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2018年  第35卷  第4期

纤维金属层板力学性能的研究现状
吴素君, 解晓伟, 晋会锦, 薛佳
2018, 35(4): 733-747. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171208.005
摘要:
纤维金属层板(Fibre metal laminates,FMLs)具有优异的综合力学性能,现已成功应用于航空等领域。高速冲击性能是FMLs重要的力学性能指标之一,然而由于FMLs高速冲击破坏机制的复杂性,目前对其高速冲击性能的研究还处于起步阶段。鉴于此,本文在综述FMLs力学性能的基础上,重点从实验研究和有限元模拟等方面讨论了FMLs高速冲击性能研究现状,最后提出了FMLs力学性能现有研究中存在的一些问题和未来潜在的发展方向。
航空发动机复合材料叶片用3D机织预制体研究进展
关留祥, 李嘉禄, 焦亚男, 赵玉芬, 郭玉路
2018, 35(4): 748-759. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180329.001
摘要:
三维机织复合材料(3DWCs)因其高比强度、低密度、低热膨胀系数和良好的成型性等优点受到越来越多的青睐,已经成功运用到飞机和汽车工程等领域。随着航空发动机研发力度的加大,3DWCs也在飞机发动机零部件上有所应用。综述了航空发动机复合材料叶片用三维机织预制体(3DWPs)的研究进展及现状;对比了异形高厚度3DWPs的几种织造方法;基于试验测试和仿真模拟,介绍了国内外3DWPs变形性能的研究进展;分析了3DWPs结构对其复合材料性能的影响;最后,展望了3DWPs的发展方向,为航空发动机复合材料叶片的发展提供了参考依据。
高导热低填量聚合物基复合材料研究进展
吴宇明, 虞锦洪, 曹勇, 李双艺, 王梦杰, 江南
2018, 35(4): 760-766. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170607.001
摘要:
高导热低填量聚合物基复合材料在电子封装和大功率电子设备等领域有着巨大需求。通常高导热聚合物是通过在高分子基体中均匀分散高含量的导热填料来实现的,然而较高填料含量会极大地恶化复合材料力学性能和提升材料经济成本,因此高填量复合材料很难满足当前工业应用上的需求。综述了近年来高导热低填量聚合物基复合材料制备研究进展,简要介绍了导热机制和影响低填量聚合物基复合材料导热性能的主要因素,按照不同填料类型介绍了一些热导率高于1.0 W/(m·K)且填充量低于10vol%的高导热低填量聚合物基复合材料的制备方法和研究进展,展望了高导热低填量聚合物基复合材料的发展方向。
玄武岩纤维-碳纤维混杂平纹织物增强环氧树脂基复合材料的制备与力学性能
徐虹, 张可, 卢岩, 王祥辉, 刘栓, 窦艳丽
2018, 35(4): 767-773. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170704.001
摘要:
对以平纹织物为增强体的混杂纤维复合材料(HFRP)的刚度和强度进行研究。设计热压工艺并制备7组具有不同混杂比的玄武岩纤维-碳纤维(玄-碳)混杂增强环氧树脂基复合材料试样进行拉伸试验。基于平纹织物的结构特征,对传统混合定律加以修正,提出以平纹织物为增强体的HFRP刚度估算模型。基于HFRP层合板的破坏机制,提出材料仅发生一次破坏的临界混杂比,并分成三个混杂比范围给出强度估算模型。最终以体现分散度的混杂效应系数对估算结果加以修正。结果表明:计算值与试验值近似,预估模型计算所得临界混杂比与试样拉伸试验时的应力-应变曲线分析结果相符,模型可为今后的实际应用提供理论依据。本文提出的预估方法可以反应混杂比和分散度对平纹织物为增强体的HFRP强度和刚度的影响,扩展了混合定律的应用范围。
乙二胺化氧化石墨烯-羟基硅油/超支化聚氨酯三元复合材料的制备与性能
闰彦玲, 杨建军, 吴庆云, 张建安, 吴明元
2018, 35(4): 774-784. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170705.003
摘要:
采用乙二胺部分还原修饰氧化石墨烯(GO)获得EGO,并将其作为改性剂。以异氟尔酮二异氰酸酯、聚醚二元醇、羟基硅油(HPMS)和二羟甲基丙酸等主要原料合成含硅线性聚氨酯(HPMS/LPU),然后将其接枝在实验室自制多羟基超支化聚氨酯核(HBPU-0)上,最后与EGO反应,制备了乙二胺化GO改性的含硅超支化聚氨酯(EGO-HPMS/HBPU)。利用FTIR、Raman、XRD、XPS、TEM、AFM、SEM和TG等分别对EGO-HPMS/HBPU三元复合乳液及其胶膜的形貌和性能进行了表征,并研究了EGO和羟基硅油含量对EGO-HPMS/HBPU复合材料综合性能的影响。结果表明,当添加0.5wt% EGO且变量为HPMS时,EGO在聚氨酯基体中稳定分散,与单一改性材料相比,其协同改性复合材料EGO-4wt% HPMS/HBPU综合性质最佳,此时,其不同失重条件下热解温度的提高展示材料良好的稳定性,24 h吸水率降至5.13%,水接触角为101.3°,EGO-4wt% HPMS/HBPU的拉伸强度与断裂伸长率分别为11.18 MPa和553.2%,获得了疏水、手感光滑柔软的复合产品。
纳米SiO2-氧化石墨烯/聚偏氟乙烯杂化膜的制备及特性
朱振亚, 王磊, 姜家良, 徐亚伟, 李青青
2018, 35(4): 785-792. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170705.004
摘要:
采用原位水解的方式制备了新型SiO2-氧化石墨烯(GO)纳米杂化颗粒。选择GO、SiO2、SiO2-GO颗粒和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为添加剂,采用浸没沉淀相转化法分别制备了聚偏氟乙烯(PVDF)杂化膜。测定了PVDF杂化膜的纯水通量、膜面接触角、牛血清白蛋白(BSA)截留率和污染恢复率等参数。结果表明,SiO2-GO/PVDF-PVP膜的接触角从78.4°减小到66.02°,膜的亲水性能有所提升。同时,SiO2-GO/PVDF-PVP膜的纯水通量最大(1 018 L/(m2·h)),对BSA的截留率达到81.5%,污染恢复率达到了78.65%以上。新型SiO2-GO纳米杂化颗粒协同PVP添加剂增强了PVDF超滤膜的水通量、污染物截留和抗污染特性等综合性能,为传统PVDF有机膜的改性提供了一种新方法。
含面内波纹缺陷的复合材料层合板刚度性能
朱俊, 郭万涛, 李想, 吴医博, 王继辉, 倪爱清
2018, 35(4): 793-803. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170702.001
摘要:
基于经典层合板理论(CLT),并考虑面内波纹引起的拉伸-弯曲耦合作用,提出了含面内波纹缺陷的复合材料层合板刚度预测模型,定量研究了波纹比、纤维偏转角和波纹位置等面内波纹参数对其三维刚度性能的影响。结果表明:理论模型预测值与文献中的结果吻合较好;面内波纹对纵向弹性模量、横向弹性模量、面内剪切模量、主泊松比和面内弯曲刚度均产生了显著影响。该建模方法为研究波纹缺陷对复合材料力学性能影响提供了参考。
汉麻纤维表面改性对其增强聚丙烯复合材料性能及挥发性有机化合物释放影响
王春红, 任子龙, 刘胜凯
2018, 35(4): 804-814. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170609.002
摘要:
通过非织造-热压工艺制备了汉麻纤维增强聚丙烯(HF/PP)复合材料。采用热重-质谱联用仪(TG-MS)研究了HF/PP复合材料的挥发性有机化合物(Volatile organic compounds,VOC)释放来源及汉麻经聚乙烯醇(PVA)改性和尿素改性对HF/PP复合材料VOC释放的影响,同时研究了两种改性方法对HF/PP复合材料热学性能和力学性能的影响。结果表明:HF/PP复合材料中的VOC主要来源于汉麻纤维,改性后的HF/PP复合材料力学性能相比未处理的均有不同程度的提升,尿素改性后,HF/PP复合材料的拉伸强度和弯曲强度达到最大值,较未处理时分别提升了19.32%和15.04%。PVA改性后,HF/PP复合材料的拉伸模量、弯曲模量和剪切强度达到最大值,相比未改性时分别提升了17.72%、15.94%和24.72%。改性后HF/PP复合材料热稳定性能和VOC释放相较未处理时均得到了优化:PVA改性后HF/PP复合材料热稳定性最优,三个阶段总活化能较未处理时提高了121.99%,达到了392.56 kJ·mol-1,并且HF/PP复合材料热稳定性与界面性能密切相关;尿素及PVA改性后HF/PP复合材料的总VOC(TVOC)释放量相较未处理时均降低。
热处理对碳纤维/聚酰胺6复合材料界面结晶及力学性能的影响
付豪, 陈俊林, 王凯, 肇研
2018, 35(4): 815-822. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170602.001
摘要:
探究了热处理对聚酰胺6(PA6)在碳纤维(CF)表面的结晶行为及其界面力学性能的影响。利用差示扫描量热法(DSC)、偏光显微镜(POM)观察法等分析手段考察了热处理对PA6在CF表面结晶行为的影响,揭示了在热处理过程中,PA6进行链段重排,形成小且不完善的新结晶,导致结晶度的上升以及界面横晶形貌的完善;进一步通过单丝微球脱粘实验和单向CF/PA6复合材料横向拉伸实验考察了热处理对PA6与CF的界面结合性能的影响,揭示了经退火热处理的试样由于弱界面和应力集中的减少使界面剪切强度增加且单位体积断裂能下降。
编织角和承载方向对三维四向编织复合材料动态压缩性能的影响
黄雄, 谭焕成, 刘璐璐, 赵振华, 关玉璞, 陈伟
2018, 35(4): 823-833. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170720.001
摘要:
利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对三维四向编织碳纤维增强树脂基复合材料的动态压缩性能进行了研究。通过对编织角为20°、30°和45°的试验件分别进行沿纵向、横向和厚度方向的动态压缩试验,得到材料在800~2 000/s应变率范围内的应力-应变曲线,并与准静态压缩试验结果进行对比,研究了应变率、压缩方向及编织角对材料极限强度和弹性模量的影响。结合高速摄影记录的动态压缩过程,进一步分析了不同情况下材料的破坏模式与破坏过程。结果表明:应变率越高,材料的极限强度和弹性模量越大,材料在受压的三个方向上均具有一定的应变率强化效应,且高应变率下表现出比准静态压缩时更明显的脆性;编织角的改变对材料在三个方向上的动态压缩性能均有影响,其中对纵向的影响最为明显;不同方向受压时材料的失效形式不同,且准静态和高应变率下的失效形式也有区别。
Z-pin/缝合对复合材料T型接头剪切承载能力的影响
孔斌, 陈普会, 李梦佳, 彭涛, 姚正兰, 邱学仕
2018, 35(4): 834-842. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170702.002
摘要:
利用三维有限元模型对Z-pin/缝合增强试验件进行有限元分析,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Z-pin/缝合的增强机制,非线性弹簧元的力学性能(桥联律)由细观力学方法获得。通过与试验结果的对比发现,由于未进行界面增强的T型结构的剪切承载能力已较高,Z-pin/缝合增强较难提高T型接头的剪切承载能力。从少数几种可提高T型接头的剪切承载能力的增强方案中可看到,应选择拉伸强度较高而拉伸模量较低的缝线来进行T型接头剪切界面增强设计。
半球形头弹不同角度冲击下编织复合材料板的侵彻特性
邓云飞, 袁家俊, 徐建新
2018, 35(4): 843-849. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170704.002
摘要:
利用一级气炮发射半球形头弹冲击2 mm厚的编织复合材料层合板,冲击角度为0°、30°和45°,通过高速相机记录弹靶撞击过程并得到弹体速度数据。利用拟合公式处理试验数据,得到不同冲击角度时的弹道极限值,并和理论模型结果进行对比。分析了冲击角度对靶板弹道极限、能量吸收率和失效模式的影响。结果表明:45°斜冲击时的靶板弹道极限最高,正冲击次之,30°斜冲击最低。相同冲击能量时,45°斜冲击的能量吸收率最高,低能量(<80 J)冲击时,30°斜冲击比正冲击能量吸收率高,高能量(>80 J)时,正冲击更高。正冲击时,靶板正面因剪切失效而形成圆形凹坑,背面因纤维拉伸失效形成菱形鼓包,斜冲击形成椭圆形扩孔,且其面积随冲击角度增加而增加。
玻璃纤维芯材真空绝热板使用寿命预测
邸小波, 陈照峰
2018, 35(4): 850-856. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170620.003
摘要:
从真空绝热板(VIP)的绝热机制出发,建立了VIP的使用寿命评估模型,利用该模型对玻璃纤维芯材VIP的使用寿命进行预测。基于Arrhenius定律,建立了VIP的加速寿命模型,通过试验确定加速寿命模型中的参数及VIP的激活能,利用该模型可以预测VIP在不同温度下的使用寿命。通过试验样品的长期跟踪数据来验证两种寿命模型的可靠性。探讨了提高VIP绝热性能及延长使用寿命的方法。本研究工作对VIP关键技术突破及工艺参数优化提供了一定的理论依据和技术支持。
混杂薄膜天线层的双稳态复合材料层板力电性能
胡建强, 潘殿坤, 戴福洪
2018, 35(4): 857-865. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170621.001
摘要:
给出了既有双稳态特性又具有天线功能的多功能复合材料层板设计与分析方法。基于非线性层板理论和Rayleigh-Ritz法,建立了双稳态混杂层板构型预报理论模型,并通过有限元计算和实验进行了验证。研究了薄膜天线混杂非对称双稳态复合材料层板的临界载荷及电磁性能,分析了铺层方式对双稳态混杂层板稳定构型、临界载荷和电磁性能的影响。结果表明:双稳态混杂层板通过转变其稳定构型实现天线主辐射方向在俯仰面内偏转30°,实现方向图可重构,扩大天线波束的扫描范围。铺层方式对层板构型和反射系数影响较大,当天线辐射层铺设在层板表面且聚酰亚胺薄膜厚度大于0.2 mm时,其双稳态特性消失,没有出现分叉现象,且其中心频率会左移大约0.2 GHz。
考虑制造因素的变刚度层合板的抗屈曲铺层优化设计
顾杰斐, 陈普会, 孔斌, 杨军, 甘学东
2018, 35(4): 866-875. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170705.001
摘要:
与常规层合板相比,变刚度层合板的制造、有限元建模分析和铺层设计有其特殊之处。首先对设计时需考虑的制造因素进行了归纳,提出了变刚度层合板的铺层设计要求。然后给出了变刚度层合板的理想模型和考虑丝束宽度模型的建模方法。基于理想模型对ABAQUS的前处理模块进行二次开发,利用编制的参数化建模程序分析了不同铺放角的变刚度层合板的屈曲性能,并讨论了最小曲率半径对铺层的限制和变刚度设计提高屈曲载荷的机制。基于变刚度层合板的抗屈曲机制建立了一种铺层优化设计方法,使用遗传算法经两步优化得到最优铺层。对最优铺层建立考虑丝束宽度的模型以研究丝束宽度和铺层偏移对变刚度层合板抗屈曲铺层优化结果的影响。研究表明,在变刚度层合板的抗屈曲铺层优化中使用简化的理想模型通常来说是可行的。在考虑制造因素的情况下,优化后的变刚度层合板较常规层合板屈曲载荷有显著提高。
碱处理提取竹黄纤维的响应曲面优化
林天扬, 王春红, YOUSFANI Sheraz Hussain Siddique, 王威, 钱晓明, 徐志伟
2018, 35(4): 876-884. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170628.001
摘要:
采用响应曲面设计(Box-Behnken设计)优化竹纤维的提取工艺。以碱和脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)渗透剂对竹片进行沸煮,并结合机械碾压提取竹黄纤维,以碱浓度为0.5%~0.7%、JFC浓度为0.1%~0.3%、沸煮时间为1.5~2.5 h为考察因素,采用响应曲面法,以竹纤维断裂强度、提取率、直径和摩擦系数为响应值,建立数学模型,获得综合性能最佳工艺。并采用扫描电镜观察不同工艺处理的竹纤维的纵向结构。结果表明:最优提取工艺为碱浓度为0.7%、JFC浓度为0.3%、沸煮时间为2.5 h,此时纤维的综合性能最佳,拉伸断裂强度为386.25 MPa,直径为191.79 μm,摩擦系数为0.206,与响应曲面预测值(断裂强度为405.08 MPa,直径为175.59 μm,摩擦系数为0.191)接近。响应曲面法优化得到的竹纤维性能较好,并能很好地预测试验结果,断裂强度与预测值偏差4.6%,摩擦系数与预测值偏差7.8%,直径与预测值偏差9.2%。SEM表明:碱处理、JFC处理和沸煮时间对纤维表面的胶质有影响,碱浓度为0.5%、JFC浓度为0.3%、沸煮时间为2.5 h时有利于竹纤维表面胶质的去除。
高温与脱粘对复合材料蜂窝板模态特性影响的试验
白云鹤, 于开平, 赵锐, 赵婕, 周昊天, 杨雨南, 马寅魏
2018, 35(4): 885-895. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170628.002
摘要:
复合材料蜂窝板是目前航空航天领域中一类非常重要的结构,但此类结构在热环境下的模态特性研究鲜有公开报道。本文针对由碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板和Nomex蜂窝芯层复合而成的夹层板进行了不同温度下的模态试验,在加热过程中结构面板与芯层脱离,向外凸出。损伤发生前,结构固有频率随温度升高而下降,在识别出的前7阶模态中,弯曲振型的下降幅度较大,而扭转振型的降幅较小。对损伤后的结构再次进行常温模态试验,其模态特征发生显著变化,除了固有频率的变化外,模态阻尼比明显提高,而且其中两阶模态振型的顺序发生对调。此外,本文还对该损伤形式的成因进行了分析,所得结论对用于热环境的复合材料蜂窝结构设计具有一定的指导意义。
(SiCP/Cu)-铜箔叠层复合材料的制备与组织性能
李雨蔚, 肖来荣, 赵小军, 余宸旭, 张贝
2018, 35(4): 896-902. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170825.003
摘要:
采用浸涂法和热压烧结法制备了(SiCP/Cu)-铜箔叠层复合材料,研究了SiCP含量对材料组织结构、拉伸性能和断裂韧性的影响。结果表明,制备的(SiCP/Cu)-铜箔叠层复合材料层间厚度均匀,界面结合力良好,增强颗粒SiC能够弥散分布于黏结相中和界面处。随着SiCP体积分数的增加,(SiCP/Cu)-铜箔叠层复合材料的抗拉强度和屈服强度都先增加后降低,当SiCP的体积分数为20vol%(总体积为100)时,其抗拉强度和屈服强度达到最大值,分别为226.5 MPa和113.1 MPa,断裂方式主要为韧性断裂和部分脆性解理断裂。裂纹扩展方向平行于层界面时,材料的断裂韧性随SiCP体积分数的增加略有减小,SiCP体积分数为15%时达到最大值16.96 MPa·m1/2;裂纹扩展方向垂直于层界面时,(SiCP/Cu)-铜箔叠层复合材料的断裂韧性随SiCP体积分数的增加逐渐减小,SiCP体积分数为15%时达到最大值12.51 MPa·m1/2
CoFe2与CoFe2O4质量比及MgO稀释对CoFe2@CoFe2O4磁性的影响
马永青, 刘畅, 王敏
2018, 35(4): 903-909. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170609.003
摘要:
采用金属有机盐热分解方法制备了MgO包覆的CoFe2O4纳米粒子(CoFe2O4@MgO),然后将CoFe2O4@MgO在H2中还原,接着在空气中氧化制备了一组CoFe2@CoFe2O4@MgO样品;用盐酸溶液溶解CoFe2@CoFe2O4@MgO中的MgO获得另一组样品(CoFe2@CoF2O4)。测量并绘制了CoFe2@CoFe2O4@MgO和CoFe2@CoF2O4的磁化强度随外磁场及温度变化的关系曲线。随着氧化温度升高,CoFe2@CoFe2O4@MgO和CoFe2@CoF2O4的矫顽力Hc、饱和磁化强度Ms、剩磁比Mr/Ms及磁有序状态发生显著变化,这些变化强烈依赖于磁性粒子的各向异性及粒子间的偶极相互作用。
基体中Ti元素含量对金刚石/Cu-Ti复合材料热导率的影响
王海鹏, 彭坤
2018, 35(4): 910-919. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170612.002
摘要:
采用真空热压法制备了金刚石体积分数为63%的金刚石/Cu-Ti复合材料,研究了基体中Ti含量对金刚石/Cu-Ti复合材料界面显微结构和热导率的影响。随着Ti含量的增加,金刚石/Cu-Ti复合材料热导率先增加后减小。当基体中Ti含量为1.1wt%时热导率最高,为511 W/(m·K)。Ti含量小于1.1wt%时,烧结过程中两相界面间生成的碳化物数量和面积随Ti含量的增加而增加,优化了界面结合,提高了界面结合强度,增加了界面传热通道数量,使金刚石/Cu-Ti复合材料导热性能提高。Ti含量的增加同时伴随着碳化物热阻增加和基体导热性能的恶化。过量的Ti元素使低导热性能的碳化物层厚度增加,碳化物层本身热阻增加,界面热导降低,金刚石/Cu-Ti复合材料导热性能下降。
石墨表面化学镀Cu对天然鳞片石墨/Al复合材料热物理性能的影响
黄凯, 白华, 朱英彬, 薛晨, 江南, 童幸生
2018, 35(4): 920-926. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170614.001
摘要:
对天然鳞片石墨(GF)进行化学镀Cu的表面处理,对化学镀Cu石墨(Cu-GF)和Al粉采用真空热压的工艺制备出镀Cu石墨/Al(Cu-GF/Al)复合材料。研究了Cu-GF/Al复合材料的微观结构和微观界面,同时也研究了Cu-GF对Cu-GF/Al复合材料热导率和抗弯性能的影响。结果表明,GF上的Cu层能抑制界面脆弱相Al4C3的产生,使Cu-GF/Al复合材料的抗弯性能有了显著提升。当Cu-GF体积分数从50%增加到70%时,Cu-GF/Al复合材料的抗弯强度也从104 MPa降低到74 MPa。当GF体积分数为70%时,Cu-GF/Al复合材料的热导率达到最高值为522 W/(m·K)。
含脆性界面相的颗粒增强金属基复合材料的损伤
杨慧, 么娆
2018, 35(4): 927-935. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170808.004
摘要:
通过引入双夹杂模型,将传统增量损伤理论扩展应用到三相复合材料颗粒尺寸效应问题,同时提出一个可以研究颗粒增强金属基复合材料的弹塑性变形及渐进式脱黏损伤模型,该模型还可以研究含脆性界面相的颗粒增强金属基复合材料弹塑性损伤变形行为的颗粒尺寸效应。研究发现,包含各种不同颗粒尺寸的颗粒增强金属基复合材料的脱黏损伤按照颗粒尺寸从大到小的顺序先后发生,并且该模型与SiC/Al复合材料的试验结果比较一致。
考虑热效应复合材料典型壁板结构模态演变规律
李重岭, 李跃明, 李海波, 程昊
2018, 35(4): 936-945. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170705.002
摘要:
以复合材料加筋板和连接板为研究对象,进行了考虑材料物性变化、热应力及热变形影响因素的跨越屈曲温度热模态分析,研究了壁板结构的模态演变规律。结果表明:热屈曲前,结构各阶频率因受材料物性变化和热应力的影响逐渐减小,而热屈曲后引起的大变形起到增加结构刚度的作用,频率转而增大。热效应会导致结构模态发生相互演变的现象,且高温阶段具有模态密集特征;加筋板的初始挠度、加筋尺寸和方式不仅改变结构热屈曲温度,也会使模态形式发生变化并呈现局部化特点;连接板结构均匀受热后产生的热变形,会"刚化"与其相似的模态,使该阶模态随着温升跃迁至高阶位置。
锂离子电池正极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2的制备与性能
饶帆, 陈爱华, 赵永彬
2018, 35(4): 946-956. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170714.001
摘要:
采用共沉淀法制备粒径10 μm左右的前驱体Ni0.8Co0.15Al0.05(CO3x(OH)y,然后采用该前驱体和LiOH·H2O成功制备了锂离子电池正极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(LiNCA),并详细研究了煅烧氛围、煅烧温度和煅烧方式等条件对LiNCA电化学性能的影响。研究表明,在O2中煅烧获得的LiNCA放电容量达到170 mAh·g-1,50次循环后容量保持率达到95%,性能明显优于空气氛围中煅烧得到的LiNCA。在O2氛围下,700~750℃温度范围煅烧得到的LiNCA性能最好,煅烧温度过高或过低,LiNCA性能均明显下降。将前驱体在O2氛围中450℃条件预煅烧,然后与LiOH·H2O在700~750℃混合煅烧的煅烧方式,得到的LiNCA放电容量明显提高,可达190 mAh·g-1
自感知镍纳米线/水泥基复合材料的制备及压敏性能
曹亚龙, 徐金霞, 蒋林华, 冯伟, 宋迎宾
2018, 35(4): 957-963. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170622.001
摘要:
通过多孔氧化铝模板交流电沉积的方法制备了镍纳米线,以镍纳米线为导电填料、聚羧酸减水剂为分散剂,首次制备了新型的自感知镍纳米线/水泥基复合材料。通过SEM、TEM和XRD测试方法,研究了镍纳米线与镍纳米线水泥基复合材料的显微结构,与此同时,用四电极伏安法研究了镍纳米线水泥基复合材料的渗流阈值和压敏性。结果显示:所得的镍纳米线直径约为65 nm,长径比约为50;聚羧酸型减水剂能有效提高镍纳米线的分散性;水泥基复合材料的电阻率随镍纳米线的掺量增加呈现渗流特性,渗流阈值为0.5vol%;掺加1.0vol%镍纳米线的水泥基复合材料的应变灵敏度系数高达509.2,远高于电阻应变片的2.0,适用于混凝土结构应力监测的传感元件。
静电纺纤维素纳米晶体/壳聚糖-聚乙烯醇复合纳米纤维的制备与表征
王栋, 宣丽慧, 李超, 程万里, 韩广萍
2018, 35(4): 964-972. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170609.004
摘要:
通过探索纤维素纳米晶体(CNC)添加量对壳聚糖-聚乙烯醇(CS-PVA)基体性能的影响,为静电纺CNC/CS-PVA复合纳米纤维的制备提供理论支撑。以CNC、CS和PVA为原料,采用静电纺丝法成功制备不同CNC含量(质量分数)的静电纺CNC/CS-PVA复合纳米纤维,并通过SEM、TGA和FTIR等分析手段对CNC/CS-PVA复合纳米纤维的微观结构和性能进行了表征。结果表明:添加CNC后静电纺CNC/CS-PVA复合纳米纤维直径变大,表面变粗糙,力学性能和热学性能提高;随着CNC含量的增加,静电纺CNC/CS-PVA纤维的杨氏模量(E)和抗拉强度(σ)先增强后减弱,而外延起始温度继续上升。当CNC含量为3wt%时,静电纺CNC/CS-PVA复合纳米纤维力学性能最好,相比于CS-PVA复合纳米纤维,E和σ分别提高了43.9%和24.8%;当CNC含量为20wt%时,静电纺CNC/CS-PVA复合纳米纤维直径分布不均匀,可以观察到单根纤维表面存在少量的球状结构物质,同时外延起始温度达到328.83℃;FTIR分析得出,CNC与CS和PVA之间只存在分子间的相互作用而没有发生化学反应;随着溶液的酸性减弱,碱性增强,不同CNC含量的静电纺CNC/CS-PVA复合纳米纤维稳定性逐渐提高,而CNC含量对其稳定性影响不大。
接枝改性聚丁二烯胶乳胶乳的制备及其在水泥基复合材料中的应用
潘文杰, 郭锦棠, 樊金杰, 于永金, 靳建洲, 刘硕琼
2018, 35(4): 973-979. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170622.002
摘要:
针对目前固井用胶乳抗盐能力和冻融稳定性差、增韧能力不足及综合性能欠佳的问题,以苯乙烯(St)为硬单体,聚丁二烯胶乳(PB)为种子软单体结合新型的功能单体,采用乳液接枝聚合方法合成了耐高温抗盐、冻融稳定性良好和增韧能力强的固井用胶乳HTL-100L。通过微观结构分析表明,各单体均参与了反应,分子结构高温下稳定,耐温能达到420℃左右。HTL-100L在硅酸盐水泥基复合材料中应用性能测试结果表明:HTL-100L显著提高了纯水泥的韧性,弹性模量降低近一倍,且其硅酸盐水泥石的强度发展良好。HTL-100L适用温度范围广(80~180℃),体系易调整和控制,综合性能良好,能够解决常规固井用胶乳存在的问题,改善油井水泥基复合材料的综合性能。
高石蜡掺量相变水泥基复合材料的性能
张运华, 刘芷怡, 唐蓓莉, 张冬丽, 姚丽萍, 闵捷
2018, 35(4): 980-988. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20171201.001
摘要:
为了提高相变水泥基复合材料中相变材料石蜡的掺量,引入造孔剂在基体中产生气孔,使部分石蜡填充到气孔中,增加液化石蜡的存储空间,减少石蜡渗出。研究了不同造孔剂掺量下石蜡含量对相变水泥基复合材料抗石蜡渗出性、力学性能和储热性能的影响规律。结果表明:当造孔剂掺量(与水泥基复合材料质量比)由0%提高至4%时,石蜡在相变水泥基复合材料中不渗漏的掺量(与水泥基复合材料质量比)由5.0%提高至7.2%,抗压强度降低幅度较大。造孔剂和石蜡的最佳掺量分别为2%和5.8%。随着石蜡掺量的增加,相变水泥基复合材料储热性能提高,同时,造孔剂产生的气孔隔热保温效果也有助于相变水泥基复合材料板外壁和内壁最高温度温差的增加及测量体系内腔最高温度的下降。
基于X射线计算机断层扫描技术的重组竹湿热耦合老化评估
王卿平, 费本华, 蒋明亮, 刘杏娥, 杨淑敏
2018, 35(4): 989-998. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170706.003
摘要:
为了预测重组竹制品在实际使用中的寿命,基于X射线计算机断层扫描技术(X-ray computed tomography technology,X-CT),采用标准BS EN 1087-1:1995作为重组竹湿热耦合老化条件,以其CT值和老化分析指标的数学模型评估重组竹湿热耦合老化后结构强度的损失。结果表明:重组竹老化后密度、内胶合强度和CT值均小于老化前,且老化前后差异显著。随老化时间增加,其密度、内胶合强度和CT值的损失均增加,且变化趋势基本一致,在1~2 h阶段变化较大,在2.5~4.5 h阶段变化较平缓,在老化4.5 h时达到峰值;将CT值差值与密度差值拟合为线性模型,模型相关系数R2=0.9270,验证模型R2=0.9438。CT值差值与内胶合强度差值拟合为Allometric模型,模型相关系数R2=0.9488,验证模型R2=0.9439;竹材自身的植物学特征及重组竹压制工艺造成了试验数据离散及老化前后离散程度发生改变。可通过改善重组竹制备工艺提高其内部均匀性及降低老化前后离散程度变化,以提高模型预测精度。
沥青四组分与不同加载模式下橡胶沥青零剪切黏度相关性
胡松山, 王浩, 覃润浦, 谭华, 李辉, 许志鸿, 周志刚
2018, 35(4): 999-1013. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170712.001
摘要:
采用Cross、Carreau流动模型及Matlab、Origin计算软件对8种不同基质沥青加工而成的橡胶沥青零剪切黏度(Zero shear-rate viscosity,ZSV)进行拟合,以灰色关联理论方法分析沥青四组分与橡胶沥青ZSV的相关性,并讨论不同加载模式下橡胶沥青ZSV的变异性,研究影响橡胶沥青ZSV的敏感因素。结果表明:Cross模型对橡胶沥青样本数据的拟合程度较Carreau模型高;静态加载模式和动态加载模式下所拟合的橡胶沥青ZSV存在差异,重复蠕变试验蠕变阶段拟合结果和恢复阶段拟合结果处于同一数量级内,Brookfield黏度计测定拟合的橡胶沥青ZSV随着试验温度增加而减小;沥青四组分与橡胶沥青频率扫描试验、重复蠕变试验和不同温度橡胶沥青旋转剪切黏度关联结果一致,即芳香分对橡胶沥青ZSV敏感性最强。
任意负泊松比超材料结构设计的功能基元拓扑优化法
秦浩星, 杨德庆
2018, 35(4): 1014-1023. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170619.002
摘要:
基于拓扑优化方法,提出了设计具有任意负泊松比超材料及结构的功能基元拓扑优化法。针对功能基元的不同初始拓扑基结构,包括矩形和三角形初始拓扑基结构,以指定的负泊松比值作为约束条件,以功能基元柔顺度最大化为目标函数,建立了任意负泊松比超材料拓扑优化模型并求解。提取拓扑优化得到的功能基元最优构型,经周期性分布从而形成负泊松比结构。建立优化得到的超材料结构有限元模型,验算了功能基元的泊松比,计算分析了该超材料试件的静、动力学特性。结果表明,该负泊松比效应超材料试件具有较好的承载能力,且在中低频段有较好的减振效果。
冲击作用下斜接修补CFRP层间分层和胶层的损伤机制及参数分析
冯威, 徐绯
2018, 35(4): 1024-1031. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170628.003
摘要:
首先,针对斜接修补CFRP抗冲击性能差的问题,分别使用基于接触的内聚力模型(SCZM)和基于单元的内聚力模型(ECZM)描述层间分层和斜接胶层破坏,研究CFRP层板的冲击响应和两种失效的演化规律。然后,分析了冲击能量、斜接角度和预拉伸作用对两种失效的影响。结果表明:层间分层起始时间早于胶层破坏,与冲击能量无关;分层和胶层破坏面积随冲击能量增加而增大,胶层破坏面积增加的更明显;斜接角度主要影响胶层破坏,对分层面积几乎无影响;预拉伸作用对两种失效均具有负面作用。最后,进一步讨论分层对胶层破坏的影响,通过与只考虑胶层破坏的情况进行对比,发现层间分层使胶层破坏的面积降低,延缓了胶层的最终失效。