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2010年  第27卷  第1期

利用时温等效原理修正的VARTM用双酚F型环氧树脂体系化学流变模型
2010, 27(1): 1-6.
摘要:
研究了A40/DDM/DMTDA复合体系固化双酚 F型环氧树脂体系的化学流变特性, 建立了该体系在恒温和动态升温情况下的双阿伦尼乌斯黏度模型。以100℃ 为参考温度, 研究了该体系的时温等效效应, 通过转换因子aT的偏移预测了其它温度点的黏度-时间曲线。并应用时温等效原理, 修正了所建立的恒温模型, 克服了原模型在黏度值较大时与实验值的偏差。修正后的双阿伦尼乌斯模型的黏度预测值在较大的黏度范围内与实验结果保持良好的一致性, 可有效地预测VARTM工艺过程的黏度变化, 为复合材料成型工艺模拟分析及工艺参数的确定奠定了基础。
超声波法表征纤维增强树脂基复合材料固化行为
2010, 27(1): 7-11.
摘要:
采用超声波法对乙烯基酯树脂、玻璃纤维/乙烯基酯树脂、碳纤维/乙烯基酯树脂3种体系的固化反应过程进行了实时监测, 准确测量了超声波在3种体系中的传播速度及振幅衰减随体系固化反应时间的变化, 研究了纤维对树脂体系凝胶时间、固化过程体积储能模量及反应活化能的影响。结果表明, 玻璃纤维/树脂体系的反应活化能较纯树脂体系减小14 %, 固化速率加快; 而碳纤维/树脂体系的反应活化能较纯树脂体系增大15 %, 固化速率较纯树脂体系慢。超声波技术能够实时在线监测并量化纤维/树脂复合体系的固化行为, 为复合材料的制备工艺和性能研究提供了一种重要的量化手段。
溶液共混法制备碳纳米管/尼龙66复合材料及其性能
2010, 27(1): 12-17.
摘要:
采用溶液共混法, 将不同质量分数的羧基化多壁碳纳米管(CMWNTs) 加入聚己二酸己二胺(PA66) 中, 制得CMWNTs/PA66复合材料, 对复合材料的结晶及热性能进行了分析。结果表明: 加入CM2WNTs后, CMWNTs/PA66复合材料的熔点随着CMWNTs含量的增大基本不变, 但是结晶度略有增大, 结晶温度逐渐升高; CMWNTs对PA66结晶的晶型没有影响, 偏光显微镜观测发现添加CMWNTs使晶粒尺寸减小, 碳纳米管的异相成核剂作用明显。CMWNTs与PA66分子链之间主要是范德华力和氢键作用, 未能证实两者之间存在化学键。添加 CMWNTs使复合材料的开始分解温度和最大分解温度略有升高。碳纳米管对分解过程中产生的自由基的强烈吸附作用延缓了分解速率。
新型RTM预成型体用定位胶黏剂的研制
2010, 27(1): 18-24.
摘要:
研究了与5284树脂体系相匹配的2种定位胶黏剂LSG-1 和LSG-2, 以应用于复合材料 RTM制备工艺。分析了5284树脂体系的基体树脂特性与固化工艺条件, 初步确定了定位胶黏剂的配方。研究了定位胶黏剂与基体树脂的黏度特性和相容性, 确定了预成型体的制备工艺。通过U 型回弹、压缩回弹与金相观察分析了定位胶黏剂的定位效果及产生不同定位效果的原因。研究了加入定位胶黏剂预成型体的渗透特性及其复合材料制件的力学性能。结果表明, LSG型定位胶黏剂与树脂基体匹配良好, 可以使预成型体获得良好的定位效果, 且不影响复合材料的性能。
复合材料网格结构软模共固化成型工艺数值仿真
2010, 27(1): 25-31.
摘要:
基于平面应变有限元分析模型与策略, 研究了软模共固化成型工艺中工艺间隙、固化周期和残余应力对复合网格结构性能的影响。通过模拟一典型复合材料网格结构的共固化工艺过程, 得出了合适工艺间隙的确定方法, 建立了降低耦合场梯度策略, 并且解释了产生残余应力的原因。这对复合网格结构的软模共固化工艺的工艺参数合理选择具有一定的参考价值。
MBS核-壳改性剂增韧聚氯乙烯的形态结构及性能
2010, 27(1): 32-36.
摘要:
采用种子乳液聚合方法,在交联的丁苯(SBR) 乳胶粒子上接枝甲基丙烯酸甲酯(MMA) 和苯乙烯(St),制得 MBS核-壳接枝共聚物,并将其作为增韧剂与聚氯乙烯( PVC) 共混制备MBS/PVC共混物。分析了MBS的结构特征,考察了不同核壳比的MBS在PVC中的分散状态以及对MBS/ PVC共混物力学性能和透光性能的影响, 以制备高透光高韧性的MBS/PVC共混物。实验结果表明: 当MBS壳层中 PMMA量少时,MBS粒子在PVC基体中不能实现良好分散,MBS粒子呈聚集状态; 随着MBS壳层中PMMA含量增加,MBS粒子由团聚状态转变成网络状,当MBS壳层量增加到一定量时,MBS粒子以单一粒子状态实现均匀分散。随着 MBS壳层量增加,使PVC/MBS共混物实现脆韧转变所需的SBR 橡胶的质量分数降低,共混物的透光率降低;小粒径MBS增韧PVC的主要机制是基体的剪切屈服。
有机蒙脱土对ABS-PA6共混物形态结构与力学性能的影响
2010, 27(1): 37-42.
摘要:
熔融挤出制备了不同有机蒙脱土(OMMT) 含量的OMMT/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS) -尼龙6 (PA6) (30/70,质量比) 复合材料,用透射电子显微镜(TEM),扫描电子显微镜(SEM) 等研究了OMMT在ABS-PA6共混物中的分布及其对ABS-PA6共混物形态结构与力学性能的影响。结果表明:在OMMT/ABS-PA6复合材料中,OMMT主要以剥离形态分布在PA6基体相中,少量分布在PA6与ABS两相界面处,具有明显的选择分布性;随着 OMMT含量增加,ABS分散相尺寸逐渐减小且分布均匀OMMT/ABS-PA6 复合材料的强度、模量逐渐提高,当OMMT含量为7 wt%时 , 弯曲强度和模量分别由未加OMMT时的66. 7 MPa、2. 308 GPa上升至94. 1 MPa、3. 184 GPa,缺口冲击强度在OMMT含量为3 wt%时出现极大值3. 7 kJ / m,但总体变化不大。
盐酸西替利嗪/蒙脱土纳米复合物的制备及其结构与性能
2010, 27(1): 43-50.
摘要:
以钙基蒙脱土为原料,采用微波-力化学法制备钠基蒙脱土(MMT)。采用溶液离子交换法制备盐酸西替利嗪(CTH/MMT) 纳米复合物,研究了MMT 对CTH 的吸附规律。利用XRD、FTIR、TG等分析了CTH/MMT复合物的结构。通过体外人工模拟胃、肠液中的释放实验表征了CTH/MMT的缓释效果、缓释机制及其动力学。结果表明,CTH插层于MMT层间,层间距由1. 25 nm增至2. 13 nm。MMT对CTH 插层吸附等温线符合Freundlich吸附等温方程,其吸附动力学符合二级动力学方程。体外的缓释试验表明,CTH/MMT具有良好的缓释效果,MMT可作为盐酸西替利嗪的控释载体材料。
Al72Ni12Co16/A365准晶颗粒增强铝基复合材料的制备及其力学性能
2010, 27(1): 51-56.
摘要:
制备了增强相体积分数为5 %~20 %的系列Al72Ni12Co16P/A365准晶增强铝基复合材料。其中增强相Al72Ni12Co16通过将严格按化学成分配比的Al72Ni12Co16浇于水冷铜基板上激冷凝固而获得。TEM和 XRD分析结果表明所获得的材料为单相准晶材料。准晶增强铝基复合材料经热挤压处理后,绝大部分的铸造缺陷被消除,力学性能测试显示当准晶相的加入量为 20 %时,铝基复合材料的抗拉强度、屈服强度、弹性模量等性能分别从基体材料的275 MPa、200 MPa和70 GPa提高至410 MPa、350 MPa和102 GPa , 而延伸率却从6 %降低至3 %。分析了准晶增强铝基复合材料的断裂机制和增强机制,准晶颗粒增强铝基复合材料的断裂机制可能有如下3 种:界面及其附近区域脱粘、基体在集中的滑移带内撕裂和颗粒断裂,而其增强机制主要是细晶强化、弥散强化和固溶强化。
放电等离子烧结制备高导热SiCP/Al 电子封装材料
2010, 27(1): 57-61.
摘要:
为了满足电子封装材料越来越高的性能要求,采用放电等离子烧结(SPS) 工艺制备了SiCP/Al 复合材料。研究了烧结温度和保温时间等工艺条件对SiCP/Al复合材料组织形貌和性能的影响。结果表明:采用SPS烧结,温度为700℃、保温时间为5 min 时,所制备的 70 vol %SiCP/Al复合材料热导率达到195. 5 W (m ·K)-1,与传统 15 %W2Cu合金相当,是Kovar合金的10倍,但密度小,仅为 3. 0 g·cm-3;其热膨胀系数为6. 8 ×10-6 K-1,与基板材料热膨胀系数接近;抗弯强度为410 MPa,抗拉强度为190 MPa,达到了电子封装材料对热学性能和力学性能的要求。
40 vol%SiCP/2024Al 复合材料的动态压缩性能
2010, 27(1): 62-67.
摘要:
利用分离式霍普金森压杆(SHPB) 研究了40 %体积分数的SiCP/2024Al复合材料和基体材2024Al 在不同应变率下的动态压缩性能。在高应变率动态压缩时该复合材料与2024Al 均表现出应变率不敏感复合材料屈服应力高于2024Al;与2024Al的应变硬化性能不同 , 复合材料表现出应变软化性能。利用扫描电(SEM) 观察动态压缩后复合材料试件的微观组织,发现试件内部出现一些孔洞、微裂纹以及一些增强颗粒的碎等损伤现象,并且在较高应变率下基体呈现出明显的热软化甚至发生局部熔化,由此判断,在高应变率SiCP/2024Al复合材料宏观应变软化的机制为内部损伤及基体热软化。将 SiCP/2024Al复合材料与2024Al 400℃下烧蚀3 h后自由冷却至室温,利用SHPB再次进行测试,与烧蚀前的测试结果相比,2024Al 的性能明显降,而复合材料的性能变化较小,表现出比基体材料更好的抗高温稳定性能。
原位TiCP对近液相线铸造7075铝合金二次加热组织的影响
2010, 27(1): 68-72.
摘要:
 采用原位反应近液相线铸造方法制备4. 4 %TiCP/7075 铝复合材料,在基体合金的液-固两相区间(477~635 ℃) 的600℃ 分别保温 10、20、40、60 min,水淬固定其半固态组织,应用 Image Pro Plus软件测量平均晶粒尺寸,研究原位TiCP对二次加热组织的影响。结果表明,原位TiCP不仅使合金铸态组织直接转变为等轴晶组织,而且在二次加热过程中,对晶粒的长大行为具有明显的抑制作用。在相同的二次加热条件下,TiCP/7075铝复合材料的平均晶粒尺寸比 7075基体合金减小了 30~40μm,更适合于半固态触变成形。
热压烧结一步法制备Cf/Cu复合材料的组织和性能
2010, 27(1): 73-78.
摘要:
为了简化工艺及提高性能,采用热压烧结一步法制备Cf/Cu复合材料。研究了Cf/Cu复合材料的面反应原理、微观形貌及不同的Ti添加量对复合材料密度、硬度、强度等性能的影响。结果表明; Cu2C2Ti 三体系,在低于1100℃,碳纤维表面生成TiC层,该反应层降低了液态Cu与碳纤维的润湿角,改善了Cu与碳纤的界面结合。探讨了TiC层的形成机制,提出了溶解在Cu液中的Ti 原子与碳纤维接触生成TiC的微观反应型。TiC层的形成有利于提高复合材料的性能。当Ti 的质量分数为16. 7 %时,Cf/Cu复合材料的综合性能好,其肖氏硬度高达HS66. 94,抗弯强度为97. 59 MPa。
铜基复合材料干湿条件下的摩擦学行为
2010, 27(1): 79-85.
摘要:
采用粉末冶金技术制备铜基复合材料,在制动压力0. 5~1. 2 MPa 范围内,通过定速摩擦试验机研究了干、湿条件下,速度、压力与材料摩擦磨损性能的关系,结果表明:影响摩擦磨损性能的重要因素在于载荷性质和第三体状态。在干摩擦条件下,处于低摩擦速度范围时,摩擦力的静载荷性质使第三体呈疏松状态,这增加了微凸体间的啮合程度而使摩擦系数处于较高值。随第三体致密性增加,其润滑作用增强,微凸体间的机械啮合程度减弱,使材料的摩擦系数和磨损量降低。在高速摩擦时,微凸体间的冲击作用使处于摩擦表层的硬质颗粒容易发生粉碎性破损而弥散分布,这强化了表面强度而使摩擦系数有所增加。摩擦压力对高速摩擦性能影响明显,原因在于高负荷加剧了摩擦面的变形和损伤程度。湿摩擦条件下,水膜的润滑和流动具有降低摩擦系数和增加磨损率的作用主要体现在低速低压条件下。在高摩擦速度和高压力条件下,水分的高温蒸发与离心作用明显,破坏了水膜的存在条件,从而使材料的摩擦磨损性能与干摩擦状态相近。
Al2O3P/Al-Cu复合材料的二次加热组织演变
2010, 27(1): 86-90.
摘要:
采用原位反应近液相线铸造方法制备Al2O3P/Al-Cu复合材料,对其进行二次加热,研究晶粒的形貌演变和长大规律。用光学显微镜观察组织结构,应用Image Pro Plus软件测量并统计出平均晶粒尺寸及合金液相体积分数,并与理论计算数值进行比较。结果表明,在590℃ 保温10~60 min后,不含Al2O3颗粒的Al-6. 8 %Cu基体合金平均晶粒尺寸为 89~132μm,液相体积分数为14 %~26. 8 %,而3. 6 wt%Al2O3P/ Al-6. 8 %Cu复合材料的平均晶粒尺寸为73~107μm,液相体积分数为11. 6 %~20. 9 %。说明Al2O3颗粒在合金的二次加热过程中对晶粒长大行为及液相体积分数的增长均有明显的抑制作用,从而为优化半固态组织提供了一种新思路。
Fe78Si9B13/Ni层状复合材料的制备及其拉伸性能
2010, 27(1): 91-97.
摘要:
采用脉冲电沉积的方法制备了Fe78Si9B13/Ni层状复合材料(Ni-Fe78Si9B13-Ni 三层结构) 。用 SEM和TEM对层状复合的微观组织进行观察,Ni层的晶粒尺寸平均约为 50 nm ,非晶层和纳米Ni层具有良好的界面结合。Fe78Si9B13 /Ni层状复合材料的室温断裂强度达到2090 MPa , 断裂伸长率达到8. 5 % , 其伸长率远大于单相Fe78Si9B13非晶带的伸长率(1. 39 %);在450℃ 高温拉伸,复合材料的延伸率达到了115. 5 % ,远大于单相非晶带的高温延伸率(36. 3 %) ,实现了通过制备层状复合材料来提高非晶带塑性的目的。
气氛与应力对3D C/SiC复合材料热震行为的影响
2010, 27(1): 98-103.
摘要:
为了确定薄界面 3D C/ SiC复合材料,即热解炭界面( PyC界面) 厚度低于标准厚度(200 nm) 的复合材料,在应力下和氧化性气氛中的抗热震性 , 利用感应加热环境箱在 700~1200℃氧化性气氛中进行了热震试验,基于试验后的强度保持率变化、拉伸应力2位移曲线变化、微结构变化和试验过程中的长度变化等研究了气氛和应力对其热震损伤行为的影响。研究发现,对于薄界面3D C/SiC复合材料,应力增加了裂纹开度,促进了C相的氧化,加快了热震损伤饱和速度,且蠕变应力对热震损伤的加速作用高于疲劳应力。氧化性气氛对界面的适度氧化和应力导致的界面脱粘能提高了薄界面3D C/SiC复合材料的强度保持率,说明其在应力条件下具有较好的抗氧化和抗热震性能。
反应熔渗SiC/MoSi2和SiC/Mo(Si, Al)2复相材料抗氧化行为
2010, 27(1): 104-108.
摘要:
研究了低成本制备技术反应熔渗方法制备的SiC/MoSi2和SiC/Mo (Si, Al)2复合材料高温氧化行为。表面氧化物的形态和氧化增重的研究结果表明,所制备复合材料高温氧化3 h 后即发生钝化现象,继续在500℃再进行低温氧化试验,发现限制该材料使用的“Pest”现象消失。其中渗铝复合材料SiC/Mo (Si, Al)2高温增重较渗硅SiC/MoSi2严重。当后者中形成的 SiC增强相全部为原位反应生成时 , 由于界面结合力提高 , 抗氧化能力更强。
超重力下燃烧合成TiB2-TiC共晶复合陶瓷
2010, 27(1): 109-117.
摘要:
采用超重力下燃烧合成技术,制备出TiB2-TiC共晶复合陶瓷。XRD、SEM与EDS结果表明,复合陶瓷主要由大量细小的TiB 2片晶均匀分布于TiC基体上的共晶组织构成,而富钛ε碳化物(Ti , Cr)C1-x则断续分布于TiC基体间,同时在基体中还孤立分布着少量的、形态不规则的α-Al2O3晶粒或Al2O3-ZrO2共晶团组织。高温化学反应使所有产物均呈液态,且超重力的引入诱发熔体内部Stocks流,从而获得液态Ti-Cr-C-B与液态氧化物的分层熔体,液态Ti-Cr-C-B在远离平衡态下发生共晶反应生成TiB 2 2TiC共晶复合陶瓷。性能测试表明,随着B4C + Ti + C在燃烧体系中质量分数增加,TiB2-TiC共晶复合陶瓷相对密度和断裂韧性变化不大 , 分别为97 %~99 %与6. 5~7. 1 MPa·m1/2,而维氏硬度与弯曲强度则逐渐增加,最高可达28. 6 GPa与615 MPa。
金属Mo对AlN基复相材料性能的影响
2010, 27(1): 118-122.
摘要:
以氮化铝、金属Mo 为原料,Y2O3为烧结助剂,氮气氛下、1800~1900℃热压烧结制备Mo/AlN 复相材料。利用 XRD、SEM对材料的相组成、显微结构进行表征,四探针法测试复相材料的电阻率,微带线法测试2~20 GHz频率范围内材料的微波衰减特性,探讨了渗流现象与衰减特性之间的内在联系。结果表明;当 Mo 添加量为4. 56 vol %~15. 03 vol %,材料呈现宽频衰减特性,且随着 Mo 含量和烧结温度的增加衰减量增大;当Mo 添加量为16. 18 vol %~24. 88 vol %,材料仅在 6、10、14、18 GHz  4个频率点出现了明显的谐振峰。根据渗流模型对电阻率数据进行拟合,得到导电相渗流阈值Vc和相应电阻率分别为14. 87 vol %和11. 59 Ω·m。当Mo 体积分数V >Vc时 , 复相材料的衰减特性由宽频向选频转变。
大丝束碳纤维薄层化技术
2010, 27(1): 123-128.
摘要:
采用机械式多辊系统薄层化技术,分析研究了大丝束碳纤维在不同形状辊子组合上的受力状态和可能的纤维运动状态,以及不同形状辊子组合对纤维损伤、薄层化后纤维分布状态的影响,在此基础上确定采用等径异型辊组合作为薄层化装置的核心部件,研究了采用3种不同曲率的等径异型辊时,不同纤维张力对大丝束碳纤维薄层化效果的影响。最终确定了该套薄层化装置达到最佳薄层化效果的等径异型辊的曲率半径应为330 mm,所施加的纤维张力应为46. 6 N。
微结构对碳/碳复合材料界面性能的影响
2010, 27(1): 129-132.
摘要:
通过理论模型和界面顶出实验分析了微观结构对碳/碳复合材料界面性能的影响机制。使用高分辨Micro-CT系统获得C/C复合材料界面的微观结构特征,并对界面的微观结构特征进行统计分析,得到界面微观结构尺度分布的概率密度函数。对C/C复合材料的界面层建立力学分析模型,计算获得C/C复合材料界面力学性能,在计算过程中引入界面微观结构的随机性统计分布,获得C/C复合材料界面力学性能的分布规律。设计纤维束顶出实验,测试分析C/C复合材料的界面力学性能。将力学分析模型的计算结果与界面顶出实验获得的实验结果进行对比分析,表明通过模型计算获得的界面性能的均值和离散度与实验获得的结果具有较好的一致性。
碳纤维增强金字塔点阵夹芯结构的抗压缩性能
2010, 27(1): 133-138.
摘要:
提出了一种碳纤维增强复合材料点阵夹芯结构的一体化成型工艺方法。该方法克服了传统夹芯结构面板与芯子之间因需要二次粘接或焊接的方法所带来弱界面的缺点。将纤维杆两端埋入面板内,使面板与芯子成为一体而不存在明显的界面。对用该方法制备的碳纤维增强金字塔点阵夹芯板进行平压试验,研究发现随着载荷的增加,纤维杆发生弹性屈曲并在中间部位出现断裂。理论分析了点阵夹芯结构平压载荷下的弹性模量和纤维杆极限屈曲载荷。通过与传统夹芯材料相比较发现,这种新型复合材料点阵夹芯结构具有密度低、比强度和比刚度高等优点。
FeCoZrNbB合金的晶化过程及磁性能
2010, 27(1): 139-143.
摘要:
采用单辊快淬法制备Fe81-xCoxZr7Nb2B10(x = 2, 4, 6) 系非晶合金,并对该系非晶合金进行热处理。利用X射线衍射和振动样品磁强计研究FeCoZrNbB 合金系的晶化过程和磁性能。结果表明,Fe81-xCoxZr7Nb2B10(x = 2, 4, 6) 系合金在快淬速率为30 m/s时完全形成非晶。Fe79Co2Zr7Nb2B10合金的晶化过程为非晶→非晶+α-Fe→α-Fe + Fe3Zr + Fe2Nb0.4Zr0.6;Fe77Co4Zr7Nb2B10与Fe75Co6Zr7Nb2B10合金的晶化过程相同为非晶→非晶+α-Fe→ α-Fe + Fe3Zr →α-Fe + Fe3Zr + Fe2Nb0.4Zr0.6。Co 含量的增加抑制了退火后α-Fe晶相的形核,并促使Fe 3Zr化合物更易析出。Fe81-xCoxZr7Nb2B10(x = 2, 4, 6) 合金的比饱和磁化强度( Ms) 和矫顽力 ( Hc) 随退火温度的变化趋势相同。530℃ 之前退火,随退火温度的升高M s增加并不明显 ; 530℃之后退火,Ms迅速上升。530℃ 退火,Hc达到最小值;高于530℃ 退火,Hc随退火温度的升高而增加。
新型纳米结构颗粒增强无铅复合钎料性能
2010, 27(1): 144-149.
摘要:
为了解决传统复合钎料制备中强化颗粒容易粗化的问题,提高无铅复合钎料的性能,选用共晶Sn-3.5Ag、Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料作为基体,3种不同类型具有纳米结构的有机-无机笼型硅氧烷齐聚物(POSS) 颗粒作为增强相而制成复合钎料。研究了复合钎料的铺展性能、钎焊接头的力学性能和抗蠕变性能。结果表明,复合钎料的润湿性能均优于基体钎料的润湿性能,复合钎料钎焊接头的剪切强度和蠕变断裂寿命均明显提高。在相同条件下,Sn-Ag-Cu基复合钎料钎焊接头的性能优于Sn-Ag基复合钎料钎焊接头。
玄武岩纤维耐碱性及对混凝土力学性能的影响
2010, 27(1): 150-154.
摘要:
为研究玄武岩纤维的耐碱性能及其对混凝土力学性能的影响规律,试验将玄武岩纤维分别置于不同碱浓度、不同温度的溶液中浸泡 1天、3天和5天后,测量其质量损失率;并在偏光显微镜下观察腐蚀后的表面形貌;同时研究了3种不同玄武岩纤维掺量的混凝土强度性能,采用SEM观察混凝土中纤维的腐蚀情况。结果表明,随着碱溶液浓度和浸泡温度的提高,纤维的质量损失率增加,表面剥落严重。玄武岩纤维混凝土与空白样相比7天的力学性能变化不大,而养护28天的抗压、抗折强度则随纤维掺量的增加有明显的下降,电镜照片显示混凝土中纤维表面被腐蚀,混凝土强度损失可能与玄武岩纤维耐碱性能不强有关。
FRP-混凝土界面疲劳性能分析
2010, 27(1): 155-161.
摘要:
应用红外探测技术跟踪记录了2 个纤维增强聚合物复合材料(FRP) 加固混凝土试件界面的疲劳损伤发展过程,结合系列疲劳试验分析了界面的疲劳力学性能和疲劳寿命。结果显示,FRP-混凝土界面粘结区和剥离区有明显的温度差异,应用红外探测技术可以较准确地检测界面的损伤发展状况。界面的疲劳损伤从跨中位置萌生后向一端扩展,损伤演化可分为萌生、稳定发展和失稳发展3个阶段,稳定发展阶段约占界面疲劳总寿命的99 %左右。在界面疲劳寿命的主要阶段内界面的疲劳损伤较小,发展缓慢,FRP应力也变化平稳,表明加固的抗疲劳效果较好。最后给出了界面疲劳寿命的预测方法,界面的疲劳破坏制约了FRP材料强度性能的充分利用。
含周期性裂纹正交各向异性板平面问题的应力场分析
2010, 27(1): 162-166.
摘要:
通过引入适当的Westergaard应力函数,采用复变函数方法和待定系数法对含周期性裂纹正交各向异性纤维增强复合材料板的Ⅰ 型、Ⅱ型问题中裂纹尖端附近的应力场进行了力学分析。在远处对称载荷与斜对称载荷作用下,先给出Ⅰ型、Ⅱ型问题在裂纹尖端处的应力强度因子,然后导出用应力强度因子表示的Ⅰ型、Ⅱ型裂纹问题应力场的解析表达式。此外,应力场大小与材料常数有关,这是正交各向异性材料不同于各向同性材料的特征。由于裂纹的周期分布,应力强度因子的大小取决于形状因子。结果表明,形状因子随着裂纹长度的增加而增大,随着裂纹间距的增大而逐渐下降,当裂纹间距趋于无穷大时,退化为含单个中心裂纹正交各向异性纤维增强复合材料板的结果。
含界面相的单向纤维增强复合材料三维应力场的二重双尺度方法
2010, 27(1): 167-172.
摘要:
提出了计算含界面相的单向纤维增强复合材料三维应力的二重双尺度方法。在性能预报方面,首先对界面相和纤维进行均匀化得到均匀化夹杂,然后对均匀化夹杂和基体进行均匀化得到宏观均匀材料;在应力场描述方面,从宏观均匀场出发,利用双尺度渐近展开技术经过两次应力场传递,依次得到单胞和应力集中区域的应力场。与有限元方法相结合,计算了宏观轴向均匀拉伸载荷条件下含界面相的单向纤维增强复合材料的三维应力场分布。数值结果表明在此载荷条件下最大应力发生在每根纤维的中截面内,靠近纤维与界面相的交界处。讨论了界面相性能对应力场分布的影响,结果显示纤维、界面相与基体力学性能的等差过渡有利于缓解纤维在界面附近的应力集中。
考虑三维应力的复合材料层压板疲劳寿命分析
2010, 27(1): 173-178.
摘要:
由于层间应力的存在,受面内载荷作用的复合材料层压板实际处于多轴应力状态。构建了由刚性元、弹簧元和二维板元构成的准三维有限元模型,结合单向板在典型应力状态下的疲劳试验结果和疲劳损伤模型,发展了一种考虑三维应力的、预测任意铺层多向层压板疲劳寿命的分析方法,包括应力分析、静力和疲劳累积损伤失效分析及材料性能退化3个主要部分,能够模拟面内和层间损伤产生、发展直至层压板整体破坏的完整过程,并得到疲劳寿命。对2种T300/QY8911多向铺层板进行了实际计算,寿命预测结果与试验结果吻合较好。
纤维束交叉起伏对缠绕复合材料刚度的影响
2010, 27(1): 179-184.
摘要:
纤维缠绕过程会在局部区域形成纤维束的起伏、交织。针对起伏区域纤维束的非正交交织的特点,提出一种缠绕复合材料刚度的计算方法:先通过螺旋缠绕角度和起伏层倾斜角度,将三维刚度进行两次转换,然后将转换后的起伏区域的三维刚度转化成缠绕层面内二维有效刚度;利用二维有效刚度,将缠绕复合材料刚度系数AijBijDij各项在起伏区域上进行数值积分取平均值,再利用转换矩阵得到缠绕复合材料的整体刚度矩阵。算例的结果表明,考虑了纤维束的起伏、交织后缠绕复合材料刚度矩阵发生了一些变化,特别是耦合刚度的变化更为明显。
整体中空夹层复合材料的弹性性能分析
2010, 27(1): 185-189.
摘要:
基于织物真实形态选取了整体中空夹层复合材料的最小结构单元,确定了几何参数和纤维体积含量的计算方法,建立了力学模型,并在此基础上预测了整体中空夹层复合材料的弹性常数。分析了当绒经和地经纱的织造密度保持一定的比例不变时,不同织造参数下面板弹性性能的变化。制作了侧拉、平压试件并进行了性能测试,通过实验值和理论预测值的对比,表明了力学模型的正确性。
层压复合材料分层扩展分析的虚拟裂纹闭合技术及其应用
2010, 27(1): 190-195.
摘要:
提出一种基于虚拟裂纹闭合技术的界面元模型,用以模拟复合材料的分层破坏和预测结构的承载能力。界面元被嵌入在模型分层扩展路径上,计算结构的能量释放率,结合幂指数破坏准则,模拟复合材料的分层扩展。对由于裂尖单元长度不同所带来的分析误差进行了适当的修正,以降低网格粗细变化所带来的不利影响。为了检验该界面元的可靠性,分别将其应用于对双悬臂梁(DCB) 模型、端边切口(ENF) 模型和混合模式弯曲(MMB) 模型的分层扩展分析中。计算结果与解析解基本吻合,从而验证了采用该界面元模拟复合材料分层破坏的可行性。用该方法对3个含有不同初始损伤复合材料T型接头的界面拉脱分层破坏进行数值模拟,计算结果与试验数据吻合良好。
四边简支压电层合板灵敏度分析的精确解
2010, 27(1): 196-201.
摘要:
为了应用弹性力学中的Hamilton 正则方程研究压电材料的灵敏度系数问题,基于压电材料的H-R(Hellinger-Reissner) 变分原理,简要地导出Hamilton正则方程算子表达式,建立了四边简支板静力学控制方程。根据灵敏度定义,在静力学控制方程的基础上联立灵敏度控制方程,得到了增维的齐次压电材料静力响应和灵敏度系数混合控制方程。应用该方程可以同时求得压电层合板的力学、电学参量及其灵敏度。该算法过程简单、运算效率和稳定性好。数值算例结果与有限差分法的结果比较表明本文方法切实有效。