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2016年  第33卷  第3期

荧光碳点的制备和性质及其应用研究进展
车望远, 刘长军, 杨焜, 李钒, 杨伟文, 田丰
2016, 33(3): 431-450. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160219.001
摘要:
荧光碳点是继碳纳米管、纳米金刚石和石墨烯之后,最受关注的碳纳米材料之一。与传统半导体量子点相比,碳点具有优异的荧光性能、小尺寸特性、良好的生物相容性、低毒性以及表面易于化学修饰等特点,在环境检测、生物成像、药物载体、光催化及电催化技术等领域具有很好的潜在应用价值。总结了碳点合成方法、结构与性能及应用面进展,剖析了目前制约碳点应用发展的瓶颈问题,并展望了其未来的研究发展重点方向。
白炭黑补强环氧化溶聚丁苯橡胶
郭军红, 常洲, 慕波, 龚光碧, 杨保平, 崔锦峰
2016, 33(3): 451-458. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150611.003
摘要:
为探究环氧化对白炭黑(SiO2粒子)在溶聚丁苯橡胶(SSBR)基体中分散性的作用,首先,以SSBR和环氧化溶聚丁苯橡胶(ESSBR)为基体,白炭黑为补强填料,分别制备了SiO2/SSBR、SiO2/ESSBR混炼胶和硫化胶;然后,采用FTIR、SEM和其他测试方法研究了材料的结构、形貌、硫化特性、耐磨性能、准静态力学性能和动态力学性能。结果表明:随环氧度从0增大到14.73%,生胶的门尼黏度增大。ESSBR分子链中的环氧基团与SiO2粒子表面的硅羟基反应形成稳定的化学键,抑制SiO2粒子团聚,促进其均匀分散;当环氧度为6.87%时, SiO2粒子在ESSBR中的分散性最好。随环氧度增大, SiO2/ESSBR硫化胶的拉伸强度先增大后减小、耐磨性能先增强后减弱、断裂伸长率降低、100%和300%定伸强度增大、玻璃化转变温度升高、0℃时的损耗因子显著增大、抗湿滑性增强、60℃时的损耗因子略有增加且滚动阻力增大。因此, SSBR硫化胶经环氧化改性后综合性能提高,当其环氧度在6.87%~8.51%范围内时, SiO2/ESSBR硫化胶的综合性能最优。
动态拉伸载荷下应变率和温度对Kevlar 49芳纶纤维布增强环氧树脂复合材料力学性能的影响
朱德举, 张晓彤, 张怀安
2016, 33(3): 459-468. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150706.003
摘要:
为研究Kevlar 49芳纶纤维布增强环氧树脂复合材料在中等应变率和不同温度耦合作用下的力学响应和断裂行为,首先,利用MTS液压伺服高速机在不同初始应变率(25、50、100、200 s-1)和温度(-25、0、25、50、100℃)下对芳纶纤维增强复合材料(AFRP)进行单向动态拉伸测试;然后,采用Weibull分析模型量化了拉伸强度在不同应变率和温度下的离散程度。结果表明:在相同温度(25℃)下,随着应变率的增加,弹性模量和拉伸强度均先增大(初始应变率介于25~50 s-1范围内)后减小(初始应变率介于50~200 s-1范围内),极限应变则呈现出相反的变化趋势,而韧性随应变率的变化幅度不大;在相同初始应变率(25 s-1)下,与在25℃下的情况相比,温度的升高或降低均会造成弹性模量的降低,在温度为100℃时,极限应变显著增加,而拉伸强度和韧性均不会随温度的变化而发生明显改变。对AFRP断裂形态进行的对比分析表明不同试验条件下AFRP的断裂形态基本相同,均呈现出较为平整的断裂面。所得结论可为AFRP在极端载荷和环境作用下的理论研究和应用提供依据。
麦秸秆/聚丙烯发泡复合材料的热稳定性与微观结构
付菁菁, 何春霞, 常萧楠, 王新洲, 熊静, 刘军恒
2016, 33(3): 469-476. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150615.001
摘要:
为探讨发泡剂偶氮二甲酰胺(AC)添加量对麦秸秆/聚丙烯(PP)发泡复合材料的热稳定性、微观结构以及化学结构的影响,采用TG-DSC、FTIR和体视显微镜分析了麦秸秆/PP发泡复合材料的热稳定性、化学结构和微观结构,并测定了复合材料的线性膨胀系数、导热系数、表观密度和力学性能。结果表明:AC添加量及其热分解程度均对麦秸秆/PP发泡复合材料的热稳定性、泡孔结构和热膨胀性能影响显著;当AC添加量为1.0wt%时,其热分解程度最高,复合材料具有较好的热稳定性,泡孔结构均匀,麦秸秆与基体界面稳定,线性膨胀系数最小。所得结论表明,当AC添加量为1.0wt%时,麦秸秆/PP发泡复合材料具有较好的综合性能。
玻璃纤维含量对竹粉/高密度聚乙烯复合材料性能的影响
张娟, 宁莉萍, 杨红军, 吴柏良, 罗莎, 荣知利
2016, 33(3): 477-485. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150623.004
摘要:
为利用玻璃纤维提高木塑复合材料的综合性能,探讨玻璃纤维含量对竹粉/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料性能的影响规律,首先,采用A-171硅烷偶联剂对竹粉表面进行了改性,并加入了一定量的玻璃纤维;然后,采用热压成型工艺制备了玻璃纤维-竹粉/HDPE复合材料;最后,考察了玻璃纤维含量对复合材料力学性能、热学性能及摩擦学性能的影响,并利用SEM观察材料的断面和磨损表面形貌。结果表明:当玻璃纤维含量为3wt%时,能显著提高竹粉/HDPE复合材料的拉伸强度和弯曲强度,与未添加玻璃纤维的复合材料相比,添加玻璃纤维后复合材料的拉伸强度和弯曲强度分别提高了19.41%和23.54%;在30~60℃温度范围内,复合材料长度-宽度方向上的线膨胀系数随着玻璃纤维含量的增加而明显减小,而同一复合材料的线膨胀系数随温度的升高而逐步增大;在氮气气氛下,随玻璃纤维含量的增加,竹粉/HDPE复合材料的摩擦系数先逐渐增大,而后基本保持不变,磨损率逐渐减小。所得结论显示玻璃纤维含量为3wt%~7wt%的木塑产品适用于建筑横梁(如凉亭或桥梁等),而玻璃纤维含量为7wt%~10wt%的木塑产品适用于高人流量场所(如公园或休闲绿道等)的地面铺装。
功能化改性还原氧化石墨烯-碳纳米管/热塑性聚氨酯复合材料膜的制备及性能
欧忠星, 郑玉婴, 肖东升, 曹宁宁
2016, 33(3): 486-494. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160309.004
摘要:
为提高热塑性聚氨酯(TPU)的阻隔及抗静电性能,首先,向功能化改性还原氧化石墨烯(FRGO)中加入原始碳纳米管(CNTs),并通过非共价改性制得在N, N-二甲基甲酰胺(DMF)中均匀分散的杂化粒子FRGO-CNTs;然后,在涂膜机上通过溶液涂覆法制备了FRGO-CNTs/TPU复合材料膜;最后,利用FTIR、XRD、XPS、FE-SEM、TG、氧气透过仪、高阻计及万能试验机对FRGO-CNTs/TPU复合材料膜的结构和性能进行了表征。结果表明:FRGO与CNTs之间通过π-π共轭作用发挥协同效应,并且所制备的FRGO-CNTs与TPU基体的相容性较好;当FRGO-CNTs含量(以TPU为基准)为2.0wt%时,复合材料膜的热分解温度提高了49℃,氧气透过率下降了53.7%;大比表面积的FRGO与高长径比的CNTs能在TPU基体中构建导电网络;当FRGO-CNTs含量仅为0.8wt%时, FRGO-CNTs/TPU复合材料膜的体积电阻率就能下降7个数量级。与此同时,随FRGO-CNTs含量的增加,复合材料膜的拉伸强度和断裂伸长率均先上升而后下降。
LiCl改性尼龙6的结晶行为及受限机制
胡孝迎, 刘典新, 何敏, 郑强, 于杰, 鲁圣军
2016, 33(3): 495-502. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150727.001
摘要:
为了扩宽尼龙6(PA6)的工程应用领域,首先,通过熔融挤出制备了LiCl/PA6复合材料;然后,利用XRD、DSC、流变仪及电子拉伸试验机等研究了LiCl含量对PA6结晶行为和力学性能的影响及结晶的受限机制。结果表明:随LiCl含量的增加, LiCl/PA6复合体系的成核温度、晶体生长温度及熔融温度均向低温方向移动;成核密度和速率均逐渐减小,导致结晶能力下降,结晶度由原来的36.5%降低为5.6%;γ晶结晶度逐渐降低,而α晶结晶度先增大后减小, γ晶与α晶发生转变。此外, LiCl/PA6复合材料的拉伸强度和冲击强度均先增大后减小;当LiCl含量为6.0wt%时,冲击强度达到最大值7.9 kJ/m2,是纯PA6的冲击强度(5.5 J/m2)的1.44倍。
多层介孔纳米MgO/低密度聚乙烯复合材料的制备及其绝缘性能
巫运辉, 查俊伟, 王思蛟, 闫轰达, 党智敏
2016, 33(3): 503-509. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150528.006
摘要:
塑料高压直流电缆在电力输运中,绝缘层容易发生电子及空穴注入并局部积聚,形成空间电荷包,长期运行容易引发绝缘失效。为此,抑制电子及空穴的注入、积聚,防止空间电荷包的产生是制备塑料高压直流电缆的关键技术。通过制备多层介孔结构纳米MgO,采用低沸点溶剂法,实现了纳米MgO在低密度聚乙烯(LDPE)中的均匀分散。研究了1wt%纳米MgO/LDPE复合材料的空间电荷行为、直流击穿强度、热刺激电流及介电特性。结果表明:添加1wt%纳米MgO的LDPE在70 kV/mm电场下有效地抑制了空间电荷积聚,提高了直流击穿强度,降低了介电常数;热刺激电流研究表明纳米MgO形成了新的陷阱,有效捕获了载流子,形成独立电场,避免了局部有效电场,形成新的势垒,抑制了电极载流子的注入,最终抑制了空间电荷积聚。
自黏附型酚醛树脂流变特性及其预浸料与Nomex蜂窝芯共固化黏接性能
王伟, 左小彪, 冯志海, 颜雪, 胡宏林, 李昊
2016, 33(3): 510-515. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150616.001
摘要:
采用流变仪研究了固化反应温度、时间以及增韧剂和增稠剂加入量对酚醛树脂流变特性的影响,并测试了玻璃纤维增强酚醛预浸料与Nomex蜂窝芯共固化成型后玻璃纤维/酚醛-Nomex蜂窝夹层结构复合材料的板-芯黏接性能。结果表明:改性后酚醛树脂在高温时的黏度提高较多,流动性得到了有效改善,所得预浸料与Nomex蜂窝芯的界面黏接明显增强,并且当增韧剂和增稠剂的加入量与纯酚醛树脂的质量比分别为5%和3%时,所制备出的夹层板的滚筒剥离强度达到15 N·mm/mm以上,改性后酚醛树脂及其预浸料具有了一定程度的自黏附特性。此外,在共固化工艺中采用合适的升温制度,可以进一步提高玻璃纤维/酚醛-Nomex蜂窝夹层结构复合材料的板-芯黏接强度。
基于径向基函数神经网络的CFRP切削力预测
贾振元, 宿友亮, 张博宇, 陈晨, 王福吉
2016, 33(3): 516-524. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150612.001
摘要:
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)加工中基体相极易因切削力过大而破坏,并迅速扩展至加工表面以下而形成损伤。为了准确预测其切削力并加以控制,基于实验切削力数据建立了人工神经网络切削力模型,预测了不同纤维角度、切削深度和刀具角度下加工CFRP的切削力变化规律,并完成了不同刀具角度及切削参数下典型纤维角度CFRP单向板的直角切削实验,对预测模型进行验证,其预测精度可达85%以上。结合成屑过程在线显微观测结果可知:纤维角度是影响CFRP切削力的主要因素, 0°~135°范围内,切屑形成方式为切断型和开裂后弯断型;切削力随纤维角度增大呈先减小后增大的趋势, 135°时最大,随切削深度增加,切削力总体呈增大趋势。
考虑纤维随机分布的复合材料热残余应力分析及其对横向力学性能的影响
杨雷, 刘新, 高东岳, 王阳, 武湛君
2016, 33(3): 525-534. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150729.001
摘要:
建立了考虑纤维随机分布并包含界面的复合材料微观力学数值模型,模拟玻璃纤维/环氧复合材料固化过程中的热残余应力。通过与纤维周期性分布模型的计算结果进行对比,发现纤维分布形式会对复合材料的热残余应力产生重要影响,纤维随机分布情况下的最大热残余应力明显大于纤维周期性分布的情况下。研究了含热残余应力的复合材料在横向拉伸与压缩载荷下的损伤和破坏过程,结果表明:热残余应力的存在显著影响了复合材料的损伤起始位置和扩展路径,削弱了复合材料的横向拉伸和压缩强度。在横向拉伸载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度有所下降,断裂应变显著降低;在横向压缩载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度略有下降,但失效应变基本保持不变。由于热残余应力的影响,复合材料的横向拉伸和压缩强度分别下降了10.5%和5.2%。
碳纤维织物布层压复合材料湿热环境疲劳后剩余压缩强度
孙旋, 童明波, 陈智, 刘鑫娴, 秦福德
2016, 33(3): 535-544. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150709.002
摘要:
为了研究湿热环境对碳纤维织物布层压复合材料疲劳性能的影响,开展了碳纤维织物布含中心孔层压板疲劳试验和剩余压缩强度试验,并为湿热环境拉-压疲劳试验自行设计了湿热环境试验箱。参照ASTM标准设计加工了疲劳试验夹具和压缩试验夹具,分别在标准环境条件(温度(23±2)℃、相对湿度(50±5)%RH),湿热环境条件(温度(70±2)℃、相对湿度(85±5)% RH)下对试件进行拉-压疲劳试验,之后分别进行了剩余压缩强度试验。以标准环境疲劳试验件的剩余压缩强度为基准值,对比湿热环境疲劳试验件的破坏载荷对应的极限压缩强度,计算其与基准值的差值。通过试验结果对比,得到湿热环境下试验件疲劳后剩余压缩强度下降了14%,该湿热环境对载荷谱下的碳纤维织物布层压复合材料试验件疲劳后剩余压缩强度影响较小。
三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料高温老化后低速冲击性质
左翠平, 孙宝忠
2016, 33(3): 545-550. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150623.002
摘要:
研究了三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料在180℃高温环境下老化不同时间后的低速冲击力学性能,测试得到了不同老化时间的试样在低速冲击过程中的载荷-位移曲线。研究发现:随着老化时间增加,三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料能承受的最大载荷下降,位移逐渐增加,载荷-位移曲线斜率逐渐下降;随着冲击能量增加,老化条件相同的三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料试样最大承受载荷增大,位移和曲线斜率增加。对高温老化后三维正交机织玄武岩/环氧树脂复合材料试样进行SEM观察,发现纤维与树脂基体脱粘有裂纹产生,且裂纹数目和面积随着老化时间延长而增加。
曲率参数对纤维增强树脂基复合材料构件固化压实的影响
贺继林, 潘若阳, 王特, 马云荣
2016, 33(3): 551-557. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150709.001
摘要:
根据有效应力准则和达西定律,结合曲线坐标系,构建了曲面复合材料构件固化过程中的树脂流动和纤维压实控制方程;建立了基于AS4/3501-6纤维树脂体系的层合板仿真模型,并将分析结果与实验数据对比,验证了模型的有效性;研究了曲率参数对复合材料构件非等温固化压实的影响规律,比较和分析了曲率参数与厚度和压力参数耦合作用下对树脂流动行为的影响机制。结果表明:构件曲率参数会对树脂分布产生一定影响,曲率越大,树脂分布的非均匀性越大;曲率参数的作用表达受到厚度与压力参数的影响,当厚度与压力较小时,对曲率的影响不明显。
高热导率Ag-AlN/聚丙烯酸酯导电胶黏剂的制备与性能
马缓, 齐暑华
2016, 33(3): 558-563. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150528.004
摘要:
分别采用无钯化学镀法和溶液聚合法制备了Ag-AlN和聚丙烯酸酯胶黏剂,并采用超声辅助溶液共混法制备了高热导率Ag-AlN/聚丙烯酸酯导电胶黏剂。采用XRD、EDS和SEM等对Ag-AlN的结构进行分析。结果表明:经过高温和酸性清洗液清洗等处理, AlN表面的杂质被除去,并且在AlN表面形成致密的Al2O3层,采用无钯化学镀法制备的Ag-AlN具有优异的电导率和热导率,其电导率由AlN的10-13 S/cm提高到了7.06×102 S/cm,热导率由AlN的170 W/(m·K)提高到了230 W/(m·K)。经过计算, Ag-AlN表面的Ag镀层质量分数约为13%, Ag镀层的厚度约为80 nm。当导电胶黏剂中Ag-AlN填料的质量分数为50%时, Ag-AlN/聚丙烯酸酯导电胶黏剂的电导率为1.9 S/cm,热导率为3.1 W/(m·K)。
CeO2对氟硅橡胶耐热性能的影响
管涌, 刘俊杰, 郑安呐, 许祥, 陈培
2016, 33(3): 564-571. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150707.001
摘要:
制备了一维纳米尺度的CeO2,扫描电镜分析表明其比表面积比市售CeO2大。为防止其在氟硅橡胶(FSR)中团聚,利用KH570对其进行了表面改性,通过红外光谱、热失重以及亲油度测定等表征了改性效果,并通过正交试验法确定了最优化改性条件。把改性前后的CeO2作为耐热剂分别添加到FSR中, CeO2/FSR复合材料均显示出了显著的耐热效果,与空白样相比, CeO2/FSR复合材料拉伸强度提高了48%,拉断伸长率提高了36%。同时,改性后的CeO2在FSR中具有良好的分散性,从而对FSR原始性能影响较小。
聚吡咯/氧化石墨复合材料的制备及其电容性能
付长璟, 李爽, 宋春来, 刘丽来, 赵伟玲
2016, 33(3): 572-579. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150715.002
摘要:
以氧化石墨为载体,采用木质素磺酸钠作为掺杂剂,氯化铁作为氧化剂,引发吡咯单体在氧化石墨层发生化学原位聚合反应,制备了聚吡咯(PPy)/氧化石墨复合材料。通过XRD、FTIR和SEM分析分别对复合材料的物相组成、结构和微观形貌进行了表征,通过TGA分析研究了复合材料的热稳定性,采用恒电流充放电、循环伏安和电化学阻抗谱等方法测试分析其电化学性能。研究表明:采用化学原位聚合的方法合成的PPy/氧化石墨复合材料具有"层-球"状的"三明治"型微观结构,以便形成良好的导电网络,其结晶度高、排列规整、缺陷少,复合材料中吡咯单体通过N-H键与氧化石墨的含氧官能团发生键合。PPy/氧化石墨复合材料新颖的微观结构和良好的化学键合状态使其表现出优异的电容性能。在电流密度分别为0.5、1.0、2.0和5.0 A/g时的比电容分别为500、460、427和396 F/g;经过1000次恒电流(2.0 A/g)充放电循环后, PPy/氧化石墨复合材料的比电容保持率为97.2%。
纤维素/聚醚砜共混物激光烧结弹性性能的分子动力学模拟
王璞璇, 郭艳玲, 赵德金, 于志祥
2016, 33(3): 580-588. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151013.001
摘要:
为提高选择性激光烧结(SLS)木塑复合粉末的成形件的力学强度,设计出可用于该项技术木塑复合粉末的新配方,制备了纤维素/聚醚砜(PES)和纤维素/聚丙烯(PP) 2种木塑复合粉末。利用分子力学和分子动力学模拟方法对纤维素/PES和纤维素/PP共混物进行共混计算,求得了纤维素分别与PES、PP的结合能分布曲线。通过建立不同质量比的纤维素/PES共混物分子模型,计算其Flory-Huggins相互作用参数和静态弹性性能,得到了纤维素含量对共混物弹性性能的影响;为验证模拟结果进行了纤维素/PES和纤维素/PP共混物的激光烧结实验。结果表明:相比较纤维素/PP复合粉末,纤维素与PES相容性更好,适用于选择性激光烧结技术;当纤维素加入质量分数为20%~25%时,材料的相容性达到最佳状态;所构建的纤维素/PES共混物模型可用于预测成形材料的弹性性能。
配合方式对复合材料单钉单剪螺栓连接接头刚度的影响及其机制
姜晓伟, 曾建江, 曾昭炜, 童明波
2016, 33(3): 589-596. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150715.003
摘要:
针对单钉单剪复合材料螺栓连接,研究了间隙与干涉2种配合方式对接头刚度的影响及其机制。通过与试验结果的对比,验证了所采用的有限元方法的有效性。结果表明:对于复合材料单钉单剪螺栓连接,间隙配合导致接头刚度变小, 3%钉直径的间隙量导致接头刚度下降16%~17%,并且随着间隙量的增大,接头刚度基本呈线性下降;而对于装配过程中没有产生孔边分层损伤的干涉配合连接件, 0.5%钉直径的干涉量使得接头刚度增加了约15%。配合方式不同,连接件孔周接触应力峰值方向及厚度方向接触应力分布不均匀的程度不同,进而影响了接头刚度。
复合纳米材料对混凝土动态力学性能的影响
朱靖塞, 许金余, 白二雷, 罗鑫, 高原
2016, 33(3): 597-605. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151008.001
摘要:
制备了掺量为0.2%(以水泥质量为基准)的纳米Fe2O3(NF)、复掺纳米Fe2O3和纳米CaCO3 2种纳米材料(NFC)以及复掺纳米Fe2O3、纳米CaCO3和纳米SiO2 3种纳米材料(NFCS)的混凝土,之后采用直径100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置测试了养护龄期为28 d的3种混凝土在不同平均应变率等级下的动力特性并与普通混凝土(PC)进行对比研究。结果表明:准静态载荷下,复合纳米材料的掺入可有效调高混凝土的抗压强度;冲击载荷作用下,中低水平平均应变率时, NFC动态抗压强度最高, 80 s-1时NFC比PC高31.6%,高水平平均应变率下NF动态抗压强度具有优势,在125 s-1时, NF比PC高16%;NF在冲击载荷作用下峰值应变具有显著优势,具有良好的变形性能;以比能量吸收作为韧性评价指标,在平均应变率为75 s-1和125 s-1时, NF比PC增幅达到66.6%和75.7%。通过SEM照片分析,纳米Fe2O3颗粒增大了水泥石密实度,进而改善了NF的强度和韧性;由压汞试验分析,纳米CaCO3颗粒在混凝土中,改善了水泥石孔隙结构。
2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型
薛建刚, 高希光, 方光武, 张盛, 宋迎东, 王芳
2016, 33(3): 606-612. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150921.001
摘要:
基于连续损伤力学建立了一种包含拉伸与剪切损伤变量的2.5D C/SiC复合材料连续损伤本构模型。分别开展了拉伸和剪切试验,获得应力-应变曲线,并通过拟合试验曲线获得各损伤变量的演化参数。采用子程序技术将本构模型嵌入商用有限元软件ANSYS,应用有限元法计算了材料的应力-应变曲线。考虑了拉剪损伤耦合效应,计算了偏轴拉伸情况下的应力-应变曲线。结果表明:沿经纱拉伸、沿纬纱拉伸以及面内剪切的应力-应变曲线与试验结果吻合,最大偏差依次为4.30%、3.09%及3.73%;偏轴拉伸计算与试验应力-应变曲线也吻合较好。
氧化石墨烯-聚合羟基铝复合材料的合成及其对Cd(Ⅱ)的去除效果
严潞, 方炜炳, 王迁, 李迎迎, 赵谦, 姜廷顺
2016, 33(3): 613-617. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150611.001
摘要:
为制备高效Cd(Ⅱ)吸附剂,首先,采用正向滴定法将聚合羟基铝(Al13)加入到氧化石墨烯(GO)的悬浮液中,以GO为基体制备了氧化石墨烯-聚合羟基铝复合材料(GO-Al13);然后,利用XRD、FTIR和SEM等分析技术对GO-Al13进行表征,并将10 mg GO-Al13添加至50 mL初始浓度为10 mg/L的Cd(Ⅱ)废水中进行吸附实验,研究了GO-Al13对Cd(Ⅱ)的去除效果。结果表明:[Al13]7+离子会与GO的含氧官能团发生作用,产生Al-O基团;将[Al13]7+离子加入到GO中后, GO-Al13的表面形貌与GO相比会发生较大改变,出现不规则的凹凸结构,且粗糙程度也大幅度增加;当废水中Cd(Ⅱ)的初始浓度为10 mg/L、初始pH为6.0时,去除率可达98.92%。所得结论显示GO-Al13对Cd(Ⅱ)的去除效果较好。
基于TiC0.5N0.5/Si3N4复相陶瓷基体的PVD及CVD涂层刀具性能
古尚贤, 郭伟明, 曾俊杰, 伍尚华, 李安琼, 蒋强国, 曾琨
2016, 33(3): 618-627. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150907.001
摘要:
首先,以15vol%或25vol%的TiC0.5N0.5粉体为导电第二相,利用热压烧结法制备了TiC0.5N0.5/Si3N4复相陶瓷;然后,分别通过物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)技术在TiC0.5N0.5/Si3N4陶瓷刀具表面沉积了CrAlN和TiN/Al2O3/TiN涂层;最后,通过对TiC0.5N0.5/Si3N4刀具进行连续切削灰铸铁实验,研究了TiC0.5N0.5含量和涂层类型对刀具磨损特征的影响,并探讨了刀具的磨损机制。结果表明:TiC0.5N0.5含量的增加有利于提高TiC0.5N0.5/Si3N4复相陶瓷刀具基体的硬度和电导率,但对耐磨性和切削寿命的影响较小;采用PVD技术沉积CrAlN涂层时,随着TiC0.5N0.5含量的增加,涂层的厚度、结合强度和硬度都得到提高,涂层刀具的磨损性能显著提高,切削寿命也明显延长;而采用CVD技术沉积TiN/Al2O3/TiN涂层时, TiC0.5N0.5含量的变化对涂层的厚度、结合强度和硬度基本没有影响, TiN/Al2O3/TiN涂层刀具整体切削性能变化不大。CrAlN涂层和TiN/Al2O3/TiN涂层都可明显改善TiC0.5N0.5/Si3N4复相陶瓷刀具的耐磨性和切削寿命;相对于TiN/Al2O3/TiN涂层, CrAlN涂层具有更高的涂层硬度和粘着强度,但TiN/Al2O3/TiN涂层具有较大的涂层厚度, TiN/Al2O3/TiN涂层刀具表现出更加优异的耐磨性和切削寿命。TiC0.5N0.5/Si3N4复相陶瓷刀具的磨损机制以机械摩擦导致的磨粒磨损为主,伴随有少量的粘结磨损。
PVDF/PZNZT压电复合材料的结构与性能
陆翠敏, 孟欢, 刘庆锁, 张臣
2016, 33(3): 628-634. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150707.002
摘要:
为了扩展压电复合材料的应用领域,首先,通过固相合成法制备了0-3型聚偏氟乙烯(PVDF)/Pb(Zn1/3Nb2/3)0.05Zr0.47Ti0.48O3 (PZNZT)压电复合材料;然后,研究了PVDF含量对PVDF/PZNZT复合材料物相、显微结构及性能的影响。结果表明:PZNZT陶瓷粉料与PVDF粉料混合后,其平均粒度接近于纯PVDF粉料的。于220℃下烧结后, PVDF/PZNZT复合材料在XRD谱图中主要显现出PZNZT钙钛矿结构的衍射峰。当PVDF含量较低时, PZNZT陶瓷晶粒间的结合较松散;随着PVDF含量的增加,陶瓷晶粒几乎都被PVDF相包围。因显微结构不同,不同PVDF含量的PVDF/PZNZT复合材料在极化电场中呈现出不同的串、并联电路。极化后, 5wt% PVDF/PZNZT复合材料的电性能最佳,其介电常数为116、介电损耗tan δ为0.04、压电常数为48 pC/N且机电耦合系数为0.28。随PVDF含量的增加, PVDF/PZNZT复合材料的居里温度降低,维氏硬度有所增加,但仍小于纯PZNZT压电陶瓷的硬度。所得结论显示PVDF/PZNZT压电复合材料的性能可以满足水声、电声及超声换能器等的要求。
P(GMA-co-HEMA)/SiO2大孔复合材料的制备及其在固定化脂肪酶中的应用
李云, 刘晓贞, 梁云霄
2016, 33(3): 635-642. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150723.002
摘要:
以块体SiO2大孔材料为基质,甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)和甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为功能单体,通过原位聚合和溶剂蒸发制备P(GMA-co-HEMA)/SiO2大孔复合材料,用SEM、EDS、BET、FTIR和TG-DTA对样品进行表征,并将其用于固定褶皱假丝酵母脂肪酶(CRL)。结果表明:SiO2大孔材料很强的毛细管作用使共聚物均匀地涂敷在其孔壁上,形成P(GMA-co-HEMA)/SiO2复合纳米薄膜。共聚物的负载量和亲疏水性可分别通过改变单体浓度和体积比进行调控,当单体体积浓度为10%、GMA和HEMA的体积比为9:1时大孔复合材料固定化脂肪酶比酶活达到最高,为3886.9 U/g,与底物反应重复操作8批次后剩余酶活率为68.7%。
金属裂纹板复合材料胶接修补强度的弹塑性有限元预测
郝建滨, 李旭东, 穆志韬
2016, 33(3): 643-649. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150706.002
摘要:
金属裂纹板经复合材料补片胶接修补后,其结构强度明显提高,但裂纹板中的裂纹会导致严重的应力集中现象,并易产生塑性变形,呈现强烈的材料物理非线性特性,需要采用弹塑性力学原理,进行复合材料胶接修复结构的静强度预测。为此,考虑金属板材料的非线性特性,建立了金属裂纹板复合材料胶接修补结构的弹塑性有限元模型,并通过试验验证了模型的有效性。在此基础上,提出了基于裂纹尖端的张开位移(COD)判据的拉伸强度预测方法,分析了修复结构的塑性应变、COD以及静拉伸强度。结果表明:相对于应力强度因子K判据, COD判据能更有效地预测修复试件的静拉伸强度。
结合改进单胞模型的单钉双剪层合板螺栓连接结构挤压性能的多尺度表征分析
刘长喜, 周振功, 王晓宏, 张博明, 唐占文
2016, 33(3): 650-656. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150703.001
摘要:
为提高螺栓连接层合板结构的可靠性和承载能力,基于ABAQUS软件及用户子程序(USDFLD),结合改进的单胞模型,建立了考虑组分材料失效的多尺度数值模型。利用该模型表征分析了单钉双剪层合板螺栓连接结构的力学性能,研究了铺层形式及几何尺寸对连接结构性能的影响。该模型的预报结果与试验结果吻合较好。结果表明:准各向同性层合板螺栓连接结构的挤压强度高于正交各向异性层合板连接结构的挤压强度,前者的失效模式为挤压失效,后者为剪出失效,该模式导致结构承载能力降低,设计中应避免。层合板边径比大于3时,不同宽径比连接结构的挤压强度趋近稳定值;但相同边径比的连接结构,其挤压强度随宽径比的增大而增大,连接结构设计时应给予考虑。
草鱼鳞片的多级结构及力学性能
刘鹏, 汪俊文, 朱德举
2016, 33(3): 657-665. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150615.002
摘要:
经过长时间的自然进化,硬骨鱼鳞片变得超薄、超轻,并具有很好的柔韧性。为研制新型柔性防护体系,对草鱼鳞片的多级结构及力学性能进行了研究。首先,按3个不同方向(0°、45°和90°)在鳞片中心区域裁取鳞片和胶原层2组试样;然后,进行了轴向拉伸测试并对不同含水量的鳞片以及不同应变率下鳞片和胶原层的力学性能进行了对比研究。结果显示:草鱼鳞片主要由坚硬的骨质外层和软质的胶原层组成,其中胶原层由胶原纤维层交错叠加组成,交错角约为28°~31°;鳞片的力学性能为平面内各向异性,而胶原层的力学性能为各向同性;脱水鳞片的弹性模量和拉伸强度显著增加,分别约为饱水鳞片的10倍和3倍,但极限应变减少了约50%。饱水鳞片和胶原层的力学性能与应变率有很大相关性。所得结论为新型仿生复合材料及柔性防护体系的研究提供了思路。
织物类蒙皮材料中心切缝撕裂破坏强度分析
陈建稳, 陈务军, 侯红青, 胡宇
2016, 33(3): 666-674. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150910.001
摘要:
将复合材料弹性参数偏轴转换理论引入Hedgepeth细化模型,使模型应用范围拓展到倾斜切缝。进而应用Griffith能量理论,并结合试验现象,针对倾斜切缝模型推导了蒙皮材料抗撕裂强度公式。由理论结果可知,蒙皮材料的抗撕裂强度与材料的内因(弹性参数、纱线编织密度等)及外因(切缝倾角、切缝长度等)有关,是由膜材材料性质及损伤参数共同决定的。通过与其他撕裂强度理论及试验结果进行对比分析,验证了所推导理论及所得结论的正确性。所得结论可为蒙皮材料的强度设计及飞艇结构的安全性评估提供理论参考。
多级三角形格栅夹芯板力学分析
隋倩倩, 江舒, 孙方方, 范华林
2016, 33(3): 675-680. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150911.001
摘要:
为了提高点阵复合材料结构的轻质高强力学特征,尤其提高其抗屈曲性能,设计了一种新型的多级三角形格栅夹芯板结构。根据等效连续介质力学方法提出了多级三角形格栅夹芯板的等效计算理论,预测了拉伸主导型多级三角形格栅夹芯板结构的等效弹性模量以及等效抗弯刚度。分析了侧压条件下多级三角形格栅夹芯板的弹性屈曲载荷和强度破坏模式。在理论模型的基础上绘制了侧压条件下多级三角形格栅夹芯板结构的失效模式图,指出了结构破坏模式与多级三角形格栅夹芯板尺寸之间的对应关系。研究表明:具有工字型截面的多级三角形格栅夹芯板结构相比于传统矩形截面格栅结构具有更高的抗弯刚度和弹性屈曲载荷,是一种性能更加优越的轻质高强点阵结构。
缝合参数对复合材料T型接头拉脱承载能力的影响
李梦佳, 陈普会, 孔斌, 彭涛, 姚正兰, 邱学仕
2016, 33(3): 681-688. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151013.004
摘要:
利用二维平面应变模型对缝合增强试验件进行失效分析,采用内聚力模型模拟界面的破坏情况,通过在分层的上下界面加入非线性弹簧元来模拟缝线的增强作用,非线性弹簧元的力学性能(桥联律)由细观力学方法获得。有限元分析结果与试验值吻合较好。在此基础上,对缘条区的缝合增强进行缝线的材料、直径和缝合密度的参数化分析,研究各参数对T型接头拉脱承载能力的影响。结果表明:缝合可显著提高T型接头的拉脱承载能力,同时能使其在较大的加载位移下仍保持较高的承载性能。T型接头的拉脱承载能力随缝线直径和缝合密度的增大而增大,且直径和密度的影响显著。缝线的拉伸强度是影响缝线性能最主要的因素, T型接头的拉脱强度随缝线拉伸强度的升高而升高。T型接头的拉脱强度随缝线拉伸模量的降低而升高,但拉伸模量的影响较拉伸强度的影响小。