持续攀升 2020年 第37卷 第10期
栏目
2020, 37(10): 1-5.
摘要:
2020, 37(10): 2572-2581.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200423.001
摘要:
采用溶剂热法制备了具有超高长径比的羟基磷灰石(HAP)纳米纤维，并将其与甲基丙烯酸酐改性明胶(GelMA)结合，利用紫外光交联制备了HAP纳米纤维/GelMA复合水凝胶。通过SEM、XRD、力学测试、溶胀测试、降解测试、细胞培养等对HAP纳米纤维/GelMA复合水凝胶进行结构表征和性能测试。SEM断面观察表明，HAP纳米纤维/GelMA水凝胶呈三维孔隙贯通的多孔结构。力学实验表明，HAP纳米纤维能有效增强水凝胶的弹性模量，且随着HAP纳米纤维添加量的增加，力学性能增强效果越明显。溶胀实验表明，当HAP纳米纤维质量分数为5.2wt%~14.2wt%时，HAP纳米纤维复合水凝胶的溶胀率变化不明显，当质量分数为18.2wt%时，溶胀率降低。降解实验表明，HAP纳米纤维的加入能有效保持水凝胶结构形态，使其更加稳定可控。细胞包裹培养实验表明，HAP纳米纤维/GelMA复合水凝胶能为细胞提供良好的三维生长环境，表现出优良的生物相容性。本实验制备的HAP纳米纤维/GelMA复合水凝胶在组织工程领域有着良好的应用前景。
采用溶剂热法制备了具有超高长径比的羟基磷灰石(HAP)纳米纤维，并将其与甲基丙烯酸酐改性明胶(GelMA)结合，利用紫外光交联制备了HAP纳米纤维/GelMA复合水凝胶。通过SEM、XRD、力学测试、溶胀测试、降解测试、细胞培养等对HAP纳米纤维/GelMA复合水凝胶进行结构表征和性能测试。SEM断面观察表明，HAP纳米纤维/GelMA水凝胶呈三维孔隙贯通的多孔结构。力学实验表明，HAP纳米纤维能有效增强水凝胶的弹性模量，且随着HAP纳米纤维添加量的增加，力学性能增强效果越明显。溶胀实验表明，当HAP纳米纤维质量分数为5.2wt%~14.2wt%时，HAP纳米纤维复合水凝胶的溶胀率变化不明显，当质量分数为18.2wt%时，溶胀率降低。降解实验表明，HAP纳米纤维的加入能有效保持水凝胶结构形态，使其更加稳定可控。细胞包裹培养实验表明，HAP纳米纤维/GelMA复合水凝胶能为细胞提供良好的三维生长环境，表现出优良的生物相容性。本实验制备的HAP纳米纤维/GelMA复合水凝胶在组织工程领域有着良好的应用前景。
2020, 37(10): 2582-2589.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200313.001
摘要:
在碳纳米管(CNTs)的空腔中填充油酸(OA)以制备出CNTs/OA复合物，再以此复合物为添加剂制备一种纳米流体。对比研究了纳米流体的导电性能和润湿性能，考察了添加剂质量浓度、酸处理时间、测试温度、电润湿等条件对上述性能的影响。结果表明，OA被成功填充进CNTs内并形成复合物，填充率约20%，在填充过程中CNTs的端面也得到了化学修饰，CNTs的最佳酸化处理时间为8 h；与普通酸处理CNTs比，复合物在基液中具有更好的分散性和表面活性，能更好地提高纳米流体的导电性、润湿性，复合物的最佳浓度约为0.1%；电润湿条件下，随着电压的升高，复合物浓度高的纳米流体的润湿性能提升更明显，这可能是由于CNTs被OA填充后，其自身的电导率和电容得到提高，其所制备的纳米流体也具有更好的导电性和电容量特性。
在碳纳米管(CNTs)的空腔中填充油酸(OA)以制备出CNTs/OA复合物，再以此复合物为添加剂制备一种纳米流体。对比研究了纳米流体的导电性能和润湿性能，考察了添加剂质量浓度、酸处理时间、测试温度、电润湿等条件对上述性能的影响。结果表明，OA被成功填充进CNTs内并形成复合物，填充率约20%，在填充过程中CNTs的端面也得到了化学修饰，CNTs的最佳酸化处理时间为8 h；与普通酸处理CNTs比，复合物在基液中具有更好的分散性和表面活性，能更好地提高纳米流体的导电性、润湿性，复合物的最佳浓度约为0.1%；电润湿条件下，随着电压的升高，复合物浓度高的纳米流体的润湿性能提升更明显，这可能是由于CNTs被OA填充后，其自身的电导率和电容得到提高，其所制备的纳米流体也具有更好的导电性和电容量特性。
2020, 37(10): 2590-2601.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200203.002
摘要:
通过5根高强箍筋约束超高性能混凝土(Ultra high performance concrete，UHPC)柱及4根普通箍筋约束UHPC柱的轴心受压试验，对其承载力、破坏形态、钢筋应变及应力-应变曲线进行了研究，并结合延性、韧性指数分析了体积配箍率、箍筋强度、箍筋间距及形式对约束UHPC轴压性能的影响。结果表明：所有约束柱均表现为延性破坏，高强箍筋可减轻约束UHPC的破坏程度；高体积率、小间距、形式复杂的高强箍筋约束UHPC，约束效率高，承载力及变形能力提高显著，轴压性能较理想；体积配箍率对轴压性能的影响程度大于箍筋强度；影响体积配箍率变化的因素中，箍筋间距对改善约束性能的贡献最大，依次是箍筋形式和直径；高强箍筋可有效约束UHPC，在提高约束UHPC强度、变形性能及残余承载力方面明显优于普通箍筋；纵筋微曲会加速保护层剥离，密配高强箍筋能有效延迟纵筋屈曲，显著提高约束性能；纵筋微曲会削弱高强箍筋对核心UHPC的约束效果，建议采用高强纵筋与高强箍筋组合。在试验的基础上给出了能较准确预测箍筋约束UHPC柱承载力的计算式。
通过5根高强箍筋约束超高性能混凝土(Ultra high performance concrete，UHPC)柱及4根普通箍筋约束UHPC柱的轴心受压试验，对其承载力、破坏形态、钢筋应变及应力-应变曲线进行了研究，并结合延性、韧性指数分析了体积配箍率、箍筋强度、箍筋间距及形式对约束UHPC轴压性能的影响。结果表明：所有约束柱均表现为延性破坏，高强箍筋可减轻约束UHPC的破坏程度；高体积率、小间距、形式复杂的高强箍筋约束UHPC，约束效率高，承载力及变形能力提高显著，轴压性能较理想；体积配箍率对轴压性能的影响程度大于箍筋强度；影响体积配箍率变化的因素中，箍筋间距对改善约束性能的贡献最大，依次是箍筋形式和直径；高强箍筋可有效约束UHPC，在提高约束UHPC强度、变形性能及残余承载力方面明显优于普通箍筋；纵筋微曲会加速保护层剥离，密配高强箍筋能有效延迟纵筋屈曲，显著提高约束性能；纵筋微曲会削弱高强箍筋对核心UHPC的约束效果，建议采用高强纵筋与高强箍筋组合。在试验的基础上给出了能较准确预测箍筋约束UHPC柱承载力的计算式。
2020, 37(10): 2602-2609.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200316.002
摘要:
由于残余砂浆的存在，再生粗骨料的物理力学指标远不及天然骨料，致使再生混凝土力学和耐久性能较差；此外，水分及有害离子侵入混凝土内部是引起混凝土材料性能劣化的主要原因。本试验用质量分数为8wt%的硅烷乳液浸渍强化再生粗骨料，通过抗压强度、毛细吸水和抗氯离子侵蚀试验对硅烷浸渍前后不同骨料质量取代率(0%、30%、50%)的再生混凝土介质传输性能进行了研究，最后利用SEM对再生混凝土内部的微观结构进行分析。试验结果表明，硅烷浸渍处理再生粗骨料的吸水率显著降低，由其制备的混凝土强度稍有所下降；再生混凝土毛细累积吸水量明显减少，且抗氯盐侵蚀性能显著提高，其中骨料质量取代率为50%的再生混凝土浸渍处理后氯离子扩散系数降低了37.5%。研究表明，硅烷浸渍处理再生粗骨料是提高再生混凝土耐久性的有效途径。
由于残余砂浆的存在，再生粗骨料的物理力学指标远不及天然骨料，致使再生混凝土力学和耐久性能较差；此外，水分及有害离子侵入混凝土内部是引起混凝土材料性能劣化的主要原因。本试验用质量分数为8wt%的硅烷乳液浸渍强化再生粗骨料，通过抗压强度、毛细吸水和抗氯离子侵蚀试验对硅烷浸渍前后不同骨料质量取代率(0%、30%、50%)的再生混凝土介质传输性能进行了研究，最后利用SEM对再生混凝土内部的微观结构进行分析。试验结果表明，硅烷浸渍处理再生粗骨料的吸水率显著降低，由其制备的混凝土强度稍有所下降；再生混凝土毛细累积吸水量明显减少，且抗氯盐侵蚀性能显著提高，其中骨料质量取代率为50%的再生混凝土浸渍处理后氯离子扩散系数降低了37.5%。研究表明，硅烷浸渍处理再生粗骨料是提高再生混凝土耐久性的有效途径。
2020, 37(10): 2610-2618.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200225.001
摘要:
采用四电极法测量了弯曲荷载作用下智能混凝土梁受拉侧裂缝扩展过程的电阻变化率(ρFCR)，对比了碳黑（CB）、钢纤维（SF）、碳纤维（CF）不同组合及掺量对裂缝自监测灵敏度系数(K)的影响；并基于分形理论研究了归一化处理后的电阻变化率-裂缝扩展宽度曲线(ρ’FCR-w’COD)的粗糙程度，以反映不同导电材料对监测信号电阻变化率-裂缝扩展宽度曲线(ρFCR-wCOD)噪声水平的影响。研究表明：用线性函数拟合混凝土裂缝智能化自监测信号ρFCR-wCOD曲线的效果较好，K可用拟合直线的斜率来表征；随着SF掺量的增加，试件的K随之减小；双掺SF与纳米CB试件表现出最佳的裂缝智能化自监测性能，适量纳米CB的掺入对混凝土裂缝监测的K值有提升作用，同时可降低ρ’FCR-w’COD曲线的噪声水平，随着CB掺量的增加，试件的K值呈现先增后减、分形维数D值呈先减后增的规律，纳米CB的最佳掺量为1.0~1.5 kg/m3；CF的掺入对K值有一定的负面影响，但掺入CF的试件裂缝监测信号D值随导电相掺量变化而变化的程度不大。
采用四电极法测量了弯曲荷载作用下智能混凝土梁受拉侧裂缝扩展过程的电阻变化率(ρFCR)，对比了碳黑（CB）、钢纤维（SF）、碳纤维（CF）不同组合及掺量对裂缝自监测灵敏度系数(K)的影响；并基于分形理论研究了归一化处理后的电阻变化率-裂缝扩展宽度曲线(ρ’FCR-w’COD)的粗糙程度，以反映不同导电材料对监测信号电阻变化率-裂缝扩展宽度曲线(ρFCR-wCOD)噪声水平的影响。研究表明：用线性函数拟合混凝土裂缝智能化自监测信号ρFCR-wCOD曲线的效果较好，K可用拟合直线的斜率来表征；随着SF掺量的增加，试件的K随之减小；双掺SF与纳米CB试件表现出最佳的裂缝智能化自监测性能，适量纳米CB的掺入对混凝土裂缝监测的K值有提升作用，同时可降低ρ’FCR-w’COD曲线的噪声水平，随着CB掺量的增加，试件的K值呈现先增后减、分形维数D值呈先减后增的规律，纳米CB的最佳掺量为1.0~1.5 kg/m3；CF的掺入对K值有一定的负面影响，但掺入CF的试件裂缝监测信号D值随导电相掺量变化而变化的程度不大。
2020, 37(10): 2619-2635.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200319.001
摘要:
胶黏剂力学性能对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢结构的界面黏结性能影响显著。基于研制的胶黏剂配比，分析了不同纳米SiO2质量分数对胶黏剂常温固化后基本力学性能及微观结构的影响，制作了31个CFRP板-钢板双搭接试件，对其进行了常温固化后的承载能力、有效黏结长度、传力模式、黏结-滑移本构等试验研究，得出了纳米SiO2质量分数对CFRP板-钢板搭接试件界面黏结性能的影响规律，并与常用商品胶黏剂进行了比较。研究结果表明：随纳米SiO2质量分数的增加，胶黏剂应力-应变关系由线性转变为非线性，应变能、断裂伸长率及剪切强度分别最高提升了292.10%、202.88%和133.12%。微观结构分析表明纳米SiO2的添加使断面粗糙度显著增加，形成了密集的塑性空穴，产生了更多的微裂纹，使胶黏剂的韧性大幅度提高。当纳米SiO2质量分数从0增至1wt%，搭接试件破坏模式由界面破坏逐渐变为CFRP板层离破坏。掺入纳米SiO2能显著增加搭接试件的极限承载力(提升256.96%)及界面有效黏结长度(提升3倍)，提高CFRP表面的应变及界面剪应力峰值。纳米SiO2质量分数为0与0.5wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为双线性三角形模型，纳米SiO2质量分数为1wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为三线性梯形模型，黏结界面韧性大幅提升。CFRP-钢界面承载能力受胶黏剂拉伸强度与断裂伸长率的双重影响，非线性高强度(即具有较高应变能)胶黏剂对应的CFRP-钢搭接接头具有更好的界面性能。
胶黏剂力学性能对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢结构的界面黏结性能影响显著。基于研制的胶黏剂配比，分析了不同纳米SiO2质量分数对胶黏剂常温固化后基本力学性能及微观结构的影响，制作了31个CFRP板-钢板双搭接试件，对其进行了常温固化后的承载能力、有效黏结长度、传力模式、黏结-滑移本构等试验研究，得出了纳米SiO2质量分数对CFRP板-钢板搭接试件界面黏结性能的影响规律，并与常用商品胶黏剂进行了比较。研究结果表明：随纳米SiO2质量分数的增加，胶黏剂应力-应变关系由线性转变为非线性，应变能、断裂伸长率及剪切强度分别最高提升了292.10%、202.88%和133.12%。微观结构分析表明纳米SiO2的添加使断面粗糙度显著增加，形成了密集的塑性空穴，产生了更多的微裂纹，使胶黏剂的韧性大幅度提高。当纳米SiO2质量分数从0增至1wt%，搭接试件破坏模式由界面破坏逐渐变为CFRP板层离破坏。掺入纳米SiO2能显著增加搭接试件的极限承载力(提升256.96%)及界面有效黏结长度(提升3倍)，提高CFRP表面的应变及界面剪应力峰值。纳米SiO2质量分数为0与0.5wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为双线性三角形模型，纳米SiO2质量分数为1wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为三线性梯形模型，黏结界面韧性大幅提升。CFRP-钢界面承载能力受胶黏剂拉伸强度与断裂伸长率的双重影响，非线性高强度(即具有较高应变能)胶黏剂对应的CFRP-钢搭接接头具有更好的界面性能。
2020, 37(10): 2636-2644.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200225.003
摘要:
利用水热合成法，将金属Ce与合成金属有机骨架材料(MOFs)所需的反应前体混合，通过“一锅法”和“两步法”分别合成性能不同的Ce/MOF-5材料。采用SEM、XRD、BET等对合成材料进行表征。结果表明：不同的方法合成的Ce/MOF-5形貌有较大差异，对氟吸附性能也不同。并测定了初始浓度、pH值、吸附时间对F−吸附效果的影响。实验表明，通过“一锅法”合成的Ce/MOF-5材料对F−的吸附在pH=7、吸附时间为60 min左右即可达到吸附平衡，吸附量为109.6 mg·g−1，符合准二级动力学模型和Freundlich等温吸附模型。
利用水热合成法，将金属Ce与合成金属有机骨架材料(MOFs)所需的反应前体混合，通过“一锅法”和“两步法”分别合成性能不同的Ce/MOF-5材料。采用SEM、XRD、BET等对合成材料进行表征。结果表明：不同的方法合成的Ce/MOF-5形貌有较大差异，对氟吸附性能也不同。并测定了初始浓度、pH值、吸附时间对F−吸附效果的影响。实验表明，通过“一锅法”合成的Ce/MOF-5材料对F−的吸附在pH=7、吸附时间为60 min左右即可达到吸附平衡，吸附量为109.6 mg·g−1，符合准二级动力学模型和Freundlich等温吸附模型。
2020, 37(10): 2645-2655.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200212.001
摘要:
研究了低周循环荷载下碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土(RC)柱的抗震性能的尺寸效应，并以边长为150~450 mm、剪跨比均为3的三组几何相似的钢筋混凝土柱为试验研究对象，考虑了CFRP层数、构件尺寸和轴压比等变量的影响。研究结果表明：在相同的截面尺寸和轴压比下，CFRP加固RC柱的水平承载能力、耗能能力、延性和水平位移相对于未加固柱均得到了不同程度的改善，并且存在尺寸效应；CFRP加固RC柱的无量纲水平承载力会随着构件尺寸的增加而减小，尺寸效应明显；随着CFRP加固RC柱的尺寸增加，构件的安全储备系数明显减小。
研究了低周循环荷载下碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土(RC)柱的抗震性能的尺寸效应，并以边长为150~450 mm、剪跨比均为3的三组几何相似的钢筋混凝土柱为试验研究对象，考虑了CFRP层数、构件尺寸和轴压比等变量的影响。研究结果表明：在相同的截面尺寸和轴压比下，CFRP加固RC柱的水平承载能力、耗能能力、延性和水平位移相对于未加固柱均得到了不同程度的改善，并且存在尺寸效应；CFRP加固RC柱的无量纲水平承载力会随着构件尺寸的增加而减小，尺寸效应明显；随着CFRP加固RC柱的尺寸增加，构件的安全储备系数明显减小。
2020, 37(10): 2367-2375.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200622.003
摘要:
热致形状记忆复合材料(SMPC)是一种能够对外界温度刺激做出响应的智能材料，与传统热致SMPC相比，高导热石墨烯(GR)-碳纤维(CF)混杂增强热致SMPC具有形状记忆性能优良、比强度高和导热性强等一系列优异性能，近年来受到人们广泛的关注并开展了相关研究。本文从形状记忆材料相关历史起源与应用入手，聚焦GR-CF混杂增强热致SMPC研究前沿问题，分别对该复合材料浸渗规律、成型工艺、形状记忆性能强化规律和弯曲失效规律四个方面的国内外研究现状进行了文献综述，并结合现有研究情况对其中出现的难题进行了探讨，最后指出了该热致SMPC未来有待深入研究的方向。
热致形状记忆复合材料(SMPC)是一种能够对外界温度刺激做出响应的智能材料，与传统热致SMPC相比，高导热石墨烯(GR)-碳纤维(CF)混杂增强热致SMPC具有形状记忆性能优良、比强度高和导热性强等一系列优异性能，近年来受到人们广泛的关注并开展了相关研究。本文从形状记忆材料相关历史起源与应用入手，聚焦GR-CF混杂增强热致SMPC研究前沿问题，分别对该复合材料浸渗规律、成型工艺、形状记忆性能强化规律和弯曲失效规律四个方面的国内外研究现状进行了文献综述，并结合现有研究情况对其中出现的难题进行了探讨，最后指出了该热致SMPC未来有待深入研究的方向。
2020, 37(10): 2376-2385.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200701.001
摘要:
无金属粘结剂WC硬质合金(Binderless tungsten carbide, BTC)硬度高，具有良好的耐磨性、耐腐蚀性，被广泛应用于刀具、耐磨零件等领域，成为近年来硬质合金领域的研究热点。然而，由于没有添加金属粘结剂，其在烧结过程中易出现晶粒长大，致密化难度加大，对烧结方法烧结工艺的要求较高，韧性难与金属粘结剂WC硬质合金相媲美。因此，一些研究人员通过添加非金属粘结剂及调整烧结工艺等方法抑制晶粒长大、促进其致密化，有效改善了BTC材料的性能。本文对于应用金属氧化物、金属碳化物、碳材料及复合增强增韧来提高BTC性能的研究进行综述，介绍了添加剂的种类、增强增韧机制及可以改善材料性能的烧结方法及烧结工艺。
无金属粘结剂WC硬质合金(Binderless tungsten carbide, BTC)硬度高，具有良好的耐磨性、耐腐蚀性，被广泛应用于刀具、耐磨零件等领域，成为近年来硬质合金领域的研究热点。然而，由于没有添加金属粘结剂，其在烧结过程中易出现晶粒长大，致密化难度加大，对烧结方法烧结工艺的要求较高，韧性难与金属粘结剂WC硬质合金相媲美。因此，一些研究人员通过添加非金属粘结剂及调整烧结工艺等方法抑制晶粒长大、促进其致密化，有效改善了BTC材料的性能。本文对于应用金属氧化物、金属碳化物、碳材料及复合增强增韧来提高BTC性能的研究进行综述，介绍了添加剂的种类、增强增韧机制及可以改善材料性能的烧结方法及烧结工艺。
2020, 37(10): 2386-2393.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190902.003
摘要:
使用二乙基次磷酸铝(ADP)与埃洛石纳米管(HNTs)作为阻燃体系，采用熔融共混法对尼龙66(PA66)进行阻燃改性，研究了ADP与HNTs的配比对ADP-HNTs/PA66复合材料的阻燃性能、力学性能及热稳定性的影响，对燃烧残炭进行SEM观察，通过TG-IR和FTIR的手段研究阻燃机制。研究发现，ADP-HNTs/PA66复合材料的阻燃性能随HNTs的比例增大而先增高后下降，在阻燃体系为11wt%ADP-1wt%HNTs时，ADP-HNTs/PA66复合材料的UL94阻燃等级为V-0级，极限氧指数(LOI)为35.6%，具有协效阻燃作用；拉伸强度及断裂伸长率随ADP-HNTs阻燃体系中HNTs的比例在一定范围内增大而逐渐增大，冲击强度则逐渐下降；TG分析表明，HNTs能够促进成炭，减缓降解；SEM结果显示，ADP-HNTs阻燃体系能够形成连续致密炭层；TG-IR和FTIR分析表明，ADP兼具气相及凝聚相阻燃，HNTs能够在凝聚相中与ADP产生相互作用，促进交联成炭。
使用二乙基次磷酸铝(ADP)与埃洛石纳米管(HNTs)作为阻燃体系，采用熔融共混法对尼龙66(PA66)进行阻燃改性，研究了ADP与HNTs的配比对ADP-HNTs/PA66复合材料的阻燃性能、力学性能及热稳定性的影响，对燃烧残炭进行SEM观察，通过TG-IR和FTIR的手段研究阻燃机制。研究发现，ADP-HNTs/PA66复合材料的阻燃性能随HNTs的比例增大而先增高后下降，在阻燃体系为11wt%ADP-1wt%HNTs时，ADP-HNTs/PA66复合材料的UL94阻燃等级为V-0级，极限氧指数(LOI)为35.6%，具有协效阻燃作用；拉伸强度及断裂伸长率随ADP-HNTs阻燃体系中HNTs的比例在一定范围内增大而逐渐增大，冲击强度则逐渐下降；TG分析表明，HNTs能够促进成炭，减缓降解；SEM结果显示，ADP-HNTs阻燃体系能够形成连续致密炭层；TG-IR和FTIR分析表明，ADP兼具气相及凝聚相阻燃，HNTs能够在凝聚相中与ADP产生相互作用，促进交联成炭。
2020, 37(10): 2394-2400.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200215.001
摘要:
采用DSC、TG、FTIR和流变仪对KH-370聚酰亚胺树脂的化学反应特性和流变性能进行了表征。以QWB200石英纤维为增强体，采用热压成型工艺制备了QWB200/KH-370复合材料。研究了加压温度、压力大小、固化温度等不同工艺参数对QWB200/KH-370复合材料力学性能的影响，在此基础上确定了复合材料的成型工艺制度。考察了QWB200/KH-370复合材料400℃高温下的力学强度及宽频范围内的介电性能。结果表明，制备QWB200/KH-370复合材料的最佳工艺参数为：加压温度290~310℃，压力范围3.0~4.0 MPa，固化温度380℃。所得QWB200/KH-370复合材料具有良好的力学性能，400℃下力学强度保持率高于58%，表现出良好的耐热性能；而且在1~18 GHz的宽频范围内具有稳定的介电常数和介电损耗。
采用DSC、TG、FTIR和流变仪对KH-370聚酰亚胺树脂的化学反应特性和流变性能进行了表征。以QWB200石英纤维为增强体，采用热压成型工艺制备了QWB200/KH-370复合材料。研究了加压温度、压力大小、固化温度等不同工艺参数对QWB200/KH-370复合材料力学性能的影响，在此基础上确定了复合材料的成型工艺制度。考察了QWB200/KH-370复合材料400℃高温下的力学强度及宽频范围内的介电性能。结果表明，制备QWB200/KH-370复合材料的最佳工艺参数为：加压温度290~310℃，压力范围3.0~4.0 MPa，固化温度380℃。所得QWB200/KH-370复合材料具有良好的力学性能，400℃下力学强度保持率高于58%，表现出良好的耐热性能；而且在1~18 GHz的宽频范围内具有稳定的介电常数和介电损耗。
2020, 37(10): 2401-2408.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200106.001
摘要:
借鉴陶瓷材料模压成型工艺提出了适用于环氧树脂基固体浮力材料制备的真空辅助模压成型自由固化方法，实现了固体浮力材料制备过程中成型与固化环节的分离，为高性能固体浮力材料的制备提供了新方法。以环氧树脂(E-4221)为基体，空心玻璃微珠(Hollow glass microsphere, HGMS)做填充材料，采用模压成型自由固化方法制备高HGMS体积分数的HGMS/E-4221固体浮力材料，研究了HGMS体积分数、成型压力对HGMS/E-4221固体浮力材料密度、抗压强度、吸水率等性能的影响。结果表明，真空辅助模压成型自由固化方法适用于HGMS体积分数为65%~67%的HGMS/E-4221固体浮力材料制备，所获得的HGMS/E-4221固体浮力材料密度为0.621~0.655 g/cm3，适用深度可达到8 000~10 000 m。
借鉴陶瓷材料模压成型工艺提出了适用于环氧树脂基固体浮力材料制备的真空辅助模压成型自由固化方法，实现了固体浮力材料制备过程中成型与固化环节的分离，为高性能固体浮力材料的制备提供了新方法。以环氧树脂(E-4221)为基体，空心玻璃微珠(Hollow glass microsphere, HGMS)做填充材料，采用模压成型自由固化方法制备高HGMS体积分数的HGMS/E-4221固体浮力材料，研究了HGMS体积分数、成型压力对HGMS/E-4221固体浮力材料密度、抗压强度、吸水率等性能的影响。结果表明，真空辅助模压成型自由固化方法适用于HGMS体积分数为65%~67%的HGMS/E-4221固体浮力材料制备，所获得的HGMS/E-4221固体浮力材料密度为0.621~0.655 g/cm3，适用深度可达到8 000~10 000 m。
2020, 37(10): 2409-2417.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200110.001
摘要:
设计制备了3种不同结构的多层多向层联三维机织复合材料(M3DAWC)，利用非接触式全场应变测量系统和SEM对其拉伸性能进行了研究。研究表明，织物结构对M3DAWC的宏观力学行为有重要的影响，沿0°方向拉伸，破坏模式随着斜向纱体积分数的增加，从齐口破坏演变为斜向纱的抽拔失效，沿90°方向拉伸，破坏模式基本一致，表现为斜向纱的抽拔和滑脱。同时，斜向纱体积分数对M3DAWC的拉伸强度和拉伸模量也有显著影响，沿0°方向拉伸，随着斜向纱体积分数的增加，拉伸强度和拉伸模量逐渐减小，沿90°方向拉伸则表现出相反的变化规律。
设计制备了3种不同结构的多层多向层联三维机织复合材料(M3DAWC)，利用非接触式全场应变测量系统和SEM对其拉伸性能进行了研究。研究表明，织物结构对M3DAWC的宏观力学行为有重要的影响，沿0°方向拉伸，破坏模式随着斜向纱体积分数的增加，从齐口破坏演变为斜向纱的抽拔失效，沿90°方向拉伸，破坏模式基本一致，表现为斜向纱的抽拔和滑脱。同时，斜向纱体积分数对M3DAWC的拉伸强度和拉伸模量也有显著影响，沿0°方向拉伸，随着斜向纱体积分数的增加，拉伸强度和拉伸模量逐渐减小，沿90°方向拉伸则表现出相反的变化规律。
2020, 37(10): 2418-2427.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200215.002
摘要:
通过双悬臂梁试验(DCB)研究了金属表面处理和界面插层协同作用对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-热成型钢超混杂层合板层间力学性能的影响。试验结果表明，采用金属表面处理与界面插层协同增韧方案，可以极大地提升层合板的I型层间断裂韧性。其中，喷砂/界面胶膜插层试件(GB36#/AF)的I型层间断裂韧性相比于脱脂试件提高了343%；喷砂/界面纯树脂插层试件(GB36#/EP)相比于脱脂试件，其Ⅰ型层间断裂韧性提高了129%。并基于内聚区模型对CFRP-热成型钢超混杂层合板分层失效进行了有限元模拟。最后借助激光共聚焦扫描显微镜(LSM)、接触角测量仪(CAG)、扫描电子显微镜(SEM)等对热成型钢表面形貌和试件的断裂面进行了表征并揭示了层间增韧的机制。
通过双悬臂梁试验(DCB)研究了金属表面处理和界面插层协同作用对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-热成型钢超混杂层合板层间力学性能的影响。试验结果表明，采用金属表面处理与界面插层协同增韧方案，可以极大地提升层合板的I型层间断裂韧性。其中，喷砂/界面胶膜插层试件(GB36#/AF)的I型层间断裂韧性相比于脱脂试件提高了343%；喷砂/界面纯树脂插层试件(GB36#/EP)相比于脱脂试件，其Ⅰ型层间断裂韧性提高了129%。并基于内聚区模型对CFRP-热成型钢超混杂层合板分层失效进行了有限元模拟。最后借助激光共聚焦扫描显微镜(LSM)、接触角测量仪(CAG)、扫描电子显微镜(SEM)等对热成型钢表面形貌和试件的断裂面进行了表征并揭示了层间增韧的机制。
2020, 37(10): 2428-2438.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200219.003
摘要:
为了解决南海岛礁强腐蚀海洋环境下普通钢筋混凝土结构耐久性不足的问题，提出一种新型玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋增强珊瑚礁砂混凝土柱。对15根混凝土柱进行了轴压试验，分析了试件的受力过程和破坏形态，获得了荷载-位移和荷载-应变曲线，揭示了BFRP筋增强珊瑚礁砂混凝土柱的破坏机制。结果表明：BFRP筋增强珊瑚礁砂混凝土柱破坏模式具有三阶段特征，破坏始于强度较低的珊瑚礁石骨料，最终为珊瑚礁石骨料和交界面的整体破坏；相同配筋率下，BFRP筋增强珊瑚礁砂混凝土柱的承载力与钢筋增强珊瑚礁砂混凝土柱相当。
为了解决南海岛礁强腐蚀海洋环境下普通钢筋混凝土结构耐久性不足的问题，提出一种新型玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋增强珊瑚礁砂混凝土柱。对15根混凝土柱进行了轴压试验，分析了试件的受力过程和破坏形态，获得了荷载-位移和荷载-应变曲线，揭示了BFRP筋增强珊瑚礁砂混凝土柱的破坏机制。结果表明：BFRP筋增强珊瑚礁砂混凝土柱破坏模式具有三阶段特征，破坏始于强度较低的珊瑚礁石骨料，最终为珊瑚礁石骨料和交界面的整体破坏；相同配筋率下，BFRP筋增强珊瑚礁砂混凝土柱的承载力与钢筋增强珊瑚礁砂混凝土柱相当。
2020, 37(10): 2439-2451.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200121.002
摘要:
对复合材料自动铺丝和手工铺丝两种T型加筋曲板进行了单轴压缩试验，采用基于数字图像相关技术(Digital image correlation, DIC)的三维光学测量方法对该型加筋曲板的局部屈曲及后屈曲波形进行实时监测，并与传统应变、位移测量结果进行了对比分析。试验结果表明：DIC能够准确捕捉整个试验过程中的位移场，使用DIC设备观测到的屈曲模态与应变片数据反映的波形具有良好的一致性；不同于传统测量方法，DIC能够准确捕捉蒙皮在后屈曲阶段的屈曲模态转换的全过程；利用DIC技术能够对试验不同时间节点(即不同载荷水平)的屈曲模态进行清晰、直观的观测，因而能够较准确地获得结构的屈曲载荷，该载荷与由应变-载荷曲线确定的屈曲载荷相比，误差小于5%。采用ABAQUS有限元软件对试验过程进行了数值仿真分析，并通过与试验结果的对比表明了计算结果、DIC测量结果与传统方法测量结果三者具有良好的一致性。
对复合材料自动铺丝和手工铺丝两种T型加筋曲板进行了单轴压缩试验，采用基于数字图像相关技术(Digital image correlation, DIC)的三维光学测量方法对该型加筋曲板的局部屈曲及后屈曲波形进行实时监测，并与传统应变、位移测量结果进行了对比分析。试验结果表明：DIC能够准确捕捉整个试验过程中的位移场，使用DIC设备观测到的屈曲模态与应变片数据反映的波形具有良好的一致性；不同于传统测量方法，DIC能够准确捕捉蒙皮在后屈曲阶段的屈曲模态转换的全过程；利用DIC技术能够对试验不同时间节点(即不同载荷水平)的屈曲模态进行清晰、直观的观测，因而能够较准确地获得结构的屈曲载荷，该载荷与由应变-载荷曲线确定的屈曲载荷相比，误差小于5%。采用ABAQUS有限元软件对试验过程进行了数值仿真分析，并通过与试验结果的对比表明了计算结果、DIC测量结果与传统方法测量结果三者具有良好的一致性。
2020, 37(10): 2452-2462.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200102.002
摘要:
为研究编织复合材料在静载及疲劳载荷下的分层特性及损伤演化模式，对斜纹编织CF3052/3238A碳纤维/环氧树脂复合材料II型静开裂及疲劳开裂性能进行了测试。结果表明：斜纹编织CF3052/3238A碳纤维/环氧树脂复合材料裂纹扩展行为受纬向纤维影响存在周期性局部受阻现象，分层破坏模式除层间开裂外还存在纬向纤维脱粘；斜纹编织CF3052/3238A碳纤维/环氧树脂复合材料裂纹扩展速率符合Paris公式，不同加载控制模式下编织复合材料疲劳驱动力增长规律存在本质区别：恒幅疲劳载荷下斜纹编织复合材料疲劳驱动力呈抛物线型单调增长；而恒幅疲劳位移下复合材料疲劳驱动力随分层长度呈波峰型分布；采用基于载荷控制模式和位移控制模式下的疲劳驱动力模型，可对斜纹编织CF3052/3238A碳纤维/环氧树脂复合材料进行损伤演化表征，其表征效果良好，具有工程参考价值。
为研究编织复合材料在静载及疲劳载荷下的分层特性及损伤演化模式，对斜纹编织CF3052/3238A碳纤维/环氧树脂复合材料II型静开裂及疲劳开裂性能进行了测试。结果表明：斜纹编织CF3052/3238A碳纤维/环氧树脂复合材料裂纹扩展行为受纬向纤维影响存在周期性局部受阻现象，分层破坏模式除层间开裂外还存在纬向纤维脱粘；斜纹编织CF3052/3238A碳纤维/环氧树脂复合材料裂纹扩展速率符合Paris公式，不同加载控制模式下编织复合材料疲劳驱动力增长规律存在本质区别：恒幅疲劳载荷下斜纹编织复合材料疲劳驱动力呈抛物线型单调增长；而恒幅疲劳位移下复合材料疲劳驱动力随分层长度呈波峰型分布；采用基于载荷控制模式和位移控制模式下的疲劳驱动力模型，可对斜纹编织CF3052/3238A碳纤维/环氧树脂复合材料进行损伤演化表征，其表征效果良好，具有工程参考价值。
2020, 37(10): 2463-2472.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191221.001
摘要:
对复合材料机身曲板进行了环向弯曲加载试验，采用四点弯加载方式对考核段进行纯弯加载，设计一种加强连接方式避免加载段提前破坏，通过试验对机身曲板的环向稳定性和破坏模式进行了分析。同时，建立了基于内聚力单元的考虑长桁与蒙皮粘接界面损伤的有限元模型，分别使用Quads准则和Hashin准则作为界面和层合板的失效判据分析曲板结构的失效机制，计算结果与试验结果吻合较好。试验及有限元分析结果表明，长桁帽底蒙皮的局部屈曲引起长桁与蒙皮粘接的R区出现初始开裂，并最终扩展为长桁脱粘。随着蒙皮屈曲及长桁脱粘的扩大，蒙皮由局部屈曲变为整体失稳而失去承载能力，最终导致隔框承载过大而发生断裂。根据初始损伤模式，采取了长桁帽内全包工艺改进设计，改进后的曲板结构稳定性和承载能力分别提高了21.9%和16.8%。
对复合材料机身曲板进行了环向弯曲加载试验，采用四点弯加载方式对考核段进行纯弯加载，设计一种加强连接方式避免加载段提前破坏，通过试验对机身曲板的环向稳定性和破坏模式进行了分析。同时，建立了基于内聚力单元的考虑长桁与蒙皮粘接界面损伤的有限元模型，分别使用Quads准则和Hashin准则作为界面和层合板的失效判据分析曲板结构的失效机制，计算结果与试验结果吻合较好。试验及有限元分析结果表明，长桁帽底蒙皮的局部屈曲引起长桁与蒙皮粘接的R区出现初始开裂，并最终扩展为长桁脱粘。随着蒙皮屈曲及长桁脱粘的扩大，蒙皮由局部屈曲变为整体失稳而失去承载能力，最终导致隔框承载过大而发生断裂。根据初始损伤模式，采取了长桁帽内全包工艺改进设计，改进后的曲板结构稳定性和承载能力分别提高了21.9%和16.8%。
2020, 37(10): 2473-2481.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20191224.002
摘要:
为了研究纤维增强树脂复合材料在疲劳载荷作用下的损伤发展规律，提出了一种基于复合材料剩余强度的归一化衍生疲劳损伤模型。在该模型中，假定累积损伤与应力水平呈线性关系，可以由拉-拉疲劳试验的应力水平的损伤曲线衍生出未试验的应力水平的损伤曲线。对直径为8 mm的碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)索材进行了不同应力幅的疲劳试验，并同时采用了文献中玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)层合板的试验数据验证模型的可靠性，试验结果表明：损伤模型能较好地反映出三阶段的发展规律，衍生的损伤曲线与试验数据拟合出来的损伤曲线偏离度较小。此外，本文还研究了应力水平对复合材料损伤演化的影响，结果表明随着应力水平的增大，损伤曲线相邻阶段的边界变得不明显。
为了研究纤维增强树脂复合材料在疲劳载荷作用下的损伤发展规律，提出了一种基于复合材料剩余强度的归一化衍生疲劳损伤模型。在该模型中，假定累积损伤与应力水平呈线性关系，可以由拉-拉疲劳试验的应力水平的损伤曲线衍生出未试验的应力水平的损伤曲线。对直径为8 mm的碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)索材进行了不同应力幅的疲劳试验，并同时采用了文献中玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)层合板的试验数据验证模型的可靠性，试验结果表明：损伤模型能较好地反映出三阶段的发展规律，衍生的损伤曲线与试验数据拟合出来的损伤曲线偏离度较小。此外，本文还研究了应力水平对复合材料损伤演化的影响，结果表明随着应力水平的增大，损伤曲线相邻阶段的边界变得不明显。
2020, 37(10): 2482-2488.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200111.004
摘要:
气泡和气隙严重影响环氧树脂基复合材料的导热性能，研究气泡和气隙对复合材料热导率的影响有助于提高导热模型的准确性，可为进一步优化环氧树脂基复合材料的导热性能提供指导方向。采用有限元方法建立一种含气泡、气隙的六方氮化硼(h-BN) /环氧树脂复合材料单胞模型，分析气泡、气隙的尺寸和数量对复合材料导热性能的影响。通过与其他模型、实验数据的对比对模型的有效性进行了验证。结果表明，随着气泡尺寸和数量的增加，h-BN/环氧树脂复合材料热导率逐渐下降，且热导率随气泡尺寸的变化曲线存在转折点，直径大于单胞厚度的气泡对复合材料热导率的影响较大。随着气隙直径和厚度的增加，h-BN/环氧树脂复合材料热导率先缓慢后快速减小、最后呈直线趋势下降；随着气隙数量的增加，h-BN/环氧树脂复合材料热导率逐渐下降，且相较于基材中的气隙，位于填料与基材界面处的气隙对热导率的减弱更显著。
气泡和气隙严重影响环氧树脂基复合材料的导热性能，研究气泡和气隙对复合材料热导率的影响有助于提高导热模型的准确性，可为进一步优化环氧树脂基复合材料的导热性能提供指导方向。采用有限元方法建立一种含气泡、气隙的六方氮化硼(h-BN) /环氧树脂复合材料单胞模型，分析气泡、气隙的尺寸和数量对复合材料导热性能的影响。通过与其他模型、实验数据的对比对模型的有效性进行了验证。结果表明，随着气泡尺寸和数量的增加，h-BN/环氧树脂复合材料热导率逐渐下降，且热导率随气泡尺寸的变化曲线存在转折点，直径大于单胞厚度的气泡对复合材料热导率的影响较大。随着气隙直径和厚度的增加，h-BN/环氧树脂复合材料热导率先缓慢后快速减小、最后呈直线趋势下降；随着气隙数量的增加，h-BN/环氧树脂复合材料热导率逐渐下降，且相较于基材中的气隙，位于填料与基材界面处的气隙对热导率的减弱更显著。
2020, 37(10): 2489-2500.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200203.001
摘要:
采用真空熔覆技术制备了WC-氧化石墨烯(GO)/Ni复合熔覆层，运用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪观察并分析在不同温度下熔覆层内显微形貌的变化与物相组成。结果表明：在ZG45表面制备了组织致密、与基体形成良好冶金熔合的WC-GO/Ni复合熔覆层；熔覆层的微观结构组成从表面至基体依次是约1.5 mm厚的复合层、360 μm左右的过渡层、50 μm左右的扩散熔合层和100 μm左右的扩散影响层，其主要组成相有Cr7C3、FeNi3、WC、Cr23C6、Ni3Si、C、Fe7W6、γ-Ni固溶体等，FeNi3、Fe7W6分散在冶金熔合带，扩散影响区主要组织为珠光体；复合区的物相尺寸小于界面区的物相尺寸，熔覆层形成过程中复合区的金属颗粒变化先于界面区，凝固时熔化不完全的颗粒表面长出团簇物(Cr7C3/Cr23C6)，随着保温长大逐渐变成针状物镶嵌在Ni基固溶体中。
采用真空熔覆技术制备了WC-氧化石墨烯(GO)/Ni复合熔覆层，运用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪观察并分析在不同温度下熔覆层内显微形貌的变化与物相组成。结果表明：在ZG45表面制备了组织致密、与基体形成良好冶金熔合的WC-GO/Ni复合熔覆层；熔覆层的微观结构组成从表面至基体依次是约1.5 mm厚的复合层、360 μm左右的过渡层、50 μm左右的扩散熔合层和100 μm左右的扩散影响层，其主要组成相有Cr7C3、FeNi3、WC、Cr23C6、Ni3Si、C、Fe7W6、γ-Ni固溶体等，FeNi3、Fe7W6分散在冶金熔合带，扩散影响区主要组织为珠光体；复合区的物相尺寸小于界面区的物相尺寸，熔覆层形成过程中复合区的金属颗粒变化先于界面区，凝固时熔化不完全的颗粒表面长出团簇物(Cr7C3/Cr23C6)，随着保温长大逐渐变成针状物镶嵌在Ni基固溶体中。
2020, 37(10): 2501-2511.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200111.003
摘要:
通过对比分析Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在纯腐蚀、纯磨损及熔蚀-磨损三种条件下的材料流失特征，研究了Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在Al液中的熔蚀-磨损行为及熔蚀与磨损的交互作用机制。结果表明，Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在Al液中的熔蚀-磨损体积损失比H13钢的体积损失低了两个数量级，随着载荷和转速的上升，Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料的磨损由磨粒磨损逐渐向黏着磨损转变。Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料的熔蚀、磨损交互作用率的最大值为47.5%，在低载荷或低转速条件下由于铝熔体的润滑作用，Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料甚至表现出负的交互作用。这一方面是由于Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在Al液中腐蚀时不生成其它界面产物，而仅为极少量Ti元素的溶解；另一方面则是由于TiAl3基体与Al2O3二者所形成的空间网络状结构改善了Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在Al液中的耐磨损性能。
通过对比分析Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在纯腐蚀、纯磨损及熔蚀-磨损三种条件下的材料流失特征，研究了Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在Al液中的熔蚀-磨损行为及熔蚀与磨损的交互作用机制。结果表明，Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在Al液中的熔蚀-磨损体积损失比H13钢的体积损失低了两个数量级，随着载荷和转速的上升，Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料的磨损由磨粒磨损逐渐向黏着磨损转变。Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料的熔蚀、磨损交互作用率的最大值为47.5%，在低载荷或低转速条件下由于铝熔体的润滑作用，Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料甚至表现出负的交互作用。这一方面是由于Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在Al液中腐蚀时不生成其它界面产物，而仅为极少量Ti元素的溶解；另一方面则是由于TiAl3基体与Al2O3二者所形成的空间网络状结构改善了Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在Al液中的耐磨损性能。
2020, 37(10): 2512-2517.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200221.001
摘要:
采用球磨-转喷微注相结合的新工艺制备纳米Al2O3颗粒(Al2O3p)/Al(7075)复合材料，设计一种转喷微注装置，该装置能将连续、微量的纳米Al2O3p注入到Al熔体中。观察纳米Al2O3增强相对Al(7075)基体合金材料微观组织的影响，并测试Al(7075)基体和纳米Al2O3p/Al(7075)复合材料的磨损特性。对纳米Al2O3p/Al(7075)复合材料和Al(7075)基体在不同载荷(15 N、25 N和35 N)下的磨损特性进行对比研究。结果表明：球磨-转喷微注法制备的纳米Al2O3p/Al(7075)复合材料晶粒较小，且增强相在基体中分布均匀且结合良好；随着载荷增大，纳米Al2O3p/Al(7075)复合材料磨损量的上升趋势慢于Al(7075)基体。载荷为35 N时，纳米Al2O3p/Al(7075)复合材料的磨损量较Al(7075)基体少，磨屑尺寸较小，其耐磨性能明显改善，这主要得益于纳米Al2O3p的支撑作用和材料的细晶强化作用。
采用球磨-转喷微注相结合的新工艺制备纳米Al2O3颗粒(Al2O3p)/Al(7075)复合材料，设计一种转喷微注装置，该装置能将连续、微量的纳米Al2O3p注入到Al熔体中。观察纳米Al2O3增强相对Al(7075)基体合金材料微观组织的影响，并测试Al(7075)基体和纳米Al2O3p/Al(7075)复合材料的磨损特性。对纳米Al2O3p/Al(7075)复合材料和Al(7075)基体在不同载荷(15 N、25 N和35 N)下的磨损特性进行对比研究。结果表明：球磨-转喷微注法制备的纳米Al2O3p/Al(7075)复合材料晶粒较小，且增强相在基体中分布均匀且结合良好；随着载荷增大，纳米Al2O3p/Al(7075)复合材料磨损量的上升趋势慢于Al(7075)基体。载荷为35 N时，纳米Al2O3p/Al(7075)复合材料的磨损量较Al(7075)基体少，磨屑尺寸较小，其耐磨性能明显改善，这主要得益于纳米Al2O3p的支撑作用和材料的细晶强化作用。
2020, 37(10): 2518-2525.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200226.001
摘要:
为探究蜂窝预制体孔径对WC/Fe复合材料中W扩散均匀性的影响，采用真空消失模铸渗(V-EPC)工艺制备不同孔径下的复合材料。检测W质量分数分布，发现预制体孔径较小或较大时W质量分数分布不均匀；而预制体孔径适中时W质量分数分布较均匀，其原孔壁与原孔心处W质量分数与硬度相差最小，复合层耐磨性最高。基于扩散动力学进行模拟，表明W扩散均匀性同时受扩散距离与扩散时间的影响。预制体孔径较小时，扩散距离虽短，但其孔内熔体凝固较快，扩散时间较短，不利于W扩散；预制体孔径较大时，其孔内熔体凝固虽慢，扩散时间较长，但扩散距离增长，仍不利于W扩散；预制体孔径适中时，因兼顾扩散距离与扩散时间，利于W扩散。W扩散均匀性较差时，预制体原孔心处W质量分数较小，硬度也较低，一定范围内降低复合层耐磨性。
为探究蜂窝预制体孔径对WC/Fe复合材料中W扩散均匀性的影响，采用真空消失模铸渗(V-EPC)工艺制备不同孔径下的复合材料。检测W质量分数分布，发现预制体孔径较小或较大时W质量分数分布不均匀；而预制体孔径适中时W质量分数分布较均匀，其原孔壁与原孔心处W质量分数与硬度相差最小，复合层耐磨性最高。基于扩散动力学进行模拟，表明W扩散均匀性同时受扩散距离与扩散时间的影响。预制体孔径较小时，扩散距离虽短，但其孔内熔体凝固较快，扩散时间较短，不利于W扩散；预制体孔径较大时，其孔内熔体凝固虽慢，扩散时间较长，但扩散距离增长，仍不利于W扩散；预制体孔径适中时，因兼顾扩散距离与扩散时间，利于W扩散。W扩散均匀性较差时，预制体原孔心处W质量分数较小，硬度也较低，一定范围内降低复合层耐磨性。
2020, 37(10): 2526-2533.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200217.001
摘要:
采用粉末冶金工艺制备了不同配比的多粒径(2 μm+10 μm+50 μm) TiB2/Cu复合材料。通过JF04C触点材料测试系统对多粒径TiB2/Cu复合材料进行耐电弧侵蚀性能试验，研究(2 μm+10 μm+50 μm) TiB2颗粒质量比分别为1∶1∶1、1∶1∶3、1∶3∶1、3∶1∶1时，TiB2/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能及电弧侵蚀形貌变化规律，探究多粒径配比对TiB2/Cu复合材料表层耐电弧侵蚀行为的影响。结果表明：当(2 μm+10 μm+50 μm) TiB2颗粒质量比为1∶1∶1时，TiB2/Cu复合材料相对密度和导电率最高，分别为99.1%和87.1%IACS。当(2 μm+10 μm+50 μm) TiB2颗粒质量比为1∶1∶1和1∶3∶1时，TiB2/Cu复合材料的组织均匀性较好，电弧侵蚀后材料损失相同，材料转移量最少。其中，质量比为1∶3∶1时，TiB2/Cu复合材料平均燃弧能量最低，且燃弧时间和燃弧能量最稳定。研究表明，这与复合材料的综合物理性能密切相关。在颗粒增强Cu基复合材料设计过程中，引入合适配比的多粒径TiB2颗粒有助于提高TiB2/Cu复合材料的密度、导电率等综合物理性能。电弧侵蚀过程中，不同粒径的TiB2颗粒相互协同作用，有助于提高TiB2/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能和服役稳定性。
采用粉末冶金工艺制备了不同配比的多粒径(2 μm+10 μm+50 μm) TiB2/Cu复合材料。通过JF04C触点材料测试系统对多粒径TiB2/Cu复合材料进行耐电弧侵蚀性能试验，研究(2 μm+10 μm+50 μm) TiB2颗粒质量比分别为1∶1∶1、1∶1∶3、1∶3∶1、3∶1∶1时，TiB2/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能及电弧侵蚀形貌变化规律，探究多粒径配比对TiB2/Cu复合材料表层耐电弧侵蚀行为的影响。结果表明：当(2 μm+10 μm+50 μm) TiB2颗粒质量比为1∶1∶1时，TiB2/Cu复合材料相对密度和导电率最高，分别为99.1%和87.1%IACS。当(2 μm+10 μm+50 μm) TiB2颗粒质量比为1∶1∶1和1∶3∶1时，TiB2/Cu复合材料的组织均匀性较好，电弧侵蚀后材料损失相同，材料转移量最少。其中，质量比为1∶3∶1时，TiB2/Cu复合材料平均燃弧能量最低，且燃弧时间和燃弧能量最稳定。研究表明，这与复合材料的综合物理性能密切相关。在颗粒增强Cu基复合材料设计过程中，引入合适配比的多粒径TiB2颗粒有助于提高TiB2/Cu复合材料的密度、导电率等综合物理性能。电弧侵蚀过程中，不同粒径的TiB2颗粒相互协同作用，有助于提高TiB2/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能和服役稳定性。
2020, 37(10): 2534-2542.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200224.003
摘要:
采用ANSYS对不同粒径TiB2/Cu复合材料热传导过程进行模拟。采用粉末冶金法制备了不同粒径TiB2增强的Cu复合材料，采用LINSEIS LFA1600激光导热仪测试了室温至280℃下的TiB2/Cu复合材料热传导性能变化，并与模拟结果进行对比。结果表明：热导率模拟结果与实验结果吻合较好。在50~200℃之间，复合材料热导率变化不大，在6%~9%范围内波动。200℃之后，模拟值与实验值均呈现出随温度升高而增大的趋势，且吻合度较高。这是由于温度低于200℃时，在模拟过程中未考虑材料界面处两相不同热膨胀系数的影响，导致模拟值与实验值有较大的差异。当温度高于200℃时，模拟值和实验值吻合程度趋于稳定。在200℃时，由于两相热膨胀系数的影响，复合材料内部界面处等效应力大于Cu基体屈服强度，使其发生塑性变形，从而引起热导率发生较大幅度变化。此外，热导率随着TiB2粒径的增大呈现出先提高后降低的趋势，在10 μm时达到最大。这是由于当颗粒直径小于临界平均直径时，颗粒直径的增大会减少界面数量，从而降低界面热阻。当颗粒直径大于临界平均直径时，平均自由程l的急剧增加导致热导率降低。
采用ANSYS对不同粒径TiB2/Cu复合材料热传导过程进行模拟。采用粉末冶金法制备了不同粒径TiB2增强的Cu复合材料，采用LINSEIS LFA1600激光导热仪测试了室温至280℃下的TiB2/Cu复合材料热传导性能变化，并与模拟结果进行对比。结果表明：热导率模拟结果与实验结果吻合较好。在50~200℃之间，复合材料热导率变化不大，在6%~9%范围内波动。200℃之后，模拟值与实验值均呈现出随温度升高而增大的趋势，且吻合度较高。这是由于温度低于200℃时，在模拟过程中未考虑材料界面处两相不同热膨胀系数的影响，导致模拟值与实验值有较大的差异。当温度高于200℃时，模拟值和实验值吻合程度趋于稳定。在200℃时，由于两相热膨胀系数的影响，复合材料内部界面处等效应力大于Cu基体屈服强度，使其发生塑性变形，从而引起热导率发生较大幅度变化。此外，热导率随着TiB2粒径的增大呈现出先提高后降低的趋势，在10 μm时达到最大。这是由于当颗粒直径小于临界平均直径时，颗粒直径的增大会减少界面数量，从而降低界面热阻。当颗粒直径大于临界平均直径时，平均自由程l的急剧增加导致热导率降低。
2020, 37(10): 2543-2551.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200311.001
摘要:
为了有效杀死水体中大肠杆菌并同时吸附其死亡过程中释放的内毒素，采用原位合成法首次合成了X型分子筛包嵌Ag纳米团簇的新型双功能材料(Ag@NaX)，高倍透射电镜和扫描透射电镜分析结果表明该材料中Ag纳米团簇分布均一、平均尺寸在1.03 nm，且大部分Ag纳米团簇位于分子筛的孔道中。将材料用于水体中大肠杆菌的去除，该材料表现出非常优异的杀菌性能，当杀菌时间保持在20 min，2.5 mg/100 mL的材料使用量(Ag的负载量质量分数约为1.07wt%)就可以完全杀死水体中的大肠杆菌，并且分子筛可以快速高效地吸附大肠杆菌死亡过程中释放的内毒素，使水体中内毒素的含量能够保持在8×10−9g/100 mL，低于相关饮用水规定中内毒素含量的安全标准。在Ag纳米粒子与分子筛的密切协同下该复合材料同时具备优异的杀菌和吸附的双重功能。分子筛骨架可以有效地阻碍Ag纳米团簇的流失，使材料具有非常优异的稳定性，在多次使用后，材料的杀菌性能仍然能够得到较好的保持。
为了有效杀死水体中大肠杆菌并同时吸附其死亡过程中释放的内毒素，采用原位合成法首次合成了X型分子筛包嵌Ag纳米团簇的新型双功能材料(Ag@NaX)，高倍透射电镜和扫描透射电镜分析结果表明该材料中Ag纳米团簇分布均一、平均尺寸在1.03 nm，且大部分Ag纳米团簇位于分子筛的孔道中。将材料用于水体中大肠杆菌的去除，该材料表现出非常优异的杀菌性能，当杀菌时间保持在20 min，2.5 mg/100 mL的材料使用量(Ag的负载量质量分数约为1.07wt%)就可以完全杀死水体中的大肠杆菌，并且分子筛可以快速高效地吸附大肠杆菌死亡过程中释放的内毒素，使水体中内毒素的含量能够保持在8×10−9g/100 mL，低于相关饮用水规定中内毒素含量的安全标准。在Ag纳米粒子与分子筛的密切协同下该复合材料同时具备优异的杀菌和吸附的双重功能。分子筛骨架可以有效地阻碍Ag纳米团簇的流失，使材料具有非常优异的稳定性，在多次使用后，材料的杀菌性能仍然能够得到较好的保持。
2020, 37(10): 2552-2560.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200617.003
摘要:
为了制备具有良好综合力学性能的TiCN基金属陶瓷，研究了烧结温度对TiCN-HfN陶瓷微观结构和力学性能的影响，构建了颗粒弥散和核-壳共存的微观结构模型，揭示了材料的致密化机制、增硬机制、增韧补强机制。结果表明：在1 500℃下所制备的TiCN-HfN材料具有颗粒弥散与核-壳共存的微观结构，其中弥散的颗粒为HfN，核为TiCN，壳主要为(Ti, Hf, Mo)CN固溶体；材料具有较好的性能，其相对密度为99.7%、硬度为20.6 GPa、抗弯强度为1 682.5 MPa、断裂韧度为8.5 MPa·m1/2；其致密化机制主要为颗粒和金属液相填充到烧结颈实现致密化，增硬机制主要为致密化和颗粒钉扎强化增硬，增韧补强机制主要为颗粒弥散和颗粒钉扎增韧、骨架结构和颗粒钉扎增强。
为了制备具有良好综合力学性能的TiCN基金属陶瓷，研究了烧结温度对TiCN-HfN陶瓷微观结构和力学性能的影响，构建了颗粒弥散和核-壳共存的微观结构模型，揭示了材料的致密化机制、增硬机制、增韧补强机制。结果表明：在1 500℃下所制备的TiCN-HfN材料具有颗粒弥散与核-壳共存的微观结构，其中弥散的颗粒为HfN，核为TiCN，壳主要为(Ti, Hf, Mo)CN固溶体；材料具有较好的性能，其相对密度为99.7%、硬度为20.6 GPa、抗弯强度为1 682.5 MPa、断裂韧度为8.5 MPa·m1/2；其致密化机制主要为颗粒和金属液相填充到烧结颈实现致密化，增硬机制主要为致密化和颗粒钉扎强化增硬，增韧补强机制主要为颗粒弥散和颗粒钉扎增韧、骨架结构和颗粒钉扎增强。
2020, 37(10): 2561-2571.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200121.001
摘要:
个体防护装甲的发展对提高单兵作战能力具有重要意义，基于仿生研究可以为设计高性能装甲提供新的思路。犰狳外壳由六边形鳞片紧密拼接而成，采用分层结构设计，具有很好的柔性和防护能力。本文借鉴犰狳外壳的几何排列模式，采用SiC陶瓷片模仿硬质壳层，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)热压板模仿软质壳层，按1∶1厚度比例设计制备仿生复合鳞片，将仿生鳞片紧密排列后封装制成一种新型柔性复合防弹插板。为了验证该种防弹插板的防弹性能并研究其破坏特征，进行弹道极限V0试验测试，结合有限元模拟分析其抗7.62 mm手枪弹侵彻的能力。结果表明：该柔性防弹插板不仅满足防弹性能要求，且具备较好的柔性，可为今后新型防弹插板的设计和优化提供参考。
个体防护装甲的发展对提高单兵作战能力具有重要意义，基于仿生研究可以为设计高性能装甲提供新的思路。犰狳外壳由六边形鳞片紧密拼接而成，采用分层结构设计，具有很好的柔性和防护能力。本文借鉴犰狳外壳的几何排列模式，采用SiC陶瓷片模仿硬质壳层，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)热压板模仿软质壳层，按1∶1厚度比例设计制备仿生复合鳞片，将仿生鳞片紧密排列后封装制成一种新型柔性复合防弹插板。为了验证该种防弹插板的防弹性能并研究其破坏特征，进行弹道极限V0试验测试，结合有限元模拟分析其抗7.62 mm手枪弹侵彻的能力。结果表明：该柔性防弹插板不仅满足防弹性能要求，且具备较好的柔性，可为今后新型防弹插板的设计和优化提供参考。
