2007年 第24卷 第1期
2007, 24(1): 12-12.
摘要:
复合化是新材料的重要发展方向, 先进复合材料已经成为航空航天结构的基本材料之一。本文中阐述了先进复合材料在航空航天领域的应用需求和现状, 介绍了诸如点阵、 纳米、 多功能复合材料与结构等研发热点和前沿技术, 并讨论了其研发与应用趋势。最后, 重点讨论了复合材料的原材料技术、 低成本技术、 设计/评价一体化技术等亟待解决的问题。
复合化是新材料的重要发展方向, 先进复合材料已经成为航空航天结构的基本材料之一。本文中阐述了先进复合材料在航空航天领域的应用需求和现状, 介绍了诸如点阵、 纳米、 多功能复合材料与结构等研发热点和前沿技术, 并讨论了其研发与应用趋势。最后, 重点讨论了复合材料的原材料技术、 低成本技术、 设计/评价一体化技术等亟待解决的问题。
2007, 24(1): 13-17.
摘要:
用SEM分别对不同配比的热塑/热固(TP/TS)原位共混增韧体系和"离位"增韧体系的浇注体固化后的相形貌进行了观察。结果显示: 对于共混增韧体系, 当热塑性树脂含量为16.7％~20.0%时体系发生相反转。通过对发生相反转体系的热固性颗粒尺寸的统计分析可知, 随着TP含量的增加, 热固性颗粒的粒子直径越来越小, 且粒子直径的分散性也越来越小; 在统计分析结果的基础上由数学分析给出了粒子直径与TP含量的经验关系式, 由该经验式可知, 热固性粒子直径的上下限分别是1.838μm和0.925μm, 对应的质量分数分别约为16.0％和39.0％。对"离位"增韧的相形貌进行了分析, "离位"增韧体系形成了增韧层-过渡层-本体层的复合结构。TP含量在增韧层保持较高水平, 在过渡层中迅速降低, 在本体层中几乎不存在; 同时为达到较好的增韧效果, 过渡层厚度不应超过增韧层厚度。
用SEM分别对不同配比的热塑/热固(TP/TS)原位共混增韧体系和"离位"增韧体系的浇注体固化后的相形貌进行了观察。结果显示: 对于共混增韧体系, 当热塑性树脂含量为16.7％~20.0%时体系发生相反转。通过对发生相反转体系的热固性颗粒尺寸的统计分析可知, 随着TP含量的增加, 热固性颗粒的粒子直径越来越小, 且粒子直径的分散性也越来越小; 在统计分析结果的基础上由数学分析给出了粒子直径与TP含量的经验关系式, 由该经验式可知, 热固性粒子直径的上下限分别是1.838μm和0.925μm, 对应的质量分数分别约为16.0％和39.0％。对"离位"增韧的相形貌进行了分析, "离位"增韧体系形成了增韧层-过渡层-本体层的复合结构。TP含量在增韧层保持较高水平, 在过渡层中迅速降低, 在本体层中几乎不存在; 同时为达到较好的增韧效果, 过渡层厚度不应超过增韧层厚度。
2007, 24(1): 18-21.
摘要:
RTM为闭模成型工艺, 难以观察到模腔内树脂的充模与固化反应过程。利用介电分析仪对RTM工艺进行在线监测, 测得了树脂固化过程中不同模具温度下树脂反应的温度及离子导电率、 不同纤维含量条件下的介电常数以及不同纤维织物方式下的离子导电率。实验结果表明: 固化反应放热使复合材料局部温度升高, 并形成复杂的温度梯度分布; 在较高温度和较低纤维含量条件下, 离子导电率变化较快, 对树脂固化反应的影响较大; 不同织物方式的玻璃纤维对离子导电率也有一定的影响, 玻璃纤维复合毡比方格布影响大。
RTM为闭模成型工艺, 难以观察到模腔内树脂的充模与固化反应过程。利用介电分析仪对RTM工艺进行在线监测, 测得了树脂固化过程中不同模具温度下树脂反应的温度及离子导电率、 不同纤维含量条件下的介电常数以及不同纤维织物方式下的离子导电率。实验结果表明: 固化反应放热使复合材料局部温度升高, 并形成复杂的温度梯度分布; 在较高温度和较低纤维含量条件下, 离子导电率变化较快, 对树脂固化反应的影响较大; 不同织物方式的玻璃纤维对离子导电率也有一定的影响, 玻璃纤维复合毡比方格布影响大。
2007, 24(1): 22-27.
摘要:
采用三点弯曲法和数字化冲击仪, 研究了纤维分布均匀性对T300/BMP316复合材料弯曲和冲击性能的影响, 用有限元方法分析了纤维分布不均匀复合材料弯曲变形时的应力分布, 提出了用纤维分布效应系数R来评价纤维分布不匀复合材料的性能。结果表明, 纤维分布不均使T300/BMP316复合材料的弯曲性能和冲击性能强烈地受到纤维分布方式和载荷方向的影响, 纤维分布效应系数R反映了纤维分布与性能的关系。
采用三点弯曲法和数字化冲击仪, 研究了纤维分布均匀性对T300/BMP316复合材料弯曲和冲击性能的影响, 用有限元方法分析了纤维分布不均匀复合材料弯曲变形时的应力分布, 提出了用纤维分布效应系数R来评价纤维分布不匀复合材料的性能。结果表明, 纤维分布不均使T300/BMP316复合材料的弯曲性能和冲击性能强烈地受到纤维分布方式和载荷方向的影响, 纤维分布效应系数R反映了纤维分布与性能的关系。
2007, 24(1): 28-33.
摘要:
提出了一种新的炭纤维表面改性方法——分子自组装, 即在表面金属化的炭纤维上进行有机分子的自组装。表面增强拉曼散射光谱 (SERS)分析证实了含氮或含硫的芳杂环化合物化学吸附在银的表面, 并形成了平躺取向的自组装膜结构。X射线光电子能谱 (XPS)测试进一步证实了自组装膜通过S或N原子和Ag形成配位共价键吸附在炭纤维表面。表面经组装改性后的炭纤维和环氧复合后界面粘结强度得到了不同程度的提高, 揭示了界面区域微观结构与性能的关系。
提出了一种新的炭纤维表面改性方法——分子自组装, 即在表面金属化的炭纤维上进行有机分子的自组装。表面增强拉曼散射光谱 (SERS)分析证实了含氮或含硫的芳杂环化合物化学吸附在银的表面, 并形成了平躺取向的自组装膜结构。X射线光电子能谱 (XPS)测试进一步证实了自组装膜通过S或N原子和Ag形成配位共价键吸附在炭纤维表面。表面经组装改性后的炭纤维和环氧复合后界面粘结强度得到了不同程度的提高, 揭示了界面区域微观结构与性能的关系。
2007, 24(1): 34-39.
摘要:
为了改善Kevlar缝线缝合复合材料的耐湿热性能, 采用化学接枝烯丙基的方法对Kevlar缝合线进行表面改性处理。通过力学测试、 扫描电子显微镜(SEM)、 光电子能谱分析(XPS)对表面改性的纤维进行表征。实验结果表明, 化学处理的Kevlar缝线表面变得粗糙, 缝线表面氧元素的含量提高23%, 在合适的处理条件下, 缝线的拉伸强度降低很小。同时通过测试干、 湿态下炭纤维/双马来酰亚胺树脂缝合复合材料层压板的层间剪切强度, 研究了化学表面处理的Kevlar缝线对缝合炭纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料界面性能的影响。测试结果显示, 表面处理后Kevlar缝线缝合的复合材料的吸湿率降低约52%, 湿态层间剪切强度保持率提高15%。
为了改善Kevlar缝线缝合复合材料的耐湿热性能, 采用化学接枝烯丙基的方法对Kevlar缝合线进行表面改性处理。通过力学测试、 扫描电子显微镜(SEM)、 光电子能谱分析(XPS)对表面改性的纤维进行表征。实验结果表明, 化学处理的Kevlar缝线表面变得粗糙, 缝线表面氧元素的含量提高23%, 在合适的处理条件下, 缝线的拉伸强度降低很小。同时通过测试干、 湿态下炭纤维/双马来酰亚胺树脂缝合复合材料层压板的层间剪切强度, 研究了化学表面处理的Kevlar缝线对缝合炭纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料界面性能的影响。测试结果显示, 表面处理后Kevlar缝线缝合的复合材料的吸湿率降低约52%, 湿态层间剪切强度保持率提高15%。
2007, 24(1): 40-44.
摘要:
采用电弧驻点烧蚀实验方法, 测试了分别以细编穿刺毡和针刺无纬布整体毡为增强体的2种C/C复合材料的烧蚀率, 并用电子扫描显微镜观察了烧蚀表面形貌。结果表明: C/C复合材料的烧蚀由化学烧蚀和机械剥蚀共同控制, 以机械剥蚀为主; 细编穿刺毡结构C/C复合材料由于Z向纤维束的存在, 加速了材料烧蚀表面粗糙度的变化, 烧蚀率略高于针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料; 针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料中无纬布层与烧蚀气流垂直, 具有良好的烧蚀性能。
采用电弧驻点烧蚀实验方法, 测试了分别以细编穿刺毡和针刺无纬布整体毡为增强体的2种C/C复合材料的烧蚀率, 并用电子扫描显微镜观察了烧蚀表面形貌。结果表明: C/C复合材料的烧蚀由化学烧蚀和机械剥蚀共同控制, 以机械剥蚀为主; 细编穿刺毡结构C/C复合材料由于Z向纤维束的存在, 加速了材料烧蚀表面粗糙度的变化, 烧蚀率略高于针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料; 针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料中无纬布层与烧蚀气流垂直, 具有良好的烧蚀性能。
2007, 24(1): 45-52.
摘要:
用热重法研究了二维炭/炭(2D-C/C)复合材料的等温氧化, 提出了氧化动力学模型, 用SEM观察了样品不同氧化程度的微观形貌, 并探讨了材料的等温氧化机理。氧化分2个阶段: 线性氧化阶段, 氧化失重率小于约65%, 氧化速率处于稳定状态; 非线性氧化阶段, 氧化失重率约大于65%, 氧化速率急剧减小。Arrhenius曲线由折点在800~850℃之间的2条直线组成。线性氧化阶段, 活化能分别为217.2kJ/mol和157.0kJ/mol; 非线性氧化阶段, 反应级数分别为0.55和0.65, 活化能分别为219.3kJ/mol和182.0kJ/mol。通过实验验证, 氧化动力学模型可以较好地预测材料的恒温氧化。氧化从炭纤维与基体炭的界面开始, 基体氧化快于纤维, 氧化后期主要是纤维的氧化。在750~800℃, 氧化为化学反应控制; 在850~905℃, 氧化由化学反应和气体扩散共同控制, 但非线性氧化阶段气体扩散对氧化的贡献小于线性氧化阶段。
用热重法研究了二维炭/炭(2D-C/C)复合材料的等温氧化, 提出了氧化动力学模型, 用SEM观察了样品不同氧化程度的微观形貌, 并探讨了材料的等温氧化机理。氧化分2个阶段: 线性氧化阶段, 氧化失重率小于约65%, 氧化速率处于稳定状态; 非线性氧化阶段, 氧化失重率约大于65%, 氧化速率急剧减小。Arrhenius曲线由折点在800~850℃之间的2条直线组成。线性氧化阶段, 活化能分别为217.2kJ/mol和157.0kJ/mol; 非线性氧化阶段, 反应级数分别为0.55和0.65, 活化能分别为219.3kJ/mol和182.0kJ/mol。通过实验验证, 氧化动力学模型可以较好地预测材料的恒温氧化。氧化从炭纤维与基体炭的界面开始, 基体氧化快于纤维, 氧化后期主要是纤维的氧化。在750~800℃, 氧化为化学反应控制; 在850~905℃, 氧化由化学反应和气体扩散共同控制, 但非线性氧化阶段气体扩散对氧化的贡献小于线性氧化阶段。
2007, 24(1): 53-59.
摘要:
利用选区激光烧结制备了亚微米WC-10%Co颗粒增强Cu基复合材料。利用X射线衍射仪、 扫描电镜及原子力显微镜表征了激光烧结试样的显微组织。结果显示: WC增强颗粒或部分熔化且圆滑化, 或完全熔化且原位析出; 与基体具有连续相容的冶金结合界面。 研究了工艺参数(激光功率、 扫描速率、 铺粉厚度)对烧结试样组织及性能的影响。结果表明, 增加激光功率能改善增强颗粒与基体的界面结合性能。激光扫描速率大于0.05m/s 时, 能提高增强颗粒分散均匀性。铺粉厚度降至0.30mm以下, 有利于提高烧结成形致密度。
利用选区激光烧结制备了亚微米WC-10%Co颗粒增强Cu基复合材料。利用X射线衍射仪、 扫描电镜及原子力显微镜表征了激光烧结试样的显微组织。结果显示: WC增强颗粒或部分熔化且圆滑化, 或完全熔化且原位析出; 与基体具有连续相容的冶金结合界面。 研究了工艺参数(激光功率、 扫描速率、 铺粉厚度)对烧结试样组织及性能的影响。结果表明, 增加激光功率能改善增强颗粒与基体的界面结合性能。激光扫描速率大于0.05m/s 时, 能提高增强颗粒分散均匀性。铺粉厚度降至0.30mm以下, 有利于提高烧结成形致密度。
2007, 24(1): 60-64.
摘要:
以硼酸为保护剂, 通过在C-Cu复合丝表面涂覆一层硼酸试剂, 有效地解决了高温复合时镀铜层的氧化难题, 并通过XRD、 SEM和拉伸强度测试全面考察了硼酸的影响。实验结果表明, 硼酸的浓度为1.0%时铜镀层的氧化程度很小, 炭纤维在复合材料中分散均匀且与基体铝结合良好, 1.0%的硼酸用量对复合材料的力学性能没有任何影响。
以硼酸为保护剂, 通过在C-Cu复合丝表面涂覆一层硼酸试剂, 有效地解决了高温复合时镀铜层的氧化难题, 并通过XRD、 SEM和拉伸强度测试全面考察了硼酸的影响。实验结果表明, 硼酸的浓度为1.0%时铜镀层的氧化程度很小, 炭纤维在复合材料中分散均匀且与基体铝结合良好, 1.0%的硼酸用量对复合材料的力学性能没有任何影响。
2007, 24(1): 65-69.
摘要:
对采用熔体直接发泡法制备的SiCP /ZL104泡沫复合材料进行了阻尼性能和机理的分析。研究结果表明: 在孔径一定的条件下, SiCP/ZL104泡沫复合材料室温下的阻尼性能表现为损耗因子随着孔隙率的增大呈非线性递增趋势, 且递增幅度越来越小; SiCP/ZL104泡沫复合材料的阻尼性能好于相同孔隙率的泡沫铝、 SiCP/ZL104复合材料和ZL104的阻尼性能; SiCP/ZL104泡沫复合材料的损耗因子随着SiCP含量的增加和SiCP粒度的减小而增大。SiCP/ZL104泡沫复合材料内部的气泡以及高密度位错对其阻尼性能的提高起主要作用。
对采用熔体直接发泡法制备的SiCP /ZL104泡沫复合材料进行了阻尼性能和机理的分析。研究结果表明: 在孔径一定的条件下, SiCP/ZL104泡沫复合材料室温下的阻尼性能表现为损耗因子随着孔隙率的增大呈非线性递增趋势, 且递增幅度越来越小; SiCP/ZL104泡沫复合材料的阻尼性能好于相同孔隙率的泡沫铝、 SiCP/ZL104复合材料和ZL104的阻尼性能; SiCP/ZL104泡沫复合材料的损耗因子随着SiCP含量的增加和SiCP粒度的减小而增大。SiCP/ZL104泡沫复合材料内部的气泡以及高密度位错对其阻尼性能的提高起主要作用。
2007, 24(1): 70-74.
摘要:
以3TiO2+3C+(4+x)Al反应体系为对象, 直接燃烧合成致密的TiC-Al2O3-Al复合材料。着重研究了电场对该体系燃烧合成过程的影响。结果表明: 外加电场的焦耳热效应可提高体系的绝热燃烧温度, 从而突破燃烧合成反应的热力学限制; 电场可改变体系的燃烧合成反应的模式; 随着电场强度的增加, 自蔓延燃烧温度和速度均提高, 而合成材料组织中Al2O3和TiC晶粒尺寸逐渐减小; 当体系中过余Al量x为14mol、 外加电场强度E为25V/cm时, 可直接燃烧合成相对致密性为92.5%的TiC-Al2O3-Al复合材料, 且合成的Al2O3和TiC晶粒尺寸细小(0.2~1.0μm), 在金属Al中分布均匀。
以3TiO2+3C+(4+x)Al反应体系为对象, 直接燃烧合成致密的TiC-Al2O3-Al复合材料。着重研究了电场对该体系燃烧合成过程的影响。结果表明: 外加电场的焦耳热效应可提高体系的绝热燃烧温度, 从而突破燃烧合成反应的热力学限制; 电场可改变体系的燃烧合成反应的模式; 随着电场强度的增加, 自蔓延燃烧温度和速度均提高, 而合成材料组织中Al2O3和TiC晶粒尺寸逐渐减小; 当体系中过余Al量x为14mol、 外加电场强度E为25V/cm时, 可直接燃烧合成相对致密性为92.5%的TiC-Al2O3-Al复合材料, 且合成的Al2O3和TiC晶粒尺寸细小(0.2~1.0μm), 在金属Al中分布均匀。
2007, 24(1): 75-80.
摘要:
提出了一种将细观分析和宏观实验相结合的方法以测量纤维陶瓷基复合材料组分"原位"弹性模量, 即利用混合率和Evans等导出的加载后卸载-再加载应力-应变曲线迟滞回环和组分材料力学性能之间的关系, 反解出纤维的原位模量。将此方法成功地应用于C/SiC复合材料, 初步结果表明此方法是行之有效的, 还表明C/SiC复合材料中纤维的原位弹性模量有明显下降。
提出了一种将细观分析和宏观实验相结合的方法以测量纤维陶瓷基复合材料组分"原位"弹性模量, 即利用混合率和Evans等导出的加载后卸载-再加载应力-应变曲线迟滞回环和组分材料力学性能之间的关系, 反解出纤维的原位模量。将此方法成功地应用于C/SiC复合材料, 初步结果表明此方法是行之有效的, 还表明C/SiC复合材料中纤维的原位弹性模量有明显下降。
2007, 24(1): 81-85.
摘要:
利用溶胶-凝胶酸碱二步催化法和常压干燥法制备了掺有不同含量TiO2粉末、 自制SiO2干凝胶纳米粉末和微玻璃纤维的SiO2干凝胶。采用氮气吸附-脱附实验,由经典FHH方程计算得到各掺杂SiO2干凝胶的表面分形维数。比较研究了不同添加物对SiO2干凝胶密度、 孔结构和比表面积等的影响, 并根据de Boer理论判断了孔隙的形状。结果表明, 添加物不仅能够增强SiO2干凝胶的强度, 抑制湿凝胶干燥过程中的收缩, 而且能改变其孔隙结构和颗粒堆积方式。SiO2纳米颗粒能够降低SiO2干凝胶的比表面积, 且使其孔径分布逐渐变宽;而TiO2粉末和短切纤维, 能够提高SiO2干凝胶的比表面积, 最终获得的改性SiO2干凝胶最高比表面积可达1064.96m2/g。各个样品的表面分形维数均在2.4~2.5之间。
利用溶胶-凝胶酸碱二步催化法和常压干燥法制备了掺有不同含量TiO2粉末、 自制SiO2干凝胶纳米粉末和微玻璃纤维的SiO2干凝胶。采用氮气吸附-脱附实验,由经典FHH方程计算得到各掺杂SiO2干凝胶的表面分形维数。比较研究了不同添加物对SiO2干凝胶密度、 孔结构和比表面积等的影响, 并根据de Boer理论判断了孔隙的形状。结果表明, 添加物不仅能够增强SiO2干凝胶的强度, 抑制湿凝胶干燥过程中的收缩, 而且能改变其孔隙结构和颗粒堆积方式。SiO2纳米颗粒能够降低SiO2干凝胶的比表面积, 且使其孔径分布逐渐变宽;而TiO2粉末和短切纤维, 能够提高SiO2干凝胶的比表面积, 最终获得的改性SiO2干凝胶最高比表面积可达1064.96m2/g。各个样品的表面分形维数均在2.4~2.5之间。
2007, 24(1): 86-90.
摘要:
研究了Z-pin横向增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸和层间剪切性能。炭纤维平纹编织物和炭纤维Z-pin制备的预成型体, 通过化学气相渗透(CVI)工艺制成Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料。通过单轴拉伸试验及加-卸载试验研究材料拉伸力学性能参数及破坏规律。采用双切口压缩试验测试材料的层间剪切强度。结果表明, Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线具有非线性特性; Z-pin嵌入降低了平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸强度, 显著提高了陶瓷基复合材料层间剪切强度, 使原来单纯层间基体与织物表面的脱离转变为Z-pin的剪切破坏和层间基体与织物的脱离双重破坏机理。
研究了Z-pin横向增强平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸和层间剪切性能。炭纤维平纹编织物和炭纤维Z-pin制备的预成型体, 通过化学气相渗透(CVI)工艺制成Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料。通过单轴拉伸试验及加-卸载试验研究材料拉伸力学性能参数及破坏规律。采用双切口压缩试验测试材料的层间剪切强度。结果表明, Z-pin增强平纹编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线具有非线性特性; Z-pin嵌入降低了平纹编织陶瓷基复合材料的拉伸强度, 显著提高了陶瓷基复合材料层间剪切强度, 使原来单纯层间基体与织物表面的脱离转变为Z-pin的剪切破坏和层间基体与织物的脱离双重破坏机理。
2007, 24(1): 91-96.
摘要:
采用浆料法结合真空浸渗工艺, 制备了二维(2D)石英纤维增强多孔Si3N4-SiO2基复合材料。采用X射线衍射技术就粘结剂种类和氮化硅的加入对材料析晶性能的影响进行了分析, 采用扫描电镜对不同浸渗次数复合材料的截面和断口形貌进行了观察, 并采用裂纹偏转因子对复合材料断裂模式进行了分析。结果表明, 粘结剂中杂质Na+促进了石英析晶, 而Si3N4对石英析晶影响不大。增加浸渗次数虽不能有效提高复合材料强度, 但却使裂纹偏转因子变小, 断裂模式由韧性断裂向脆性断裂转变, 断口形貌由纤维成束拔出变为多级拔出。
采用浆料法结合真空浸渗工艺, 制备了二维(2D)石英纤维增强多孔Si3N4-SiO2基复合材料。采用X射线衍射技术就粘结剂种类和氮化硅的加入对材料析晶性能的影响进行了分析, 采用扫描电镜对不同浸渗次数复合材料的截面和断口形貌进行了观察, 并采用裂纹偏转因子对复合材料断裂模式进行了分析。结果表明, 粘结剂中杂质Na+促进了石英析晶, 而Si3N4对石英析晶影响不大。增加浸渗次数虽不能有效提高复合材料强度, 但却使裂纹偏转因子变小, 断裂模式由韧性断裂向脆性断裂转变, 断口形貌由纤维成束拔出变为多级拔出。
2007, 24(1): 97-103.
摘要:
以硝酸铝和正硅酸乙酯为主要原料制备稳定莫来石溶胶, 用浸渍包膜的工艺方法对钛酸铝(Al2TiO5, AT) 粉体进行包裹, 研究了溶胶性能及含量对钛酸铝粉体包裹效果及性能改善的影响。结果表明: 溶胶的浓度为0.18~0.30mol/L、 黏度在56~93mPa · s之间、 pH=3.0、 包膜厚为0.15~0.20μm时, 可得到包裹效果良好的莫来石-钛酸铝粉体, 制备出性能优良的莫来石-钛酸铝复合材料。复合材料的抗折强度为36~50MPa, 为钛酸铝材料强度的10~15倍, 复合材料的热膨胀系数为1.89~2.25×10-6/℃(室温至1000℃), 复合材料中的钛酸铝在1100℃/300h的热处理未发生分解。应用TG-DSC、 XRD、 SEM、 EPMA等对包膜前后莫来石粉体和复合材料粉体的热学行为、 形貌和成分进行研究, 探讨了性能与结构之间的关系。
以硝酸铝和正硅酸乙酯为主要原料制备稳定莫来石溶胶, 用浸渍包膜的工艺方法对钛酸铝(Al2TiO5, AT) 粉体进行包裹, 研究了溶胶性能及含量对钛酸铝粉体包裹效果及性能改善的影响。结果表明: 溶胶的浓度为0.18~0.30mol/L、 黏度在56~93mPa · s之间、 pH=3.0、 包膜厚为0.15~0.20μm时, 可得到包裹效果良好的莫来石-钛酸铝粉体, 制备出性能优良的莫来石-钛酸铝复合材料。复合材料的抗折强度为36~50MPa, 为钛酸铝材料强度的10~15倍, 复合材料的热膨胀系数为1.89~2.25×10-6/℃(室温至1000℃), 复合材料中的钛酸铝在1100℃/300h的热处理未发生分解。应用TG-DSC、 XRD、 SEM、 EPMA等对包膜前后莫来石粉体和复合材料粉体的热学行为、 形貌和成分进行研究, 探讨了性能与结构之间的关系。
2007, 24(1): 104-109.
摘要:
以聚硅氧烷类有机硅树脂YR3370(GE toshiba silicones)裂解生成的无定形Si<em>xO<em>yC<em>z陶瓷为基质, 以0.8μm SiC颗粒为非连续增强介质, 制备了一种SiC/Si<em>xO<em>yC<em>z非连续增强陶瓷基复合材料。含SiC颗粒50%的素坯在99.99%N2气流中于1100~1300℃下保温1h, 所制备的陶瓷基复合材料密度可达2.27g/cm3, 维氏硬度可达741kg/mm2。通过结构模拟和强度计算分析了SiC/Si<em>xO<em>yC<em>z陶瓷基复合材料的力学性能, 其结构特点是连续的无定形Si<em>xO<em>yC<em>z陶瓷基质包围着分散的作为非连续增强介质的SiC颗粒, 基质与增强介质之间具有合理的热匹配, 并且可以改善单一陶瓷材料的脆性。
以聚硅氧烷类有机硅树脂YR3370(GE toshiba silicones)裂解生成的无定形Si<em>xO<em>yC<em>z陶瓷为基质, 以0.8μm SiC颗粒为非连续增强介质, 制备了一种SiC/Si<em>xO<em>yC<em>z非连续增强陶瓷基复合材料。含SiC颗粒50%的素坯在99.99%N2气流中于1100~1300℃下保温1h, 所制备的陶瓷基复合材料密度可达2.27g/cm3, 维氏硬度可达741kg/mm2。通过结构模拟和强度计算分析了SiC/Si<em>xO<em>yC<em>z陶瓷基复合材料的力学性能, 其结构特点是连续的无定形Si<em>xO<em>yC<em>z陶瓷基质包围着分散的作为非连续增强介质的SiC颗粒, 基质与增强介质之间具有合理的热匹配, 并且可以改善单一陶瓷材料的脆性。
2007, 24(1): 110-115.
摘要:
采用共沉淀方法制备了纳米羟基磷灰石/壳聚糖-硫酸软骨素复合材料, 用XRD、 SEM、 EDS、 TGA及万能材料实验机等对材料性能进行了分析表征, 并观察了材料在模拟体液中培养后表面结构、 形态以及体系pH值的变化。结果表明: 纳米羟基磷灰石／壳聚糖-硫酸软骨素复合材料具有良好的力学性能, 对机体微环境影响微小、 表面矿化效果好,有良好的生物活性和生物相容性。当羟基磷灰石含量为50%时, 抗压强度为42.3MPa, 该复合材料可满足骨组织修复与替代的要求, 有望成为治疗骨缺损的承力替代物。
采用共沉淀方法制备了纳米羟基磷灰石/壳聚糖-硫酸软骨素复合材料, 用XRD、 SEM、 EDS、 TGA及万能材料实验机等对材料性能进行了分析表征, 并观察了材料在模拟体液中培养后表面结构、 形态以及体系pH值的变化。结果表明: 纳米羟基磷灰石／壳聚糖-硫酸软骨素复合材料具有良好的力学性能, 对机体微环境影响微小、 表面矿化效果好,有良好的生物活性和生物相容性。当羟基磷灰石含量为50%时, 抗压强度为42.3MPa, 该复合材料可满足骨组织修复与替代的要求, 有望成为治疗骨缺损的承力替代物。
2007, 24(1): 116-121.
摘要:
将Monte Carlo随机抽样方法与JC法相结合(称为Monte Carlo-JC法), 利用Matlab软件自带的随机数发生器编制了程序, 针对ACI 440.2R-02设计指南(称为ACI指南)中的FRP抗弯加固条款进行了较为系统的可靠度评估。可靠度分析结果表明: 混凝土强度f' c、 CFRP片材配筋率ρf及CFRP片材性能是影响抗力比值均值和标准差的3个主要因素; 可靠度指标的平均值随着折减系数的增大而逐步减小, 且随着荷载效应比值Ln/Dn的增大而减小。对所有可靠度指标进行统一考虑, 得到整体抗弯设计指标β0为4.40, 可见该指南的可靠度水平偏高。基于对抗力折减系数的参数研究结果, 无论钢筋的应变水平如何, 建议取固定值0.90。在所有相关设计指南中, ACI指南最具有代表性, 对该指南的可靠度评估具有普遍意义。
将Monte Carlo随机抽样方法与JC法相结合(称为Monte Carlo-JC法), 利用Matlab软件自带的随机数发生器编制了程序, 针对ACI 440.2R-02设计指南(称为ACI指南)中的FRP抗弯加固条款进行了较为系统的可靠度评估。可靠度分析结果表明: 混凝土强度f' c、 CFRP片材配筋率ρf及CFRP片材性能是影响抗力比值均值和标准差的3个主要因素; 可靠度指标的平均值随着折减系数的增大而逐步减小, 且随着荷载效应比值Ln/Dn的增大而减小。对所有可靠度指标进行统一考虑, 得到整体抗弯设计指标β0为4.40, 可见该指南的可靠度水平偏高。基于对抗力折减系数的参数研究结果, 无论钢筋的应变水平如何, 建议取固定值0.90。在所有相关设计指南中, ACI指南最具有代表性, 对该指南的可靠度评估具有普遍意义。
2007, 24(1): 122-126.
摘要:
采用切割-浇注法, 以硫铝酸盐水泥为基体, 制备了1-3型水泥基压电复合材料。详细阐述了1-3型水泥基压电复合材料的制备过程; 研究了0.375Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.375PbTiO3-0.25PbZrO3压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料的压电性能、 介电性能和声阻抗的影响。结果表明: 压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料性能有很大影响, 随着w/t的增加, 其压电应变常数d33、 机电耦合系数Kp与Kt、 机械品质因数Qm、 介电常数εr和介电损耗tanδ均随着w/t的增加而减小, 而压电电压常数g33值几乎不受w/t的影响。在压电陶瓷体积分数仅为22.72%的条件下, 调节压电陶瓷柱的宽厚比w/t至0.130, 可使复合材料的声阻抗与混凝土的声阻抗十分接近, 从而有效地解决了智能材料在土木工程中的声阻抗相容性问题。
采用切割-浇注法, 以硫铝酸盐水泥为基体, 制备了1-3型水泥基压电复合材料。详细阐述了1-3型水泥基压电复合材料的制备过程; 研究了0.375Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.375PbTiO3-0.25PbZrO3压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料的压电性能、 介电性能和声阻抗的影响。结果表明: 压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料性能有很大影响, 随着w/t的增加, 其压电应变常数d33、 机电耦合系数Kp与Kt、 机械品质因数Qm、 介电常数εr和介电损耗tanδ均随着w/t的增加而减小, 而压电电压常数g33值几乎不受w/t的影响。在压电陶瓷体积分数仅为22.72%的条件下, 调节压电陶瓷柱的宽厚比w/t至0.130, 可使复合材料的声阻抗与混凝土的声阻抗十分接近, 从而有效地解决了智能材料在土木工程中的声阻抗相容性问题。
2007, 24(1): 127-134.
摘要:
依据Torquato的最邻近表面函数公式, 推导了新拌水泥浆体邻近水泥粒子表面最近间距分布的解析解, 并采用计算机模拟生成了1个水泥浆体结构模型, 选取邻近粒子表面最近间距概率密度分布曲线、 区间概率曲线和累计概率分布曲线这3个函数检验模拟结果与理论结果之间的差别。结果表明, 该解析解与计算机模拟实验结果吻合良好。利用该解析解, 以Rosin-Rammler分布为例, 研究了胶凝材料细度以及水胶比对邻近水泥粒子表面最近间距分布及其平均值的影响。结果显示, 水泥细度对邻近粒子表面最近间距平均值的影响高于水胶比的影响。邻近粒子表面最近间距解析解的获得, 不但为基于不同粒径分布以及尺度范围粉体之间搭配的高粉体初始堆积密度的实现提供了依据, 而且对多尺度模拟方法中选取各级模型的尺度、 量化粉煤灰浆体中粉煤灰颗粒的微集料效应、 了解邻近集料间的交互作用程度以及界面重叠程度等问题具有参考价值。
依据Torquato的最邻近表面函数公式, 推导了新拌水泥浆体邻近水泥粒子表面最近间距分布的解析解, 并采用计算机模拟生成了1个水泥浆体结构模型, 选取邻近粒子表面最近间距概率密度分布曲线、 区间概率曲线和累计概率分布曲线这3个函数检验模拟结果与理论结果之间的差别。结果表明, 该解析解与计算机模拟实验结果吻合良好。利用该解析解, 以Rosin-Rammler分布为例, 研究了胶凝材料细度以及水胶比对邻近水泥粒子表面最近间距分布及其平均值的影响。结果显示, 水泥细度对邻近粒子表面最近间距平均值的影响高于水胶比的影响。邻近粒子表面最近间距解析解的获得, 不但为基于不同粒径分布以及尺度范围粉体之间搭配的高粉体初始堆积密度的实现提供了依据, 而且对多尺度模拟方法中选取各级模型的尺度、 量化粉煤灰浆体中粉煤灰颗粒的微集料效应、 了解邻近集料间的交互作用程度以及界面重叠程度等问题具有参考价值。
2007, 24(1): 135-140.
摘要:
采用CVI法对短炭纤维进行表面处理, 借助超声波对其进行预分散, 用新型分散剂羟乙基纤维素(HEC)和超细粉硅灰对其进行分散, 并研究了其在水泥基体中的分散性; 在SEM电镜下观察了短炭纤维增强水泥基复合材料(CFRC)的断口形貌, 用炭纤维质量变动系数定量评价了短炭纤维在CFRC中的分散性。结果表明, 采用CVI预处理和超声波预分散, 在分散剂HEC和硅灰不同掺量下, 炭纤维的分散性均得到显著改善。炭纤维的分散性随HEC掺量的增加而提高, 当HEC掺量为水泥质量的0.6%、 硅灰掺量为水泥质量的10%时, 两种分散剂的协同作用使炭纤维质量变动系数最小, 此时炭纤维在水泥基体中的分散性最理想。
采用CVI法对短炭纤维进行表面处理, 借助超声波对其进行预分散, 用新型分散剂羟乙基纤维素(HEC)和超细粉硅灰对其进行分散, 并研究了其在水泥基体中的分散性; 在SEM电镜下观察了短炭纤维增强水泥基复合材料(CFRC)的断口形貌, 用炭纤维质量变动系数定量评价了短炭纤维在CFRC中的分散性。结果表明, 采用CVI预处理和超声波预分散, 在分散剂HEC和硅灰不同掺量下, 炭纤维的分散性均得到显著改善。炭纤维的分散性随HEC掺量的增加而提高, 当HEC掺量为水泥质量的0.6%、 硅灰掺量为水泥质量的10%时, 两种分散剂的协同作用使炭纤维质量变动系数最小, 此时炭纤维在水泥基体中的分散性最理想。
2007, 24(1): 141-145.
摘要:
自由空间法可以方便地改变入射电磁波的角度和极化方向, 适用于测量复合材料的电磁参数。对自由空间法测量复合材料电磁参数进行了初步研究, 探讨了测量结果在计算过程中产生的多值问题, 并通过理论分析给出了一些有效的解决方案。用自由空间法测量了4种聚合物复合材料样品在X波段(8.2~12.4GHz)的复电磁参数, 并用波导测量法进行了验证。研究结果表明自由空间法测量复合材料电磁参数具有较高的精确度。
自由空间法可以方便地改变入射电磁波的角度和极化方向, 适用于测量复合材料的电磁参数。对自由空间法测量复合材料电磁参数进行了初步研究, 探讨了测量结果在计算过程中产生的多值问题, 并通过理论分析给出了一些有效的解决方案。用自由空间法测量了4种聚合物复合材料样品在X波段(8.2~12.4GHz)的复电磁参数, 并用波导测量法进行了验证。研究结果表明自由空间法测量复合材料电磁参数具有较高的精确度。
2007, 24(1): 146-150.
摘要:
通过二维三向编织复合材料圆管的轴向准静态压缩试验, 分析了编织复合材料圆管的压缩破坏机理和吸能特性, 并探讨了编织参数对吸能特性的影响。试验中观察到4种破坏模式: 分瓣破坏、 局部屈曲、 块状断裂和突发破坏。在纤维体积分数相同的情况下, 随着编织层数的增加和编织角的减小, 圆管的吸能能力有所提高。二维三向编织复合材料圆管是一种较好的吸能材料, 具有较高的单位质量吸能特性。
通过二维三向编织复合材料圆管的轴向准静态压缩试验, 分析了编织复合材料圆管的压缩破坏机理和吸能特性, 并探讨了编织参数对吸能特性的影响。试验中观察到4种破坏模式: 分瓣破坏、 局部屈曲、 块状断裂和突发破坏。在纤维体积分数相同的情况下, 随着编织层数的增加和编织角的减小, 圆管的吸能能力有所提高。二维三向编织复合材料圆管是一种较好的吸能材料, 具有较高的单位质量吸能特性。
2007, 24(1): 151-157.
摘要:
将连续介质损伤力学的分析计算方法与复合材料层合板无损伤接触问题的分析相结合, 分析了层合板在接触载荷作用下的损伤问题。采用逆解法得到复合材料层合板无损伤接触问题的解。在进行接触损伤分析时, 考虑到实际应用中层合板的层间相对容易发生损伤, 同时为了简单起见, 不计复合材料铺层的损伤演化, 只计层间胶层的损伤, 并将层间胶层的损伤演化视为各向同性。通过胶层材料的疲劳性能实验曲线拟合得到损伤演化参数。采用附加载荷法与迭代法求解层合板接触损伤分析时应力场与损伤场的互耦问题, 得到了层间胶层的损伤度分布及应力分布。计算结果显示, 该方法收敛性好, 求解简单。
将连续介质损伤力学的分析计算方法与复合材料层合板无损伤接触问题的分析相结合, 分析了层合板在接触载荷作用下的损伤问题。采用逆解法得到复合材料层合板无损伤接触问题的解。在进行接触损伤分析时, 考虑到实际应用中层合板的层间相对容易发生损伤, 同时为了简单起见, 不计复合材料铺层的损伤演化, 只计层间胶层的损伤, 并将层间胶层的损伤演化视为各向同性。通过胶层材料的疲劳性能实验曲线拟合得到损伤演化参数。采用附加载荷法与迭代法求解层合板接触损伤分析时应力场与损伤场的互耦问题, 得到了层间胶层的损伤度分布及应力分布。计算结果显示, 该方法收敛性好, 求解简单。
2007, 24(1): 158-166.
摘要:
根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征, 建立了比较合理的三胞模型。模型中考虑了3种单胞各自纤维束的空间结构和弯曲, 同时引入纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响。基于刚度体平均方法, 建立了相应的刚度预报模型, 得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数。用细观力学方法分析了工艺参数和尺寸效应对材料有效性能的影响规律。不同尺寸试件的数值预报结果和实验结果吻合较好。
根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征, 建立了比较合理的三胞模型。模型中考虑了3种单胞各自纤维束的空间结构和弯曲, 同时引入纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响。基于刚度体平均方法, 建立了相应的刚度预报模型, 得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数。用细观力学方法分析了工艺参数和尺寸效应对材料有效性能的影响规律。不同尺寸试件的数值预报结果和实验结果吻合较好。
2007, 24(1): 167-171.
摘要:
将遗传算法与高精度的通用有限元分析软件相结合, 并将其应用于复合材料机翼满足气动弹性要求的优化设计中。为了提高采用遗传算法的复合材料机翼优化设计的效率, 探讨了将分布式计算与遗传算法进行集成, 形成了基于分布式计算和遗传算法的复合材料机翼优化设计方法, 并应用该方法解决某大展弦比复合材料机翼副翼和舵面操纵反效问题。计算结果表明, 该方法可用于解决工程上复杂结构优化问题。
将遗传算法与高精度的通用有限元分析软件相结合, 并将其应用于复合材料机翼满足气动弹性要求的优化设计中。为了提高采用遗传算法的复合材料机翼优化设计的效率, 探讨了将分布式计算与遗传算法进行集成, 形成了基于分布式计算和遗传算法的复合材料机翼优化设计方法, 并应用该方法解决某大展弦比复合材料机翼副翼和舵面操纵反效问题。计算结果表明, 该方法可用于解决工程上复杂结构优化问题。
2007, 24(1): 172-178.
摘要:
研究了在简谐激励作用下复合材料加筋板基体微裂纹损伤的演化行为及其对加筋板动力特性的影响。基于平均微裂纹密度和断裂力学方法, 建立了复合材料加筋板基体微裂纹演化的刚度退化准则。由于该准则考虑了载荷作用周期数的影响, 从而能够更合理地分析周期性动载荷作用下基体微裂纹损伤演化规律。采用Mindlin一阶剪切理论和复合材料模态阻尼模型, 建立了复合材料加筋板动力分析的有限元方法, 研究了在简谐激励作用下, 含分层损伤复合材料加筋板振动过程中诱发的基体微裂纹损伤的演化、 刚度退化, 频率折减和动力响应。
研究了在简谐激励作用下复合材料加筋板基体微裂纹损伤的演化行为及其对加筋板动力特性的影响。基于平均微裂纹密度和断裂力学方法, 建立了复合材料加筋板基体微裂纹演化的刚度退化准则。由于该准则考虑了载荷作用周期数的影响, 从而能够更合理地分析周期性动载荷作用下基体微裂纹损伤演化规律。采用Mindlin一阶剪切理论和复合材料模态阻尼模型, 建立了复合材料加筋板动力分析的有限元方法, 研究了在简谐激励作用下, 含分层损伤复合材料加筋板振动过程中诱发的基体微裂纹损伤的演化、 刚度退化, 频率折减和动力响应。
2007, 24(1): 179-184.
摘要:
考虑压电耦合效应,通过传递矩阵-二维谱分析研究了压电复合材料层合板稳态SH波的频散特性和瞬态SH波的传播特性。数值分析表明: 压电耦合作用提高了SH波的截止频率和相速度; 由表面扰动激发的SH波, 一部分能量向板深度方向传播, 一部分以表面波的形式在两倍波长深度内传播。所采用的传递矩阵-二维谱分析为层合结构瞬态波动研究提供了一种有效的数值方法。
考虑压电耦合效应,通过传递矩阵-二维谱分析研究了压电复合材料层合板稳态SH波的频散特性和瞬态SH波的传播特性。数值分析表明: 压电耦合作用提高了SH波的截止频率和相速度; 由表面扰动激发的SH波, 一部分能量向板深度方向传播, 一部分以表面波的形式在两倍波长深度内传播。所采用的传递矩阵-二维谱分析为层合结构瞬态波动研究提供了一种有效的数值方法。
