造成复合材料板表面粗糙使得表面损伤分区复杂; 表面电荷累积特性和分布的均匀程度直接影响二次附着区和扫掠损伤区的分布;复合材料表面雷击损伤包括纤维升华、断裂、起毛,基体炭化熔融、烧蚀,材料分层、剥落以及防护材料的熔融汽化和断裂等。分析结果可以用于复合材料雷击防护定性设计。
基于A+B+C+D 4种标准雷电流波形的联合作用, 开展了不同防护形式复合材料板雷击试验。考虑放电通道物理特性,分析放电通道与复合材料表面间的作用过程,将复合材料表面损伤区域分解成初始附着区、附着传导区、附着扩展区、二次附着区和扫掠损伤区,并对未防护基准件、局部喷铝、全喷铝防护件及铜网防护件4类板的各区域进行了损伤特性分析。结果表明:复合材料表面损伤是强电磁场条件下放电通道热电物理特性与复合材料表面热电特性及电荷分布的共同作用结果;复合材料表面铝层喷涂方式、厚度以及均匀程度均影响表面损伤的对称性和损伤分区特性;铜网防护造成复合材料板表面粗糙使得表面损伤分区复杂; 表面电荷累积特性和分布的均匀程度直接影响二次附着区和扫掠损伤区的分布;复合材料表面雷击损伤包括纤维升华、断裂、起毛,基体炭化熔融、烧蚀,材料分层、剥落以及防护材料的熔融汽化和断裂等。分析结果可以用于复合材料雷击防护定性设计。
2015, 32(1): 295-300.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20140519.001
摘要:
作为一种典型的航空航天结构,复合材料格栅圆柱筒的轴压稳定性决定了航天器结构的极限承载能力。现有的均匀化等效法和梁-壳有限元法模拟均存在一定的不足。考虑到肋条的局部应力和稳定性问题,将肋条等效为壳单元,提出了全壳有限元法。结合某型号飞行器复合材料格栅承力筒,分别采用这3种方法进行了轴压稳定性研究,同时设计了全尺寸轴压破坏试验。对比数值计算和试验结果得知两者的一致性较好, 并且验证了该型号飞行器设计的合理性。均匀化等效法、梁-壳有限元法和全壳有限元法得到的结果与试验值的偏差分别为14.9%、9.5%和5.2%。全壳有限元法精度最高,并且能准确预测结构破坏位置,为同类结构的设计提供了参考。
作为一种典型的航空航天结构,复合材料格栅圆柱筒的轴压稳定性决定了航天器结构的极限承载能力。现有的均匀化等效法和梁-壳有限元法模拟均存在一定的不足。考虑到肋条的局部应力和稳定性问题,将肋条等效为壳单元,提出了全壳有限元法。结合某型号飞行器复合材料格栅承力筒,分别采用这3种方法进行了轴压稳定性研究,同时设计了全尺寸轴压破坏试验。对比数值计算和试验结果得知两者的一致性较好, 并且验证了该型号飞行器设计的合理性。均匀化等效法、梁-壳有限元法和全壳有限元法得到的结果与试验值的偏差分别为14.9%、9.5%和5.2%。全壳有限元法精度最高,并且能准确预测结构破坏位置,为同类结构的设计提供了参考。
