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2013年  第30卷  第6期

石墨烯气凝胶/环氧树脂复合材料的制备及导电性能
王学宝, 李晋庆, 罗运军
2013, 30(6): 1-6.
摘要:
以氧化石墨烯为前驱体,通过溶胶-凝胶法制备了石墨烯气凝胶(GA),然后通过超声混合的方式将GA与环氧树脂(EP)复合,制备了GA/EP复合材料。利用扫描电镜、N2吸附测试、X射线光电子能谱和X射线衍射对GA的结构进行了表征,并研究了添加不同质量分数的GA对GA/EP 复合材料的热性能和导电性能的影响。结果表明,GA具有丰富的孔结构,其骨架是由石墨烯无规则堆积在一起形成的三维网格结构。经过高温热还原处理后,GA的比表面积增加到731.84 m2·g-1,组成其骨架的石墨烯的层间距缩小至0.347 nm,且绝大部分的含氧基团已经被除去。DMA和电导率测试结果表明,随着GA质量分数的增加,GA/EP复合材料的玻璃化转变温度呈现先升高后降低的变化趋势,而其电导率则呈现逐渐增加的趋势,逾渗阈值在0.05%~0.3%之间。
碳纤维上原位生长碳纳米管对C/C复合材料弯曲性能的影响
文诗琦, 李克智, 宋强
2013, 30(6): 7-13.
摘要:
以碳毡为基底原位生长了碳纳米管(CNTs),借助化学气相渗透制备了CNTs-C/C复合材料。研究了催化剂含量对碳纳米管生长的影响以及不同含量碳纳米管对C/C复合材料弯曲性能的影响。结果表明:催化剂对CNTs产量影响较大,且含量越多,生成的CNTs量越大;原位生长CNTs引入的催化剂会导致CNTs-C/C复合材料弯曲性能变差;CNTs的加入改变了热解碳的沉积行为,诱导了球状和锥状小尺寸热解碳的形成,减少了微裂纹的出现。适量CNTs能提高C/C复合材料的弯曲强度和模量,并改善材料的断裂行为。
石墨烯微片/聚丙烯导热复合材料的制备与性能
汪文, 丁宏亮, 张子宽, 沈烈
2013, 30(6): 14-20.
摘要:
通过熔融共混法制备了两种不同型号石墨烯微片(GNPs)填加的GNPs/聚丙烯(PP)导热复合材料,研究了GNPs型号(KNG180,KNG150)和含量对其导热性能、密度、结晶性能和热稳定性能的影响。结果表明,KNG180 GNPs/PP复合材料密度高于KNG150 GNPs/PP,同时KNG180对提高聚丙烯结晶度的效果优于KNG150。随着石墨烯微片含量的增加,两种复合材料导热系数均明显增大,而且KNG180填充的复合材料导热性能明显优于KNG150;当KNG180的添加量为60%(质量分数)时,GNPs/PP复合材料的导热系数从纯聚丙烯的0.087 W/(m·K)提高到1.32 W/(m·K),提高了14倍多。石墨烯微片的加入显著提高了聚丙烯的热稳定性,当KNG180或KNG150的质量分数为10%时,聚丙烯达到最大热失重速率时的温度从345.1 ℃分别提高到374.6 ℃和397.9 ℃,但是当石墨烯微片超过一定含量时,热稳定性会下降。
快速固化环氧树脂及其碳纤维/环氧复合材料性能
张靠民, 顾轶卓, 李敏, 王超然, 张佐光
2013, 30(6): 21-27.
摘要:
采用双酚A型环氧树脂(DGEBA)、改性咪唑(MIM)及改性脂肪胺(MAA)研制快速固化树脂体系。分别利用DSC和流变仪测试了树脂体系的固化特性与流变行为,优选了树脂配方。采用真空辅助树脂灌注工艺(VARIM)制备了快速成型的碳纤维/环氧复合材料层板,考察了层板的成型质量和力学性能,并与常规固化的层板性能进行了对比。结果表明:采用优选的树脂配方,120 ℃下树脂在5 min内固化度达95%,碳纤维/环氧复合材料层板成型固化时间可控制在13 min以内,固化度达95%以上,并且没有明显缺陷;与常规固化相比(固化时间大于2 h),快速固化碳纤维/环氧复合材料层板的弯曲性能和耐热性能降低幅度较小。
水热处理对可逆热致变色竹粉/塑料复合材料性能的影响
吴秋宁, 杨文斌, 余方兵, 陈丽红
2013, 30(6): 28-36.
摘要:
探讨了水热处理对可逆热致变色竹粉/塑料复合材料的材色和力学性能的影响。通过ESEM观察竹粉/塑料试样表面的微观结构;分别利用FTIR和DSC方法表征试样表面化学成分的变化以及试样的结晶度。研究结果表明:水热处理对可逆热致变色竹粉/塑料复合材料各性能具有较大的影响,其影响程度为:水热80 ℃处理>常温水浴处理>干热80 ℃处理,水热处理使试样表面产生较大裂纹,接触角和力学性能明显降低,材色变化非常显著;常温水浴处理使得试样表面产生微裂纹,接触角略有降低,其力学性能呈现先升后降再升高的趋势,材色变化较明显;干热处理之后的试样表面光滑、平整,接触角反而增大,其力学性能变化不一致,材色变化不明显。红外光谱和差示扫描量热法分析表明,干热80 ℃、常温水浴和水热80 ℃处理使竹粉和高密度聚乙烯发生一定程度的降解,且高密度聚乙烯会发生再结晶现象。
Laser ablation behaviors of C/SiC composites in air
SU Meng, CHENG Laifei, LUAN Xingang, ZHANG Litong
2013, 30(6): 37-47.
摘要:
Ablation behaviors of silicon carbide (SiC) coated 2D carbon fiber reinforced silicon carbide matrix (designated as 2D C/SiC) composites prepared by chemical vapor infiltration (CVI) were investigated by a continuous wave CO2 laser. The 2D C/SiC specimens were exposed under laser for 0.5 s in ambient air, and the laser powers varied from 500 W to 1500 W. A 3D finite element model was established to calculate the temperature distribution in the laser ablation process. The ablation depth, width and profile were measured by Laser Confocal Microscope (LCM). The results indicate that the increase of ablation depth follows a linear relation with the increase of laser power, and the increase of ablation width follows a similar trend with the increase of the isotherm diameter of 1712 ℃. The ablated surface can be distinguished into three different regions by scanning electron microscope (SEM) observation, including ablation center, transition zone and ablation fringe. The ablation behaviors of carbon fibers and SiC matrices in different regions were presented and discussed in the study.
超支化聚酯基二茂铁/环氧树脂复合材料的制备及性能
张雅, 柴春鹏, 罗运军, 卢明明, 李国平, 王鲁
2013, 30(6): 48-53.
摘要:
以第3代环氧端基脂肪族超支化聚酯(EHBP)增韧的环氧树脂(E-51)为基体材料,超支化聚酯基二茂铁(HBPE-Fc)为吸波剂,制备具有一定力学承载及电磁性能的超支化聚酯基二茂铁/环氧树脂(HBPE-Fc/E-51)复合材料,并通过力学性能测试及扫描电镜、矢量网络分析仪等研究了该复合材料的力学及电磁性能。结果表明,添加较低含量的HBPE-Fc能较好地改善环氧树脂体系的拉伸及冲击性能,第4代HBPE-Fc质量分数为2%时,与纯环氧树脂体系相比,HBPE-Fc/E-51复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度分别提高了21.81%、34.32%和15.41%,对固化体系的拉伸断面分析发现引入HBPE-Fc后材料表现出韧性断裂。HBPE-Fc/E-51复合材料的玻璃化转变温度在105.29~130.27 ℃之间,具有良好的热稳定性,同时该复合材料具有一定的电磁特性。
Fe3O4-MWCNTs在环氧树脂中的定向排列
陈伟, 郑亚萍
2013, 30(6): 54-59.
摘要:
用共沉淀法制备了具有超顺磁性Fe3O4-MWCNTs(多壁碳纳米管)复合粒子,加入环氧树脂(EP)中,在0.6 T的弱定磁场下固化成型。采用TEM研究其定向程度及分散性,并进行动态热机械分析、差热分析和导热率测试。结果表明,MWCNTs表面包覆了磁性Fe3O4纳米粒子,Fe3O4-MWCNTs复合物按照首尾衔接的方式沿着磁场方向定向排列。Fe3O4-MWCNTs/EP纳米复合材料表现出明显的各向异性,垂直于Fe3O4-MWCNTs轴向导热率低于平行方向的导热率,Fe3O4-MWCNTs的加入对于平行方向的导热率影响不大。Fe3O4-MWCNTs的加入使环氧树脂的储能模量变小,损耗模量变大,损耗因子均大于纯环氧树脂,表现出良好的阻尼性能。当Fe3O4-MWCNTs与EP质量比为0.3%时,损耗因子在20 ℃的温域内大于0.7,最高值达到1.16。
聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料在长期浸泡作用下抗硫酸盐侵蚀性能
刘曙光, 赵晓明, 张菊, 闫长旺
2013, 30(6): 60-66.
摘要:
为了研究纤维和粉煤灰对长期浸泡作用下聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA纤维/水泥复合材料)抗硫酸钠侵蚀的影响,对多次试验周期后的试件表观形貌变化、质量变化、体积变化、抗压强度和微观结构进行分析研究。试验结果表明,纤维的掺入及良好的分散,在水泥基体中形成了良好的网络分布结构,使PVA纤维/水泥复合材料在硫酸钠溶液中的侵蚀速度减缓,但纤维掺量有一个最佳值;粉煤灰的掺入在一定程度上密实了PVA纤维/水泥复合材料,使其抗硫酸钠侵蚀性能得到改善,质量分数在50%之内时随着掺量的增加而更加明显。
碱环境下不同应力水平GFRP筋抗拉性能试验
薛伟辰, 王伟, 付凯
2013, 30(6): 67-75.
摘要:
基于ACI 440.3R-04规定的试验方法,对60 ℃碱环境下应力水平分别为0、25%和45%的玻璃纤维塑料(GFRP)筋的抗拉性能进行了试验研究。试件数量共90根,侵蚀时间分别为3.65、18、36.5、92、183天。采用SEM对腐蚀前后GFRP筋的微观形貌进行了观测,发现碱溶液造成了GFRP筋内部结构致密性的降低,且随着应力水平的增加,其降低愈发明显。在60 ℃碱溶液中侵蚀183天后,应力水平为0和25%的GFRP筋的抗拉强度分别下降了48.81%和55.56%,而弹性模量仅分别下降了5.47%和5.73%,应力水平为45%的GFRP筋则出现了断裂现象。GFRP筋的吸湿试验表明,OH-离子在GFRP筋中的扩散过程符合Fick定律。在分析了应力水平、侵蚀时间等参数对GFRP筋抗拉性能影响的基础上,基于Fick定律提出了碱环境下带应力GFRP筋抗拉强度的退化模型。
低损耗ZrTi2O6填充PTFE复合基板性能
吴开拓, 袁颖, 张树人, 闫翔宇, 崔毓仁
2013, 30(6): 76-81.
摘要:
采用热压成型工艺,制备了一种低损耗ZrTi2O6陶瓷填充聚四氟乙烯(PTFE)的新型微波复合基板材料。采用介质谐振器法研究了ZrTi2O6/PTFE复合材料的微波介电性能(8~12 GHz)。结果表明,ZrTi2O6/PTFE复合材料的相对介电常数(ε r)和介电损耗(tanδ)随着ZrTi2O6陶瓷体积分数(0~46%)的增加而增大,介电常数实验值与Lichtenecker模型预测值最吻合。ZrTi2O6/PTFE复合材料的热膨胀系数和介电常数温度系数随着ZrTi2O6陶瓷体积分数的增加而减小。46%的ZrTi2O6为较优填料比例,ZrTi2O6/PTFE的相对介电常数为7.42,介电损耗为0.0022(10 GHz)。
z向流动RTM工艺树脂的流动浸润行为
李伟东, 刘刚, 安学锋, 益小苏
2013, 30(6): 82-89.
摘要:
研究了层间“离位”附载多孔薄膜结构形式增韧层的大厚度纤维预成型体中等代流体(树脂)沿预成型体厚度方向(z向)的流动行为,通过压力传感器监测z向流动RTM(z-RTM)工艺注射过程中进、出胶口压力的变化规律,进一步反推树脂在层间“离位”增韧与非增韧预成型体中的宏观流动及微观浸润模式。结果表明,在 z-RTM工艺注射过程中,树脂在沿纤维束间z向快速流动的同时完成对纤维丝束内部的浸润。层间“离位”附载的增韧层虽延缓了树脂的宏观流动,但使流动前锋曲面更加平滑。层间“离位”增韧预成型体z向渗透率为3.5×10-15m2,与非增韧预成型体的z向渗透率2.9×10-14m2相比,降低约一个数量级。
VARI工艺成型纤维增强树脂复合材料层合板厚度和纤维体积分数的影响因素
刘强, 赵龙, 曹正华
2013, 30(6): 90-95.
摘要:
分析了影响真空辅助成型技术(VARI)工艺成型复合材料的纤维体积分数和厚度均匀性的关键因素,即VARI成型工艺的树脂流动控制形式、纤维预制体状态、织物状态、树脂黏度,通过试验分析了各因素对VARI成型复合材料厚度和纤维体积分数的影响。试验结果表明,采用HFVI(high fiber-volume vacuum infusion)工艺、BA9914树脂及真空处理后的U3160单向机织物成型的纤维增强树脂复合材料层合板,其纤维体积分数和厚度均匀性能够接近预浸料/热压罐成型的复合材料制件的水平。
生物活性玻璃/PLA-PEG-PLA/聚乳酸组织工程支架在SBF溶液中的降解和矿化
葛建华, 王迎军, 陈晓峰, 郑裕东
2013, 30(6): 96-100.
摘要:
通过测定pH值、质量损失率、SEM、XRD和FTIR,系统研究了生物活性玻璃/聚乳酸-聚乙二醇-聚乳酸嵌段共聚物(PLA-PEG-PLA)/聚乳酸组织工程支架在模拟体液(SBF)中的降解和生物矿化性能。研究结果表明:随着支架在SBF溶液中浸泡时间的延长,SBF的pH值和支架的质量呈下降趋势;生物活性玻璃的存在使pH值升高,而PLA-PEG-PLA嵌段共聚物的存在使pH值降低。XRD、FTIR图谱和SEM图像表明:在SBF中浸泡一定时间后,有无定型或结晶不完善的磷灰石在生物活性玻璃/PLA-PEG-PLA/聚乳酸组织工程支架表面沉积形成,并且PLA-PEG-PLA共聚物降解速度比聚乳酸快;在SBF中浸泡7天后,PLA-PEG-PLA共聚物的含量已经很难通过FTIR检测出来。
电气石/壳聚糖复合纤维的表征及细胞相容性
赵凯, 肖建刚, 李峻峰, 李玉宝, 邹琴
2013, 30(6): 101-107.
摘要:
以壳聚糖为基体,电气石为分散相,采用溶液纺丝法制备电气石/壳聚糖复合纤维,利用光学显微镜、扫描电镜以及红外光谱仪对材料进行表征。电气石/壳聚糖复合纤维与人骨肉瘤细胞株(MG63)体外共培养,初步评价了材料的细胞相容性。结果显示,电气石颗粒在复合纤维中分散均匀且被壳聚糖包裹,纤维表面无裸露电气石。细胞在电气石/壳聚糖复合纤维表面黏附及生长增殖状况良好,材料对细胞无明显毒性。该材料有望成为一种良好的创伤修复敷料。
SiO2-TiO2/聚四氟乙烯复合材料的制备及热膨胀性能
闫翔宇, 袁颖, 张树人, 吴开拓, 崔毓仁
2013, 30(6): 108-113.
摘要:
为了使微波基板材料与Cu金属衬底的热膨胀性能匹配,对陶瓷/聚四氟乙烯(PTFE)微波复合基板材料的热膨胀性能进行了研究。采用湿法工艺制备了以SiO2和TiO2为填料的SiO2-TiO2/PTFE复合材料,研究了复合材料密度、填料粒度和填料体积分数对SiO2-TiO2/PTFE复合材料热膨胀性能的影响。结果表明,当SiO2的体积分数由0增至40%(TiO2 :34%~26%)时,SiO2-TiO2/PTFE复合材料的线膨胀系数(CTE)由50.13×10-6 K-1减小至10.03×10-6K-1。陶瓷粉体粒径和复合材料密度减小会导致CTE减小。通过ROM、Turner和Kerner模型计算CTE发现,ROM和Kerner模型与实验数据较相符,而实验值与Turner模型预测值之间的差异随PTFE含量的升高而逐渐增大。
TiC增强颗粒进入钢液的条件判据
宾仕博, 邢书明, 郭莉军, 鲍培玮, 郭洪钢
2013, 30(6): 114-120.
摘要:
通过泡沫载体的引载作用实现TiC增强颗粒混入钢液,在液态模锻工艺条件下成型20%TiC/铸钢(ZG270-500)制件。计算分析了泡沫载体消失气化时TiC增强颗粒在气隙中的运动行为及其进入钢液的条件。实验结果表明,TiC增强颗粒的运动速度随浇注温度、充型速度和排气孔口与型腔横截面积比的增大而递增。当钢液前沿TiC颗粒的运动速度大于临界速度时才能进入钢液,且TiC增强颗粒运动速度越大,越容易进入钢液,分布越均匀。
二组元(RuO2-TiO2)及三组元(RuO2-SnO2-TiO2)Ti阳极涂层的微观组织对其电化学性能的影响
韩朝辉, 竺培显, 郭佳鑫, 马会宇
2013, 30(6): 121-126.
摘要:
通过热分解法制备了二组元(RuO2-TiO2)和三组元(RuO2-SnO2-TiO2)Ti阳极涂层,并通过SEM、XRD以及电化学工作站对其结构及性能进行测试。结果表明:在烘干温度130 ℃,热氧化温度500 ℃,烧结时间15 min,退火时间1 h的条件下,所制备的三组元(RuO2-SnO2-TiO2)Ti阳极涂层性能较为优异,析氯电位为1.128 V,析氧电位为1.674 V。在二组元(RuO2-TiO2)涂层中加入Sn组元,可以减少贵金属Ru的使用量,降低钛阳极涂层的成本;而且所形成的SnO2可提高涂层表面的电催化活性,降低电极的析氯电位、析氧电位,延长电极的工作寿命。
WC-40%Al2O3复合粉末二步热压烧结
裴杨, 朱世根, 瞿海霞
2013, 30(6): 127-134.
摘要:
以高能球磨机械合金化制得的WC-40%Al2O3复合粉末为原料,采用二步热压烧结法制备复合块体。首先将粉末坯体在压力条件下加热到较高的温度 T1,获得相对致密的坯体结构,此时存在临界的可收缩气孔,然后将其保温在一个相对较低的温度 T2,通过低温保温实现致密化。由于烧结过程温度相对较低,晶粒长大被有效抑制。采用XRD、SEM、扫描探针(SPM)对复合材料的物相、微观结构进行表征,并进行正交实验分析第二步烧结温度以及保温时间对复合块体微观组织和力学性能影响。结果表明:当 T1=1600 ℃、T2=1450 ℃保温6 h时,WC-40%Al2O3复合材料成形致密度达到99.03%,维氏硬度和断裂韧性分别为18.36 GPa和10.4 MPa·m1/2,抗弯强度为1162.1 MPa.
纳米SiO2/PUA-EA布拉格光栅传感器涂层耐热性能评估
杨泽惠, 倪爱清, 殷燕子, 王继辉
2013, 30(6): 135-138.
摘要:
对SiO2/聚氨酯丙烯酸酯(PUA)-环氧丙烯酸酯(EA)复合材料及PUA-EA纯树脂体系进行热失重及热分解DSC对比分析。结果表明,SiO2/PUA-EA热分解开始温度为143.8 ℃,在320 ℃出现大量失重现象,均高于PUA-EA体系。SiO2/PUA-EA作为光栅涂层与裸纤和纯树脂涂层相比,更能准确监测复合材料固化过程,并且SiO2/PUA-EA固化后残余应力约为128 kPa,低于之前报道。SEM显示,SiO2/PUA-EA与光纤内核之间结合良好,未出现分层现象。
钢渣改性硅酸盐水泥-水玻璃双液注浆复合材料的试验研究
陈沣, 黄蓓丽, 巴明芳, 鲍旭东
2013, 30(6): 139-145.
摘要:
研究了钢渣掺量、单浆液水胶比、双浆液体积比对钢渣改性硅酸盐水泥-水玻璃双液注浆复合材料工作性能影响规律。确定了钢渣改性硅酸盐水泥单浆液的最佳水胶比为0.6~0.8,平均粒径为20.4 μm的钢渣在改性硅酸盐水泥单浆液中的最佳质量分数为50%~80%,钢渣改性硅酸盐水泥单浆液与水玻璃单浆液的最佳体积比范围为4:1~6:1。根据以上参数所配制的钢渣改性硅酸盐水泥-水玻璃浆液硬化后在水中养护3天,早期强度均>40 MPa,软化系数也均>0.8。
Tb1-xDyxFe2-y-BaTi0.99Mn0.01O3+δ层状复合材料的低频磁电耦合
曹鸿霞, 刘清惓, 王友保
2013, 30(6): 146-152.
摘要:
利用弹性力学模型,推导了低频下磁致伸缩-压电双层复合材料中磁电电压系数的表达式,计算了Tb1-x Dyx-Fe2-y-BaTiO3层状复合材料中的横向磁电耦合。采用溶胶-凝胶法制备1.0%(摩尔分数)Mn掺杂BaTiO3(BaTi0.99Mn0.01O3+δ)压电陶瓷片。将Mn掺杂BaTiO3与Tb1-xDyxFe2-y 胶合制成双层和三层复合材料,研究了复合材料在低频下的横向磁电效应。XRD和DSC分析结果表明,室温下Mn掺杂BaTiO3保持了其四方钙钛矿结构,降低了BaTiO3的居里点和相变潜热。在约33 kA/m偏置磁场下,Tb1-xDyxFe2-y-BaTi0.99Mn0.01O3+δ 和Tb1-xDyxFe2-y-BaTi0.99Mn0.01O3+δ-Tb1-xDyxFe2-y 的横向磁电耦合峰值分别为529.4 mV/A和1659.5 mV/A,分别是Tb1-xDyxFe2-y-BaTiO3和Tb1-xDyxFe2-y-BaTiO3-Tb1-xDyxFe2-y 的1.48和1.45倍。三层复合材料的横向磁电电压系数约是同类双层的3倍多。
放电等离子烧结技术制备Fe78Si13B9块体非晶纳米晶磁性材料
王兴华, 王葛, 李强
2013, 30(6): 153-158.
摘要:
通过高能球磨技术制备了Fe78Si13B9磁性非晶合金粉体,采用XRD和DSC分析了Fe78Si13B9非晶合金粉体的相组成、玻璃转变温度Tg、开始晶化温度 Tx 和晶化峰温度Tp;利用放电等离子烧结(SPS)技术在不同烧结温度下制备了块体磁性非晶纳米晶合金试样,利用XRD、SEM、Gleeble3500、VSM等分析了不同烧结温度下烧结块体试样的相转变特性、微观形貌、力学性能和磁学性能。结果表明,在500 MPa的烧结压力下,随着烧结温度的升高,烧结试样中的非晶相开始逐渐晶化,烧结试样的致密度、抗压强度、微观硬度、饱和磁化强度均显著提高;在500 MPa的烧结压力和823.15 K的烧结温度下,获得了密度为6.6 g/cm3,抗压强度为1500 MPa,饱和磁化强度为1.3864 T的非晶纳米晶磁性材料。
基于周期性边界条件的炭黑填充橡胶复合材料力学行为的预测
李庆, 杨晓翔
2013, 30(6): 159-167.
摘要:
在分析炭黑填充橡胶复合材料的宏观与细观特征之间联系的基础上,提出了具有随机分布形态的代表性体积单元,推导并应用了周期性细观结构的边界约束条件,建立了三维多颗粒夹杂代表性体积单元的数值模型,对炭黑填充橡胶复合材料的宏观力学行为进行了模拟仿真。研究表明,该模型通过周期性边界条件的约束保证了宏观结构变形场和应力场的协调性;计算得到的炭黑填充橡胶复合材料的弹性模量明显高于未填充橡胶材料,并随着炭黑颗粒所占体积分数的增加而增大;该模型对复合材料有效弹性模量的预测结果与实验结果吻合较好,而且比Bergstrom三维模型的预测结果更好,证实了该模型能够用于炭黑颗粒增强橡胶基复合材料有效性能的模拟分析。
高温载荷下金属蜂窝夹芯结构的相变和塑性分析
纪占玲, 李运泽, 李运华
2013, 30(6): 168-176.
摘要:
为了分析高温下的相变和塑性变形对金属蜂窝夹芯结构固有性能的影响,以含相变的多层板瞬态热传递和热弹塑性理论为依据,采用有限元数值求解方法,对安装有发热元件的金属蜂窝夹芯结构进行了热和结构的非线性耦合分析。通过温度场分析,可以快速确定外胶层发生的固液和气液相变,及其开始出现的时间、位置、严重程度、发展趋势等。结合温度场和应力场的计算结果,可以方便地判定外蒙皮是否产生了塑性变形,并能预测其随加载时间的动态演化规律。
TATB填充高聚物复合材料有效热导率数值模拟
韦兴文, 周筱雨, 黄忠, 李明, 李敬明
2013, 30(6): 177-184.
摘要:
在细观层次上将1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)/高聚物(TATB/PBX)视为由TATB颗粒、高聚物及微孔隙组成的三相复合材料。采用蒙特卡罗方法,建立了能够反映PBX细观结构的代表体积单元(RVE)模型,该模型可以生成高聚物颗粒和微孔隙随机分布、填充物体积分数和孔隙率任意调整的有限元计算(FEM)模型。研究了TATB填充体积分数、孔隙率和分布对TATB/PBX有效热导率的影响。结果表明:TATB/PBX有效热导率随着TATB体积分数的增加而增大;在相同的TATB填充体积分数下,随着孔隙率的增大,TATB/PBX的有效热导率呈指数减小,但孔隙的空间分布对有效热导率影响不大。模拟值与实验结果具有较好的一致性,证明所建二维RVE三相有限元模型可以用来预测TATB/PBX的有效热导率。
拉伸状态下碳纤维复合材料T型接头的断裂行为
盛仪, 熊克, 卞侃, 熊璇, 陈宏, 郝银凤
2013, 30(6): 185-190.
摘要:
建立了碳纤维复合材料T型接头数值模型,模拟了其在拉伸载荷下的损伤产生、扩展及失效过程,并对碳纤维复合材料T型接头试件进行了静态拉伸试验。结果表明,接头的初始损伤载荷为9.8~12.0 kN,损伤发生后接头的载荷值发生突降(降低约27%~38%),此时接头仍具有一定承载能力;试件完全脱胶载荷较初始损伤载荷略有降低(载荷范围为8.0~8.6 kN)。数值计算和试验结果吻合,结果均显示填料区是碳纤维复合材料T型接头最薄弱的部位,易发生破坏;填料区破坏后裂纹迅速向填料区周围的胶层扩展,导致胶层的剥离,这是导致碳纤维复合材料T型接头失效的最主要原因。
接头局部增强的复合材料层合板螺栓连接试验与数值模拟
章继峰, 谢永刚, 张璐
2013, 30(6): 191-196.
摘要:
采用真空辅助成型工艺(VARI)制备了四种局部增强的复合材料层合板螺栓连接试件,通过试验及数值模拟对其力学性能进行了研究。数值研究中将复合材料层合板连接件的拉伸作为一个准静态问题,运用ABAQUS的显示分析算法及所编写用户材料子程序VUMAT对连接件进行了三维渐进失效模拟,同时在有限元模型中采用内聚力单元模拟了层合板与所设增强层的界面分层失效。数值计算结果与试验结果取得了较好的一致,验证了本文中数值方法的有效性。研究结果表明,不同的局部增强方案对复合材料螺栓连接性能的影响较大,设置[0/90/0/90]S铺层的内置纤维增强层能显著提高层合板的螺栓连接性能。
复合材料加筋壁板长桁终止端混合连接设计分析
钟小丹, 陈普会
2013, 30(6): 197-202.
摘要:
对缩短胶接面长度以提高起裂载荷的复合材料加筋壁板长桁终止端新型混合连接设计进行了研究。采用经试验验证的有限元方法,对长桁终止端混合连接的传载与失效机制进行分析,并研究了胶接面长度对结构起裂载荷的影响规律。研究结果表明:新型混合连接设计中紧固件提供的法向约束以及剪切载荷传递路径可显著提升终止端结构的起裂载荷,并增强终止端处界面的抑制损伤扩展能力;结构的起裂载荷随着胶接面的缩短而提高;当胶接面前缘退至连接区末排紧固件之后,可避免结构在最终破坏前发生界面失效,结构强度由蒙皮的机械连接强度决定。
橡胶相尺度对亚微米或纳米橡胶颗粒填充环氧复合材料性能的影响
宋品, 张晖, 张忠, 彭志坚
2013, 30(6): 203-208.
摘要:
对比研究了由液体橡胶在环氧树脂中原位形成的亚微米橡胶/环氧复合材料和在环氧树脂中直接添加纳米橡胶颗粒形成的纳米橡胶/环氧复合材料的性能。研究表明:未固化混合物的黏度随着纳米橡胶相的加入逐渐增加,但随着亚微米橡胶相含量的增加而降低;橡胶/环氧复合材料的玻璃化转变温度随着纳米橡胶颗粒的加入逐渐增加,但随着亚微米橡胶相含量的增加而降低;两种橡胶相的添加均使复合材料的弹性模量降低,断裂延伸率增加;在较低含量时,纳米橡胶颗粒可以提高环氧的拉伸强度;两种橡胶填充的橡胶/环氧复合材料均显示出明显的增韧效果。微观形貌分析表明,两种橡胶均可以在应力作用下脱粘并促进裂纹尖端的塑性变形。
温度-机械混合载荷作用下先进复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体的屈曲分析
石姗姗, 孙直, 任明法, 陈浩然
2013, 30(6): 209-214.
摘要:
基于均匀化原理,推导了考虑沿格栅加筋圆锥壳体随母线变化的等效刚度阵和等效热膨胀系数,并采用前屈曲薄膜理论给出了在温度和均布外压载荷作用下格栅加筋圆锥截顶壳体稳定性分析的总势能表达式。基于最小势能原理得到了该壳体总体失稳的临界载荷值解析表达式,对典型复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体的稳定性计算结果与有限元法所得结果相比较,验证了本文中方法的适用性。基于文中提出的方法,通过对不同温度条件下具有不同顶锥角复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体热-力屈曲分析结果的讨论,指出温度对复合材料格栅加筋截顶圆锥壳体稳定性的影响程度将随其顶锥角增加而增大。
复合材料热膨胀性能预报的随机扰动模型与实验验证
冉治国, 燕瑛, 李剑峰, 从强, 陈海峰, 闫亮
2013, 30(6): 215-220.
摘要:
为了探究连续纤维增强的复合材料的热膨胀性能,综合考虑了单向复合材料横截面上纤维的分布情况以及随机模型的真实周期性边界条件等,发展了一种随机扰动模型;并针对高纤维体积分数的随机模型,提出了随机扰动法(RDM),此方法可以处理的最大纤维体积分数不小于65%。利用本随机模型对M40J/TDE-85的热膨胀性能进行了预测,同时对该复合材料的热膨胀系数进行了高精度测试。结果表明,预测结果与试验结果吻合良好,同时也证明本随机模型能较好地预测复合材料的热膨胀系数。利用本随机扰动模型可迅速准确地预测出复合材料的热膨胀性能,便于材料研究和工程应用。
考虑剪切非线性影响的复合材料连续损伤模型及损伤参数识别
刘伟先, 周光明, 高军, 钱元
2013, 30(6): 221-226.
摘要:
在复合材料正交各向异性连续损伤力学的基础上,引入由应变描述的连续综合变量,损伤演化方案采用综合变量的指数函数。考虑复合材料剪切非线性,通过非线性损伤因子在全局损伤出现之前将其引入本构方程。编写了VUMAT实施损伤模型,介绍连续损伤模型中材料参数的取值方法。对无法通过试验获得的损伤参数,采用遗传算法原理,定义个体适应度为试验及模拟载荷-位移曲线误差,通过编写MATLAB程序调用ABAQUS有限元模型实施参数反演方法。选择了常用铺层结构的复合材料带孔层合板进行仿真参数识别分析,验证了基于遗传算法参数识别方法的可行性。
基于区域叠合技术的三维编织复合材料渐进损伤过程数值模拟
张芳芳, 姜文光, 刘才, 闫丽娟
2013, 30(6): 227-236.
摘要:
基于区域叠合技术(DST)对编织复合材料渐进损伤过程进行了分析,利用ANSYS参数化设计语言建立了参数化的编织件模型,应用单元切割法在单元边与切割面交点处增加新的节点,将新增节点与该单元部分其他节点重构单元,实现从编织件模型中切割出增强相单胞模型。分别利用Hashin准则与Von Mises准则判断增强相损伤和基体损伤,根据相应损伤模式按修正的Blackketter刚度退化方案对材料刚度进行退化,应用适用于损伤分析的刚度匹配方法,实现区域叠合技术在编织复合材料渐进损伤分析中的应用。提出损伤结果映射方法,实现了基于区域叠合技术所建基体模型的渐进损伤过程的结果显示。数值分析结果发现,区域叠合法分析结果与传统方法分析结果一致,且强度和断裂应变预测结果与试验结果相吻合。
考虑主动散热圆柱多孔夹层材料等效热导率及散热性能
张凯, 邓子辰, 王博, 周加喜
2013, 30(6): 237-242.
摘要:
针对多孔夹层圆柱壳的主动散热性能以及等效热导率的计算问题,通过推导多孔结构的等效热导率和主动散热状态下的稳态温度控制方程,在对流换热条件下,计算了考虑主动散热后所折减的等效热导率,及其与结构相对密度和流体流速之间的关系。采用考虑主动散热的等效热导率,计算结构瞬态温度分布,并与有限元结果进行对比。同时,计算了夹层圆柱壳相对密度和结构散热性能的关系以及最大散热性能相对应的最优相对密度和最优杆件厚度。通过瞬态温度分布结果与有限元结果对比,得到采用考虑主动散热的等效热导率所得结果与有限元结果吻合,说明了计算等效热导率方法的有效性,并且可以准确地计算瞬态温度分布;同时分析得到等效热导率随着流体流速的增大而减小,随着结构相对密度的增大而增大;在相同结构质量下,正方形和正六边形构型具有较好的主动散热性能。
过盈配合和预紧力的混合作用对复合材料机械连接结构的影响及其机制
陈昆昆, 刘龙权, 汪海
2013, 30(6): 243-251.
摘要:
为研究钉孔过盈配合情况和紧固件预紧力及二者混合作用对复合材料连接强度的影响及其机制,提出了一种基于试验验证的有限元方法,在有限元模拟结果与两组不同配合复合材料与钛合金单剪双钉连接拉伸试验吻合良好的基础上,进一步模拟6种不同螺栓预紧力和7种不同钉孔配合模式的组合,共42种不同情况的结构承载能力。通过对模拟结果的分析发现:一定的干涉配合值和预紧力虽然可能导致钉孔周围在受载较小时提前出现较小破坏,但在载荷较大时反而可以改善孔周的接触条件,从而减小孔周的纤维破坏范围,并最终提高连接结构的破坏载荷。而且钉孔配合情况和螺栓预紧力对连接结构承载能力会相互影响,即在不同钉孔配合情况下所得到的紧固件预紧力优化值会有所不同,反之亦然。因此在进行复合材料机械连接结构承载能力优化时,必须同时考虑不同参数的影响,才能获得最优的结构设计。
基于材料选型优化的金属-复合材料组合结构-声辐射优化
陈炉云, 张裕芳, 刘勇
2013, 30(6): 252-257.
摘要:
基于金属铺层假设,以结构材料属性和材料铺层数量为设计变量,建立了基于金属-复合材料的材料选型结构-声辐射优化设计模型。以钢-纤维增强复合材料组合结构为例,开展了多设计变量、多约束条件的结构-声辐射优化研究。最后,采用遗传算法进行求解,实现了结构材料的转换。数值算例表明,通过金属-复合材料组合结构的材料选型优化,可以有效降低钢-纤维增强复合材料结构的振动和声辐射。文中的研究方法为结构材料的分布优化提供了一种可行有效的思路。
航空发动机复合材料主轴优化方案设计方法
孙庆伟, 陆山
2013, 30(6): 258-263.
摘要:
提出了航空发动机复合材料主轴优化设计方法,建立了以质量最轻为目标函数,以强度、临界转速和外径尺寸为约束,以轴芯厚度、复合材料层数、各层厚度和各层铺设角度为优化设计变量的优化数学模型。基于ANSYS软件,建立了发动机复合材料主轴优化方案设计平台,着重解决了可同时进行离散和连续设计变量优化的问题。以低压涡轮主轴为例,进行了金属基复合材料主轴优化设计,设计的复合材料主轴质量比同负荷金属轴减少36.16%。
无参考Lamb波相控阵结构损伤监测成像方法
孙亚杰, 张永宏, 袁慎芳, 钱承山, 张自嘉
2013, 30(6): 264-269.
摘要:
超声相控阵结构健康监测中通过计算差信号获取损伤散射信号的方法易受环境和结构变化的影响,针对这一问题,提出无参考信号的相控阵结构健康监测成像定位方法。采用窗函数截取散射信号,剔除直达波和边界反射信号。基于相控阵方法,对结构损伤状态时的传感器响应信号进行处理,无需结构健康状态时传感信号作为参考。该方法在碳纤维复合材料板结构上的实验研究证明,采用无参考信号的超声相控阵方法能够精确实时地监测并清晰表征结构损伤;同时,该方法可以大大缩短监测时间,且不受环境条件变化的影响,为该方法的工程化应用奠定基础。