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2017年  第34卷  第3期

热固性树脂基复合材料固化变形和残余应力数值模拟研究综述
丁安心, 李书欣, 倪爱清, 王继辉
2017, 34(3): 471-485. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170105.001
摘要:
固化变形和残余应力给复合材料的应用带来威胁,准确的预测固化变形和残余应力可以为复合材料的结构和工艺设计提供调整依据,减小固化变形和残余应力。数值模拟方法因其简单、预测精度高而被广泛采用。本文主要介绍了复合材料固化变形和残余应力数值模拟流程中包含的热传导-固化模块、流动压实模块和应力变形模块。重点详述了应力变形模块中本构方程和模型-构件之间相互作用力研究的最新发展,为固化变形和残余应力预测提供方向和参考。简要讨论当前复合材料固化变形和残余应力预测的主要发展方向。
纳米SiO2驻极体/聚乳酸复合熔喷非织造材料的制备及性能
蔡诚, 唐国翌, 宋国林, 赵亮, 陈丽杰
2017, 34(3): 486-493. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160607.002
摘要:
采用纳米SiO2为驻极体,经过表面改性与聚乳酸(PLA)复合,利用双螺杆挤出机制备了纳米SiO2/PLA复合熔喷切片,并通过工业级熔喷生产线试制了纳米SiO2/PLA复合熔喷非织造材料。利用FTIR分析了纳米SiO2的表面改性效果,利用DSC分析了纳米SiO2/PLA复合熔喷切片在熔喷快速冷却条件下的结晶性能,利用滤料综合性能测试台和SEM研究了纳米SiO2/PLA复合熔喷非织造材料的过滤性能及微观形貌,最后采用质量损失法评估了纳米SiO2/PLA复合熔喷非织造材料的降解性能。研究结果表明:经表面改性处理,纳米SiO2表面附上了有机活性基团;在100℃/min的冷却条件下纯PLA的结晶分数较低,纳米SiO2驻极体的加入有助于PLA的结晶;少量纳米SiO2驻极体的添加可显著提高PLA复合熔喷非织造材料的过滤效率,其中质量分数0.75%的纳米SiO2添加量可使过滤效率达到99.69%,接近商用高效空气过滤器(HEPA)级聚丙烯(PP)过滤效率;在中性水解环境下,纳米SiO2/PLA复合熔喷非织造材料具备可降解性能,经8个月质量降解至79.57%。
激光辐照下二维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的烧蚀特征
张家雷, 王伟平, 刘仓理
2017, 34(3): 494-500. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160606.003
摘要:
开展了光纤激光对二维编织碳纤维/环氧复合材料的烧蚀试验研究,获得了不同入射热流条件下编织复合材料的烧蚀特征,分析了激光烧蚀机制。结合非接触测温和接触测温两种方法开展试验,采用高温红外热像仪测试了复合材料前表面的瞬态温度场演变过程,通过热电偶获得了复合材料后表面的温升数据。试验结果表明,当入射激光功率密度在102 W·cm-2量级时,二维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的环氧树脂发生了明显的质量迁移,而碳纤维形貌变化不大;在强激光辐照过程中,二维编织碳纤维/环氧树脂复合材料的前后表面温差较大,前表面最高温度接近2 000℃,而后表面最高温度在200~500℃之间。
基于峰值力纳米力学模量成像技术的碳纤维/树脂复合材料界面尺寸与性能的原位表征
牛一凡, 杨赢, 孟积兴
2017, 34(3): 501-507. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160526.004
摘要:
为准确测定复合材料界面结构的尺寸与性能,提出一种原位峰值力纳米力学模量成像(PF-QNM)技术,对其测试原理、校准方法和适用性进行分析,并采用PF-QNM技术对碳纤维/聚醚醚酮(T300/PEEK)、碳纤维/聚醚砜(T300/PES)和碳纤维/环氧树脂(T700/TR1219B)三种复合材料的界面尺寸和各组分原位模量进行测试。结果标明:该方法的横向分辨率可以达到纳米尺度,测得树脂、界面、纤维区域的弹性模量数值呈梯度上升趋势,区分度明显,T300/PEEK、T300/PES和T700/TR1219B复合材料界面厚度分别为(69.3±7.9)nm、(101.3±10.2)nm和(48.4±5.4)nm。实验范围内,热固性复合材料界面厚度小于热塑性复合材料。对模量成像图统计分析可得,T300/PEEK、T300/PES和T700/TR1219B复合材料的树脂区平均弹性模量分别为4.36 GPa、4.96 GPa和3.59 GPa,与其宏观弹性模量数值较为接近。
耐温型近红外低反射与8~14 μm低发射率兼容涂层的制备及性能表征
张伟钢, 薛连海, 刘羽熙, 陈亚西, 张明, 徐国跃
2017, 34(3): 508-514. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160511.005
摘要:
以青铜粉、Sm2O3为颜料,环氧改性有机硅为粘合剂,采用喷涂法制备了青铜-Sm2O3/环氧改性有机硅复合涂层。系统研究了热处理温度及热处理时间对所制备涂层外观、微结构、近红外反射率、红外发射率及力学性能的影响。结果表明:青铜-Sm2O3/环氧改性有机硅复合涂层最高可耐受温度可达到300℃,在300℃下热处理5 h后,涂层外观、微结构基本保持不变,发射率和1.06 μm近红外反射率可分别低至0.590和57.4%,力学性能保持完好,硬度、附着力和耐冲击强度可分别保持在4 H、1级和50 kg·cm。所制备涂层在250℃下可长时间使用,在250℃下热处理100 h后,涂层外观、微结构仍然保持不变,发射率和1.06 μm近红外反射率可分别低至0.558和59.3%,力学性能保持完好,硬度、附着力和耐冲击强度可分别保持在4 H、1级和50 kg·cm。
干混工艺对PVC搪塑制品中纳米颗粒分布和性能的影响
赵亚如, 高琳琳, 陈娟, 姚卫国, 贾玉玺
2017, 34(3): 515-521. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160511.006
摘要:
通过增加室温混合阶段并优化关键工艺参数的方式改进了聚氯乙烯(PVC)搪塑粉料的传统混料工艺,针对粒径60~80 nm的活性CaCO3和粒径100~120 nm的金红石型钛白粉等纳米颗粒,对比研究了新混料工艺和传统混料工艺对无机纳米颗粒均匀分散的影响,并定量分析了在室温混合阶段的不同工艺参数下PVC搪塑粉料的流动性和搪塑制品的力学性能及热稳定性。结果表明:优化后的干混工艺不仅有效提高了搪塑表皮中纳米颗粒分散均匀性和搪塑粉料的流动性,而且明显改善了搪塑表皮的断裂伸长率、热稳定性和耐热挥发损失性。
单层和双层包覆ZnSnO3微胶囊对PVC膜阻燃及抑烟性能影响
赵程波, 张斌, 韩建
2017, 34(3): 522-529. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161202.007
摘要:
采用极限氧指数(LOI)值、垂直水平燃烧测试、烟密度测试(SDR)、SEM、TG分析,研究了单层ZnSnO3@Mg(OH)2微胶囊和双层ZnSnO3@Mg(OH)2@三聚氰胺甲醛树脂(MF)微胶囊对聚氯乙烯(PVC)膜的阻燃及抑烟性能的影响。结果表明,ZnSnO3@Mg(OH)2和ZnSnO3@Mg(OH)2@MF微胶囊能有效提高PVC膜阻燃、抑烟、抗熔滴、自熄性能;且随着单层或双层微胶囊含量的增加,ZnSnO3@Mg(OH)2/PVC和ZnSnO3@Mg(OH)2@MF/PVC膜的极限氧指数增加,但其烟密度和自熄时间降低。TG结果表明,随着微胶囊含量增加,ZnSnO3@Mg(OH)2/PVC和ZnSnO3@Mg(OH)2@MF/PVC膜的初始降解温度向低温偏移,且其残炭量增加。ZnSnO3@Mg(OH)2/PVC和ZnSnO3@Mg(OH)2@MF/PVC膜的残炭SEM表明,添加ZnSnO3@Mg(OH)2和ZnSnO3@Mg(OH)2@MF微胶囊能有效地促进材料燃烧时产生致密碳层,不仅可以抑制氧气和热量进入PVC膜内部,而且可以抑制可燃性气体向PVC膜外逸出。SEM和拉伸强度结果显示,双层微胶囊可有效改善无机粒子在PVC基体中的分散性和相容性。
固相剪切碾磨对Al/低密度聚乙烯导热复合材料结构与性能的影响
吴贺君, 董知韵, 卢灿辉, 胡彪
2017, 34(3): 530-539. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160523.008
摘要:
采用固相剪切碾磨预处理结合熔融再加工技术制备了高性能铝粉(Al)/线性低密度聚乙烯(LLDPE)导热复合材料,并与常规熔融共混法对比,系统研究了固相剪切碾磨对复合材料微观形态、结晶性能、热稳定性、流变特性、热导率和力学性能等的影响。结果表明:通过固相剪切碾磨实现了球形Al颗粒应力诱导变形为具有较大径厚比的片状,在基体中均匀分散且与其界面结合得以增强,同时这种大片状的铝粉在Al/LLDPE复合材料成型时更易有效接触形成导热网链并形成一定取向分布,特别是在高填充量下。因此Al/LLDPE复合材料拥有更好的结晶性能和热稳定性、更低的流变逾渗阈值、更高的热导率和力学性能。固相剪切碾磨预处理制备的Al/LLDPE复合材料在铝粉含量超过15%就出现流变逾渗现象,且当Al填充质量分数80%时,复合材料的热导率高达8.86 W/(m·K),拉伸强度和弯曲强度分别为33.0 MPa和31.2 MPa,都明显优于常规熔融共混复合体系,同时其初始分解温度也提高了近13℃。
CFRP复合材料/钛合金叠层螺旋铣孔工艺
董辉跃, 陈光林, 周兰, 何凤涛, 刘顺涛
2017, 34(3): 540-549. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160616.009
摘要:
利用螺旋铣变偏心距加工的特点,提出了在刀具回程过程中进行二次精加工的工艺策略。通过正交试验研究了回程各工艺参数对CFRP/Ti-6Al-4V叠层孔加工质量和加工精度的影响规律,并依此优化工艺参数。试验结果显示:采用优化参数的回程精加工工艺提高了叠层孔的制孔精度,避免了复合材料孔壁加工损伤,复合材料孔粗糙度均值从Ra3.52降低到Ra1.31,入口撕裂明显改善,钛合金孔出口无毛刺。
聚氨酯注浆材料在循环压缩加载下疲劳性能与微观结构演化
高翔, 魏亚, 王复明, 钟燕辉
2017, 34(3): 550-556. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160426.010
摘要:
应用于基础设施维修加固的聚氨酯注浆材料通常承受反复荷载作用,对聚氨酯注浆材料进行循环压缩加载试验以测试其压缩疲劳性能,全程记录材料的应变响应,并在SEM下观测材料泡孔结构疲劳破坏的微观形貌特征。试验结果表明:材料在循环荷载下的响应分为三个阶段,第一阶段持续数十次,弹性应变递次增大;第二阶段应变值稳定;第三阶段在高应力水平下表现为疲劳破坏,在低应力水平下表现为循环硬化。对于0.3 g/cm3的试件,导致疲劳破坏的应力阈值α在0.7~0.8之间;而0.5 g/cm3试件的阈值在0.6~0.7之间。发生疲劳破坏时,材料的宏观表现为垂直于荷载方向的鼓出,微观表现为泡壁裂纹扩张和棱边屈曲。此外,提出疲劳损伤参数D表征材料模量在循环荷载下的演化,D可以敏感地捕捉低应力水平下第三阶段材料的循环硬化。
复合材料中厚板沉头连接结构强度与损伤失效
黄河源, 赵美英, 万小朋, 周银华, 姚辽军
2017, 34(3): 557-563. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160523.011
摘要:
针对复合材料沉头螺栓连接结构的强度与损伤问题,开展了两种厚度复合材料层合板凸头与沉头螺栓连接结构挤压强度对比试验研究。试验结果表明,增加层合板厚度会引起连接结构挤压强度下降,但沉头连接结构下降比例小于凸头连接结构。通过数值模拟方法对复合材料中厚板沉头连接结构的强度及损伤失效进行分析。提出一种非线性面内连续损伤与三维混合失效模型,模型考虑了复合材料基体剪切非线性特征并改进了纤维损伤失效判据,有效解决了数值模拟中沉头复合材料连接结构难于收敛的问题。对比分析表明:沉头连接结构的数值计算结果与试验结果吻合良好,极限强度最大计算误差8.62%。
聚氨酯弹性体隔板夹层结构的等效参数计算
薛启超, 邹广平, 何建, 李佳, 张井财
2017, 34(3): 564-573. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160511.012
摘要:
针对聚氨酯弹性体的隔板夹层结构,阐述了多种不同的等效参数计算方法,并对等效参数进行计算。首先讨论和计算了不考虑结构剪切变形时的整体结构等效参数计算方法,将整体夹层结构等效为正交各向异性薄板,给出了考虑夹芯抗弯刚度的整体刚度系数表达式。其次,在考虑夹层结构夹芯存在剪切变形的情况下,推导了由分隔隔板和聚氨酯弹性体组成的夹芯胞元的等效弹性常数;最后,使用基于应变能密度等效分析的有限元方法对夹芯胞元等效弹性常数进行计算,并与理论分析结果进行对比,二者误差在10%以内。
磁致伸缩复合材料有效性能的变分渐近细观力学模型
钟轶峰, 李潇, 梅宝平, 周小平
2017, 34(3): 574-581. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160523.013
摘要:
基于一种新颖的建模方法——变分渐近均匀化理论,建立了磁致伸缩复合材料的细观力学模型,以准确预测材料的有效属性和局部应力、磁通密度分布。从建立磁致伸缩复合材料的总磁焓入手,将总磁焓中的场变量精确解表示为平均值和波动函数之和。根据最小势能原理,利用细宏观尺度比作为小参数对约束条件下总磁焓求驻值(最小化)建立细观力学模型。为分析实际工程中的微观结构,利用有限元离散技术实现构建模型的数值模拟。CoFe2O4/环氧树脂复合材料数值算例结果表明:构建的模型可准确预测磁致伸缩复合材料的有效属性和局部场分布,并可扩展到其他多相复合材料的有效属性和局部场分析中。
纳米SiO2/环氧桐马酸酐黏合剂的力学特性和老化特性
程圣, 张沛红, 邵琦
2017, 34(3): 582-587. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160612.014
摘要:
作为高压电机主绝缘的重要组成部分,环氧桐马酸酐黏合剂的性能与电机安全稳定运行密切相关。为改善环氧桐马酸酐黏合剂的力学特性和耐老化特性,制备了质量分数分别为1 wt%、2 wt%、3 wt%和4 wt%的纳米SiO2/环氧桐马酸酐黏合剂,测试了其弯曲强度和冲击强度以及老化前后的击穿场强。结果表明:1 wt%纳米SiO2含量的纳米SiO2/环氧桐马酸酐黏合剂的弯曲强度提高24.79%,含2 wt%纳米SiO2的黏合剂冲击强度提高47.11%。老化前,纳米SiO2/环氧桐马酸酐黏合剂的击穿场强随纳米SiO2含量的增加先增加后减小,2 wt%含量时达到最大值,提高7.3%。电老化后和热老化初期,含1 wt%和2 wt%纳米SiO2的黏合剂击穿场强高于原始黏合剂,28天热老化后,各含量黏合剂的击穿场强与原始黏合剂趋于一致。
模态缺陷条件下复合材料柱形壳屈曲特性
张建, 周通, 王纬波, 唐文献
2017, 34(3): 588-596. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160523.015
摘要:
为了开展多模态缺陷条件下复合材料柱形壳的屈曲特性研究,进行了理想柱形壳在轴压工况下的线性屈曲分析,得出前50阶屈曲失稳模式,即模态缺陷;基于弧长法研究不同模态缺陷条件下复合材料柱形壳的非线性屈曲特性;将有限元分析结果、NASA SP-8007规范计算结果与Bisagni试验结果作对比分析。结果表明:对于轴压柱形壳屈曲问题,第1阶模态缺陷不是最差缺陷,在第1阶模态缺陷条件下求出的非线性屈曲载荷比试验值高出较多;高阶模态缺陷条件下的复合材料柱形壳非线性屈曲计算结果与试验结果最为吻合,两者相差较少;屈曲载荷下降受缺陷形状、幅值双重影响,复合材料柱形壳屈曲计算需考虑多模态问题;NASA求出的屈曲载荷非常保守,低于试验值较多,用NASA方法进行复合材料柱形壳的设计,往往会导致结构笨重、材料浪费、性能降低。
6vol%纳米B4CP/2009Al复合材料的颗粒分布特征及性能
刘越, 屈光, 倪楠, 任洪峰, 马煜林
2017, 34(3): 597-603. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160523.016
摘要:
采用三维高效混料机混料、多级真空热压和热挤压制备了增强体含量为6 vol%的纳米B4CP(n-B4CP,50 nm)/2009Al复合材料,研究复合材料中n-B4CP分布、形成机制以及对n-B4CP/2009Al复合材料力学性能的影响。结果表明:当混料球料比为5∶1时,复合粉末经过30 h混料后,纳米B4CP基本均匀分布于Al合金颗粒表面;热压态复合材料中n-B4CP偏聚在基体晶界处,经过热挤压后,复合材料中的n-B4CP呈弥散均匀分布。热挤压过程中,基体合金的塑性流动对分布于晶界处的纳米B4CP形成剪切作用力,断裂的纳米B4CP团聚体沿着剪切应力方向发生重新分布是实现n-B4CP均匀分布的主要机制。经过495℃保温1 h后水淬,175℃人工时效16 h后,增强体含量为6 vol% n-B4CP/2009Al复合材料硬度比基体合金提高了36.4%,抗拉强度和屈服强度分别提高10.9%和26.2%。n-B4CP/2009Al复合材料的拉伸断口表现出韧性断裂和脆性断裂混合特征。
Mg-sialon/MgO复合材料中Mg-sialon片晶的形成和表征
孙洋, 陈树江, 田琳, 李国华
2017, 34(3): 604-610. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160926.017
摘要:
为研制新型镁质耐火材料,采用金属铝粉、硅粉和电熔镁砂细粉为原料,通过XRD、SEM及能谱分析(EDS)等检测手段,分别对在氧化性条件、还原性条件和氮气条件下经1 350℃和1 550℃保温2 h烧后的MgO、Al和Si原料中生成的Mg-sialon多形体进行研究,并结合热力学分析解释在各气氛条件下煅烧时材料中Mg-sialon多形体的形成机制。实验结果表明,在三种气氛条件下烧成时,MgO、Al和Si原料中的Al和Si主要通过气-固/液反应原位生成Al2O3、AlN和SiO2,这些生成物与原料中的MgO相互固溶形成Mg-sialon多形体。三种气氛条件下烧后Mg-sialon/MgO试样中生成的Mg-sialon多形体形貌均为板片状,生成位置分别为氧化性条件下烧后试样的封闭气孔中、还原性条件下烧后试样金属相熔融反应后形成的孔洞中和氮气条件下烧后的整个试样中。
等通道角变形对搅拌铸造SiCP/AZ91复合材料显微组织与室温性能的影响
常海, 王金龙, 郑明毅, 王晓军
2017, 34(3): 611-618. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20161123.018
摘要:
采用搅拌铸造法成功制备了SiCP/Mg(AZ91)复合材料并对铸态复合材料进行了等通道角挤压变形(Equal channel angular pressing,ECAP)。结果表明,搅拌铸造态SiCP/AZ91复合材料的基体组织致密,颗粒与基体结合良好,没有出现宏观团聚;SiCP大部分聚集在晶界附近区域并呈"项链状"分布。ECAP变形可以有效地消除铸态SiCP/AZ91复合材料中的SiCP"项链状"分布,并且随着ECAP道次的增加,SiCP分布更加均匀;在ECAP过程中,SiCP发生了一定断裂但并不明显。SiCP/AZ91复合材料基体晶粒随着变形道次的提高而逐渐细化。基体晶粒细化以及SiCP分布均匀化是SiCP/AZ91复合材料屈服强度和抗拉强度随着道次提升而逐渐增加的主要原因。
黑索金爆轰合成纳米金刚石-Al2O3复合材料
严仙荣, 李晓杰, 王小红, 闫鸿浩
2017, 34(3): 619-624. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160511.019
摘要:
采用纳米金刚石与B2O3高温共熔,与Al溶胶溶液均匀混合等步骤制备前驱体粉末,与不同质量分数黑索金均匀混合制成药卷,起爆药卷,收集爆轰产物分析。利用XRD、场发射透射电镜观察,并且运用BKW计算程序运算含Al、B元素特殊炸药的爆轰参数,探讨产物生成的机制。分析爆轰产物的组成成分、形貌结构。结果表明:纳米金刚石-Al2O3结构的纳米颗粒具备纳米金刚石易与任何极性物质兼容、分散稳定好、不易团聚等优点。爆轰反应生成的高温、高压使Al2O3、B2O3-纳米金刚石分子间的化学键断裂,形成游离态的B2O3-纳米金刚石、Al2O3自由基,自由碰撞后迅速凝结成小液滴。高温作用下,Al2O3熔化成球状,吸附B2O3-纳米金刚石,且黑索金比重越大,得到的产物包覆结构越明显。形成的纳米颗粒比原有的纳米金刚石粉末粒径增大许多。
聚偏氟乙烯-沸石复合锂电隔膜的制备及性能
张红涛, 胡昊, 顾波, 张恒源
2017, 34(3): 625-631. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160612.020
摘要:
针对传统聚烯烃类锂离子电池隔膜的耐温性差和电解液亲和性差的问题,本实验以微孔沸石纳米粒子和聚偏氟乙烯树脂(PVDF)为主要原料,通过相转化法制备了综合性能优异的沸石/PVDF复合锂电隔膜。结果表明:与商用聚乙烯(PE)膜相比,所制备的沸石/PVDF复合隔膜具有更加发达的孔道结构,其孔隙率超过70%,约为PE膜的2倍。沸石/PVDF复合膜的耐高温性和电解液润湿性明显优于PE膜和纯PVDF膜,经过160℃、0.5 h的高温处理后,复合膜的热收缩率仅为5%,而PE膜已完全融化,收缩率达到100%,PVDF膜收缩率超过50%;沸石/PVDF复合膜的电解液接触角仅为7.4°,而PE膜和PVDF膜的接触角高达42.5°和31.7°。受益于丰富的孔道结构和良好的电解液吸收/保持能力,沸石/PVDF复合膜所装配锂离子电池的倍率放电容量高于PE膜,同时,该复合膜装配电池的循环性能也优于传统聚乙烃隔膜。
添加助烧剂对CoFe2O4/BaTiO3复相多铁材料性能的影响
李亚, 代建清, 张瑞浩, 程振宇
2017, 34(3): 632-637. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160530.021
摘要:
采用固相合成法制备出尖晶石结构CoFe2O4粉末和钙钛矿结构BaTiO3,并按照2∶8的摩尔比将粉末混合,随后添加不同的助烧剂。研究多种助烧剂对制备出的CoFe2O4/BaTiO3复相多铁材料成分、微观形貌、介电性能、铁电性和磁性能的影响。结果表明:仅添加助烧剂Bi2O3,难以达到烧结致密的目的;当助烧剂中含有CaCO3-SiO2时,有效提高了CoFe2O4/BaTiO3复相多铁材料的烧结性能,在相同的烧结温度下,CoFe2O4/BaTiO3复相多铁材料致密度得到提升,且介电性能、铁电性、磁性能均有一定程度的优化。
TiO2掺杂对SiO2-Al2O3-MgO系玻璃结构和力学性能的影响
高任, 王焕平, 朱钦恭, 肖珍, HELLMUT Eckert, ZHANG Xianghua, 徐时清
2017, 34(3): 638-645. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160523.022
摘要:
采用传统熔体冷却法制备TiO2掺杂量为0~1.8 wt%的TiO2/SiO2-Al2O3-MgO系玻璃,探讨了不同TiO2质量分数对玻璃体积密度、弯曲强度、压缩强度、压缩模量和结构稳定性的影响规律。结果发现:当TiO2含量小于1.5 wt%时,TiO2/SiO2-Al2O3-MgO系玻璃的光学带隙随着TiO2含量的增加而减小、玻璃结构更加稳定,其体积密度、弯曲强度、压缩强度以及压缩模量均随着TiO2含量的增加而上升;当TiO2含量超过1.5 wt%后,该玻璃体系的结构稳定性和力学性能均随着TiO2含量增加而下降;当TiO2的质量分数为1.5 wt%时,玻璃的光学带隙达到最小值为3.75 eV,各项力学性能达到最优,其弯曲强度为110.36 MPa、压缩强度为240.18 MPa、压缩模量为115.03 GPa。适量TiO2的掺杂,减少了玻璃网络结构中非桥氧的数量,使孤立的岛状网络单元重新聚合,从而显著提高了玻璃的结构稳定性和力学性能;但过量的TiO2迫使TiO2/SiO2-Al2O3-MgO系玻璃结构中的桥氧键断裂生成非桥氧,由此显著降低了其结构稳定性和力学性能。
基于生物质吸附效应的石膏基多功能化复合材料制备与性能
尚建丽, 宗志芳, 陈丹, 宋冬毅, 杜雅琴
2017, 34(3): 646-652. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160607.023
摘要:
采用废弃核桃壳制备生物质多孔活性炭(PC),利用真空吸附法将癸酸(CA)封装于PC的孔结构中,形成癸酸-多孔活性炭(CA-PC)。然后将CA-PC与硅藻土(Di)、石膏(Gy)进行复合制备CA-PC/Di-Gy多功能化复合材料,并对其热性能、湿性能以及吸附性能进行测试。采用BET、FTIR、SEM以及DSC等技术对CA-PC/Di-Gy多功能化复合材料进行表征,并分析其结构。结果表明:以废弃核桃壳制备的PC具有发达的孔隙结构,不仅能够包裹CA,而且可以吸附甲醛。CA-PC/Di-Gy多功能化复合材料具有良好的调温调湿性能与吸附率,即在32℃附近出现温度平台,在相对湿度40%~60%的平衡含湿量为0.0859~0.2310 g/g,经过4 h对甲醛气体的吸附率接近40%。
碳纳米管改性水泥基复合材料早龄期水化反应的傅里叶红外光谱
施韬, 杨泽平, 郑立炜
2017, 34(3): 653-660. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160607.024
摘要:
通过FTIR方法对硅酸盐水泥及其碳纳米管改性试样早龄期的水化进程进行了表征。研究结果显示:FTIR是一种操作简便且能够快速取得分析结论的研究方法,能够反映水泥水化后主要产物的基本变化情况。随着水化反应的进行,FTIR中的Si-O振动吸收峰峰值由低波数向高波数迁移,这一过程反映了C-S-H凝胶体中硅氧四面体的聚合过程,也同时反应了该阶段水泥浆体的水化反应速度。在8~12 h龄期时,掺CNTs试样与空白试样在800~1 025 cm-1处特征峰的迁移速度完全相同。因此,可以认为CNTs材料在掺入到硅酸盐水泥时并未对早龄期的水化反应产生影响。水化温度的试验也证明了上述观点。
不同乳化剂作用下三聚氰胺-甲醛@正十八烷微胶囊相变复合材料微观形貌和热性能
张毅, 徐箐, 牛晓峰, 李东旭
2017, 34(3): 661-667. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160523.025
摘要:
采用原位聚合法,通过改变非离子/阴离子乳化剂组合制备了一系列以正十八烷(OD)为芯材、三聚氰胺(M)-甲醛树脂(F)为壁材的微胶囊相变储能材料,并借助FTIR、SEM、DSC和激光粒度分析仪等手段系统研究了乳化剂复配对M-F@OD微胶囊相变材料微观形貌和相变潜热的影响。结果表明,不同乳化剂组合及掺量对M-F@OD微胶囊相变材料的形貌和性能产生显著影响,当采用非离子和阴离子复合乳化剂时,M-F@OD微胶囊相变材料团聚现象得到明显改善,粒径分布更加均匀,颗粒尺寸进一步细化,粒径大小范围为0.1~1 μm,储热能力明显提高,相变潜热达到70.86 J/g。
高模碳纤维细观力学分析
钟云娇, 边文凤
2017, 34(3): 668-674. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160418.026
摘要:
将碳纤维视为由微晶和无定型碳所构成的二相复合材料,以Mori-Tanaka方法研究了碳纤维微观结构对弹性模量的影响。对四种高模碳纤维M35JB、M40JB、M46JB及M55JB的微观量进行了测量。微晶的长细比由XRD实验测得,碳纤维石墨化程度由拉曼光谱分析得到。影响碳纤维弹性模量的因素包括:微晶的长细比、体积分数及取向度。通过计算细观力学模型得到了四种高模碳纤维的微晶体积分数。研究发现:碳纤维石墨化程度越高,微晶体积分数越大。碳纤维弹性模量随着微晶取向度、体积分数和长细比的增加而增加,且对这三种因素做了比较,微晶取向度和体积分数对弹性模量的影响高于微晶长细比对弹性模量的影响,只有当微晶取向度接近100%时,其对弹性模量的影响才有可能被微晶长细比超越。微晶取向度和体积分数增加的最初阶段,取向度对弹性模量的影响较大,随着两影响因素的增加,取向度对弹性模量的影响最终被体积分数超越。
应变率和温度对耐碱玻璃纤维织物增强水泥基复合材料弯曲力学行为的影响
刘赛, 朱德举, 李安令, 史才军
2017, 34(3): 675-683. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160531.027
摘要:
为研究不同应变率和温度下耐碱玻璃织物增强水泥基复合材料的弯曲力学行为,采用美特斯(MTS)万能试验机和INSTRON落锤冲击系统对其试样分别进行室温(25℃)下准静态三点弯曲(应变率为3.33×10-5 s-1)和不同应变率(4、8、12、16和18 s-1)及温度(-50、0、25、50和100℃)下的动态三点弯曲试验,静态和动态三点弯曲试验采用一套弯曲夹具。同时考虑了增强织物层数对其弯曲力学性能的影响。试验结果表明:室温下,随应变率的增加,弯曲强度提高,弯曲峰值应变和韧性先减小后增大,弯曲模量先增大后减小;应变率为12 s-1时,随着温度的升高,弯曲强度、弯曲模量和韧性整体上减小,弯曲峰值应变变化不明显;纤维织物为六层时,对混凝土的增韧效果较明显。应变率、温度和织物层数均能对试样的弯曲性能产生较大影响。
沥青基短切碳纤维表面改性及与纳米填料并用对天然橡胶力学性能的影响
程俊梅, 赵树高
2017, 34(3): 684-690. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160523.028
摘要:
对硝酸(HNO3)改性沥青基短切碳纤维(PCF)及与炭黑(CB)、白炭黑(Silica)协同填充天然橡胶(NR)进行了研究,考察表面改性及并用对PCF表面形貌、石墨化程度和NR力学性能的影响,分析填料与基体的界面相互作用机制。结果表明,HNO3改性后,PCF的表面粗糙度和O/C比显著增加,而石墨化程度有所降低。PCF单独填充NR时不具有增强作用,而与CB或Silica协同填充NR的拉伸强度显著提高,由3 MPa分别提高到18.6 MPa和23.7 MPa;改性后则可达到24.5 MPa和24.7 MPa。与CB/NR硫化胶相比,PCF-CB/NR硫化胶的拉伸强度略有降低,但改性PCF-CB/NR硫化胶的拉伸强度则提高了25.6%;与Silica/NR硫化胶相比,添加改性前后的碳纤维均使PCF-CB/NR硫化胶的拉伸强度小幅降低。结合不同增强体系的拉伸强度、50%定伸应力和断面形貌SEM照片可以推断出,PCF单独填充NR时,改性前后均与基体的界面粘合较差;对PCF-CB增强体系来说,界面相互作用的提高主要以吸附理论为主,改性后则以机械互锁和吸附理论共同作用为主;对PCF-Silica增强体系,改性前后均以氢键作用为主。
炭黑充填重塑粉土单轴压缩裂隙群体发展演化测试
季雨坤, 周国庆, 廖波, 赵晓东
2017, 34(3): 691-697. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160616.029
摘要:
利用炭黑充填粉土配制了导电性的土工材料,通过表面布置分布式电极的测试方法,对其内部电阻变化率沿压缩方向进行分布式测量。研究表明:内部裂隙繁衍发展引起的电阻变化可对试样受力阶段进行同步且敏感的响应;根据不同电极间电阻变化率测试值的差异,可反映试样受压破坏演化过程不同部位裂隙扩展程度。研究认为,电极间测试电阻对裂隙扩展具有敏感性,分布式电极的测试方法能够对试样破坏演化过程进行捕捉并反映不同部位裂隙群体发展变化情况,初步具有自测试的能力。