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2003年  第20卷  第6期

混杂增强聚氨酯复合硬泡塑料的物理及力学性能
赵斌, 杨振国, 王建华, 秦桑路, 胡正飞, 金忠(告羽)
2003, 20(6): 1-6.
摘要:
研究纤维与颗粒混杂增强聚氨酯复合硬泡塑料的物理及力学性能,着重分析增强剂SiO2颗粒和玻璃纤维含量以及纤维长度对其性能的影响。结果表明,SiO2含量为20 wt%,玻璃纤维含量为7.8 wt%时,试样的拉伸强度达到最佳值。此外,还比较了玻璃纤维、尼龙66纤维和PAN基碳纤维的增强效果。结果表明,3 wt%~5 wt%含量碳纤维增强的聚氨酯复合硬泡塑料拉伸强度最佳。
ODPA/PMDA共聚PMR聚酰亚胺树脂
潘贻珊, 张佐光, 孙志杰, 李敏
2003, 20(6): 7-10.
摘要:
用ODPA取代PMR-15中的BTDA,并在二酐中加入PMDA,通过共聚方法合成了ODPA/PMDA-MDA共聚PMR聚酰亚胺树脂系列。通过试验对树脂的溶液粘度、工艺性能、固化后的热氧化稳定性和弯曲性能进行了表征,并探讨了树脂结构与性能的关系。实验结果表明:树脂溶液粘度随分子量增大而增大,随PMDA含量增加而减小;树脂的Tg随分子量增大而降低,随PMDA含量增大而升高;树脂的软化温度随分子量和PMDA含量的增大而提高;而树脂的热失重温度和弯曲性能变化则较复杂。
高温铝熔液在旋转多孔介质内的渗透与瞬态固化和再熔过程
胡国新, 田芩蔚, 王国祥
2003, 20(6): 11-15.
摘要:
针对离心渗铸板材工艺中金属铝熔液在旋转的Al2O3预型体内的充型过程,考虑离心惯性力对金属铝熔液的瞬态固化与再熔过程的影响,研究了伴随有瞬态固化和再熔现象的流场温度分布以及熔融区长度和固化率瞬态变化规律,推导了渗透界面和再熔界面移动速度计算公式,建立了界面速度与温度的耦合关系。结果表明:当Al2O3颗粒预热温度低于铝熔化温度时,渗透过程出现了瞬态固化和再熔现象,液固共熔区随渗透过程不断向前推进,共熔区长度和固化率随渗透过程而增长。随着孔隙率和转速的减小,共熔区内固化率提高,渗透前沿和再熔前沿界面移动速度减小。但孔隙率的减小使两种界面移动速度差值增大,液固共熔区长度增长;而转速的减小使两种界面移动速度差值缩小,液固共熔区长度缩短。
初始Si含量对离心法制备过共晶Al-Si合金FGM中初晶硅分布的影响
于思荣, 张新平, 何镇明, 刘耀辉
2003, 20(6): 16-20.
摘要:
很多实验表明,Si含量不同导致离心法制备过共晶Al-Si合金梯度功能材料(FGM)中初晶硅分布内外侧不同。为了解释这一实验现象,通过理论分析,提出存在一临界初始含量和临界析出温度的观点。分析表明:当Si含量低于临界含量和析出温度低于临界析出温度时,过共晶Al-Si合金析出的初晶硅密度小于残余合金熔液密度;当Si含量高于临界含量时,在临界温度以上合金析出的初晶硅密度大于合金熔液密度,临界温度以下合金析出的初晶硅密度小于合金熔液密度。这导致了离心法制备不同初始Si含量的过共晶Al-Si合金FGM中初晶硅分布于内外侧不同。最后采用实验进行了验证。
SiC/BN层状陶瓷耐损伤性能
李冬云, 乔冠军, 金志浩
2003, 20(6): 21-25.
摘要:
采用压痕法在SiC/BN层状陶瓷试样的表面引入不同尺寸的表面裂纹,利用三点弯曲测量含裂纹试样的极限断裂应力,研究了不同尺寸的表面裂纹对层状陶瓷断裂强度的影响;根据压痕载荷-强度实验结果,测定层状陶瓷的阻力曲线,并与单相SiC陶瓷对比。结果表明,层状陶瓷的压痕强度对压痕裂纹深度的变化不敏感,阻力曲线呈上升型;而单相SiC陶瓷的压痕强度随压痕裂纹深度的增加急剧下降,阻力曲线呈平稳型,说明层状陶瓷具有优异的耐损伤性能和升值R-曲线行为。分析认为,裂纹在弱界面处发生偏折是层状陶瓷具有优良耐损伤性能和升值R-曲线行为的主要原因。这为陶瓷材料在含有一定的制备和加工缺陷以及承受冲击、磨损等接触损伤的条件下保持高强度提供了可能。
飞灰颗粒增强铝基复合材料的摩擦与磨损特性
李月英, 刘勇兵, 曹占义
2003, 20(6): 26-30.
摘要:
对挤压铸造制成的飞灰颗粒增强ZL109复合材料在不同条件下的摩擦磨损特性进行了研究。研究结果表明:在较低载荷和较低滑动速度下,该复合材料的耐磨性明显优越于基体铝合金,摩擦系数也稳定地低于基体铝合金,并且随飞灰含量的增加复合材料的耐磨性有所提高;在较高载荷和较高滑动速度下,同基体铝合金相比复合材料耐磨性的改善程度有所降低,但复合材料的摩擦系数仍可以保持较低的水平。这是由于随着载荷和滑动速度的变化,复合材料的磨损机制发生了转化。本文对该过程中的磨损机制的转化进行了初步分析。
TiB2-Cu-Ni金属陶瓷的抗热震和抗烧蚀行为
徐强, 张幸红, 韩杰才, 赫晓东
2003, 20(6): 31-35.
摘要:
利用Ti和B元素之间的化学反应放热,采用燃烧合成与同时致密化技术制备了TiB2-Cu-Ni金属陶瓷。利用等离子火炬电弧加热器来考察材料的抗热震性能以及抗烧蚀性能,利用扫描电镜、电子探针和能谱分析等方法对材料烧蚀前后的微观组织形貌及成分进行了检测。结果表明,金属陶瓷材料具有较好的抗热震性能,在瞬间热冲击时未出现崩裂,在烧蚀刚结束时有宏观裂纹产生。同时该材料还具有良好的抗烧蚀性能,经过20s烧蚀后,其质量损失仅为0.9g,质量烧蚀率为0.045g/s。材料的抗烧蚀机理为金属粘接剂挥发损失、热化学烧蚀和机械冲刷。
颗粒形状、含量和基体特性对金属基复合材料压缩力学行为的影响
徐绯, 李玉龙, 郭伟国, 汤忠斌
2003, 20(6): 36-41.
摘要:
通过建立轴对称体胞模型,用数值分析手段研究了在变形速率范围10-4~105/s内,陶瓷颗粒增强铝合金复合材料的压缩塑性流变特征,讨论了不同颗粒形状(圆柱形和球形),不同颗粒体积含量(10%~50%)和不同铝合金基体(LC4、LY12CZ和7075)对金属基复合材料流动应力、应变率敏感性等的影响,构造了可以描述高应变率下金属基复合材料压缩行为的本构模型,并考虑了基体特性、颗粒形状、体积含量及应变率的影响,得出了与试验相吻合的结果。
PSZ/Mo功能梯度材料
李云凯, 王勇, 李树奎, 韩文波
2003, 20(6): 42-46.
摘要:
利用有限元分析方法,对PSZ/Mo功能梯度材料进行了优化设计,确定了最佳形状因子、层数和每一层的厚度。在此基础上,用热压烧结方法制备了六层结构的PSZ/Mo功能梯度材料。利用自制的FGM热性能测试仪,对制备的试样进行了热震性能实验,通过该实验条件下应力场和温度场的有限元计算,阐述了PSZ/Mo功能梯度材料优良抗热震性的原因。
混凝土结构用CFRP筋的感知性能试验研究
欧进萍, 王勃, 张新越, 何政, 钱民中
2003, 20(6): 47-51.
摘要:
对混凝土结构用CFRP筋及其加筋混凝土梁的力学性能和感知性能进行试验研究。自行研制开发了不同直径和表面处理形式的CFRP筋。在此基础上,制作了三组各6个标准受拉试件,分别测试了CFRP筋的弹性模量、极限抗拉强度和电阻变化率,得到了相应的变化曲线;其次制作了两组各3根CFRP加筋混凝土梁,测试了梁中CFRP筋电阻随载荷增加的变化曲线。研究表明,CFRP筋具有很好的力学性能和感知性能,对于混凝土结构加强筋和结构受力状态监测具有广泛的应用前景。
射频磁控溅射TiO2/HA复合生物膜的制备与表征
陈民芳, 刘技文, 王玉红, 由臣, 杨贤金
2003, 20(6): 52-56.
摘要:
将水热合成的羟基磷灰石(HA)粉与20 wt%Ti粉混合,冷压烧结成靶材。采用射频磁控溅射方法,在工业纯钛基体上沉积TiO2/HA生物薄膜,通过扫描电镜(SEM)及其能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)和差热分析仪(TDA)对膜层进行了表征,探讨了溅射膜的晶化工艺。结果表明:由于选择溅射和OH-损失,溅射膜由TiO2晶体颗粒和非晶钙磷化合物组成,且其Ca/P比降低。经700℃,0.5 h水蒸气处理,非晶钙磷化合物结晶度大大提高,并部分转化为HA晶体,且处理后的溅射膜与基体间无裂纹。
表面钝化处理对SPS Ti/HA生物材料性能的影响
张国珍, 张久兴, 母瑞虹, 张光磊, 钟涛兴, 周美玲
2003, 20(6): 57-60.
摘要:
利用放电等离子烧结(SPS)制备了Ti/HA复合材料,研究了不同配比的Ti/HA复合材料的显微组织、致密度及pH值,并进行了生物溶血试验。结果表明:经颗粒表面钝化处理后,50%Ti-50%HA复合材料的相对密度由73%提高到94.4%,pH值保持中性,溶血试验指标为4%,符合生物材料的应用要求。
甲虫前翅中的三维复合材料结构
陈锦祥, 倪庆清
2003, 20(6): 61-66.
摘要:
为了设计开发轻量型仿生复合材料,考察了甲虫独角仙成虫前翅的结构,得到了甲虫前翅及其小柱结构的简易模型。观察结果表明: 独角仙前翅为具有以小柱为中空层的夹芯层状三合板结构,这种结构为一种轻量型的复合材料板材;小柱中的纤维通过大于90°弯曲与上层及下层中的纤维连续相连接,这种结构对层状纤维强化的复合材料可以极其有效地提高层间的抗剥离性能。
三维编织复合材料压缩力学性能的实验研究
卢子兴, 胡奇
2003, 20(6): 67-72.
摘要:
通过宏观压缩实验,研究了三维四向编织复合材料的抗压力学性能;同时,为了认识其压缩失效机理,对压缩试件的破坏断口进行了扫描电镜分析。实验结果表明:纵向压缩模量比横向压缩模量大得多;影响纵向压缩力学性能的主要参数是材料的编织角,随编织角的变化,复合材料的纵向压缩破坏机理发生了变化,编织角较小时,材料表现为脆性特征;当编织角大于某个角度,材料的应力-应变曲线趋于非线性,延性增加,更多地表现为塑性破坏特征。此外,横向压缩的破坏机理与纵向压缩明显不同。
层内混杂复合材料断裂纤维附近的应力重分布
王奇山
2003, 20(6): 73-79.
摘要:
研究了层内混杂复合材料的高模量纤维断裂引起的邻近各层应力重分布问题。通过建立适当的计算模型,利用二维弹性力学精确解和付氏变换法,建立问题的奇异积分方程组,通过求解方程组,计算高、低模量层和基体层的应力集中因子,计算结果对"混杂效应"作出了理论解释,并与一般采用的Shear-Lag理论计算结果作了比较,本文结果更精确、合理,可应用于层内混杂复合材料的设计。
拉伸正交各向异性有限宽板偏心圆孔的应力集中系数表达式
王启智, 宋小林
2003, 20(6): 80-86.
摘要:
用近似解析方法推导出拉伸正交各向异性有限宽板偏心圆孔的应力集中系数的显式表达式,除了比较极端的情况外,该式的精度较好。误差估计基于与有限元分析结果的比较。当偏心度取为零,即变为有限宽板中心圆孔时,此简化情况下的应力集中系数表达式与文献值和有限元解吻合得很好。推导的方法虽然简单,但结果比较理想。利用所推导的表达式可以求解各向异性材料的应力集中系数问题。
纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮的预应力简化分析
秦勇, 夏源明, 毛天祥
2003, 20(6): 87-91.
摘要:
在纤维束缠绕时施加张紧力,使得固化成型后的飞轮内部形成一定的预加径向压应力,这是提高飞轮径向强度的有效方法之一。基于过盈配合的思想建立了计算张紧力缠绕导致的复合材料飞轮内部预应力和变形的简化模型和方法。通过算例分析发现:等张力缠绕产生的环向应力在半径方向上先减小后增大,径向压应力不断变小;变张力缠绕过程中,张紧力由小逐渐变大时,飞轮的径向压应力增大,径向强度提高;飞轮设计中仅仅依靠张紧力缠绕是不够的,还必须和固化成型后的厚壁筒之间的过盈套装一起来设计合理的径向预加压应力。
基于共焦点椭球构型的复合材料有效性质预测
马寒松, 胡更开
2003, 20(6): 92-97.
摘要:
介绍了共焦点椭球构型,给出了基于该构型对空间任意取向复合材料模量的解析计算公式,并将其同Mori-Tanaka(MT)法、Ponte-Castaneda-Willis (PCW)方法以及Hashin-Shtrikman(HS)界限进行了比较。数值结果显示,基于该构型的预测处于MT法和PCW法所预测的值之间,并且与MT法所预测的值接近。此外,还对纤维不同的角度平均方法对有效性质的影响做了讨论。
超高分子量聚乙烯纤维的低温等离子处理
王书忠, 吴越, 骆玉祥, 胡福增, 崔维成
2003, 20(6): 98-103.
摘要:
研究了超高分子量聚乙烯纤维的低温等离子表面处理。经低温等离子处理,超高分子量聚乙烯纤维对乙二醇的浸润性提高,接触角降低,纤维表面产生了活性自由基,纤维对亚甲基蓝的吸附性增强。等离子处理使纤维含氧量增加,表面产生沟槽,比表面积增大,纤维/环氧复合材料的层间剪切强度提高3倍以上。
高强高模聚乙烯纤维力学性能的应变率和温度效应
熊杰, 萧庆亮, 刘冠峰
2003, 20(6): 104-108.
摘要:
利用MTS810材料试验机、旋转盘式杆-杆型冲击拉伸装置和温度控制箱,在温度20℃~110℃、应变率为0.001/s~700/s范围内,对高强高模聚乙烯纤维束进行了准静态和高应变率冲击拉伸实验,得到了不同温度、不同应变率时纤维束的应力-应变曲线。结果表明:高强高模聚乙烯纤维束的初始弹性模量具有应变率和温度相关的特性,随应变率提高而增加,随温度提高而下降;在常温下,破坏应力从准静态到动态,具有明显的应变率相关性,随应变率提高而增加,但在20℃~110℃范围内、高应变率下,对应变率变化不敏感;失稳应变也具有应变率和温度相关的特性,随应变率提高而减小,随温度提高而增大。在高应变率下,断裂应变能密度主要由初始弹性模量和失稳应变共同决定,受温度效应和应变率效应的综合影响。
浸渍过程中树脂流体在纤维集合体内的流动行为
丁辛, 钟闻, 翁鸣, 张志奋
2003, 20(6): 109-114.
摘要:
建立了浸渍过程中树脂基体在纤维集合体内流动的统计力学模型。将树脂流体的流动过程视为纤维/树脂系统降低能量达到平衡的过程,从微观角度研究树脂流体在纤维集合体内的流动行为。在建模中,不仅考虑了代表系统内能的Hamilton函数和界面张力及驱动流体的压力对系统所作的功,还考虑了流动过程中纤维集合体对流体的摩擦阻力所作的功,完整地反映了在流体的流动过程中系统能量的变化。模拟了水在聚酯纤维非织造织物内及不饱和聚酯树脂在玻纤机织布内的平面径向流动,并设计了相应的实验,以检验模型对不同流动性能流体和不同结构纤维集合体的适应情况。实验与模拟结果良好的一致性表明,所建立的模拟能正确地反映流体在纤维集合体内的流动特征。
压电材料的电热函及机-电耦合分析
石广玉
2003, 20(6): 115-120.
摘要:
研究基于电热函的广义哈密顿原理在压电材料的机(力)-电耦合效应分析中的应用。作为应用实例,推导了两个简单压电材料结构的变形及应变致(strain induced)电场的解析解, 并与己有的解析解进行了比较并讨论了它们存在的若干问题。 计算结果表明,基于电热函的广义哈密顿原理是分析压电材料的机(力)-电耦合问题简单而又精确的模型。它既可准确地计算压电势能而又不必对二维问题和三维问题加以区分; 并且这种方法既可用于解析分析,也可作为压电复合材料有限元分析的数学基础。
四脚状氧化锌晶须的微波电磁性能
刘建华, 孙杰, 李松梅, 陈冬梅
2003, 20(6): 121-124.
摘要:
以锌粉为原料,采用碳还原剂控制法制备了四脚状氧化锌晶须。用光学显微镜、扫描电子显微镜及X射线衍射分析方法对产物进行了表征。实验结果表明,该晶须为纯氧化锌,属于六方晶系纤锌矿结构;整个氧化锌晶须基本为四脚状晶须结构。通过热力学分析及试验表明,在1220~1350 K的温度时,可以得到完整的四脚状氧化锌晶体。用波导法对所得晶须进行了磁导率和介电常数的测量。微波电磁性能试验表明,四脚状氧化锌晶须是一种介电损耗材料,具有一定的微波吸收性能。
PTFE编织复合材料重载关节轴承的旋转摩擦特性
向定汉, 潘青林, 骆心怡
2003, 20(6): 125-129.
摘要:
介绍了自制的重载摩擦试验机的工作原理及性能特点,其最大加载压力为1000 kN, 旋转与摆动调速范围宽。在转速为2.5 r/min时,测试了PTFE编织复合材料关节轴承承载力与摩擦系数的关系,以及摩擦的时间效应。在承载力为135 MPa时,测试了轴承的磨损曲线、轴承的升温以及摩擦系数随连续摆动时间变化的关系曲线,试验结果表明,其承载力为25~135 MPa时,干摩擦系数为0.038~0.061。通过扫描电镜分析了轴承失效机理,在摆动的过程中PTFE不断被挤出,轴承自润滑功能下降,导致编织基体材料发生磨损。
复合管状结构中超声导波的位移分布
他得安, 刘镇清, 贺鹏飞
2003, 20(6): 130-136.
摘要:
对超声纵向导波在复合管状结构中的传播特性进行了分析。然后分析了系统中的位移分布,以此确定了各模式检测管材的最佳频厚积范围和检测的最佳位置。结果表明,各模式的径向和轴向位移在管内壁上的值较大,而在管壁中间和管外壁上的值较小;当频厚积增大到一特定值后,管壁中间和管外壁上的径向和轴向位移都近似为零,此特定值随模式阶次的提高而增加。选取各模式检测的频厚积时,应尽可能的选径向位移较小而轴向位移较大的频厚积点。
材料性质对纤维增强复合材料动力学特性的影响
李凤明, 胡超, 黄文虎
2003, 20(6): 137-141.
摘要:
基于弹性动力学理论,对纤维增强复合材料结构中弹性波散射及动应力集中问题进行了分析研究。将非均匀界层区处理为具有相同厚度的多层弹性介质。给出了结构各区域弹性波分析解的表达式。根据位移与应力在界面处的连续条件,确定了弹性波模式系数。给出了界面处动应力集中系数的表达式。作为算例,计算了两种纤维增强复合材料结构中各界面动应力集中系数的数值结果,并分析了界层材料性质以及结构尺寸对各界面动应力集中系数的影响。
纳米碳管-(Ni-P)复合材料制备及性能
王新庆, 王淼, 李振华, 朱海滨, 王风飞, 何少龙, 韩宝善, 何丕模
2003, 20(6): 142-146.
摘要:
采用化学复合镀的方法,在45#钢衬底上制备纳米碳管(CNTs)-(Ni-P)复合材料。探讨了该复合材料的制备技术及工艺条件,通过对实验结果的观察和分析,确定了制备CNTs-(Ni-P)复合材料的最佳工艺条件。利用透射电镜(TEM)观察纳米碳管的结构;用扫描电镜(SEM)观察纳米碳管形貌及其在复合材料中的分布;利用原子力显微镜(AFM)观察复合材料表面的粗糙度。同时还对纳米碳管复合材料的耐磨性进行了初步的测试。实验结果表明,该复合材料的耐磨性明显好于未镀及单纯镀镍材料。
单纤维界面强度光弹性实验和理论研究
王安强, 万建松, 苟文选, 矫桂琼, 岳珠峰
2003, 20(6): 147-150.
摘要:
利用光弹性实验和有限元计算两种方法对单丝拔出复合材料模型的界面剪应力进行了研究。从计算和实验两个方面证明,当在纤维自由端施加一轴向拉力后,在单丝与基体界面的埋入端附近将出现剪应力的最大值。然后,沿着单丝的埋入方向,剪应力迅速降低,在界面区的中间趋于最小值,并且基本稳定不变。由此证明,单丝增强复合材料中界面的应力传递主要集中在单丝的埋入端附近,并且在这一区域最先达到危险应力,发生界面的脱胶破坏,引起整个试件的失效。
电化学浸渗法制备纤维/铜基复合材料
罗学涛, 吴清良, 黄前军, 陈立富
2003, 20(6): 151-154.
摘要:
基于电化学浸渗技术(ECI)在室温下制备了连续铜纤维、碳纤维和玻璃纤维增强铜基复合材料。实验结果表明,在本实验工艺条件下可获得致密的纤维/Cu基复合材料,并具有优良的力学性能。复合材料的断口形貌及显微结构的SEM观察表明,纤维与铜基体之间的界面结合良好,纤维不受任何损伤。证实了ECI在室温下快速制备纤维增强金属基复合材料的可行性。