2014年 第31卷 第5期
2014, 31(5): 1127-1133.
摘要:
针对平纹编织碳纤维增强复合材料(CFRP)T型齿槽切出侧最外层纤维在切制过程中产生的缺陷,建立齿槽切出侧最外层纤维的切削模型,采用T型铣刀展开切制齿槽的试验,研究缺陷的形成机制。在切出侧最外层纤维的切削过程中,存在A、B两种情形,分别为纬向纤维的切削有经向纤维的支撑和无经向纤维的支撑。结果表明: 随着每齿进给量的增大,齿槽切出侧最外层纤维的残余因子基本呈减小趋势,而分层因子呈增大趋势,且残余因子主要经历2次减小,依次包括A情形残余纬向纤维的减少和残余经向纤维的减少;B情形的残余纬向纤维普遍存在于每次试验中,但在A情形纤维被切除的适当每齿进给量区间内,部分B情形纤维能有效被切除;此外,采用细晶粒硬质合金刀具进行齿槽加工的每齿进给量选择在11.22 μm/z~15.62 μm/z区间内较为合适。试验结果与理论推导所反映的规律基本一致,该研究对每齿进给量的选取和缺陷的抑制具有指导意义。
针对平纹编织碳纤维增强复合材料(CFRP)T型齿槽切出侧最外层纤维在切制过程中产生的缺陷,建立齿槽切出侧最外层纤维的切削模型,采用T型铣刀展开切制齿槽的试验,研究缺陷的形成机制。在切出侧最外层纤维的切削过程中,存在A、B两种情形,分别为纬向纤维的切削有经向纤维的支撑和无经向纤维的支撑。结果表明: 随着每齿进给量的增大,齿槽切出侧最外层纤维的残余因子基本呈减小趋势,而分层因子呈增大趋势,且残余因子主要经历2次减小,依次包括A情形残余纬向纤维的减少和残余经向纤维的减少;B情形的残余纬向纤维普遍存在于每次试验中,但在A情形纤维被切除的适当每齿进给量区间内,部分B情形纤维能有效被切除;此外,采用细晶粒硬质合金刀具进行齿槽加工的每齿进给量选择在11.22 μm/z~15.62 μm/z区间内较为合适。试验结果与理论推导所反映的规律基本一致,该研究对每齿进给量的选取和缺陷的抑制具有指导意义。
2014, 31(5): 1134-1141.
摘要:
采用原位阴离子开环聚合法制备了连续玻璃纤维(GF)增强阴离子聚酰胺-6(APA6)复合材料,考察了催化剂配比和聚合温度对APA6树脂转化率和分子量的影响,采用DSC和TGA研究了聚合温度和时间对连续GF/APA6复合材料结晶度的影响,进一步探讨了聚合温度和时间对连续GF/APA6 复合材料力学性能的影响,采用SEM观察了复合材料的拉伸断裂形貌。结果表明: 当聚合温度为150 ℃,聚合时间为45 min时,连续GF/APA6 复合材料的力学性能达到最高,材料的拉伸强度为538.1 MPa,弯曲强度为497.2 MPa,层间剪切强度为52.5 MPa;SEM分析表明,APA6树脂基体与玻璃纤维具有较好的结合性。
采用原位阴离子开环聚合法制备了连续玻璃纤维(GF)增强阴离子聚酰胺-6(APA6)复合材料,考察了催化剂配比和聚合温度对APA6树脂转化率和分子量的影响,采用DSC和TGA研究了聚合温度和时间对连续GF/APA6复合材料结晶度的影响,进一步探讨了聚合温度和时间对连续GF/APA6 复合材料力学性能的影响,采用SEM观察了复合材料的拉伸断裂形貌。结果表明: 当聚合温度为150 ℃,聚合时间为45 min时,连续GF/APA6 复合材料的力学性能达到最高,材料的拉伸强度为538.1 MPa,弯曲强度为497.2 MPa,层间剪切强度为52.5 MPa;SEM分析表明,APA6树脂基体与玻璃纤维具有较好的结合性。
2014, 31(5): 1142-1147.
摘要:
采用水热法制备片状纳米Al2O3,经过偶联剂改性后与环氧树脂复合,通过溶液混合法制备了不同填充量的片状纳米Al2O3/环氧树脂复合材料,研究了片状纳米Al2O3用量对片状纳米Al2O3/环氧树脂复合材料介电性能和热性能的影响,利用SEM对复合材料的断口形貌进行了表征。结果表明: 片状纳米Al2O3在环氧树脂基体中分散良好;随着片状纳米Al2O3填充量的增加,复合材料的起始热分解温度升高、介电强度增大,当片状纳米Al2O3的填充量为7wt%时,复合材料的介电强度为 29.58 kV/mm,比纯环氧树脂的介电强度提高了30%;复合材料的介电常数(3.8~4.5)和介电损耗(0.015)比纯环氧树脂稍有增大,但仍维持在较好的介电性能范围内。
采用水热法制备片状纳米Al2O3,经过偶联剂改性后与环氧树脂复合,通过溶液混合法制备了不同填充量的片状纳米Al2O3/环氧树脂复合材料,研究了片状纳米Al2O3用量对片状纳米Al2O3/环氧树脂复合材料介电性能和热性能的影响,利用SEM对复合材料的断口形貌进行了表征。结果表明: 片状纳米Al2O3在环氧树脂基体中分散良好;随着片状纳米Al2O3填充量的增加,复合材料的起始热分解温度升高、介电强度增大,当片状纳米Al2O3的填充量为7wt%时,复合材料的介电强度为 29.58 kV/mm,比纯环氧树脂的介电强度提高了30%;复合材料的介电常数(3.8~4.5)和介电损耗(0.015)比纯环氧树脂稍有增大,但仍维持在较好的介电性能范围内。
2014, 31(5): 1148-1153.
摘要:
用溶胶-凝胶法制备了表面含可聚合官能团的亚微米SiO2粒子,利用在其表面的乳液聚合成功制备了具有核-壳结构的SiO2-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)-甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)复合粒子,通过TEM、FTIR和TGA对其结构进行了表征;然后制备了SiO2-PMMA-GMA/环氧树脂复合材料,利用SEM观察其断裂形貌,并分析了复合粒子增韧环氧树脂的机制。结果表明: SiO2为复合粒子的内核,粒径约为180 nm,其表面被PMMA-GMA聚合物包覆,厚度约为20 nm;PMMA-GMA聚合物与SiO2的质量比为87.4%,PMMA-GMA聚合物对SiO2的接枝率及PMMA-GMA聚合物的有效接枝率分别为77.0%和88.1%;当SiO2-PMMA-GMA复合粒子在环氧树脂中的含量为4wt%时,其固化后的冲击强度可由19.2 kJ/m2增加到42.0 kJ/m2。
用溶胶-凝胶法制备了表面含可聚合官能团的亚微米SiO2粒子,利用在其表面的乳液聚合成功制备了具有核-壳结构的SiO2-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)-甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)复合粒子,通过TEM、FTIR和TGA对其结构进行了表征;然后制备了SiO2-PMMA-GMA/环氧树脂复合材料,利用SEM观察其断裂形貌,并分析了复合粒子增韧环氧树脂的机制。结果表明: SiO2为复合粒子的内核,粒径约为180 nm,其表面被PMMA-GMA聚合物包覆,厚度约为20 nm;PMMA-GMA聚合物与SiO2的质量比为87.4%,PMMA-GMA聚合物对SiO2的接枝率及PMMA-GMA聚合物的有效接枝率分别为77.0%和88.1%;当SiO2-PMMA-GMA复合粒子在环氧树脂中的含量为4wt%时,其固化后的冲击强度可由19.2 kJ/m2增加到42.0 kJ/m2。
2014, 31(5): 1154-1159.
摘要:
为优化石墨烯/氰酸酯(CE)复合材料的制备工艺并提高其韧性,制备了对苯二胺(PPD)功能化的氧化石墨烯(GO-PPD),分别以GO和GO-PPD为添加物,以CE和环氧树脂(质量比为7:3)共混物为基体树脂制备了GO/CE-环氧树脂和GO-PPD/CE-环氧树脂复合材料。采用红外和拉曼光谱表征GO和GO-PPD的结构,并研究了二者在溶剂中的溶解性。GO-PPD在乙醇等低沸点和低毒性的有机溶剂中表现出稳定的溶解性,与GO相比,GO-PPD明显改善了复合材料制备的工艺性。性能研究表明,GO和GO-PPD的加入均会降低基体树脂的固化温度,明显提高其力学性能和热性能,使基体树脂的介电常数和介电损耗显著增大,但仍然基本保持良好的耐湿热性和耐腐蚀性。石墨烯表面的化学性质影响石墨烯/CE-环氧树脂复合材料的综合性能,与GO相比,GO-PPD的加入能更明显提高复合材料的力学性能和耐热性。
为优化石墨烯/氰酸酯(CE)复合材料的制备工艺并提高其韧性,制备了对苯二胺(PPD)功能化的氧化石墨烯(GO-PPD),分别以GO和GO-PPD为添加物,以CE和环氧树脂(质量比为7:3)共混物为基体树脂制备了GO/CE-环氧树脂和GO-PPD/CE-环氧树脂复合材料。采用红外和拉曼光谱表征GO和GO-PPD的结构,并研究了二者在溶剂中的溶解性。GO-PPD在乙醇等低沸点和低毒性的有机溶剂中表现出稳定的溶解性,与GO相比,GO-PPD明显改善了复合材料制备的工艺性。性能研究表明,GO和GO-PPD的加入均会降低基体树脂的固化温度,明显提高其力学性能和热性能,使基体树脂的介电常数和介电损耗显著增大,但仍然基本保持良好的耐湿热性和耐腐蚀性。石墨烯表面的化学性质影响石墨烯/CE-环氧树脂复合材料的综合性能,与GO相比,GO-PPD的加入能更明显提高复合材料的力学性能和耐热性。
2014, 31(5): 1160-1166.
摘要:
采用超声混溶-真空抽滤法制备了甲壳素纳米纤维(CNF)/蒙脱土(MMT)插层复合材料,通过FE-SEM和FTIR对复合材料的结构进行表征,并研究了MMT含量对复合材料力学性能、吸水性能、热膨胀系数(CTE)和热稳定性的影响。结果表明: 当MMT含量较少时,CNF与MMT的复合状态较好,CNF较均匀分散在片状MMT的片层间,形成了CNF/MMT插层复合材料;随着MMT含量的增加,复合材料的力学性能和吸水率降低;CNF的增多会抑制MMT的热膨胀,使复合材料的CTE降低;添加MMT可以减少材料的失重率,提高起始降解温度,有利于改善CNF/MMT复合材料的热稳定性。
采用超声混溶-真空抽滤法制备了甲壳素纳米纤维(CNF)/蒙脱土(MMT)插层复合材料,通过FE-SEM和FTIR对复合材料的结构进行表征,并研究了MMT含量对复合材料力学性能、吸水性能、热膨胀系数(CTE)和热稳定性的影响。结果表明: 当MMT含量较少时,CNF与MMT的复合状态较好,CNF较均匀分散在片状MMT的片层间,形成了CNF/MMT插层复合材料;随着MMT含量的增加,复合材料的力学性能和吸水率降低;CNF的增多会抑制MMT的热膨胀,使复合材料的CTE降低;添加MMT可以减少材料的失重率,提高起始降解温度,有利于改善CNF/MMT复合材料的热稳定性。
2014, 31(5): 1167-1172.
摘要:
以Mg(OH)2为无机阻燃剂,以苯并噁嗪(BZ)-环氧树脂(EP)为基体,通过热压成型制得Mg(OH)2-玻纤布/BZ-EP层压板。通过垂直燃烧和极限氧指数测试层压板的阻燃性,分析了Mg(OH)2粉体的用量、粒径及不同粒径粉体复合添加对复合材料阻燃性的影响,通过SEM对 Mg(OH)2粉体在浸渍胶中的分散结构进行表征。研究发现: Mg(OH)2粉体的粒径和用量对板材阻燃性有一定影响,不同粒径的粉体混合添加可以在复合材料中形成阻燃网络,达到最佳的阻燃效果,同时可以减小无机粒子对板材力学和电学性能的影响。当阻燃剂Mg(OH)2用量为BZ-EP总质量的30wt%,粒径为2 μm的粉体(YX-105)和粒径为4 μm(YX-110)的粉体以质量比1:2复合添加时,所制层压板的极限氧指数为34%,垂直燃烧单个试样自熄时间最短为7.52 s,5个试样总自熄时间为49.81 s,达到UL-94V-0级标准。复合材料的弯曲强度为399.84 MPa,相对介电常数为3.848。
以Mg(OH)2为无机阻燃剂,以苯并噁嗪(BZ)-环氧树脂(EP)为基体,通过热压成型制得Mg(OH)2-玻纤布/BZ-EP层压板。通过垂直燃烧和极限氧指数测试层压板的阻燃性,分析了Mg(OH)2粉体的用量、粒径及不同粒径粉体复合添加对复合材料阻燃性的影响,通过SEM对 Mg(OH)2粉体在浸渍胶中的分散结构进行表征。研究发现: Mg(OH)2粉体的粒径和用量对板材阻燃性有一定影响,不同粒径的粉体混合添加可以在复合材料中形成阻燃网络,达到最佳的阻燃效果,同时可以减小无机粒子对板材力学和电学性能的影响。当阻燃剂Mg(OH)2用量为BZ-EP总质量的30wt%,粒径为2 μm的粉体(YX-105)和粒径为4 μm(YX-110)的粉体以质量比1:2复合添加时,所制层压板的极限氧指数为34%,垂直燃烧单个试样自熄时间最短为7.52 s,5个试样总自熄时间为49.81 s,达到UL-94V-0级标准。复合材料的弯曲强度为399.84 MPa,相对介电常数为3.848。
2014, 31(5): 1173-1178.
摘要:
通过重物加载,并在氯离子环境中浸泡不同试验周期后,测试玻璃纤维增强不饱和聚酯(GFRP)复合材料的吸湿率,研究GFRP在不同应力水平下的吸湿规律。结果表明: 浸泡初期GFRP的吸湿率随时间增长较快,随后吸湿率增长逐渐变慢,当浸泡达到180 d后,吸湿率下降;GFRP的吸湿率随载荷的增加而下降,受到不同载荷大小的试件其吸湿率随时间变化规律相似;GFRP在氯离子环境中的吸湿行为呈现non-Fickian特征。基于Langmuir模型并考虑由于材料水解而发生材料"失重"的吸湿特性,提出了可描述复合材料吸湿曲线上升和下降趋势的吸湿模型,该模型可以较好地预测GFRP的吸湿量。
通过重物加载,并在氯离子环境中浸泡不同试验周期后,测试玻璃纤维增强不饱和聚酯(GFRP)复合材料的吸湿率,研究GFRP在不同应力水平下的吸湿规律。结果表明: 浸泡初期GFRP的吸湿率随时间增长较快,随后吸湿率增长逐渐变慢,当浸泡达到180 d后,吸湿率下降;GFRP的吸湿率随载荷的增加而下降,受到不同载荷大小的试件其吸湿率随时间变化规律相似;GFRP在氯离子环境中的吸湿行为呈现non-Fickian特征。基于Langmuir模型并考虑由于材料水解而发生材料"失重"的吸湿特性,提出了可描述复合材料吸湿曲线上升和下降趋势的吸湿模型,该模型可以较好地预测GFRP的吸湿量。
2014, 31(5): 1179-1185.
摘要:
以分别具有端羟基、端十六烷基和端苯基的超支化聚酯(HBP)对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)进行共混改性,研究了HBP的端基类型和用量对HBP/PET复合材料拉伸强度、冲击强度、结晶性能及动态黏弹性的影响。结果表明: 当端苯基超支化聚酯(HBP-Bz)、端十六烷基超支化聚酯(HBP-C16)和端羟基超支化聚酯(HBP-OH)的质量分数分别为0.1%、0.4%和0.2%时,HBP/PET复合材料的拉伸强度和冲击强度均达到最大值;3种超支化聚酯在其质量分数为0.1%~0.4%的范围内,复合材料的结晶度都得到了提高,与HBP-C16和HBP-OH相比,HBP-Bz的加入明显加快了PET的结晶速率;低用量(0.1wt%~0.4wt%)的HBP在PET共混改性中起到了增黏的效果,HBP/PET复合材料熔体表现出假塑性流体的流变行为,HBP的加入在一定程度上增加了PET大分子的链缠结和物理交联点,从而使HBP/PET复合材料的拉伸强度、冲击强度以及熔体黏度均得到提高。
以分别具有端羟基、端十六烷基和端苯基的超支化聚酯(HBP)对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)进行共混改性,研究了HBP的端基类型和用量对HBP/PET复合材料拉伸强度、冲击强度、结晶性能及动态黏弹性的影响。结果表明: 当端苯基超支化聚酯(HBP-Bz)、端十六烷基超支化聚酯(HBP-C16)和端羟基超支化聚酯(HBP-OH)的质量分数分别为0.1%、0.4%和0.2%时,HBP/PET复合材料的拉伸强度和冲击强度均达到最大值;3种超支化聚酯在其质量分数为0.1%~0.4%的范围内,复合材料的结晶度都得到了提高,与HBP-C16和HBP-OH相比,HBP-Bz的加入明显加快了PET的结晶速率;低用量(0.1wt%~0.4wt%)的HBP在PET共混改性中起到了增黏的效果,HBP/PET复合材料熔体表现出假塑性流体的流变行为,HBP的加入在一定程度上增加了PET大分子的链缠结和物理交联点,从而使HBP/PET复合材料的拉伸强度、冲击强度以及熔体黏度均得到提高。
2014, 31(5): 1186-1191.
摘要:
设计了光热共引发环氧树脂-聚甲基丙烯酸丁酯(EP-PBMA)树脂,并制备了UV光固化玻璃纤维布增强EP-PBMA树脂基复合材料,研究了不同EP与PBMA质量比的玻璃纤维布/EP-PBMA复合材料在不同加载速率下的拉伸力学性能。结果表明: 玻璃纤维布/EP-PBMA复合材料具有明显的应变率效应;随着加载速率增大,复合材料的拉伸强度和弹性模量呈增大趋势;EP-PBMA树脂基体的组成对应变率效应有明显的影响;玻璃纤维布/EP-PBMA复合材料与纯EP基复合材料相比,在较低的加载速率下具有更高的拉伸强度,但当加载速率达到50 mm/min时拉伸强度较低。
设计了光热共引发环氧树脂-聚甲基丙烯酸丁酯(EP-PBMA)树脂,并制备了UV光固化玻璃纤维布增强EP-PBMA树脂基复合材料,研究了不同EP与PBMA质量比的玻璃纤维布/EP-PBMA复合材料在不同加载速率下的拉伸力学性能。结果表明: 玻璃纤维布/EP-PBMA复合材料具有明显的应变率效应;随着加载速率增大,复合材料的拉伸强度和弹性模量呈增大趋势;EP-PBMA树脂基体的组成对应变率效应有明显的影响;玻璃纤维布/EP-PBMA复合材料与纯EP基复合材料相比,在较低的加载速率下具有更高的拉伸强度,但当加载速率达到50 mm/min时拉伸强度较低。
2014, 31(5): 1192-1197.
摘要:
为了提高环氧树脂的力学性能,采用一步合成法制备得到氧化石墨烯(GO)-SiO2(GO-SiO2)杂化材料,利用扫描电子显微镜(SEM)对杂化材料的形貌进行表征,成功制得了具有三维结构的GO-SiO2杂化材料;将GO、SiO2颗粒和GO-SiO2以相同的含量(质量分数均为0.1%)添加到环氧树脂中制备复合材料,利用万能强力仪测试复合材料的拉伸性能,比较3种填料对树脂基复合材料拉伸性能的影响;再分别将质量分数为0.1%、0.3%和0.5%的GO-SiO2添加到环氧树脂中制备GO-SiO2/环氧树脂复合材料,比较不同质量分数的GO-SiO2对树脂基复合材料拉伸性能的影响;利用SEM对拉伸样条的断截面进行扫描测试,分析了不同种类和不同比例的填料对树脂基复合材料的增强增韧效果,并分析其增强增韧机制。结果表明: GO-SiO2的增强增韧效果明显优于GO和SiO2颗粒,当GO-SiO2的添加质量分数为0.3%时,其增强增韧效果最佳。
为了提高环氧树脂的力学性能,采用一步合成法制备得到氧化石墨烯(GO)-SiO2(GO-SiO2)杂化材料,利用扫描电子显微镜(SEM)对杂化材料的形貌进行表征,成功制得了具有三维结构的GO-SiO2杂化材料;将GO、SiO2颗粒和GO-SiO2以相同的含量(质量分数均为0.1%)添加到环氧树脂中制备复合材料,利用万能强力仪测试复合材料的拉伸性能,比较3种填料对树脂基复合材料拉伸性能的影响;再分别将质量分数为0.1%、0.3%和0.5%的GO-SiO2添加到环氧树脂中制备GO-SiO2/环氧树脂复合材料,比较不同质量分数的GO-SiO2对树脂基复合材料拉伸性能的影响;利用SEM对拉伸样条的断截面进行扫描测试,分析了不同种类和不同比例的填料对树脂基复合材料的增强增韧效果,并分析其增强增韧机制。结果表明: GO-SiO2的增强增韧效果明显优于GO和SiO2颗粒,当GO-SiO2的添加质量分数为0.3%时,其增强增韧效果最佳。
2014, 31(5): 1198-1205.
摘要:
为研究不同环境中秸秆/大豆分离蛋白(SPI)改性脲醛树脂复合材料花盆的降解性能,采用土壤掩埋(SB)和户外曝露(OE)2种方式对试样进行降解处理,通过力学性能、质量损失和吸水性测试,热重-红外联用(TG-FTIR),SEM和EDS能谱对花盆的结构和性能进行了研究。结果显示: 与对照组(US)相比,经SB和OE降解处理12个月后,花盆的抗拉强度分别下降了36.51%和19.92%,抗拉弹性模量分别下降了9.38%和3.92%,断裂伸长率分别减少了41.36%和36.61%,质量损失率分别为13.74%和4.69%,且试样吸水性均增强。 TG-FTIR联用分析表明: 降解处理后花盆的热解脱气条件变得温和,最大热解峰延后。SEM扫描观察发现: SB处理后花盆表面腐蚀度及形貌变化大于OE处理后的,两者表面C和N含量均显著下降,表明秸秆/SPI改性脲醛树脂复合材料花盆经SB和OE处理后均发生不同程度降解,SB处理后花盆的降解速率高于OE处理后的 。
为研究不同环境中秸秆/大豆分离蛋白(SPI)改性脲醛树脂复合材料花盆的降解性能,采用土壤掩埋(SB)和户外曝露(OE)2种方式对试样进行降解处理,通过力学性能、质量损失和吸水性测试,热重-红外联用(TG-FTIR),SEM和EDS能谱对花盆的结构和性能进行了研究。结果显示: 与对照组(US)相比,经SB和OE降解处理12个月后,花盆的抗拉强度分别下降了36.51%和19.92%,抗拉弹性模量分别下降了9.38%和3.92%,断裂伸长率分别减少了41.36%和36.61%,质量损失率分别为13.74%和4.69%,且试样吸水性均增强。 TG-FTIR联用分析表明: 降解处理后花盆的热解脱气条件变得温和,最大热解峰延后。SEM扫描观察发现: SB处理后花盆表面腐蚀度及形貌变化大于OE处理后的,两者表面C和N含量均显著下降,表明秸秆/SPI改性脲醛树脂复合材料花盆经SB和OE处理后均发生不同程度降解,SB处理后花盆的降解速率高于OE处理后的 。
2014, 31(5): 1206-1211.
摘要:
研究了碳纳米管纤维的微观结构和拉伸性能,并进一步分析了其与环氧树脂形成界面剪切强度及微观结构。采用单丝断裂试验测试了碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料体系的界面剪切强度,结合单丝断裂过程中的偏光显微镜照片、复合材料的拉曼谱图和断口扫描电镜照片,研究了碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料界面的微观结构。结果表明: 碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料的界面剪切强度约为14 MPa;在碳纳米管纤维和环氧树脂形成界面的过程中,环氧树脂可以浸渍纤维,形成具有一定厚度的复合相,这种浸渍过程和界面相的形成都有利于碳纳米管纤维与基体之间的连接。
研究了碳纳米管纤维的微观结构和拉伸性能,并进一步分析了其与环氧树脂形成界面剪切强度及微观结构。采用单丝断裂试验测试了碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料体系的界面剪切强度,结合单丝断裂过程中的偏光显微镜照片、复合材料的拉曼谱图和断口扫描电镜照片,研究了碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料界面的微观结构。结果表明: 碳纳米管纤维/环氧树脂复合材料的界面剪切强度约为14 MPa;在碳纳米管纤维和环氧树脂形成界面的过程中,环氧树脂可以浸渍纤维,形成具有一定厚度的复合相,这种浸渍过程和界面相的形成都有利于碳纳米管纤维与基体之间的连接。
2014, 31(5): 1212-1218.
摘要:
以纳米粒子SiO2为核、表面活性剂N,N-十二基-N-甲基-N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)氯化铵(SID3392)为颈状层、聚(乙二醇)4-壬基苯基醚3-磺丙基钾盐(PEGS)为冠状层,制备出了无溶剂纳米SiO2流体。无溶剂纳米SiO2流体为牛顿流体,在室温下具有较低的黏度,在26.5 ℃时其黏度为4.3 Pa·s,无溶剂纳米SiO2流体中SiO2的含量为13.65wt%。将该无溶剂纳米SiO2流体加入环氧树脂中,制备了无溶剂纳米SiO2流体/环氧树脂复合材料。TEM结果表明: 无溶剂纳米SiO2流体在环氧树脂基体中具有良好的分散性。DSC测试表明: 无溶剂纳米SiO2流体的加入会略微降低环氧树脂的固化温度。当纳米SiO2流体加入量为2.5wt%时,复合材料的冲击性能提高了164.7%,玻璃化温度提高了15.4 ℃。断面SEM结果显示无溶剂纳米SiO2流体能够提高环氧树脂的韧性。
以纳米粒子SiO2为核、表面活性剂N,N-十二基-N-甲基-N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)氯化铵(SID3392)为颈状层、聚(乙二醇)4-壬基苯基醚3-磺丙基钾盐(PEGS)为冠状层,制备出了无溶剂纳米SiO2流体。无溶剂纳米SiO2流体为牛顿流体,在室温下具有较低的黏度,在26.5 ℃时其黏度为4.3 Pa·s,无溶剂纳米SiO2流体中SiO2的含量为13.65wt%。将该无溶剂纳米SiO2流体加入环氧树脂中,制备了无溶剂纳米SiO2流体/环氧树脂复合材料。TEM结果表明: 无溶剂纳米SiO2流体在环氧树脂基体中具有良好的分散性。DSC测试表明: 无溶剂纳米SiO2流体的加入会略微降低环氧树脂的固化温度。当纳米SiO2流体加入量为2.5wt%时,复合材料的冲击性能提高了164.7%,玻璃化温度提高了15.4 ℃。断面SEM结果显示无溶剂纳米SiO2流体能够提高环氧树脂的韧性。
2014, 31(5): 1219-1227.
摘要:
采用微波辐照法制备了膨胀石墨(EG),利用EG、氯化聚乙烯(CPE)和聚氯乙烯(PVC)的固相剪切碾磨(S3M)制备了EG-CPE-PVC复合粉体,复合粉体进一步与PVC、热稳定剂和增塑剂混匀,经塑化和模压成型得到类石墨烯/CPE-PVC复合材料。用粒度分析、XRD、AFM、SEM和TEM等手段表征了复合粉体及其复合材料的结构与性能。结果表明: S3M实现了体系的粉碎、分散,EG片层的剥离及与CPE-PVC的纳米复合。CPE的加入实现了EG的进一步剥层,使EG片层的厚度达到1~3层,达到了EG的石墨烯化目标。当EG质量分数为3%时,类石墨烯/CPE-PVC复合材料的电导率呈指数上升,与PVC相比提高了8个数量级;当EG质量分数超过4%时,电导率再次激增,出现逾渗现象;在EG质量分数为5%时,电导率达到0.01 S/m,复合材料表现出良好的抗静电性能。
采用微波辐照法制备了膨胀石墨(EG),利用EG、氯化聚乙烯(CPE)和聚氯乙烯(PVC)的固相剪切碾磨(S3M)制备了EG-CPE-PVC复合粉体,复合粉体进一步与PVC、热稳定剂和增塑剂混匀,经塑化和模压成型得到类石墨烯/CPE-PVC复合材料。用粒度分析、XRD、AFM、SEM和TEM等手段表征了复合粉体及其复合材料的结构与性能。结果表明: S3M实现了体系的粉碎、分散,EG片层的剥离及与CPE-PVC的纳米复合。CPE的加入实现了EG的进一步剥层,使EG片层的厚度达到1~3层,达到了EG的石墨烯化目标。当EG质量分数为3%时,类石墨烯/CPE-PVC复合材料的电导率呈指数上升,与PVC相比提高了8个数量级;当EG质量分数超过4%时,电导率再次激增,出现逾渗现象;在EG质量分数为5%时,电导率达到0.01 S/m,复合材料表现出良好的抗静电性能。
2014, 31(5): 1228-1237.
摘要:
装备技术的升级换代和转型为材料研发带来了前所未有的挑战,金属基复合材料(MMCs)具有极好的可设计性,可迎接这种挑战。有效地利用不同性质、形态、尺度的无机非金属及碳等材料作为MMCS增强体,可为其获得丰富的性能与功能,这是MMCs的未来发展趋势和机遇。简要介绍了笔者在MMCs设计研究中的几项尝试经验和实例,包括自润滑功能性界面设计、非烧蚀功能性设计、材料高温恒刚度性能设计、地磁屏蔽结构-功能一体化设计和高强韧固溶体界面设计,证明了MMCs性能与功能设计的有效性。
装备技术的升级换代和转型为材料研发带来了前所未有的挑战,金属基复合材料(MMCs)具有极好的可设计性,可迎接这种挑战。有效地利用不同性质、形态、尺度的无机非金属及碳等材料作为MMCS增强体,可为其获得丰富的性能与功能,这是MMCs的未来发展趋势和机遇。简要介绍了笔者在MMCs设计研究中的几项尝试经验和实例,包括自润滑功能性界面设计、非烧蚀功能性设计、材料高温恒刚度性能设计、地磁屏蔽结构-功能一体化设计和高强韧固溶体界面设计,证明了MMCs性能与功能设计的有效性。
2014, 31(5): 1238-1243.
摘要:
为了研究渗铜对C/C复合材料烧蚀性能的影响,利用化学气相渗透(CVI)和液态压力浸渗工艺制备了C/C-Cu复合材料,并采用等离子体烧蚀装置对C/C-Cu复合材料进行烧蚀,研究其烧蚀性能。结果表明: Cu的加入有效缩短了材料的制备周期;Cu均匀分布在C/C坯体内,呈连续的网状结构;在烧蚀前30 s阶段,Cu通过熔化吸热降低了C/C-Cu试样的升温速度,C/C-Cu复合材料的线烧蚀率低于C/C复合材料,耐烧蚀性能优异;随着烧蚀时间的延长,C/C-Cu复合材料表层的Cu液被火焰带走,表层变为多孔低密度的C/C层,C/C-Cu复合材料的线烧蚀率迅速增加并超过C/C复合材料,耐烧蚀性能降低。
为了研究渗铜对C/C复合材料烧蚀性能的影响,利用化学气相渗透(CVI)和液态压力浸渗工艺制备了C/C-Cu复合材料,并采用等离子体烧蚀装置对C/C-Cu复合材料进行烧蚀,研究其烧蚀性能。结果表明: Cu的加入有效缩短了材料的制备周期;Cu均匀分布在C/C坯体内,呈连续的网状结构;在烧蚀前30 s阶段,Cu通过熔化吸热降低了C/C-Cu试样的升温速度,C/C-Cu复合材料的线烧蚀率低于C/C复合材料,耐烧蚀性能优异;随着烧蚀时间的延长,C/C-Cu复合材料表层的Cu液被火焰带走,表层变为多孔低密度的C/C层,C/C-Cu复合材料的线烧蚀率迅速增加并超过C/C复合材料,耐烧蚀性能降低。
2014, 31(5): 1244-1249.
摘要:
以Al粉和Cu粉为原料,采用机械合金化(MA)和放电等离子烧结(SPS)工艺,原位合成了致密的Al2Cu/Al块体复合材料,着重研究了MA过程中粉末的形貌、尺寸和物相结构的变化以及SPS后复合材料的微观组织和力学性能。结果表明: 在MA过程中,随着MA时间延长,部分Cu原子逐渐固溶于Al原子晶格中,形成均匀过饱和的固溶体Al(Cu);在SPS过程中,Cu从过饱和固溶体中析出并与Al反应形成Al2Cu颗粒,且弥散分布于Al基体中,形成Al2Cu/Al复合材料;Al2Cu/Al复合材料的致密度高达98.7%,室温下的压缩断裂强度为611.3 MPa,延伸率为9.6%,具有良好的力学性能。
以Al粉和Cu粉为原料,采用机械合金化(MA)和放电等离子烧结(SPS)工艺,原位合成了致密的Al2Cu/Al块体复合材料,着重研究了MA过程中粉末的形貌、尺寸和物相结构的变化以及SPS后复合材料的微观组织和力学性能。结果表明: 在MA过程中,随着MA时间延长,部分Cu原子逐渐固溶于Al原子晶格中,形成均匀过饱和的固溶体Al(Cu);在SPS过程中,Cu从过饱和固溶体中析出并与Al反应形成Al2Cu颗粒,且弥散分布于Al基体中,形成Al2Cu/Al复合材料;Al2Cu/Al复合材料的致密度高达98.7%,室温下的压缩断裂强度为611.3 MPa,延伸率为9.6%,具有良好的力学性能。
2014, 31(5): 1250-1257.
摘要:
采用原位法和液相化学还原法制备了Ag/低分子量壳聚糖(LMWC)和Ag/LMWC-聚吡咯(PPy)复合胶乳,分析了各种工艺条件对复合胶乳中纳米Ag粒子粒径及粒度分布的影响规律,并确定了复合胶乳较适宜的合成条件。采用UV-Vis、TEM、FTIR及 XRD对复合胶乳的组成和纳米Ag的形态进行了表征。结果显示: Ag/LMWC 和 Ag/LMWC-PPy复合胶乳中的纳米Ag晶体为面心立方结构,平均粒径约为10~20 nm。抗菌测试结果表明: LMWC(黏均分子量Mη=4.3×105)的抗菌效果优于未降解的原始壳聚糖(CS),由于纳米Ag的引入,Ag/LMWC和Ag/LMWC-PPy复合胶乳对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌与单一的LMWC相比均具有较高的抑菌活性。
采用原位法和液相化学还原法制备了Ag/低分子量壳聚糖(LMWC)和Ag/LMWC-聚吡咯(PPy)复合胶乳,分析了各种工艺条件对复合胶乳中纳米Ag粒子粒径及粒度分布的影响规律,并确定了复合胶乳较适宜的合成条件。采用UV-Vis、TEM、FTIR及 XRD对复合胶乳的组成和纳米Ag的形态进行了表征。结果显示: Ag/LMWC 和 Ag/LMWC-PPy复合胶乳中的纳米Ag晶体为面心立方结构,平均粒径约为10~20 nm。抗菌测试结果表明: LMWC(黏均分子量Mη=4.3×105)的抗菌效果优于未降解的原始壳聚糖(CS),由于纳米Ag的引入,Ag/LMWC和Ag/LMWC-PPy复合胶乳对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌与单一的LMWC相比均具有较高的抑菌活性。
2014, 31(5): 1258-1263.
摘要:
采用反应热压烧结法制备了TaC/Ti3SiC2复合材料,借助XRD、SEM、能谱仪以及热重分析等,研究了TaC含量对TaC/Ti3SiC2复合材料的相组成、显微结构、力学性能和抗氧化性的影响。结果表明: 采用反应热压烧结法可以制备出致密的TaC/Ti3SiC2复合材料,该复合材料的主晶相为Ti3SiC2和TaTiC2,还含有少量的TiC;随着TaC含量的增加,TaC/Ti3SiC2复合材料的弯曲强度和断裂韧性呈现先增大后降低的变化趋势,当TaC含量为30wt%时,二者均达到最大值,此时弯曲强度为404 MPa,断裂韧性为4.10 MPa·m1/2;TaC的引入,使TaC/Ti3SiC2复合材料抗氧化性能明显优于Ti3SiC2材料。
采用反应热压烧结法制备了TaC/Ti3SiC2复合材料,借助XRD、SEM、能谱仪以及热重分析等,研究了TaC含量对TaC/Ti3SiC2复合材料的相组成、显微结构、力学性能和抗氧化性的影响。结果表明: 采用反应热压烧结法可以制备出致密的TaC/Ti3SiC2复合材料,该复合材料的主晶相为Ti3SiC2和TaTiC2,还含有少量的TiC;随着TaC含量的增加,TaC/Ti3SiC2复合材料的弯曲强度和断裂韧性呈现先增大后降低的变化趋势,当TaC含量为30wt%时,二者均达到最大值,此时弯曲强度为404 MPa,断裂韧性为4.10 MPa·m1/2;TaC的引入,使TaC/Ti3SiC2复合材料抗氧化性能明显优于Ti3SiC2材料。
2014, 31(5): 1264-1269.
摘要:
采用低分子量聚碳硅烷(PCS)通过先驱体浸渍裂解(PIP)工艺、化学气相沉积(CVD)和粉末烧结技术相结合制备了3D Cf/SiC抗高温氧化复合材料。运用FTIR、1H-NMR、凝胶渗透色谱法(GPC)、热失重-差热(TGA-DTA)、X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)等手段研究了低分子量PCS的结构及其无机化过程。结果表明: PCS的主要结构为[—Si(CH3,H)—CH2—]n,数均分子量为420,陶瓷化产率为70%左右,在1 200 ℃时基本转化为微晶态的β-SiC;3D Cf/SiC复合材料及其构件具有较好的耐高温氧化性能。
采用低分子量聚碳硅烷(PCS)通过先驱体浸渍裂解(PIP)工艺、化学气相沉积(CVD)和粉末烧结技术相结合制备了3D Cf/SiC抗高温氧化复合材料。运用FTIR、1H-NMR、凝胶渗透色谱法(GPC)、热失重-差热(TGA-DTA)、X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)等手段研究了低分子量PCS的结构及其无机化过程。结果表明: PCS的主要结构为[—Si(CH3,H)—CH2—]n,数均分子量为420,陶瓷化产率为70%左右,在1 200 ℃时基本转化为微晶态的β-SiC;3D Cf/SiC复合材料及其构件具有较好的耐高温氧化性能。
2014, 31(5): 1270-1276.
摘要:
以γ-AlOOH、TiO2和SiCw为原料,通过反应烧结制备了多孔Al2TiO5-SiCw复合材料,研究了SiCw对Al2TiO5-SiCw复合材料物相、微观组织结构、孔隙率和抗压强度的影响。结果表明: 反应产物中主要物相有Al2TiO5、Al6Si2O13、TiC和SiO2。由于晶须分解速度快,SiCw可全部与TiO2反应生成TiC和SiO2。添加SiCw,一方面显著细化了Al2TiO5基复合材料的微观组织,生成的细小规则的TiC晶粒和存在于Al2TiO5晶界处的Al6Si2O13有利于抑制Al2TiO5晶粒长大,提高其抗压强度。另一方面,因为SiCw改变了原料中颗粒之间的堆积方式,使孔径增大、孔隙率显著提高。生成的一定量的SiO2对晶粒产生黏结,使得Al2TiO5基复合材料的孔洞骨架密实,提高了抗压强度,但当SiCw加入量多时,由于出现较多的玻璃相,会降低抗压强度。
以γ-AlOOH、TiO2和SiCw为原料,通过反应烧结制备了多孔Al2TiO5-SiCw复合材料,研究了SiCw对Al2TiO5-SiCw复合材料物相、微观组织结构、孔隙率和抗压强度的影响。结果表明: 反应产物中主要物相有Al2TiO5、Al6Si2O13、TiC和SiO2。由于晶须分解速度快,SiCw可全部与TiO2反应生成TiC和SiO2。添加SiCw,一方面显著细化了Al2TiO5基复合材料的微观组织,生成的细小规则的TiC晶粒和存在于Al2TiO5晶界处的Al6Si2O13有利于抑制Al2TiO5晶粒长大,提高其抗压强度。另一方面,因为SiCw改变了原料中颗粒之间的堆积方式,使孔径增大、孔隙率显著提高。生成的一定量的SiO2对晶粒产生黏结,使得Al2TiO5基复合材料的孔洞骨架密实,提高了抗压强度,但当SiCw加入量多时,由于出现较多的玻璃相,会降低抗压强度。
2014, 31(5): 1277-1283.
摘要:
利用通用单胞法(GMC)计算了不同孔隙形状及孔隙率对多孔材料等效弹性参数的影响,计算中分别采用二维方形、圆形孔隙模型和三维立方体、球形孔隙模型模拟多孔材料。不同孔隙率下等效弹性参数的计算结果表明: 不同孔隙形状下,多孔材料等效弹性参数随孔隙率增大的退化程度不同;通过对比二维简化模型与三维模型的差异,发现二维简化模型对多孔材料等效弹性参数的估算值偏低。进一步将GMC计算结果和已有文献实验结果进行比较,发现两者具有较高的吻合度。最后将GMC模型与有限元、经验模型进行对比,得出GMC模型的局限性。综合计算结果,GMC具有一定的计算精度,可应用于工程实际分析中。
利用通用单胞法(GMC)计算了不同孔隙形状及孔隙率对多孔材料等效弹性参数的影响,计算中分别采用二维方形、圆形孔隙模型和三维立方体、球形孔隙模型模拟多孔材料。不同孔隙率下等效弹性参数的计算结果表明: 不同孔隙形状下,多孔材料等效弹性参数随孔隙率增大的退化程度不同;通过对比二维简化模型与三维模型的差异,发现二维简化模型对多孔材料等效弹性参数的估算值偏低。进一步将GMC计算结果和已有文献实验结果进行比较,发现两者具有较高的吻合度。最后将GMC模型与有限元、经验模型进行对比,得出GMC模型的局限性。综合计算结果,GMC具有一定的计算精度,可应用于工程实际分析中。
2014, 31(5): 1284-1291.
摘要:
采用欧拉杆屈曲模型,以端部约束系数 μ 定量表征夹层结构Z-pin端部结合程度, μ 取值越小,Z-pin端部和面板结合程度越高,压缩载荷下更不易失稳。以不同参数K/X-cor结构的压缩试验为背景,分别研究了Z-pin直径和折弯长度对压缩试验性能的影响。通过显微观察并利用"混合法则"比较了Z-pin直径对K/X-cor结构的增强效率。从减重方面考虑,探讨了折弯长度对K-cor结构比强度和比刚度的影响,并得到最优折弯长度半解析表达式。结果表明: K-cor结构中Z-pin增强效率高且对结构损伤小,远优于X-cor结构;其比强度和比刚度随折弯长度的增加呈先增加后降低的趋势,不同参数的K-cor结构折弯长度存在最佳值。
采用欧拉杆屈曲模型,以端部约束系数 μ 定量表征夹层结构Z-pin端部结合程度, μ 取值越小,Z-pin端部和面板结合程度越高,压缩载荷下更不易失稳。以不同参数K/X-cor结构的压缩试验为背景,分别研究了Z-pin直径和折弯长度对压缩试验性能的影响。通过显微观察并利用"混合法则"比较了Z-pin直径对K/X-cor结构的增强效率。从减重方面考虑,探讨了折弯长度对K-cor结构比强度和比刚度的影响,并得到最优折弯长度半解析表达式。结果表明: K-cor结构中Z-pin增强效率高且对结构损伤小,远优于X-cor结构;其比强度和比刚度随折弯长度的增加呈先增加后降低的趋势,不同参数的K-cor结构折弯长度存在最佳值。
2014, 31(5): 1292-1299.
摘要:
针对传统钻孔方法加工复合材料时易导致分层、撕裂等缺陷的问题,采用螺旋铣作为新的制孔技术,根据飞机装配现场的实际加工条件,构建以机器人为移动载体、螺旋铣孔终端执行器为加工单元、螺旋铣孔专用刀具为切削工具的加工系统,采用该加工系统对碳纤维增强复合材料(CFRP)螺旋铣孔关键工艺参数进行正交试验,并讨论了刀具主轴转速、每齿进给量和轴向切削深度等工艺参数对切削力的影响规律;通过对加工缺陷的监测,探讨了切削力与CFRP分层、撕裂等缺陷之间的关系;最后对工艺参数进行优化,经试验验证,优化后轴向切削力较优化前降低26%以上,孔入口及出口处均无撕裂、毛刺,加工质量最优。
针对传统钻孔方法加工复合材料时易导致分层、撕裂等缺陷的问题,采用螺旋铣作为新的制孔技术,根据飞机装配现场的实际加工条件,构建以机器人为移动载体、螺旋铣孔终端执行器为加工单元、螺旋铣孔专用刀具为切削工具的加工系统,采用该加工系统对碳纤维增强复合材料(CFRP)螺旋铣孔关键工艺参数进行正交试验,并讨论了刀具主轴转速、每齿进给量和轴向切削深度等工艺参数对切削力的影响规律;通过对加工缺陷的监测,探讨了切削力与CFRP分层、撕裂等缺陷之间的关系;最后对工艺参数进行优化,经试验验证,优化后轴向切削力较优化前降低26%以上,孔入口及出口处均无撕裂、毛刺,加工质量最优。
2014, 31(5): 1300-1305.
摘要:
针对碳纤维增强复合材料(CFRP)筋应用于土木工程过程中的弯折抗拉性能,开发了新型的抗拉强度测试技术对CFRP筋材真实抗拉强度进行了实测。利用模型试验对不同弯折角度下CFRP筋的弯折抗拉强度进行了测试,获得了CFRP筋应用于土木工程时对应弯折状态下的弯折抗拉强度折减系数,并拟合出该系数的经验公式。结果表明: 现有的CFRP筋材抗拉强度测试技术的测试结果明显偏低,新开发的测试技术较之提高的幅度超过9%;给出的计算公式能预测不同折角下弯折抗拉强度的折减系数,当折角达到3°时,CFRP筋弯折抗拉强度较直线状态下降了18.9%。 因此,在实际工程应用过程中,即使发生较小角度的弯折,也需考虑弯折对CFRP筋抗拉性能的折减。
针对碳纤维增强复合材料(CFRP)筋应用于土木工程过程中的弯折抗拉性能,开发了新型的抗拉强度测试技术对CFRP筋材真实抗拉强度进行了实测。利用模型试验对不同弯折角度下CFRP筋的弯折抗拉强度进行了测试,获得了CFRP筋应用于土木工程时对应弯折状态下的弯折抗拉强度折减系数,并拟合出该系数的经验公式。结果表明: 现有的CFRP筋材抗拉强度测试技术的测试结果明显偏低,新开发的测试技术较之提高的幅度超过9%;给出的计算公式能预测不同折角下弯折抗拉强度的折减系数,当折角达到3°时,CFRP筋弯折抗拉强度较直线状态下降了18.9%。 因此,在实际工程应用过程中,即使发生较小角度的弯折,也需考虑弯折对CFRP筋抗拉性能的折减。
2014, 31(5): 1306-1311.
摘要:
针对传统个体防护材料刚硬、限制人体活动的缺点,设计了2种柔性复合材料: 剪切增稠液(STF)和硅橡胶填充经编间隔织物(WKSF)柔性复合材料,并对其冲击性能进行研究。WKSF具有上、下两个表层和间隔丝构成的间隔层,在其间隔层中加入STF和硅橡胶2种柔性材料。STF采用将纳米SiO2分散于聚乙二醇(PEG)中制成,硅橡胶采用硅胶和固化剂混合而成。采用流变仪对STF的流变性能进行测试,采用Instron落锤冲击仪对WKSF及其复合材料的冲击性能进行测试。实验表明: STF在达到临界剪切速率后出现剪切增稠现象,纯织物的冲击过程可分为弹性、平台和压实3个阶段,且具有明显的平台阶段;经填充后所制成的2种复合材料的冲击过程与纯织物明显不同,其载荷-位移曲线呈线性;加入硅橡胶的复合材料刚度较大,没有应变率效应;加入STF的复合材料具有较好的能量吸收性能和明显的应变率效应。
针对传统个体防护材料刚硬、限制人体活动的缺点,设计了2种柔性复合材料: 剪切增稠液(STF)和硅橡胶填充经编间隔织物(WKSF)柔性复合材料,并对其冲击性能进行研究。WKSF具有上、下两个表层和间隔丝构成的间隔层,在其间隔层中加入STF和硅橡胶2种柔性材料。STF采用将纳米SiO2分散于聚乙二醇(PEG)中制成,硅橡胶采用硅胶和固化剂混合而成。采用流变仪对STF的流变性能进行测试,采用Instron落锤冲击仪对WKSF及其复合材料的冲击性能进行测试。实验表明: STF在达到临界剪切速率后出现剪切增稠现象,纯织物的冲击过程可分为弹性、平台和压实3个阶段,且具有明显的平台阶段;经填充后所制成的2种复合材料的冲击过程与纯织物明显不同,其载荷-位移曲线呈线性;加入硅橡胶的复合材料刚度较大,没有应变率效应;加入STF的复合材料具有较好的能量吸收性能和明显的应变率效应。
2014, 31(5): 1312-1320.
摘要:
设计了一种蒙皮骨架结构高温复合材料舵面,并采用模压工艺制备了舵面,最后完成了舵面自由状态和固支状态下的固有模态测试,同时进行了静强度试验。采用三维实体单元,建立了舵面固有模态有限元分析模型,该模型分析的舵面固有模态与试验结果吻合良好,验证了有限元模型的有效性;并基于该模型研究了舵面在弯曲载荷下的破坏模式。试验结果表明: 舵面首先在根部树脂连接区发生树脂脱粘破坏,进而引起复合材料蒙皮与钛合金骨架的层间分层,从而导致整个舵面失效。有限元分析结果表明: 传感器质量分布对舵面的频率影响很大,但对其振型影响不大。应力分析结果表明: 根部树脂连接区的拉伸正应力导致此处树脂脱粘,有限元预测的破坏位置与试验结果一致。
设计了一种蒙皮骨架结构高温复合材料舵面,并采用模压工艺制备了舵面,最后完成了舵面自由状态和固支状态下的固有模态测试,同时进行了静强度试验。采用三维实体单元,建立了舵面固有模态有限元分析模型,该模型分析的舵面固有模态与试验结果吻合良好,验证了有限元模型的有效性;并基于该模型研究了舵面在弯曲载荷下的破坏模式。试验结果表明: 舵面首先在根部树脂连接区发生树脂脱粘破坏,进而引起复合材料蒙皮与钛合金骨架的层间分层,从而导致整个舵面失效。有限元分析结果表明: 传感器质量分布对舵面的频率影响很大,但对其振型影响不大。应力分析结果表明: 根部树脂连接区的拉伸正应力导致此处树脂脱粘,有限元预测的破坏位置与试验结果一致。
2014, 31(5): 1321-1329.
摘要:
为了实现高硬度和高耐磨模具自由曲面的高效光整加工,提出了一种以Lyocell短纤维增强气压砂轮基体的新方法,分析了Lyocell短纤维增强橡胶基复合材料的理论模型及气压砂轮结构模型。利用Instron试验机对复合材料试样进行了拉伸试验,并通过误差分析研究了其强度极限。对比分析了弹性模量的试验数值与理论数值,证明了剪滞模型预测气压砂轮基体弹性模量的准确性。对不同短纤维体积分数的气压砂轮光整加工时的压力变化与形变范围进行了仿真分析,验证了短纤维增强气压砂轮基体的可行性。分析了凸曲面与气压砂轮呈不同角度接触时的受力大小及加工面积,获得了理想的接触角度。通过对高硬度凸曲面的材料去除试验,证明了短纤维增强气压砂轮基体这一设想以及气压砂轮仿真试验的可行性。
为了实现高硬度和高耐磨模具自由曲面的高效光整加工,提出了一种以Lyocell短纤维增强气压砂轮基体的新方法,分析了Lyocell短纤维增强橡胶基复合材料的理论模型及气压砂轮结构模型。利用Instron试验机对复合材料试样进行了拉伸试验,并通过误差分析研究了其强度极限。对比分析了弹性模量的试验数值与理论数值,证明了剪滞模型预测气压砂轮基体弹性模量的准确性。对不同短纤维体积分数的气压砂轮光整加工时的压力变化与形变范围进行了仿真分析,验证了短纤维增强气压砂轮基体的可行性。分析了凸曲面与气压砂轮呈不同角度接触时的受力大小及加工面积,获得了理想的接触角度。通过对高硬度凸曲面的材料去除试验,证明了短纤维增强气压砂轮基体这一设想以及气压砂轮仿真试验的可行性。
2014, 31(5): 1330-1336.
摘要:
基于具有开孔泡沫骨架的双连续相复合材料(IPC)的细观结构,提出了一种十四面体弹性地基梁力学模型,结合最小势能原理推导了该IPC的弹性模量预测公式。根据文献给出的实验材料参数进行算例分析,结果表明,理论估算结果与实验值吻合良好,证明了该模型的有效性。在此基础上,进一步讨论了不同骨架材料体积含量和支柱截面形状对IPC弹性模量的影响。本文给出的半经验理论模型为表征具有开孔泡沫骨架的IPC的弹性性能提供了新思路,也为进一步预测IPC的强度性能和热物理性能奠定了基础。
基于具有开孔泡沫骨架的双连续相复合材料(IPC)的细观结构,提出了一种十四面体弹性地基梁力学模型,结合最小势能原理推导了该IPC的弹性模量预测公式。根据文献给出的实验材料参数进行算例分析,结果表明,理论估算结果与实验值吻合良好,证明了该模型的有效性。在此基础上,进一步讨论了不同骨架材料体积含量和支柱截面形状对IPC弹性模量的影响。本文给出的半经验理论模型为表征具有开孔泡沫骨架的IPC的弹性性能提供了新思路,也为进一步预测IPC的强度性能和热物理性能奠定了基础。
2014, 31(5): 1337-1342.
摘要:
采用Hopkinson压杆试验装置,对2D-C/SiC复合材料进行了低温条件下的Z向动态压缩性能试验研究,低温条件通过控制酒精和液氮的配比系数得到,通过改变波形整形器几何尺寸的方法来实现恒应变率加载,以得到准确、可信的试验结果。试验结果表明: 由于复合材料内部含有大量初始微缺陷,2D-C/SiC复合材料在低温动态加载条件下呈现伪塑性行为,其破坏时并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度时出现了显著的应变软化现象,在经历了较大的变形后才最终破坏。随着温度的降低,复合材料的动态Z向压缩强度增加,但失效应变减小。2D-C/SiC复合材料在低温环境下,其内部纤维和基体之间界面结合力增强,同时强的界面结合力可以导致高的压缩强度。
采用Hopkinson压杆试验装置,对2D-C/SiC复合材料进行了低温条件下的Z向动态压缩性能试验研究,低温条件通过控制酒精和液氮的配比系数得到,通过改变波形整形器几何尺寸的方法来实现恒应变率加载,以得到准确、可信的试验结果。试验结果表明: 由于复合材料内部含有大量初始微缺陷,2D-C/SiC复合材料在低温动态加载条件下呈现伪塑性行为,其破坏时并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度时出现了显著的应变软化现象,在经历了较大的变形后才最终破坏。随着温度的降低,复合材料的动态Z向压缩强度增加,但失效应变减小。2D-C/SiC复合材料在低温环境下,其内部纤维和基体之间界面结合力增强,同时强的界面结合力可以导致高的压缩强度。
2014, 31(5): 1343-1349.
摘要:
为了提高固体火箭发动机(SRM)的外载荷承载能力,研究了其复合材料壳体的失效机制,提出了复合材料壳体的增强改进结构形式。通过提高复合材料外缠绕层的轴向刚度和横向弯曲刚度,使得连接区域内的内、外缠绕层的轴向变形相协调,改善了内、外缠绕层的轴向承载分配,使增强改进后的复合材料壳体结构的承载能力提高了124%,而结构质量增加低于10%。研究结果表明: SRM复合材料壳体承载能力的关键因素是连接区域内复合材料内、外缠绕层的刚度匹配设计,只有保证连接区域内的刚度匹配和位移变形相协调,才能充分发挥复合材料壳体的承载能力。
为了提高固体火箭发动机(SRM)的外载荷承载能力,研究了其复合材料壳体的失效机制,提出了复合材料壳体的增强改进结构形式。通过提高复合材料外缠绕层的轴向刚度和横向弯曲刚度,使得连接区域内的内、外缠绕层的轴向变形相协调,改善了内、外缠绕层的轴向承载分配,使增强改进后的复合材料壳体结构的承载能力提高了124%,而结构质量增加低于10%。研究结果表明: SRM复合材料壳体承载能力的关键因素是连接区域内复合材料内、外缠绕层的刚度匹配设计,只有保证连接区域内的刚度匹配和位移变形相协调,才能充分发挥复合材料壳体的承载能力。
2014, 31(5): 1350-1356.
摘要:
采用热压扩散焊接法制备Ti-Al层状复合材料,在不同的焊接温度条件下进行热压扩散焊接,利用SEM、EDS、XRD以及基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理模拟计算等分析测试手段研究了Ti-Al扩散偶的扩散反应层的反应产物以及电子结构特征。结果表明: 当焊接温度≥560 ℃时,Ti-Al扩散偶相界面扩散反应层的反应产物主要是以金属间化合物Al3Ti为主,反应产物Al3Ti的总态密度(TDOS)的赝能隙为2.8 eV,相邻的Al原子和Ti原子的局域态密度(PDOS)的赝能隙也为2.8 eV,金属间化合物Al3Ti中所含的共价键较少,而金属键较多。因此,Al3Ti表现出更多的金属特性,具有较好的导电性,为Ti-Al层状复合材料作为一种新型电极材料奠定了基础。
采用热压扩散焊接法制备Ti-Al层状复合材料,在不同的焊接温度条件下进行热压扩散焊接,利用SEM、EDS、XRD以及基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理模拟计算等分析测试手段研究了Ti-Al扩散偶的扩散反应层的反应产物以及电子结构特征。结果表明: 当焊接温度≥560 ℃时,Ti-Al扩散偶相界面扩散反应层的反应产物主要是以金属间化合物Al3Ti为主,反应产物Al3Ti的总态密度(TDOS)的赝能隙为2.8 eV,相邻的Al原子和Ti原子的局域态密度(PDOS)的赝能隙也为2.8 eV,金属间化合物Al3Ti中所含的共价键较少,而金属键较多。因此,Al3Ti表现出更多的金属特性,具有较好的导电性,为Ti-Al层状复合材料作为一种新型电极材料奠定了基础。
2014, 31(5): 1357-1363.
摘要:
采用复变函数方法和保角映射技术,研究了压电复合材料中含唇形裂纹的无限大体远场受反平面机械载荷和面内电载荷作用下的反平面问题,利用复变函数中的留数定理和Cauchy积分公式,分别获得了电不可通和电可通两种边界条件下裂纹尖端场强度因子和机械应变能释放率的解析表达式。当唇形裂纹的高度趋于零时,可得到无限大压电复合材料中Griffith裂纹的解析解。若不考虑电场作用,所得解退化为经典材料的已知结果。数值算例显示了裂纹的几何尺寸和机电载荷对机械应变能释放率的影响规律。结果表明: 唇形裂纹高度的增加会阻碍裂纹的扩展;机械载荷总是促进裂纹的扩展;电载荷对裂纹扩展的影响与裂纹面电边界条件有关。
采用复变函数方法和保角映射技术,研究了压电复合材料中含唇形裂纹的无限大体远场受反平面机械载荷和面内电载荷作用下的反平面问题,利用复变函数中的留数定理和Cauchy积分公式,分别获得了电不可通和电可通两种边界条件下裂纹尖端场强度因子和机械应变能释放率的解析表达式。当唇形裂纹的高度趋于零时,可得到无限大压电复合材料中Griffith裂纹的解析解。若不考虑电场作用,所得解退化为经典材料的已知结果。数值算例显示了裂纹的几何尺寸和机电载荷对机械应变能释放率的影响规律。结果表明: 唇形裂纹高度的增加会阻碍裂纹的扩展;机械载荷总是促进裂纹的扩展;电载荷对裂纹扩展的影响与裂纹面电边界条件有关。
2014, 31(5): 1364-1368.
摘要:
为了研究Ti-Si-N薄膜生长过程中界面的形成,采用第一性原理计算了在TiN(001)表面上3N-2Ti-1Si、4N-1Ti-1Si和4N-2Ti-1Si岛的各构型的总能量和吸附能,并且利用推移弹性带(NEB)的方法计算了各岛构型演变过程中所需的迁移激活能。计算结果表明: Ti粒子在岛内的构型是低能量的稳定结构,这种构型是由SiN相从TiN相中分离出来而形成的;在3N-2Ti-1Si、4N-1Ti-1Si和4N-2Ti-1Si 3种构型的演变方式中,3N-2Ti-1Si构型演变所需的激活能较小,更容易实现构型演变;适量地增加N粒子的沉积比例,可以使岛构型演变所需的激活能减小,促进SiN相与TiN相的分离;当N与Ti的粒子数比例达到3:2时,界面最容易形成。
为了研究Ti-Si-N薄膜生长过程中界面的形成,采用第一性原理计算了在TiN(001)表面上3N-2Ti-1Si、4N-1Ti-1Si和4N-2Ti-1Si岛的各构型的总能量和吸附能,并且利用推移弹性带(NEB)的方法计算了各岛构型演变过程中所需的迁移激活能。计算结果表明: Ti粒子在岛内的构型是低能量的稳定结构,这种构型是由SiN相从TiN相中分离出来而形成的;在3N-2Ti-1Si、4N-1Ti-1Si和4N-2Ti-1Si 3种构型的演变方式中,3N-2Ti-1Si构型演变所需的激活能较小,更容易实现构型演变;适量地增加N粒子的沉积比例,可以使岛构型演变所需的激活能减小,促进SiN相与TiN相的分离;当N与Ti的粒子数比例达到3:2时,界面最容易形成。
2014, 31(5): 1369-1374.
摘要:
针对一维线性传感器阵列的盲区问题,研究了基于梅花阵列的二维多重信号分类(2D-MUSIC)冲击定位方法。梅花阵列的布置方式是在圆心处布置1个PZT传感器,另外在半径为 R 的圆周上均匀布置 M 个PZT传感器,首先联合冲击信号传播到参考阵元PZT0和第1个接收阵元PZT1的时间信息估计冲击信号的Lamb波传播波速;然后利用近场2D-MUSIC算法实现冲击源的距离和角度的同时定位;最后,在玻璃纤维复合材料层合板中进行了冲击定位方法的验证。实验结果表明: 基于梅花阵列的方法能够对0°~360°的冲击源进行精确地定位,定位结果精度较高,其中最大距离误差为2.2 cm,最大角度误差为5°。
针对一维线性传感器阵列的盲区问题,研究了基于梅花阵列的二维多重信号分类(2D-MUSIC)冲击定位方法。梅花阵列的布置方式是在圆心处布置1个PZT传感器,另外在半径为 R 的圆周上均匀布置 M 个PZT传感器,首先联合冲击信号传播到参考阵元PZT0和第1个接收阵元PZT1的时间信息估计冲击信号的Lamb波传播波速;然后利用近场2D-MUSIC算法实现冲击源的距离和角度的同时定位;最后,在玻璃纤维复合材料层合板中进行了冲击定位方法的验证。实验结果表明: 基于梅花阵列的方法能够对0°~360°的冲击源进行精确地定位,定位结果精度较高,其中最大距离误差为2.2 cm,最大角度误差为5°。
2014, 31(5): 1375-1381.
摘要:
由于碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的层间结合强度较低,进行切削加工时在切削力的作用下容易出现分层和毛刺等质量缺陷。因此,通过对切削力的预测与控制可以有效提高加工质量。采用瞬时刚性力模型对多齿铣刀侧铣多层CFRP材料的加工过程进行铣削力建模与仿真,分析了多齿铣刀特有的几何结构对切削力的影响。试验中保持切削速度恒定,以不同进给速度分别对45°、0°、-45°和90°这4种典型纤维方向的单向CFRP进行侧铣加工,通过测得的切削力数据计算各自的铣削力系数。根据力学矢量叠加原理得到了多向CFRP铣削力系数的简化计算表达式,最后将计算结果代入铣削力模型得到了各时刻的铣削力仿真值。在同样的试验条件下对该多向CFRP进行侧铣加工验证试验,试验结果表明: 该模型能较好地预测铣削力,最大相对误差小于9%,平均相对误差小于5%,可为铣削参数优化和刀具结构优化提供理论基础。
由于碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的层间结合强度较低,进行切削加工时在切削力的作用下容易出现分层和毛刺等质量缺陷。因此,通过对切削力的预测与控制可以有效提高加工质量。采用瞬时刚性力模型对多齿铣刀侧铣多层CFRP材料的加工过程进行铣削力建模与仿真,分析了多齿铣刀特有的几何结构对切削力的影响。试验中保持切削速度恒定,以不同进给速度分别对45°、0°、-45°和90°这4种典型纤维方向的单向CFRP进行侧铣加工,通过测得的切削力数据计算各自的铣削力系数。根据力学矢量叠加原理得到了多向CFRP铣削力系数的简化计算表达式,最后将计算结果代入铣削力模型得到了各时刻的铣削力仿真值。在同样的试验条件下对该多向CFRP进行侧铣加工验证试验,试验结果表明: 该模型能较好地预测铣削力,最大相对误差小于9%,平均相对误差小于5%,可为铣削参数优化和刀具结构优化提供理论基础。