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2009年  第26卷  第4期

真空导入模塑工艺树脂体系化学流变特性及流变模型
2009, 26(4): 1-7.
摘要:
采用DSC热分析技术和黏度实验方法,研究了真空导入模塑工艺专用不饱和聚酯树脂体系(Palatal1777-G-4)的固化特性和化学流变特性,建立和对比了树脂体系的修正双阿累尼乌斯流变模型和工程黏度模型,并依据所建立的流变模型预报 Palatal1777-G-4树脂体系的真空导入模塑工艺操作窗口。对比结果表明:修正双阿累尼乌斯流变模型和工程黏度模型分别能较好地反映树脂体系凝胶点前的低黏度平台特性和凝胶点后的黏度变化规律,结合两模型可有效模拟树脂体系在不同工艺条件下的黏度行为,准确预报树脂体系的低黏度平台工艺窗口,为优化真空导入模塑工艺参数和保证制品质量提供科学依据。模型预测结果表明,Palatal1777-G-4 树脂体系在20~38℃温度范围内满足真空导入模塑工艺操作的基本要求,黏度低于300 mPa·s的工艺操作时间长于30 min。
受阻酚/羧基丁腈橡胶复合材料的结构及动态力学性能
2009, 26(4): 8-14.
摘要:
将羧基丁腈橡胶(XNBR)和受阻酚2,2′-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚) (AO-2246)混合制备出挤压和未挤压AO-2246/XNBR复合材料,并对其结构及动态力学性能进行了研究。研究结果表明,AO-2246在XN2BR基体中的分散状态对体系的动态力学性能影响较大。在未挤压样品中,大部分AO-2246分子以晶体颗粒的形式存在,体系的损耗因子(tanδ)比纯XNBR基体低;而在挤压样品中,由于热压淬火过程中两组分发生杂化,体系的tanδ值明显增大,体系的阻尼性能显著提高。差示扫描量热(DSC)分析和扫描电镜(SEM)观察表明,当AO-2246质量分数高于40%后,杂化体系中AO-2246以3 种形态存在:杂化形态、微相分离态以及结晶态,它们共同对体系的动态力学性能产生影响。AO-2246质量分数为50%的杂化体系的tanδ峰峰值高达3.5,同时该峰位置由低温区向高温方向移动至室温附近,从而使AO-2246/XNBR复合材料成为一种极具潜力的高性能阻尼材料。
V-POSS/UPR非等温固化动力学与物理性能
2009, 26(4): 15-21.
摘要:
为了提高不饱和聚酯树脂(UPR)的性能,本文中以乙烯基笼型倍半硅氧烷(V-POSS)改性不饱和聚酯树脂,用非等温 DSC法研究了UPR和5% V-POSS/UPR体系的固化反应动力学以及表观反应活化能与转化率之间的关系,测定了玻璃钢层压板的力学性能和电性能。结果表明,加入V-POSS固化反应Ea随反应程度增加而降低,通过使用两参数Šesták-Berggren(S-B)模型描述固化反应过程,得到了反应动力学方程。当V-POSS质量分数为5%时玻璃钢层压板拉伸强度达到最大值,提高了17.6 MPa,冲击强度随V-POSS加入量增加而降低,但在10%时冲击强度有所上升。层压板电性能随 V-POSS加入量增加而提高,其中体积电阻率和表面电阻率提高1~2个数量级。
碳纤维增强环氧树脂基复合材料湿热残余应力的微Raman光谱测试表征
2009, 26(4): 22-28.
摘要:
采用微Raman光谱仪对碳纤维增强环氧树脂复合材料CF/EP(纤维体积分数为30%)的湿热残余应力进行了研究。实验结果表明:湿热残余应力能够使碳纤维Raman光谱发生频移,根据频移可对纤维所受湿热残余应力进行表征;选择合适的试验点是复合材料湿热残余应力Raman测试成功的关键;在湿热环境下长期吸湿,纤维所受轴向残余应力由吸湿前的热残余压应力转变成吸湿后的湿热残余拉应力;由吸湿后碳纤维所受湿热残余拉应力减去吸湿前热残余压应力获得的吸湿拉应力非常大,平均为2272 MPa,接近所用碳纤维的拉伸强度(2800 MPa);适当的加工热残余压应力有利于降低吸湿导致的应力。
Nomex蜂窝夹层结构真空袋共固化过程蜂窝变形
2009, 26(4): 29-35.
摘要:
针对蜂窝夹层板的共固化工艺,以玻璃纤维120斜纹织物/环氧5224体系为面板,以Nomex蜂窝为夹芯材料,研究了蜂窝侧向抗压刚度的影响因素,并通过自行建立的成型过程气压测试装置,分析了芯材内压的影响因素及蜂窝的变形情况。结果表明:对于孔格边长和芯材高度较大的情况,蜂窝侧向抗压能力较小,在真空压力的作用下容易发生变形;芯材内压与芯材内气体的膨胀和预浸料铺层的渗透性直接相关,因此芯材内压受温度制度、预浸料层数和胶膜影响较大;芯材内压对抵抗蜂窝变形起到重要作用,预浸料凝胶前较大的芯材内压有利于抑制蜂窝变形的发生。
有机硅微胶囊-有机硅树脂复合涂层对空间 K apton的原子氧防护
2009, 26(4): 36-40.
摘要:
将采用水相分离法制备的以明胶为囊壁、有机硅为囊芯的微胶囊与有机硅树脂乳液在一定条件下混合,在聚酰亚胺薄膜(Kapton)基材表面制备出含有机硅树脂的微胶囊-有机硅复合涂层,并将所制备的涂层分别进行原子氧暴露试验。结果表明,原子氧对Kapton侵蚀严重,质量损失严重,由原来光滑平整的表面变为凹凸不平的地毯状,太阳光吸收率变化值Δα为0. 272。微胶囊2有机硅复合涂层对Kapton基体优良的保护作用,使试样的质量损失和剥蚀率明显下降,且Δα仅为 0.071。尤其是微胶囊与有机硅质量比为1∶5的涂层,质量损失为Kapton试样的2.3%。
多壁碳纳米管增强炭黑/聚丙烯导电复合材料导电行为
2009, 26(4): 41-46.
摘要:
为了充分利用不同导电粒子的导电作用,在炭黑(CB)/聚丙烯(PP)导电复合体系中引入了多壁碳纳米管(CNTs)。研究发现:引入的CNTs分散在CB粒子间起到“桥梁”作用,使体系的导电性能得到明显改善,并且CB∶CNTs为19∶1时其协同导电效果最好,该复合体系出现逾渗现象,对应的导电填料体积分数明显降低。在导电填料总体积分数为4.76%时,少量CNTs的引入就可使复合体系的体积电阻率从109Ω·cm下降到105Ω·cm;同时少量的CNTs能明显抑制炭黑/聚丙烯导电复合材料的正温度效应(PTC),使PTC强度从6.10降低到1.48,PTC转变峰温度从166℃升高到174℃。少量的 CNTs可以使PP的结晶温度提高12℃,对PP结晶的成核作用比CB更加明显。复合体系力学性能随导电填料体积分数增加而明显降低,但因为体积电阻率一定时CB-CNTs/PP体系所需导电填料体积分数较CB/PP体系明显降低,因此少量CNTs的引入能够使复合体系的力学性能得到更大程度的保持。
壳聚糖-明胶/APTES改性生物活性玻璃复合支架的制备工艺
2009, 26(4): 47-52.
摘要:
为改善生物活性玻璃与高分子之间的相容性,利用 APTES改性生物活性玻璃(SBG),通过冷冻干燥法制备出用于骨和软骨组织工程的壳聚糖-明胶/APTES改性生物活性玻璃(CS 2Gel/ SBG)仿生型复合多孔支架,并对其孔隙率、力学性能和显微形貌进行了表征;探讨了各组分不同含量、交联剂和冷冻温度对CS-Gel/SBG复合支架孔隙率、力学性能和显微观结构的影响。研究表明,当SBG和CS-Gel的含量分别为70和40 g·L-1,用EDC和NHS交联,-50℃急冻2h后,又在-15℃ 下冷冻10h,最后真空冷冻干燥,制备出孔隙分布均匀、孔隙率达到90 %以上、三维连通的复合多孔支架。
反应pH值对原位水热沉积法制备纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合材料的影响
2009, 26(4): 53-58.
摘要:
为避免羟基磷灰石(HA)在壳聚糖(CS)基体中分子出现分布不均的现象,在结合原位沉析法和水热法二者优点的基础上,发展了原位水热沉析法来制备HA/CS复合材料,并深入研究不同的反应pH值对该复合材料的影响。研究表明,在不同反应pH值下制备的复合材料,均由CS晶体和低结晶度的纳米HA晶体所组成,2种晶体均出现沿c轴方向上的择优生长。随着反应pH值的增大,复合材料中HA和CS分子的结晶度均增大,HA晶体尺寸增大,CS分子排列有序化程度增高,且二者之间发生较强的化学键合作用。当反应pH值增大到12时,复合材料中纳米HA的晶体尺寸约为27.63 nm,且均匀地分布在CS分子中;CS分子为高结晶度的α晶型,且分子排列规整,有序化程度高;存在于HA与CS分子间的化学键合作用最强。
β-偏磷酸钙/聚乳酸复合骨折内固定材料的细胞相容性
2009, 26(4): 59-62.
摘要:
对采用“两步模压法”制备的β-偏磷酸钙(β-CMP)晶须/聚乳酸(PLLA)复合骨折内固定材料进行细胞安全性研究,为其应用提供生物学依据。将成骨细胞与复合材料共孵育,用四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色法(MTT)法分析成骨细胞的增殖情况,并通过倒置显微镜和SEM观察成骨细胞在复合材料上的粘附、生长情况。β-CMP/PLLA复合材料对成骨细胞黏附、生长没有抑制作用而且能促进成骨细胞的增殖。β-CMP/PLLA复合材料具有良好的细胞相容性。
压电陶瓷粒度分布对锆钛酸铅/聚偏氟乙烯复合材料电性能的影响
2009, 26(4): 63-67.
摘要:
将不同粒度的锆钛酸铅(PZT)陶瓷粉进行复配,制成不同粒度分布的PZT陶瓷颗粒,然后与聚偏氟乙烯(PVDF)复合制备不同PZT粒度分布的PZT/PVDF复合材料,研究了复合材料的介电性能和压电性能。结果表明,当陶瓷颗粒体积分数高达70%时,双峰分布复合材料的压电系数可达75 pC·N-1。这是由于双峰分布复合材料中大陶瓷颗粒保持了完整的钙钛矿结构,小陶瓷颗粒填充在大颗粒之间,陶瓷颗粒彼此联接,形成了更多的电-力耦合通道,有效地实现了压电效应的传递。大陶瓷颗粒完整的钙钛矿结构以及大、小颗粒的协同堆砌效应,提高了PZT/PVDF复合材料的电性能。
高分子聚羧酸-纳米Fe3O4磁性复合颗粒的制备及其对水中对羟基苯甲酸酯类化合物的吸附作用
2009, 26(4): 68-73.
摘要:
采用悬浮聚合法制备高分子聚羧酸-纳米Fe3O4磁性复合颗粒(PC-NMPs)。通过热重差热分析(TGA)、有机元素分析(EA)、原子吸收光谱(AAS)、X-射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)、透射电镜(TEM)、振动样品磁强计(VSM)对合成的磁性复合颗粒进行了组成、结构、形貌、磁性等表征,并研究了其吸附和去除水中对羟基苯甲酸酯类化合物(Parabens)的性能。结果表明:合成的磁性复合颗粒平均粒径为100~150 nm,饱和磁化强度为10.66 emu/g,剩余磁化强度为0.61 emu/g,矫顽力为14.96 Oe;该磁性复合颗粒对4种常用的对羟基苯甲酸酯类化合物(Parabens)的等温吸附线基本符合Langmuir模式,对羟基苯甲酸甲酯(MPB)、对羟基苯甲酸乙酯(EPB)和对羟基苯甲酸丙酯(PPB)的饱和吸附量为556 mg/g;对羟基苯甲酸丁酯(BPB)的饱和吸附量为588 mg/g。该复合颗粒能有效去除水中对羟基苯甲酸甲酯类化合物,是潜在的环境激素吸附剂和去除剂。该复合颗粒表面富含羧基可与Parabens类化合物形成氢键、苯环间存在π-π相互作用,有利于吸附过程快速有效地进行。
铜粉的改性及其在聚氨酯基低红外发射率复合涂层中的应用
2009, 26(4): 74-78.
摘要:
使用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)作为偶联剂,对铜粉(Cu)进行了表面化学改性;研究了采用不同偶联剂浓度改性Cu粉时对50% Cu/聚氨酯(PU)复合涂层力学性能、红外发射率、耐腐蚀性能的影响,并对其影响机制进行了分析。结果表明:经过改性后,硅烷偶联剂接枝于Cu粉表面。与未改性样品比较,适当硅烷偶联剂浓度改性的50% Cu/PU涂层在8~14μm波段的红外发射率仍然保持很低(0.1);涂层力学性能有较大的提高,附着力从2级增加到1级,铅笔硬度由4H增加到6H,两者均达到最高级;在保持涂层红外发射率不变的前提下,涂层耐碱、酸、盐时间分别从1、50、10h改善到90、60、50h;分析认为Cu粉的改性改善了其与聚氨酯界面的相容性及涂层致密性。
黏合剂活性基团对HTPB推进剂力学性能的影响机制
2009, 26(4): 79-82.
摘要:
为了研究端羟基聚丁二烯(HTPB)固体推进剂中黏合剂体系在储存过程中容易发生化学反应的基团的活性特点,寻找合适途径抑制推进剂老化,从而延长火箭发动机的储存寿命,本文中通过量子化学理论计算以及红外光谱和力学性能测试等实验方法,研究了甲苯二异氰酸酯(TDI)/HTPB黏合剂中的活性基团在自然储存条件下可能发生的化学变化及其对HTPB推进剂力学性能的影响。研究结果表明,HTPB推进剂中黏合剂分子易发生反应的部位应为C=C键或氨基甲酸酯基团,在推进剂的加速老化和自然储存过程中,C=C键氧化分解引起的黏合剂网络结构破坏,是导致推进剂力学性能下降的主要原因。
SiCP/Al复合材料的拉伸性能
2009, 26(4): 83-88.
摘要:
对高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiCP/Al)复合材料的拉伸强度进行了试验研究。发现在较高应力水平下经过2次卸载的试件与未做卸载的试件相比,拉伸强度变化很小,说明加载-卸载过程对材料的拉伸强度影响不大。在试验研究的基础上,使用ANSYS软件建立了有限元模型,对SiCP/Al复合材料的拉伸特性进行了仿真模拟。研究结果表明,低体积分数SiCP/Al复合材料的力学性能更接近塑性材料;而高体积分数SiCP/Al复合材料的力学性能则接近于脆性材料。拉伸强度模拟计算误差非常小,基体破坏是导致高体积分数SiCP/Al复合材料破坏的主要因素。
数值模拟在金属基复合材料铸造性能研究上的应用
2009, 26(4): 89-94.
摘要:
研究了添加增强颗粒对复合材料铸造性能的影响。根据体积分数与各热物性参数之间的函ProCAST的数据库进行二次开发,建立了金属基复合材料的物性参数数据库,从而得到增强颗粒的合金成分对金属基复合材料的铸造性能的影响关系。以金属型重力铸造摩托车车轮为实际对象,研究为5%的Al2O3颗粒增强铝基复合材料Al2O3/A356.2的铸造性能。计算结果表明:加入颗粒后熔体粘度明显增加,导致复合材料流动性降低,轮辐、轮辋薄壁处均出现了收缩缺陷。通过在合金含量允许的范围内量ω(Si) = 7.5%可以延长浇注温度到液相线温度的时间,同时降低结晶温度间隔,缩短固液共存时间潜热,从而提高熔体的流动性,增加补缩能力,使轮辐、轮辋薄壁位置的缩松、缩孔明显减少、消失。
纳米SiC晶须和SiC颗粒混合增韧ZrB2陶瓷性能
2009, 26(4): 95-101.
摘要:
分别采用纳米SiC晶须(SiCW)、SiC颗粒(SiCP)及SiCW与SiCP共同增韧ZrB2陶瓷,在1950℃、20 MPa压力、氩气气氛下热压烧结制备了致密的SiC/ZrB2陶瓷材料。研究了SiCW和SiCP的添加量对于SiC/ZrB2陶瓷材料的显微结构、力学性能的影响,并分析了SiCW和SiCP对ZrB2陶瓷力学性能影响的协同作用和增韧机制。结果表明:含15 vol% SiCW 的复合材料的韧性达到8.08 MPa·m1/2,含15 vol% SiCP的复合材料的韧性达到8.515MPa·m1/2,共同添加15 vol% SiCW和15 vol%SiCP的复合材料的韧性最高达到9.03 MPa·m1/2。SiC/ZrB2复合材料强度和韧性提高的原因在于SiCW和SiCP抑制ZrB2晶粒长大,促进ZrB2的致密化,此外,SiCW和SiCP的协同作用也有助于材料韧性的提高。
烧结助剂对反应热压烧结B4C基复合材料性能的影响
2009, 26(4): 102-106.
摘要:
以微米级B4C粉体为原料,通过与TiO2葡萄糖原位反应制备TiB2颗粒增韧B4C复合材料。研究了烧结温度和烧结助剂对材料烧结行为及力学性能的影响。在1950℃反应热压下获得了相对密度为97.7%的TiB2/B4C复合材料,断裂韧性达到5.3 MPa·m1/2。添加Al2O3和Si烧结助剂后,分别在1950℃和1900℃ 获得了接近致密的(TiB2,Al2O3)/B4C和(TiB2,SiC)/B4C复合材料,断裂韧性分别提高到7.09和6.35 MPa·m1/2。显微组织分析表明,增韧作用主要来自残余应力引起的裂纹偏转。
石墨/陶瓷复合导电材料的制备及性能
2009, 26(4): 107-110.
摘要:
为了研究片状石墨的掺杂量和取向排列对石墨/陶瓷复合材料结构和性能的影响,以长石、透辉石、石英等作为陶瓷基体并掺杂石墨,经湿混、干燥、干压成型、快速烧结等工艺制备了石墨/陶瓷复合导电材料。用精密伏安表精确测定了材料垂直和平行于成型压力方向的电阻,用XRD、SEM分析了试样的物相组成和断面形貌。实验结果表明:在烧结过程中石墨与陶瓷基体不发生化学反应,未发现有新相生成;片状石墨在复合材料中具有定向排列的特征,即片状石墨的c轴平行于成型压力方向;石墨/陶瓷复合导电材料的电阻率具有明显的各向异性;随着石墨掺量的增加,复合导电材料的电阻率随石墨掺量的增加而急剧减小;但是,当石墨掺量超过15 wt%时,复合材料电阻率的变化趋于平缓。
脉冲电沉积纳米SiC/Ni-Co复合镀层腐蚀特性
2009, 26(4): 111-118.
摘要:
采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)研究了脉冲电沉积法制备的纳米晶Ni-Co合金镀层及其纳米 SiC/Ni-Co复合镀层的组织结构、表面形貌和成分。用浸泡法和电化学极化法对比测试了纳米晶Ni-Co合金镀层和纳米 SiC/Ni-Co复合镀层在3.5 wt% NaCl和5 wt% HCl溶液中的腐蚀行为。研究结果表明:通过脉冲电沉积法制备的Ni-Co合金镀层和纳米SiC/Ni-Co复合镀层具有典型的纳米晶结构;随着纳米SiC颗粒的增加,复合镀层的晶粒尺寸减小,硬度增加。所制备的纳米SiC/Ni-Co复合镀层颗粒分散均匀,其在3.5 wt% NaCl和5 wt% HCl溶液中的耐蚀性均优于纳米晶Ni-Co合金镀层。纳米晶Ni-Co合金镀层和纳米SiC/Ni-Co复合镀层在3.5 wt% NaCl溶液中的腐蚀速率极低,表现出极好的耐腐蚀性能,而在5 wt% HCl溶液中的腐蚀形态则表现为点蚀。
Mo5Si3-MoSi2/SiC复合涂层的高温抗氧化行为分析
2009, 26(4): 119-125.
摘要:
采用化学气相反应法和料浆刷涂反应法,在石墨表面制备了Mo5Si3-MoSi2/SiC复合涂层,借助X射线衍射仪、扫描电镜及能谱等分析手段,研究了涂层的结构;通过恒温抗氧化实验及热力学分析,重点研究了涂层的高温抗氧化行为。结果表明:在1823 K的氧化氛围中,复合涂层中的Mo5Si3、MoSi2组元易氧化生成MoO3气体并导致涂层失重;而氧化初期(0~6 h)涂层试样的增重则主要与SiC的惰性氧化主导有关。由于复合涂层各组元在高温下都能氧化生成SiO2玻璃,使涂层具有良好的高温抗氧化及热震性能;经20 h、16次循环热震实验后,涂层试样的氧化失重率只有3.78%。
溶胶-凝胶法制备Cu/ZnO的室温铁磁性
2009, 26(4): 126-129.
摘要:
为研究稀磁性半导体的室温铁磁性来源,采用溶胶-凝胶法制备了Cu掺杂ZnO半导体粉末。X射线衍射光谱显示Cu在ZnO中的固溶度小于0.08 (摩尔比);透射电子显微镜分析显示颗粒尺寸较为均匀,呈单结晶态;振动样品磁强计测试表明,Cu/ZnO具有室温铁磁性。由于Cu本身不具有任何磁性,样品的铁磁性来源为氧化锌晶格中的缺陷与Cu2+离子之间的交换作用。
陶瓷基复合材料基体随机开裂的损伤模拟
2009, 26(4): 130-135.
摘要:
首先介绍了描述复合材料出现损伤时细观应力场的剪滞模型;给出了模拟陶瓷基复合材料基体随机开裂的有关公式;然后采用Monte Carlo方法模拟了基体随机开裂的过程;最后通过计算机模拟了陶瓷基复合材料基体裂纹的随机演化过程,分析了有关模型参数对基体裂纹演化的影响,并与文献模拟结果进行了对比。研究表明:最终裂纹间距主要分布在 1~2倍滑移长度之间;初始开裂应力越大,最终名义裂纹间距越小;Weibull 模量越大,最终名义裂纹间距越小;热残余应力越大,最终名义裂纹间距越大;模拟长度对裂纹演化影响很小;MonteCarlo方法可以有效地模拟陶瓷基复合材料的随机开裂过程。
SiC涂层C/C复合材料在1300℃湿氧环境中的疲劳行为
2009, 26(4): 136-140.
摘要:
在半圆柱型氧化模式的基础上,建立了具有SiC涂层C/C复合材料在湿氧环境中的疲劳失效模型。在高温湿氧环境下,C/C复合材料的疲劳失效主要受到氧化深度的控制,而影响氧化深度的主要参数是涂层表面裂纹的宽度。对此疲劳失效模型,讨论分析实验温度以及外加应力对裂纹宽度的影响,考虑了疲劳载荷引起的材料模量变化对裂纹宽度的影响。在 90、105、120、135和150 MPa疲劳应力下的材料在1300℃ 湿氧环境中的平均寿命分别为48660、32645、22078、12332和4786循环。进行了实验数据与模型计算值的对比,实测寿命与预测结果吻合良好。另外,本模型在外加应力较大、实验时间较短条件下的预测数据与实验结果最为接近。
C/C复合材料热解炭消光角测量中图像配准算法
2009, 26(4): 141-145.
摘要:
用偏振光显微镜旋转成像测量C/C复合材料热解炭消光角过程中,所采集的序列图像间经常出现目标偏移现象。针对该问题,提出了一种基于结构特征的图像配准算法。该算法采用圆边缘检测算子检测每幅图像中同一纤维圆截面的圆心,以圆心作为图像配准的匹配点,通过坐标变换实现图像配准。在热解炭消光角测量过程中的应用结果表明,该配准算法可以避免因目标偏移而造成的数据采集误差,保证消光角测量的准确实现。
非等温RTM工艺的数值模拟
2009, 26(4): 146-150.
摘要:
现代RTM生产工艺填充速度快、固化周期短,是一个非等温的生产过程。通过分析RTM工艺过程,考虑了能量守恒和固化反应,运用控制体/有限元格式和迎风格式,对整个过程进行离散,建立了相应的方程组,并编写了相应的代码,进行了数值模拟。结果表明,在采用较少单元网格的情况下,模拟结果与相关文献的结果一致。
含非均匀界面相纤维增强复合材料热传导性能预测的递推公式
2009, 26(4): 151-155.
摘要:
研究了含非均匀界面相纤维增强复合材料的宏观等效传热性能。将热导率沿径向连续变化的界面相离散为多个热导率均匀的同心圆柱层,采用广义自洽法和复变函数理论,推导了复合材料宏观等效热导率的解析递推公式,并由递推公式给出了均匀界面相和理想零厚度界面的封闭公式。理想零厚度界面复合材料的热导率与已有理论结果一致。理想零厚度界面和非均匀界面相模型的计算结果与实验数据比较表明,当纤维体积分数较小时,2种模型的预测结果与实验数据吻合均较好,当体积分数较大时,与实验数据相比,非均匀界面相模型的精度大大高于理想零厚度界面模型的精度。本文中给出的递推公式亦可用于计算多涂层纤维增强复合材料的热导率。
碳纤维增强复合材料筋混凝土梁非线性力学性能
2009, 26(4): 156-162.
摘要:
为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)筋混凝土梁的非线性力学性能,基于非线性理论推导了CFRP筋梁的有限元分析模型:对4个预应力CFRP筋混凝土梁进行了非线性全过程分析,考察了预应力CFRP筋、GFRP筋和普通钢筋的应力发展规律。与试验资料对比可知,计算结果与试验数据吻合良好,说明采用弥散裂缝模式、Owen屈服准则和Hinton压碎准则能较好地描述混凝土开裂、屈服和压碎特性,同时也说明了CFRP筋及其力学效应用组合单元模拟的有效性以及本文中研制程序的正确性。CFRP筋具有高强度性能,梁试件破坏时CFRP筋均未失效;与受拉区配筋为钢筋相比,GFRP筋在全过程中处于弹性阶段。
Z-pin增强复合材料Ⅰ型断裂韧性数值分析
2009, 26(4): 163-168.
摘要:
采用细观力学方法以及虚拟裂纹闭合法(VCCT)对含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性进行了研究。利用有限元法建立了结构模型,采用实体单元模拟复合材料层压板结构和非线性弹簧元模拟Z-pin。通过计算应变能释放率对含有不同体积分数Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性与不含Z-pin的复合材料层压板Ⅰ型断裂韧性进行了对比分析。研究表明,含有Z-pin增强复合材料双悬臂梁(DCB)结构Ⅰ型断裂韧性在裂纹扩展过程中受到Z-pin桥联作用的影响而显著增强,且其增强效果与Z-pin的体积分数、处在桥联区的Z-pin数目均相关,这表明Z-pin增强方法能够有效提高复合材料层压板的分层扩展阻力。
三维机织复合材料结构表征与实体造型
2009, 26(4): 169-175.
摘要:
利用经纱脉络描述法解决了任意三维机织复合材料的结构表征问题;提出了单胞分解法与亚胞向量概念,实现了三维结构的二维化、数字化,根据数字表征结果和经典截面假设构造了初始断裂模型;使用一种迭代算法对初始断裂模型进行优化,使纱线束逐步逼近真实形态,进而实现三维实体造型,在此基础上进行网格剖分。研究结果表明,迭代算法能够使纱线形态趋于自然,使造型结果接近实际。数值分析结果表明,迭代算法中的经纬纱退让系数介于0.6~0.7之间时,迭代收敛速度最快。
基于CAD模型的复合材料机翼成本快速估算
2009, 26(4): 176-180.
摘要:
在机翼方案设计阶段需要快速对复合材料机翼的制造成本进行评估。基于制造工艺成本模型开发了复合材料机翼成本估算模型。应用CATIA 二次开发技术编制了模型生成器,实现了参数化建模过程自动化,并为成本模型提供计算所需几何特征信息。实现了机翼设计方案CAD模型与成本分析模型无缝连接的自动化计算过程,给出了实现该过程的流程和主要步骤。以某型无人机复合材料机翼为例,验证了该方法的确能对不同结构布置形式和不同外形的复合材料机翼设计方案进行快速成本评估。估算结果表明,在外形相同的情况下,梁的个数增加1个,肋的个数减少4个的复合材料机翼,其总成本增加了约2.5%;在结构布置相同的情况下,展弦比和梢根比的变化对该复合材料机翼总成本的影响不大。
 
三维正交机织复合材料的单胞模型及应用
2009, 26(4): 181-185.
摘要:
根据三维正交机织复合材料的结构特点,在假设纤维束横截面为矩形的基础上建立一种单胞模型,该模型由3组互相正交的纤维与基体组成。首先利用这一模型,推导出纤维体积分数与纤维粗度、机织密度等织物参数的关系式,通过测量单胞单元的单层厚度得到纤维体积分数,计算值和实验值较为吻合。然后在假定纤维和基体均为线弹性材料的基础上,利用材料力学方法推导出了3 个正交方向的杨氏模量表达式,该表达式简单明了,给出了三维正交机织复合材料杨氏模量与纤维和基体的杨氏模量以及纤维体积分数间的关系,算例的计算结果与实验值有良好的一致性,这说明所建立的单胞模型具有合理性。
含多分层损伤平面编织层合板的振动特性
2009, 26(4): 186-190.
摘要:
基于层合板Mindlin一阶剪切变形理论,研究了多处分层损伤对复合材料层合板固有特性的影响规律。根据一般分层模型,并采用线性接触模型模拟分层区域上、下子板的相互作用,建立含多个椭圆内埋型分层损伤平面编织层合板自由振动分析有限元模型。通过典型算例分析,讨论了椭圆分层区域长轴与试件纵向夹角对平面编织层合板固有频率的影响。结果表明,对于内埋型分层损伤,表面分层与中间分层对固有频率的影响区别很小;分层区域的长轴与试件纵向夹角越大,损伤对固有频率的影响越大。
含穿孔-多分层混合损伤平面编织层合板自振特性
2009, 26(4): 191-196.
摘要:
研究了含穿孔-多分层损伤平面编织层合板的自振特性问题。首先建立含椭圆穿孔2椭圆多分层损伤平面编织层合板自由振动分析有限元模型。然后通过典型算例,分别讨论了穿孔尺寸、分层尺寸以及穿孔-多分层损伤位置对平面编织层合板固有频率的影响。结果表明:当穿孔和分层的尺寸较小时,其对层合板固有频率的影响很小;横向穿孔-多分层损伤对层合板固有频率的影响较纵向穿孔-多分层损伤更显著;平面编织层合板固有频率对损伤位置最为敏感,分层尺寸次之,穿孔尺寸的影响最弱。
基于有限元法的正交各向异性复合材料结构材料参数识别
2009, 26(4): 197-202.
摘要:
以大型商用有限元软件ABAQUS为计算平台,提出了正交各向异性复合材料结构材料参数的识别方法。将材料参数识别的问题转化为极小化目标函数的问题,其中目标函数定义为测量位移与有限元计算的相应位移之差的平方和。采用Levenberg-Marquardt方法极小化目标函数,其中灵敏度的计算基于复合材料的有限元离散结构的求解方程对识别的材料参数求导。数值算例表明本文中提出的方法是有效的。在识别参数过程中,参数的初值以及搜索范围的确定对于识别结果有着重要影响。因此必须充分利用材料参数的先验信息。ABAQUS是高效可靠的商用有限元软件,提出的参数识别方法基于这类商用软件,因而该方法有很强的实用性。