2005年 第22卷 第6期
2005, 22(6): 1-8.
摘要:
简要介绍了基于电流体动力学射流技术的静电纺丝和静电喷涂的基本原理和发展过程,重点讨论了两种同轴射流技术——同轴静电纺丝和同轴静电喷涂技术的研究现状,包括纳/微米包囊、壳-芯结构的纳米纤维和中空纳米纤维或纳米管的制备。介绍了该技术在药物释放体系、组织工程支架、载药医用敷料和缝合线等方面的潜在应用前景,并对其未来发展进行了展望。
简要介绍了基于电流体动力学射流技术的静电纺丝和静电喷涂的基本原理和发展过程,重点讨论了两种同轴射流技术——同轴静电纺丝和同轴静电喷涂技术的研究现状,包括纳/微米包囊、壳-芯结构的纳米纤维和中空纳米纤维或纳米管的制备。介绍了该技术在药物释放体系、组织工程支架、载药医用敷料和缝合线等方面的潜在应用前景,并对其未来发展进行了展望。
2005, 22(6): 9-14.
摘要:
研究了针刺毡预制炭/炭复合材料 (C/C) 经不同温度石墨化处理后的磁电阻特性。结果表明:实验材料磁电阻于各位向 (0°~180°) 均相等,且石墨化处理温度越高,材料的磁电阻越大,外磁场强度、测量温度等因素不影响磁电阻-位向关系;在同一磁场强度下,石墨化处理温度高的材料磁电阻为正值,石墨化处理温度低时磁电阻为负值,且磁电阻与测量温度 (5~300K) 呈线性关系变化,高于一定测量温度后,磁电阻稳恒为0;磁电阻-测量温度曲线回归方程的斜率随热处理温度的增加而降低,且斜率-热处理温度的变化曲线与材料的晶面间距d(002)随热处理温度的变化曲线形状类似;测量温度相同时,磁电阻随外加磁场强度的增大而增大,在低场强 (低于1.2×107A/m) 下,呈现二次函数关系,当场强高于1.2×107A/m,磁电阻-磁场强度关系为线性;不同场强下,随石墨化处理温度的提高,磁电阻也增大。
研究了针刺毡预制炭/炭复合材料 (C/C) 经不同温度石墨化处理后的磁电阻特性。结果表明:实验材料磁电阻于各位向 (0°~180°) 均相等,且石墨化处理温度越高,材料的磁电阻越大,外磁场强度、测量温度等因素不影响磁电阻-位向关系;在同一磁场强度下,石墨化处理温度高的材料磁电阻为正值,石墨化处理温度低时磁电阻为负值,且磁电阻与测量温度 (5~300K) 呈线性关系变化,高于一定测量温度后,磁电阻稳恒为0;磁电阻-测量温度曲线回归方程的斜率随热处理温度的增加而降低,且斜率-热处理温度的变化曲线与材料的晶面间距d(002)随热处理温度的变化曲线形状类似;测量温度相同时,磁电阻随外加磁场强度的增大而增大,在低场强 (低于1.2×107A/m) 下,呈现二次函数关系,当场强高于1.2×107A/m,磁电阻-磁场强度关系为线性;不同场强下,随石墨化处理温度的提高,磁电阻也增大。
2005, 22(6): 15-20.
摘要:
采用两段式包埋法和封闭处理的复合新工艺制得抗氧化性优良的MoSi2/SiC复合梯度C/C复合材料高温抗氧化涂层。涂层由内至外结构为:SiC过渡层→SiC致密层→MoSi2/SiC双相层→以MoSi2为主的外层。对未封闭处理的涂层,制备过程中高温保温时间长的氧化失重少,1200℃、1300℃空气中氧化失重比1400℃、1500℃氧化失重大。用正硅酸四乙酯对涂层表面进行封闭处理,凝胶形成的SiO2可充填涂层表面裂纹并覆盖在涂层表面。在1500℃空气中氧化一定时间后,未封闭处理的涂层试样表现为氧化失重;封闭处理后的试样为氧化增重,氧化52h仍然只有1.28%的增重,封闭处理使涂层的抗氧化性能明显改善。
采用两段式包埋法和封闭处理的复合新工艺制得抗氧化性优良的MoSi2/SiC复合梯度C/C复合材料高温抗氧化涂层。涂层由内至外结构为:SiC过渡层→SiC致密层→MoSi2/SiC双相层→以MoSi2为主的外层。对未封闭处理的涂层,制备过程中高温保温时间长的氧化失重少,1200℃、1300℃空气中氧化失重比1400℃、1500℃氧化失重大。用正硅酸四乙酯对涂层表面进行封闭处理,凝胶形成的SiO2可充填涂层表面裂纹并覆盖在涂层表面。在1500℃空气中氧化一定时间后,未封闭处理的涂层试样表现为氧化失重;封闭处理后的试样为氧化增重,氧化52h仍然只有1.28%的增重,封闭处理使涂层的抗氧化性能明显改善。
2005, 22(6): 21-26.
摘要:
利用介孔组装,可以进行纳米复合材料结构和功能设计。通过溶胶-凝胶方法,采用混合、浸泡和氢热还原工艺,获得纳米镍/介孔二氧化硅复合材料。运用DSC、XRD、XPS、TEM等手段对纳米镍/介孔二氧化硅复合材料进行表征。结果表明,纳米金属Ni颗粒的尺寸由介孔SiO2的结构和孔径分布决定,受还原温度和成分等影响,在8~20nm范围变化,浸泡法更容易获得纳米金属颗粒均匀分布的复合材料。由于SiO2介孔结构连通,纳米Ni表面存在氧化,纳米颗粒存在于介孔中形成壳结构。介孔二氧化硅基体中添加稀土元素Ce,有利于增强介孔基体骨架强度,限制纳米颗粒聚集长大。
利用介孔组装,可以进行纳米复合材料结构和功能设计。通过溶胶-凝胶方法,采用混合、浸泡和氢热还原工艺,获得纳米镍/介孔二氧化硅复合材料。运用DSC、XRD、XPS、TEM等手段对纳米镍/介孔二氧化硅复合材料进行表征。结果表明,纳米金属Ni颗粒的尺寸由介孔SiO2的结构和孔径分布决定,受还原温度和成分等影响,在8~20nm范围变化,浸泡法更容易获得纳米金属颗粒均匀分布的复合材料。由于SiO2介孔结构连通,纳米Ni表面存在氧化,纳米颗粒存在于介孔中形成壳结构。介孔二氧化硅基体中添加稀土元素Ce,有利于增强介孔基体骨架强度,限制纳米颗粒聚集长大。
2005, 22(6): 27-31.
摘要:
研究了SiO2介孔组装复合材料的光学性质。对于Ni介孔组装体系,随着组装成分和还原温度的提高,纳米颗粒尺寸增大;由于纳米颗粒的表面效应,光吸收边发生明显的红移。光吸收行为与纳米颗粒和基体之间的相互作用,以及相互之间电子转移有关;纳米金属颗粒介孔组装体系光吸收符合间接带隙半导体光吸收模式。在组装体系中加入稀土元素Ce,还原气氛处理后体系的光吸收增强,随着稀土元素添加量的提高,组装体系的吸收边发生较大红移。
研究了SiO2介孔组装复合材料的光学性质。对于Ni介孔组装体系,随着组装成分和还原温度的提高,纳米颗粒尺寸增大;由于纳米颗粒的表面效应,光吸收边发生明显的红移。光吸收行为与纳米颗粒和基体之间的相互作用,以及相互之间电子转移有关;纳米金属颗粒介孔组装体系光吸收符合间接带隙半导体光吸收模式。在组装体系中加入稀土元素Ce,还原气氛处理后体系的光吸收增强,随着稀土元素添加量的提高,组装体系的吸收边发生较大红移。
2005, 22(6): 32-36.
摘要:
通过复合成型致孔一体技术制备纳米羟基磷灰石/聚酰胺66 (n-HA/PA66) 硬组织修复支架,采用SEM、XRD、IR和燃烧实验等测试手段对复合支架进行表征。结果表明:n-HA粒子以纳米尺度均匀分布于复合支架材料中;复合材料的两相界面为氢键键合和配位键合;支架的孔隙相互贯通,不仅有平均孔径约450 μ m的大孔,大孔壁上还富含0.5~50 μ m的微孔。动物实验证实,该纳米复合支架具有高的生物活性和好的组织相容性,能与硬组织形成骨性结合,其孔隙范围有利于骨组织、血管、骨细胞的长入,可作为硬组织修复的良好载体。
通过复合成型致孔一体技术制备纳米羟基磷灰石/聚酰胺66 (n-HA/PA66) 硬组织修复支架,采用SEM、XRD、IR和燃烧实验等测试手段对复合支架进行表征。结果表明:n-HA粒子以纳米尺度均匀分布于复合支架材料中;复合材料的两相界面为氢键键合和配位键合;支架的孔隙相互贯通,不仅有平均孔径约450 μ m的大孔,大孔壁上还富含0.5~50 μ m的微孔。动物实验证实,该纳米复合支架具有高的生物活性和好的组织相容性,能与硬组织形成骨性结合,其孔隙范围有利于骨组织、血管、骨细胞的长入,可作为硬组织修复的良好载体。
2005, 22(6): 37-43.
摘要:
对高能超声稀释原位反应烧结块制备锌铝合金基复合材料过程进行了研究,简要分析了超声稀释机理。研究表明,高能超声快速稀释烧结块是声空化与声流效应协同作用的结果。空化产生的瞬时高温可促进界面区域元素扩散,瞬时高压将裸露在界面上的长棒状的TiAl3击断,打破了烧结块的网状结构,并将其周围的高致密度的Al2O3和TiB2颗粒聚集区击碎。另一方面,声流引起的强烈搅拌作用减薄了过渡层,并使短棒状的TiAl3颗粒及Al2O3、TiB2微细颗粒均匀分布在熔体中。在上述分析基础上,建立了元素扩散模型和烧结块在锌铝合金中的稀释过程模型。
对高能超声稀释原位反应烧结块制备锌铝合金基复合材料过程进行了研究,简要分析了超声稀释机理。研究表明,高能超声快速稀释烧结块是声空化与声流效应协同作用的结果。空化产生的瞬时高温可促进界面区域元素扩散,瞬时高压将裸露在界面上的长棒状的TiAl3击断,打破了烧结块的网状结构,并将其周围的高致密度的Al2O3和TiB2颗粒聚集区击碎。另一方面,声流引起的强烈搅拌作用减薄了过渡层,并使短棒状的TiAl3颗粒及Al2O3、TiB2微细颗粒均匀分布在熔体中。在上述分析基础上,建立了元素扩散模型和烧结块在锌铝合金中的稀释过程模型。
2005, 22(6): 44-48.
摘要:
采用PZT作为基体材料,通过化学还原的方法制备了具有大位移驱动能力的复合结构型压电陶瓷。研究了其预制应力的分布,探索了还原制备工艺,测试了驱动性能。结果表明,复合结构的优化设计方案是,还原层厚度比率为0.3;与普通压电陶瓷驱动器相比,复合结构型PZT压电陶瓷具有较低的谐振频率,驱动位移量提高3倍多;还原层相结构中存在二次氧化的基体相,表明其还原工艺仍需改进。
采用PZT作为基体材料,通过化学还原的方法制备了具有大位移驱动能力的复合结构型压电陶瓷。研究了其预制应力的分布,探索了还原制备工艺,测试了驱动性能。结果表明,复合结构的优化设计方案是,还原层厚度比率为0.3;与普通压电陶瓷驱动器相比,复合结构型PZT压电陶瓷具有较低的谐振频率,驱动位移量提高3倍多;还原层相结构中存在二次氧化的基体相,表明其还原工艺仍需改进。
2005, 22(6): 49-53.
摘要:
采用Sol-Gel方法,通过快速热处理,在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备出Pb (Zr, Ti) O3成分梯度薄膜。用俄歇微探针能谱仪 (AES) 对制备的上梯度薄膜进行了成分深度分析,证实其成分梯度的存在。XRD分析表明,制备的梯度薄膜为四方结构和三方结构的复合结构,但其晶面存在一定的结构畸变。介电温谱测试表明,随着温度的升高,梯度薄膜出现一个铁电-铁电相变点和两个居里点,同时出现一定的频率弥散现象。不同偏压下电滞回线的测试表明,梯度薄膜表现出良好的铁电性质。热释电性能测试表明,梯度薄膜的热释电系数随着温度的升高逐渐增加,并且其热释电系数比每个单元的热释电系数大。
采用Sol-Gel方法,通过快速热处理,在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备出Pb (Zr, Ti) O3成分梯度薄膜。用俄歇微探针能谱仪 (AES) 对制备的上梯度薄膜进行了成分深度分析,证实其成分梯度的存在。XRD分析表明,制备的梯度薄膜为四方结构和三方结构的复合结构,但其晶面存在一定的结构畸变。介电温谱测试表明,随着温度的升高,梯度薄膜出现一个铁电-铁电相变点和两个居里点,同时出现一定的频率弥散现象。不同偏压下电滞回线的测试表明,梯度薄膜表现出良好的铁电性质。热释电性能测试表明,梯度薄膜的热释电系数随着温度的升高逐渐增加,并且其热释电系数比每个单元的热释电系数大。
2005, 22(6): 54-58.
摘要:
利用酸处理技术对CNT进行了改性处理。应用化学镀层法对改性后的CNT镀镍、铜及镍铜混合镀层技术进行了一系列研究。通过TG、XRD、SEM等分析表明,通过控制镀层处理的工艺条件,可以在CNT表面均匀原位生长出金属镀层,在一定条件下可形成纳米级稳定结构组成的镀层金属,而不同的金属材料形成的金相结构和分布状态有所不同。对镀层的碳纳米管材料采用四电极法和波导管法进行导电与电磁屏蔽性能测试,分析证明,复合金属镀层的电导率为17.3S/cm,电磁波屏蔽率为71dB,达到了目前国内外同类材料应用性能的优异水平。
利用酸处理技术对CNT进行了改性处理。应用化学镀层法对改性后的CNT镀镍、铜及镍铜混合镀层技术进行了一系列研究。通过TG、XRD、SEM等分析表明,通过控制镀层处理的工艺条件,可以在CNT表面均匀原位生长出金属镀层,在一定条件下可形成纳米级稳定结构组成的镀层金属,而不同的金属材料形成的金相结构和分布状态有所不同。对镀层的碳纳米管材料采用四电极法和波导管法进行导电与电磁屏蔽性能测试,分析证明,复合金属镀层的电导率为17.3S/cm,电磁波屏蔽率为71dB,达到了目前国内外同类材料应用性能的优异水平。
2005, 22(6): 59-65.
摘要:
采用原位反应铸造法制备了球状VCP增强Fe-C-Cr-V合金基复合材料。利用金相显微镜、扫描电子显微镜和X射线能谱分析对该复合材料的微观组织进行观察。结果表明:在含V 7%的Fe-C-Cr-V合金熔体中,熔炼温度1680℃时VC开始形成,在1750℃左右可以得到比较理想的球状VC颗粒;保温时间短,VC球化不明显,保温时间过长,球状VC颗粒易长大;保温时间控制在5min,可得到理想的弥散分布的球状VC颗粒;向合金熔体中加入稀土或球化剂可以促进VC的球化。对合金体系中球状碳化物的形成机理也进行了探讨。
采用原位反应铸造法制备了球状VCP增强Fe-C-Cr-V合金基复合材料。利用金相显微镜、扫描电子显微镜和X射线能谱分析对该复合材料的微观组织进行观察。结果表明:在含V 7%的Fe-C-Cr-V合金熔体中,熔炼温度1680℃时VC开始形成,在1750℃左右可以得到比较理想的球状VC颗粒;保温时间短,VC球化不明显,保温时间过长,球状VC颗粒易长大;保温时间控制在5min,可得到理想的弥散分布的球状VC颗粒;向合金熔体中加入稀土或球化剂可以促进VC的球化。对合金体系中球状碳化物的形成机理也进行了探讨。
2005, 22(6): 66-71.
摘要:
用球盘式摩擦试验机及原子力显微镜在大气中常温下对YBa2Cu3O7 (YBCO) 高温超导试样的宏观和微观摩擦学特性进行了研究,并与Cu基固体润滑复合材料进行比较。结果表明:对于Cu基复合材料,固体润滑剂含量不足将使摩擦系数增大,含量过高将导致磨损增大,含40％固体润滑剂的4060Cu在几种载荷和速度下都表现出很低的摩擦和磨损,而YBa2Cu3O7的摩擦系数与4060Cu相似,磨损率却只有其1/2。XRD及TEM的检测结果表明:YBa2Cu3O7结构中的CuO层结合较弱,在剪切应力的作用下易滑移,对外表现出较低的摩擦。基体中含Y2O3较多的YBa2Cu3O7相阻碍位错滑移,强化基体,使其耐磨性能大幅提高。用粉末熔化法制备的样品中Y2O3颗粒更细小、弥散,其耐磨性更好。
用球盘式摩擦试验机及原子力显微镜在大气中常温下对YBa2Cu3O7 (YBCO) 高温超导试样的宏观和微观摩擦学特性进行了研究,并与Cu基固体润滑复合材料进行比较。结果表明:对于Cu基复合材料,固体润滑剂含量不足将使摩擦系数增大,含量过高将导致磨损增大,含40％固体润滑剂的4060Cu在几种载荷和速度下都表现出很低的摩擦和磨损,而YBa2Cu3O7的摩擦系数与4060Cu相似,磨损率却只有其1/2。XRD及TEM的检测结果表明:YBa2Cu3O7结构中的CuO层结合较弱,在剪切应力的作用下易滑移,对外表现出较低的摩擦。基体中含Y2O3较多的YBa2Cu3O7相阻碍位错滑移,强化基体,使其耐磨性能大幅提高。用粉末熔化法制备的样品中Y2O3颗粒更细小、弥散,其耐磨性更好。
2005, 22(6): 72-79.
摘要:
研究了催化型固化剂用量对双酚A型环氧树脂体系粘度变化的影响规律。根据对树脂固化特性和等温粘度曲线的分析,建立了树脂体系的工程粘度模型。该模型能够有效地预测体系的粘度-时间-温度关系,反映了固化剂用量对固化过程中体系粘度变化的影响规律,为复合材料成型工艺模拟分析及工艺参数的准确制定奠定了基础。
研究了催化型固化剂用量对双酚A型环氧树脂体系粘度变化的影响规律。根据对树脂固化特性和等温粘度曲线的分析,建立了树脂体系的工程粘度模型。该模型能够有效地预测体系的粘度-时间-温度关系,反映了固化剂用量对固化过程中体系粘度变化的影响规律,为复合材料成型工艺模拟分析及工艺参数的准确制定奠定了基础。
2005, 22(6): 80-84.
摘要:
用水解沉淀法合成了纳米Fe3O4粒子,并在其悬浮液中原位包覆聚苯胺,制备出纳米Fe3O4/聚苯胺复合粒子。研究了两种纳米粒子在交变磁场下的发热性能,对它们在定向集热治疗肿瘤中的应用前景进行了评价。纳米Fe3O4粒子的粒径为10~30nm,表面包覆聚苯胺后,复合粒子的粒径为30~50nm。纳米Fe3O4粒子的比饱和磁化强度为50.05Am2/kg,矫顽力为10.9kA/m;纳米Fe3O4/聚苯胺复合粒子的比饱和磁化强度为26.34Am2/kg,矫顽力为0。在10mg/mL的生理盐水悬浮液中,在外加交变磁场作用30min后,纳米Fe3O4粒子悬浮液的温度为63.6℃,纳米Fe3O4/聚苯胺悬浮液的温度为52.4℃,二者均达到了医学上定向集热治疗肿瘤用热籽的发热要求,是很有应用前景的医用纳米材料。
用水解沉淀法合成了纳米Fe3O4粒子,并在其悬浮液中原位包覆聚苯胺,制备出纳米Fe3O4/聚苯胺复合粒子。研究了两种纳米粒子在交变磁场下的发热性能,对它们在定向集热治疗肿瘤中的应用前景进行了评价。纳米Fe3O4粒子的粒径为10~30nm,表面包覆聚苯胺后,复合粒子的粒径为30~50nm。纳米Fe3O4粒子的比饱和磁化强度为50.05Am2/kg,矫顽力为10.9kA/m;纳米Fe3O4/聚苯胺复合粒子的比饱和磁化强度为26.34Am2/kg,矫顽力为0。在10mg/mL的生理盐水悬浮液中,在外加交变磁场作用30min后,纳米Fe3O4粒子悬浮液的温度为63.6℃,纳米Fe3O4/聚苯胺悬浮液的温度为52.4℃,二者均达到了医学上定向集热治疗肿瘤用热籽的发热要求,是很有应用前景的医用纳米材料。
2005, 22(6): 85-90.
摘要:
为深入研究复合材料界面特性,分析复合材料界面改性机理,采用原子力显微镜以力调制模式研究了单向碳纤维/聚芳基乙炔 (CF/PAA) 复合材料横截面的表面形貌和硬度,得到了材料中各相的形态、分布和相对硬度等信息。通过对硬度图像进行统计学分析得到材料表面硬度分布直方图,对不同方法改性后的复合材料界面相特性进行了分析和比较。研究表明,CF未经表面改性处理时,复合材料中无明显的界面相出现,氧化处理后界面上出现硬度变化区域,界面相结构变得复杂,氧化结合高碳酚醛涂层处理后可以获得更为完善的界面相,在纤维与基体间形成一个模量适中的过渡区域,使材料的界面力学性能显著提高。
为深入研究复合材料界面特性,分析复合材料界面改性机理,采用原子力显微镜以力调制模式研究了单向碳纤维/聚芳基乙炔 (CF/PAA) 复合材料横截面的表面形貌和硬度,得到了材料中各相的形态、分布和相对硬度等信息。通过对硬度图像进行统计学分析得到材料表面硬度分布直方图,对不同方法改性后的复合材料界面相特性进行了分析和比较。研究表明,CF未经表面改性处理时,复合材料中无明显的界面相出现,氧化处理后界面上出现硬度变化区域,界面相结构变得复杂,氧化结合高碳酚醛涂层处理后可以获得更为完善的界面相,在纤维与基体间形成一个模量适中的过渡区域,使材料的界面力学性能显著提高。
2005, 22(6): 91-97.
摘要:
提出了一种基于界面更新的RTM充模分析的自适应隐式控制体积法。该隐式方法的迭代方法只对已注满结点进行求解,然后更新界面结点的体积函数以便决定是否要更新界面。依据"一时间步,一单元层"的思想,采用最小二乘递推法估算隐式方法的时间步长,并依据压力估算每个控制体积的半注满时间,从而可以重构任何时间的流动前锋。计算表明,本文方法极大地提高了隐式方法的适用性,并把RTM充模数值模拟的计算时间复杂度降到结点数的2阶。
提出了一种基于界面更新的RTM充模分析的自适应隐式控制体积法。该隐式方法的迭代方法只对已注满结点进行求解,然后更新界面结点的体积函数以便决定是否要更新界面。依据"一时间步,一单元层"的思想,采用最小二乘递推法估算隐式方法的时间步长,并依据压力估算每个控制体积的半注满时间,从而可以重构任何时间的流动前锋。计算表明,本文方法极大地提高了隐式方法的适用性,并把RTM充模数值模拟的计算时间复杂度降到结点数的2阶。
2005, 22(6): 98-102.
摘要:
以PES/PVC膜材料单轴向拉伸试验为研究基础,对膜材料的0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°七个面内方向上的拉伸试验特征进行了分析,证明了采用三次加载后的应力-应变曲线可以用来描述膜材料的弹性力学性质,且测得的膜材料弹性常数符合正交各向异性本构关系。为获得膜材料在复杂应力状态下的断裂强度,对膜材料拉伸断裂破坏的机理及适用的相关强度准则进行了讨论。结果表明,利用Tsai-Hill强度准则能对纯拉或纯剪切型破坏模式下的膜材料断裂强度做出较好的预测,但该准则不适合对拉剪混合型破坏模式下膜材料断裂强度的预测。
以PES/PVC膜材料单轴向拉伸试验为研究基础,对膜材料的0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°七个面内方向上的拉伸试验特征进行了分析,证明了采用三次加载后的应力-应变曲线可以用来描述膜材料的弹性力学性质,且测得的膜材料弹性常数符合正交各向异性本构关系。为获得膜材料在复杂应力状态下的断裂强度,对膜材料拉伸断裂破坏的机理及适用的相关强度准则进行了讨论。结果表明,利用Tsai-Hill强度准则能对纯拉或纯剪切型破坏模式下的膜材料断裂强度做出较好的预测,但该准则不适合对拉剪混合型破坏模式下膜材料断裂强度的预测。
2005, 22(6): 103-107.
摘要:
对碳纤维复合材料内孔隙的微观形态进行了观察和图像分析,并对孔隙的形态特征进行了统计分析。结果表明,在碳纤维复合材料中孔隙大多发生在层间,而且会沿层间发展,孔隙的面积和长度都会随孔隙率的增加而增加。孔隙率越大孔隙的宽长比越小,形状越细;而孔隙率越小孔隙的宽长比则越大,形状更加接近圆形,而且分布比较分散。
对碳纤维复合材料内孔隙的微观形态进行了观察和图像分析,并对孔隙的形态特征进行了统计分析。结果表明,在碳纤维复合材料中孔隙大多发生在层间,而且会沿层间发展,孔隙的面积和长度都会随孔隙率的增加而增加。孔隙率越大孔隙的宽长比越小,形状越细;而孔隙率越小孔隙的宽长比则越大,形状更加接近圆形,而且分布比较分散。
2005, 22(6): 108-113.
摘要:
为改善环氧树脂与液氧的相容性,研究了环氧／溴环氧／氰酸酯树脂三元共固化体系,并探讨了2-乙基-4-甲基咪唑 ( 2E4MZ ) 对于共固化体系的促进作用。实验发现,2E4MZ可以显著降低共固化体系在不同温度下的凝胶时间。采用傅立叶红外光谱跟踪固化过程,结果表明,无论在环氧基团过量还是氰酸酯基团过量情况下,2E4MZ均能够明显加快固化反应速度,同时增大固化产物中共聚产物的比例,提高反应的选择性。热分析、闪点和氧指数以及液氧冲击试验结果表明,2E4MZ促进的较低氰酸酯含量的共固化体系具有较好的抗氧化和阻燃性能,与液氧的相容性也得到较大幅度改善。采用咪唑促进这种相对简单有效的改性途径,可得到与液氧相容性较好的、综合性能理想、成本合理的环氧树脂体系。
为改善环氧树脂与液氧的相容性,研究了环氧／溴环氧／氰酸酯树脂三元共固化体系,并探讨了2-乙基-4-甲基咪唑 ( 2E4MZ ) 对于共固化体系的促进作用。实验发现,2E4MZ可以显著降低共固化体系在不同温度下的凝胶时间。采用傅立叶红外光谱跟踪固化过程,结果表明,无论在环氧基团过量还是氰酸酯基团过量情况下,2E4MZ均能够明显加快固化反应速度,同时增大固化产物中共聚产物的比例,提高反应的选择性。热分析、闪点和氧指数以及液氧冲击试验结果表明,2E4MZ促进的较低氰酸酯含量的共固化体系具有较好的抗氧化和阻燃性能,与液氧的相容性也得到较大幅度改善。采用咪唑促进这种相对简单有效的改性途径,可得到与液氧相容性较好的、综合性能理想、成本合理的环氧树脂体系。
2005, 22(6): 114-119.
摘要:
采用压制成型方法制备了碳纤维硫铝酸盐水泥基复合材料 ( Carbon Fiber Reinforced Sulphoaluminate Cement,简称CFRS ) 。用XRD和孔结构分析仪对复合材料的物相和孔径与孔体积的关系进行了分析,研究了不同碳纤维掺量对复合材料在单调压应力和循环压应力下的机敏性能的影响。XRD和孔结构分析研究结果表明,压制成形的试样水化14天硫铝酸盐水泥水化仍不完全,试样结构致密,孔隙率较小,孔径基本小于0.9μm;单调压应力下机敏测试性能表明,碳纤维掺量为0.3％和0.5％的CFRS试样电容变化率与压应力近似成线性关系,机敏性能较好;循环压应力下碳纤维掺量为0.7％的CFRS试样电容变化率与循环压应力成一一对应关系,表现出较好的机敏特性。
采用压制成型方法制备了碳纤维硫铝酸盐水泥基复合材料 ( Carbon Fiber Reinforced Sulphoaluminate Cement,简称CFRS ) 。用XRD和孔结构分析仪对复合材料的物相和孔径与孔体积的关系进行了分析,研究了不同碳纤维掺量对复合材料在单调压应力和循环压应力下的机敏性能的影响。XRD和孔结构分析研究结果表明,压制成形的试样水化14天硫铝酸盐水泥水化仍不完全,试样结构致密,孔隙率较小,孔径基本小于0.9μm;单调压应力下机敏测试性能表明,碳纤维掺量为0.3％和0.5％的CFRS试样电容变化率与压应力近似成线性关系,机敏性能较好;循环压应力下碳纤维掺量为0.7％的CFRS试样电容变化率与循环压应力成一一对应关系,表现出较好的机敏特性。
2005, 22(6): 120-124.
摘要:
为完善和发展GFWRP管增强混凝土柱的设计与计算理论,设计并制备了不同管径、壁厚及缠绕角的GWFRP管混凝土柱试件。进行了轴心压缩试验并对试验结果回归分析,得到GFWRP管混凝土柱轴心压缩过程中转折点及峰值点的泊松比变化方程和相应的应变预测公式,得到组合结构轴压全过程的泊松比变化预测方程。可由给定的组分材料性能预测组合构件的极限泊松比和极限应变,达到预测实际工程中GFWRP管混凝土柱抗力与变形性能的目的。通过试验及计算结果对GFWRP管混凝土与传统钢管混凝土的泊松比变化趋势进行了对比分析,发现两者变化规律完全不同。进一步探讨了GFWRP约束管的纤维缠绕角对组合结构轴压泊松比的影响。结果表明,纤维缠绕角与轴压泊松比近似成反比关系。为制定合理的GFWRP复合材料增强混凝土柱规范提供了理论依据。
为完善和发展GFWRP管增强混凝土柱的设计与计算理论,设计并制备了不同管径、壁厚及缠绕角的GWFRP管混凝土柱试件。进行了轴心压缩试验并对试验结果回归分析,得到GFWRP管混凝土柱轴心压缩过程中转折点及峰值点的泊松比变化方程和相应的应变预测公式,得到组合结构轴压全过程的泊松比变化预测方程。可由给定的组分材料性能预测组合构件的极限泊松比和极限应变,达到预测实际工程中GFWRP管混凝土柱抗力与变形性能的目的。通过试验及计算结果对GFWRP管混凝土与传统钢管混凝土的泊松比变化趋势进行了对比分析,发现两者变化规律完全不同。进一步探讨了GFWRP约束管的纤维缠绕角对组合结构轴压泊松比的影响。结果表明,纤维缠绕角与轴压泊松比近似成反比关系。为制定合理的GFWRP复合材料增强混凝土柱规范提供了理论依据。
2005, 22(6): 125-129.
摘要:
通过三维动力学有限元法,采用空间杆单元来描述缝线,结合试验系统地研究了缝合复合材料的低速冲击损伤问题。采用修正的赫兹接触定律计算冲击接触力,NewMark直接积分法求解运动方程,求解冲击过程中的应力应变;在Chang和Hou等的分层扩展准则基础上,提出一修正的分层扩展准则并考虑纤维断裂,建立了分析低速冲击损伤面积的方法;对相同铺层的缝合与未缝合复合材料层板进行了低速冲击试验。分析结果与实验结果具有良好的一致性,证明本文中提出的修正的分层扩展准则是正确的。计算及试验结果均表明,在相同冲击能量作用下,缝合使冲击损伤面积明显减小。
通过三维动力学有限元法,采用空间杆单元来描述缝线,结合试验系统地研究了缝合复合材料的低速冲击损伤问题。采用修正的赫兹接触定律计算冲击接触力,NewMark直接积分法求解运动方程,求解冲击过程中的应力应变;在Chang和Hou等的分层扩展准则基础上,提出一修正的分层扩展准则并考虑纤维断裂,建立了分析低速冲击损伤面积的方法;对相同铺层的缝合与未缝合复合材料层板进行了低速冲击试验。分析结果与实验结果具有良好的一致性,证明本文中提出的修正的分层扩展准则是正确的。计算及试验结果均表明,在相同冲击能量作用下,缝合使冲击损伤面积明显减小。
2005, 22(6): 130-134.
摘要:
从三维弹性理论及压电压磁理论出发,导出有限长磁电效应层合板的动力学方程。采用幂级数法,通过处理得到一种比较简便的求解。分析了压电-压磁层合板分别作为动作片和感知片时对振动频率的影响。单层压电板的计算结果与前人结果相近。分析了磁性材料厚度等参数对复合材料板自由振动频率的影响。结果表明,不同排列方式下频率相近,体积分数在25%~75%之间时,频率变化平缓。
从三维弹性理论及压电压磁理论出发,导出有限长磁电效应层合板的动力学方程。采用幂级数法,通过处理得到一种比较简便的求解。分析了压电-压磁层合板分别作为动作片和感知片时对振动频率的影响。单层压电板的计算结果与前人结果相近。分析了磁性材料厚度等参数对复合材料板自由振动频率的影响。结果表明,不同排列方式下频率相近,体积分数在25%~75%之间时,频率变化平缓。
2005, 22(6): 135-138.
摘要:
比较了缝纫、无缝纫层合板力学性能差异,同时考虑了缝纫引起的厚度变化。通过拉伸、压缩试验研究了缝纫对层合板及含孔板的拉伸、压缩强度和破坏机理的影响。研究结果表明,缝纫带来的厚度变化影响了面内纤维体积含量,这对评定缝纫层合板力学性能至关重要。
比较了缝纫、无缝纫层合板力学性能差异,同时考虑了缝纫引起的厚度变化。通过拉伸、压缩试验研究了缝纫对层合板及含孔板的拉伸、压缩强度和破坏机理的影响。研究结果表明,缝纫带来的厚度变化影响了面内纤维体积含量,这对评定缝纫层合板力学性能至关重要。
2005, 22(6): 139-143.
摘要:
从基于小参数渐近展开和摄动方法的均匀化理论出发,给出了求解细观应力的数学表达式。通过有限元方法对三维编织复合材料的细观应力场进行数值模拟,并结合适当的强度准则对拉伸极限强度下单元的失效情况进行判断,得出材料强度的一种细观失效判据。通过该方法得到的应力计算结果与实验结论基本相符。
从基于小参数渐近展开和摄动方法的均匀化理论出发,给出了求解细观应力的数学表达式。通过有限元方法对三维编织复合材料的细观应力场进行数值模拟,并结合适当的强度准则对拉伸极限强度下单元的失效情况进行判断,得出材料强度的一种细观失效判据。通过该方法得到的应力计算结果与实验结论基本相符。
2005, 22(6): 144-149.
摘要:
通过拉伸 ( 含开孔拉伸 ) 、压缩 ( 含开孔压缩 ) 、面内剪切及冲击后压缩实验,获得了三维六向编织复合材料的主要力学性能参数。基于宏观实验,探讨了材料在拉伸、压缩及剪切载荷作用下的破坏模式和失效机理,分析了开孔类型 ( 机械孔、编织孔 ) 对材料拉、压性能的影响并研究了冲击对材料压缩性能的影响。所获结果为进一步研究三维六向编织复合材料的刚度、强度预报奠定了基础。
通过拉伸 ( 含开孔拉伸 ) 、压缩 ( 含开孔压缩 ) 、面内剪切及冲击后压缩实验,获得了三维六向编织复合材料的主要力学性能参数。基于宏观实验,探讨了材料在拉伸、压缩及剪切载荷作用下的破坏模式和失效机理,分析了开孔类型 ( 机械孔、编织孔 ) 对材料拉、压性能的影响并研究了冲击对材料压缩性能的影响。所获结果为进一步研究三维六向编织复合材料的刚度、强度预报奠定了基础。
2005, 22(6): 150-155.
摘要:
提出了一种基于动力有限元分析和神经网络相结合的含分层损伤层合板的诊断方法。采用作者发展的含分层损伤层合板的动力有限元分析模型和方法,计算了具有不同分层长度损伤层合板的频率和模态阻尼值,以此建立样本库。应用反向传播BP神经网络训练和形成网络。典型含层间分层损伤层合板的仿真结果表明,采用对损伤变化较为灵敏的高阶模态阻尼作为网络的输入参数进行分层损伤诊断比常用的模态频率更为合理。本文中提出的是一种用于层合板的分层损伤诊断的有效和经济的方法。
提出了一种基于动力有限元分析和神经网络相结合的含分层损伤层合板的诊断方法。采用作者发展的含分层损伤层合板的动力有限元分析模型和方法,计算了具有不同分层长度损伤层合板的频率和模态阻尼值,以此建立样本库。应用反向传播BP神经网络训练和形成网络。典型含层间分层损伤层合板的仿真结果表明,采用对损伤变化较为灵敏的高阶模态阻尼作为网络的输入参数进行分层损伤诊断比常用的模态频率更为合理。本文中提出的是一种用于层合板的分层损伤诊断的有效和经济的方法。
2005, 22(6): 156-164.
摘要:
研究无限长条板中粘弹性-弹性界面Griffith裂纹在 Ⅰ 型突加载荷作用下,裂纹尖端动态应力强度因子的时间响应。利用积分变换方法、Fourier和Laplace变换,分别推导出了弹性和粘弹性问题的控制方程组;引入位错密度函数,并结合边界条件,导出了反映裂纹尖端奇异性的Cauchy型奇异积分方程组,运用Chebyshev正交多项式化奇异积分方程组为代数方程组,用配点法进行求解;最后用Laplace积分变换数值反演方法,将拉氏域内的解反演到时间域内,求得动态应力强度因子的时间响应,并对材料参数的影响进行了分析。结果表明,剪切松弛参量对 Ⅰ 型动应力强度因子的影响小于对 Ⅱ 型的影响,而膨胀松弛参量对 Ⅰ 型动应力强度因子的影响大于对 Ⅱ 型的影响。
研究无限长条板中粘弹性-弹性界面Griffith裂纹在 Ⅰ 型突加载荷作用下,裂纹尖端动态应力强度因子的时间响应。利用积分变换方法、Fourier和Laplace变换,分别推导出了弹性和粘弹性问题的控制方程组;引入位错密度函数,并结合边界条件,导出了反映裂纹尖端奇异性的Cauchy型奇异积分方程组,运用Chebyshev正交多项式化奇异积分方程组为代数方程组,用配点法进行求解;最后用Laplace积分变换数值反演方法,将拉氏域内的解反演到时间域内,求得动态应力强度因子的时间响应,并对材料参数的影响进行了分析。结果表明,剪切松弛参量对 Ⅰ 型动应力强度因子的影响小于对 Ⅱ 型的影响,而膨胀松弛参量对 Ⅰ 型动应力强度因子的影响大于对 Ⅱ 型的影响。
2005, 22(6): 165-171.
摘要:
基于Kirchhoff均匀各向异性板控制方程的等效积分弱形式和对挠度函数采用移动最小二乘近似函数进行插值, 进一步研究无网格局部Petrov-Galerkin方法在纤维增强对称层合板弯曲问题中的应用。该方法不需要任何形式的网格划分, 所有的积分都在规则形状的子域及其边界上进行,其问题的本质边界条件采用罚因子法来施加。通过数值算例和与其他方法的结果比较, 表明无网格局部Petrov-Galerkin法求解层合薄板弯曲问题具有解的精度高、收敛性好等一系列优点。
基于Kirchhoff均匀各向异性板控制方程的等效积分弱形式和对挠度函数采用移动最小二乘近似函数进行插值, 进一步研究无网格局部Petrov-Galerkin方法在纤维增强对称层合板弯曲问题中的应用。该方法不需要任何形式的网格划分, 所有的积分都在规则形状的子域及其边界上进行,其问题的本质边界条件采用罚因子法来施加。通过数值算例和与其他方法的结果比较, 表明无网格局部Petrov-Galerkin法求解层合薄板弯曲问题具有解的精度高、收敛性好等一系列优点。
2005, 22(6): 172-177.
摘要:
以典型的卫星桁架结构接头为研究对象,利用三维或二维半编织技术和三维有限元分析技术,对碳纤维增强复合材料接头进行了结构设计、试验测试和数值分析。同时对用特殊编织技术制成的复合材料接头进行了拉伸、压缩和弯曲试验,并对实验结果进行有限元分析和处理。结果显示,接头的断裂强度为400MPa,理论预测断裂位置与试验结果吻合。卫星天线桁架接头用复合材料代替某些航天航空材料是可行的。
以典型的卫星桁架结构接头为研究对象,利用三维或二维半编织技术和三维有限元分析技术,对碳纤维增强复合材料接头进行了结构设计、试验测试和数值分析。同时对用特殊编织技术制成的复合材料接头进行了拉伸、压缩和弯曲试验,并对实验结果进行有限元分析和处理。结果显示,接头的断裂强度为400MPa,理论预测断裂位置与试验结果吻合。卫星天线桁架接头用复合材料代替某些航天航空材料是可行的。
2005, 22(6): 178-182.
摘要:
如何确定预制件的结构参数与复合材料厚度之间的数量关系是设计人员面临的一个难题。对三维机织复合材料横截面图像细观结构进行观察分析。结果表明,决定三维机织复合材料厚度的部位在沿纬纱的中心线横截面处;经纱的横截面呈长方形;纬纱的纵向轨迹呈直线形。基于细观结构导出了用预制件结构设计参数表示的复合材料厚度计算公式,用算例验证了公式的正确性。验证结果表明,复合材料厚度计算公式正确,具有实用性。
如何确定预制件的结构参数与复合材料厚度之间的数量关系是设计人员面临的一个难题。对三维机织复合材料横截面图像细观结构进行观察分析。结果表明,决定三维机织复合材料厚度的部位在沿纬纱的中心线横截面处;经纱的横截面呈长方形;纬纱的纵向轨迹呈直线形。基于细观结构导出了用预制件结构设计参数表示的复合材料厚度计算公式,用算例验证了公式的正确性。验证结果表明,复合材料厚度计算公式正确,具有实用性。
