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2009年  第26卷  第6期

氧化锌晶须辅助增强复合材料压缩性能
2009, 26(6): 1-7.
摘要:
采用万能实验机和分离式Hopkinson压杆装置(SHPB)为加载手段,对5种不同质量分数的ZnO晶须辅助增强玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板厚度和平面内2 个方向的准静态和动态压缩性能进行了实验研究,分别得到了5种材料的压缩应力应变曲线;采用SEM对材料断口进行了宏、细观观察,对其破坏机制进行了初步研究。结果表明:该类材料具有明显的非线性特征的本构关系和应变率强化效应,在厚度和平面内2个方向的压缩破坏也具有完全不同的复杂的破坏机制,同时还发现试样的压缩强度和失效应变与氧化锌晶须的质量分数有关。
剑麻/聚丙烯复合材料的冲击性能及其预测
2009, 26(6): 8-17.
摘要:
采用注塑工艺制备剑麻纤维增强聚丙烯复合材料,研究纤维含量、长度及其分布、不同基体树脂和相容剂类型等对复合材料冲击性能的影响。分析单纤维强度的分散性,采用修正的Weibull分布模型估算临界纤维强度,并对复合材料的冲击强度进行预测。结果表明:剑麻/聚丙烯的冲击强度随纤维含量增加而升高,树脂基体的性质对冲击强度具有显著的作用;界面层为刚性层的相容剂MAPP对冲击强度具有负作用,而界面层为柔性层的相容剂PP-g-GMA对冲击强度具有提高作用;同等含量下,使用PP-g-GMA后复合材料的冲击强度比使用MAPP提高21.7%。通过KH550硅烷溶液处理后的纤维与PP-g-GMA反应,在界面处引入更加柔性的界面层,使冲击强度比引入MAPP提高50.7%。将纤维取向因子引入冲击强度模型后,预测值与实测值符合较好。
铁基非晶条带-玻璃纤维混杂复合材料力学特性
2009, 26(6): 18-24.
摘要:
针对铁基非晶条带-玻璃纤维混杂增强树脂基复合材料,研究了表面处理、热处理对非晶条带力学性能的影响,在此基础上选取了适宜的树脂基体,制备了混杂复合材料,测试了基本力学性能并分析了破坏模式。结果表明:酸蚀表面处理对条带的拉伸性能影响很小,但改变了条带的表面形貌和表面能,从而提高了条带与树脂的粘结性能;混杂复合材料纵向拉伸弹性模量符合混合定律,横向拉伸弹性模量主要由非晶条带贡献,并且非晶条带的承载对混杂复合材料的横向拉伸强度起到了一定的作用;弯曲破坏和剪切破坏均产生受压侧纤维层与非晶条带的分层以及纤维断裂。
纳米填料改性丁基橡胶复合材料的力学性能、芥子气防护性能和燃烧性能
2009, 26(6): 25-30.
摘要:
以有机蒙脱土、纳米级SiO2气凝胶和沉淀法白炭黑等具有不同粒子形状和结构特性的纳米粒子为增强填料,采用熔体共混法制备了丁基橡胶复合材料。采用SEM和XRD对复合材料的微观结构进行了表征,并研究了不同纳米填料对复合材料的力学性能、芥子气防护性能和燃烧性能的影响。结果显示:纳米级SiO2气凝胶/丁基橡胶复合材料的力学性能最优,填充15 wt% SiO2气凝胶的复合材料的拉伸强度和撕裂强度分别比丁基橡胶硫化胶提高了9倍和2.2倍。复合材料的芥子气防护性能与纳米填料的粒子形状有密切的关系,填充15 wt%层片状结构有机蒙脱土的复合材料的芥子气防护时间达到了21h以上,明显优于填充近似球形粒子的纳米级SiO2气凝胶和白炭黑的复合材料的防护性能。然而纳米填料使复合材料的氧指数和氧化分解温度只有少量提高,阻燃性能改善有限。
POSS/PS复合材料的制备及其热性能
2009, 26(6): 31-36.
摘要:
单官能团3-氯丙基笼形倍半硅氧烷(POSS)与官能化的聚苯乙烯(PS)进行缩合反应,得到POSS/PS复合材料,其热性能得到明显改善。单官能团3-氯丙基POSS由顶端封角法制备;PS经过3步处理以引入醇钠基团:Friedel-Crafts酰基化反应将羰基引入到PS的苯基上,羰基被硼氢化钠还原为羟基,金属钠与羟基反应生成醇钠基团;单官能团3-氯丙基 POSS分子上的C—Cl与PS上的醇钠基团缩合从而制备POSS接枝的POSS/PS复合材料。利用1H NMR和FTIR技术表征中间产物和POSS/PS复合材料,结果表明POSS笼上的C—Cl与官能化后PS链上的醇钠官能团之间的缩合反应效率很高。XRD测试表明POSS具有良好的分散性。TGA、DSC分析结果表明,由于POSS的引入,POSS/PS复合材料比纯PS的初始分解温度提高69℃,玻璃化转变温度提高16℃。
片状Al2O3对Al2O3/FEP复合材料热导率的影响
2009, 26(6): 37-41.
摘要:
通过混炼工艺制备了片状Al2O3填充聚全氟乙丙烯(FEP)复合材料,以颗粒状Al2O3为对比样品,研究了片状Al2O3形状和尺寸对 FEP基复合材料热导率的影响,利用SEM观察了FEP基复合材料的微观形貌。结果表明:在低填充量下,Al2O3颗粒在FEP基体中呈“海岛”状分布,没有形成连续的导热网链,但其热导率明显提高;复合材料拉伸强度与断裂伸长率随Al2O3含量的增加而减小;低填充量时复合材料热导率的提高主要来自Al2O3的微细片状结构,这种微细片状结构一方面提高了有效导热路径,另一方面增加了颗粒与基体之间接触面积,因此有利于热导率的提高。
Ni/PVDF复合薄膜电性能的拉伸改性
2009, 26(6): 42-47.
摘要:
为了进一步研究聚合物基复合材料的拉伸效应,采用简单的物理混合法制备了Ni/PVDF复合薄膜并在120℃下进行拉伸改性研究。结果表明:镍含量远低于渗流阈值的样品,通过拉伸实现了与渗流效应类似的介电常数剧增的拉伸渗流效应;在伸长倍数为2.3时介电常数急剧增大,最大增幅17倍(12→220),同时电导率也增大了4~5个数量级,薄膜有绝缘体向导体转变的趋势。介电常数随拉伸倍数增加而大幅增加,是因为复合薄膜中的镍颗粒在外力拉伸作用下,其分布、微观结构逐步发生变化,以致形成了杆状镍颗粒群和微平行电容器结构等导电网络,发生拉伸渗流效应;同时,电导率的大幅增加也符合渗流理论的特征。
超导YBa2Cu3O7 +δ/硅橡胶复合材料的压敏与介电特性
2009, 26(6): 48-53.
摘要:
采用YBa2Cu3O7 +δ(简称YBCO)多晶陶瓷超导粉末与硅橡胶(110型)按不同质量比进行配料,经过特殊的制备工艺,合成不同含量的超导 YBCO/硅橡胶高分子复合材料,分别测量样品的压敏效应和介电特性。结果表明,在不同应力作用下,样品电阻值的变化范围在1~4个数量级。样品电阻值随测量温度的降低(300~50K)呈下降趋势,测量温度降到90K时,样品电阻值发生突变,但在9050K没有观察到超导零电阻现象。室温下,样品的介电常数随频率的增加(1 kHz~5 MHz)而减小,介电损耗随测量频率的增大先增大后减小。随着YBCO含量的增加,形成的超电容网络微观结构也就越多,样品的电阻逐渐减小电流加大,导致超电容中电解质的极化强度有所增加,两者共同作用的结果导致样品的介电常数、介电损耗均随着YBCO含量的增加而增大。
基于OMMT/PVDF-HFP的锂离子电池用复合聚合物电解质
2009, 26(6): 54-60.
摘要:
对蒙脱石进行改性,并用直接挥发溶剂法制备有机蒙脱石/聚偏氟乙烯-六氟丙烯复合聚合物电解质。用扫描电子显微镜和X射线衍射等对所制电解质性能进行表征,用交流阻抗和充放电实验研究聚合物电池的电化学性质。结果表明:直接挥发溶剂法制得的复合聚合物膜呈蜂窝状,孔穴丰富,强度增加,浸取电解液后室温离子电导率为1.51 mS/cm,电化学稳定窗口为5.5V;以LiCoO2为正极制得的聚合物电池0.1C充放电,50次循环后容量保持率达到95.3%,倍率放电能力较好,有机蒙脱石的加入可改善电池的电极界面性质,提高电池充放电循环性能。
空心玻璃微珠表面磁控溅射镀铝及其对人工介质材料介电性能的影响
2009, 26(6): 61-65.
摘要:
采用直流磁控溅射法在空心玻璃微珠表面镀Al膜,利用XRD和SEM研究了镀Al 微珠的相结构和形貌。将镀Al微珠、未镀Al微珠与高分子粘合剂混合制得人工介质材料,利用网络分析仪测定其在8.2~12.4 GHz频率范围的介电性能。结果表明,采用磁控溅射方法可在玻璃微珠表面包覆金属Al膜,Al膜与基体的结合力较好。在镀铝微珠加入量相同的情况下,玻璃微珠表面铝膜越厚,则人工介质材料的介电常数越大。在Al膜厚度相同的情况下,镀Al微珠加入量越多,则人工介质材料的介电常数越大。所制备的人工介质材料介电损耗小于30.02,密度小于0.8g/cm。
T形加筋板热压罐成型过程压力分布与树脂流动实验研究
2009, 26(6): 66-71.
摘要:
针对飞行器复合材料常用加筋板结构,采用胶接共固化整体工艺成型T形加筋板。采用自行建立的压力测试方法测试了 T形加筋板在热压罐成型过程的压力分布,通过吸胶量、筋条厚度的检测,分析了树脂在筋条内的流动形式,研究了树脂流动的影响因素及影响规律。结果表明:筋条不同部位明显存在压力分布不均,在压力差作用下树脂发生明显的面内流动,易产生富脂、厚度不均等缺陷,导致筋条拐角较厚,约是突缘和腹板厚度的1.1~1.4倍,模具组合方案、曲率半径、填充料含量明显影响树脂面内流动和纤维密实程度。
测试条件对集束纤维单向渗透率的影响
2009, 26(6): 72-77.
摘要:
为掌握渗透率测试的影响因素,自行研制了单向纤维集束的浸渗特性测试系统,对比了液体沿单向纤维集束的饱和与非饱和渗透特性,分析了不同压力作用形式、纤维体积分数、液体种类对非饱和渗透率测试结果的影响。结果表明:相同条件下纤维集束的饱和渗透率大于非饱和渗透率测试结果;当外压较小时毛细作用对非饱和渗透率测试结果的影响显著;当纤维体积分数增加时集束纤维的渗透率呈减小趋势;相同压力差下真空驱动测得的渗透率比正压驱动测试结果大。
用DMA研究环氧预浸料的等温固化过程
2009, 26(6): 78-84.
摘要:
采用动态力学分析法(DMA)对648环氧预浸料的等温固化过程进行了表征分析。以储能模量E′的相对增长率作为动态力学性能增长的指标,研究了不同恒温温度下E′的增长规律,并用Hsich非平衡热力学涨落理论、Avrami方程和等转变率 3种方法研究了预浸料的等温固化动力学。结果表明:648环氧预浸料等温固化过程中E′的增长分为高温和低温2种增长模式,低温下包含一个高温下没有的模量增长的过渡阶段,该阶段与测试频率具有明显的相关性。Hsich非平衡热力学涨落理论、Avrami方程可以对648环氧预浸料等温固化过程储能模量的相对变化进行分段描述。对活化能的计算结果表明,不同温度范围内恒温储能模量增长过程中活化能的数值及其变化趋势不同。
玻璃纤维增强光固化树脂基齿科生物复合材料的半互穿网络结构界面的形成及力学性能
2009, 26(6): 85-90.
摘要:
采用不同浓度的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)丙酮溶液对玻璃纤维进行表面处理,并对不同处理条件下的玻璃纤维表面化学组成、PMMA的吸附量及齿科树脂基复合材料的力学和界面性能进行了分析和测试。结果表明,经过表面处理,玻璃纤维表面吸附上PMMA,且吸附量随PMMA溶液浓度的增大而增大。控制玻纤表面吸附的PMMA质量分数在1%左右,可以设计其与齿科树脂形成半互穿网络结构的良好界面。与未处理的玻纤复合材料相比,用质量分数为5%的PMMA溶液处理的玻纤/光固化树脂基复合材料的弯曲强度提高29.6%,弯曲模量提高30%,可以作为一种齿科修复用的新型生物复合材料应用。
三维C/C复合材料的压缩性能及破坏机制
2009, 26(6): 91-96.
摘要:
采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜观察和力学性能测定的方法,研究了三维C/C复合材料微观结构形貌,以及材料x向、y向和z 向的压缩性能。结果表明,材料内部缺陷明显,纤维束/基体界面结合较弱,材料z向压缩强度和破坏应变均大于x向和y向,压缩应力-应变曲线开始阶段近似线性,随着载荷的增加,曲线表现出明显的非线性特征。从宏观上考察了材料的压缩破坏机制,材料x向、y向和z向破坏模式均为剪切型破坏,纤维/基体界面结合强度对破坏模式影响明显。
C/C/Cu及C/Cu复合材料摩擦磨损行为比较
2009, 26(6): 97-102.
摘要:
采用无压熔渗工艺制备一种新型的具有优异耐磨性能的碳纤维整体织物/炭/铜(C/C/Cu)复合材料,在UMT23多功能摩擦磨损测试仪上考察复合材料的摩擦磨损行为,并与粉末冶金方法制备的滑板用炭/铜(C/Cu)复合材料进行了对比分析。结果表明:C/C/Cu复合材料形成了连通状的网络结构,其导电性能及力学性能明显优于传统C/Cu复合材料;2种复合材料摩擦系数相近;2种复合材料及其对偶的磨损率随载荷增大而增大;与C/Cu相比,C/C/Cu的耐磨性较优,且对对偶损伤较小,在70N载荷下更为明显。连通状的网络结构及磨损表面形成的磨屑保护层是C/C/Cu复合材料具有良好摩擦磨损特性的主要原因。
增强体SiCP对SiCP/Al复合材料腐蚀行为的影响
2009, 26(6): 103-108.
摘要:
通过周期浸润腐蚀实验研究了不同SiC颗粒尺寸(70、90、140、220μm)和不同SiC颗粒体积分数(42%、49%、55%)的SiCP/Al复合材料在酸性环境中的腐蚀行为。采用失重法、金相显微镜、X射线衍射仪以及扫描电镜分别计算腐蚀速率、观测微观组织、分析腐蚀产物的物相组成以及观察表面形貌。结果表明:腐蚀前期,SiCP/Al复合材料的耐腐蚀性能随着颗粒尺寸的减小而降低,腐蚀中后期,耐蚀性能随着颗粒尺寸的减小反而有一定程度的提高;SiC颗粒的存在一方面促进了点蚀的成核,另一方面又打断了基体的连续性,改变了点蚀的生长方式,抑制了点蚀的进一步扩展;SiCP/Al复合材料的耐腐蚀性能随着颗粒体积分数的提高而降低,其腐蚀产物主要为氧化铝和非晶态硫酸铝化合物。
纳米Al2O3颗粒增强新型铜基自润滑复合材料
2009, 26(6): 109-115.
摘要:
以Cu-Ni-Y2O3-MoS2-Graphite混合粉为基体,加入质量分数分别为0%、1%、2%、3%、4%的纳米Al2O3增强相,采用粉末冶金方法制备纳米Al2O3增强新型铜基自润滑复合材料。结果表明:随着铜合金粉末中纳米Al2O3颗粒含量的增加 , 所制备自润滑复合材料样品的密度下降,但硬度和压溃强度先上升后下降,在Al2O3含量为2%时硬度从HV 23.7增加到HV 35.1,压溃强度从189 MPa提高到276 MPa。由石墨和MoS2组成的混合固体自润滑材料的摩擦系数小且稳定,约0.12。Al2O3质量分数为2%的样品磨损量最小,是未加Al2O3试样磨损量的1/7~1/8。铜基体经过镍、纳米Al2O3等弥散颗粒强化和固体润滑相石墨和MoS2的加入,所制备的材料已具有一定的自润滑性能。
Al/Al2O3复合材料伪半固态触变模锻成形
2009, 26(6): 116-120.
摘要:
在粉末成形的基础上,结合金属半固态加工技术提出了金属/陶瓷复合材料伪半固态触变模锻成形工艺,并成功制备出 Al/Al2O3复合材料杯形件。微观组织观察及力学性能分析表明制件微观组织致密、力学性能优异。当铝体积分数增加到37%时,不同成形压力下复合材料制件抗弯强度可达430~690 MPa,断裂韧性达8.5~16.8 MPa·m1/2,与原位反应及高温氧化工艺相比抗弯强度及断裂韧性大幅度提高。同时分析了成形温度、成形压力等工艺参数对制件性能的影响。研究结果证明采用该工艺成形金属/陶瓷复合材料是可行的。
超导Ag/Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3O10-x复合氧化物摩擦磨损性能
2009, 26(6): 121-127.
摘要:
为适应20℃~-200℃ 温度的适用范围,采用固相法制备了Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3O10-x超导材料,用摩擦磨损试验机测试了Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3O10-x从液氮温度至室温的摩擦学性能。结果表明 : 在室温 20℃下,Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3O10-x与对偶件轴承钢盘对摩时,摩擦系数约为0.35,当温度降到超导转变温度以下时(液氮温度-170℃)摩擦系数大幅度降低,Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3O10-x超导态摩擦系数为正常态值的一半,实验证明了电子激励对摩擦能量耗散的作用。为改善室温下Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3O10-x摩擦学性能,掺杂不同质量分数 Ag作为润滑组元,制备了Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3O10-x超导固体润滑复合材料,取得良好耐磨减摩效果。Ag掺杂不影响Ag/Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3O10-x复合材料的超导性,在正常载荷和滑动速度下10 wt%Ag/ Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3O10-x复合材料摩擦系数为0.2~0.3,磨损率为4.57×10-4 mm3·(N·m)-1
还原温度对纳米FeCo/Al2O3复合材料结构和磁性的影响
2009, 26(6): 128-132.
摘要:
采用溶胶-凝胶法及在氢气中还原的工艺制备了纳米FeCo/Al2O3复合材料。利用X射线衍射、透射电镜、振动样品磁强计和Mssbauer谱学对样品微观结构和磁性进行了研究。结果表明:纳米FeCo/Al2O3复合材料中的FeCo合金为体心立方结构;随着还原温度的提高,α-FeCo合金晶粒尺寸变大,Al2O3的存在有效地抑制了α-FeCo合金晶粒的团聚和生长;随着α-FeCo合金晶粒尺寸的变大,样品的比饱和磁化强度增加,而矫顽力先增大后减小,两者分别在1100℃和1000℃时达到最大值62.41 emu·g-1和208.99Oe,FeCo/Al2O3由超顺磁和磁有序的混合状态转变为完全的磁有序状态;矫顽力的变化是由于FeCo合金的磁学结构由单磁畴结构转变为多磁畴结构造成的。
1-3型聚合物改性水泥基压电复合材料的制备及其性能
2009, 26(6): 133-137.
摘要:
采用切割-浇注法,以聚合物改性硫铝酸盐水泥为基体,铌锂锆钛酸铅(简称P(LN)ZT)为功能体制备了1-3型聚合物改性水泥基压电复合材料。研究了P(LN)ZT陶瓷体积分数对复合材料的压电和介电性能的影响。结果表明:随着P(LN)ZT陶瓷体积分数的增加,压电应变常数d33、相对介电常数εr和声阻抗率Z呈现明显的增大趋势;而压电电压常数g33和介电损耗tanδ则呈现下降趋势。与P(LN)ZT陶瓷相比较,1-3型压电复合材料厚度方向振动增强,机械品质因素明显降低,当P(LN)ZT陶瓷体积分数为30.86%时,其声阻抗率为8.24×106 N·s/m3,接近于混凝土的声阻抗率9.0×106 N·s/m3,适用于制作混凝土超声无损检/监测换能器。
掺CCCW的碳纤维石墨水泥基复合材料的导电及压阻特性
2009, 26(6): 138-142.
摘要:
利用四电极法研究了内掺水泥基渗透结晶防水材料(CCCW)的碳纤维石墨水泥基复合材料试样(40 mm×40 mm×40 mm)的导电特性及其在循环荷载作用下的压阻特性,分析讨论了碳纤维石墨水泥砂浆的体积电阻率及压阻特性随石墨掺量的变化规律。碳纤维和CCCW的掺量分别为水泥质量的1%和4%;石墨掺量分别为水泥质量的0%、10%、20%、30%、40%和50%。结果表明,添加CCCW的碳纤维石墨砂浆试样的体积电阻率随石墨掺量的增加迅速下降,并存在渗滤现象,渗滤阈值为20%左右。在循环荷载作用下,不同石墨掺量试样的电阻和应力存在一定的对应关系。石墨掺量为水泥质量的20%~30%时,碳纤维石墨水泥砂浆试样的体积电阻率与压应力呈现良好的可重复性,电阻值在应力加载时几乎呈线性下降,而卸载时增加。
碳纤维/环氧树脂复合材料动态拉伸试验研究与损伤分析
2009, 26(6): 143-149.
摘要:
利用MTS试验机和分离式Hopkinson拉杆对2种碳纤维/环氧树脂(T300/epoxy)层合板试件[(45/-45)4]S和[(0/45/90/-45)2]S进行了准静态(应变率10-5~10-4 s-1)、中速(应变率10-1~101 s-1)和高速(应变率102~104 s-1)冲击拉伸试验。在热力学框架内建立了基于损伤能释放率的弹塑性动力损伤本构模型,用该损伤模型来分析试件的动态拉伸失效过程。模型中提出了3种基本损伤机制(纤维断裂、基体开裂及面内剪切)的演化规律,通过对损伤阈值黏性归一化的方法考虑了应变率对损伤演化的影响。编写了该模型有限元用户材料子程序,并模拟了拉伸试验过程,计算结果表明该模型能够较好地模拟碳纤维/环氧树脂层合板动态拉伸失效过程。
NiCr/ZrO2功能梯度复合材料中混合型准静态裂纹启裂的数字散斑相关方法实验研究
2009, 26(6): 150-154.
摘要:
采用粉末冶金方法制备出NiCr/ZrO2功能梯度材料FGMs。通过2种断裂试件研究了材料梯度对混合型断裂行为的影响(FGM-A试件,裂纹位于试件的弹性模量较大一侧;FGM-B试件,裂纹位于试件的弹性模量较小一侧)。对2种断裂试件在非对称载荷下进行准静态断裂实验,并利用数字散斑相关方法测得Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子。结果表明:FGM-A的裂纹的开裂角小于FGM-B的开裂角;FGM-A的弹性梯度对静态裂纹有保护作用;弹性模量的梯度变化和裂尖局部材料的断裂韧性会影响混合型裂纹的启裂。
玻璃短纤维增强树脂基复合材料的单轴时间相关棘轮行为实验研究
2009, 26(6): 155-160.
摘要:
对玻璃短纤维增强树脂基复合材料(短纤维体积分数:28%,40%)的室温单轴循环棘轮行为进行了实验研究,讨论了复合材料在不同加载条件下的棘轮变形特征。结果表明:该复合材料在宏观层次上表现出与基体相类似的棘轮变形规律,即在非对称应力循环下也将产生明显的棘轮变形,并随应力幅值和平均应力的增加而增加;树脂基复合材料的棘轮行为具有明显的时间相关特性,棘轮应变值依赖于应力率和峰值保持时间。在建立玻璃短纤维增强不饱和聚酯树脂基复合材料棘轮行为的本构模型时必须考虑基体的黏性变形特征。
玻璃长纤维增强树脂基复合材料的单轴时间相关棘轮行为实验研究
2009, 26(6): 161-166.
摘要:
对玻璃长纤维增强树脂基复合材料(玻璃纤维体积分数为40%、50%)的室温单轴时间相关棘轮行为进行了较系统的单轴应力循环实验研究,讨论了该类复合材料在不同循环加载条件下的棘轮变形特征。结果表明:该类复合材料在非对称应力循环下将产生一定的棘轮变形,棘轮应变值随外加的应力幅值和平均应力的增加而增加;玻璃长纤维的引入使复合材料抵抗棘轮变形的能力明显强于未增强树脂基体材料,复合材料的棘轮变形量随玻璃长纤维含量的升高而下降;在室温下,复合材料的棘轮行为也具有明显的时间相关特性,棘轮应变值依赖于应力加载速率和峰值保持时间,随应力加载速率的下降和峰值保持时间的增加明显增加。
复合材料疲劳分层的界面单元模型
2009, 26(6): 167-172.
摘要:
提出一种三维黏聚力界面损伤模型,可以描述单调和交变载荷下层合复合材料混合型的分层损伤。损伤用界面所经历过的最大位移间断来定义,交变荷载下一个周期的加、卸载过程均考虑有损伤积累,模型还考虑了单调和疲劳损伤的门槛效应和交变载荷下裂纹的闭合效应。建立了包含该界面损伤模型的初始无厚度八节点等参界面单元,并引入加速损伤的算法,用一次计算循环代替若干次实际循环,提高计算效率。用该单元模型对某复合材料动部件疲劳分层裂纹的形成和扩展进行了模拟,得到了分层裂纹前沿界面局部损伤和结构疲劳分层的发展规律,模型预测的裂纹长度-荷载循环次数对数(a-log N)曲线和结构剩余刚度与试验数据吻合。
压电纤维复合材料桨叶的动力学建模
2009, 26(6): 173-176.
摘要:
建立了压电纤维复合材料桨叶的非线性动力学模型。在此基础上,研究了压电纤维铺层对复合材料桨叶固有频率和桨叶扭转运动阻尼特性的影响。计算结果表明:桨叶扭转角变化量随着压电纤维施加电压的增加而增大;当电压为1000 V时,桨尖扭转角变化量大约为2°。压电纤维铺层对桨叶固有频率几乎没有影响,其存在不会改变原设计复合材料桨叶的频率分布。当压电纤维铺设方向与桨叶展向成45°时,其对桨叶扭转方向的阻尼特性有着很大的影响;采用适当的电压控制,可以明显增加扭转方向的阻尼。
碳纤维复合材料传动轴承扭性能优化设计
2009, 26(6): 177-181.
摘要:
利用数值模拟分析的方法研究了铺层角度、厚度、顺序以及对称性对碳纤维复合材料传动轴抗扭性能的影响规律。研究发现结构抗扭截面系数在单向铺层方向为接近0°、45°及接近90°时较高,且随着铺层厚度增加而增大;扭转刚度则在40°~70°较好。在接近0°和接近90°铺层间铺设45°铺层能提高零件抗扭性能;与反对称铺层方案相比对称铺层方案更有利于零件承受扭矩。将优化铺层方案应用在某型号风机传动轴的设计中,试验证明能够满足使用要求并达到节约原材料的目的。
短纤维层间增韧的三维有限元分析
2009, 26(6): 182-188.
摘要:
层间短纤维强韧化是复合材料层合板层间增韧的有效途径之一。采用三维非线性有限元方法分析了层间短纤维强韧化复合材料层合板的分层扩展问题,探讨其影响因素。以混合模式下通用裂纹扩展的能量准则作为分层扩展判据,通过虚拟裂纹闭合技术计算分层尖端能量释放率。用节点双编号和单元生死技术模拟分层扩展。采用弹簧单元模拟层间短纤维作用,通过改变弹簧刚度修正短纤维桥联力。采用GAP元处理分层区的接触非线性问题。分析了分层区桥联力对层间应力场、位移场以及分层扩展的影响。研究结果表明,层间短纤维有效延缓了分层扩展,增韧效果明显。
采用梯度功能方法的IPMC弹性模量改进模型
2009, 26(6): 189-193.
摘要:
采用梯度功能材料力学方法,通过改进层合板理论模型来预测材料的力学性能。将饱和掺杂金属原子的外层作为表面镀层,将无掺杂的基体作为中间层,两层之间掺杂的金属原子含量逐渐变化,作为梯度层;使用EDS方法得到了Pt型金属/离子聚合物复合材料(IPMC)沿厚度方向的Pt原子含量分布,证明了模型分层的合理性;采用ASTM标准测定了IPMC材料的拉伸和弯曲弹性性能。本模型采用Mori-Tanaka方法预测表面镀层和梯度层的弹性性能,采用梯度力学方法,最终得到IPMC材料整体的弹性性能。用本文中模型预测常态下和含水饱和态下的IPMC拉伸性能与实验值相比,误差分别为 0.69%和-2.05%;预测常态下IPMC的表观弯曲弹性模量与实验值相比,误差为-0.99%。
纤维增强复合材料轴对称界面端的奇异应力场
2009, 26(6): 194-200.
摘要:
提出了一种分析横观各向同性纤维增强复合材料轴对称界面端的奇异应力场的特征值法。基于横观各向同性弹性材料空间轴对称问题的基本方程和一阶近似假设,利用分离变量形式的位移函数和无网格算法,导出了关于应力奇异性指数和应力角函数的奇异性特征方程。对于纤维/基体轴对称界面端模型,特征值法给出的应力奇异性指数、相应的位移和应力角函数,与通过有限元分析得到的结果非常吻合。利用有限元计算得到的奇异应力场,结合特征值法给出的应力奇异性指数和应力角函数,通过线性外插得到了相应的应力强度系数。特征值法结合有限元分析,可以完全确定横观各向同性纤维增强复合材料轴对称界面端的奇异应力场。
纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹的模拟分析
2009, 26(6): 201-209.
摘要:
基于Ghosh提出的Voronoi单元有限元方法,构造能同时反映纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹扩展的单元(X-VCFEM单元);应用界面力学理论和断裂力学理论,建立界面脱层、界面裂纹扩展方向和基体裂纹扩展的判断准则;结合网格重划分技术,模拟分析了只含有一个夹杂时界面脱层和基体裂纹扩展的过程,并通过与传统有限元计算结果的比较,验证X-VCFEM单元的可靠性和有效性;同时,模拟分析含任意随机分布夹杂的纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹的产生和扩展过程。结果表明:应用该方法模拟复杂多相复合材料裂纹问题具有计算速度快和精度高的优越性。