留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2017年  第34卷  第10期

变刚度复合材料结构的设计、制造与分析
孔斌, 顾杰斐, 陈普会, 杨军, 甘学东
2017, 34(10): 2121-2133. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170829.006
摘要:
综述了变刚度复合材料结构的设计、制造与分析的研究进展。与常规复合材料结构相比,变刚度复合材料结构有其特殊之处。首先介绍了变刚度复合材料结构的概念,解释了制造变刚度结构的自动铺丝技术的基本原理,接着描述了丝束路径的定义方式并归纳了设计和制造过程中需要重点考虑的问题,然后概述了变刚度结构的建模和分析方法,从优化方法、刚度和屈曲、失效、振动等方面报道了变刚度复合材料结构力学性能的研究现状,最后对该领域的研究进行了总结和展望。
有机季磷盐改性纳米麦羟硅钠石/尼龙6复合材料的制备与性能
戈明亮, 朱彩萍, 王雁武
2017, 34(10): 2134-2140. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161222.001
摘要:
为了研究麦羟硅钠石对尼龙6(PA6)的改性作用,首先选择十六烷基三苯基溴化磷作为插层改性剂,用离子交换方法对麦羟硅钠石(Maga)进行有机化改性,制备了有机麦羟硅钠石(Org-Maga);然后利用熔融插层法制得了有机麦羟硅钠石/尼龙6复合材料(Org-Maga/PA6);采用XRD、SEM和TEM对材料的结构和微观形态进行了表征,用力学性能测试和DSC对其力学性能和结晶性能进行了研究。结果表明:插层剂十六烷基三苯基溴化磷可使麦羟硅钠石的层间距由1.53 nm增大到2.90 nm,有机麦羟硅钠石与PA6形成了插层与剥离并存的复合材料;有机麦羟硅钠石可明显提高PA6的力学性能,当有机麦羟硅钠石的质量分数为3wt%时,有机麦羟硅钠石/尼龙6复合材料的力学性能最佳;复合材料在熔融过程中出现了不稳定的γ晶型再结晶为α晶型的"熔融再结晶"现象;此外,麦羟硅钠石的加入还提高了PA6的结晶温度。
磷元素杂化大单体VOPP接枝聚苯乙烯共聚物的合成及阻燃性能
崔锦峰, 许芬, 郭军红, 包雪梅, 郭永亮, 慕波, 田力, 杨保平
2017, 34(10): 2141-2149. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170117.004
摘要:
以二氯磷酸苯酯(PDCP)、乙二醇(EG)、甲醇、甲基丙烯酸-β羟乙酯(HEMA)为原料,经逐步聚合得到端乙烯基低聚磷酸酯的磷元素杂化大单体(VOPP),VOPP与苯乙烯(St)通过接枝共聚制备磷元素杂化大单体接枝聚苯乙烯共聚物(VOPP-co-St)。利用FTIR和凝胶渗透色谱(GPC)表征VOPP的结构及平均分子量,通过TGA、氧指数测定仪和微型量热仪研究VOPP-co-St的热稳定性及阻燃性能,SEM和XPS表征炭层形貌及成分,利用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法计算VOPP-co-St的热降解活化能(Ea)。结果表明,随着VOPP含量的增加,VOPP-co-St的最大分解速率温度升高,残重率提高,极限氧指数(LOI)上升,热释放速率峰值(PHRR)降低,总热释放量(THR)减小,熔滴现象消失,Ea随降解转化率增大而增大。
室温潜伏性中温固化环氧树脂体系的制备与性能
丁镠, 杨继萍, 陈功, 李红, 苏航
2017, 34(10): 2150-2155. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161219.001
摘要:
将自制咪唑衍生物EGE-2MI作为双氰胺-环氧树脂体系的促进剂,研究了其固化过程及室温储存性能。采用DSC法研究了该环氧树脂体系的固化反应动力学,确定了其最佳固化工艺参数;通过DSC测试室温存放不同时间后该环氧树脂体系的热焓值变化来确定其室温存储期;并测试了其中温固化产物的力学性能。结果表明: EGE-2MI质量比为0.6%~1.8%(环氧树脂为100%)的双氰胺-环氧树脂体系可以满足115~125℃固化,在室温下可以存放35天以上,EGE-2MI质量分数为1.8%时,该环氧树脂体系的活化能为87.23 kJ/mol;固化后产物的铝-铝搭接剪切强度达到21.3 MPa,浇注体的室温拉伸强度在40 MPa以上。
碳纤维水性杂化上浆剂的制备及其上浆后力学性能
刘赋瑶, 董余兵, 傅雅琴
2017, 34(10): 2156-2163. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161220.001
摘要:
以一定比例的甲基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯、对甲苯磺酸、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、无水乙醇制备含硅溶胶,将含硅溶胶和聚醚型水性聚氨酯的水溶液以一定比例复合,制备碳纤维水性杂化上浆剂。研究了不同配比对上浆剂平均粒径和稳定性的影响,结果表明:当水性聚氨酯含量为0.02 g/mL时,上浆剂乳液平均粒径为99.94 nm,粒径分布较窄,稳定性较好;使用制备的杂化上浆剂对碳纤维进行上浆处理,结果显示:上浆后碳纤维单丝拉伸强度较商用碳纤维提高4.45%,较未上浆碳纤维提高11.04%;与环氧树脂复合后的复合材料界面剪切强度比商用碳纤维增强环氧树脂复合材料的提高了13.74%。
碳纤维改性对不饱和聚酯自修复复合材料性能的影响
童晓梅, 闫子英, 郝芹芹, 张培晏
2017, 34(10): 2164-2170. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161227.001
摘要:
采用H2O2和浓HNO3对碳纤维(CF)表面分别进行氧化处理,得到氧化碳纤维(OCF1和OCF2),采用硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)对OCF1进行接枝处理,得到接枝改性碳纤维(KCF),将改性前后CF应用于不饱和聚酯(UP)自修复复合材料中,分析比较了不同改性剂及改性方法对碳纤维/不饱和聚酯(CF/UP)自修复复合材料性能的影响。利用FTIR、XPS、SEM表征CF与CF/UP自修复复合材料的化学结构与形貌,通过TGA、万能拉力试验机、悬臂梁冲击仪、邵氏硬度计等对复合材料的热稳定性、力学性能及自修复效率进行测试。结果表明:氧化、接枝反应均可增加CF表面的粗糙度和活性官能团含量,从而改善CF与UP基体的界面相容性。其中OCF1/UP自修复复合材料的综合力学性能比OCF2/UP自修复复合材料好,KCF/UP自修复复合材料的力学性能在三者之中最佳,其自修复效率最高,可达67.03%。
新型填料对高摩复合材料摩擦磨损性能影响及机制
龚乾江, 徐祥, 杨明
2017, 34(10): 2171-2181. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170105.004
摘要:
采用干法热压成型工艺制备高摩复合材料,研究了基体材料腰果壳油改性酚醛树脂(CPR)与丁晴橡胶(NR)的质量比和新型高性能填料(主要成分为石墨粉Al2O3、MoS2、Fe粉)含量对高摩复合材料摩擦磨损性能的影响规律。在摩擦磨损试验机上测试了高摩复合材料的摩擦磨损性能,利用激光共聚焦显微镜、扫描电镜对摩擦表面形貌、磨屑进行观察和分析,借助EDS测定摩擦表面成分的变化。结果表明,随着CPR与NR质量比的增加,高摩复合材料的耐热性能、结合性能大幅提高,且具有较好的摩擦磨损性能。当高性能填料含量较低时,磨损表面出现大量连续的真实接触面,磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损;当高性能填料含量较高时,真实接触面积减少,磨损表面剥落严重,并出现较多的裂纹,其主要磨损形式转变为磨粒磨损和疲劳磨损。随着高性能填料含量的增加,摩擦表面的元素从均匀分布逐渐转变为局部富集,磨粒的尺寸逐渐变大。
酸蚀Al粉对Al-聚氨酯复合涂层光泽度与红外发射率的影响
张伟钢, 陈昭, 薛连海
2017, 34(10): 2182-2186. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170117.003
摘要:
在不明显升高Al-聚氨酯(PU)复合涂层红外发射率的前提下,通过酸蚀Al粉提高Al粉表面粗糙度的方法来明显降低涂层的光泽度。系统研究了Al粉酸蚀时间对Al-PU复合涂层的微结构、光泽度、红外发射率及力学性能的影响。结果表明: Al粉酸蚀可明显降低涂层的光泽度,酸蚀10 min即可使涂层的光泽度从20.1降低为13.0,而Al粉酸蚀对涂层的微结构基本没有影响,对涂层发射率的影响非常有限,酸蚀50 min仅使涂层的发射率从0.208增大为0.254,仍然具有较低的发射率。酸蚀20 min可使涂层同时具有较低的光泽度和发射率,其值分别为12.8和0.228。涂层的力学性能对Al粉酸蚀处理并不敏感,处理前后涂层的硬度、附着力和耐冲击强度等力学性能分别可达到3 H、1级和50 kg·cm。
废印刷电路板非金属粉与埃洛石纳米管对不饱和聚酯热稳定性和阻燃性能的影响
胡德超, 贾志欣, 钟邦超, 丁勇, 陈勇军, 罗远芳, 贾德民
2017, 34(10): 2187-2193. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161220.003
摘要:
为减轻废印刷电路板非金属粉(WPCBP)在回收过程中对环境的污染和资源的浪费,实现WPCBP在聚合物基体中的高值化利用,将粉碎干燥后的WPCBP与埃洛石纳米管(HNTs)添加到不饱和聚酯树脂(UPE)基体中,制备了一种新型环保的WPCBP-HNTs/UPE复合材料。利用SEM和TEM对两种填料的结构形貌及其在复合材料中的分散状况和界面结合进行了表征,采用热失重分析仪、锥形量热仪、极限氧指数仪等对WPCBP-HNTs/UPE复合材料的热稳定性和阻燃性能进行了系统的研究。结果表明,WPCBP和HNTs能够显著提高复合材料的热分解稳定性和阻燃性能。通过SEM和EDS对复合材料燃烧后的碳渣进行了分析,并探讨了阻燃机制,分析了WPCBP和HNTs对WPCBP-HNTs/UPE复合材料的力学性能和热变形性能的影响。
复合材料双面贴补修理拉伸解析分析模型及试验验证
郭凯特, 谢宗蕻, 李想, 王绥安
2017, 34(10): 2194-2204. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170104.002
摘要:
复合材料胶接修理是一种有效并且低成本的修理技术。本文建立了复合材料层合板双面贴补胶接修理解析分析模型。模型中考虑了搭接区阶梯末端截面积变化细节。预测失效时,层合板采用最大应变准则,胶层采用最大剪应变准则和损伤区域理论。定义了残差函数来表征极限载荷解析计算结果与试验值的接近程度。通过试验对解析模型得到的等效刚度与极限载荷进行了验证。解析分析结果与试验数据对比表明:复合材料层合板双面贴补等效刚度随着搭接长度的增加单调增加。解析模型计算的等效刚度与试验结果最大误差不超过15%。当损伤特征长度为4%时,损伤区域理论对应极限载荷残差值最小,仅为4.30%,最大剪应变准则预测极限载荷的残差值为6.41%。解析模型分析表明,双面贴补极限载荷随着搭接长度的增加表现为快速增长、缓慢增长和几乎不增长三个阶段。搭接长度结合结构减重等限制因素应选择15~35 mm为宜。
一种新的聚合物基复合材料应力松弛经验模型
梁娜, 朱四荣, 陈建中
2017, 34(10): 2205-2210. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170302.008
摘要:
视黏弹性元件弹簧和粘壶的特性参数为时间的函数,建立双变参Maxwell模型,求解其本构方程及松弛函数,探讨了其松弛函数与经验KWW函数的关系,提出了一种新的应力松弛经验模型。运用最小二乘原理,建立该模型参数的确定方法。开展了玻璃纤维增强聚合物(GFRP)复合材料的长期应力松弛实验,并通过实验数据的分析验证了该模型的正确性。研究表明,新应力松弛经验模型拟合曲线与实测曲线吻合较好,相关系数达到96%以上,说明了该模型适合描述GFRP复合材料的黏弹性松弛特性。
基于能量法的变截面层合管整体稳定承载力计算方法
朱锐杰, 李峰, 刘加顺
2017, 34(10): 2211-2219. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170122.002
摘要:
为计算变截面层合管杆件整体稳定承载力,提出一种基于能量法的理论计算模型。采用基于三维梁理论的层合管等效抗弯刚度计算方法,计算了等截面段、变截面段的等效工程弹性系数。在考虑剪切变形的影响以及杆件变截面对轴压挠曲线函数影响的基础上,基于能量法推导了变截面杆整体稳定承载力解析公式。以NASA复合材料变截面杆为算例,进行了理论计算和有限元数值模拟,结果显示:同时考虑上述两因素的理论计算结果与有限元结果最为接近,剪切变形对临界承载力的修正可达10%以上,轴压挠曲线函数的变化对承载力的修正约为1%,可忽略。以锥长和锥角为参数,对变截面杆的承载力、体积和承载效率进行双参数分析,发现变截面对弯曲变形能的影响远大于对剪切变形性能的影响,采用变截面形式能够提高层合管承载效率,且一定锥长下存在承载效率最高对应的最优锥角。
碱、盐环境下不同应力水平FRP筋抗压强度试验与理论研究
邓宗才, 高伟男, 沈锋
2017, 34(10): 2220-2231. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170106.001
摘要:
为了研究温度、应力水平等因素对纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer,FRP)筋在碱、盐环境下抗压强度衰减规律的影响,将FRP筋分别置于60℃和25℃的碱、盐溶液进行加速腐蚀试验,然后测定其抗压强度衰减规律。60℃下FRP筋的压应力水平分别为0%、20%和40%,腐蚀时间分别为10 d、21 d、42 d; 25℃下FRP筋压应力水平为0%,腐蚀时间分别为36 d、64 d、100 d。通过观察腐蚀前后FRP筋表面形貌的变化,可以得出: FRP筋表面侵蚀程度随腐蚀时间的增加而增加;同条件下,碱溶液对FRP筋的表面侵蚀程度大于盐溶液。对腐蚀后的FRP筋进行抗压强度试验,结果表明:应力和温度的提高加速了FRP筋抗压强度的退化,在60℃碱溶液中腐蚀42 d后,应力水平为0%和40%的玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋、玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋和碳纤维增强聚合物(CFRP)筋抗压强度分别下降了31.8%、43.6%、51.5%和44.2%、54.8%、57.1%,60℃盐溶液中腐蚀42 d后,应力水平为0%和40%的GFRP、BFRP和CFRP筋抗压强度分别下降了22.2%、31.8%、18.1%和29.0%、37.2%、23.5%。基于Fick定律,提出了考虑应力水平、温度和腐蚀时间的FRP筋抗压强度预测模型,该模型可用于预测FRP筋在实际工况下抗压强度衰减规律。
基于全试验设计方法的含裂纹铝合金板复合材料修补参数优化
王跃, 穆志韬, 李旭东
2017, 34(10): 2232-2239. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170119.001
摘要:
建立含穿透裂纹铝合金板复合材料单面胶接修补板条的三维有限元模型,基于位移外推法对裂纹尖端的应力强度因子(SIF)进行求解。使用全试验设计的方法对不同修补参数下修补板条的单向拉伸试验进行仿真模拟,利用二次方程描述并研究了补片长度、补片厚度及胶层弹性模量共同作用时对SIF的影响,确定了以SIF为评价指标时对修补效果影响最大的修补参数,优化了修补设计,并应用优化修补参数进行单向静拉伸试验。结果表明,当三类修补参数共同作用时,补片长度对修补效果影响最大;使用优化修补参数单面修补试验件的破坏强度比未修补板的提高了12.1%,恢复到完好板的90.5%。
γ辐照对GFRP拉-拉疲劳性能的影响
郑莉芳, 岳丽娜, 徐晓辉, 谢亚杰, 王立
2017, 34(10): 2240-2245. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170531.004
摘要:
玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)由于其良好的电绝缘性和力学性能,被作为北京正负电子对撞机束流管支撑法兰的制作材料。北京电子对撞机运行时,将对束流管及其支撑法兰产生大量γ和中子辐射。研究发现,玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料长期处于γ辐射环境中,其力学性能会发生变迁。本文对由20 kGy、100 kGy、200 kGy剂量γ辐照前后的GFRP试件进行拉-拉疲劳实验研究,发现γ辐照对低周疲劳阶段的疲劳寿命影响较为明显,而对于高周疲劳阶段疲劳寿命影响不大。基于Hwang和Han提出的假设,建立了拉-拉疲劳双参数疲劳寿命模型,并验证该疲劳寿命模型的准确性。利用扫描电镜对试件进行观察,发现辐照后环氧树脂基体出现碎片,环氧树脂与增强玻璃纤维的黏结界面受到破坏,但辐照对玻璃纤维影响程度较小。红外光谱图显示环氧树脂在辐照过程中降解反应较交联反应占优势。
基于超细晶硬质合金钻头的AFRP钻削性能
伍俏平, 刘平, 邓朝晖, 赵恒, 傅志强
2017, 34(10): 2246-2253. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170307.002
摘要:
采用超细晶硬质合金钻头开展了芳纶纤维增强树脂基复合材料(Aramid Fiber Reinforce Polymer Composites,AFRP)的钻削实验,从钻削力、钻削温度、制孔质量、刀具磨损等方面对比分析了超细晶硬质合金钻头与普通硬质合金钻头的钻削性能。实验结果表明:芳纶纤维增强树脂基复合材料钻削过程中,钻削力随进给速度的增大而增大,随主轴转速的增大而减小,超细晶硬质合金钻头的钻削力比普通硬质合金钻头降低了40.6%以上;钻削温度随进给速度的增大而减小,随主轴转速的增大而增大,相对普通硬质合金钻头,采用超细晶硬质合金钻头的钻削温度降低了47~85℃;超细晶硬质合金钻头钻削产生的拉毛和热损伤明显少于普通硬质合金钻头;经过长时间的钻削,普通硬质合金钻头的橫刃和主切削刃出现了崩刃,后刀面出现了严重的磨料磨损;而超细晶硬质合金钻头由于高硬度和高耐磨性等特性,刀具的磨损相对较小,适合于芳纶纤维增强树脂基复合材料的高效低损伤加工。
基于黏弹性本构模型的热固性树脂基复合材料固化变形数值仿真模型
闵荣, 元振毅, 王永军, 蔡豫晋, 孙博
2017, 34(10): 2254-2262. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170106.002
摘要:
针对热固性树脂基复合材料热压罐成型工艺过程,采用广义Maxwell(麦克斯韦)黏弹性本构模型建立了残余应力和固化变形的三维模型。模型考虑了复合材料固化过程中的热-化学效应、材料的热胀冷缩效应、基体树脂黏弹性效应以及材料的各向异性。通过与文献中实验结果的比较,证明了所建立的模型具有较高的可靠性。对复合材料C型制件的固化过程进行了数值模拟和实验对比,比对结果表明该数值模型具有较高的准确性。
面外载荷下含孔复合材料点阵夹层结构弯曲强度数值计算方法
陈锋, 金鑫, 张乾, 袁信翊, 陆晓峰, 朱晓磊
2017, 34(10): 2263-2270. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170222.007
摘要:
通过实验手段和有限元方法针对含孔碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)点阵夹层结构在面外载荷作用下的失效模式及其影响因素进行了研究。首先通过实验获得了含孔CFRP点阵夹层结构的失效模式,其次建立了其有限元渐进损伤失效分析模型,基于该模型对开孔形状、开孔率及开孔位置对结构弯曲强度的影响进行了探讨。结果表明,当面板较厚时,含孔CFRP点阵夹层结构的主要失效模式为节点脱粘和面板皱曲;有限元计算结果和实验结果吻合较好,极限承载力的误差约为9.1%;当开孔率φ <1.3%时,CFRP点阵夹层结构的弯曲承载能力与开孔形状基本无关;当开孔率1.3%≤ φ <8.5%时,含圆形孔夹层结构的弯曲承载能力较大;当开孔率φ >8.5%时,含方孔夹层结构的弯曲承载能力较大;当开孔位于点阵夹层结构的几何中心或边缘时,对弯曲承载能力影响较大。
改性纳米SiO2/PVA复合纤维的制备及重金属离子吸附性能
邢涤扬, 陈广凯, 王克敏, 聂俊
2017, 34(10): 2271-2278. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170105.003
摘要:
通过静电纺丝技术制备酰肟化功能改性的纳米SiO2/聚乙烯醇(SiO2/PVA)复合纤维膜。采用SEM、FTIR、DSC和TGA进行表征分析;考察了在水溶液中随pH值和接触时间的变化纤维膜对金属离子吸附效果的影响。研究表明,在pH=6的条件下,纳米纤维对金属离子的吸附最佳,对Cu2+、Ni2+金属离子的最大吸附量分别为143.7 mg/g和125.1 mg/g,平衡吸附时间为240 min。在纤维膜吸附的前50 min内,SiO2/PVA纤维膜对Cu2+和Ni2+金属离子的吸附量为126.8 mg/g和109.8 mg/g,吸附率分别为90.18%和89.92%。通过吸附等温线和吸附方程考察SiO2/PVA纤维对Cu2+和Ni2+金属离子的吸附行为。结果显示,复合纤维对两种金属离子的吸附满足拟二级动力学方程,热力学分析表明,吸附过程符合Langmuir单层吸附。使用酸处理纤维膜进行再生吸附试验,发现循环4次试验后,吸附效率达到53%,结果说明复合纤维膜可作为可再生金属离子吸附材料。
Ti2AlC-TiB2对TiAl基复合材料组织及力学性能的影响
侯南, 崔洪芝, 宋晓杰, 丁磊, 程贵勤
2017, 34(10): 2279-2287. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161220.004
摘要:
以Ti、Al和B4C为原料,采用真空电弧熔炼的方法制备了含Ti2AlC-TiB2增强相的TiAl基复合材料;分析了添加不同含量的Ti2AlC-TiB2对复合材料的物相组成、组织结构及力学性能的影响,并探讨了微观组织结构的形成机制。结果表明: Ti2AlC-TiB2/TiAl复合材料主要由TiAl、Ti3Al、TiB2和Ti2AlC等物相组成,TiB2和Ti2AlC分布在层片状的TiAl+Ti3Al基体中;随着原料中B4C含量的增多,复合材料组织中Ti2AlC-TiB2含量增多,且TiAl基体的晶粒被明显细化,TiB2和Ti2AlC分布于基体晶界或晶内。Ti2AlC主要为层片状和板条状,尺寸5~15 μm,而TiB2颗粒形态与其含量有关,当Ti2AlC-TiB2含量小于20wt%时,TiB2颗粒呈针棒状,尺寸为0.5~5 μm,当Ti2AlC-TiB2含量增加到30wt%时,TiB2颗粒主要呈块状,尺寸为5~20 μm。Ti2AlC由TiC与Ti-Al熔体发生包晶反应生成,Ti2AlC和TiB2的形成提高了Ti2AlC-TiB2/TiAl复合材料的硬度、塑性和抗压强度。当4Ti+Al+B4C的加入量为10wt%时,复合材料的变形量比纯TiAl提高14%,而抗压强度达到最高值1 591 MPa。Ti2AlC和TiB2通过裂纹偏转、颗粒钉扎、拔出等机制对Ti2AlC-TiB2/TiAl复合材料起到增强增塑的作用。
放电等离子烧结WC/Fe复合材料摩擦磨损性能
张展展, 陈蕴博, 张洋, 高克玮, 左玲立, 祁晔思
2017, 34(10): 2288-2295. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170302.007
摘要:
采用放电等离子烧结技术制备了WC质量分数为40%的WC/Fe复合材料,研究了不同烧结温度条件下WC/Fe复合材料的致密度、组织、硬度及干摩擦磨损性能。利用SEM和XRD分析了不同烧结温度条件下存在的物相;采用销-盘摩擦磨损试验机(盘试样选用~80 μm的Al2O3砂纸,滑动距离约为950 m)测量了马氏体耐磨钢和WC/Fe复合材料在不同载荷下相对磨损率;用SEM观察磨损形貌,确定WC/Fe复合材料的磨损机制。结果表明:烧结温度为1080℃时,WC/Fe复合材料实现完全致密,WC陶瓷颗粒均匀分布在基体中并与基体界面结合良好;随着WC/Fe复合材料完全致密化,其硬度及耐磨性能逐渐提高; WC/Fe复合材料的耐磨性能远优于马氏体耐磨钢。WC/Fe复合材料磨损机制主要为氧化磨损和磨粒磨损。在低载荷条件下,颗粒脱离基体造成氧化膜破裂,促使材料表面受损;较高载荷条件下,WC陶瓷颗粒破碎加速氧化膜破裂,加快了材料的磨损。
碳纳米管-石墨烯气凝胶的制备与性能
刘亮, 鲍瑞, 易健宏, 谢明, 郭圣达, 杨平
2017, 34(10): 2296-2303. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161129.002
摘要:
以混合均匀的碳纳米管(CNTs)-石墨烯(GR)分散液为前驱液,质量分数为3.0%的1788-聚乙烯醇(PVA)溶液为有机物黏结剂,通过冷冻干燥法制备了轻质、平整和易切削的CNTs-GR气凝胶。采用TEM、SEM、压缩试验机和比表面积测试仪等对样品的微观形貌结构和力学性能进行了表征。结果表明,CNTs-GR混合分散液的质量分数为3.0%、CNTs与GR的质量比为5:3时,得到的气凝胶呈现不同尺寸等级的气孔且分布最均匀; PVA在气凝胶的形成中有效地抵抗样品收缩变形;固体物的质量与样品的密度严格线性负相关,满足y=-0.125 x+106.26函数关系式; N2吸附脱附检测显示气凝胶的比表面积为138.77 m2/g,介孔在气凝胶中占主导部分,平均孔直径为46.6 nm,孔隙率可达97%;且样品的压缩过程出现了三个不同阶段的弹性变形,并能最终恢复到原始尺寸。
载Ag活性碳纤维的制备及其杀菌性能评价
王金兴, 梁继东, 孙玮, 延卫
2017, 34(10): 2304-2311. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170222.004
摘要:
采用浸渍法对活性碳纤维(Activated Carbon Fiber,ACF)改性,以糖类物质同时作为还原剂和保护剂,通过水热反应在改性ACF上原位生长纳米Ag颗粒(nano AgP),得到载纳米银ACF(ACF-nano AgP),将其用于饮用水杀菌研究。表面特性、Zeta电位、EDS和XRD等测试表明,不同改性ACF表面生成了数量和形貌各异的单质Ag颗粒。分别通过KMnO4(0.4 mol·L-1)、NH3·H2O(3 mol·L-1)和HNO3(65%~85%)浸渍24 h后获得的改性ACF具有更优的载nano AgP性能,三种改性的ACF-nano AgP均对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有不同程度的抑制和杀灭作用,经HNO3改性后的ACF-nano AgP在2 h内对饮用水杀菌率达到100%。将HNO3、NH3·H2O改性后的ACF-nano AgP作为电极材料,10 min对饮用水杀菌率超过97%。但是,随着ACF-nano AgP使用次数的增加,微生物残体逐渐附着于电极孔隙表面,导致其杀菌效率有所降低。通过反向接电可实现对少量流失nano AgP的100%回收,有效解决了nano AgP流失的潜在危害,确保饮用水质安全。
纤维素纳米纤丝-碳纳米管/聚乙烯醇-硼酸盐复合导电水凝胶
韩景泉, 王慧祥, 岳一莹, 梅长彤, 徐信武
2017, 34(10): 2312-2320. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170420.001
摘要:
利用纤维素纳米纤丝(Cellulose nanofibers,CNFs)搭载碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs),在水相中将CNF-CNT复合物均匀分散于聚乙烯醇-硼酸盐(PVA-B)基体中,制备具有立体网络结构的CNF-CNT/PVA-B复合导电水凝胶,旨在提高其动态黏弹性、力学强度和导电性能。结果表明: CNF-CNT/PVA-B内部呈现微米级蜂窝状多孔结构,CNFs与CNTs组成的立体网络在显著提高CNF-CNT/PVA-B力学强度和黏弹性的同时还赋予其导电功能。CNTs含量由0增至0.5wt%时,CNF-CNT/PVA-B的抗压强度和弹性模量分别达到24 kPa和53 kPa,最大和高频稳态剪切模量分别达到7 028 Pa和6 945 Pa,电导率达到0.8×10-1 S·cm-1
芳纶浆粕纤维增强均质气压砂轮特性
曾晰, 潘烨, 计时鸣
2017, 34(10): 2321-2329. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170105.002
摘要:
基于Halpin-Tsai方程,引入纤维取向因子,建立了芳纶浆粕纤维增强气压砂轮内橡胶层模量预测模型,描述了气压砂轮基体在动态变化过程中的应力-应变关系。通过ANSYS仿真分析,得出了气压砂轮在不同纤维体积分数下的应力-应变规律,证实了芳纶浆粕纤维增强方法可以改善砂轮基体接触形变缺陷问题。采用混炼法制备了芳纶浆粕纤维增强的橡胶基体,观测到了多维网状纤维微观分布结构,并采用拉伸试验验证了弹性模量预测模型。设计了芳纶浆粕纤维增强气压砂轮加工试验。证明了经芳纶浆粕纤维增强后的气压砂轮可以迅速提升工件表面质量,并使划痕损伤获得一定的控制。
多聚磷酸改性沥青改性机制
王岚, 任敏达, 李超
2017, 34(10): 2330-2336. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170112.009
摘要:
为了研究多聚磷酸(PPA)对沥青的改性作用,分别制备了掺量为0.5%、1%、1.5%和2%(PPA与基体沥青的质量比)的PPA改性沥青。三大指标实验结果显示,随着PPA掺量的增加,针入度减小,软化点升高,延度减小,说明在沥青中掺入PPA使沥青高温性能得到改善而低温性能略有减弱。通过四组分分析(SARA)发现随着PPA掺量的增加,沥青中的胶质逐渐减少,沥青质逐渐增多,饱和分与芳香分基本不变。利用FTIR发现,相比基质沥青,PPA改性沥青的红外光谱整体图线发生了迁移,且出现了新的吸收峰,说明PPA改性机制为化学改性。利用AFM得到基质沥青与PPA改性沥青的形貌与相位图,分析发现掺入PPA后相位图中连续相(para-phase)面积明显减小,而分散相(peri-phase)面积明显增加,且蜜蜂结构(catana-phase)谷地尺寸变大,说明掺入PPA后沥青中沥青质含量将会增多,而低温抗裂性将有所减弱。
致密化工艺对厚壁针刺C/C复合材料性能的影响
李艳, 崔红, 王斌, 嵇阿琳, 郑蕊, 白侠
2017, 34(10): 2337-2343. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170222.001
摘要:
采用化学气相渗透(CVI)+树脂浸渍碳化法(PIC)、CVI+沥青高压浸渍碳化法(HPIC)及HPIC工艺分别制备了IR-C/C、IP-C/C以及P-C/C三种厚壁针刺C/C复合材料,研究了三种材料的热力学性能及材料内部密度均匀性。结果表明,IP-C/C材料轴向拉伸强度为24.7 MPa,IR-C/C材料轴向压缩强度达到200 MPa,而P-C/C材料轴向拉伸强度仅为7.4 MPa,相比IR-C/C材料降低了53%,相比IP-C/C材料降低了70%。复合致密化工艺制备的材料具有较低的热膨胀系数,而P-C/C材料1000℃热膨胀系数达到了3.566×10-6-1,是IP-C/C材料的2.5倍。IP-C/C材料和P-C/C材料采用高压碳化工艺增密,材料的致密度高,密度分布均匀,导热系数高。IR-C/C材料内部密度降为14.5%,密度分布为外高内低。以CVI+HPIC复合制备的材料综合性能优异,且内部密度分布均匀,适合于制备厚壁材料。
高温持续荷载作用下复合纤维对沥青混合料稳定性的影响
张航, 徐金枝, 郝培文, 凌天清
2017, 34(10): 2344-2355. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170112.008
摘要:
为了研究复合纤维沥青混合料在高温持续荷载作用下的稳定性,根据工程中常用纤维和已有研究成果,选用了三种复合纤维,对沥青混合料的变形发展规律及内部空隙结构特征开展试验研究。首先采用加速加载试验,对不掺加纤维和掺加复合纤维的沥青混合料在高温持续荷载作用下的横断面变化和车辙深度进行分析;再利用X-CT扫描技术与VG软件三维重构功能,研究不同纤维沥青混合料的空隙组成及形态特征演变规律。结果表明:高温持续荷载作用下,掺加纤维混合料横断面变形呈现"W"字型,不同纤维在沥青混合料中发挥"加筋"、"增黏"、"吸油"的协同作用,能显著减小沥青混合料的流动变形,且掺加复合纤维III的混合料流动变形最小;掺加不同复合纤维的沥青混合料可采用y=a-b·ln(x+c)进行车辙深度预估。加速加载试验后,掺加三种复合纤维的沥青混合料空隙率最大仅增加7%,分形维数仅降低不到0.5%,表明掺加三种复合纤维基本不改变沥青混合料的空隙结构特征,而且在高温持续荷载作用下,可较好地保持沥青混合料内部空隙的三维形态特征,进而改善沥青混合料的抗变形能力。
PVC-CFRP管钢筋混凝土柱的偏心受压性能
牛荻涛, 于峰, 王忠文
2017, 34(10): 2356-2366. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170222.002
摘要:
通过24根聚氯乙烯-碳纤维增强树脂(PVC-CFRP)管钢筋混凝土柱的偏心受压试验,分析了CFRP条带环箍间距和偏心距对PVC-CFRP管钢筋混凝土柱的破坏形态、承载力、应变及荷载-位移关系的影响。试验结果表明:小偏压试件发生混凝土和PVC管的压碎破坏,大偏压试件发生钢筋受拉屈服和PVC管的拉断破坏。随着偏心距和CFRP条带环箍间距的增加,与PVC管钢筋混凝土柱相比,PVC-CFRP管钢筋混凝土试件的承载力逐渐减小,小偏压试件延性系数有不同程度的提高,大偏压试件延性系数基本保持不变。纵向钢筋和混凝土应变发展基本一致,截面受压侧CFRP条带的应变较小,试件截面的应变基本符合平截面假定。试件的荷载-挠度关系和弯矩-曲率关系分为两阶段,CFRP条带环箍间距和偏心距对第一阶段基本没有影响,第二阶段为直线强化段,随着偏心距和CFRP条带环箍间距的增加,强化段的斜率逐渐减小。
玄武岩格栅增强水泥基复合材料单轴拉伸力学性能试验及本构关系模型
朱忠锋, 王文炜
2017, 34(10): 2367-2374. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170109.001
摘要:
考虑玄武岩纤维增强树脂合物基复合材料(BFRP)格栅层数和水泥基复合材料(ECC)配比等因素,对BFRP增强大掺量粉煤灰/矿粉ECC棒骨试件进行了静力单轴拉伸试验,研究掺加增强粉煤灰/矿粉ECC的抗拉力学性能。结合试验数据,基于Richard和Abbot的弹塑性应力-应变公式提出掺加增强ECC的应力-应变本构关系模型。试验结果表明:随着掺加层数的增加,格栅增强ECC的极限抗拉强度显著增大。同配合比掺矿粉制成的ECC抗压强度、开裂应变及应力高于掺粉煤灰制成的ECC。掺加增强掺矿粉ECC试件相对掺粉煤灰ECC试件具有较好的抗拉力学性能。计算结果表明,建立的单轴受拉本构关系模型可以有效地预测掺加增强ECC的应力-应变关系和极限抗拉强度。
考虑尺度依赖的平面正交各向异性功能梯度微梁的自由振动分析
杨子豪, 贺丹
2017, 34(10): 2375-2384. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170228.003
摘要:
基于一种新修正偶应力理论建立了微尺度平面正交各向异性功能梯度梁的自由振动模型。模型中包含两个材料尺度参数,能够分别描述两个正交方向上不同程度的尺度效应。当梁的几何尺寸远大于材料尺度参数时,本文模型亦可自动退化为相应的传统宏观模型。基于哈密顿原理推导了运动控制方程并以简支梁的自由振动为例分析了几何尺寸、功能梯度变化指数等对尺度效应产生的影响。算例结果表明:采用本文模型所预测的梁自振频率总是大于传统理论的结果,即捕捉到了尺度效应。尺度效应会随着梁几何尺寸的增大而逐渐减弱并在几何尺寸远大于尺度参数时消失;高阶自振频率所体现出的尺度效应较低阶自振频率更加明显。此外,功能梯度变化指数对尺度效应也有一定的影响。