2015年 第32卷 第5期
2015, 32(5): 1233-1240.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150729.004
摘要:
综述了以石墨烯作为载体, 利用有序介孔金属氧化物特殊的3D结构, 以及两者共存产生的协同效应, 开发系列新型石墨烯基有序介孔金属氧化物复合材料的最新研究进展。介绍了本课题组在有序介孔金属氧化物的可控合成、与石墨烯的有效复合以及复合材料的光电性能等方面的探索性研究。着重对石墨烯基有序介孔金属氧化物复合材料的制备方法、形成机理及其在催化、电化学、传感和能量储存等领域的最新应用进行概述, 并展望了其未来的发展趋势。
综述了以石墨烯作为载体, 利用有序介孔金属氧化物特殊的3D结构, 以及两者共存产生的协同效应, 开发系列新型石墨烯基有序介孔金属氧化物复合材料的最新研究进展。介绍了本课题组在有序介孔金属氧化物的可控合成、与石墨烯的有效复合以及复合材料的光电性能等方面的探索性研究。着重对石墨烯基有序介孔金属氧化物复合材料的制备方法、形成机理及其在催化、电化学、传感和能量储存等领域的最新应用进行概述, 并展望了其未来的发展趋势。
2015, 32(5): 1241-1251.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141028.002
摘要:
三维多向编织复合材料综合力学性能优异, 有望在航空航天领域作为主承力结构而得到广泛应用。有限元分析(FEA)方法是三维多向编织复合材料宏细观力学性能研究最为经济和有效的分析手段。从细观结构模型、刚度强度性能预测及界面性能分析等方面评述了细观有限元法的研究进展;从接头结构承载性能分析和冲击性能模拟等方面介绍了宏观有限元法的研究概况;分析了目前研究中存在的主要问题并对后续的研究工作进行了展望, 为研究者了解该领域的研究现状和发展趋势提供了有价值的参考。
三维多向编织复合材料综合力学性能优异, 有望在航空航天领域作为主承力结构而得到广泛应用。有限元分析(FEA)方法是三维多向编织复合材料宏细观力学性能研究最为经济和有效的分析手段。从细观结构模型、刚度强度性能预测及界面性能分析等方面评述了细观有限元法的研究进展;从接头结构承载性能分析和冲击性能模拟等方面介绍了宏观有限元法的研究概况;分析了目前研究中存在的主要问题并对后续的研究工作进行了展望, 为研究者了解该领域的研究现状和发展趋势提供了有价值的参考。
2015, 32(5): 1252-1259.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141222.001
摘要:
为进一步改善聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的力学性能和耐热性能, 采用硅烷偶联剂KH550改性微米六方氮化硼(h-BN), 对PBS进行共混改性, 通过熔融共混与开炼压延工艺制备了具有较高耐热性的h-BN-KH550/PBS复合膜。对h-BN-KH550粒子结构和复合膜的力学性能、聚集态结构、断面形貌、结晶性能及热稳定性进行了测试和表征。结果表明:与PBS相比, h-BN-KH550/PBS复合膜的力学性能得到改善, 当KH550与h-BN质量比为2:50、 h-BN-KH550与PBS质量比为3:50时, 综合力学性能最优;h-BN-KH550粒子可在PBS中均匀分散;在PBS结晶过程中, h-BN-KH550作为成核剂, 使PBS的结晶速率加快, 结晶度增大;h-BN-KH550/PBS复合膜的热稳定性显著提高, 当h-BN-KH550与PBS质量比为3:50时, 复合膜热分解过程中质量损失为5%、10%、50%时的温度(T5d、T10d、T50d)和热分解峰值温度(Tp)分别提高了30.0、22.6、9.5和10.0 ℃。
为进一步改善聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的力学性能和耐热性能, 采用硅烷偶联剂KH550改性微米六方氮化硼(h-BN), 对PBS进行共混改性, 通过熔融共混与开炼压延工艺制备了具有较高耐热性的h-BN-KH550/PBS复合膜。对h-BN-KH550粒子结构和复合膜的力学性能、聚集态结构、断面形貌、结晶性能及热稳定性进行了测试和表征。结果表明:与PBS相比, h-BN-KH550/PBS复合膜的力学性能得到改善, 当KH550与h-BN质量比为2:50、 h-BN-KH550与PBS质量比为3:50时, 综合力学性能最优;h-BN-KH550粒子可在PBS中均匀分散;在PBS结晶过程中, h-BN-KH550作为成核剂, 使PBS的结晶速率加快, 结晶度增大;h-BN-KH550/PBS复合膜的热稳定性显著提高, 当h-BN-KH550与PBS质量比为3:50时, 复合膜热分解过程中质量损失为5%、10%、50%时的温度(T5d、T10d、T50d)和热分解峰值温度(Tp)分别提高了30.0、22.6、9.5和10.0 ℃。
2015, 32(5): 1260-1270.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141216.002
摘要:
为了探索增强体结构对碳纤维增强聚合物基复合材料(CF-PMCs)热氧老化后弯曲性能的影响, 对三维四向编织碳纤维/环氧复合材料(简称为三维编织复合材料)和层合平纹碳布/环氧复合材料(简称为层合复合材料)的热氧老化性能进行了研究。利用FTIR、老化失重、弯曲测试和SEM等手段分析了热氧老化前后的试样。结果表明:热氧老化导致基体树脂的氧化断链以及纤维/基体界面结合力的退化是两种复合材料弯曲强度和弯曲模量下降的原因, 弯曲强度比弯曲模量更容易受热氧老化的影响。在相同的热氧老化条件下, 层合复合材料的热氧老化失重大于三维编织复合材料的, 而三维编织复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率均大于层合复合材料的。在140 ℃下老化1 200 h后, 层合复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率分别为74.7%和88.3%, 而对应的三维编织复合材料的分别为79.4%和91.5%。因此, 采用三维编织预制件作为CF-PMCs的增强体是一种有效的提高其热氧稳定性的方法。
为了探索增强体结构对碳纤维增强聚合物基复合材料(CF-PMCs)热氧老化后弯曲性能的影响, 对三维四向编织碳纤维/环氧复合材料(简称为三维编织复合材料)和层合平纹碳布/环氧复合材料(简称为层合复合材料)的热氧老化性能进行了研究。利用FTIR、老化失重、弯曲测试和SEM等手段分析了热氧老化前后的试样。结果表明:热氧老化导致基体树脂的氧化断链以及纤维/基体界面结合力的退化是两种复合材料弯曲强度和弯曲模量下降的原因, 弯曲强度比弯曲模量更容易受热氧老化的影响。在相同的热氧老化条件下, 层合复合材料的热氧老化失重大于三维编织复合材料的, 而三维编织复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率均大于层合复合材料的。在140 ℃下老化1 200 h后, 层合复合材料的弯曲强度和弯曲模量保留率分别为74.7%和88.3%, 而对应的三维编织复合材料的分别为79.4%和91.5%。因此, 采用三维编织预制件作为CF-PMCs的增强体是一种有效的提高其热氧稳定性的方法。
2015, 32(5): 1271-1278.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150306.002
摘要:
聚乙烯醇(PVA)复合水凝胶作为半月板及软骨等长期承重植入体, 在生理环境中的疲劳行为关系到植入体的持久性和稳定性。采用弥散增强的方法将纳米细菌纤维素(BC)均匀分散在PVA水凝胶基体中, 制备了纳米BC/PVA复合水凝胶。在模拟体液(SBF)环境中, 采用压缩疲劳过程分析、疲劳前后刚度变化分析及疲劳前后尺寸稳定性分析3种方法, 测试和评价了复合水凝胶的抗疲劳性能和力学稳定性。结果表明:纳米BC/PVA复合水凝胶在模拟人体环境中具有良好的抗疲劳性能, 能够满足体内植入物的抗疲劳性能需求;纳米BC的加入可以有效提升复合水凝胶的力学稳定性和抗疲劳性能, 但随着纳米BC含量的进一步升高, 复合水凝胶的抗疲劳性能有所减弱, 当PVA与纳米BC质量比为30:1时, 纳米BC/PVA复合水凝胶疲劳前期与后期最大位移变化量最小(0.002 mm), 疲劳前后刚度变化最小(5.41%), 且疲劳前后尺寸稳定性最强, 变形量仅为0.427 mm, 抗疲劳性能达到最佳。
聚乙烯醇(PVA)复合水凝胶作为半月板及软骨等长期承重植入体, 在生理环境中的疲劳行为关系到植入体的持久性和稳定性。采用弥散增强的方法将纳米细菌纤维素(BC)均匀分散在PVA水凝胶基体中, 制备了纳米BC/PVA复合水凝胶。在模拟体液(SBF)环境中, 采用压缩疲劳过程分析、疲劳前后刚度变化分析及疲劳前后尺寸稳定性分析3种方法, 测试和评价了复合水凝胶的抗疲劳性能和力学稳定性。结果表明:纳米BC/PVA复合水凝胶在模拟人体环境中具有良好的抗疲劳性能, 能够满足体内植入物的抗疲劳性能需求;纳米BC的加入可以有效提升复合水凝胶的力学稳定性和抗疲劳性能, 但随着纳米BC含量的进一步升高, 复合水凝胶的抗疲劳性能有所减弱, 当PVA与纳米BC质量比为30:1时, 纳米BC/PVA复合水凝胶疲劳前期与后期最大位移变化量最小(0.002 mm), 疲劳前后刚度变化最小(5.41%), 且疲劳前后尺寸稳定性最强, 变形量仅为0.427 mm, 抗疲劳性能达到最佳。
2015, 32(5): 1279-1285.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150327.002
摘要:
通过在聚四氟乙烯(PTFE)基体中添加不同比例微米、纳米尺度氮化硼(BN)或氮化铝(AlN), 以提高高压断路器PTFE喷口复合材料的耐电弧烧蚀性能。利用CO2连续激光器烧蚀PTFE喷口材料来模拟电弧烧蚀过程, 分析了光反射率、热导率以及相对介电常数对烧蚀量的影响。通过比较复合材料烧蚀量大小和数值分析结果可知, 材料热学参数(热导率和热扩散系数)对烧蚀量起主要作用, BN/PTFE复合材料的耐烧蚀能力优于AlN/PTFE复合材料, 10.0% BN/PTFE复合材料的热导率可以达到0.46 W/(m·K), 比纯PTFE的提高了92%, 相应烧蚀过程中的质量损失为21.8 mg, 比3.0% AlN/PTFE复合材料的质量损失降低了47%, 有效提高了喷口复合材料的耐烧蚀能力。
通过在聚四氟乙烯(PTFE)基体中添加不同比例微米、纳米尺度氮化硼(BN)或氮化铝(AlN), 以提高高压断路器PTFE喷口复合材料的耐电弧烧蚀性能。利用CO2连续激光器烧蚀PTFE喷口材料来模拟电弧烧蚀过程, 分析了光反射率、热导率以及相对介电常数对烧蚀量的影响。通过比较复合材料烧蚀量大小和数值分析结果可知, 材料热学参数(热导率和热扩散系数)对烧蚀量起主要作用, BN/PTFE复合材料的耐烧蚀能力优于AlN/PTFE复合材料, 10.0% BN/PTFE复合材料的热导率可以达到0.46 W/(m·K), 比纯PTFE的提高了92%, 相应烧蚀过程中的质量损失为21.8 mg, 比3.0% AlN/PTFE复合材料的质量损失降低了47%, 有效提高了喷口复合材料的耐烧蚀能力。
2015, 32(5): 1286-1293.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150113.001
摘要:
旨在将纳米Al2O3分散在聚乙烯(PE)和乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)的共混物中, 构建具有选择性分布结构的局域高粒子浓度导热复合材料。采用纳米Al2O3为导热填料, 以PE和 EVA为基体树脂, 使用熔融共混法制备了Al2O3/PE-EVA导热复合材料。利用选择性溶液萃取方法和SEM研究了PE-EVA共混物的相结构及纳米Al2O3在共混物中的分布, 评价了Al2O3/PE-EVA复合材料的导热性能与力学性能。结果表明:在PE与EVA质量比为1:1时可获得具有两相共连续结构的共混物;在两相共连续PE-EVA共混物中引入纳米Al2O3后, 发现纳米Al2O3主要分布在PE相中;纳米Al2O3的分布行为及共连续结构的形成有助于提高复合材料的导热性能, 在纳米Al2O3质量分数为50%时, 与Al2O3/PE复合材料相比, 具有选择分布和相连续结构的Al2O3/PE-EVA复合材料的热导率提高了21.2%;随着纳米Al2O3质量分数的增加, Al2O3/PE-EVA复合材料的拉伸强度与Al2O3/PE复合材料的拉伸强度相近, 同时由于EVA相的增韧作用, 其断裂伸长率优于Al2O3/PE复合材料。
旨在将纳米Al2O3分散在聚乙烯(PE)和乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)的共混物中, 构建具有选择性分布结构的局域高粒子浓度导热复合材料。采用纳米Al2O3为导热填料, 以PE和 EVA为基体树脂, 使用熔融共混法制备了Al2O3/PE-EVA导热复合材料。利用选择性溶液萃取方法和SEM研究了PE-EVA共混物的相结构及纳米Al2O3在共混物中的分布, 评价了Al2O3/PE-EVA复合材料的导热性能与力学性能。结果表明:在PE与EVA质量比为1:1时可获得具有两相共连续结构的共混物;在两相共连续PE-EVA共混物中引入纳米Al2O3后, 发现纳米Al2O3主要分布在PE相中;纳米Al2O3的分布行为及共连续结构的形成有助于提高复合材料的导热性能, 在纳米Al2O3质量分数为50%时, 与Al2O3/PE复合材料相比, 具有选择分布和相连续结构的Al2O3/PE-EVA复合材料的热导率提高了21.2%;随着纳米Al2O3质量分数的增加, Al2O3/PE-EVA复合材料的拉伸强度与Al2O3/PE复合材料的拉伸强度相近, 同时由于EVA相的增韧作用, 其断裂伸长率优于Al2O3/PE复合材料。
2015, 32(5): 1294-1300.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141224.002
摘要:
为了研究细菌纤维素(BC)网络结构对聚乳酸(PLA)结晶与熔融过程的影响, 以PLA为基体, BC为增强体, 通过PLA-三氯甲烷溶液与BC-无水乙醇分散液的共混扩散制备了具有互穿网络结构的BC/PLA生物复合材料。采用SEM、偏光显微镜(POM)、DSC和莫志深(MO)模型研究了复合材料的微观形态、球晶形貌、非等温结晶动力学和熔融行为。结果表明:采用溶液共混扩散法可得到以BC为骨架、PLA缠绕其表面的互穿网络结构的复合材料。随降温速率增加, BC/PLA复合材料的结晶温度、熔融温度和相对结晶度均下降。BC可作为异相成核剂, 适量添加可同时提高BC/PLA复合材料的结晶速率和相对结晶度, 细化球晶尺寸。MO模型可较好地描述BC/PLA复合材料的非等温结晶动力学行为。
为了研究细菌纤维素(BC)网络结构对聚乳酸(PLA)结晶与熔融过程的影响, 以PLA为基体, BC为增强体, 通过PLA-三氯甲烷溶液与BC-无水乙醇分散液的共混扩散制备了具有互穿网络结构的BC/PLA生物复合材料。采用SEM、偏光显微镜(POM)、DSC和莫志深(MO)模型研究了复合材料的微观形态、球晶形貌、非等温结晶动力学和熔融行为。结果表明:采用溶液共混扩散法可得到以BC为骨架、PLA缠绕其表面的互穿网络结构的复合材料。随降温速率增加, BC/PLA复合材料的结晶温度、熔融温度和相对结晶度均下降。BC可作为异相成核剂, 适量添加可同时提高BC/PLA复合材料的结晶速率和相对结晶度, 细化球晶尺寸。MO模型可较好地描述BC/PLA复合材料的非等温结晶动力学行为。
2015, 32(5): 1301-1308.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141224.004
摘要:
采用尼龙无纺布(PNF)作为结构化增韧层, 利用树脂传递模塑(RTM)工艺制备了PNF层间增韧改性的碳纤维增强环氧树脂基复合材料(U3160-PNF/3266), 研究了U3160-PNF/3266复合材料的吸湿特性及湿热老化对其耐热性能的影响。结果表明:增韧前后复合材料具有相似的吸湿动力学特性, 但在吸湿初期, U3160-PNF/3266复合材料具有更大的吸湿速率, 达到饱和吸湿后, U3160-PNF/3266复合材料的饱和吸湿率约为0.96%, 略大于非增韧复合材料U3160/3266的 0.87%。随着湿热老化时间的增加, 两种复合材料的玻璃化转变温度均逐渐降低, 并随着吸湿率的饱和而趋于平稳, 达到饱和吸湿后, U3160-PNF/3266和U3160/3266复合材料的玻璃化转变温度分别下降了约15%和14%。
采用尼龙无纺布(PNF)作为结构化增韧层, 利用树脂传递模塑(RTM)工艺制备了PNF层间增韧改性的碳纤维增强环氧树脂基复合材料(U3160-PNF/3266), 研究了U3160-PNF/3266复合材料的吸湿特性及湿热老化对其耐热性能的影响。结果表明:增韧前后复合材料具有相似的吸湿动力学特性, 但在吸湿初期, U3160-PNF/3266复合材料具有更大的吸湿速率, 达到饱和吸湿后, U3160-PNF/3266复合材料的饱和吸湿率约为0.96%, 略大于非增韧复合材料U3160/3266的 0.87%。随着湿热老化时间的增加, 两种复合材料的玻璃化转变温度均逐渐降低, 并随着吸湿率的饱和而趋于平稳, 达到饱和吸湿后, U3160-PNF/3266和U3160/3266复合材料的玻璃化转变温度分别下降了约15%和14%。
2015, 32(5): 1309-1315.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150105.001
摘要:
氧化石墨烯(GO)是石墨烯重要的衍生物之一, 通过氧化和超声波分散制备了GO纳米片/环氧树脂复合材料。采用XRD、拉曼光谱、FTIR和TEM表征了GO纳米片的结构与形貌, 研究了GO纳米片用量对GO纳米片/环氧树脂复合材料热稳定性、力学性能及介电性能的影响。结果表明:GO纳米片的加入提高了GO纳米片/环氧树脂复合材料失热稳定性;随着GO纳米片填充量的增加, GO纳米片/环氧树脂复合材料的冲击强度和抗弯性能先提高后降低, 其介电常数和介电损耗则先减小后增加。GO纳米片填充量为0.3wt%的GO纳米片/环氧树脂复合材料的失重5%时的热分解温度由纯环氧树脂的400.2 ℃提高到424.5 ℃, 而冲击强度和弯曲强度分别在GO纳米片填充量为0.2wt%和0.3wt%时达到最大, 冲击强度由纯环氧树脂的10.5 kJ/m2提高到19.7 kJ/m2, 弯曲强度由80.5 MPa提高到104.0 MPa。
氧化石墨烯(GO)是石墨烯重要的衍生物之一, 通过氧化和超声波分散制备了GO纳米片/环氧树脂复合材料。采用XRD、拉曼光谱、FTIR和TEM表征了GO纳米片的结构与形貌, 研究了GO纳米片用量对GO纳米片/环氧树脂复合材料热稳定性、力学性能及介电性能的影响。结果表明:GO纳米片的加入提高了GO纳米片/环氧树脂复合材料失热稳定性;随着GO纳米片填充量的增加, GO纳米片/环氧树脂复合材料的冲击强度和抗弯性能先提高后降低, 其介电常数和介电损耗则先减小后增加。GO纳米片填充量为0.3wt%的GO纳米片/环氧树脂复合材料的失重5%时的热分解温度由纯环氧树脂的400.2 ℃提高到424.5 ℃, 而冲击强度和弯曲强度分别在GO纳米片填充量为0.2wt%和0.3wt%时达到最大, 冲击强度由纯环氧树脂的10.5 kJ/m2提高到19.7 kJ/m2, 弯曲强度由80.5 MPa提高到104.0 MPa。
2015, 32(5): 1316-1320.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150120.002
摘要:
玻璃纤维/环氧树脂复合材料具有高绝缘性和高力学性能, 常作为支撑材料用于高能物理和核物理试验, 但其力学性能在辐照环境中将发生变化。根据玻璃纤维/环氧树脂复合材料在新一代北京正负电子对撞机(BEPCII)中的应用要求, 研究了玻璃纤维/环氧树脂复合材料中的玻璃布/环氧树脂层压板γ辐照前后的压缩性能。研究表明:经20 kGy的γ辐照后, 玻璃布/环氧树脂层压板的压缩强度由辐照前的320.21 MPa下降为315.05 MPa, 下降了1.61%;经200 kGy的γ辐照后, 玻璃布/环氧树脂层压板的压缩强度下降为312.30 MPa, 下降了2.47%。利用扫描电镜对辐照前后的试件断口进行微观形貌观察, 发现辐照对玻璃布没有明显影响, 但使玻璃布与环氧树脂的结合度有所降低, 环氧树脂的碎片化趋于明显, 红外谱图显示环氧树脂在辐照后的降解反应强于交联反应。
玻璃纤维/环氧树脂复合材料具有高绝缘性和高力学性能, 常作为支撑材料用于高能物理和核物理试验, 但其力学性能在辐照环境中将发生变化。根据玻璃纤维/环氧树脂复合材料在新一代北京正负电子对撞机(BEPCII)中的应用要求, 研究了玻璃纤维/环氧树脂复合材料中的玻璃布/环氧树脂层压板γ辐照前后的压缩性能。研究表明:经20 kGy的γ辐照后, 玻璃布/环氧树脂层压板的压缩强度由辐照前的320.21 MPa下降为315.05 MPa, 下降了1.61%;经200 kGy的γ辐照后, 玻璃布/环氧树脂层压板的压缩强度下降为312.30 MPa, 下降了2.47%。利用扫描电镜对辐照前后的试件断口进行微观形貌观察, 发现辐照对玻璃布没有明显影响, 但使玻璃布与环氧树脂的结合度有所降低, 环氧树脂的碎片化趋于明显, 红外谱图显示环氧树脂在辐照后的降解反应强于交联反应。
2015, 32(5): 1321-1329.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141216.001
摘要:
以耐热聚乙烯(PE-RT)管材料为基体, 以乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)载体导电炭黑母粒(记作CBE)为导电介质, 配以3.86wt%的聚乙烯-辛烯共聚弹性体(POE), 采用双螺杆挤出工艺制备了具有导电网状结构形貌的PE-RT抗静电管材料, 降低了复合体系的逾渗阈值, 并将其与添加导电炭黑(记作CB)的体系进行对比, 研究了CB/PE-RT和CBE/POE/PE-RT复合体系的导电性能、微观形貌、流变性能、力学性能及热稳定性能。结果表明:POE和EVA可以产生协同作用, POE的加入改变了PE-RT与EVA的黏弹性差异, EVA在基体中达到逾渗而形成连续的网络结构。CB优先分散在黏度低、极性较高的EVA相中, 且POE能够抑制CB由EVA相向PE-RT相的迁移, CB在EVA相中容易达到逾渗, 最终由于双逾渗作用而形成导电网络结构。CB能够提高PE-RT的结晶性能及CBE/POE/PE-RT复合体系的热稳定性能, 且CB对CBE/POE/PE-RT复合体系的力学性能影响较小, 在一定程度上解决了目前填充型导电体系中导电性能与力学性能之间的矛盾, 并且POE对复合体系起到了增塑作用, 保持了PE-RT管材可弯曲的优点, 拓展了塑料管材的应用范围。
以耐热聚乙烯(PE-RT)管材料为基体, 以乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)载体导电炭黑母粒(记作CBE)为导电介质, 配以3.86wt%的聚乙烯-辛烯共聚弹性体(POE), 采用双螺杆挤出工艺制备了具有导电网状结构形貌的PE-RT抗静电管材料, 降低了复合体系的逾渗阈值, 并将其与添加导电炭黑(记作CB)的体系进行对比, 研究了CB/PE-RT和CBE/POE/PE-RT复合体系的导电性能、微观形貌、流变性能、力学性能及热稳定性能。结果表明:POE和EVA可以产生协同作用, POE的加入改变了PE-RT与EVA的黏弹性差异, EVA在基体中达到逾渗而形成连续的网络结构。CB优先分散在黏度低、极性较高的EVA相中, 且POE能够抑制CB由EVA相向PE-RT相的迁移, CB在EVA相中容易达到逾渗, 最终由于双逾渗作用而形成导电网络结构。CB能够提高PE-RT的结晶性能及CBE/POE/PE-RT复合体系的热稳定性能, 且CB对CBE/POE/PE-RT复合体系的力学性能影响较小, 在一定程度上解决了目前填充型导电体系中导电性能与力学性能之间的矛盾, 并且POE对复合体系起到了增塑作用, 保持了PE-RT管材可弯曲的优点, 拓展了塑料管材的应用范围。
2015, 32(5): 1330-1340.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150310.002
摘要:
为了研究超声振动对纤维增强复合材料注射成型特性的影响, 利用自行开发的超声辅助可视化注射成型实验装置对不同玻纤(GF)含量的GF增强聚丙烯(PP)复合材料进行了超声外场作用下的可视化实验, 观测分析了超声功率对复合熔体充填流动行为的影响。此外, 通过对试样不同部位的金相观察, 分析了超声功率对复合材料纤维取向的影响。结果表明:超声功率会对复合材料注射成型的充填流动行为及制品的纤维取向产生影响, 而复合材料纤维含量对超声振动的效果也有直接影响。在纤维含量较低时, 超声振动对基体材料微观形态的作用为影响复合材料充填流动性及纤维取向的主因;在纤维含量较高时, 超声振动对纤维的作用为影响复合材料充填流动性及纤维取向的主因。研究结果为复合材料超声辅助成型技术的发展提供了依据。
为了研究超声振动对纤维增强复合材料注射成型特性的影响, 利用自行开发的超声辅助可视化注射成型实验装置对不同玻纤(GF)含量的GF增强聚丙烯(PP)复合材料进行了超声外场作用下的可视化实验, 观测分析了超声功率对复合熔体充填流动行为的影响。此外, 通过对试样不同部位的金相观察, 分析了超声功率对复合材料纤维取向的影响。结果表明:超声功率会对复合材料注射成型的充填流动行为及制品的纤维取向产生影响, 而复合材料纤维含量对超声振动的效果也有直接影响。在纤维含量较低时, 超声振动对基体材料微观形态的作用为影响复合材料充填流动性及纤维取向的主因;在纤维含量较高时, 超声振动对纤维的作用为影响复合材料充填流动性及纤维取向的主因。研究结果为复合材料超声辅助成型技术的发展提供了依据。
2015, 32(5): 1341-1348.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150302.003
摘要:
为了研究形状记忆合金(SMA)丝增强环氧树脂复合材料的界面粘结行为, 首先通过单纤维拔出试验测定了SMA/环氧树脂界面的粘结强度, 重点考察了埋入深度对界面极限粘结强度及其拔出行为的影响。然后, 结合ABAQUS有限元分析方法, 利用基于表面内聚力行为的单元对SMA丝拔出过程中应力分布随拔出时间的变化关系进行了模拟。最后, 针对SMA/环氧树脂复合材料界面粘结强度较弱的缺陷, 提出了利用纳米SiO2改性SMA丝表面提升材料界面粘结强度的方法, 并通过拔出试验进行了验证。结果表明:随着埋入深度从1.0 cm增加到1.5 cm和2.0 cm, 最大拔出载荷显著增加, 平均界面粘结强度却逐渐下降。当纤维埋入深度为2.0 cm时, 在0.300 s时临界脱粘出现。利用在SMA表面涂覆纳米SiO2颗粒的方法可以增加纤维的表面粗糙度, 进而有效提高SMA丝增强环氧树脂复合材料的临界拔出强度。研究结论为SMA丝在实际工程领域中的应用提供了理论指导。
为了研究形状记忆合金(SMA)丝增强环氧树脂复合材料的界面粘结行为, 首先通过单纤维拔出试验测定了SMA/环氧树脂界面的粘结强度, 重点考察了埋入深度对界面极限粘结强度及其拔出行为的影响。然后, 结合ABAQUS有限元分析方法, 利用基于表面内聚力行为的单元对SMA丝拔出过程中应力分布随拔出时间的变化关系进行了模拟。最后, 针对SMA/环氧树脂复合材料界面粘结强度较弱的缺陷, 提出了利用纳米SiO2改性SMA丝表面提升材料界面粘结强度的方法, 并通过拔出试验进行了验证。结果表明:随着埋入深度从1.0 cm增加到1.5 cm和2.0 cm, 最大拔出载荷显著增加, 平均界面粘结强度却逐渐下降。当纤维埋入深度为2.0 cm时, 在0.300 s时临界脱粘出现。利用在SMA表面涂覆纳米SiO2颗粒的方法可以增加纤维的表面粗糙度, 进而有效提高SMA丝增强环氧树脂复合材料的临界拔出强度。研究结论为SMA丝在实际工程领域中的应用提供了理论指导。
2015, 32(5): 1349-1354.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150130.002
摘要:
低熔点金属与聚合物复合不仅可以产生高性能的导电和导热复合材料, 还为聚合物多相多组分体系的研究提供了新的模型。为系统认识低熔点金属液体/聚合物熔体复合体系在外场作用下的结构变化, 首先通过光学显微镜研究了拉伸条件下液态Sn/熔融聚乙烯复合体系中Sn液滴的纤维化现象;然后, 测量了不同拉伸程度下Sn/聚乙烯复合体系中Sn粒子的尺寸, 并研究了拉伸程度对Sn粒子尺寸的影响;最后揭示了Sn液滴纤维化的机制。结果表明:在液态Sn/熔融聚乙烯复合体系的拉伸过程中, Sn液滴的直径越大, 则越先开始纤维化;纤维状Sn粒子的直径由复合体系的拉伸程度决定, 而其长度则由Sn液滴的体积决定。所得结论可为高性能金属/聚合物复合材料的制备提供理论指导。
低熔点金属与聚合物复合不仅可以产生高性能的导电和导热复合材料, 还为聚合物多相多组分体系的研究提供了新的模型。为系统认识低熔点金属液体/聚合物熔体复合体系在外场作用下的结构变化, 首先通过光学显微镜研究了拉伸条件下液态Sn/熔融聚乙烯复合体系中Sn液滴的纤维化现象;然后, 测量了不同拉伸程度下Sn/聚乙烯复合体系中Sn粒子的尺寸, 并研究了拉伸程度对Sn粒子尺寸的影响;最后揭示了Sn液滴纤维化的机制。结果表明:在液态Sn/熔融聚乙烯复合体系的拉伸过程中, Sn液滴的直径越大, 则越先开始纤维化;纤维状Sn粒子的直径由复合体系的拉伸程度决定, 而其长度则由Sn液滴的体积决定。所得结论可为高性能金属/聚合物复合材料的制备提供理论指导。
2015, 32(5): 1355-1360.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150109.001
摘要:
为制备具有高介电常数的复合材料, 采用注射成型法制备了原始多壁碳纳米管(P-MWCNTs)/聚偏氟乙烯(PVDF)复合材料和石墨化多壁碳纳米管(G-MWCNTs)/PVDF复合材料。然后, 对P-MWCNTs和G-MWCNTs进行了Raman光谱表征, 对MWCNTs/PVDF复合材料进行了断面形貌、力学性能和电学性能测试。结果表明: G-MWCNTs比P-MWCNTs具有更高的纯度和结晶度, 两种不同的MWCNTs都能均匀分散在PVDF基体中, 添加MWCNTs会显著影响PVDF的力学行为。MWCNTs/PVDF复合材料的介电性能随MWCNTs含量的增加而提高, 与P-MWCNTs相比, G-MWCNTs有效降低了复合材料的渗流阈值。当频率为100 Hz时, 纯PVDF的介电常数为7.0;当P-MWCNTs的含量为5wt%时, 复合材料的介电常数为23.8;当G-MWCNTs的含量为5wt%时, 复合材料的介电常数高达105.0。注射成型法制备的MWCNTs/PVDF复合材料仍保持相对较低的电导率, 进而导致复合材料的能量损耗较低, 对电荷存储应用具有重要意义。
为制备具有高介电常数的复合材料, 采用注射成型法制备了原始多壁碳纳米管(P-MWCNTs)/聚偏氟乙烯(PVDF)复合材料和石墨化多壁碳纳米管(G-MWCNTs)/PVDF复合材料。然后, 对P-MWCNTs和G-MWCNTs进行了Raman光谱表征, 对MWCNTs/PVDF复合材料进行了断面形貌、力学性能和电学性能测试。结果表明: G-MWCNTs比P-MWCNTs具有更高的纯度和结晶度, 两种不同的MWCNTs都能均匀分散在PVDF基体中, 添加MWCNTs会显著影响PVDF的力学行为。MWCNTs/PVDF复合材料的介电性能随MWCNTs含量的增加而提高, 与P-MWCNTs相比, G-MWCNTs有效降低了复合材料的渗流阈值。当频率为100 Hz时, 纯PVDF的介电常数为7.0;当P-MWCNTs的含量为5wt%时, 复合材料的介电常数为23.8;当G-MWCNTs的含量为5wt%时, 复合材料的介电常数高达105.0。注射成型法制备的MWCNTs/PVDF复合材料仍保持相对较低的电导率, 进而导致复合材料的能量损耗较低, 对电荷存储应用具有重要意义。
2015, 32(5): 1361-1366.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150128.001
摘要:
为了探究光催化功能性聚丙烯(PP)纤维的可纺性及加工性能, 首先以SiO2包覆改性纳米TiO2粒子(SiO2@TiO2)为添加剂, 对PP进行共混改性。然后, 用毛细管流变仪测试了SiO2@TiO2/PP共混熔体的拉伸流变性能, 用XRD和DSC研究了SiO2@TiO2对PP性能的影响。结果表明:SiO2@TiO2/PP共混熔体属于拉伸变稀型流体。熔体的拉伸应力和拉伸黏度均随温度的升高而下降;拉伸黏度随添加剂用量的增加而增大, 拉伸流动活化能随拉伸应变速率的提高而降低。SiO2@TiO2的加入不会明显改变PP的结晶结构, 但会使结晶性能增强, 当SiO2@TiO2的含量为4wt%时, 共混熔体的结晶度比纯PP的高8.6%。SiO2@TiO2能使PP形成更为紧密的晶体结构, 这对材料的性能具有重要影响。
为了探究光催化功能性聚丙烯(PP)纤维的可纺性及加工性能, 首先以SiO2包覆改性纳米TiO2粒子(SiO2@TiO2)为添加剂, 对PP进行共混改性。然后, 用毛细管流变仪测试了SiO2@TiO2/PP共混熔体的拉伸流变性能, 用XRD和DSC研究了SiO2@TiO2对PP性能的影响。结果表明:SiO2@TiO2/PP共混熔体属于拉伸变稀型流体。熔体的拉伸应力和拉伸黏度均随温度的升高而下降;拉伸黏度随添加剂用量的增加而增大, 拉伸流动活化能随拉伸应变速率的提高而降低。SiO2@TiO2的加入不会明显改变PP的结晶结构, 但会使结晶性能增强, 当SiO2@TiO2的含量为4wt%时, 共混熔体的结晶度比纯PP的高8.6%。SiO2@TiO2能使PP形成更为紧密的晶体结构, 这对材料的性能具有重要影响。
2015, 32(5): 1367-1373.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141218.001
摘要:
利用原位内生工艺制备了Al-30wt% Mg2Si复合材料, 并加入不同含量的稀土元素钇(Y)对其进行细化改性, 以研究Y对复合材料显微组织和力学性能的影响, 及Y对Al-30wt%Mg2Si复合材料的细化机制。结果表明:Y的加入量由0增加至0.8wt%时, 初生相Mg2Si的平均晶粒尺寸先减小后变大, 而强度、布氏硬度和伸长率先提高后降低;当Y的加入量为0.6wt%时, Al-30wt% Mg2Si复合材料的细化效果最明显, 力学性能提高最为显著, 抗拉强度由145.5 MPa提高到175.2 MPa;屈服强度由128.8 MPa提高到152.0 MPa, 布氏硬度由HB101.4提高到HB129.4;伸长率由2.4%提高到3.3%。
利用原位内生工艺制备了Al-30wt% Mg2Si复合材料, 并加入不同含量的稀土元素钇(Y)对其进行细化改性, 以研究Y对复合材料显微组织和力学性能的影响, 及Y对Al-30wt%Mg2Si复合材料的细化机制。结果表明:Y的加入量由0增加至0.8wt%时, 初生相Mg2Si的平均晶粒尺寸先减小后变大, 而强度、布氏硬度和伸长率先提高后降低;当Y的加入量为0.6wt%时, Al-30wt% Mg2Si复合材料的细化效果最明显, 力学性能提高最为显著, 抗拉强度由145.5 MPa提高到175.2 MPa;屈服强度由128.8 MPa提高到152.0 MPa, 布氏硬度由HB101.4提高到HB129.4;伸长率由2.4%提高到3.3%。
2015, 32(5): 1374-1380.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141224.001
摘要:
引入"固态扩渗+轧制"一种新的表面改性方式, 在研究镁合金薄板表面改性方法及工艺的基础上, 采用固态扩渗的方法对AZ31镁合金薄板进行表面渗铝改性处理获得Al/AZ31镁基复合材料;借助有限元软件LS-DYNA模拟其冷轧过程, 获得最优轧制工艺条件并进行轧制试验, 通过XRD、SEM、金相显微镜、布氏硬度测量计、往复式摩擦磨损试验机和CorrTest腐蚀电化学测试系统检测材料表面的组织性能。结果表明:Al/AZ31镁基复合材料轧制变形后表面形变强化使表面组织晶粒更加细小、均匀, 同时产生新的物相MgAl2O4, 使其耐磨耐腐蚀性得到改善, 表面布氏硬度从HB61.4提高到HB63.5, 摩擦因数由0.52提高为0.60, 表面摩擦磨损质量损失从0.33 mg减小到0.26 mg;表面耐腐蚀性能显著提高, 自腐蚀电位从-1.49 V提高为-1.38 V, 自腐蚀电流密度从6.2×10-3 mA/cm2降为7.0×10-4 mA/cm2。采用"固态扩渗+轧制"的方法获得的Al/AZ31镁基复合材料的耐磨性有所改善, 耐腐蚀性能显著提高。
引入"固态扩渗+轧制"一种新的表面改性方式, 在研究镁合金薄板表面改性方法及工艺的基础上, 采用固态扩渗的方法对AZ31镁合金薄板进行表面渗铝改性处理获得Al/AZ31镁基复合材料;借助有限元软件LS-DYNA模拟其冷轧过程, 获得最优轧制工艺条件并进行轧制试验, 通过XRD、SEM、金相显微镜、布氏硬度测量计、往复式摩擦磨损试验机和CorrTest腐蚀电化学测试系统检测材料表面的组织性能。结果表明:Al/AZ31镁基复合材料轧制变形后表面形变强化使表面组织晶粒更加细小、均匀, 同时产生新的物相MgAl2O4, 使其耐磨耐腐蚀性得到改善, 表面布氏硬度从HB61.4提高到HB63.5, 摩擦因数由0.52提高为0.60, 表面摩擦磨损质量损失从0.33 mg减小到0.26 mg;表面耐腐蚀性能显著提高, 自腐蚀电位从-1.49 V提高为-1.38 V, 自腐蚀电流密度从6.2×10-3 mA/cm2降为7.0×10-4 mA/cm2。采用"固态扩渗+轧制"的方法获得的Al/AZ31镁基复合材料的耐磨性有所改善, 耐腐蚀性能显著提高。
2015, 32(5): 1381-1389.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150303.004
摘要:
采用化学共沉淀煅烧法制备不同La2O3掺杂量的La2O3-Y2O3-ZrO2(YSZ)复合陶瓷粉末, 研究该复合陶瓷粉末的高温相稳定性、抗烧结性及热物理性能, 并与传统应用的YSZ陶瓷粉末进行对比, 以探讨La2O3-YSZ作为热障涂层材料应用的可能性。采用XRD分析陶瓷粉末的晶体结构和物相组成, 研究La2O3掺杂量对YSZ高温相稳定性的影响。采用SEM观察陶瓷烧结体的微观形貌, 研究La2O3掺杂对YSZ抗烧结性的影响。采用激光脉冲法测定热扩散率, 通过计算得到材料的热导率。结果表明:YSZ和不同La2O3掺杂量的La2O3-YSZ均由单一的非平衡四方相ZrO2 (t'-ZrO2) 组成。经1 400 ℃热处理100 h后, YSZ中t'-ZrO2完全转变为立方相ZrO2(c-ZrO2)和单斜相ZrO2 (m-ZrO2), 在0.4mol%~1.4mol% La2O3掺杂范围内, La2O3-YSZ的相稳定性均优于YSZ, 其中1.0mol% La2O3掺杂的YSZ(1.0mol% La2O3-YSZ)经热处理后无m-ZrO2生成, 表现出良好的高温相稳定性。此外, 1.0mol% La2O3-YSZ较YSZ具有较高的抗烧结性和较低的热导率。在室温至700 ℃范围内, 1.0mol% La2O3-YSZ的热导率为1.90~2.17 W/(m·K), 明显低于YSZ的热导率(2.13~2.33 W/(m·K))。
采用化学共沉淀煅烧法制备不同La2O3掺杂量的La2O3-Y2O3-ZrO2(YSZ)复合陶瓷粉末, 研究该复合陶瓷粉末的高温相稳定性、抗烧结性及热物理性能, 并与传统应用的YSZ陶瓷粉末进行对比, 以探讨La2O3-YSZ作为热障涂层材料应用的可能性。采用XRD分析陶瓷粉末的晶体结构和物相组成, 研究La2O3掺杂量对YSZ高温相稳定性的影响。采用SEM观察陶瓷烧结体的微观形貌, 研究La2O3掺杂对YSZ抗烧结性的影响。采用激光脉冲法测定热扩散率, 通过计算得到材料的热导率。结果表明:YSZ和不同La2O3掺杂量的La2O3-YSZ均由单一的非平衡四方相ZrO2 (t'-ZrO2) 组成。经1 400 ℃热处理100 h后, YSZ中t'-ZrO2完全转变为立方相ZrO2(c-ZrO2)和单斜相ZrO2 (m-ZrO2), 在0.4mol%~1.4mol% La2O3掺杂范围内, La2O3-YSZ的相稳定性均优于YSZ, 其中1.0mol% La2O3掺杂的YSZ(1.0mol% La2O3-YSZ)经热处理后无m-ZrO2生成, 表现出良好的高温相稳定性。此外, 1.0mol% La2O3-YSZ较YSZ具有较高的抗烧结性和较低的热导率。在室温至700 ℃范围内, 1.0mol% La2O3-YSZ的热导率为1.90~2.17 W/(m·K), 明显低于YSZ的热导率(2.13~2.33 W/(m·K))。
2015, 32(5): 1390-1398.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150113.002
摘要:
使用溶胶凝胶原位碳热还原制备了Co2+掺杂石墨烯/LiFePO4锂离子电池复合正极材料(石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4), 以期获得比容量高、充放电速率快和循环性能优良的锂离子电池正极材料。结构和形貌表征结果显示:石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4复合材料具有三维导电网络结构, 颗粒在石墨烯片层间生长均匀, 粒径在200 nm左右。电化学测试结果显示:石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4复合材料具有高的可逆比容量和优异的循环倍率性能。2.0~4.0 V充放电下0.1 C时的首次放电比容量为159 mA·h·g-1, 在10.0 C下首次放电比容量也有74 mA·h·g-1;0.5 C下循环100次, 比容量保持率为99.7%。石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4复合材料电化学性能提高的原因主要为Co2+掺杂和石墨烯包覆的协同作用。
使用溶胶凝胶原位碳热还原制备了Co2+掺杂石墨烯/LiFePO4锂离子电池复合正极材料(石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4), 以期获得比容量高、充放电速率快和循环性能优良的锂离子电池正极材料。结构和形貌表征结果显示:石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4复合材料具有三维导电网络结构, 颗粒在石墨烯片层间生长均匀, 粒径在200 nm左右。电化学测试结果显示:石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4复合材料具有高的可逆比容量和优异的循环倍率性能。2.0~4.0 V充放电下0.1 C时的首次放电比容量为159 mA·h·g-1, 在10.0 C下首次放电比容量也有74 mA·h·g-1;0.5 C下循环100次, 比容量保持率为99.7%。石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4复合材料电化学性能提高的原因主要为Co2+掺杂和石墨烯包覆的协同作用。
2015, 32(5): 1399-1407.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150123.001
摘要:
为研究纳米颗粒增强铝基复合材料的高温蠕变特性, 基于6063Al-Al2(SO4)3体系, 采用超声化学原位合成技术, 制备出不同Al2O3体积分数(5%、7%)的纳米Al2O3/6063Al复合材料, 通过高温蠕变拉伸试验测试其高温蠕变性能, 利用XRD、OM、SEM及TEM分析其微观形貌。结果表明:施加高能超声可显著细化增强体颗粒并提高其分布的均匀性, 所生成的Al2O3增强颗粒以圆形或近六边形为主, 尺寸为20~100 nm;纳米Al2O3/6063Al复合材料的名义应力指数、表观激活能和门槛应力值与基体相比大幅提高, 均随着增强体体积分数的增加而提高, 表明纳米Al2O3/6063Al复合材料的抗蠕变性能提高;纳米Al2O3/6063Al复合材料的真应力指数为8, 说明复合材料蠕变机制符合微结构不变模型, 即受基体晶格扩散的控制;纳米Al2O3/6063Al复合材料的高温蠕变断口特征以脆性断裂为主, 高应力下形成穿晶断裂, 低应力下形成沿晶断裂和晶界孔洞;纳米Al2O3/6063Al复合材料的主要强化机制为位错强化与弥散强化。
为研究纳米颗粒增强铝基复合材料的高温蠕变特性, 基于6063Al-Al2(SO4)3体系, 采用超声化学原位合成技术, 制备出不同Al2O3体积分数(5%、7%)的纳米Al2O3/6063Al复合材料, 通过高温蠕变拉伸试验测试其高温蠕变性能, 利用XRD、OM、SEM及TEM分析其微观形貌。结果表明:施加高能超声可显著细化增强体颗粒并提高其分布的均匀性, 所生成的Al2O3增强颗粒以圆形或近六边形为主, 尺寸为20~100 nm;纳米Al2O3/6063Al复合材料的名义应力指数、表观激活能和门槛应力值与基体相比大幅提高, 均随着增强体体积分数的增加而提高, 表明纳米Al2O3/6063Al复合材料的抗蠕变性能提高;纳米Al2O3/6063Al复合材料的真应力指数为8, 说明复合材料蠕变机制符合微结构不变模型, 即受基体晶格扩散的控制;纳米Al2O3/6063Al复合材料的高温蠕变断口特征以脆性断裂为主, 高应力下形成穿晶断裂, 低应力下形成沿晶断裂和晶界孔洞;纳米Al2O3/6063Al复合材料的主要强化机制为位错强化与弥散强化。
2015, 32(5): 1408-1413.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150120.003
摘要:
以天然鳞片石墨为起始原料, SiC颗粒为增强相, 采用热压烧结工艺制备了SiC增强石墨复合材料。研究了SiC含量对SiC增强石墨复合材料微观结构、力学性能和摩擦性能的影响。结果表明:SiC颗粒均匀分布在石墨基体中, 降低了基体中的孔隙率;随着SiC含量增加, SiC增强石墨复合材料的相对密度和弯曲强度相应增加, 开孔率显著降低, 当SiC含量达到40vol%时, SiC增强石墨复合材料中形成了SiC网络骨架结构, 相对密度达到了94.2%, 比商品高强纯石墨材料提高了11.8%, 弯曲强度达到了146 MPa, 比商品高强纯石墨材料提高了147%;基体石墨保持了层状结构;SiC含量低于40vol%时, SiC增强石墨复合材料的摩擦系数随SiC含量的增加轻微增加, 与纯石墨材料的摩擦系数相当, 具有良好的摩擦性能。
以天然鳞片石墨为起始原料, SiC颗粒为增强相, 采用热压烧结工艺制备了SiC增强石墨复合材料。研究了SiC含量对SiC增强石墨复合材料微观结构、力学性能和摩擦性能的影响。结果表明:SiC颗粒均匀分布在石墨基体中, 降低了基体中的孔隙率;随着SiC含量增加, SiC增强石墨复合材料的相对密度和弯曲强度相应增加, 开孔率显著降低, 当SiC含量达到40vol%时, SiC增强石墨复合材料中形成了SiC网络骨架结构, 相对密度达到了94.2%, 比商品高强纯石墨材料提高了11.8%, 弯曲强度达到了146 MPa, 比商品高强纯石墨材料提高了147%;基体石墨保持了层状结构;SiC含量低于40vol%时, SiC增强石墨复合材料的摩擦系数随SiC含量的增加轻微增加, 与纯石墨材料的摩擦系数相当, 具有良好的摩擦性能。
2015, 32(5): 1414-1419.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141118.008
摘要:
针对碳纤维增强复合材料(CFRP)筋粘结型锚固系统, 采用数值分析研究了不同锚具内壁与锚固胶体间的摩擦系数、不同锥形倾角、锚具前端有无直筒过渡段及有无端堵约束对筋材应力状态的影响, 找出了筋材在靠近锚具端部发生破坏的原因, 提出了相关强度分析方法及锚固改进方法, 并用试验结果验证了方法的有效性。分析结果表明:筋材在摩擦系数为0.7时受到的径向挤压应力峰值只有摩擦系数为0.3时受到的径向挤压应力峰值的45.01%;随着锥形倾角增大, CFRP筋在锚具锥段所受的径向挤压应力峰值逐渐减小, 所受剪应力峰值逐渐增大;在锥段末端增设直筒过渡段可以缓解筋材所受到的径向挤压应力与剪应力峰值, 缓解系数分别为76.78%与52.90%;端堵约束的存在使锚具端部应力集中现象明显, 导致筋材在锚具端部发生破坏。
针对碳纤维增强复合材料(CFRP)筋粘结型锚固系统, 采用数值分析研究了不同锚具内壁与锚固胶体间的摩擦系数、不同锥形倾角、锚具前端有无直筒过渡段及有无端堵约束对筋材应力状态的影响, 找出了筋材在靠近锚具端部发生破坏的原因, 提出了相关强度分析方法及锚固改进方法, 并用试验结果验证了方法的有效性。分析结果表明:筋材在摩擦系数为0.7时受到的径向挤压应力峰值只有摩擦系数为0.3时受到的径向挤压应力峰值的45.01%;随着锥形倾角增大, CFRP筋在锚具锥段所受的径向挤压应力峰值逐渐减小, 所受剪应力峰值逐渐增大;在锥段末端增设直筒过渡段可以缓解筋材所受到的径向挤压应力与剪应力峰值, 缓解系数分别为76.78%与52.90%;端堵约束的存在使锚具端部应力集中现象明显, 导致筋材在锚具端部发生破坏。
2015, 32(5): 1420-1427.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150515.002
摘要:
在总结复合材料多钉连接钉载测试方法的基础上, 针对单向载荷传感器应用中必须已知钉载方向且需要按照钉载方向装设传感器的缺点, 提出了钉载矢量传感器方案。 钉载矢量传感器无预设安装角度要求, 能够测量载荷方向;并对钉载矢量传感器的选材、应变片方案及开槽尺寸进行了设计, 制造了钉载矢量传感器。采用复合材料单钉单剪螺栓连接, 分别对钉载矢量传感器测量结果的线性符合性、重复性、安装角度影响以及载荷方向测量能力进行了测试研究。测试结果表明:钉载矢量传感器满足工程上对载荷分配测试的技术要求, 验证了本文所提出的钉载矢量传感器的适用性。
在总结复合材料多钉连接钉载测试方法的基础上, 针对单向载荷传感器应用中必须已知钉载方向且需要按照钉载方向装设传感器的缺点, 提出了钉载矢量传感器方案。 钉载矢量传感器无预设安装角度要求, 能够测量载荷方向;并对钉载矢量传感器的选材、应变片方案及开槽尺寸进行了设计, 制造了钉载矢量传感器。采用复合材料单钉单剪螺栓连接, 分别对钉载矢量传感器测量结果的线性符合性、重复性、安装角度影响以及载荷方向测量能力进行了测试研究。测试结果表明:钉载矢量传感器满足工程上对载荷分配测试的技术要求, 验证了本文所提出的钉载矢量传感器的适用性。
2015, 32(5): 1428-1435.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150105.002
摘要:
基于V型缺口试样双轨剪切法设计了面内剪切试验方案, 开展了莫来石纤维增强气凝胶复合材料的室温面内剪切和弯曲性能试验, 采用数字图像相关方法对试样表面的位移场和应变场进行测量, 并分析了力学行为和破坏模式。结果表明:设计的试验方案可以在测试区域获得均匀的剪切应变场, 适用于莫来石纤维增强气凝胶复合材料的面内剪切性能测试。试验获得的面内剪切模量和强度分别为248 MPa和0.95 MPa, 弯曲模量和强度分别为294 MPa和2.08 MPa。面内剪切载荷下, 试样的裂纹萌生于缺口尖端附近, 并沿两缺口连线方向扩展。根据弯曲正应变场的分布特点, 发现试样中性层与几何对称面不重合, 验证了该材料拉压模量不同的性质。采用数字图像相关方法获得的中性层位置和理论计算值比较接近, 相对误差在10%左右。
基于V型缺口试样双轨剪切法设计了面内剪切试验方案, 开展了莫来石纤维增强气凝胶复合材料的室温面内剪切和弯曲性能试验, 采用数字图像相关方法对试样表面的位移场和应变场进行测量, 并分析了力学行为和破坏模式。结果表明:设计的试验方案可以在测试区域获得均匀的剪切应变场, 适用于莫来石纤维增强气凝胶复合材料的面内剪切性能测试。试验获得的面内剪切模量和强度分别为248 MPa和0.95 MPa, 弯曲模量和强度分别为294 MPa和2.08 MPa。面内剪切载荷下, 试样的裂纹萌生于缺口尖端附近, 并沿两缺口连线方向扩展。根据弯曲正应变场的分布特点, 发现试样中性层与几何对称面不重合, 验证了该材料拉压模量不同的性质。采用数字图像相关方法获得的中性层位置和理论计算值比较接近, 相对误差在10%左右。
2015, 32(5): 1436-1444.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150401.001
摘要:
为准确测试碳纤维(CF)的压缩性能, 针对浸胶固化的碳纤维复丝, 设计了制样方法和测试夹具, 建立了碳纤维复丝压缩性能测试方法。采用所建立方法对东丽T700SC等碳纤维进行压缩性能测试, 研究了制样条件、测试条件及材料种类对碳纤维复丝压缩强度及破坏模式的影响, 考察因素主要包括复丝胶含量、复丝浸胶固化的张力、预加载、测试段长度及树脂基体和纤维种类。结果表明:所建立的方法操作简单, 测试结果分散性小;除预加载以外, 所考察因素对测试过程及结果具有明显影响;当试样含胶量为30%~35%(树脂质量百分含量)、复丝浸胶的张力为10~15 N、测试段长度为1.5 mm时, 环氧树脂浸渍固化的T700SC碳纤维复丝压缩强度测试结果最高, 优化的测试条件对所考察的其他种类碳纤维复丝的压缩强度测试也适用;树脂的种类对复丝压缩强度有显著影响。
为准确测试碳纤维(CF)的压缩性能, 针对浸胶固化的碳纤维复丝, 设计了制样方法和测试夹具, 建立了碳纤维复丝压缩性能测试方法。采用所建立方法对东丽T700SC等碳纤维进行压缩性能测试, 研究了制样条件、测试条件及材料种类对碳纤维复丝压缩强度及破坏模式的影响, 考察因素主要包括复丝胶含量、复丝浸胶固化的张力、预加载、测试段长度及树脂基体和纤维种类。结果表明:所建立的方法操作简单, 测试结果分散性小;除预加载以外, 所考察因素对测试过程及结果具有明显影响;当试样含胶量为30%~35%(树脂质量百分含量)、复丝浸胶的张力为10~15 N、测试段长度为1.5 mm时, 环氧树脂浸渍固化的T700SC碳纤维复丝压缩强度测试结果最高, 优化的测试条件对所考察的其他种类碳纤维复丝的压缩强度测试也适用;树脂的种类对复丝压缩强度有显著影响。
2015, 32(5): 1445-1452.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141103.003
摘要:
为提升蜂窝材料的抗缺陷能力, 在正六边形、Kagome和正三角形蜂窝材料的孔壁表面附着软材料层, 制备了多层级蜂窝材料。然后针对孔壁弯曲缺陷类型, 使用解析方法研究了蜂窝材料面内模量的缺陷敏感性和力学性能, 并用数值模拟对理论值进行了验证。结果表明:通过选择合适的附着软材料层与几何参数, 可使得多层级蜂窝材料比传统蜂窝材料对缺陷有更高的抵抗能力, 表现出较低的缺陷敏感性。另外, 在保持相对密度不变的前提下, 多层级蜂窝材料的力学性能与传统蜂窝材料的相比也有较大提高。研究结论为设计制造具有抗缺陷能力的新型蜂窝材料提供了理论基础。
为提升蜂窝材料的抗缺陷能力, 在正六边形、Kagome和正三角形蜂窝材料的孔壁表面附着软材料层, 制备了多层级蜂窝材料。然后针对孔壁弯曲缺陷类型, 使用解析方法研究了蜂窝材料面内模量的缺陷敏感性和力学性能, 并用数值模拟对理论值进行了验证。结果表明:通过选择合适的附着软材料层与几何参数, 可使得多层级蜂窝材料比传统蜂窝材料对缺陷有更高的抵抗能力, 表现出较低的缺陷敏感性。另外, 在保持相对密度不变的前提下, 多层级蜂窝材料的力学性能与传统蜂窝材料的相比也有较大提高。研究结论为设计制造具有抗缺陷能力的新型蜂窝材料提供了理论基础。
2015, 32(5): 1453-1460.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141105.001
摘要:
为大幅度地提高复合材料结构动力学性能, 首先提出了新型多层阻尼薄膜嵌入的共固化复合材料结构, 并按照玻璃纤维/环氧(5231/EW180B)预浸料固化工艺曲线将其制成嵌入式中温共固化多层阻尼薄膜复合材料试件;然后, 探索使用模态应变能有限元数值模拟法对该结构的动力学性能进行了研究;最后, 将结果与模态分析实验数据进行对比, 并获得了多层阻尼薄膜嵌入的共固化复合材料结构模态参数随阻尼层的厚度、数量、位置和分布的变化关系。结果表明:多层阻尼薄膜嵌入的复合材料结构能显著提高整体结构的一阶模态损耗因子。研究结果为轻质大阻尼复合材料结构设计理论和制作工艺的进一步研究奠定了基础。
为大幅度地提高复合材料结构动力学性能, 首先提出了新型多层阻尼薄膜嵌入的共固化复合材料结构, 并按照玻璃纤维/环氧(5231/EW180B)预浸料固化工艺曲线将其制成嵌入式中温共固化多层阻尼薄膜复合材料试件;然后, 探索使用模态应变能有限元数值模拟法对该结构的动力学性能进行了研究;最后, 将结果与模态分析实验数据进行对比, 并获得了多层阻尼薄膜嵌入的共固化复合材料结构模态参数随阻尼层的厚度、数量、位置和分布的变化关系。结果表明:多层阻尼薄膜嵌入的复合材料结构能显著提高整体结构的一阶模态损耗因子。研究结果为轻质大阻尼复合材料结构设计理论和制作工艺的进一步研究奠定了基础。
2015, 32(5): 1461-1468.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141204.005
摘要:
采用搅拌铸造法制备了漂珠(FAC)/AZ91D镁合金复合材料。研究了该复合材料的高温压缩变形行为, 分析了压缩变形温度和应变率对FAC/AZ91D镁合金复合材料压缩变形行为的影响规律, 并计算了其热变形激活能。结果表明:FAC/AZ91D镁合金复合材料的高温压缩真应力-真应变曲线分为4个阶段:弹性变形、加工硬化、峰值应力和稳态流变阶段。相同应变率下, FAC/AZ91D镁合金复合材料的峰值应力和稳态流变应力随压缩变形温度的升高而降低;相同压缩变形温度下, 流变应力随应变率增大而升高。在相同应变率或相同压缩变形温度下, FAC/AZ91D镁合金复合材料的热变形激活能随压缩应变率或压缩变形温度的升高而增大, 其热压缩行为可以用双曲正弦函数形式的Arrhenius关系来描述。压缩变形温度与应变率对FAC/AZ91D镁合金复合材料的高温压缩组织均有重要影响。提高压缩变形温度或增大应变率, 均可加速动态再结晶的进程。
采用搅拌铸造法制备了漂珠(FAC)/AZ91D镁合金复合材料。研究了该复合材料的高温压缩变形行为, 分析了压缩变形温度和应变率对FAC/AZ91D镁合金复合材料压缩变形行为的影响规律, 并计算了其热变形激活能。结果表明:FAC/AZ91D镁合金复合材料的高温压缩真应力-真应变曲线分为4个阶段:弹性变形、加工硬化、峰值应力和稳态流变阶段。相同应变率下, FAC/AZ91D镁合金复合材料的峰值应力和稳态流变应力随压缩变形温度的升高而降低;相同压缩变形温度下, 流变应力随应变率增大而升高。在相同应变率或相同压缩变形温度下, FAC/AZ91D镁合金复合材料的热变形激活能随压缩应变率或压缩变形温度的升高而增大, 其热压缩行为可以用双曲正弦函数形式的Arrhenius关系来描述。压缩变形温度与应变率对FAC/AZ91D镁合金复合材料的高温压缩组织均有重要影响。提高压缩变形温度或增大应变率, 均可加速动态再结晶的进程。
2015, 32(5): 1469-1479.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141230.002
摘要:
为揭示碳纤维增强复合材料(CFRP)切削温度与切削要素之间的关系, 采用直角自由切削对CFRP单向层合板进行了切削试验, 并采用OMEGA-0.05 mm高灵敏K型热电偶对切削温度进行测量, 讨论了切削参数、刀具几何参数及材料参数对切削温度的影响。 结果表明:对切削温度的影响程度由高到低的参数依次为切削速度、切削厚度、刀具后角和钝圆半径, 切削参数对温度的影响效应不受纤维方向角的影响;不同于金属材料, CFRP纤维方向角对切削温度影响突出, 顺纤维方向上的切削温度明显高于逆纤维方向上的, 切削温度在θ=90°时达到最大值, 且为θ=0°时的2倍;CFRP切削回弹对刀具后刀面与已加工表面的接触状况影响较大, 从而影响切削温度, 加剧了切削温度的各向异性特征, 且第3变形区切削热对切削温度影响突出;CFRP切削温度范围窄, 最大切削温度在300 ℃左右, 将导致切削质量对温度变化更为敏感。
为揭示碳纤维增强复合材料(CFRP)切削温度与切削要素之间的关系, 采用直角自由切削对CFRP单向层合板进行了切削试验, 并采用OMEGA-0.05 mm高灵敏K型热电偶对切削温度进行测量, 讨论了切削参数、刀具几何参数及材料参数对切削温度的影响。 结果表明:对切削温度的影响程度由高到低的参数依次为切削速度、切削厚度、刀具后角和钝圆半径, 切削参数对温度的影响效应不受纤维方向角的影响;不同于金属材料, CFRP纤维方向角对切削温度影响突出, 顺纤维方向上的切削温度明显高于逆纤维方向上的, 切削温度在θ=90°时达到最大值, 且为θ=0°时的2倍;CFRP切削回弹对刀具后刀面与已加工表面的接触状况影响较大, 从而影响切削温度, 加剧了切削温度的各向异性特征, 且第3变形区切削热对切削温度影响突出;CFRP切削温度范围窄, 最大切削温度在300 ℃左右, 将导致切削质量对温度变化更为敏感。
2015, 32(5): 1480-1486.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150113.003
摘要:
以丁腈橡胶(NBR)为基体, 添加受阻酚小分子2,2'-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)(AO-2246)构成杂化体系, 在体系中添加片状石墨粉(FGP), 研究其对共混物动态力学性能的影响, 借助DMA、FTIR和SEM等手段, 研究了FGP/AO-2246-NBR共混物的动态力学性能。结果表明:将FGP加入AO-2246-NBR共混物中后, 损耗角正切值、动态储能模量及损耗模量均随着FGP含量的增加先增加后减小, 当FGP含量达到临界值(质量分数10%左右)时, 其动态力学性能损耗角切值、动态储能模量及损耗模量才表现出较好的性能。通过红外光谱分析发现, 三元共混物的氢键效应不是决定动态力学性能的关键因素, 这与FGP本身的特性及形成的微观结构有关。微观形貌的形成是FGP与AO-2246-NBR共混物间相互作用的结果。
以丁腈橡胶(NBR)为基体, 添加受阻酚小分子2,2'-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)(AO-2246)构成杂化体系, 在体系中添加片状石墨粉(FGP), 研究其对共混物动态力学性能的影响, 借助DMA、FTIR和SEM等手段, 研究了FGP/AO-2246-NBR共混物的动态力学性能。结果表明:将FGP加入AO-2246-NBR共混物中后, 损耗角正切值、动态储能模量及损耗模量均随着FGP含量的增加先增加后减小, 当FGP含量达到临界值(质量分数10%左右)时, 其动态力学性能损耗角切值、动态储能模量及损耗模量才表现出较好的性能。通过红外光谱分析发现, 三元共混物的氢键效应不是决定动态力学性能的关键因素, 这与FGP本身的特性及形成的微观结构有关。微观形貌的形成是FGP与AO-2246-NBR共混物间相互作用的结果。
2015, 32(5): 1487-1495.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150302.001
摘要:
在机翼设计过程中, 将等效有限元模型(EFEM)方法应用于考虑静力学和动力学要求的机翼结构优化。提出了"三步走"的结构优化策略, 将一个多变量的复杂优化问题转换为一系列少变量的简单优化问题, 对某支线客机的复合材料机翼进行了优化设计。首先以位移、静强度和颤振速度作为约束条件对机翼复合材料铺层比例进行优化;然后以静强度和结构稳定性作为约束, 以最小化结构质量和结构效率作为优化目标, 对各翼肋之间的加强壁板进行优化设计;最后再以位移和颤振速度为约束, 对机翼结构总体刚度进行优化设计。结果表明:EFEM方法具有快速建模和计算量少的优点, 采用"三步走"优化策略具有更高的效率, 适用于初步机翼结构优化设计。
在机翼设计过程中, 将等效有限元模型(EFEM)方法应用于考虑静力学和动力学要求的机翼结构优化。提出了"三步走"的结构优化策略, 将一个多变量的复杂优化问题转换为一系列少变量的简单优化问题, 对某支线客机的复合材料机翼进行了优化设计。首先以位移、静强度和颤振速度作为约束条件对机翼复合材料铺层比例进行优化;然后以静强度和结构稳定性作为约束, 以最小化结构质量和结构效率作为优化目标, 对各翼肋之间的加强壁板进行优化设计;最后再以位移和颤振速度为约束, 对机翼结构总体刚度进行优化设计。结果表明:EFEM方法具有快速建模和计算量少的优点, 采用"三步走"优化策略具有更高的效率, 适用于初步机翼结构优化设计。
2015, 32(5): 1496-1502.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150303.002
摘要:
结合立体织造技术和树脂传递模塑(RTM)工艺制备了不同上浆量国产碳纤维的2.5D经向增强复合材料。使用毛羽测试法、复丝拉伸法及SEM分析了不同上浆量预制织物中经纱、衬经纱和纬纱的织造损伤情况。结果表明:碳纤维织造损伤率随着上浆量的增加而减小;2.5D经向增强复合材料中纱线的损伤率大小依次为纬纱、经纱、衬经纱。复合材料拉伸性能测试结果表明:当国产碳纤维上浆量为2.01%时, 2.5D经向增强复合材料的性能最佳。
结合立体织造技术和树脂传递模塑(RTM)工艺制备了不同上浆量国产碳纤维的2.5D经向增强复合材料。使用毛羽测试法、复丝拉伸法及SEM分析了不同上浆量预制织物中经纱、衬经纱和纬纱的织造损伤情况。结果表明:碳纤维织造损伤率随着上浆量的增加而减小;2.5D经向增强复合材料中纱线的损伤率大小依次为纬纱、经纱、衬经纱。复合材料拉伸性能测试结果表明:当国产碳纤维上浆量为2.01%时, 2.5D经向增强复合材料的性能最佳。
2015, 32(5): 1503-1509.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141224.003
摘要:
为了探究Na2HPO4活化处理引起的木材苯酚液化物碳纤维微细结构的变化, 以Na2HPO4溶液为活化剂对杉木苯酚液化物碳纤维原丝进行了浸渍、干燥和不同温度的活化处理, 对活性碳纤维的晶体结构、孔隙结构和表面化学结构进行了表征。结果表明:随着活化温度的上升, 活性碳纤维的得率逐渐减小。活性碳纤维的晶体结构属于类石墨结构;随着活化温度上升, 微晶层间距d002减小, 而石墨片层平面尺寸Lc和Lc/d002增加。活化温度在600 ℃或700 ℃时, 微孔率小于48vol%;当活化温度为800 ℃或900 ℃时, 微孔率大于60vol%。活性碳纤维的微孔孔径主要集中在0.5~1.6 nm范围内, 中孔孔径主要分布在2.0~4.0 nm范围内。随着活化温度的上升, 纤维的比表面积和孔容积均逐渐增加, 900 ℃时二者均达到最大值, 此时的比表面积为1 306 m2/g。C和O是活性碳纤维的基本元素, 纤维表面大部分的含碳基团为石墨碳, 含有少量的C-OH、C=O和-COOH。研究为制备新型活性碳纤维和进一步探明活化剂同碳纤维分子之间相互作用提供参考。
为了探究Na2HPO4活化处理引起的木材苯酚液化物碳纤维微细结构的变化, 以Na2HPO4溶液为活化剂对杉木苯酚液化物碳纤维原丝进行了浸渍、干燥和不同温度的活化处理, 对活性碳纤维的晶体结构、孔隙结构和表面化学结构进行了表征。结果表明:随着活化温度的上升, 活性碳纤维的得率逐渐减小。活性碳纤维的晶体结构属于类石墨结构;随着活化温度上升, 微晶层间距d002减小, 而石墨片层平面尺寸Lc和Lc/d002增加。活化温度在600 ℃或700 ℃时, 微孔率小于48vol%;当活化温度为800 ℃或900 ℃时, 微孔率大于60vol%。活性碳纤维的微孔孔径主要集中在0.5~1.6 nm范围内, 中孔孔径主要分布在2.0~4.0 nm范围内。随着活化温度的上升, 纤维的比表面积和孔容积均逐渐增加, 900 ℃时二者均达到最大值, 此时的比表面积为1 306 m2/g。C和O是活性碳纤维的基本元素, 纤维表面大部分的含碳基团为石墨碳, 含有少量的C-OH、C=O和-COOH。研究为制备新型活性碳纤维和进一步探明活化剂同碳纤维分子之间相互作用提供参考。
2015, 32(5): 1510-1516.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150120.001
摘要:
为研究铂-全氟磺酸(Pt-PFSA)复合材料的传感特性, 首先, 测试了在阶跃激励和正弦激励下, Pt-PFSA复合材料的响应输出电压;然后, 采用化学镀方法, 将铂原子沉积在由Nafion溶液制备的0.4 mm厚的Nafion阳离子交换膜的两个表面上;最后, 考察了含水量对Pt-PFSA复合材料输出电压的影响, 预测了正弦激励下Pt-PFSA复合材料的传感性能, 进行了不同频率的正弦激励实验。 结果表明:采取保湿措施后, 含水量变化导致的输出电压降低幅度低于5%;在阶跃激励信号下, 当Pt-PFSA复合材料的应变为0.1%时, 输出电压具有时延;给出了Pt-PFSA复合材料的灵敏系数表达式, 当正弦激励信号频率为5.9 Hz时, 复合材料的灵敏系数为3.555 8 mV/0.2%, 得到的实验结果与预测吻合较好。研究为Pt-PFSA复合材料传感性能模型的建立奠定了基础。
为研究铂-全氟磺酸(Pt-PFSA)复合材料的传感特性, 首先, 测试了在阶跃激励和正弦激励下, Pt-PFSA复合材料的响应输出电压;然后, 采用化学镀方法, 将铂原子沉积在由Nafion溶液制备的0.4 mm厚的Nafion阳离子交换膜的两个表面上;最后, 考察了含水量对Pt-PFSA复合材料输出电压的影响, 预测了正弦激励下Pt-PFSA复合材料的传感性能, 进行了不同频率的正弦激励实验。 结果表明:采取保湿措施后, 含水量变化导致的输出电压降低幅度低于5%;在阶跃激励信号下, 当Pt-PFSA复合材料的应变为0.1%时, 输出电压具有时延;给出了Pt-PFSA复合材料的灵敏系数表达式, 当正弦激励信号频率为5.9 Hz时, 复合材料的灵敏系数为3.555 8 mV/0.2%, 得到的实验结果与预测吻合较好。研究为Pt-PFSA复合材料传感性能模型的建立奠定了基础。
2015, 32(5): 1517-1526.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20141230.001
摘要:
为了研究手性蜂窝复合材料的振动特性与其振动传播带隙之间的关系, 首先, 建立了该种材料离散多自由度的夹杂-韧带振动力学模型, 该模型考虑了其内嵌夹杂的局部振动与由微结构韧带连接的节点环之间的弹性耦联及诱发共振模态。然后, 重点研究了微结构元件之间的耦联程度和微结构元件的尺寸参数对材料吸振带隙低频段和高频段的影响, 并结合有限元方法对模型进行了验证分析。结果表明:除柔性包覆的夹杂以外, 耦联诱发振动、节点环和韧带的材料及尺寸参数都对手性蜂窝复合材料的固有振动频率产生显著影响, 从而控制带隙的位置和带宽。随着节点环内、外弹性耦联程度的减小, 夹杂的模态频率将控制带隙的低频段, 且随着夹杂质量的增大, 低频段的频率降低;高频段由韧带振动表征;当节点环内、外弹性耦联程度增大时, 带隙的低频段对韧带和框架的模态更加敏感, 从而出现比夹杂模态频率更低的带隙。无论弹性耦合程度强弱, 当韧带和节点环的厚度减小时, 材料第三阶较高的包覆层变形频率将被相对更低的韧带振动频率取代。所得结论可为小尺寸、低频宽带隙手性蜂窝型隔振材料的设计研究提供理论指导。
为了研究手性蜂窝复合材料的振动特性与其振动传播带隙之间的关系, 首先, 建立了该种材料离散多自由度的夹杂-韧带振动力学模型, 该模型考虑了其内嵌夹杂的局部振动与由微结构韧带连接的节点环之间的弹性耦联及诱发共振模态。然后, 重点研究了微结构元件之间的耦联程度和微结构元件的尺寸参数对材料吸振带隙低频段和高频段的影响, 并结合有限元方法对模型进行了验证分析。结果表明:除柔性包覆的夹杂以外, 耦联诱发振动、节点环和韧带的材料及尺寸参数都对手性蜂窝复合材料的固有振动频率产生显著影响, 从而控制带隙的位置和带宽。随着节点环内、外弹性耦联程度的减小, 夹杂的模态频率将控制带隙的低频段, 且随着夹杂质量的增大, 低频段的频率降低;高频段由韧带振动表征;当节点环内、外弹性耦联程度增大时, 带隙的低频段对韧带和框架的模态更加敏感, 从而出现比夹杂模态频率更低的带隙。无论弹性耦合程度强弱, 当韧带和节点环的厚度减小时, 材料第三阶较高的包覆层变形频率将被相对更低的韧带振动频率取代。所得结论可为小尺寸、低频宽带隙手性蜂窝型隔振材料的设计研究提供理论指导。
2015, 32(5): 1527-1535.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150108.001
摘要:
生物材料表面的粗糙度是影响细胞行为的重要因素之一。为了调控丝蛋白生物材料表面的粗糙度, 并评价材料表面粗糙度对细胞生长行为的影响, 首先, 通过湿化学共沉淀法, 以柞蚕丝胶(AS)溶液为模板, 诱导了羟基磷灰石(HAp)晶体成核, 进而调控了AS膜表面的粗糙度。然后, 采用SEM、粗糙仪、FTIR及EDX等对HAp/AS复合膜表面形貌、粗糙度及成分进行了表征。最后, 通过SEM和CellTiter 96® AQueous单溶液细胞增殖检测试剂盒(MTS)检测了骨髓间充质干细胞(BMSCs)在HAp/AS复合膜表面的形貌及增殖率。结果表明:纯AS膜的表面粗糙度为0.15 μm, 矿化1、8及24 h后, 表面粗糙度分别为0.38、0.46和1.20 μm;矿化24 h后, 在HAp/AS复合膜表面可观察到直径为30~80 nm的球状复合物, 生成的矿化物为HAp;HAp/AS复合膜具有良好的细胞相容性, 表面粗糙度为1.20 μm的复合膜能够显著促进BMSCs的增殖, 粗糙度对BMSCs在HAp/AS复合膜表面的粘附和形貌有着重要的影响。因此, 可通过矿化的方法在生物大分子表面诱导HAp晶体的成核与生长, 从而调控材料的表面粗糙度, 研究材料界面上的细胞行为。
生物材料表面的粗糙度是影响细胞行为的重要因素之一。为了调控丝蛋白生物材料表面的粗糙度, 并评价材料表面粗糙度对细胞生长行为的影响, 首先, 通过湿化学共沉淀法, 以柞蚕丝胶(AS)溶液为模板, 诱导了羟基磷灰石(HAp)晶体成核, 进而调控了AS膜表面的粗糙度。然后, 采用SEM、粗糙仪、FTIR及EDX等对HAp/AS复合膜表面形貌、粗糙度及成分进行了表征。最后, 通过SEM和CellTiter 96® AQueous单溶液细胞增殖检测试剂盒(MTS)检测了骨髓间充质干细胞(BMSCs)在HAp/AS复合膜表面的形貌及增殖率。结果表明:纯AS膜的表面粗糙度为0.15 μm, 矿化1、8及24 h后, 表面粗糙度分别为0.38、0.46和1.20 μm;矿化24 h后, 在HAp/AS复合膜表面可观察到直径为30~80 nm的球状复合物, 生成的矿化物为HAp;HAp/AS复合膜具有良好的细胞相容性, 表面粗糙度为1.20 μm的复合膜能够显著促进BMSCs的增殖, 粗糙度对BMSCs在HAp/AS复合膜表面的粘附和形貌有着重要的影响。因此, 可通过矿化的方法在生物大分子表面诱导HAp晶体的成核与生长, 从而调控材料的表面粗糙度, 研究材料界面上的细胞行为。
2015, 32(5): 1536-1546.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150428.005
摘要:
为了阐明碳化与氯盐复合作用下硬化水泥浆体的微结构, 基于X射线计算机断层扫描成像(X-CT)和电子探针微区分析(EPMA)技术探明了氯盐对水泥浆体碳化速率的影响, 测定了碳化作用下水泥浆体内Cl、S和Na元素的浓度分布。结果表明:氯盐可细化养护龄期为28 d的水泥浆体孔结构, 提高其密实度并减缓碳化速度;碳化作用下水泥浆体的碳化区易出现裂缝, 二氧化碳气体通过这些裂缝扩散到水泥浆体内部进行碳化, 致使水泥浆体碳化深度不均匀;碳化过程中Cl、S和Na元素向非碳化区迁移和浓缩, 初始均匀分布的元素在碳化区含量减少, 在非碳化区含量升高。 所得结论为混凝土结构耐久性设计提供科学的理论依据。
为了阐明碳化与氯盐复合作用下硬化水泥浆体的微结构, 基于X射线计算机断层扫描成像(X-CT)和电子探针微区分析(EPMA)技术探明了氯盐对水泥浆体碳化速率的影响, 测定了碳化作用下水泥浆体内Cl、S和Na元素的浓度分布。结果表明:氯盐可细化养护龄期为28 d的水泥浆体孔结构, 提高其密实度并减缓碳化速度;碳化作用下水泥浆体的碳化区易出现裂缝, 二氧化碳气体通过这些裂缝扩散到水泥浆体内部进行碳化, 致使水泥浆体碳化深度不均匀;碳化过程中Cl、S和Na元素向非碳化区迁移和浓缩, 初始均匀分布的元素在碳化区含量减少, 在非碳化区含量升高。 所得结论为混凝土结构耐久性设计提供科学的理论依据。
