2023年 第40卷 第6期
2023, 40(6): 3075-3089.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230227.004
摘要:
连续纤维增韧碳化硅复合材料(CMC-SiC)热结构部件已广泛应用于航天、航空、航发领域，该部件通常采用组合装配集成制造技术研制，发展新型高性能CMC-SiC紧固件制备技术是推动部件制造技术的关键之一。本文从组装集成制造技术需求特点出发，阐述了CMC-SiC紧固件的类别、制备技术和微结构特点，分析了CMC-SiC复合材料对CMC-SiC紧固件力学性能的制约关系，总结了CMC-SiC机械连接剪切行为、钉载分配和拉伸行为的研究现状，揭示了CMC-SiC紧固件静态力学性能及其失效机制。进一步分析了CMC-SiC紧固件振动松弛机制及其防松措施，探讨了氧化损伤对CMC-SiC紧固件性能的影响。据此，从预制体结构设计、制备工艺和紧固件结构角度，提出了CMC-SiC紧固件性能优化途径，最后展望了CMC紧固件制备技术及其连接性能的发展。
连续纤维增韧碳化硅复合材料(CMC-SiC)热结构部件已广泛应用于航天、航空、航发领域，该部件通常采用组合装配集成制造技术研制，发展新型高性能CMC-SiC紧固件制备技术是推动部件制造技术的关键之一。本文从组装集成制造技术需求特点出发，阐述了CMC-SiC紧固件的类别、制备技术和微结构特点，分析了CMC-SiC复合材料对CMC-SiC紧固件力学性能的制约关系，总结了CMC-SiC机械连接剪切行为、钉载分配和拉伸行为的研究现状，揭示了CMC-SiC紧固件静态力学性能及其失效机制。进一步分析了CMC-SiC紧固件振动松弛机制及其防松措施，探讨了氧化损伤对CMC-SiC紧固件性能的影响。据此，从预制体结构设计、制备工艺和紧固件结构角度，提出了CMC-SiC紧固件性能优化途径，最后展望了CMC紧固件制备技术及其连接性能的发展。
2023, 40(6): 3090-3114.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230117.007
摘要:
各向同性材料的力学理论已基本完善，但各向异性复合材料的力学理论除线弹性外，皆未成熟，尤其破坏和强度分析，依然还是固体力学面临的一个最大挑战。在过去25年中，为推动复合材料力学学科发展，作者创建了一系列解析理论，包括任意连续纤维、短纤维及颗粒增强复合材料的本构与内应力计算理论-桥联模型，将基体均值应力转换到真实值的真实应力理论，基于物理原理建立的基体破坏准则，预报任意层合结构层间开裂或分层的层间基体应力修正法及超弹性材料的增量型本构理论。基于这些理论，几乎所有两相复合材料的破坏问题，皆有望通过解析公式获得有效解决，只要该复合材料的孔隙率可忽略。其中，桥联模型已得到国内外同行广泛认可，他人应用该理论公开发表的研究论文，已超过250篇。基体真实应力理论，尽管前不久才建立起来，他人应用也已达20篇。本文简要介绍了作者建立的这些理论及如何据此解决众多复合材料挑战性问题。
各向同性材料的力学理论已基本完善，但各向异性复合材料的力学理论除线弹性外，皆未成熟，尤其破坏和强度分析，依然还是固体力学面临的一个最大挑战。在过去25年中，为推动复合材料力学学科发展，作者创建了一系列解析理论，包括任意连续纤维、短纤维及颗粒增强复合材料的本构与内应力计算理论-桥联模型，将基体均值应力转换到真实值的真实应力理论，基于物理原理建立的基体破坏准则，预报任意层合结构层间开裂或分层的层间基体应力修正法及超弹性材料的增量型本构理论。基于这些理论，几乎所有两相复合材料的破坏问题，皆有望通过解析公式获得有效解决，只要该复合材料的孔隙率可忽略。其中，桥联模型已得到国内外同行广泛认可，他人应用该理论公开发表的研究论文，已超过250篇。基体真实应力理论，尽管前不久才建立起来，他人应用也已达20篇。本文简要介绍了作者建立的这些理论及如何据此解决众多复合材料挑战性问题。
2023, 40(6): 3115-3124.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221020.001
摘要:
淡水资源日益匮乏已成为严峻的世界性难题。为了促进界面光热水蒸发系统的发展和碳基纤维材料在界面光热水蒸发领域的应用，本文对界面光水蒸发用碳基纤维材料的最新研究进展进行综述。首先介绍了界面光热水蒸发系统的设计原理，其次系统分析了不同碳基材料的光热转换机制和结构特点及纤维材料用于水蒸发系统的性能优势。并以不同碳基纤维材料为切入点，重点介绍了碳基纤维材料的制备方法、性能优势。最后对碳基纤维材料在界面光热水蒸发领域所面临的挑战进行了探究。
淡水资源日益匮乏已成为严峻的世界性难题。为了促进界面光热水蒸发系统的发展和碳基纤维材料在界面光热水蒸发领域的应用，本文对界面光水蒸发用碳基纤维材料的最新研究进展进行综述。首先介绍了界面光热水蒸发系统的设计原理，其次系统分析了不同碳基材料的光热转换机制和结构特点及纤维材料用于水蒸发系统的性能优势。并以不同碳基纤维材料为切入点，重点介绍了碳基纤维材料的制备方法、性能优势。最后对碳基纤维材料在界面光热水蒸发领域所面临的挑战进行了探究。
2023, 40(6): 3125-3135.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230119.001
摘要:
近年来，随着新能源行业的大力发展，锂资源的供需矛盾加剧，合理开发利用锂资源正成为我国新能源发展的关键因素。盐湖卤水因其具备成本低、储量多的优势逐渐成为我国提锂行业的发展方向。二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1~100 nm)上平面运动的材料。由于二维纳米材料具备原子级尺度的特殊片层结构、高比表面积、优异的机械强度、丰富的活性位点及良好的可修饰性等特点，得到了科学界的广泛关注。本文从不同二维材料的特点出发，归纳了二维材料在吸附法提锂和膜分离法提锂两个领域的应用，总结了两种方法的特点，并指出其目前面临的问题及今后的发展趋势，为二维材料在盐湖提锂领域的研究与应用提供参考。
近年来，随着新能源行业的大力发展，锂资源的供需矛盾加剧，合理开发利用锂资源正成为我国新能源发展的关键因素。盐湖卤水因其具备成本低、储量多的优势逐渐成为我国提锂行业的发展方向。二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1~100 nm)上平面运动的材料。由于二维纳米材料具备原子级尺度的特殊片层结构、高比表面积、优异的机械强度、丰富的活性位点及良好的可修饰性等特点，得到了科学界的广泛关注。本文从不同二维材料的特点出发，归纳了二维材料在吸附法提锂和膜分离法提锂两个领域的应用，总结了两种方法的特点，并指出其目前面临的问题及今后的发展趋势，为二维材料在盐湖提锂领域的研究与应用提供参考。
2023, 40(6): 3136-3152.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230119.004
摘要:
碳纤维复合材料具有良好的导电性能，但其作为增强体的树脂基复合材料的导电性能与增强体结构显著相关，且在加载条件下的结构变形触发碳纤维复合材料的导电行为发生改变，这一特性在智能传感器方面具有重要的应用。本文从复合材料电阻法结构健康监测应用出发，着重概述了不同维度增强体碳纤维树脂基复合材料的导电性能和预测模型、表面电势场分布和主要测量技术及力电耦合行为和本构模型，以期为碳纤维复合材料“材料-结构-功能”一体化集成系统的设计提供新方向和新途径。
碳纤维复合材料具有良好的导电性能，但其作为增强体的树脂基复合材料的导电性能与增强体结构显著相关，且在加载条件下的结构变形触发碳纤维复合材料的导电行为发生改变，这一特性在智能传感器方面具有重要的应用。本文从复合材料电阻法结构健康监测应用出发，着重概述了不同维度增强体碳纤维树脂基复合材料的导电性能和预测模型、表面电势场分布和主要测量技术及力电耦合行为和本构模型，以期为碳纤维复合材料“材料-结构-功能”一体化集成系统的设计提供新方向和新途径。
2023, 40(6): 3153-3166.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230119.003
摘要:
随着电子信息技术的快速发展，国防军工、电子通讯及可穿戴电子等领域对电磁屏蔽材料的柔性和光学透明性提出了更高的要求，开发兼具高透明性和柔性的高性能电磁屏蔽材料已成为当今研究的热点。本文介绍了近年来聚合物基柔性透明电磁屏蔽复合材料的研究进展，对聚合物基底和屏蔽材料的种类、复合材料的制备方法进行了对比总结，阐述了不同材料的柔性、透明性与电磁屏蔽性能的相互制约问题及解决方法，并对未来聚合物基柔性透明电磁屏蔽复合材料的发展方向进行了展望。
随着电子信息技术的快速发展，国防军工、电子通讯及可穿戴电子等领域对电磁屏蔽材料的柔性和光学透明性提出了更高的要求，开发兼具高透明性和柔性的高性能电磁屏蔽材料已成为当今研究的热点。本文介绍了近年来聚合物基柔性透明电磁屏蔽复合材料的研究进展，对聚合物基底和屏蔽材料的种类、复合材料的制备方法进行了对比总结，阐述了不同材料的柔性、透明性与电磁屏蔽性能的相互制约问题及解决方法，并对未来聚合物基柔性透明电磁屏蔽复合材料的发展方向进行了展望。
2023, 40(6): 3167-3186.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221014.002
摘要:
电子设备的日益普及加剧了电磁波污染问题，开发电磁波吸收材料不仅能够保护人体和精密设备免受电磁波干扰，也能减少电磁波的二次污染，无论民用还是军事上都有巨大研究意义。MXene是一种新型的具有类石墨烯结构的二维纳米片层材料，具有较大的横纵比、可调节的导电性和丰富的官能团，可用于研究高性能电磁波吸收材料。本文综述了MXene的化学组成及其在吸波领域的研究进展，详细介绍了吸波材料的损耗机制，并分别从微观结构和宏观形态对MXene基复合吸波材料进行了归纳和分析，最后在损耗机制、结构和多功能等方面对MXene及其复合吸波材料的未来发展方向进行了展望。
电子设备的日益普及加剧了电磁波污染问题，开发电磁波吸收材料不仅能够保护人体和精密设备免受电磁波干扰，也能减少电磁波的二次污染，无论民用还是军事上都有巨大研究意义。MXene是一种新型的具有类石墨烯结构的二维纳米片层材料，具有较大的横纵比、可调节的导电性和丰富的官能团，可用于研究高性能电磁波吸收材料。本文综述了MXene的化学组成及其在吸波领域的研究进展，详细介绍了吸波材料的损耗机制，并分别从微观结构和宏观形态对MXene基复合吸波材料进行了归纳和分析，最后在损耗机制、结构和多功能等方面对MXene及其复合吸波材料的未来发展方向进行了展望。
2023, 40(6): 3187-3196.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221205.001
摘要:
二氧化锰(MnO2)具有高容量、环保、低成本等优点，是一种极具发展前景的超级电容器电极材料。随着智能可穿戴技术的不断发展，纤维状超级电容器由于其灵活性和可编织性受到广泛关注。将高性能的MnO2电极材料构建纤维状超级电容器作为可穿戴技术的重要组成部分也被不断研究和拓展创新。根据目前MnO2基纤维状超级电容器的发展和可穿戴能源产品的需求，本文对温和中性电解质中MnO2的储能机制进行分析，针对MnO2基纤维状超级电容器在实际可穿戴应用中存在的连续化生产困难、实际利用率低等问题，提出了解决策略，深入分析了各种解决策略的利弊及方案中材料的协同作用，为未来的研究方向提供新的思路，最后对其面临的挑战和未来的发展进行了归纳总结，MnO2基纤维状超级电容器有望在今后取得重大进展，成为新一代能源纺织品的高效供能体系。
二氧化锰(MnO2)具有高容量、环保、低成本等优点，是一种极具发展前景的超级电容器电极材料。随着智能可穿戴技术的不断发展，纤维状超级电容器由于其灵活性和可编织性受到广泛关注。将高性能的MnO2电极材料构建纤维状超级电容器作为可穿戴技术的重要组成部分也被不断研究和拓展创新。根据目前MnO2基纤维状超级电容器的发展和可穿戴能源产品的需求，本文对温和中性电解质中MnO2的储能机制进行分析，针对MnO2基纤维状超级电容器在实际可穿戴应用中存在的连续化生产困难、实际利用率低等问题，提出了解决策略，深入分析了各种解决策略的利弊及方案中材料的协同作用，为未来的研究方向提供新的思路，最后对其面临的挑战和未来的发展进行了归纳总结，MnO2基纤维状超级电容器有望在今后取得重大进展，成为新一代能源纺织品的高效供能体系。
2023, 40(6): 3197-3217.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221104.002
摘要:
三维(3D)纺织复合材料具有优异的力学性能、可设计性和近净成形等优势，被视为航空航天和国防军工装备关键部件的理想候选材料。三维纺织复合材料加工连接与力学性能保障是服役可靠性的重要环节，该方面的理论研究仍很薄弱。本文从航空航天及深海等重大工程应用要求出发，着重概述三维纺织复合材料及结构的加工连接方式和工艺，阐述无损检测技术，明确加工连接与力学性能的映射关系，提出三维纺织复合材料加工连接与力学性能面临的关键问题，以期为高承载和高可靠三维纺织复合材料的结构设计和应用提供依据。
三维(3D)纺织复合材料具有优异的力学性能、可设计性和近净成形等优势，被视为航空航天和国防军工装备关键部件的理想候选材料。三维纺织复合材料加工连接与力学性能保障是服役可靠性的重要环节，该方面的理论研究仍很薄弱。本文从航空航天及深海等重大工程应用要求出发，着重概述三维纺织复合材料及结构的加工连接方式和工艺，阐述无损检测技术，明确加工连接与力学性能的映射关系，提出三维纺织复合材料加工连接与力学性能面临的关键问题，以期为高承载和高可靠三维纺织复合材料的结构设计和应用提供依据。
2023, 40(6): 3218-3234.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230103.002
摘要:
热能在社会活动中扮演着不可或缺的角色并存在多种转化形式，过渡金属化合物(Transition metal compound，TMC)因其强关联电子体系和固有的电荷、自旋、轨道等自由度和有序相之间存在着竞争与共存关系，可以在光、电、磁和热能之间实现高效转化。然而，以粉末和晶体形式存在的TMC在使用过程中会出现易氧化聚合、体积变化、转化热能易消散及收集困难等问题，限制其热转化效率。木材具有天然的层级孔隙结构和稳定的力学支撑，借助木材中的化学组分可以与TMC形成共价键、离子键、氢键、范德华力等结合方式，促使TMC均匀负载至木材微纳表面或多孔结构中，形成TMC@木材复合材料。此外，木材具有优异的热管理能力，能够调节热能以提高热转化效率。本文基于木材的木质—纤维素大分子网络构造，详细讨论了TMC与实体木材、脱木质素木材、碳化木材的构筑方法和界面结合机制，进一步分析了基于TMC的非辐射衰变、弛豫损耗和金属-绝缘体转变的热转化机制，概述了TMC@木质复合材料在海水淡化、油水分离、建筑节能和火灾预警领域的功能应用。最后，分析了当前基于TMC构建热转化木材的优势和所面临的挑战，以期为木材的先进功能和能量转化提供一定的思路。
热能在社会活动中扮演着不可或缺的角色并存在多种转化形式，过渡金属化合物(Transition metal compound，TMC)因其强关联电子体系和固有的电荷、自旋、轨道等自由度和有序相之间存在着竞争与共存关系，可以在光、电、磁和热能之间实现高效转化。然而，以粉末和晶体形式存在的TMC在使用过程中会出现易氧化聚合、体积变化、转化热能易消散及收集困难等问题，限制其热转化效率。木材具有天然的层级孔隙结构和稳定的力学支撑，借助木材中的化学组分可以与TMC形成共价键、离子键、氢键、范德华力等结合方式，促使TMC均匀负载至木材微纳表面或多孔结构中，形成TMC@木材复合材料。此外，木材具有优异的热管理能力，能够调节热能以提高热转化效率。本文基于木材的木质—纤维素大分子网络构造，详细讨论了TMC与实体木材、脱木质素木材、碳化木材的构筑方法和界面结合机制，进一步分析了基于TMC的非辐射衰变、弛豫损耗和金属-绝缘体转变的热转化机制，概述了TMC@木质复合材料在海水淡化、油水分离、建筑节能和火灾预警领域的功能应用。最后，分析了当前基于TMC构建热转化木材的优势和所面临的挑战，以期为木材的先进功能和能量转化提供一定的思路。
2023, 40(6): 3235-3254.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220915.002
摘要:
纤维增强树脂基复合材料因比强度/比模量高、抗疲劳/抗腐蚀性能好等优势，广泛应用于军/民用飞机上。为避免铆钉/螺栓连接时打孔造成纤维断裂、基体开裂和分层等损伤，常用胶粘方式进行连接。胶粘界面污染、粘接剂不均匀/老化等因素会导致“吻接”和“弱粘接”问题，而现有超声波、红外等无损检测技术无法检测评估，已成为复合材料结构安全隐患。激光冲击波界面结合强度检测技术(Laser bond inspection，LBI)是一种利用激光冲击波反射拉伸波的力学效应进行界面结合强度定量性评估的新型检测技术，可有效解决“吻接”和“弱粘接”的检测难题。本文介绍了激光冲击波界面结合强度检测的技术原理、特点及发展应用情况；分别从脉冲激光诱导冲击波特性、冲击波传播规律及材料动态响应、激光冲击层裂及损伤特征、界面结合强度检测方法4个方面总结了国内外研究进展及亟待解决的关键问题。从发展大脉宽/均能量/高功率的纳秒激光器、建立多变量激光冲击波时空压力模型、构建复合材料高应变率力学模型、发明快速/准确/智能的检测方法和建立规范、统一的研究体系等方面进行展望。综合分析国内研究不足和技术差距，建议解决思路与方案，希望通过加强基础研究和关键技术突破，推动激光冲击波界面结合强度检测技术的快速发展和工程应用。
纤维增强树脂基复合材料因比强度/比模量高、抗疲劳/抗腐蚀性能好等优势，广泛应用于军/民用飞机上。为避免铆钉/螺栓连接时打孔造成纤维断裂、基体开裂和分层等损伤，常用胶粘方式进行连接。胶粘界面污染、粘接剂不均匀/老化等因素会导致“吻接”和“弱粘接”问题，而现有超声波、红外等无损检测技术无法检测评估，已成为复合材料结构安全隐患。激光冲击波界面结合强度检测技术(Laser bond inspection，LBI)是一种利用激光冲击波反射拉伸波的力学效应进行界面结合强度定量性评估的新型检测技术，可有效解决“吻接”和“弱粘接”的检测难题。本文介绍了激光冲击波界面结合强度检测的技术原理、特点及发展应用情况；分别从脉冲激光诱导冲击波特性、冲击波传播规律及材料动态响应、激光冲击层裂及损伤特征、界面结合强度检测方法4个方面总结了国内外研究进展及亟待解决的关键问题。从发展大脉宽/均能量/高功率的纳秒激光器、建立多变量激光冲击波时空压力模型、构建复合材料高应变率力学模型、发明快速/准确/智能的检测方法和建立规范、统一的研究体系等方面进行展望。综合分析国内研究不足和技术差距，建议解决思路与方案，希望通过加强基础研究和关键技术突破，推动激光冲击波界面结合强度检测技术的快速发展和工程应用。
2023, 40(6): 3255-3269.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221005.001
摘要:
混合金属氧化物(Mixed metal oxide，MMO)，即一种以上金属的氧化物，因其在水中结构的独特变化，能展现出较强的吸附性能和催化活性，在废水处理方面具有极大应用潜力。本文综述了MMO的制备方法，主要可分为固相烧结法、聚合物前驱体焙烧法、层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxides，LDHs)前驱体焙烧法、化学共沉淀法和水热法5种，并详细介绍了通过改变这些合成方法与合成条件实现的MMO元素组成、元素比例、形貌结构等的控制，以调控其性质性能。系统分析了MMO在去除重金属、类金属、有机污染物和阴离子方面的主要机制及研究进展，其中主要机制为在MMO结构重组过程中，伴随有吸附、催化及其协同作用。得益于这3种机制MMO不仅能实现单一污染物的高效脱除，还能实现多污染物的同步去除，在废水处理方面有着显著成效，但目前大多数研究仍停留在实验阶段，在实际废水处理及工程应用上的研究尚少。
混合金属氧化物(Mixed metal oxide，MMO)，即一种以上金属的氧化物，因其在水中结构的独特变化，能展现出较强的吸附性能和催化活性，在废水处理方面具有极大应用潜力。本文综述了MMO的制备方法，主要可分为固相烧结法、聚合物前驱体焙烧法、层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxides，LDHs)前驱体焙烧法、化学共沉淀法和水热法5种，并详细介绍了通过改变这些合成方法与合成条件实现的MMO元素组成、元素比例、形貌结构等的控制，以调控其性质性能。系统分析了MMO在去除重金属、类金属、有机污染物和阴离子方面的主要机制及研究进展，其中主要机制为在MMO结构重组过程中，伴随有吸附、催化及其协同作用。得益于这3种机制MMO不仅能实现单一污染物的高效脱除，还能实现多污染物的同步去除，在废水处理方面有着显著成效，但目前大多数研究仍停留在实验阶段，在实际废水处理及工程应用上的研究尚少。
2023, 40(6): 3270-3278.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220907.003
摘要:
以碳纤维为增强材料，平面三轴机织物为增强体结构，环氧树脂为基体，通过真空辅助树脂传递模塑技术(Vacuum assisted resin transfer molding ，VARTM)制备了碳纤维三轴机织物增强环氧树脂基(Triaxial woven fabric/epoxy resin，TWF/EP)复合材料。借鉴金属材料薄板弯折性能试验方法，采用万能试验机开展TWF/EP的弯折实验，探究其弯折性能和损伤机制。研究结果表明：TWF/EP复合材料的弯折强度和模量与纤维束规格呈显著正相关性，与角度呈负相关性。在0°~30°范围内，TWF/EP复合材料的弯折性能变化幅度较小，表现出准各向同性。TWF/EP复合材料的力学响应表现为脆断，破坏模式分完全折断和不完全折断，TWF/EP复合材料的弯折断裂机制主要为纯剪切破坏、压剪耦合破坏及拉剪耦合破坏。
以碳纤维为增强材料，平面三轴机织物为增强体结构，环氧树脂为基体，通过真空辅助树脂传递模塑技术(Vacuum assisted resin transfer molding ，VARTM)制备了碳纤维三轴机织物增强环氧树脂基(Triaxial woven fabric/epoxy resin，TWF/EP)复合材料。借鉴金属材料薄板弯折性能试验方法，采用万能试验机开展TWF/EP的弯折实验，探究其弯折性能和损伤机制。研究结果表明：TWF/EP复合材料的弯折强度和模量与纤维束规格呈显著正相关性，与角度呈负相关性。在0°~30°范围内，TWF/EP复合材料的弯折性能变化幅度较小，表现出准各向同性。TWF/EP复合材料的力学响应表现为脆断，破坏模式分完全折断和不完全折断，TWF/EP复合材料的弯折断裂机制主要为纯剪切破坏、压剪耦合破坏及拉剪耦合破坏。
2023, 40(6): 3279-3290.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220819.005
摘要:
碳纤维增强乙烯基酯树脂复合材料(CFRP)是海洋和舰船工程领域广泛应用的结构材料，在复杂海洋环境和服役工况下，材料面临湿热和极端温度的考验。本文研究了树脂和CFRP在水浴过程中的质量和形貌变化及水浴吸湿后CFRP在3种测试温度下(−30℃、室温和70℃)的力学性能演变。FTIR和液相色谱-质谱联用实验结果表明乙烯基酯树脂在水浴过程中发生了水解，而吸湿后CFRP的微观形貌观察表明纤维-基体界面的存在会改变树脂基体的吸湿行为。低温、高温和水浴120天后室温测试环境下，CFRP的压缩强度相比未吸湿试样的室温初始强度，分别降低了27.4%、36.2%和32.8%；而低温环境下面内剪切强度提升了35%，高温环境下降低了27%，水浴120天后提升了7%，显示温度对CFRP面内剪切强度的影响大于湿热老化。此外，动态热力学性能测试显示初始阶段的吸湿会导致CFRP储能模量和玻璃化转变温度(Tg)降低，但后期储能模量和Tg会部分恢复。
碳纤维增强乙烯基酯树脂复合材料(CFRP)是海洋和舰船工程领域广泛应用的结构材料，在复杂海洋环境和服役工况下，材料面临湿热和极端温度的考验。本文研究了树脂和CFRP在水浴过程中的质量和形貌变化及水浴吸湿后CFRP在3种测试温度下(−30℃、室温和70℃)的力学性能演变。FTIR和液相色谱-质谱联用实验结果表明乙烯基酯树脂在水浴过程中发生了水解，而吸湿后CFRP的微观形貌观察表明纤维-基体界面的存在会改变树脂基体的吸湿行为。低温、高温和水浴120天后室温测试环境下，CFRP的压缩强度相比未吸湿试样的室温初始强度，分别降低了27.4%、36.2%和32.8%；而低温环境下面内剪切强度提升了35%，高温环境下降低了27%，水浴120天后提升了7%，显示温度对CFRP面内剪切强度的影响大于湿热老化。此外，动态热力学性能测试显示初始阶段的吸湿会导致CFRP储能模量和玻璃化转变温度(Tg)降低，但后期储能模量和Tg会部分恢复。
2023, 40(6): 3291-3301.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220811.005
摘要:
三维角联锁机织增强复合材料(3DAWCs)具有优异的结构整体性和力学性能。为探究3DAWCs中衬经纱对力学性能的影响，本文设计并制备不同衬经纱占比的3DAWCs，研究不同温度场中不同衬经纱占比3DAWCs的弯曲性能。衬经纱与经纱比例包括：0∶1、1∶1和2∶1。温度场包括：20℃、80℃和150℃。研究结果表明：衬经纱对3DAWCs厚度、纱线形态、载荷-挠度曲线形态、弯曲强度、损伤分布均影响显著；随衬经纱占比增加，3DAWCs的厚度和最大弯曲载荷增加，但1∶1型和2∶1型试样的弯曲强度相差较小；随温度升高，试样弯曲性能下降，但在不同温度场中，不同衬经占比试样的经纬向弯曲性能对温度的敏感性不同。
三维角联锁机织增强复合材料(3DAWCs)具有优异的结构整体性和力学性能。为探究3DAWCs中衬经纱对力学性能的影响，本文设计并制备不同衬经纱占比的3DAWCs，研究不同温度场中不同衬经纱占比3DAWCs的弯曲性能。衬经纱与经纱比例包括：0∶1、1∶1和2∶1。温度场包括：20℃、80℃和150℃。研究结果表明：衬经纱对3DAWCs厚度、纱线形态、载荷-挠度曲线形态、弯曲强度、损伤分布均影响显著；随衬经纱占比增加，3DAWCs的厚度和最大弯曲载荷增加，但1∶1型和2∶1型试样的弯曲强度相差较小；随温度升高，试样弯曲性能下降，但在不同温度场中，不同衬经占比试样的经纬向弯曲性能对温度的敏感性不同。
2023, 40(6): 3302-3311.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220831.002
摘要:
复合结构被广泛应用于吸波材料设计，然而，宽频、高效的吸收性能需求给结构材料的研制带来了挑战。本文基于熔融沉积成型3D打印技术，以超导电炭黑(CB)/热塑性聚氨酯(TPU)为原料，设计了一种阻抗渐变的结构型吸波材料。根据多层结构反射率计算公式，结合有限迭代分析方法，构建阻抗渐变结构理论分析模型，推导结构等效电磁参数、输入阻抗、反射率的计算方法。所设计的阻抗渐变结构在2~18 GHz范围内可实现−10 dB的反射损耗，其中，在2.68~18 GHz范围内，达到了−20 dB的强反射损耗。分析阻抗渐变结构的电场、磁场和功率损耗，进一步阐述单元结构的微波吸收机制。实验结果与仿真结果较吻合，本文为宽频、高效的一体化吸波结构设计提供了一种技术途径。
复合结构被广泛应用于吸波材料设计，然而，宽频、高效的吸收性能需求给结构材料的研制带来了挑战。本文基于熔融沉积成型3D打印技术，以超导电炭黑(CB)/热塑性聚氨酯(TPU)为原料，设计了一种阻抗渐变的结构型吸波材料。根据多层结构反射率计算公式，结合有限迭代分析方法，构建阻抗渐变结构理论分析模型，推导结构等效电磁参数、输入阻抗、反射率的计算方法。所设计的阻抗渐变结构在2~18 GHz范围内可实现−10 dB的反射损耗，其中，在2.68~18 GHz范围内，达到了−20 dB的强反射损耗。分析阻抗渐变结构的电场、磁场和功率损耗，进一步阐述单元结构的微波吸收机制。实验结果与仿真结果较吻合，本文为宽频、高效的一体化吸波结构设计提供了一种技术途径。
2023, 40(6): 3312-3321.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220824.002
摘要:
对于介电储能材料，兼具高介电、高击穿和高导热的研究备受关注。本文采用高温煅烧制备羟基化氮化硼纳米片(BN)和静电纺丝制备负载氧化铝的钛酸钡纤维(Al2O3@BaTiO3)，共同填充聚偏氟乙烯(PVDF)并流延热压获得复合材料，研究了BN和Al2O3@BaTiO3协同作用对PVDF基复合材料结构和性能的影响。结果表明，Al2O3@BaTiO3纤维能够桥接BN纳米片，使复合填充的BN-Al2O3@BaTiO3/PVDF材料表现出优于纯PVDF和BN/PVDF的力学、介电及导热性能。随着Al2O3@BaTiO3纤维含量增加，BN-Al2O3@BaTiO3/PVDF材料的介电常数和导热系数增大，拉伸强度和击穿场强先增大后减小。当Al2O3@BaTiO3含量为5wt%时，BN-Al2O3@BaTiO3/PVDF复合材料的击穿场强最大达到253.9 kV/mm，是纯PVDF的2.43倍；此时拉伸强度、介电常数(1 kHz)和导热系数也提升至41.23 MPa、12.1和0.508 W/(m·K)，较纯PVDF分别提高了10.8%、44.0%和185.4%。
对于介电储能材料，兼具高介电、高击穿和高导热的研究备受关注。本文采用高温煅烧制备羟基化氮化硼纳米片(BN)和静电纺丝制备负载氧化铝的钛酸钡纤维(Al2O3@BaTiO3)，共同填充聚偏氟乙烯(PVDF)并流延热压获得复合材料，研究了BN和Al2O3@BaTiO3协同作用对PVDF基复合材料结构和性能的影响。结果表明，Al2O3@BaTiO3纤维能够桥接BN纳米片，使复合填充的BN-Al2O3@BaTiO3/PVDF材料表现出优于纯PVDF和BN/PVDF的力学、介电及导热性能。随着Al2O3@BaTiO3纤维含量增加，BN-Al2O3@BaTiO3/PVDF材料的介电常数和导热系数增大，拉伸强度和击穿场强先增大后减小。当Al2O3@BaTiO3含量为5wt%时，BN-Al2O3@BaTiO3/PVDF复合材料的击穿场强最大达到253.9 kV/mm，是纯PVDF的2.43倍；此时拉伸强度、介电常数(1 kHz)和导热系数也提升至41.23 MPa、12.1和0.508 W/(m·K)，较纯PVDF分别提高了10.8%、44.0%和185.4%。
2023, 40(6): 3322-3330.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220907.001
摘要:
碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)在航空航天等领域有着日益广泛的应用。本文研究了叠层结构对CF/PEEK板材的力学性能和热成形性的影响，并讨论了相关机制。在同种工艺参数下设计并制造了6种不同叠层结构的板材，其力学性能和热成形性能分别通过0°和90°下的常温拉伸试验及320℃下的杯突试验来表征。实验结果表明正交叠层结构[0/90/0/0/90/0]的拉伸强度和热成形性能最好，而加入编织层或采用非正交叠层均使热成形性能有不同程度的下降，这是由于编织层为整个叠层结构中的薄弱项，而非正交结构在不同方向的拉伸强度差异较大，容易发生纤维-基体失效。
碳纤维增强聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)在航空航天等领域有着日益广泛的应用。本文研究了叠层结构对CF/PEEK板材的力学性能和热成形性的影响，并讨论了相关机制。在同种工艺参数下设计并制造了6种不同叠层结构的板材，其力学性能和热成形性能分别通过0°和90°下的常温拉伸试验及320℃下的杯突试验来表征。实验结果表明正交叠层结构[0/90/0/0/90/0]的拉伸强度和热成形性能最好，而加入编织层或采用非正交叠层均使热成形性能有不同程度的下降，这是由于编织层为整个叠层结构中的薄弱项，而非正交结构在不同方向的拉伸强度差异较大，容易发生纤维-基体失效。
2023, 40(6): 3331-3340.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221012.001
摘要:
为研究抗氧剂对交联聚乙烯(XLPE)水树枝生长规律的影响，制备了抗氧剂/茂金属聚乙烯-交联聚乙烯(MPE-XLPE)共混物绝缘材料，采用水刀电极法对其进行加速水树枝老化，发现抗氧剂300和1035都能抑制MPE-XLPE共混物中水树枝的生长。通过热延伸、偏光显微观测、差示扫描量热(DSC)曲线、静态接触角研究了抗氧剂的加入对MPE-XLPE共混物微观结构的影响，并探讨了其改善共混物抗水树性能的机制。抗氧剂的加入可降低MPE-XLPE共混物的交联度、球晶尺寸，提高其结晶度，稍增强其亲水性能，使无定形区面积减小，材料收敛更紧密，减少了结构缺陷及水分的侵入和水滴的形成，同时，渗入材料内部的水以分子的形式均匀地吸附在抗氧剂的极性基团上，使水不易积聚成水滴，从而提高了其抗水树性能。另外，通过力学及介电性能测试发现抗氧剂的加入会降低MPE-XLPE共混物的力学性能，稍增大其相对介电常数及较高频率下的介质损耗，但仍满足抗水树XLPE电缆绝缘材料的性能要求，抗氧剂/MPE-XLPE共混物的电导性能和介电强度皆符合电线电缆用XLPE绝缘材料的电气性能要求。
为研究抗氧剂对交联聚乙烯(XLPE)水树枝生长规律的影响，制备了抗氧剂/茂金属聚乙烯-交联聚乙烯(MPE-XLPE)共混物绝缘材料，采用水刀电极法对其进行加速水树枝老化，发现抗氧剂300和1035都能抑制MPE-XLPE共混物中水树枝的生长。通过热延伸、偏光显微观测、差示扫描量热(DSC)曲线、静态接触角研究了抗氧剂的加入对MPE-XLPE共混物微观结构的影响，并探讨了其改善共混物抗水树性能的机制。抗氧剂的加入可降低MPE-XLPE共混物的交联度、球晶尺寸，提高其结晶度，稍增强其亲水性能，使无定形区面积减小，材料收敛更紧密，减少了结构缺陷及水分的侵入和水滴的形成，同时，渗入材料内部的水以分子的形式均匀地吸附在抗氧剂的极性基团上，使水不易积聚成水滴，从而提高了其抗水树性能。另外，通过力学及介电性能测试发现抗氧剂的加入会降低MPE-XLPE共混物的力学性能，稍增大其相对介电常数及较高频率下的介质损耗，但仍满足抗水树XLPE电缆绝缘材料的性能要求，抗氧剂/MPE-XLPE共混物的电导性能和介电强度皆符合电线电缆用XLPE绝缘材料的电气性能要求。
2023, 40(6): 3341-3349.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220905.002
摘要:
环氧树脂(EP)是一种典型的电子封装绝缘材料，但其导热系数(小于0.2 W/(m·K))较低，提高其导热性是解决电子器件散热问题的有效办法。本文通过构筑三维多孔的氮化铝骨架(3D-AlN)，制备得到3D-AlN/EP复合材料。SEM形貌和XRD物相表征结果证实3D-AlN骨架及3D-AlN/EP复合材料的成功制备。利用TGA精确测量3D-AlN骨架所占复合材料的质量分数，通过与含有不同含量随机分布的AlN/EP (Random AlN/EP)复合材料对比发现，3D-AlN/EP复合材料的导热系数要高于Random AlN/EP复合材料，45.48wt%3D-AlN/EP复合材料的室温(25℃)导热系数为1.00 W/(m·K)，是纯EP(0.18 W/(m·K))的5.6倍。利用理论模型(Fogyel、Agari)计算复合材料的界面热阻，发现3D-AlN/EP复合材料相比于Random AlN/EP具有更低的填料与填料间界面热阻，分别为2.704×105 K·W−1、4.019×105 K·W−1。电性能测试结果表明，45.48wt%3D-AlN/EP复合材料具良好的介电性能及绝缘性能(体积电阻率为4.16×1011 Ω·cm)。本研究从封装绝缘材料改性角度为电子器件散热问题提供了一种有效解决方案。
环氧树脂(EP)是一种典型的电子封装绝缘材料，但其导热系数(小于0.2 W/(m·K))较低，提高其导热性是解决电子器件散热问题的有效办法。本文通过构筑三维多孔的氮化铝骨架(3D-AlN)，制备得到3D-AlN/EP复合材料。SEM形貌和XRD物相表征结果证实3D-AlN骨架及3D-AlN/EP复合材料的成功制备。利用TGA精确测量3D-AlN骨架所占复合材料的质量分数，通过与含有不同含量随机分布的AlN/EP (Random AlN/EP)复合材料对比发现，3D-AlN/EP复合材料的导热系数要高于Random AlN/EP复合材料，45.48wt%3D-AlN/EP复合材料的室温(25℃)导热系数为1.00 W/(m·K)，是纯EP(0.18 W/(m·K))的5.6倍。利用理论模型(Fogyel、Agari)计算复合材料的界面热阻，发现3D-AlN/EP复合材料相比于Random AlN/EP具有更低的填料与填料间界面热阻，分别为2.704×105 K·W−1、4.019×105 K·W−1。电性能测试结果表明，45.48wt%3D-AlN/EP复合材料具良好的介电性能及绝缘性能(体积电阻率为4.16×1011 Ω·cm)。本研究从封装绝缘材料改性角度为电子器件散热问题提供了一种有效解决方案。
2023, 40(6): 3350-3365.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220905.001
摘要:
为解决磁性纳米Fe3O4颗粒易腐蚀、团聚等问题，对其进行功能化修饰改进。在超声波辐照下以FeCl3和FeSO4为原料，氨水为沉淀剂，然后加入正硅酸乙酯(TEOS)和3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)进行功能化修饰，制备得到SiO2包覆的氨基功能化纳米复合材料Fe3O4@SiO2-APTMS，并采用TEM、FTIR、VSM、TGA、低温氮吸附、XRD等对其进行表征测试，证实了超声波辐照下制备的复合材料具有磁响应强度强、耐酸碱性强、分散性高、比表面积大、粒径小等特点，同时探究了纳米复合材料对Pb(Ⅱ)的吸附性能。结果表明：溶液初始pH值为5.86，吸附剂投加量为1.0~1.5 g·L−1时Pb(Ⅱ)吸附效果较好；Langmuir模型适合模拟该等温吸附过程，吉布斯自由能变∆G0<0，吸附过程是一个自发过程；准二级动力学可以较好地描述Pb(Ⅱ)在复合材料上的吸附行为，准二级动力学常数k2=0.0401 g·mg−1·min−1，达到吸附平衡时的吸附量qe=80.041 mg·g−1；推测得到吸附机制主要为离子交换和络合吸附。
为解决磁性纳米Fe3O4颗粒易腐蚀、团聚等问题，对其进行功能化修饰改进。在超声波辐照下以FeCl3和FeSO4为原料，氨水为沉淀剂，然后加入正硅酸乙酯(TEOS)和3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)进行功能化修饰，制备得到SiO2包覆的氨基功能化纳米复合材料Fe3O4@SiO2-APTMS，并采用TEM、FTIR、VSM、TGA、低温氮吸附、XRD等对其进行表征测试，证实了超声波辐照下制备的复合材料具有磁响应强度强、耐酸碱性强、分散性高、比表面积大、粒径小等特点，同时探究了纳米复合材料对Pb(Ⅱ)的吸附性能。结果表明：溶液初始pH值为5.86，吸附剂投加量为1.0~1.5 g·L−1时Pb(Ⅱ)吸附效果较好；Langmuir模型适合模拟该等温吸附过程，吉布斯自由能变∆G0<0，吸附过程是一个自发过程；准二级动力学可以较好地描述Pb(Ⅱ)在复合材料上的吸附行为，准二级动力学常数k2=0.0401 g·mg−1·min−1，达到吸附平衡时的吸附量qe=80.041 mg·g−1；推测得到吸附机制主要为离子交换和络合吸附。
2023, 40(6): 3366-3374.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220909.003
摘要:
为得到轻便的高吸湿材料，制备席夫碱(Schiff)复合涂层对基体材料亲水改性以提高吸湿性能。利用戊二醛(GA)作为中间体共价连接氨基化纳米二氧化硅(SiO2)和亲水物质2-[(2-氨基乙基)氨基]乙磺酸钠(AAS)制得席夫碱复合材料(SiO2-NH2-GA-AAS)，将其分散在壳聚糖(CS)溶液中制得SiO2-NH2-GA-AAS / CS复合涂层。以高分子材料聚对苯二甲酸乙二酯醇(PET)作为基材，采用浸渍的方法将复合涂层涂覆在其表面进行改性。采用FTIR、场发射扫描电子显微镜配备能谱仪(FESEM-EDS)和接触角测量仪对涂覆复合涂层后的PET基材的微观形貌、元素分布及表面润湿性进行表征分析，并对吸附过程进行伪一级、伪二级动力学模型拟合。结果表明：当SiO2-NH2/AAS质量比为1∶2，SiO2-NH2-GA-AAS用量为10wt%时，改性后的PET基材吸湿性能最佳。FESEM-EDS显示改性后的PET基材表面较均匀地附着复合涂层且含有Schiff复合材料的特征元素，同时接触角从原始的135°变为0°，达到了超亲水效果。在25℃、97%相对湿度(RH)环境下，最优复合涂层改性后的PET基材在经过45 h吸湿后达到平衡，吸湿率高达36.94%，吸湿性能得到了极大的提高，整个吸附过程符合伪二级动力学模型。
为得到轻便的高吸湿材料，制备席夫碱(Schiff)复合涂层对基体材料亲水改性以提高吸湿性能。利用戊二醛(GA)作为中间体共价连接氨基化纳米二氧化硅(SiO2)和亲水物质2-[(2-氨基乙基)氨基]乙磺酸钠(AAS)制得席夫碱复合材料(SiO2-NH2-GA-AAS)，将其分散在壳聚糖(CS)溶液中制得SiO2-NH2-GA-AAS / CS复合涂层。以高分子材料聚对苯二甲酸乙二酯醇(PET)作为基材，采用浸渍的方法将复合涂层涂覆在其表面进行改性。采用FTIR、场发射扫描电子显微镜配备能谱仪(FESEM-EDS)和接触角测量仪对涂覆复合涂层后的PET基材的微观形貌、元素分布及表面润湿性进行表征分析，并对吸附过程进行伪一级、伪二级动力学模型拟合。结果表明：当SiO2-NH2/AAS质量比为1∶2，SiO2-NH2-GA-AAS用量为10wt%时，改性后的PET基材吸湿性能最佳。FESEM-EDS显示改性后的PET基材表面较均匀地附着复合涂层且含有Schiff复合材料的特征元素，同时接触角从原始的135°变为0°，达到了超亲水效果。在25℃、97%相对湿度(RH)环境下，最优复合涂层改性后的PET基材在经过45 h吸湿后达到平衡，吸湿率高达36.94%，吸湿性能得到了极大的提高，整个吸附过程符合伪二级动力学模型。
2023, 40(6): 3375-3384.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220809.007
摘要:
高性能涂料聚醚醚酮(PEEK)广泛应用于航空航天、机械化工等领域，工业发展对PEEK自润滑性能提出更高要求。以新型二维材料黑磷(BP)为填料，通过浆料刷涂工艺制备了黑磷改性聚醚醚酮自润滑复合涂层，并探究了不同添加比例BP/PEEK复合涂层的显微组织、硬度和摩擦磨损性能。结果表明，黑磷的引入导致涂层粗糙度增加，致密性降低。显微硬度先提高后降低，在1wt% BP时达到的最大值27.2 HV。黑磷发挥了良好的减摩作用，使涂层摩擦系数由0.21降至0.06。磨损率强烈依赖于硬度，在1wt% BP时达到最小值5.35×10−6 mm3·N−1·m−1，相比纯PEEK下降17.1%。纯PEEK磨损机制以磨粒磨损为主，随黑磷含量增加逐渐转变为疲劳磨损。减摩效应归因于磷氧化物和BP对摩擦转移膜的协同促进作用。
高性能涂料聚醚醚酮(PEEK)广泛应用于航空航天、机械化工等领域，工业发展对PEEK自润滑性能提出更高要求。以新型二维材料黑磷(BP)为填料，通过浆料刷涂工艺制备了黑磷改性聚醚醚酮自润滑复合涂层，并探究了不同添加比例BP/PEEK复合涂层的显微组织、硬度和摩擦磨损性能。结果表明，黑磷的引入导致涂层粗糙度增加，致密性降低。显微硬度先提高后降低，在1wt% BP时达到的最大值27.2 HV。黑磷发挥了良好的减摩作用，使涂层摩擦系数由0.21降至0.06。磨损率强烈依赖于硬度，在1wt% BP时达到最小值5.35×10−6 mm3·N−1·m−1，相比纯PEEK下降17.1%。纯PEEK磨损机制以磨粒磨损为主，随黑磷含量增加逐渐转变为疲劳磨损。减摩效应归因于磷氧化物和BP对摩擦转移膜的协同促进作用。
2023, 40(6): 3385-3395.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220809.006
摘要:
纳米双金属氧化物作为除氟剂具有广泛的应用前景。以六水合硝酸铈和六水合硝酸镧为原料，聚丙烯腈(PAN)为模板，通过静电纺丝技术与煅烧相结合制备La2O3-CeO2纳米纤维，利用TEM、SEM-EDS、BET、FTIR和XRD对La2O3-CeO2纳米纤维的形貌和结构进行表征。探究了La2O3-CeO2纳米纤维对氟离子吸附性能，研究了pH、吸附质(F−)初始浓度、吸附时间、La2O3-CeO2纳米纤维投加量和共存阴离子等对除氟效率的影响。研究结果表明，La2O3-CeO2纳米纤维的比表面积为31.04 m2·g−1。pH为3时，La2O3-CeO2纳米纤维的除氟性能最佳。La2O3-CeO2的吸附效率随着F−初始浓度的增大而上升。准二级动力学和Langmuir等温线模型(R2>0.99)能够很好描述La2O3-CeO2纳米纤维的除氟过程，最大吸附量可达111.98 mg·g−1。热力学研究结果表明，La2O3-CeO2纳米纤维的除氟过程是自发的(ΔG0<0)、熵增(ΔS0=56.63 J·mol−1·K−1)和吸热(ΔH0=9.90 kJ·mol−1)的反应。
纳米双金属氧化物作为除氟剂具有广泛的应用前景。以六水合硝酸铈和六水合硝酸镧为原料，聚丙烯腈(PAN)为模板，通过静电纺丝技术与煅烧相结合制备La2O3-CeO2纳米纤维，利用TEM、SEM-EDS、BET、FTIR和XRD对La2O3-CeO2纳米纤维的形貌和结构进行表征。探究了La2O3-CeO2纳米纤维对氟离子吸附性能，研究了pH、吸附质(F−)初始浓度、吸附时间、La2O3-CeO2纳米纤维投加量和共存阴离子等对除氟效率的影响。研究结果表明，La2O3-CeO2纳米纤维的比表面积为31.04 m2·g−1。pH为3时，La2O3-CeO2纳米纤维的除氟性能最佳。La2O3-CeO2的吸附效率随着F−初始浓度的增大而上升。准二级动力学和Langmuir等温线模型(R2>0.99)能够很好描述La2O3-CeO2纳米纤维的除氟过程，最大吸附量可达111.98 mg·g−1。热力学研究结果表明，La2O3-CeO2纳米纤维的除氟过程是自发的(ΔG0<0)、熵增(ΔS0=56.63 J·mol−1·K−1)和吸热(ΔH0=9.90 kJ·mol−1)的反应。
2023, 40(6): 3396-3404.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220811.003
摘要:
异形结构复合材料构件成型过程中，其内部纤维预制体往往发生显著的宏观变形。预制体的弯曲性能对褶皱缺陷的形成和演化有着决定性影响。采用三点弯曲法对碳纤维3D机织预制体进行了测试，利用Micro-CT技术研究了预制体的微细观变形机制，分析了经纱密度和纬纱密度对预制体弯曲性能的影响规律。结果发现：3D机织预制体的临界弯曲能量随着组织点密度的增加大致呈线性增大的趋势。预制体弯曲变形主要由经纱屈曲度变化、局部压缩屈曲和经纬纱层间滑移等微细观变形构成。
异形结构复合材料构件成型过程中，其内部纤维预制体往往发生显著的宏观变形。预制体的弯曲性能对褶皱缺陷的形成和演化有着决定性影响。采用三点弯曲法对碳纤维3D机织预制体进行了测试，利用Micro-CT技术研究了预制体的微细观变形机制，分析了经纱密度和纬纱密度对预制体弯曲性能的影响规律。结果发现：3D机织预制体的临界弯曲能量随着组织点密度的增加大致呈线性增大的趋势。预制体弯曲变形主要由经纱屈曲度变化、局部压缩屈曲和经纬纱层间滑移等微细观变形构成。
2023, 40(6): 3405-3416.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220822.003
摘要:
针对物理损伤修复时间较长、修复率较低及极端条件下不锈钢易被腐蚀等实际问题，本文以具有光热效应的自修复涂层氧化石墨烯-形状记忆环氧树脂(GO-SMEP)为底层，以多级粗糙微纳米结构的超疏水涂层全氟癸基三甲氧基硅烷-聚二甲基硅氧烷@二氧化硅(PFDT-PDMS@SiO2)为表层，基于双层设计获得了一种快速修复物理损伤的光热自修复超疏水涂层GO-SMEP/PFDT-PDMS@SiO2 (GO-SMEP/PPS)，并对该涂层的制备优化及其润湿性、光热效应、耐蚀性、自修复等性能进行研究。结果表明，当PDMS∶μ-SiO2∶n-SiO2质量比=1.5∶1∶1，PFDT含量为30wt%时，GO-SMEP/PPS涂层在304不锈钢基底上的超疏水性最佳，并表现出明显的镜面现象及对液滴高度排斥。GO-SMEP/PPS涂层的光热效应随着光热转化剂GO含量的增加而增强，GO含量为0.5wt%的GO-SMEP/PPS涂层经3周期的近红外光循环辐射，其光热效应保持稳定。将GO-SMEP/PPS受损涂层置于808 nm近红外光下，经3 min短时间的辐射，其物理划痕由40 μm修复至1 μm左右，基于修复前后涂层的低频阻抗模量(|Z|0.01 Hz)进一步计算其修复率高达97.5%。交流阻抗谱(EIS)分析表明，GO-SMEP/PPS(0.5wt% GO)涂层的耐蚀性由GO-SMEP底层和PPS表层共同决定，其容抗弧半径大，低频阻抗模量|Z|0.01 Hz高达3.2×105 Ω·cm2，对腐蚀性介质的阻隔性强，表现出良好的耐蚀性。在304不锈钢基底上涂覆该涂层后，所测点蚀电位(Eb=0.263 V)和维钝电流密度(Ip=4.80×10−8 A/cm2)表明对不锈钢防腐效果良好。
针对物理损伤修复时间较长、修复率较低及极端条件下不锈钢易被腐蚀等实际问题，本文以具有光热效应的自修复涂层氧化石墨烯-形状记忆环氧树脂(GO-SMEP)为底层，以多级粗糙微纳米结构的超疏水涂层全氟癸基三甲氧基硅烷-聚二甲基硅氧烷@二氧化硅(PFDT-PDMS@SiO2)为表层，基于双层设计获得了一种快速修复物理损伤的光热自修复超疏水涂层GO-SMEP/PFDT-PDMS@SiO2 (GO-SMEP/PPS)，并对该涂层的制备优化及其润湿性、光热效应、耐蚀性、自修复等性能进行研究。结果表明，当PDMS∶μ-SiO2∶n-SiO2质量比=1.5∶1∶1，PFDT含量为30wt%时，GO-SMEP/PPS涂层在304不锈钢基底上的超疏水性最佳，并表现出明显的镜面现象及对液滴高度排斥。GO-SMEP/PPS涂层的光热效应随着光热转化剂GO含量的增加而增强，GO含量为0.5wt%的GO-SMEP/PPS涂层经3周期的近红外光循环辐射，其光热效应保持稳定。将GO-SMEP/PPS受损涂层置于808 nm近红外光下，经3 min短时间的辐射，其物理划痕由40 μm修复至1 μm左右，基于修复前后涂层的低频阻抗模量(|Z|0.01 Hz)进一步计算其修复率高达97.5%。交流阻抗谱(EIS)分析表明，GO-SMEP/PPS(0.5wt% GO)涂层的耐蚀性由GO-SMEP底层和PPS表层共同决定，其容抗弧半径大，低频阻抗模量|Z|0.01 Hz高达3.2×105 Ω·cm2，对腐蚀性介质的阻隔性强，表现出良好的耐蚀性。在304不锈钢基底上涂覆该涂层后，所测点蚀电位(Eb=0.263 V)和维钝电流密度(Ip=4.80×10−8 A/cm2)表明对不锈钢防腐效果良好。
2023, 40(6): 3417-3427.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20221028.002
摘要:
热致相变二氧化钒(VO2)具有良好的近红外光调制能力，被广泛应用于智能窗领域，但在实际应用中VO2基智能窗仍面临诸多挑战，其中VO2薄膜不太美观的棕黄色及相变前后无可视的颜色变化是限制其应用的重要因素。为解决上述问题，本文将具有可逆颜色变化(由蓝到红)的聚二乙炔(PDA-1)与VO2复合，成功制备了具有双层结构的多功能复合薄膜，该复合薄膜中PDA-1可改善薄膜颜色，并起到指示变色效果，VO2可调节近红外光透过率，起到调温作用；所得复合薄膜不仅表现出较易接受的灰蓝色，还表现出良好的调光性能(太阳光调制能力ΔTsol=7.64%，低温下可见光透射率Tl, lum=56.23%，高温下可见光透射率Th, lum=62.37%)。此外，PDA-1的变色温度与单斜相VO2的相变温度(~68℃)接近，随着温度升高，复合薄膜在调节近红外光透过率的同时，其外观颜色可由灰蓝色变为红色，有利于智能窗自动调温功能的直观展示及进一步推广和应用。
热致相变二氧化钒(VO2)具有良好的近红外光调制能力，被广泛应用于智能窗领域，但在实际应用中VO2基智能窗仍面临诸多挑战，其中VO2薄膜不太美观的棕黄色及相变前后无可视的颜色变化是限制其应用的重要因素。为解决上述问题，本文将具有可逆颜色变化(由蓝到红)的聚二乙炔(PDA-1)与VO2复合，成功制备了具有双层结构的多功能复合薄膜，该复合薄膜中PDA-1可改善薄膜颜色，并起到指示变色效果，VO2可调节近红外光透过率，起到调温作用；所得复合薄膜不仅表现出较易接受的灰蓝色，还表现出良好的调光性能(太阳光调制能力ΔTsol=7.64%，低温下可见光透射率Tl, lum=56.23%，高温下可见光透射率Th, lum=62.37%)。此外，PDA-1的变色温度与单斜相VO2的相变温度(~68℃)接近，随着温度升高，复合薄膜在调节近红外光透过率的同时，其外观颜色可由灰蓝色变为红色，有利于智能窗自动调温功能的直观展示及进一步推广和应用。
2023, 40(6): 3428-3440.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220906.003
摘要:
实现对有毒、有害气体的有效监测和对有机污染物的快速降解，对于减少大气污染和水污染所带来的危害至关重要。本研究采用超声复合方法将溶胶凝胶法制备的ZnO和水热法制备的MoS2复合到一起，成功制备了ZnO-MoS2纳米复合材料。采用XRD、SEM、TEM、XPS等手段对材料结构、形貌和表面化学组分进行表征。结果表明，多层片状MoS2均匀负载到了ZnO纳米颗粒当中，复合材料具有较好的结晶性和丰富的表面缺陷。利用紫外-可见(UV-vis)漫反射光谱、光致发光光谱(PL)和表面光电压(SPV)对材料的光电性能进行了测试。结果表明，ZnO与MoS2的复合在提升光利用率的同时，能够促进光生载流子的更有效分离。以NO2作为目标气体的室温紫外光辅助气敏测试表明，本方法制备的ZnO-MoS2气体传感器具有良好的灵敏度、恢复性、稳定性和选择性，可在室温下实现对低浓度NO2的有效响应，MoS2复合量为5wt%的ZnO-MoS2传感器对0.47 mg/m3 NO2的响应值为19.6%。同时，气敏性能研究还发现空气中O2分子在材料表面的吸附会对传感器的气敏性能产生较大的影响，ZnO-MoS2传感器在无氧条件下对NO2具有更高的气敏响应。此外，在模拟太阳光下进行的光催化降解亚甲基蓝(MB)的实验表明，依靠吸附和光催化降解的共同作用，ZnO-MoS2复合材料能够在40 min内实现水溶液当中较高浓度MB (15 mg/L)的快速清除，MoS2复合量为10wt%的ZnO-MoS2样品的反应速率常数达到了0.032 min−1。对机制的分析表明，MoS2较好的吸附性和复合所导致的光生载流子分离率的提升是ZnO-MoS2复合材料气敏和光催化性能提升的关键。
实现对有毒、有害气体的有效监测和对有机污染物的快速降解，对于减少大气污染和水污染所带来的危害至关重要。本研究采用超声复合方法将溶胶凝胶法制备的ZnO和水热法制备的MoS2复合到一起，成功制备了ZnO-MoS2纳米复合材料。采用XRD、SEM、TEM、XPS等手段对材料结构、形貌和表面化学组分进行表征。结果表明，多层片状MoS2均匀负载到了ZnO纳米颗粒当中，复合材料具有较好的结晶性和丰富的表面缺陷。利用紫外-可见(UV-vis)漫反射光谱、光致发光光谱(PL)和表面光电压(SPV)对材料的光电性能进行了测试。结果表明，ZnO与MoS2的复合在提升光利用率的同时，能够促进光生载流子的更有效分离。以NO2作为目标气体的室温紫外光辅助气敏测试表明，本方法制备的ZnO-MoS2气体传感器具有良好的灵敏度、恢复性、稳定性和选择性，可在室温下实现对低浓度NO2的有效响应，MoS2复合量为5wt%的ZnO-MoS2传感器对0.47 mg/m3 NO2的响应值为19.6%。同时，气敏性能研究还发现空气中O2分子在材料表面的吸附会对传感器的气敏性能产生较大的影响，ZnO-MoS2传感器在无氧条件下对NO2具有更高的气敏响应。此外，在模拟太阳光下进行的光催化降解亚甲基蓝(MB)的实验表明，依靠吸附和光催化降解的共同作用，ZnO-MoS2复合材料能够在40 min内实现水溶液当中较高浓度MB (15 mg/L)的快速清除，MoS2复合量为10wt%的ZnO-MoS2样品的反应速率常数达到了0.032 min−1。对机制的分析表明，MoS2较好的吸附性和复合所导致的光生载流子分离率的提升是ZnO-MoS2复合材料气敏和光催化性能提升的关键。
2023, 40(6): 3441-3448.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220825.001
摘要:
聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)同时含有亲水性的酰胺基和疏水性的异丙基，是目前应用最广泛的一种具有温度敏感特性的聚合物，其相关产品在组织工程、医疗卫生和智能织物等领域拥有广阔的应用前景。本文应用自由基聚合法成功合成PNIPAM，并创新性地采用静电纺丝技术将其制备成一种具有温度敏感特性的纳米纤维膜，随后尝试将聚乙二醇甲醚(mPEG)与PNIPAM按不同比例进行共聚来探究PNIPAM-co-mPEG的各项性能表现。研究结果表明：制备得到的温敏纤维膜能随着温度的变化呈现出显著的亲、疏水性转变。与纯PNIPAM温敏纤维膜相比，经共聚处理后的温敏纤维膜的力学性能得到显著提升，能在大量吸水溶胀的状态下保持纤维固有形态；共聚后纤维膜的残重率提高321%，初始分解温度提高240%；其在室温下的水接触角减小超过16°，亲水性得到一定程度的提升；其低临界相变温度也从31.7℃提高至43.6℃，温度响应范围扩大。
聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)同时含有亲水性的酰胺基和疏水性的异丙基，是目前应用最广泛的一种具有温度敏感特性的聚合物，其相关产品在组织工程、医疗卫生和智能织物等领域拥有广阔的应用前景。本文应用自由基聚合法成功合成PNIPAM，并创新性地采用静电纺丝技术将其制备成一种具有温度敏感特性的纳米纤维膜，随后尝试将聚乙二醇甲醚(mPEG)与PNIPAM按不同比例进行共聚来探究PNIPAM-co-mPEG的各项性能表现。研究结果表明：制备得到的温敏纤维膜能随着温度的变化呈现出显著的亲、疏水性转变。与纯PNIPAM温敏纤维膜相比，经共聚处理后的温敏纤维膜的力学性能得到显著提升，能在大量吸水溶胀的状态下保持纤维固有形态；共聚后纤维膜的残重率提高321%，初始分解温度提高240%；其在室温下的水接触角减小超过16°，亲水性得到一定程度的提升；其低临界相变温度也从31.7℃提高至43.6℃，温度响应范围扩大。
2023, 40(6): 3449-3458.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220728.001
摘要:
为优化高温合金精密铸造陶瓷型壳性能，采用“溶剂法”在刚玉砂中均匀掺入0.75wt%混杂纤维，制备不同质量比的短切尼龙纤维(Nsf)和氧化铝纤维(Asf)改性硅溶胶型壳。基于SEM观察型壳断口组织形貌，分析纤维分布及裂纹生长特征，揭示纤维和基体烧结演变及强化机制。结果表明，撒砂层引入纤维进一步提升了纤维在型壳内体积占比，型壳性能显著改善。柔性Nsf缠绕于刚玉砂粒表面，通过纤维拔出摩擦耗散载荷能量，同时Nsf烧失后形成原位孔隙增加透气性，故Nsf∶Asf为4∶1时型壳最佳湿强度、透气性、开气孔率分别为5.08 MPa、4.4、20.82%。此外，煅烧型壳基体易因脱水干燥萌生微裂纹，但裂纹扩展至Asf表面时发生分叉、偏转、增殖，证实立体互锁Asf网络结构减少连续裂纹产生，并抑制陶瓷颗粒剥离的沿晶断裂倾向。因此，Asf有效补偿Nsf烧失引起的强度损失，Nsf∶Asf为2∶3的样品烧结强度高达10.51 MPa，高温自重变形率仅0.82%。
为优化高温合金精密铸造陶瓷型壳性能，采用“溶剂法”在刚玉砂中均匀掺入0.75wt%混杂纤维，制备不同质量比的短切尼龙纤维(Nsf)和氧化铝纤维(Asf)改性硅溶胶型壳。基于SEM观察型壳断口组织形貌，分析纤维分布及裂纹生长特征，揭示纤维和基体烧结演变及强化机制。结果表明，撒砂层引入纤维进一步提升了纤维在型壳内体积占比，型壳性能显著改善。柔性Nsf缠绕于刚玉砂粒表面，通过纤维拔出摩擦耗散载荷能量，同时Nsf烧失后形成原位孔隙增加透气性，故Nsf∶Asf为4∶1时型壳最佳湿强度、透气性、开气孔率分别为5.08 MPa、4.4、20.82%。此外，煅烧型壳基体易因脱水干燥萌生微裂纹，但裂纹扩展至Asf表面时发生分叉、偏转、增殖，证实立体互锁Asf网络结构减少连续裂纹产生，并抑制陶瓷颗粒剥离的沿晶断裂倾向。因此，Asf有效补偿Nsf烧失引起的强度损失，Nsf∶Asf为2∶3的样品烧结强度高达10.51 MPa，高温自重变形率仅0.82%。
2023, 40(6): 3459-3472.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220929.001
摘要:
为研究玻璃纤维珊瑚海水混凝土的三轴受压力学性能，以围压值和纤维掺量为变化参数，对36个圆柱体试件进行常规三轴试验。试验观察了试件的破坏形态，获取了其应力-应变全过程曲线；基于试验数据深入分析了变化参数对其各项力学性能的影响规律。结果表明：随着围压值的增大，破坏形态由竖向劈裂转为斜向剪切和挤压流动破坏，应力-应变曲线峰值增大、峰点后曲线平缓，其初始弹性模量、峰值应变、峰值应力、能量耗散均增大，而延性系数先增后降，当围压值为6 MPa时，延性系数分别为其单轴受压状态下的3.64倍、3.32倍、2.86倍；随着纤维掺量的增大，其初始弹性模量、延性系数、峰值应力、能量耗散均先增后降，而峰值应变先降后增，当玻璃纤维掺量为4 kg·m−3时，其平均弹性模量达到5.83 GPa，相比其他两种掺量，其平均延性系数分别增长了3.0%、16.7%，平均峰值应力增长了9.6%；侧向围压与外掺玻璃纤维均可降低损伤发展的速率和程度。
为研究玻璃纤维珊瑚海水混凝土的三轴受压力学性能，以围压值和纤维掺量为变化参数，对36个圆柱体试件进行常规三轴试验。试验观察了试件的破坏形态，获取了其应力-应变全过程曲线；基于试验数据深入分析了变化参数对其各项力学性能的影响规律。结果表明：随着围压值的增大，破坏形态由竖向劈裂转为斜向剪切和挤压流动破坏，应力-应变曲线峰值增大、峰点后曲线平缓，其初始弹性模量、峰值应变、峰值应力、能量耗散均增大，而延性系数先增后降，当围压值为6 MPa时，延性系数分别为其单轴受压状态下的3.64倍、3.32倍、2.86倍；随着纤维掺量的增大，其初始弹性模量、延性系数、峰值应力、能量耗散均先增后降，而峰值应变先降后增，当玻璃纤维掺量为4 kg·m−3时，其平均弹性模量达到5.83 GPa，相比其他两种掺量，其平均延性系数分别增长了3.0%、16.7%，平均峰值应力增长了9.6%；侧向围压与外掺玻璃纤维均可降低损伤发展的速率和程度。
2023, 40(6): 3473-3485.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220819.002
摘要:
为分析玄武岩纤维增强树脂复合材料(BFRP)网格布对超高性能混凝土(UHPC)粘结性能的影响，以干/湿粘结类型、BFRP网格布锚固深度和网格布厚度3个参数，分别开展BFRP-UHPC界面正拉粘结试验(48块)和切向剪切试验(21块)，研究了BFRP网格布对其与UHPC界面破坏模态、粘结性能、剪应力-滑移曲线、拉伸比和韧性的影响，同时利用SEM，揭示BFRP-UHPC界面破坏机制。结果表明：锚固深度直接决定BFRP-UHPC界面破坏模式；法向粘结应力和切向粘结应力在界面变化规律上具有正向相关性；BFRP-UHPC界面湿粘结强度高于干粘结工艺水平；随着BFRP厚度和锚固深度逐渐增加，BFRP与UHPC界面粘结应力均呈现逐渐减小的规律；钢纤维对BFRP-UHPC界面增韧效果显著，其端勾构造使UHPC损伤后仍具有残余刚度和强度；当BFRP锚固深度为5 mm时，此时界面粘结应力达到最大，正拉粘结试验中粘结应力最大提升幅度达到74%，拉伸强度比高达1.74。
为分析玄武岩纤维增强树脂复合材料(BFRP)网格布对超高性能混凝土(UHPC)粘结性能的影响，以干/湿粘结类型、BFRP网格布锚固深度和网格布厚度3个参数，分别开展BFRP-UHPC界面正拉粘结试验(48块)和切向剪切试验(21块)，研究了BFRP网格布对其与UHPC界面破坏模态、粘结性能、剪应力-滑移曲线、拉伸比和韧性的影响，同时利用SEM，揭示BFRP-UHPC界面破坏机制。结果表明：锚固深度直接决定BFRP-UHPC界面破坏模式；法向粘结应力和切向粘结应力在界面变化规律上具有正向相关性；BFRP-UHPC界面湿粘结强度高于干粘结工艺水平；随着BFRP厚度和锚固深度逐渐增加，BFRP与UHPC界面粘结应力均呈现逐渐减小的规律；钢纤维对BFRP-UHPC界面增韧效果显著，其端勾构造使UHPC损伤后仍具有残余刚度和强度；当BFRP锚固深度为5 mm时，此时界面粘结应力达到最大，正拉粘结试验中粘结应力最大提升幅度达到74%，拉伸强度比高达1.74。
2023, 40(6): 3486-3498.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220907.004
摘要:
极地地区及海洋环境下的资源开采导致混凝土结构受到低温、碳化和氯离子渗透的共同作用，加剧了混凝土材料及其结构的劣化。超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)作为一种新型复合材料，其耐久性是评价其工作性能的重要指标。通过对UHTCC材料在超低温作用和氯离子侵蚀后的快速碳化试验，研究了复杂环境作用下不同纤维体积掺量的UHTCC的抗碳化性能变化规律。结果表明：随着温度的降低，UHTCC材料的抗碳化性能明显降低，温度达到−160℃时其碳化深度最大增加约58.76%，适量的纤维掺入对UHTCC材料的抗碳化性能具有明显的提升作用，而超过最优掺量后其抗碳化性能反而有所降低，同时SEM表明氯离子能够细化混凝土内部孔隙，阻碍CO2在材料内部的进一步扩散。提出了极端复杂环境下UHTCC的碳化深度回归模型，研究结论为UHTCC在复杂环境中的工程应用提供参考。
极地地区及海洋环境下的资源开采导致混凝土结构受到低温、碳化和氯离子渗透的共同作用，加剧了混凝土材料及其结构的劣化。超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)作为一种新型复合材料，其耐久性是评价其工作性能的重要指标。通过对UHTCC材料在超低温作用和氯离子侵蚀后的快速碳化试验，研究了复杂环境作用下不同纤维体积掺量的UHTCC的抗碳化性能变化规律。结果表明：随着温度的降低，UHTCC材料的抗碳化性能明显降低，温度达到−160℃时其碳化深度最大增加约58.76%，适量的纤维掺入对UHTCC材料的抗碳化性能具有明显的提升作用，而超过最优掺量后其抗碳化性能反而有所降低，同时SEM表明氯离子能够细化混凝土内部孔隙，阻碍CO2在材料内部的进一步扩散。提出了极端复杂环境下UHTCC的碳化深度回归模型，研究结论为UHTCC在复杂环境中的工程应用提供参考。
2023, 40(6): 3499-3512.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220819.004
摘要:
为研究玄武岩纤维增强树脂复合材料(BFRP)筋与钢-聚乙烯醇混杂纤维增强水泥基复合材料(钢-PVA混杂ECC)的粘结性能，进行系列试验研究与分析。研究表明：在试验钢纤维掺量范围内，钢纤维掺量对试件的力学性能和界面粘结性能均为正面影响，钢-PVA混杂ECC试件的立方体抗压强度随钢纤维掺量增加而增大，增加钢纤维掺量可显著提高BFRP筋与钢-PVA混杂ECC的粘结强度；在试验BFRP筋直径及锚固长度范围内，BFRP筋直径及锚固长度对试件的界面粘结性能均为负面影响，增大BFRP筋直径及锚固长度，BFRP筋与钢-PVA混杂ECC试件的粘结强度均有不同程度的降低。中心拉拔试件粘结强度基本都在5~12 MPa之间。其中，采用0.9vol%钢纤维掺量，BFRP筋直径为8 mm及锚固长度为5d (d为 BFRP 筋的直径)的试件粘结强度最大，为16.82 MPa；而未掺加钢纤维，BFRP筋直径为12 mm及锚固长度为5d的试件粘结强度最小，为5.46 MPa。中心拉拔试件破坏模式分为BFRP筋拔出破坏和BFRP筋拔出-钢-PVA混杂ECC劈裂破坏(拔出-劈裂破坏)，所有试件基本都为BFRP筋拔出破坏，仅有少量试件为拔出-劈裂破坏，且只有拔出-劈裂破坏的试件表面与BFRP筋接触部分出现破碎现象。采用四段式(微滑移段、滑移段、下降段和残余段)表达式建立的粘结-滑移模型可以较准确反映BFRP筋与钢-PVA混杂ECC的粘结滑移全过程。基于试验实测粘结强度和抗压强度值，建立了可计算BFRP筋基本锚固长度的表达式。
为研究玄武岩纤维增强树脂复合材料(BFRP)筋与钢-聚乙烯醇混杂纤维增强水泥基复合材料(钢-PVA混杂ECC)的粘结性能，进行系列试验研究与分析。研究表明：在试验钢纤维掺量范围内，钢纤维掺量对试件的力学性能和界面粘结性能均为正面影响，钢-PVA混杂ECC试件的立方体抗压强度随钢纤维掺量增加而增大，增加钢纤维掺量可显著提高BFRP筋与钢-PVA混杂ECC的粘结强度；在试验BFRP筋直径及锚固长度范围内，BFRP筋直径及锚固长度对试件的界面粘结性能均为负面影响，增大BFRP筋直径及锚固长度，BFRP筋与钢-PVA混杂ECC试件的粘结强度均有不同程度的降低。中心拉拔试件粘结强度基本都在5~12 MPa之间。其中，采用0.9vol%钢纤维掺量，BFRP筋直径为8 mm及锚固长度为5d (d为 BFRP 筋的直径)的试件粘结强度最大，为16.82 MPa；而未掺加钢纤维，BFRP筋直径为12 mm及锚固长度为5d的试件粘结强度最小，为5.46 MPa。中心拉拔试件破坏模式分为BFRP筋拔出破坏和BFRP筋拔出-钢-PVA混杂ECC劈裂破坏(拔出-劈裂破坏)，所有试件基本都为BFRP筋拔出破坏，仅有少量试件为拔出-劈裂破坏，且只有拔出-劈裂破坏的试件表面与BFRP筋接触部分出现破碎现象。采用四段式(微滑移段、滑移段、下降段和残余段)表达式建立的粘结-滑移模型可以较准确反映BFRP筋与钢-PVA混杂ECC的粘结滑移全过程。基于试验实测粘结强度和抗压强度值，建立了可计算BFRP筋基本锚固长度的表达式。
2023, 40(6): 3513-3528.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220906.001
摘要:
为研究玄武岩纤维增强聚合物复合材料(Basalt fiber reinforced polymer，BFRP)筋与低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的粘结性能，对共90个粘结试件进行中心拉拔试验，研究了筋材表面形貌、混凝土强度等级等因素对粘结性能的影响。试验结果表明：对筋材表面进行喷砂、缠绕纤维和螺纹处理能显著提高粘结性能，深螺纹环氧树脂BFRP筋与65 MPa低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的粘结强度高达39.09 MPa，远大于光滑BFRP筋的13.32 MPa。强度等级对BFRP筋-低碱度硫铝酸盐水泥混凝土粘结试件的粘结强度的影响更明显，此外BFRP筋与低碱度硫铝酸盐水泥混凝土粘结性能高于普通硅酸盐混凝土。最后，通过Cosenza-Manfredi-Realfonzo(CMR)模型和修正后的Bertero-Popov-Eligehausen(mBPE)模型)对BFRP筋-混凝土粘结试件的粘结滑移(τ-s)曲线进行拟合，发现CMR模型对粘结滑移曲线的上升段拟合效果较好，清晰准确地反映了其粘结-滑移本构关系，为研究BFRP筋增强硫铝酸盐水泥混凝土结构的力学性能提供了关键理论依据。
为研究玄武岩纤维增强聚合物复合材料(Basalt fiber reinforced polymer，BFRP)筋与低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的粘结性能，对共90个粘结试件进行中心拉拔试验，研究了筋材表面形貌、混凝土强度等级等因素对粘结性能的影响。试验结果表明：对筋材表面进行喷砂、缠绕纤维和螺纹处理能显著提高粘结性能，深螺纹环氧树脂BFRP筋与65 MPa低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的粘结强度高达39.09 MPa，远大于光滑BFRP筋的13.32 MPa。强度等级对BFRP筋-低碱度硫铝酸盐水泥混凝土粘结试件的粘结强度的影响更明显，此外BFRP筋与低碱度硫铝酸盐水泥混凝土粘结性能高于普通硅酸盐混凝土。最后，通过Cosenza-Manfredi-Realfonzo(CMR)模型和修正后的Bertero-Popov-Eligehausen(mBPE)模型)对BFRP筋-混凝土粘结试件的粘结滑移(τ-s)曲线进行拟合，发现CMR模型对粘结滑移曲线的上升段拟合效果较好，清晰准确地反映了其粘结-滑移本构关系，为研究BFRP筋增强硫铝酸盐水泥混凝土结构的力学性能提供了关键理论依据。
2023, 40(6): 3529-3538.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220802.002
摘要:
脂质氧化将导致食品变质，因此开展抗氧包装膜的研究十分重要。本文以丙烯酸(AA)为金属螯合配体，以聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)为基材，通过紫外光接枝的方法将AA接枝聚合到PHBV薄膜表面，制得具备金属螯合能力的PHBV-g-PAA非释放型抗氧化膜，研究接枝时间对PHBV-g-PAA复合膜形貌结构、Cu2+螯合量和力学性能的影响。结果表明：通过傅里叶变换红外光谱仪与水接触角测试仪对复合膜进行结构表征，证明了聚丙烯酸(PAA)成功接枝到PHBV薄膜表面；通过SEM观察复合膜形貌结构发现，随着接枝时间的延长，接枝产物密度逐渐增大，接枝时间为20 min时，薄膜表面PAA接枝层的致密均匀性最佳；通过DSC和XRD测试复合膜结晶性能表明，结晶度从未接枝的63.97%下降至56.23%，有利于提高薄膜的韧性，接枝20 min时薄膜的韧性最好；采用甲苯胺蓝(TBO)染色法和火焰原子吸收光谱法测定复合膜表面羧基密度和Cu2+螯合量，当羧基密度为392.65 nmol/cm2时，对应的Cu2+螯合量为115.09 nmol/cm2，两者之比接近4，表明可以生成稳定的五元环螯合结构，从而起到抗氧化的作用；通过力学性能测试发现，接枝后薄膜拉伸强度和断裂伸长率均呈现先上升后下降的趋势，接枝20 min时拉伸强度和断裂伸长率分别提升27.51%和99.02%。所制备非释放型抗氧化膜的Cu2+螯合能力及力学性能均优于PHBV薄膜，在食品包装领域具有广阔的应用前景。
脂质氧化将导致食品变质，因此开展抗氧包装膜的研究十分重要。本文以丙烯酸(AA)为金属螯合配体，以聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)为基材，通过紫外光接枝的方法将AA接枝聚合到PHBV薄膜表面，制得具备金属螯合能力的PHBV-g-PAA非释放型抗氧化膜，研究接枝时间对PHBV-g-PAA复合膜形貌结构、Cu2+螯合量和力学性能的影响。结果表明：通过傅里叶变换红外光谱仪与水接触角测试仪对复合膜进行结构表征，证明了聚丙烯酸(PAA)成功接枝到PHBV薄膜表面；通过SEM观察复合膜形貌结构发现，随着接枝时间的延长，接枝产物密度逐渐增大，接枝时间为20 min时，薄膜表面PAA接枝层的致密均匀性最佳；通过DSC和XRD测试复合膜结晶性能表明，结晶度从未接枝的63.97%下降至56.23%，有利于提高薄膜的韧性，接枝20 min时薄膜的韧性最好；采用甲苯胺蓝(TBO)染色法和火焰原子吸收光谱法测定复合膜表面羧基密度和Cu2+螯合量，当羧基密度为392.65 nmol/cm2时，对应的Cu2+螯合量为115.09 nmol/cm2，两者之比接近4，表明可以生成稳定的五元环螯合结构，从而起到抗氧化的作用；通过力学性能测试发现，接枝后薄膜拉伸强度和断裂伸长率均呈现先上升后下降的趋势，接枝20 min时拉伸强度和断裂伸长率分别提升27.51%和99.02%。所制备非释放型抗氧化膜的Cu2+螯合能力及力学性能均优于PHBV薄膜，在食品包装领域具有广阔的应用前景。
2023, 40(6): 3539-3552.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220817.001
摘要:
WO3的结晶程度对其电致变色特性有很大影响，本研究首先使用溶剂热法制备晶态WO3垂直纳米线阵列，随后采用磁控溅射技术在其表面包裹一层Ti掺杂氧化钨(WO3-Ti)非晶态薄膜，从而得到晶态WO3@非晶态WO3-Ti核壳复合阵列结构。通过SEM与TEM可以观察到非晶态薄膜的厚度约为3~7 nm，并且非晶层的沉积并不破坏纳米线阵列结构。相比于纯WO3纳米线，核壳纳米线的吸收峰发生了轻微红移，且XPS检测到复合前后W4f与Ti2p特征峰产生了明显的峰位移动，显示出核壳之间存在着界面交互作用。优化后WO3@WO3-Ti核壳纳米线的响应速度和着色效率分别是纯WO3纳米线的2倍与1.8倍，在可见光和近红外区域都显示出良好的光学对比度，并且具有优异的循环稳定性，经过3000圈循环后对比度保持率可达95.8%。
WO3的结晶程度对其电致变色特性有很大影响，本研究首先使用溶剂热法制备晶态WO3垂直纳米线阵列，随后采用磁控溅射技术在其表面包裹一层Ti掺杂氧化钨(WO3-Ti)非晶态薄膜，从而得到晶态WO3@非晶态WO3-Ti核壳复合阵列结构。通过SEM与TEM可以观察到非晶态薄膜的厚度约为3~7 nm，并且非晶层的沉积并不破坏纳米线阵列结构。相比于纯WO3纳米线，核壳纳米线的吸收峰发生了轻微红移，且XPS检测到复合前后W4f与Ti2p特征峰产生了明显的峰位移动，显示出核壳之间存在着界面交互作用。优化后WO3@WO3-Ti核壳纳米线的响应速度和着色效率分别是纯WO3纳米线的2倍与1.8倍，在可见光和近红外区域都显示出良好的光学对比度，并且具有优异的循环稳定性，经过3000圈循环后对比度保持率可达95.8%。
2023, 40(6): 3553-3561.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220901.003
摘要:
为提高聚乳酸(PLA)的降解性，将竹纤维(BF)和海藻酸钠(SA)与PLA共混制备复合材料，并进行土壤降解试验以探究其降解性能，检测降解后复合材料的质量损失率、表面微观结构、官能团变化、热性能和结晶度等指标。结果表明：SA和BF均可提升PLA复合材料降解的质量损失率。降解21天后，BF/PLA和SA-BF/PLA复合材料的质量损失率分别为0.83%和2.54%，相较于纯PLA的0.11%分别提高了7.55和23.09倍。降解后，SA-BF/PLA复合材料的表面出现大量的裂痕与凹陷，这增大了复合材料与土壤中的接触面积，进而加速了复合材料的降解。纯PLA在降解过程中质量损失率很低，但降解后其羰基含量明显上升，表明土壤降解会导致部分PLA长链高分子断裂为小分子。相比于纯PLA，BF/PLA和SA-BF/PLA复合材料的结晶度大幅度降低，表明SA和BF可降低PLA复合材料的结晶度，提高其降解性。由此可见，SA和BF可提升PLA复合材料的降解性能。此研究结果将为高降解性PLA复合材料的制备提供理论参考。
为提高聚乳酸(PLA)的降解性，将竹纤维(BF)和海藻酸钠(SA)与PLA共混制备复合材料，并进行土壤降解试验以探究其降解性能，检测降解后复合材料的质量损失率、表面微观结构、官能团变化、热性能和结晶度等指标。结果表明：SA和BF均可提升PLA复合材料降解的质量损失率。降解21天后，BF/PLA和SA-BF/PLA复合材料的质量损失率分别为0.83%和2.54%，相较于纯PLA的0.11%分别提高了7.55和23.09倍。降解后，SA-BF/PLA复合材料的表面出现大量的裂痕与凹陷，这增大了复合材料与土壤中的接触面积，进而加速了复合材料的降解。纯PLA在降解过程中质量损失率很低，但降解后其羰基含量明显上升，表明土壤降解会导致部分PLA长链高分子断裂为小分子。相比于纯PLA，BF/PLA和SA-BF/PLA复合材料的结晶度大幅度降低，表明SA和BF可降低PLA复合材料的结晶度，提高其降解性。由此可见，SA和BF可提升PLA复合材料的降解性能。此研究结果将为高降解性PLA复合材料的制备提供理论参考。
2023, 40(6): 3562-3570.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220915.004
摘要:
利用有机染料敏化上转换纳米材料可以拓展近红外光吸收，然而染料在纳米粒子表面易于聚集限制了上转换发光的提高。本文以花菁IR820为原料，在强碱作用下合成了含有四苯乙烯基团的2-(4-(1, 2,2-三苯基乙烯基)苯氧基)环己烯-1-基)乙烯基)-3,3-二甲基-3H-苯并[f]吲哚-1-基)丁烷-1-磺酸盐(CyBTSO)；利用自组装方法制备了IR820、CyBTSO敏化的上转换纳米复合材料，并对它们的结构和形貌等进行了表征。测试了染料在溶液、聚集态的光物理性能及染料敏化复合材料的上转换发光，系统研究了染料分子结构与上转换发光性能之间的关系。结果表明：四苯乙烯基团的引入不仅有利于提高CyBTSO的荧光量子产率和寿命，还能增强其稳定性，并抑制其在纳米粒子表面的聚集。与IR820相比，CyBTSO在纳米粒子表面的稳定性提高了1.7倍，负载量提高了3倍。在808 nm激发下，CyBTSO敏化纳米粒子的上转换发光强度比β-NaYF4:Yb20%,Er2%(980 nm)提高了69倍。本文为设计高效、稳定的上转换材料提供了理论借鉴。
利用有机染料敏化上转换纳米材料可以拓展近红外光吸收，然而染料在纳米粒子表面易于聚集限制了上转换发光的提高。本文以花菁IR820为原料，在强碱作用下合成了含有四苯乙烯基团的2-(4-(1, 2,2-三苯基乙烯基)苯氧基)环己烯-1-基)乙烯基)-3,3-二甲基-3H-苯并[f]吲哚-1-基)丁烷-1-磺酸盐(CyBTSO)；利用自组装方法制备了IR820、CyBTSO敏化的上转换纳米复合材料，并对它们的结构和形貌等进行了表征。测试了染料在溶液、聚集态的光物理性能及染料敏化复合材料的上转换发光，系统研究了染料分子结构与上转换发光性能之间的关系。结果表明：四苯乙烯基团的引入不仅有利于提高CyBTSO的荧光量子产率和寿命，还能增强其稳定性，并抑制其在纳米粒子表面的聚集。与IR820相比，CyBTSO在纳米粒子表面的稳定性提高了1.7倍，负载量提高了3倍。在808 nm激发下，CyBTSO敏化纳米粒子的上转换发光强度比β-NaYF4:Yb20%,Er2%(980 nm)提高了69倍。本文为设计高效、稳定的上转换材料提供了理论借鉴。
2023, 40(6): 3571-3582.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220905.003
摘要:
陶瓷/UHMWPE复合装甲板以其轻质高强的优异性能广泛应用于弹道防护领域，其通过陶瓷的破碎与背板的变形破坏耗散弹丸动能，其中陶瓷的破碎吸能是消耗动能的主要模式。因此，分析陶瓷的碎裂过程及损伤演化特性，对优化陶瓷复合装甲的防护性能具有重要意义。本文以碳化硼陶瓷(B4C)作为面板材料，超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE)层压板作为背板材料，通过真空袋膜压工艺制备B4C/UHMWPE复合装甲板。采用54式12.7 mm穿甲弹以弹速(488±10) m/s侵彻复合装甲板，研究复合装甲板的抗侵彻性能；基于X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography，CT)技术和断口形貌观察，分析复合装甲板的弹道侵彻响应机制及B4C陶瓷的破碎行为和特征参数。研究结果表明：B4C陶瓷的破碎区域呈现双圆台状；陶瓷的响应区域包括陶瓷板背面的超前破碎区、弹道侵彻后剩余的陶瓷板、弹丸正下方的碎片-完全粉化区；B4C陶瓷内的自由面锥角与复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能存在明显正相关性；B4C/UHMWPE复合装甲板的响应过程包括冲击波传播过程及诱导陶瓷内自由面生成、B4C陶瓷的破碎过程、UHMWPE层压板的压缩-剪切-拉伸的耦合过程。
陶瓷/UHMWPE复合装甲板以其轻质高强的优异性能广泛应用于弹道防护领域，其通过陶瓷的破碎与背板的变形破坏耗散弹丸动能，其中陶瓷的破碎吸能是消耗动能的主要模式。因此，分析陶瓷的碎裂过程及损伤演化特性，对优化陶瓷复合装甲的防护性能具有重要意义。本文以碳化硼陶瓷(B4C)作为面板材料，超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE)层压板作为背板材料，通过真空袋膜压工艺制备B4C/UHMWPE复合装甲板。采用54式12.7 mm穿甲弹以弹速(488±10) m/s侵彻复合装甲板，研究复合装甲板的抗侵彻性能；基于X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography，CT)技术和断口形貌观察，分析复合装甲板的弹道侵彻响应机制及B4C陶瓷的破碎行为和特征参数。研究结果表明：B4C陶瓷的破碎区域呈现双圆台状；陶瓷的响应区域包括陶瓷板背面的超前破碎区、弹道侵彻后剩余的陶瓷板、弹丸正下方的碎片-完全粉化区；B4C陶瓷内的自由面锥角与复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能存在明显正相关性；B4C/UHMWPE复合装甲板的响应过程包括冲击波传播过程及诱导陶瓷内自由面生成、B4C陶瓷的破碎过程、UHMWPE层压板的压缩-剪切-拉伸的耦合过程。
2023, 40(6): 3583-3593.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220803.001
摘要:
为在Al合金表面获得稳定的超疏水性能，进一步拓宽Al合金材料在工业领域的应用范围，研究了一种简单、灵活、可靠的超疏水表面制备方法。首先，基于超疏水表面结构特征，采用单因素控制变量法和响应面法对激光加工参数进行了选取和优化。后采用皮秒激光刻蚀和硬脂酸处理相结合的方式获得了(超)疏水表面。通过控制激光扫描间距间接操控表面形貌的方式研究了微纳结构对表面润湿性的影响。利用接触角测量仪、SEM、共聚焦显微镜、FTIR等分析了样品的表面润湿性、形貌及化学成分。结果表明：最佳激光刻蚀参数为：扫描次数2次，扫描速度460 mm/s，频率835 kHz，平均功率21 W；扫描间距为20~80 μm的表面具有超疏水性，扫描间距为100~160 μm的表面具有疏水性。当扫描间距为20、80 μm时，接触角最大为154°，且表面黏附性很低。本文对在金属表面快速获得稳定超疏水性具有指导意义。
为在Al合金表面获得稳定的超疏水性能，进一步拓宽Al合金材料在工业领域的应用范围，研究了一种简单、灵活、可靠的超疏水表面制备方法。首先，基于超疏水表面结构特征，采用单因素控制变量法和响应面法对激光加工参数进行了选取和优化。后采用皮秒激光刻蚀和硬脂酸处理相结合的方式获得了(超)疏水表面。通过控制激光扫描间距间接操控表面形貌的方式研究了微纳结构对表面润湿性的影响。利用接触角测量仪、SEM、共聚焦显微镜、FTIR等分析了样品的表面润湿性、形貌及化学成分。结果表明：最佳激光刻蚀参数为：扫描次数2次，扫描速度460 mm/s，频率835 kHz，平均功率21 W；扫描间距为20~80 μm的表面具有超疏水性，扫描间距为100~160 μm的表面具有疏水性。当扫描间距为20、80 μm时，接触角最大为154°，且表面黏附性很低。本文对在金属表面快速获得稳定超疏水性具有指导意义。
2023, 40(6): 3594-3600.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220831.001
摘要:
8mol%Y2O3稳定ZrO2(8mol%Yttria-stabilized zirconia，8YSZ)作为热障涂层被广泛应用于燃气轮机和航空发动机，以减少热气体和金属部件之间的传热。但随着服役温度的提升，对其热性能的研究很难进行。采用非平衡分子动力学模拟的方法研究了模型尺寸效应对8YSZ热导率和离子扩散的影响，探讨了服役条件下YSZ的离子扩散及热输运行为。以立方8YSZ(c-8YSZ)作为研究对象，模拟服役温度为1273~1473 K时，分别计算了模型横截面积为4a×4a、5a×5a、6a×6a (a为晶格常数)的热导率，发现横截面积对计算结果影响较小。选取横截面积为5a×5a时，对比了5a、15a、25a、35a、45a、50a、55a、60a、65a不同结构长度模型的热导率计算结果，进行尺寸效应研究，确定5a×5a×60a为模型最佳尺寸。同时揭示了1273~1473 K下c-8YSZ热输运机制，发现c-8YSZ与四方8YSZ(t-8YSZ)存在不同的声子散射，发现增强声子散射能够有效抑制YSZ服役状态下的热输运能力，为提高热障涂层在高温服役状态下的隔热性能提供了理论依据。
8mol%Y2O3稳定ZrO2(8mol%Yttria-stabilized zirconia，8YSZ)作为热障涂层被广泛应用于燃气轮机和航空发动机，以减少热气体和金属部件之间的传热。但随着服役温度的提升，对其热性能的研究很难进行。采用非平衡分子动力学模拟的方法研究了模型尺寸效应对8YSZ热导率和离子扩散的影响，探讨了服役条件下YSZ的离子扩散及热输运行为。以立方8YSZ(c-8YSZ)作为研究对象，模拟服役温度为1273~1473 K时，分别计算了模型横截面积为4a×4a、5a×5a、6a×6a (a为晶格常数)的热导率，发现横截面积对计算结果影响较小。选取横截面积为5a×5a时，对比了5a、15a、25a、35a、45a、50a、55a、60a、65a不同结构长度模型的热导率计算结果，进行尺寸效应研究，确定5a×5a×60a为模型最佳尺寸。同时揭示了1273~1473 K下c-8YSZ热输运机制，发现c-8YSZ与四方8YSZ(t-8YSZ)存在不同的声子散射，发现增强声子散射能够有效抑制YSZ服役状态下的热输运能力，为提高热障涂层在高温服役状态下的隔热性能提供了理论依据。
2023, 40(6): 3601-3612.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220809.002
摘要:
通过试验和数值方法研究了单搭接复合材料胶螺混合连接在拉伸载荷下的力学性能及钉载分配。测试了多螺栓机械连接和胶螺混合连接的破坏载荷、失效模式和钉载分配，结果显示两种连接方式下连接层合板的破坏模式均为拉伸破坏与挤压破坏的混合失效模式，胶螺混合连接中胶层的破坏模式为胶层剥离。胶层的存在使混合连接的钉载分配更加不均衡，因此机械连接的整体结构破坏载荷要略大于胶螺混合连接。采用ABAQUS显示求解器建立了多螺栓机械连接和胶螺混合连接的渐进损伤模型，用VUMAT子程序预测复合材料的损伤，并利用粘结单元模拟胶层的失效。该模型可以有效预测结构的破坏载荷、失效模式和钉载分配。给出了混合连接中胶层的损伤演化过程，分析了加载过程中胶层对钉载分配的影响。钉载分配结果显示：机械连接的钉载分配呈现两边高，中间低的“盆状”分布，混合连接胶层延迟了螺栓受载，并改变了钉载分配的比例，使得最外侧螺栓承担了更大的载荷，加速了结构的破坏。
通过试验和数值方法研究了单搭接复合材料胶螺混合连接在拉伸载荷下的力学性能及钉载分配。测试了多螺栓机械连接和胶螺混合连接的破坏载荷、失效模式和钉载分配，结果显示两种连接方式下连接层合板的破坏模式均为拉伸破坏与挤压破坏的混合失效模式，胶螺混合连接中胶层的破坏模式为胶层剥离。胶层的存在使混合连接的钉载分配更加不均衡，因此机械连接的整体结构破坏载荷要略大于胶螺混合连接。采用ABAQUS显示求解器建立了多螺栓机械连接和胶螺混合连接的渐进损伤模型，用VUMAT子程序预测复合材料的损伤，并利用粘结单元模拟胶层的失效。该模型可以有效预测结构的破坏载荷、失效模式和钉载分配。给出了混合连接中胶层的损伤演化过程，分析了加载过程中胶层对钉载分配的影响。钉载分配结果显示：机械连接的钉载分配呈现两边高，中间低的“盆状”分布，混合连接胶层延迟了螺栓受载，并改变了钉载分配的比例，使得最外侧螺栓承担了更大的载荷，加速了结构的破坏。
2023, 40(6): 3613-3625.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220901.002
摘要:
随着海洋资源的不断开发利用，在岛礁上就地取材制备全珊瑚混凝土已经成为岛礁工程建设与防护的关键技术。为探究不同有机非金属纤维掺量对全珊瑚混凝土的力学性能的影响，使用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验研究其动态力学性能并采用LS-DYNA软件对冲击过程进行数值模拟。结果表明：当有机纤维质量分数为1.2wt%时，全珊瑚混凝土的静态抗压强度可达到113 MPa，相比未掺纤维的珊瑚混凝土增长了约7.5%。动态试验下，在应变率为120 s−1时动态抗压强度可达到247 MPa，比未掺加纤维的试样提高约32.6%。全珊瑚混凝土的韧性指标也随着有机纤维掺量的增加而增大。此外，随着有机纤维掺量的增加，珊瑚混凝土试件在相同冲击条件下完整性越高。动态强度试验值与模拟值的误差7%在允许误差内。
随着海洋资源的不断开发利用，在岛礁上就地取材制备全珊瑚混凝土已经成为岛礁工程建设与防护的关键技术。为探究不同有机非金属纤维掺量对全珊瑚混凝土的力学性能的影响，使用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验研究其动态力学性能并采用LS-DYNA软件对冲击过程进行数值模拟。结果表明：当有机纤维质量分数为1.2wt%时，全珊瑚混凝土的静态抗压强度可达到113 MPa，相比未掺纤维的珊瑚混凝土增长了约7.5%。动态试验下，在应变率为120 s−1时动态抗压强度可达到247 MPa，比未掺加纤维的试样提高约32.6%。全珊瑚混凝土的韧性指标也随着有机纤维掺量的增加而增大。此外，随着有机纤维掺量的增加，珊瑚混凝土试件在相同冲击条件下完整性越高。动态强度试验值与模拟值的误差7%在允许误差内。
2023, 40(6): 3626-3639.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220720.002
摘要:
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有较高的比强度、比刚度及显著的轻量化效果，因此CFRP薄壁结构被作为能量吸收装置广泛应用于工程领域。以单向碳纤维复合材料为研究对象，利用扫描电镜获取其微观胞元结构参数及纤维体积分数，构建能够准确反映其微观形态的代表性体积单元(Representative volume element，RVE)，通过加载周期性边界条件及单位载荷，获取材料宏观等效弹性参数，并开展实验验证。随后，开发基于微观力学的失效准则及损伤演化方程，并结合材料力学特点，构建CFRP宏观损伤模型，最终形成一套基于微观失效的多尺度损伤模型。在此基础上，对CFRP薄壁圆管在轴向准静态载荷下的压溃性能进行数值仿真，并与实验结果进行对比，验证了多尺度模型的仿真精度。最后，基于验证后的多尺度有限元模型，研究了碳纤维铺层角度及碳纤维体积分数对CFRP薄壁结构耐撞性的影响。结果表明：铺层角度和碳纤维体积分数对CFRP圆管耐撞性能具有较大影响。
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有较高的比强度、比刚度及显著的轻量化效果，因此CFRP薄壁结构被作为能量吸收装置广泛应用于工程领域。以单向碳纤维复合材料为研究对象，利用扫描电镜获取其微观胞元结构参数及纤维体积分数，构建能够准确反映其微观形态的代表性体积单元(Representative volume element，RVE)，通过加载周期性边界条件及单位载荷，获取材料宏观等效弹性参数，并开展实验验证。随后，开发基于微观力学的失效准则及损伤演化方程，并结合材料力学特点，构建CFRP宏观损伤模型，最终形成一套基于微观失效的多尺度损伤模型。在此基础上，对CFRP薄壁圆管在轴向准静态载荷下的压溃性能进行数值仿真，并与实验结果进行对比，验证了多尺度模型的仿真精度。最后，基于验证后的多尺度有限元模型，研究了碳纤维铺层角度及碳纤维体积分数对CFRP薄壁结构耐撞性的影响。结果表明：铺层角度和碳纤维体积分数对CFRP圆管耐撞性能具有较大影响。
2023, 40(6): 3640-3650.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220811.006
摘要:
为开展金属-碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)复合型柱壳屈曲特性试验及数值研究，制作2组金属-CFRP复合型柱壳及金属柱壳，并对其几何误差检测，试验研究了金属-CFRP复合型柱壳屈曲特性。其次，基于真实几何缺陷，开展了复合型和金属柱壳线性屈曲及非线性屈曲分析，数值与试验具有良好一致性。最后，讨论了CFRP铺层角度、层数对复合型柱壳非线性屈曲载荷影响。结果表明：复合型及金属柱壳试验载荷误差分别为8.29%和6.77%，试验重复性良好；CFRP层可使金属柱壳获得70%的极限载荷增益，并可减弱金属层破坏强度；随着铺设层数增加，复合型柱壳受外压下的铺设角度相应减小，最佳铺设角度为65°~85°，且该范围内，铺设层数影响较小，相同铺设层数下载荷值最大相差7.56%，最小相差为0.57%。
为开展金属-碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)复合型柱壳屈曲特性试验及数值研究，制作2组金属-CFRP复合型柱壳及金属柱壳，并对其几何误差检测，试验研究了金属-CFRP复合型柱壳屈曲特性。其次，基于真实几何缺陷，开展了复合型和金属柱壳线性屈曲及非线性屈曲分析，数值与试验具有良好一致性。最后，讨论了CFRP铺层角度、层数对复合型柱壳非线性屈曲载荷影响。结果表明：复合型及金属柱壳试验载荷误差分别为8.29%和6.77%，试验重复性良好；CFRP层可使金属柱壳获得70%的极限载荷增益，并可减弱金属层破坏强度；随着铺设层数增加，复合型柱壳受外压下的铺设角度相应减小，最佳铺设角度为65°~85°，且该范围内，铺设层数影响较小，相同铺设层数下载荷值最大相差7.56%，最小相差为0.57%。
2023, 40(6): 3651-3661.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220825.003
摘要:
采用热压一次成型的工艺制备了曲面碳纤维增强树脂复合材料点阵夹芯结构，进行了三点弯试验探究了结构的弯曲破坏载荷与破坏模式。结果显示：结构的载荷位移曲线分为4个阶段，分别为线性阶段、损伤起始阶段、损伤演化阶段和失效阶段；破坏模式主要为面板压溃与节点失效。通过ABAQUS显示求解器建立了有效的弯曲和模态振动模型，得到弯曲破坏过程的失效模式、载荷位移曲线及结构振动模态与固有频率。讨论了不同参数(几何参数和材料性能)对弯曲和振动性能的影响，比较了不同边界条件对固有频率的影响。结果显示：相对密度(面板厚度、芯子直径)的增加会使结构的弯曲破坏载荷和固有频率增大，而芯子倾角ω的增大会使弯曲破坏载荷与固有频率的减小；材料的比刚度越大，固有频率越高。
采用热压一次成型的工艺制备了曲面碳纤维增强树脂复合材料点阵夹芯结构，进行了三点弯试验探究了结构的弯曲破坏载荷与破坏模式。结果显示：结构的载荷位移曲线分为4个阶段，分别为线性阶段、损伤起始阶段、损伤演化阶段和失效阶段；破坏模式主要为面板压溃与节点失效。通过ABAQUS显示求解器建立了有效的弯曲和模态振动模型，得到弯曲破坏过程的失效模式、载荷位移曲线及结构振动模态与固有频率。讨论了不同参数(几何参数和材料性能)对弯曲和振动性能的影响，比较了不同边界条件对固有频率的影响。结果显示：相对密度(面板厚度、芯子直径)的增加会使结构的弯曲破坏载荷和固有频率增大，而芯子倾角ω的增大会使弯曲破坏载荷与固有频率的减小；材料的比刚度越大，固有频率越高。
2023, 40(6): 3662-3672.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220913.002
摘要:
利用分子动力学(MD)方法探究了石墨烯纳米片(GNs)层数和每层片数对GNs/Al复合材料不同压缩阶段力学增强效果的影响。结果发现：GNs层和片数越多，复合材料弹性模量、屈服强度和最大应力强度的增强效果越显著，且增强层由3片及以上GNs构成时，压缩曲线会出现双最大应力峰值。压缩后期，GNs的断裂造成复合材料的各向异性，使复合材料在GNs锯齿形方向上的横向变形大于扶手椅方向。与MD结果对比分析发现，当金属层厚不足3 nm时，限制层滑模型不再适用。
利用分子动力学(MD)方法探究了石墨烯纳米片(GNs)层数和每层片数对GNs/Al复合材料不同压缩阶段力学增强效果的影响。结果发现：GNs层和片数越多，复合材料弹性模量、屈服强度和最大应力强度的增强效果越显著，且增强层由3片及以上GNs构成时，压缩曲线会出现双最大应力峰值。压缩后期，GNs的断裂造成复合材料的各向异性，使复合材料在GNs锯齿形方向上的横向变形大于扶手椅方向。与MD结果对比分析发现，当金属层厚不足3 nm时，限制层滑模型不再适用。
2023, 40(6): 3673-3682.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220907.006
摘要:
为解决当前T字型铺层复合材料抗层间剪切能力弱的问题，通过对复合材料预制件织造工艺进行合理设计，使用SGA598小样织机织造了T字型织物，采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺将其制备成复合材料，并研究其在低速冲击下的抗冲击性能；使用有限元软件ABAQUS建立了几何与材料模型，模拟了不同冲击能量下的冲击响应过程。研究结果表明，T字型加筋板具有较高的抗冲击能力，模拟结果与实验测试结果吻合较好，该有限元模型具有较好的可靠性。
为解决当前T字型铺层复合材料抗层间剪切能力弱的问题，通过对复合材料预制件织造工艺进行合理设计，使用SGA598小样织机织造了T字型织物，采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺将其制备成复合材料，并研究其在低速冲击下的抗冲击性能；使用有限元软件ABAQUS建立了几何与材料模型，模拟了不同冲击能量下的冲击响应过程。研究结果表明，T字型加筋板具有较高的抗冲击能力，模拟结果与实验测试结果吻合较好，该有限元模型具有较好的可靠性。
2023, 40(6): 3683-3694.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220913.003
摘要:
泊松比是材料及其结构力学性能分析的重要参数之一。本文旨在研究2D-C/SiC复合材料主泊松比的非线性演化行为。首先，基于Mini复合材料模型与正交层压板模型，考虑纤维的横观各向同性性质，建立了2D-C/SiC复合材料的热残余应力计算模型；其次，应用剪滞理论与经典层压板理论，考虑材料的损伤与热残余应力释放机制，建立了2D-C/SiC复合材料的主泊松比计算模型；最后，通过试验表征了材料的应变响应及泊松比演化规律，并对理论模型进行了分析验证。结果表明，2D-C/SiC复合材料内部热残余应力较大，拉伸损伤过程中的热残余应力释放是负泊松比产生的原因；应力-应变曲线及泊松比演化曲线的模型预测结果均与试验曲线吻合较好，表明了理论分析模型的准确性与合理性。
泊松比是材料及其结构力学性能分析的重要参数之一。本文旨在研究2D-C/SiC复合材料主泊松比的非线性演化行为。首先，基于Mini复合材料模型与正交层压板模型，考虑纤维的横观各向同性性质，建立了2D-C/SiC复合材料的热残余应力计算模型；其次，应用剪滞理论与经典层压板理论，考虑材料的损伤与热残余应力释放机制，建立了2D-C/SiC复合材料的主泊松比计算模型；最后，通过试验表征了材料的应变响应及泊松比演化规律，并对理论模型进行了分析验证。结果表明，2D-C/SiC复合材料内部热残余应力较大，拉伸损伤过程中的热残余应力释放是负泊松比产生的原因；应力-应变曲线及泊松比演化曲线的模型预测结果均与试验曲线吻合较好，表明了理论分析模型的准确性与合理性。
