持续攀升 2018年 第35卷 第12期
2018, 35(12): 3235-3246.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180502.006
摘要:
随着柔性光/电子技术的不断发展，人们对下一代柔性光/电子器件提出了新的要求。刺激响应型材料尤其是形状记忆聚合物（Shape memory polymer，SMP）近年来得到了广泛的关注与发展。将SMP与柔性光/电子结合不仅能够赋予柔性光/电子器件形状记忆功能，而且还能极大拓展柔性光/电子器件的功能性和应用范围。本文首先综述了使用SMP基板赋予柔性光/电子器件形状记忆功能的SMP种类、驱动方法、制备技术及应用领域；其次综述了具有显著优势的4D打印技术打印的三维SMP结构器件的种类、所使用的SMP原材料、驱动方法及应用领域；最后展望了形状记忆柔性光/电子器件未来发展方向和遇到的挑战。
随着柔性光/电子技术的不断发展，人们对下一代柔性光/电子器件提出了新的要求。刺激响应型材料尤其是形状记忆聚合物（Shape memory polymer，SMP）近年来得到了广泛的关注与发展。将SMP与柔性光/电子结合不仅能够赋予柔性光/电子器件形状记忆功能，而且还能极大拓展柔性光/电子器件的功能性和应用范围。本文首先综述了使用SMP基板赋予柔性光/电子器件形状记忆功能的SMP种类、驱动方法、制备技术及应用领域；其次综述了具有显著优势的4D打印技术打印的三维SMP结构器件的种类、所使用的SMP原材料、驱动方法及应用领域；最后展望了形状记忆柔性光/电子器件未来发展方向和遇到的挑战。
2018, 35(12): 3247-3252.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180705.004
摘要:
通过在碳纳米管（CNTs）表面进行功能化修饰，改善CNTs与聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）的分散性及界面结合程度，从而获得优异的力学性能和电学性能，提高其在传感器、致动器和储能方面的应用性能。采用原位水热合成法，在CNTs表面修饰磁性Fe3O4纳米粒子，然后将Fe3O4-CNTs加入PVDF中，采用流延工艺制备出Fe3O4-CNTs/PVDF复合薄膜。采用SEM、TEM、XRD和DSC研究了Fe3O4-CNTs/PVDF复合薄膜的结构和结晶行为，采用动态力学分析（DMA）、宽带介电谱测试系统和交流击穿场强测试系统研究了Fe3O4-CNTs对复合材料力学性能、介电性能及击穿场强的影响。结果表明：Fe3O4-CNTs的引入促使PVDF形成了β晶相，同时抑制了Fe3O4-CNTs/PVDF复合材料结晶度的下降；提高了弹性模量，抑制了阻尼特性下降；提高了介电常数和击穿场强，抑制了介电损耗升高。
通过在碳纳米管（CNTs）表面进行功能化修饰，改善CNTs与聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）的分散性及界面结合程度，从而获得优异的力学性能和电学性能，提高其在传感器、致动器和储能方面的应用性能。采用原位水热合成法，在CNTs表面修饰磁性Fe3O4纳米粒子，然后将Fe3O4-CNTs加入PVDF中，采用流延工艺制备出Fe3O4-CNTs/PVDF复合薄膜。采用SEM、TEM、XRD和DSC研究了Fe3O4-CNTs/PVDF复合薄膜的结构和结晶行为，采用动态力学分析（DMA）、宽带介电谱测试系统和交流击穿场强测试系统研究了Fe3O4-CNTs对复合材料力学性能、介电性能及击穿场强的影响。结果表明：Fe3O4-CNTs的引入促使PVDF形成了β晶相，同时抑制了Fe3O4-CNTs/PVDF复合材料结晶度的下降；提高了弹性模量，抑制了阻尼特性下降；提高了介电常数和击穿场强，抑制了介电损耗升高。
2018, 35(12): 3253-3260.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180328.001
摘要:
为改善玻璃纤维增强聚苯硫醚（PPS）复合板材的力学性能，分别以柔性的玻璃纤维布和PPS非织造布作为增强体和基体，采用叠层热压成型法制备出刚性的复合板材，采用力学性能测试、XRD、PLM、SEM研究了热压温度、热压时间、玻璃纤维含量和处理玻璃纤维布的硅烷偶联剂种类对复合板材的力学性能、结晶度、结晶形态和微观形貌的影响。结果表明，在无硅烷偶联剂处理玻璃纤维布时，控制热压温度为320℃，热压时间为30 min，压力为30 MPa，玻璃纤维质量分数为50%，复合板材的拉伸强度和弯曲强度最佳，分别为286.0 MPa和175.0 MPa，缺口冲击强度达到61.6 MPa。使用硅烷偶联剂KH560处理玻璃纤维布，在最佳成型工艺条件下，复合板材力学性能改善最明显，其弯曲强度为394.9 MPa，弯曲模量为23.6 GPa，层间剪切强度为16.4 MPa，缺口冲击强度为81.0 MPa。通过优化实验条件和使用硅烷偶联剂处理玻璃纤维表面，复合板材的力学性能得到了明显提高。
为改善玻璃纤维增强聚苯硫醚（PPS）复合板材的力学性能，分别以柔性的玻璃纤维布和PPS非织造布作为增强体和基体，采用叠层热压成型法制备出刚性的复合板材，采用力学性能测试、XRD、PLM、SEM研究了热压温度、热压时间、玻璃纤维含量和处理玻璃纤维布的硅烷偶联剂种类对复合板材的力学性能、结晶度、结晶形态和微观形貌的影响。结果表明，在无硅烷偶联剂处理玻璃纤维布时，控制热压温度为320℃，热压时间为30 min，压力为30 MPa，玻璃纤维质量分数为50%，复合板材的拉伸强度和弯曲强度最佳，分别为286.0 MPa和175.0 MPa，缺口冲击强度达到61.6 MPa。使用硅烷偶联剂KH560处理玻璃纤维布，在最佳成型工艺条件下，复合板材力学性能改善最明显，其弯曲强度为394.9 MPa，弯曲模量为23.6 GPa，层间剪切强度为16.4 MPa，缺口冲击强度为81.0 MPa。通过优化实验条件和使用硅烷偶联剂处理玻璃纤维表面，复合板材的力学性能得到了明显提高。
2018, 35(12): 3261-3270.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180319.002
摘要:
为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）薄壁C型柱轴向压缩破坏机制及吸能特性，制备了4种铺层方式、3种厚度组合共12种T700/MTM28 CFRP薄壁C型柱试件。考察C型柱低速轴向压缩过程中的失效模式及载荷变化，通过比较初始峰值载荷、平均压缩载荷、比吸能和载荷效率，分析铺层数及铺层角度对C型柱失效模式及吸能特性的影响。结果表明，纯0°铺层C型柱在轴压载荷作用下发生整体失稳，不具备实际意义上的能量吸收作用；0°/90°铺层、±45°铺层、45°/90°/-45°/0°铺层试件均发生了渐进式破坏，呈现出局部屈曲叠缩的失效模式。其中，45°/90°/-45°/0°铺层的C型柱比吸能随铺层数的增加而增加，具有更大的吸能设计与应用潜力。
为研究碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）薄壁C型柱轴向压缩破坏机制及吸能特性，制备了4种铺层方式、3种厚度组合共12种T700/MTM28 CFRP薄壁C型柱试件。考察C型柱低速轴向压缩过程中的失效模式及载荷变化，通过比较初始峰值载荷、平均压缩载荷、比吸能和载荷效率，分析铺层数及铺层角度对C型柱失效模式及吸能特性的影响。结果表明，纯0°铺层C型柱在轴压载荷作用下发生整体失稳，不具备实际意义上的能量吸收作用；0°/90°铺层、±45°铺层、45°/90°/-45°/0°铺层试件均发生了渐进式破坏，呈现出局部屈曲叠缩的失效模式。其中，45°/90°/-45°/0°铺层的C型柱比吸能随铺层数的增加而增加，具有更大的吸能设计与应用潜力。
2018, 35(12): 3271-3279.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180314.001
摘要:
随着工业水平的快速提高，我国的空气污染日益严重。建筑物外墙常年暴露在空气中，外观污染严重，而且附着于其表面的各类污染物难以清除。因此，建筑墙体的防护措施已经成为研究的热点。本文中，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）和疏水SiO2为基本原料，制备了可用于建筑墙体防护的自清洁涂层。将配制好的涂层喷涂在建筑墙体上，通过室温固化，便可形成具有自洁净效果的涂层。本文通过分析涂层材料与建筑墙体结合机制，说明涂层与墙体具有较强的黏附作用。由于涂层具有的超疏水特性，附着在其表面的颗粒及液体污染物很容易通过水流清洗干净。此外，实验还表明：该涂层在5个月户外环境下，其自清洁效果无显著的变化。
随着工业水平的快速提高，我国的空气污染日益严重。建筑物外墙常年暴露在空气中，外观污染严重，而且附着于其表面的各类污染物难以清除。因此，建筑墙体的防护措施已经成为研究的热点。本文中，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）和疏水SiO2为基本原料，制备了可用于建筑墙体防护的自清洁涂层。将配制好的涂层喷涂在建筑墙体上，通过室温固化，便可形成具有自洁净效果的涂层。本文通过分析涂层材料与建筑墙体结合机制，说明涂层与墙体具有较强的黏附作用。由于涂层具有的超疏水特性，附着在其表面的颗粒及液体污染物很容易通过水流清洗干净。此外，实验还表明：该涂层在5个月户外环境下，其自清洁效果无显著的变化。
2018, 35(12): 3280-3287.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180115.008
摘要:
通过对不同纺织结构的碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）层合板与铝合金（AlMg3）异质材料连接结构进行单剪切拉伸研究，分析间隙尺寸对不同纺织结构CFRP层合板与AlMg3连接结构性能的影响。试验结果表明，当CFRP层合板铺层数目相同时，对于纺织结构不同、间隙配合尺寸相同的CFRP-AlMg3单铆钉单剪切连接结构，编织结构碳纤维增强树脂基复合材料（WO-CFRP）层合板所受挤压应力比非编织结构碳纤维增强复合材料（UD-CFRP）层合板所受挤压应力大25%左右；对于纺织结构相同、间隙配合尺寸不同的CFRP-AlMg3单铆钉单剪切连接结构，其各自铆钉所受剪切应力和连接CFRP层合板所受挤压应力相差不大。同时对相同间隙尺寸、不同纺织结构的CFRP-AlMg3单铆钉单剪切连接结构各个阶段挤压应力分析得知：其他条件一定，各个阶段中WO-CFRP的挤压应力比UD-CFRP的挤压应力高20%左右。最后研究间隙尺寸对CFRP-AlMg3单铆钉单剪切连接结构性能的影响，发现铆钉与孔壁间隙尺寸对位移为铆钉直径大小的4%时的CFRP层合板受到的挤压应力影响较大，铆钉与孔壁间隙大小增加0.1 mm，位移为铆钉直径大小的4%时的CFRP层合板受到的挤压应力降低约17%，而对CFRP层合板的初始损伤应力和破坏应力几乎没有影响，对铆钉所受剪切作用力和AlMg3板材所受挤压应力也几乎没有影响。
通过对不同纺织结构的碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）层合板与铝合金（AlMg3）异质材料连接结构进行单剪切拉伸研究，分析间隙尺寸对不同纺织结构CFRP层合板与AlMg3连接结构性能的影响。试验结果表明，当CFRP层合板铺层数目相同时，对于纺织结构不同、间隙配合尺寸相同的CFRP-AlMg3单铆钉单剪切连接结构，编织结构碳纤维增强树脂基复合材料（WO-CFRP）层合板所受挤压应力比非编织结构碳纤维增强复合材料（UD-CFRP）层合板所受挤压应力大25%左右；对于纺织结构相同、间隙配合尺寸不同的CFRP-AlMg3单铆钉单剪切连接结构，其各自铆钉所受剪切应力和连接CFRP层合板所受挤压应力相差不大。同时对相同间隙尺寸、不同纺织结构的CFRP-AlMg3单铆钉单剪切连接结构各个阶段挤压应力分析得知：其他条件一定，各个阶段中WO-CFRP的挤压应力比UD-CFRP的挤压应力高20%左右。最后研究间隙尺寸对CFRP-AlMg3单铆钉单剪切连接结构性能的影响，发现铆钉与孔壁间隙尺寸对位移为铆钉直径大小的4%时的CFRP层合板受到的挤压应力影响较大，铆钉与孔壁间隙大小增加0.1 mm，位移为铆钉直径大小的4%时的CFRP层合板受到的挤压应力降低约17%，而对CFRP层合板的初始损伤应力和破坏应力几乎没有影响，对铆钉所受剪切作用力和AlMg3板材所受挤压应力也几乎没有影响。
2018, 35(12): 3288-3297.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180319.001
摘要:
采用7781/CYCOM 7701玻璃纤维/环氧织物预浸料和中温固化工艺制造了复合材料单向层压板试验件。将试验件分为3组，分别对应低温干态（CTD）、室温干态（RTD）和高温湿态（ETW）3种试验环境条件。在这3种试验环境条件下，分别测试了复合材料单向层压板的拉伸、压缩、剪切、孔挤压和拉脱等力学性能。并在试验中适当考虑了复合材料经向和纬向力学性能差异、是否含缺口和是否含冲击损伤等情况。根据试验结果，研究了湿热环境对7781/CYCOM 7701玻璃纤维/环氧复合材料单向层压板典型力学性能的影响。研究表明：以RTD条件为基准，各项强度性能在CTD条件下均上升，而在ETW条件下均下降。其中，在ETW条件下，拉伸强度下降18%~25%，压缩强度下降10%~40%，剪切强度下降30%~50%，孔挤压强度下降约20%，拉脱强度下降接近30%；拉伸和压缩弹性模量受温度和吸湿条件影响较小，均在10%左右或以内；而泊松比和剪切弹性模量则受温度和吸湿条件影响很大，两者在ETW条件下的性能比在RTD条件下的性能分别下降约30%和50%。
采用7781/CYCOM 7701玻璃纤维/环氧织物预浸料和中温固化工艺制造了复合材料单向层压板试验件。将试验件分为3组，分别对应低温干态（CTD）、室温干态（RTD）和高温湿态（ETW）3种试验环境条件。在这3种试验环境条件下，分别测试了复合材料单向层压板的拉伸、压缩、剪切、孔挤压和拉脱等力学性能。并在试验中适当考虑了复合材料经向和纬向力学性能差异、是否含缺口和是否含冲击损伤等情况。根据试验结果，研究了湿热环境对7781/CYCOM 7701玻璃纤维/环氧复合材料单向层压板典型力学性能的影响。研究表明：以RTD条件为基准，各项强度性能在CTD条件下均上升，而在ETW条件下均下降。其中，在ETW条件下，拉伸强度下降18%~25%，压缩强度下降10%~40%，剪切强度下降30%~50%，孔挤压强度下降约20%，拉脱强度下降接近30%；拉伸和压缩弹性模量受温度和吸湿条件影响较小，均在10%左右或以内；而泊松比和剪切弹性模量则受温度和吸湿条件影响很大，两者在ETW条件下的性能比在RTD条件下的性能分别下降约30%和50%。
2018, 35(12): 3298-3303.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180319.005
摘要:
当前研究表明自然界冰雹比纯净冰的密度低、强度高，为此ASTM F320-10标准中要求，在实施航空结构抗冰撞试验时，人工模拟冰弹中需添加棉花纤维，以更真实呈现自然界冰雹的力学特性。为研究复合材料蒙皮结构遭受自然界冰雹后的损伤特性，采用80 mm口径气炮装置，开展纤维增强冰弹撞击刚性靶板和复合材料层合板试验。结果表明：冻结温度对冰弹力学性能几乎无影响；棉花纤维的加入显著提高了冰弹的模量和断裂强度；在中低速度范围内，复合材料层合板分层损伤面积随纤维增强冰弹的冲击速度及层合板铺层方式变化，而相同速度范围内受纯净冰弹冲击的层合板未出现分层损伤。
当前研究表明自然界冰雹比纯净冰的密度低、强度高，为此ASTM F320-10标准中要求，在实施航空结构抗冰撞试验时，人工模拟冰弹中需添加棉花纤维，以更真实呈现自然界冰雹的力学特性。为研究复合材料蒙皮结构遭受自然界冰雹后的损伤特性，采用80 mm口径气炮装置，开展纤维增强冰弹撞击刚性靶板和复合材料层合板试验。结果表明：冻结温度对冰弹力学性能几乎无影响；棉花纤维的加入显著提高了冰弹的模量和断裂强度；在中低速度范围内，复合材料层合板分层损伤面积随纤维增强冰弹的冲击速度及层合板铺层方式变化，而相同速度范围内受纯净冰弹冲击的层合板未出现分层损伤。
2018, 35(12): 3304-3312.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180207.002
摘要:
开展了G827/3234复合材料的实验室加速老化试验和实海随舰自然暴露试验，借助万能试验机、光学显微镜、SEM、DMA、FTIR等设备和技术，观测了老化前后G827/3234试件的表面及断口形貌、力学性能、组织成分等；改进了G827/3234复合材料自然老化的强度中值曲线回归分析方法，基于强度保持率确定了加速老化对自然老化的当量加速关系并加以验证。结果表明：加速老化1个月后，G827/3234的弯曲强度和弯曲模量分别下降1.43%和4.45%，层间剪切强度降幅为8.80%，抗疲劳性能基本不变，玻璃化转变温度下降6.2℃，内耗增大，储能模量下降约5 GPa；得到了其加速老化机制及在海洋环境中自然老化时的强度中值方程；确定了加速老化对自然老化的当量系数为4.52，二者老化机制基本一致，所得系数有效、可用。
开展了G827/3234复合材料的实验室加速老化试验和实海随舰自然暴露试验，借助万能试验机、光学显微镜、SEM、DMA、FTIR等设备和技术，观测了老化前后G827/3234试件的表面及断口形貌、力学性能、组织成分等；改进了G827/3234复合材料自然老化的强度中值曲线回归分析方法，基于强度保持率确定了加速老化对自然老化的当量加速关系并加以验证。结果表明：加速老化1个月后，G827/3234的弯曲强度和弯曲模量分别下降1.43%和4.45%，层间剪切强度降幅为8.80%，抗疲劳性能基本不变，玻璃化转变温度下降6.2℃，内耗增大，储能模量下降约5 GPa；得到了其加速老化机制及在海洋环境中自然老化时的强度中值方程；确定了加速老化对自然老化的当量系数为4.52，二者老化机制基本一致，所得系数有效、可用。
2018, 35(12): 3313-3323.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180319.004
摘要:
通过11根玄武岩纤维增强聚合物复合材料（BFRP）筋钢纤维高强混凝土梁的受弯性能试验，研究了钢纤维混凝土层厚度、钢纤维体积分数和BFRP筋配筋率对BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯破坏形态及其承载力的影响。结果表明，BFRP筋钢纤维高强混凝土梁的破坏模式可分为受压破坏、受拉破坏和平衡破坏3种；钢纤维混凝土层厚度和钢纤维体积分数的变化对于BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力具有一定程度的影响，当BFRP筋配筋率为0.77%时，掺加体积分数为1.0%钢纤维的梁受弯承载力较无钢纤维梁提高了22.7%，在受拉区0.57倍截面高度内掺加1.0vol%钢纤维的梁受弯承载力达到全截面钢纤维混凝土梁受弯承载力的86.7%；增大BFRP筋配筋量可显著提高BFRP筋钢纤维高强混凝土梁的受弯承载力，BFRP筋配筋率为1.65%的试验梁受弯承载力较配筋率为0.56%的试验梁提高了39.4%。针对不同的破坏模式，提出了BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力和平衡配筋率的计算方法，并结合安全配筋率的概念对试验梁的破坏模式进行了预测，试验结果与分析结果吻合良好。
通过11根玄武岩纤维增强聚合物复合材料（BFRP）筋钢纤维高强混凝土梁的受弯性能试验，研究了钢纤维混凝土层厚度、钢纤维体积分数和BFRP筋配筋率对BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯破坏形态及其承载力的影响。结果表明，BFRP筋钢纤维高强混凝土梁的破坏模式可分为受压破坏、受拉破坏和平衡破坏3种；钢纤维混凝土层厚度和钢纤维体积分数的变化对于BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力具有一定程度的影响，当BFRP筋配筋率为0.77%时，掺加体积分数为1.0%钢纤维的梁受弯承载力较无钢纤维梁提高了22.7%，在受拉区0.57倍截面高度内掺加1.0vol%钢纤维的梁受弯承载力达到全截面钢纤维混凝土梁受弯承载力的86.7%；增大BFRP筋配筋量可显著提高BFRP筋钢纤维高强混凝土梁的受弯承载力，BFRP筋配筋率为1.65%的试验梁受弯承载力较配筋率为0.56%的试验梁提高了39.4%。针对不同的破坏模式，提出了BFRP筋钢纤维高强混凝土梁受弯承载力和平衡配筋率的计算方法，并结合安全配筋率的概念对试验梁的破坏模式进行了预测，试验结果与分析结果吻合良好。
2018, 35(12): 3324-3330.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180209.005
摘要:
本文采用分离式Hopkinson压杆（SHPB）实验系统，研究了玻璃钢纤维增强塑料（GFRP）薄壁管在低速冲击载荷作用下的抗冲击性能，探讨了薄壁管的截面形状和壁厚对其冲击破坏模式、动态应力-应变曲线和比吸能值（SEA）的影响。实验结果表明：GFRP圆管的动态切线模量较方管的大，同壁厚的圆管的抗冲击性能较方管好；方管随壁厚的适当增加，抗冲击性能也增加。通过综合分析抗冲击性能评价参数，发现GFRP方管的吸能性能较圆管的好，且随壁厚的略微增加，吸能性能增强。与铝合金圆管相比，在相同实验条件下，GFRP圆管的动态压缩模量和冲击应力峰值较铝合金圆管大，峰值应变值较铝合金圆管小，比吸能值较铝合金圆管的大，GFRP管的抗冲击性能也较铝合金圆管好。其结果可为GFRP管类结构的优化设计及工程应用提供基础实验数据和给予理论指导。
本文采用分离式Hopkinson压杆（SHPB）实验系统，研究了玻璃钢纤维增强塑料（GFRP）薄壁管在低速冲击载荷作用下的抗冲击性能，探讨了薄壁管的截面形状和壁厚对其冲击破坏模式、动态应力-应变曲线和比吸能值（SEA）的影响。实验结果表明：GFRP圆管的动态切线模量较方管的大，同壁厚的圆管的抗冲击性能较方管好；方管随壁厚的适当增加，抗冲击性能也增加。通过综合分析抗冲击性能评价参数，发现GFRP方管的吸能性能较圆管的好，且随壁厚的略微增加，吸能性能增强。与铝合金圆管相比，在相同实验条件下，GFRP圆管的动态压缩模量和冲击应力峰值较铝合金圆管大，峰值应变值较铝合金圆管小，比吸能值较铝合金圆管的大，GFRP管的抗冲击性能也较铝合金圆管好。其结果可为GFRP管类结构的优化设计及工程应用提供基础实验数据和给予理论指导。
2018, 35(12): 3331-3341.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180206.001
摘要:
对全玻璃纤维增强聚合物复合材料（GFRP）筋混凝土电缆排管的抗剪性能进行了研究。在比较分析各国规范基础上，提出了GFRP筋混凝土电缆排管的抗剪设计计算方法。通过小尺寸和足尺GFRP筋混凝土电缆排管试件抗剪试验，得到了裂缝开展模式、截面应变分布规律及荷载挠度曲线，揭示了其破坏机制。试验结果表明，抗剪承载力均随面积配箍率和纵筋配筋率增加而增加。配箍率过小时，箍筋作用可忽略。纵筋配筋率较小时，构件仍具有较高的抗剪承载力。所提出的建议公式能满足电缆排管设计中安全性和经济性的要求。
对全玻璃纤维增强聚合物复合材料（GFRP）筋混凝土电缆排管的抗剪性能进行了研究。在比较分析各国规范基础上，提出了GFRP筋混凝土电缆排管的抗剪设计计算方法。通过小尺寸和足尺GFRP筋混凝土电缆排管试件抗剪试验，得到了裂缝开展模式、截面应变分布规律及荷载挠度曲线，揭示了其破坏机制。试验结果表明，抗剪承载力均随面积配箍率和纵筋配筋率增加而增加。配箍率过小时，箍筋作用可忽略。纵筋配筋率较小时，构件仍具有较高的抗剪承载力。所提出的建议公式能满足电缆排管设计中安全性和经济性的要求。
2018, 35(12): 3342-3349.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180207.004
摘要:
对复合材料与金属经缝合连接形成的夹层结构板的树脂传递模塑成型（RTM）工艺进行了充模模拟研究。首先通过实验和数值计算的方法，分别获得缝合夹层结构织物和芯层孔洞的渗透率；随后，建立能够反映缝孔内流动情况的二维和三维简化模型，进行RTM充模仿真，讨论不同工艺参数对成型流动的影响；最后通过成型实验验证工艺的可行性。缝线与孔洞直径之比为0.3~0.8时，孔洞渗透率随缝线直径的增大而减小，预制体织物渗透率与孔洞渗透率相差两个数量级；缝孔内容易产生缺陷，没有缺陷的区域随着注射压力的增加、孔洞密度和芯层厚度的减小而增大，在芯层表面沿每排孔洞单向开槽能够改善树脂在孔洞内的浸润；线注射时，树脂整体流动情况优于点注射，而点注射时，将进胶口设置在一角，能够减少表面干斑。
对复合材料与金属经缝合连接形成的夹层结构板的树脂传递模塑成型（RTM）工艺进行了充模模拟研究。首先通过实验和数值计算的方法，分别获得缝合夹层结构织物和芯层孔洞的渗透率；随后，建立能够反映缝孔内流动情况的二维和三维简化模型，进行RTM充模仿真，讨论不同工艺参数对成型流动的影响；最后通过成型实验验证工艺的可行性。缝线与孔洞直径之比为0.3~0.8时，孔洞渗透率随缝线直径的增大而减小，预制体织物渗透率与孔洞渗透率相差两个数量级；缝孔内容易产生缺陷，没有缺陷的区域随着注射压力的增加、孔洞密度和芯层厚度的减小而增大，在芯层表面沿每排孔洞单向开槽能够改善树脂在孔洞内的浸润；线注射时，树脂整体流动情况优于点注射，而点注射时，将进胶口设置在一角，能够减少表面干斑。
2018, 35(12): 3350-3359.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180211.003
摘要:
为了获取准确的复合材料细观模型，提出了一种复合材料组分参数识别方法。在细观单向碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）有限元模型基础上，构造静态位移场对复合材料组分弹性参数的灵敏度矩阵，以测量位移和有限元计算位移差的二范数为目标函数，针对待识别参数量纲差异较大的问题，利用相对灵敏度提高材料组分弹性参数识别的精度和效率。以纤维均匀分布的复合材料平面模型和纤维随机分布的复合材料实体模型为研究对象，验证所提出组分参数识别方法的有效性和准确性。此外，研究了测点数目及测量误差对识别结果的影响。结果表明：本文提出的复合材料组分参数识别方法在测点数目变化和测量误差影响下仍然稳定。
为了获取准确的复合材料细观模型，提出了一种复合材料组分参数识别方法。在细观单向碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）有限元模型基础上，构造静态位移场对复合材料组分弹性参数的灵敏度矩阵，以测量位移和有限元计算位移差的二范数为目标函数，针对待识别参数量纲差异较大的问题，利用相对灵敏度提高材料组分弹性参数识别的精度和效率。以纤维均匀分布的复合材料平面模型和纤维随机分布的复合材料实体模型为研究对象，验证所提出组分参数识别方法的有效性和准确性。此外，研究了测点数目及测量误差对识别结果的影响。结果表明：本文提出的复合材料组分参数识别方法在测点数目变化和测量误差影响下仍然稳定。
2018, 35(12): 3360-3367.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180315.001
摘要:
孔边应力是复合材料连接设计中强度校核的重要依据，装配间隙对其有明显的影响。针对准各向同性铺层层合板单搭接连接结构，首先采用弹性基剪切梁模型推导了螺杆挠度的解析解，给出挤压载荷沿着层合板厚度方向的分布。在此基础上，将能计及装配间隙的二维情况下孔边挤压应力分布的Persson模型推广到三维情况，得到了孔边挤压应力分布及应力集中系数。理论结果通过三维细节有限元方法进行了验证。最后采用理论方法分析了装配间隙、层合板厚度及钉载对应力集中系数的影响。
孔边应力是复合材料连接设计中强度校核的重要依据，装配间隙对其有明显的影响。针对准各向同性铺层层合板单搭接连接结构，首先采用弹性基剪切梁模型推导了螺杆挠度的解析解，给出挤压载荷沿着层合板厚度方向的分布。在此基础上，将能计及装配间隙的二维情况下孔边挤压应力分布的Persson模型推广到三维情况，得到了孔边挤压应力分布及应力集中系数。理论结果通过三维细节有限元方法进行了验证。最后采用理论方法分析了装配间隙、层合板厚度及钉载对应力集中系数的影响。
2018, 35(12): 3368-3376.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180317.001
摘要:
利用热压罐成型工艺制备了不同固化压力条件下的碳纤维增强树脂基复合材料层合板，分析了超声相控阵C扫描图像与微观缺陷的对应关系，研究了固化压力、孔隙缺陷及力学性能之间的关联规律。结果表明：利用超声C扫描图像差异能够表征孔隙等缺陷含量，在本实验条件下，固化压力由0 MPa提高到0.6 MPa，复合材料孔隙率降低96.7%，拉伸强度（TS）和层间剪切强度（ILSS）分别提高56.1%和68.8%。在此基础上，对不同固化压力条件下制备的复合材料层合板的超声相控阵C扫描图像进行图像处理并定义成型质量指数，实现了基于C扫描图像对孔隙缺陷的定量表征。最后，通过对孔隙缺陷检测、力学性能测试及图像定量化评价结果进行数学拟合，建立了基于图像处理的固化压力-缺陷-力学性能之间的数学关联模型（CPDMP模型），并给出了成型质量指数阈值为81%，及可接受的孔隙率应不高于1.1%，相应的固化压力应不低于0.35 MPa。
利用热压罐成型工艺制备了不同固化压力条件下的碳纤维增强树脂基复合材料层合板，分析了超声相控阵C扫描图像与微观缺陷的对应关系，研究了固化压力、孔隙缺陷及力学性能之间的关联规律。结果表明：利用超声C扫描图像差异能够表征孔隙等缺陷含量，在本实验条件下，固化压力由0 MPa提高到0.6 MPa，复合材料孔隙率降低96.7%，拉伸强度（TS）和层间剪切强度（ILSS）分别提高56.1%和68.8%。在此基础上，对不同固化压力条件下制备的复合材料层合板的超声相控阵C扫描图像进行图像处理并定义成型质量指数，实现了基于C扫描图像对孔隙缺陷的定量表征。最后，通过对孔隙缺陷检测、力学性能测试及图像定量化评价结果进行数学拟合，建立了基于图像处理的固化压力-缺陷-力学性能之间的数学关联模型（CPDMP模型），并给出了成型质量指数阈值为81%，及可接受的孔隙率应不高于1.1%，相应的固化压力应不低于0.35 MPa。
2018, 35(12): 3377-3385.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180408.002
摘要:
螺接修理在复合材料结构的临时性修理，尤其是战伤修理中应用较广泛。然而其修理设计过程较复杂，建模分析难度较大，难以满足工程快速定参的需要。本文针对含穿透损伤复合材料层合板的螺接修理问题，采用VB.NET结合p型有限元技术，开发了一套参数化的建模分析工具。分析工具通过界面读取修理结构的几何参数、螺栓布局、螺栓大小、载荷、材料属性等参数，自动创建有限元模型并进行求解。根据求解结果，分析工具可为用户提供修理结构的螺栓载荷、钉载比例、危险孔孔边应力等。另外，通过引入有限断裂力学，结合两级模型分析技术可预测得到修理结构的失效强度和失效位置。最后，采用典型算例对分析工具的有效性进行了验证。
螺接修理在复合材料结构的临时性修理，尤其是战伤修理中应用较广泛。然而其修理设计过程较复杂，建模分析难度较大，难以满足工程快速定参的需要。本文针对含穿透损伤复合材料层合板的螺接修理问题，采用VB.NET结合p型有限元技术，开发了一套参数化的建模分析工具。分析工具通过界面读取修理结构的几何参数、螺栓布局、螺栓大小、载荷、材料属性等参数，自动创建有限元模型并进行求解。根据求解结果，分析工具可为用户提供修理结构的螺栓载荷、钉载比例、危险孔孔边应力等。另外，通过引入有限断裂力学，结合两级模型分析技术可预测得到修理结构的失效强度和失效位置。最后，采用典型算例对分析工具的有效性进行了验证。
2018, 35(12): 3386-3392.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180319.006
摘要:
通过引入沉浸函数建立了双尺度多孔介质非饱和流动模型，并采用有限元/控制体积法实现了恒压及恒流注射条件下液体模塑成型（LCM）工艺二维径向非饱和流动的数值模拟，得到了不同注射条件下纤维织物内的压力场分布及半饱和区域长度随时间的变化规律，并将双尺度非饱和理论结果与单尺度饱和理论结果进行对比。结果表明：非饱和流动过程中，半饱和区域内的压力和压力梯度明显下降；半饱和区域长度随时间逐渐增加随后保持稳定，当流动前沿到达出口后半饱和区域长度开始逐渐减小；当两个主方向渗透率不同时，沿主方向半饱和区域长度也不同，渗透率越大该方向的半饱和区域长度也越大，纤维织物完全浸润时间取决于较小的渗透率。研究结果对合理预测树脂填充过程中压力分布及纤维预制件的浸润具有指导意义。
通过引入沉浸函数建立了双尺度多孔介质非饱和流动模型，并采用有限元/控制体积法实现了恒压及恒流注射条件下液体模塑成型（LCM）工艺二维径向非饱和流动的数值模拟，得到了不同注射条件下纤维织物内的压力场分布及半饱和区域长度随时间的变化规律，并将双尺度非饱和理论结果与单尺度饱和理论结果进行对比。结果表明：非饱和流动过程中，半饱和区域内的压力和压力梯度明显下降；半饱和区域长度随时间逐渐增加随后保持稳定，当流动前沿到达出口后半饱和区域长度开始逐渐减小；当两个主方向渗透率不同时，沿主方向半饱和区域长度也不同，渗透率越大该方向的半饱和区域长度也越大，纤维织物完全浸润时间取决于较小的渗透率。研究结果对合理预测树脂填充过程中压力分布及纤维预制件的浸润具有指导意义。
2018, 35(12): 3393-3399.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180328.002
摘要:
以酚醛树脂为结合剂，分别以100wt%烧结刚玉细粉、100wt%电熔刚玉细粉和50wt%烧结刚玉加50wt%电熔刚玉混合细粉为原料制备试样，试样在N2气氛下经1 500℃和1 600℃烧成，对烧后试样进行XRD、SEM和EDAS表征分析。结果表明：1 500℃烧后试样中生成了γ-AlON（Al5O6N）和12H多型体（Al6O3N4），1 600℃烧后试样中生成了γ-AlON（Al5O6N）、21R多型体（Al7O3N5）和16H多型体（Al8O3N6）。1 600℃烧成试样中生成的阿隆（AlON）含量较1 500℃烧成试样显著增多。在相同温度下，50wt%烧结刚玉加50wt%电熔刚玉混合细粉试样中生成的AlON含量最多，100wt%电熔刚玉细粉试样次之，100%烧结刚玉细粉试样中生成的AlON含量最少。分析了AlON的形成机制并建立了刚玉细粉与碳的反应模型。
以酚醛树脂为结合剂，分别以100wt%烧结刚玉细粉、100wt%电熔刚玉细粉和50wt%烧结刚玉加50wt%电熔刚玉混合细粉为原料制备试样，试样在N2气氛下经1 500℃和1 600℃烧成，对烧后试样进行XRD、SEM和EDAS表征分析。结果表明：1 500℃烧后试样中生成了γ-AlON（Al5O6N）和12H多型体（Al6O3N4），1 600℃烧后试样中生成了γ-AlON（Al5O6N）、21R多型体（Al7O3N5）和16H多型体（Al8O3N6）。1 600℃烧成试样中生成的阿隆（AlON）含量较1 500℃烧成试样显著增多。在相同温度下，50wt%烧结刚玉加50wt%电熔刚玉混合细粉试样中生成的AlON含量最多，100wt%电熔刚玉细粉试样次之，100%烧结刚玉细粉试样中生成的AlON含量最少。分析了AlON的形成机制并建立了刚玉细粉与碳的反应模型。
2018, 35(12): 3400-3406.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180209.003
摘要:
基于复相陶瓷显微特征和双尺度界面特性，分析含双尺度界面复相陶瓷内的细观界面滑移应力。首先，基于复相陶瓷宏观、细观和纳观弹性性能，计算双尺度界面复相陶瓷产生弹性变形时的细观平均应力场。然后，在纳观界面位移和应力连续基础上，提出了界面应变模型，确定了纳观界面附近纤维和基体内的位移函数，考虑界面应变的突变值与界面模量间的比例关系，根据纳观界面特性和纤维分布形式，确定出弹性变形条件下外载传递到细观界面上的切应力。最后，基于压痕实验测得复相陶瓷细观界面滑移的屈服切应力，得到细观界面滑移应力的理论计算公式并进行了定量分析。结果表明，复相陶瓷内纳观界面弹性模量越小或泊松比越小时，细观界面越易滑移，复相陶瓷越易产生塑性变形。
基于复相陶瓷显微特征和双尺度界面特性，分析含双尺度界面复相陶瓷内的细观界面滑移应力。首先，基于复相陶瓷宏观、细观和纳观弹性性能，计算双尺度界面复相陶瓷产生弹性变形时的细观平均应力场。然后，在纳观界面位移和应力连续基础上，提出了界面应变模型，确定了纳观界面附近纤维和基体内的位移函数，考虑界面应变的突变值与界面模量间的比例关系，根据纳观界面特性和纤维分布形式，确定出弹性变形条件下外载传递到细观界面上的切应力。最后，基于压痕实验测得复相陶瓷细观界面滑移的屈服切应力，得到细观界面滑移应力的理论计算公式并进行了定量分析。结果表明，复相陶瓷内纳观界面弹性模量越小或泊松比越小时，细观界面越易滑移，复相陶瓷越易产生塑性变形。
2018, 35(12): 3407-3414.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180319.007
摘要:
利用一阶弯曲共振现象，开展了复合材料悬臂梁高周弯曲疲劳试验。为了取代传统的金属疲劳理论，根据复合材料疲劳损伤渐进扩展的特点，发展了新的数值方法应用于复合材料的疲劳分析。研究局部疲劳损伤模型和周期跳跃技术，开发了复合材料悬臂梁高周弯曲疲劳的半解析法Matlab疲劳损伤分析程序；另一方面，通过开发UMAT子程序，实现了疲劳损伤模型和周期跳跃技术在商业有限元软件ABAQUS中的应用。分别使用半解析法和有限元法分析复合材料悬臂梁高周弯曲疲劳的损伤累积破坏过程，预测了其高周弯曲疲劳寿命，数值预测结果与试验结果较好吻合。
利用一阶弯曲共振现象，开展了复合材料悬臂梁高周弯曲疲劳试验。为了取代传统的金属疲劳理论，根据复合材料疲劳损伤渐进扩展的特点，发展了新的数值方法应用于复合材料的疲劳分析。研究局部疲劳损伤模型和周期跳跃技术，开发了复合材料悬臂梁高周弯曲疲劳的半解析法Matlab疲劳损伤分析程序；另一方面，通过开发UMAT子程序，实现了疲劳损伤模型和周期跳跃技术在商业有限元软件ABAQUS中的应用。分别使用半解析法和有限元法分析复合材料悬臂梁高周弯曲疲劳的损伤累积破坏过程，预测了其高周弯曲疲劳寿命，数值预测结果与试验结果较好吻合。
2018, 35(12): 3415-3422.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180322.001
摘要:
针对陶瓷基复合材料（CMCs）多层界面相的应力传递进行了有限元模拟。采用圆柱单胞模型描述CMCs的细观结构，按相应界面相亚层的实际厚度建立明确的界面相，并假设界面相亚层之间及界面相与纤维、基体之间初始完好结合，然后赋予各界面相亚层不同的材料参数，并采用轴对称有限元法进行求解，最终建立了多层界面应力传递的模拟方法。分别对比了不同厚度热解碳（PyC）界面相、PyC和SiC两种不同成分界面相及（PyC/SiC）和（SiC/PyC）两种结构界面相的应力传递模拟结果。从剪应力沿纤维方向分布及径向分布特点可以看出，通过合理配置CMCs内部多层界面相的结构、成分和厚度，可以实现界面相应力传递及失效模式的控制和优化。
针对陶瓷基复合材料（CMCs）多层界面相的应力传递进行了有限元模拟。采用圆柱单胞模型描述CMCs的细观结构，按相应界面相亚层的实际厚度建立明确的界面相，并假设界面相亚层之间及界面相与纤维、基体之间初始完好结合，然后赋予各界面相亚层不同的材料参数，并采用轴对称有限元法进行求解，最终建立了多层界面应力传递的模拟方法。分别对比了不同厚度热解碳（PyC）界面相、PyC和SiC两种不同成分界面相及（PyC/SiC）和（SiC/PyC）两种结构界面相的应力传递模拟结果。从剪应力沿纤维方向分布及径向分布特点可以看出，通过合理配置CMCs内部多层界面相的结构、成分和厚度，可以实现界面相应力传递及失效模式的控制和优化。
2018, 35(12): 3423-3432.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180209.002
摘要:
基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构，建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型，通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度，然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算，并引入Tsai-Wu失效准则，考虑不同失效模式的损伤，建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型，模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型，阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好，验证了模型的有效性，为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。
基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构，建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型，通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度，然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算，并引入Tsai-Wu失效准则，考虑不同失效模式的损伤，建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型，模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型，阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好，验证了模型的有效性，为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。
2018, 35(12): 3433-3440.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180209.001
摘要:
以不同表面活性剂作为分散剂，采用物理涂覆法对玄武岩纤维（BF）进行表面改性处理，得到3种改性玄武岩纤维（MBF）。以FTIR、光学接触角分析仪和SEM分别研究了BF和MBF的表面官能团、亲水性和微观形貌的变化。计算了载体的挂膜率和残余挂膜率，以光学显微镜和扫描电子显微镜观察了BF和MBF的生物膜生长情况，讨论了不同表面处理对BF挂膜性能的影响。结果表明：经表面改性处理后，MBF的表面亲水性和水中分散性得到有效改善，其中经阳离子型表面活性剂（十六烷基三甲基氯化铵，CTAC）改性的玄武岩纤维（MBF-C）具有最佳亲水性和水中分散效果，接触角由133.57°（BF）下降至62.52°（MBF-C）。挂膜实验结果表明，3种表面活性剂对BF的表面改性处理均有助于增加微生物的附着量和提升附着强度，其中改性后的MBF-C挂膜率为256.25%，残余挂膜率为41.28%，具有最优的挂膜效果。
以不同表面活性剂作为分散剂，采用物理涂覆法对玄武岩纤维（BF）进行表面改性处理，得到3种改性玄武岩纤维（MBF）。以FTIR、光学接触角分析仪和SEM分别研究了BF和MBF的表面官能团、亲水性和微观形貌的变化。计算了载体的挂膜率和残余挂膜率，以光学显微镜和扫描电子显微镜观察了BF和MBF的生物膜生长情况，讨论了不同表面处理对BF挂膜性能的影响。结果表明：经表面改性处理后，MBF的表面亲水性和水中分散性得到有效改善，其中经阳离子型表面活性剂（十六烷基三甲基氯化铵，CTAC）改性的玄武岩纤维（MBF-C）具有最佳亲水性和水中分散效果，接触角由133.57°（BF）下降至62.52°（MBF-C）。挂膜实验结果表明，3种表面活性剂对BF的表面改性处理均有助于增加微生物的附着量和提升附着强度，其中改性后的MBF-C挂膜率为256.25%，残余挂膜率为41.28%，具有最优的挂膜效果。
2018, 35(12): 3441-3449.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180516.003
摘要:
通过钢-聚烯烃混杂纤维增强再生砖骨料混凝土（HF/RBAC）的抗压与弹性模量试验，研究了再生砖骨料（RBA）取代率、混杂纤维掺量、纤维种类对混凝土抗压强度和弹性模量的影响。根据RBA的XRD图谱、X-CT图像、RBA火山灰活性成分与水泥水化产物反应原理及能量平衡原理，分析了HF/RBAC的破坏机制和纤维增强机制。研究表明，当RBA全取代天然骨料（NA）时，HF/RBAC立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量分别降低了36.72%、24.95%和43.53%。当钢-聚烯烃混杂纤维体积掺量为1.5%时，HF/RBAC立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量分别增加了20.51%、30.33%和35.84%。最后，提出了考虑RBA压碎指标和取代率、纤维种类和掺量等因素影响的HF/RBAC抗压强度和弹性模量的计算方法。
通过钢-聚烯烃混杂纤维增强再生砖骨料混凝土（HF/RBAC）的抗压与弹性模量试验，研究了再生砖骨料（RBA）取代率、混杂纤维掺量、纤维种类对混凝土抗压强度和弹性模量的影响。根据RBA的XRD图谱、X-CT图像、RBA火山灰活性成分与水泥水化产物反应原理及能量平衡原理，分析了HF/RBAC的破坏机制和纤维增强机制。研究表明，当RBA全取代天然骨料（NA）时，HF/RBAC立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量分别降低了36.72%、24.95%和43.53%。当钢-聚烯烃混杂纤维体积掺量为1.5%时，HF/RBAC立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量分别增加了20.51%、30.33%和35.84%。最后，提出了考虑RBA压碎指标和取代率、纤维种类和掺量等因素影响的HF/RBAC抗压强度和弹性模量的计算方法。
2018, 35(12): 3450-3457.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180209.006
摘要:
采用热铸法，制备了琼胶膜、κ-卡拉胶膜及其两者的共混膜，并在共混膜中添加质量分数为0.8%的TiO2粉末，制得TiO2/琼胶-κ-卡拉胶复合膜。对这4种膜的SEM、XRD、力学性能、透光率、不透明度和对水的阻抗性进行测试。结果表明：琼胶-κ-卡拉胶膜的力学性能、透光率、不透明度和对水的阻抗性均介于琼胶膜和κ-卡拉胶膜之间，琼胶和κ-卡拉胶之间有良好的共混性，并且在共混膜中形成了分子间作用力。TiO2/琼胶-κ-卡拉胶复合膜的拉伸强度（45.44 MPa）比其他3种膜的拉伸强度都大，其中比琼胶-κ-卡拉胶膜的拉伸强度（31.06 MPa）提高46.30%，但断裂伸长率（15.73%）却比其他3种膜的都低，TiO2与复合膜基质分子间形成强相互作用力，增强复合膜的拉伸强度；在相同波长下，TiO2/琼胶-κ-卡拉胶复合膜的透光率比其他3种膜都低，在200~400 nm的紫外光区，TiO2/琼胶-κ-卡拉胶复合膜的透光率明显低于其他3种膜，添加TiO2的复合膜对紫外光有显著的屏蔽作用，但在600 nm波长处，不透明度（0.96）比其他3种膜都高；TiO2/琼胶-κ-卡拉胶复合膜对水的阻抗性高于琼胶-κ-卡拉胶膜。
采用热铸法，制备了琼胶膜、κ-卡拉胶膜及其两者的共混膜，并在共混膜中添加质量分数为0.8%的TiO2粉末，制得TiO2/琼胶-κ-卡拉胶复合膜。对这4种膜的SEM、XRD、力学性能、透光率、不透明度和对水的阻抗性进行测试。结果表明：琼胶-κ-卡拉胶膜的力学性能、透光率、不透明度和对水的阻抗性均介于琼胶膜和κ-卡拉胶膜之间，琼胶和κ-卡拉胶之间有良好的共混性，并且在共混膜中形成了分子间作用力。TiO2/琼胶-κ-卡拉胶复合膜的拉伸强度（45.44 MPa）比其他3种膜的拉伸强度都大，其中比琼胶-κ-卡拉胶膜的拉伸强度（31.06 MPa）提高46.30%，但断裂伸长率（15.73%）却比其他3种膜的都低，TiO2与复合膜基质分子间形成强相互作用力，增强复合膜的拉伸强度；在相同波长下，TiO2/琼胶-κ-卡拉胶复合膜的透光率比其他3种膜都低，在200~400 nm的紫外光区，TiO2/琼胶-κ-卡拉胶复合膜的透光率明显低于其他3种膜，添加TiO2的复合膜对紫外光有显著的屏蔽作用，但在600 nm波长处，不透明度（0.96）比其他3种膜都高；TiO2/琼胶-κ-卡拉胶复合膜对水的阻抗性高于琼胶-κ-卡拉胶膜。
2018, 35(12): 3458-3465.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180211.001
摘要:
开展了30℃海水浸泡条件下玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）筋、碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）筋与珊瑚混凝土粘结性能的试验研究，分析了纤维增强树脂基复合材料（FRP）筋-珊瑚混凝土粘结滑移曲线特征、破坏形态及粘结强度变化。试验结果表明，海水浸泡后FRP筋力学性能和粘结性能均表现为不同程度的降低。随浸泡时间增加，GFRP筋表层树脂与纤维间的孔隙率明显增大，并逐渐出现脱粘现象，纤维本身遭受到侵蚀，而CFRP筋仅表面基体有少许损伤，其耐久性明显优于GFRP筋；FRP筋-珊瑚混凝土粘结强度呈现出先增加后减小的趋势，且后期下降速率逐渐变小，部分GFRP筋-珊瑚混凝土试件的破坏模式逐渐由筋被拔出转变为筋材断裂；增加保护层厚度能有效地减缓海水对GFRP筋的侵蚀，有利于保持GFRP筋-珊瑚混凝土间的粘结性能。
开展了30℃海水浸泡条件下玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）筋、碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）筋与珊瑚混凝土粘结性能的试验研究，分析了纤维增强树脂基复合材料（FRP）筋-珊瑚混凝土粘结滑移曲线特征、破坏形态及粘结强度变化。试验结果表明，海水浸泡后FRP筋力学性能和粘结性能均表现为不同程度的降低。随浸泡时间增加，GFRP筋表层树脂与纤维间的孔隙率明显增大，并逐渐出现脱粘现象，纤维本身遭受到侵蚀，而CFRP筋仅表面基体有少许损伤，其耐久性明显优于GFRP筋；FRP筋-珊瑚混凝土粘结强度呈现出先增加后减小的趋势，且后期下降速率逐渐变小，部分GFRP筋-珊瑚混凝土试件的破坏模式逐渐由筋被拔出转变为筋材断裂；增加保护层厚度能有效地减缓海水对GFRP筋的侵蚀，有利于保持GFRP筋-珊瑚混凝土间的粘结性能。
2018, 35(12): 3466-3473.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180316.005
摘要:
采用La3+交换法制备La/Hβ-Al2O3复合材料，用于改善轻汽油的低温醚化活性。借助XRD、XRF、BET、FTIR、NH3-TPD、PyIR、FETEM-EDX等分析手段对复合材料的理化性能进行表征，其中XRD、XRF、BET和FTIR的表征结果显示，少量La3+的引入对复合材料的晶相结构和骨架结构无明显破坏作用，而适度的La3+交换反而具有扩孔效果；NH3-TPD和PyIR的分析结果表明，经La3+交换后复合材料的酸量和酸强度有所减弱，但引入的La3+可以形成新的B酸中心，使中强酸比例和B酸中心数目得到提高；FETEM-EDX分析结果证实镧物种主要存在于复合材料中的Hβ分子筛上。对该复合材料的低温醚化活性评价结果显示，La3+交换法可以改善复合催化剂的轻汽油醚化活性，催化剂0.1 La/Hβ-Al2O3表现出最佳活性，产物甲基叔戊基醚收率最高可达58.13%。对该催化剂进行300 h寿命考察，证实其具有较好稳定性及可再生性。
采用La3+交换法制备La/Hβ-Al2O3复合材料，用于改善轻汽油的低温醚化活性。借助XRD、XRF、BET、FTIR、NH3-TPD、PyIR、FETEM-EDX等分析手段对复合材料的理化性能进行表征，其中XRD、XRF、BET和FTIR的表征结果显示，少量La3+的引入对复合材料的晶相结构和骨架结构无明显破坏作用，而适度的La3+交换反而具有扩孔效果；NH3-TPD和PyIR的分析结果表明，经La3+交换后复合材料的酸量和酸强度有所减弱，但引入的La3+可以形成新的B酸中心，使中强酸比例和B酸中心数目得到提高；FETEM-EDX分析结果证实镧物种主要存在于复合材料中的Hβ分子筛上。对该复合材料的低温醚化活性评价结果显示，La3+交换法可以改善复合催化剂的轻汽油醚化活性，催化剂0.1 La/Hβ-Al2O3表现出最佳活性，产物甲基叔戊基醚收率最高可达58.13%。对该催化剂进行300 h寿命考察，证实其具有较好稳定性及可再生性。
2018, 35(12): 3474-3486.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180209.004
摘要:
研究了含非完美界面的双层压电/压磁复合材料中压电相存在一个倾斜于界面的Ⅲ型裂纹问题。采用弹簧型耦合界面模型模拟非完美界面，运用Fourier积分变换法将裂纹面条件转化为奇异积分方程，并使用Lobatto-Chebyshev方法数值求解了裂纹尖端应力强度因子（SIF）。详细地研究了裂纹尖端SIF与界面参数、压电/压磁材料参数和材料的层厚、裂纹的倾斜角、裂纹与界面的距离等几何参数的关系。结果表明：力学不完美性可以独立地增大SIF，而磁学、电学不完美性只有与力学不完美性耦合时才会减小SIF；力学-电学、力学-磁学不完美性的耦合会减小SIF，而磁学-电学不完美性的耦合不会影响SIF；磁场作用下，增大压磁层弹性模量会减小SIF，而增大压电层压电系数，减小压电层弹性模量和介电常数，均会减小SIF；界面不完美性会影响SIF随裂纹倾斜角度或裂纹与界面之间距离的变化规律；在一定范围内增加压电层或压磁层厚度可以减小SIF。
研究了含非完美界面的双层压电/压磁复合材料中压电相存在一个倾斜于界面的Ⅲ型裂纹问题。采用弹簧型耦合界面模型模拟非完美界面，运用Fourier积分变换法将裂纹面条件转化为奇异积分方程，并使用Lobatto-Chebyshev方法数值求解了裂纹尖端应力强度因子（SIF）。详细地研究了裂纹尖端SIF与界面参数、压电/压磁材料参数和材料的层厚、裂纹的倾斜角、裂纹与界面的距离等几何参数的关系。结果表明：力学不完美性可以独立地增大SIF，而磁学、电学不完美性只有与力学不完美性耦合时才会减小SIF；力学-电学、力学-磁学不完美性的耦合会减小SIF，而磁学-电学不完美性的耦合不会影响SIF；磁场作用下，增大压磁层弹性模量会减小SIF，而增大压电层压电系数，减小压电层弹性模量和介电常数，均会减小SIF；界面不完美性会影响SIF随裂纹倾斜角度或裂纹与界面之间距离的变化规律；在一定范围内增加压电层或压磁层厚度可以减小SIF。
2018, 35(12): 3487-3499.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180319.003
摘要:
基于流变学理论研究橡胶粉与不同来源基质沥青的配伍性，采用动态剪切流变仪（DSR）分别对不同基质沥青加工而成的橡胶沥青进行应变扫描、温度扫描、频率扫描等常规动态剪切流变试验，从相位角、复合模量和车辙因子等指标评价橡胶沥青黏弹特性，定性区分沥青四组分对橡胶沥青黏弹特性的影响，并对橡胶沥青进行滞回环试验，运用灰色关联数学分析方法定量给出沥青四组分对橡胶沥青的残余变形、弹性贮能、耗散能、弹性比例和复合弹性模量等指标的影响。结果表明：流变学理论是研究橡胶粉改性剂与基质沥青配伍性的有效方法；从能量角度评价沥青四组分对橡胶沥青黏弹特性指标的影响，沥青质对橡胶沥青残余应变影响较大；胶质组分对橡胶沥青弹性贮能和耗散能影响最大，而芳香分影响最小；沥青质组分对橡胶沥青弹性比例参数影响最大；芳香分含量可以提高橡胶沥青复合模量。
基于流变学理论研究橡胶粉与不同来源基质沥青的配伍性，采用动态剪切流变仪（DSR）分别对不同基质沥青加工而成的橡胶沥青进行应变扫描、温度扫描、频率扫描等常规动态剪切流变试验，从相位角、复合模量和车辙因子等指标评价橡胶沥青黏弹特性，定性区分沥青四组分对橡胶沥青黏弹特性的影响，并对橡胶沥青进行滞回环试验，运用灰色关联数学分析方法定量给出沥青四组分对橡胶沥青的残余变形、弹性贮能、耗散能、弹性比例和复合弹性模量等指标的影响。结果表明：流变学理论是研究橡胶粉改性剂与基质沥青配伍性的有效方法；从能量角度评价沥青四组分对橡胶沥青黏弹特性指标的影响，沥青质对橡胶沥青残余应变影响较大；胶质组分对橡胶沥青弹性贮能和耗散能影响最大，而芳香分影响最小；沥青质组分对橡胶沥青弹性比例参数影响最大；芳香分含量可以提高橡胶沥青复合模量。
2018, 35(12): 3500-3507.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180409.002
摘要:
复合材料干纤维缠绕增强结构可解决纤维缠绕树脂基复合材料结构耐冲击性差、低温环境树脂易失效等问题。干纤维增强结构缠绕过程中，纤维束重叠、压缩导致干纤维缠绕增强层各处厚度不一，会对缠绕线型稳定性产生影响。为满足缠绕线型稳定，研究了测地线干纤维缠绕增强层厚度变化及分布规律，分析了纱带宽度、极孔尺寸及芯模结构等参数对增强层厚度的影响，考虑芯模厚度的变化，逐层更新干纤维缠绕增强结构数学模型，进行了缠绕轨迹计算，获得测地线缠绕线型。缠绕实验表明：理论仿真获得的复合材料干纤维缠绕增强容器增强层厚度准确，缠绕线型稳定，无滑纱现象，验证了纤维厚度与缠绕轨迹计算方法的可行性和干纤维增强层厚度仿真的正确性。
复合材料干纤维缠绕增强结构可解决纤维缠绕树脂基复合材料结构耐冲击性差、低温环境树脂易失效等问题。干纤维增强结构缠绕过程中，纤维束重叠、压缩导致干纤维缠绕增强层各处厚度不一，会对缠绕线型稳定性产生影响。为满足缠绕线型稳定，研究了测地线干纤维缠绕增强层厚度变化及分布规律，分析了纱带宽度、极孔尺寸及芯模结构等参数对增强层厚度的影响，考虑芯模厚度的变化，逐层更新干纤维缠绕增强结构数学模型，进行了缠绕轨迹计算，获得测地线缠绕线型。缠绕实验表明：理论仿真获得的复合材料干纤维缠绕增强容器增强层厚度准确，缠绕线型稳定，无滑纱现象，验证了纤维厚度与缠绕轨迹计算方法的可行性和干纤维增强层厚度仿真的正确性。
2018, 35(12): 3508-3516.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180211.002
摘要:
为了准确地描述丁羟（HTPB）包覆层在有限变形下的拉伸力学特性，研究了HTPB包覆层的黏超弹本构模型。分别构建了含率相关函数的本构模型和并联式本构模型，前者由超弹模型与率相关项相乘得到，后者由超弹模型与含损伤因子的黏弹模型并联而成。进行了HTPB包覆层的单步松弛、多步松弛和不同速率的单轴拉伸试验，并将试验数据用于拟合模型参数。结果表明，HTPB包覆层对应变率极其敏感，且具有很大的延伸率，表现出明显的黏超弹特性；两种模型均能很好地预测HTPB包覆层较大形变范围内的拉伸力学性能，其中含率相关函数的模型的描述更加准确，其研究具有重要的军事意义。
为了准确地描述丁羟（HTPB）包覆层在有限变形下的拉伸力学特性，研究了HTPB包覆层的黏超弹本构模型。分别构建了含率相关函数的本构模型和并联式本构模型，前者由超弹模型与率相关项相乘得到，后者由超弹模型与含损伤因子的黏弹模型并联而成。进行了HTPB包覆层的单步松弛、多步松弛和不同速率的单轴拉伸试验，并将试验数据用于拟合模型参数。结果表明，HTPB包覆层对应变率极其敏感，且具有很大的延伸率，表现出明显的黏超弹特性；两种模型均能很好地预测HTPB包覆层较大形变范围内的拉伸力学性能，其中含率相关函数的模型的描述更加准确，其研究具有重要的军事意义。
2018, 35(12): 3517-3525.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180320.001
摘要:
提出了兼具力学和声学性能的夹层吸声复合材料-含空腔点阵增强夹芯结构；为了预测含空腔点阵增强结构芯层的等效弹性模量，建立了包含空腔、点阵增强柱和泡沫基体的三相复合材料的细观力学多层次等效数理模型，结合点阵增强柱和空腔周期性分布的特点建立代表性体积单元，利用Mori-Tanaka方法进行两次单相夹杂等效处理，获取了含空腔点阵增强芯层等效弹性模量的解析解，与试验数据和细观力学有限元法结果对比均吻合较好。采用有限元软件ANSYS建立了含空腔点阵增强夹芯结构的实际模型和等效模型，并将芯层等效模量解析结果作为等效模型芯层的材料参数，计算弯曲变形和固有频率并进行对比分析，弯曲变形位移和中低频固有频率的相对误差不超过2%，满足工程精度要求。进一步利用该等效方法，分别探讨了点阵增强柱和空腔体积比对芯层等效弹性模量的影响规律。结果表明，上述方法能较准确地预测含空腔点阵增强结构芯层的等效弹性模量，且数理模型清晰，公式简单，计算快速。
提出了兼具力学和声学性能的夹层吸声复合材料-含空腔点阵增强夹芯结构；为了预测含空腔点阵增强结构芯层的等效弹性模量，建立了包含空腔、点阵增强柱和泡沫基体的三相复合材料的细观力学多层次等效数理模型，结合点阵增强柱和空腔周期性分布的特点建立代表性体积单元，利用Mori-Tanaka方法进行两次单相夹杂等效处理，获取了含空腔点阵增强芯层等效弹性模量的解析解，与试验数据和细观力学有限元法结果对比均吻合较好。采用有限元软件ANSYS建立了含空腔点阵增强夹芯结构的实际模型和等效模型，并将芯层等效模量解析结果作为等效模型芯层的材料参数，计算弯曲变形和固有频率并进行对比分析，弯曲变形位移和中低频固有频率的相对误差不超过2%，满足工程精度要求。进一步利用该等效方法，分别探讨了点阵增强柱和空腔体积比对芯层等效弹性模量的影响规律。结果表明，上述方法能较准确地预测含空腔点阵增强结构芯层的等效弹性模量，且数理模型清晰，公式简单，计算快速。
2018, 35(12): 3526-3533.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180402.001
摘要:
钢筋混凝土结构为土木工程领域应用最广泛的结构形式，而氯离子诱发的钢筋锈蚀为降低混凝土结构耐久性的主要原因之一。在以往的研究中，基于Nernst-Planck方程的数值模型通常被用来模拟混凝土中离子的传输，进一步预测混凝土结构的服役寿命，然而这些数值模型并未考虑传输过程中离子与水化产物之间的热力学作用。因此，本文基于离子传输的物理化学作用的本质过程，建立了饱水状态下水泥基材料中多离子传输的数值模型。首先，采用表面络合模型和相平衡模型，建立了孔溶液中离子与水化产物间的热力学数值模型；然后，借助于算子分裂算法，求解了耦合热力学作用的Nernst-Planck方程多离子传输的有限元模型，得到了水化产物中各相成分、孔隙率及孔溶液中各自由离子浓度的演化规律。最后，通过已有文献的试验研究验证了本文建立的数值模型的准确性。
钢筋混凝土结构为土木工程领域应用最广泛的结构形式，而氯离子诱发的钢筋锈蚀为降低混凝土结构耐久性的主要原因之一。在以往的研究中，基于Nernst-Planck方程的数值模型通常被用来模拟混凝土中离子的传输，进一步预测混凝土结构的服役寿命，然而这些数值模型并未考虑传输过程中离子与水化产物之间的热力学作用。因此，本文基于离子传输的物理化学作用的本质过程，建立了饱水状态下水泥基材料中多离子传输的数值模型。首先，采用表面络合模型和相平衡模型，建立了孔溶液中离子与水化产物间的热力学数值模型；然后，借助于算子分裂算法，求解了耦合热力学作用的Nernst-Planck方程多离子传输的有限元模型，得到了水化产物中各相成分、孔隙率及孔溶液中各自由离子浓度的演化规律。最后，通过已有文献的试验研究验证了本文建立的数值模型的准确性。
2018, 35(12): 3534-3546.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180316.001
摘要:
碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）与钢板的界面粘结性能为CFRP加固钢结构的关键问题之一。开展了17个CFRP板-钢板单搭接试件的拉伸剪切试验，研究了不同环氧粘结剂与CFRP材料的CFRP-钢界面力学行为和破坏模式；分析了粘结剂类型和CFRP材料对界面粘结滑移本构和界面剪切性能的影响，讨论了其承载力计算方法。结果表明：采用不同的粘结剂或CFRP材料，界面破坏形式和抗剪承载力均差异较大。采用Sika 330、Lica粘结剂的试件为CFRP板或钢板与胶层的界面破坏，采用Araldite粘结剂的试件为CFRP板浅表层离，采用Sika 30粘结剂的试件为胶层内聚破坏，采用SF（Sika S512/80）碳板的试件为CFRP板深层层离；Araldite试件的抗剪承载力为其他试件的1.7~2.9倍。Sika 330、Araldite及Lica试件粘结滑移曲线无明显下降段，属脆性破坏，而Sika 30与SF试件存在缓坡下降段，失效前有一定征兆；SF试件的粘结滑移本构可简化为三折线模型，其余试件则可简化为双线性模型。SF试件抗剪承载力需用Xia-a模型表征，其余试件则可用Xia-b模型表征。基于粘聚力模型对界面力学行为进行了数值模拟，结果表明，粘聚力模型可以较好地模拟界面的非线性力学行为，剥离应力对本单搭接试件的界面粘结强度影响很小。
碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）与钢板的界面粘结性能为CFRP加固钢结构的关键问题之一。开展了17个CFRP板-钢板单搭接试件的拉伸剪切试验，研究了不同环氧粘结剂与CFRP材料的CFRP-钢界面力学行为和破坏模式；分析了粘结剂类型和CFRP材料对界面粘结滑移本构和界面剪切性能的影响，讨论了其承载力计算方法。结果表明：采用不同的粘结剂或CFRP材料，界面破坏形式和抗剪承载力均差异较大。采用Sika 330、Lica粘结剂的试件为CFRP板或钢板与胶层的界面破坏，采用Araldite粘结剂的试件为CFRP板浅表层离，采用Sika 30粘结剂的试件为胶层内聚破坏，采用SF（Sika S512/80）碳板的试件为CFRP板深层层离；Araldite试件的抗剪承载力为其他试件的1.7~2.9倍。Sika 330、Araldite及Lica试件粘结滑移曲线无明显下降段，属脆性破坏，而Sika 30与SF试件存在缓坡下降段，失效前有一定征兆；SF试件的粘结滑移本构可简化为三折线模型，其余试件则可简化为双线性模型。SF试件抗剪承载力需用Xia-a模型表征，其余试件则可用Xia-b模型表征。基于粘聚力模型对界面力学行为进行了数值模拟，结果表明，粘聚力模型可以较好地模拟界面的非线性力学行为，剥离应力对本单搭接试件的界面粘结强度影响很小。
