持续攀升 2020年 第37卷 第12期
2020, (12): 1-5.
摘要:
2020, 37(12): 2941-2952.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200831.003
摘要:
在土木工程领域，碳纤维增强复合材料 (CFRP) 由于有着优异的力学性能而被越来越多地用在建筑结构中。碳纤维与环氧树脂之间粘结界面的性能对于 CFRP 内部应力的有效传递极为关键，并很大程度上决定了复合材料的长期耐久性能。然而，纤维/树脂粘结界面易受到湿热、盐雾及海水等恶劣环境的侵蚀，导致界面脱粘及最终的复材破坏。为了确保复材的长期耐久性能，需要全面认识界面在环境侵蚀下的退化行为。分子动力学模拟可以“自底向上”地描述界面在环境侵蚀下的行为，有利于探究界面的退化和失效机制。本文综述了不同环境因素影响下碳纤维/环氧树脂界面退化的分子模拟研究进展，包括界面模型的建立，界面在潮湿、盐雾等环境中结构、性能的退化及其背后的机制。最后，提出了未来界面退化的研究方向，例如纤维/树脂粘结界面模型的进一步完善。
在土木工程领域，碳纤维增强复合材料 (CFRP) 由于有着优异的力学性能而被越来越多地用在建筑结构中。碳纤维与环氧树脂之间粘结界面的性能对于 CFRP 内部应力的有效传递极为关键，并很大程度上决定了复合材料的长期耐久性能。然而，纤维/树脂粘结界面易受到湿热、盐雾及海水等恶劣环境的侵蚀，导致界面脱粘及最终的复材破坏。为了确保复材的长期耐久性能，需要全面认识界面在环境侵蚀下的退化行为。分子动力学模拟可以“自底向上”地描述界面在环境侵蚀下的行为，有利于探究界面的退化和失效机制。本文综述了不同环境因素影响下碳纤维/环氧树脂界面退化的分子模拟研究进展，包括界面模型的建立，界面在潮湿、盐雾等环境中结构、性能的退化及其背后的机制。最后，提出了未来界面退化的研究方向，例如纤维/树脂粘结界面模型的进一步完善。
2020, 37(12): 2953-2965.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200814.002
摘要:
纳米羟基磷灰石(HAp)具有良好的生物活性和药物吸附性，是一种理想的无机药物载体。本文从生物安全性、抗肿瘤活性和药物吸附性三个方面阐述了纳米HAp的载药特性，探讨了其微观形貌对载药性能的影响，对载药纳米HAp复合材料的分类、制备及载药和释药性能进行了系统综述，旨在为纳米HAp及其复合材料在药物载体领域的应用提供理论基础。
纳米羟基磷灰石(HAp)具有良好的生物活性和药物吸附性，是一种理想的无机药物载体。本文从生物安全性、抗肿瘤活性和药物吸附性三个方面阐述了纳米HAp的载药特性，探讨了其微观形貌对载药性能的影响，对载药纳米HAp复合材料的分类、制备及载药和释药性能进行了系统综述，旨在为纳米HAp及其复合材料在药物载体领域的应用提供理论基础。
2020, 37(12): 2966-2983.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200903.001
摘要:
复合材料褶皱夹芯结构是通过二维材料折叠而成的三维周期性空间结构，作为一种新型的夹芯结构，具有轻质、高比强度、高比刚度、芯子空间贯通及多功能潜力等优势。本文结合飞行器结构轻量化和多功能化要求，对近年来复合材料褶皱夹芯结构的主要研究成果与特点进行了总结和分析。阐述了复合材料褶皱夹芯结构的构型优化方案及制备工艺，重点归纳了复合材料褶皱夹芯结构的力学性能及多功能的研究现状，包括结构的准静态力学性能、抗冲击性能及隔声、热防护、隐身性能等。基于国内外研究现状，对未来复合材料褶皱夹芯结构的重点研究方向进行了展望。
复合材料褶皱夹芯结构是通过二维材料折叠而成的三维周期性空间结构，作为一种新型的夹芯结构，具有轻质、高比强度、高比刚度、芯子空间贯通及多功能潜力等优势。本文结合飞行器结构轻量化和多功能化要求，对近年来复合材料褶皱夹芯结构的主要研究成果与特点进行了总结和分析。阐述了复合材料褶皱夹芯结构的构型优化方案及制备工艺，重点归纳了复合材料褶皱夹芯结构的力学性能及多功能的研究现状，包括结构的准静态力学性能、抗冲击性能及隔声、热防护、隐身性能等。基于国内外研究现状，对未来复合材料褶皱夹芯结构的重点研究方向进行了展望。
2020, 37(12): 2984-3003.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200717.001
摘要:
二维过渡金属碳(氮或碳氮)化物MXene自2011年首次报告后，其家族成员不断增加，目前已有超过20种MXene被成功合成。凭借独特的层状结构，出色的物理化学性质和可设计的表面官能团特性，MXene被认为是极具潜力的电极材料。近年来，MXene及其复合材料在储能领域进展显著。为此，本文综述了Ti基MXene及其复合材料在Li离子电池和Na离子电池中的研究进展，并结合其制备方法和特性，详细介绍了电池性能提升策略或机制。最后，指出了MXene及其复合材料构建高性能电池面临的挑战，并对未来前景进行了展望。
二维过渡金属碳(氮或碳氮)化物MXene自2011年首次报告后，其家族成员不断增加，目前已有超过20种MXene被成功合成。凭借独特的层状结构，出色的物理化学性质和可设计的表面官能团特性，MXene被认为是极具潜力的电极材料。近年来，MXene及其复合材料在储能领域进展显著。为此，本文综述了Ti基MXene及其复合材料在Li离子电池和Na离子电池中的研究进展，并结合其制备方法和特性，详细介绍了电池性能提升策略或机制。最后，指出了MXene及其复合材料构建高性能电池面临的挑战，并对未来前景进行了展望。
2020, 37(12): 3004-3016.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200825.002
摘要:
新型碳基磁性复合吸波材料因兼具质轻和高性能而成为当今电磁波吸收材料的研究主流。碳系吸波材料既有密度小、比表面大、电导率高等优点，也存在无磁性、阻抗匹配水平低等不足，常通过与磁损耗物质复合来构筑多样微结构、多元协同损耗机制的轻质复合材料，实现高强与宽频电磁波吸收。本文在总结国内外碳基复合材料吸波应用的研究基础上，以成分组成、复合方法、微观结构等为主线对比分析了新型石墨烯、碳纳米管、生物质多孔碳及其他碳系磁性复合吸波材料的研究进展，并指出了磁性碳系吸波材料存在的问题及未来发展趋势。
新型碳基磁性复合吸波材料因兼具质轻和高性能而成为当今电磁波吸收材料的研究主流。碳系吸波材料既有密度小、比表面大、电导率高等优点，也存在无磁性、阻抗匹配水平低等不足，常通过与磁损耗物质复合来构筑多样微结构、多元协同损耗机制的轻质复合材料，实现高强与宽频电磁波吸收。本文在总结国内外碳基复合材料吸波应用的研究基础上，以成分组成、复合方法、微观结构等为主线对比分析了新型石墨烯、碳纳米管、生物质多孔碳及其他碳系磁性复合吸波材料的研究进展，并指出了磁性碳系吸波材料存在的问题及未来发展趋势。
2020, 37(12): 3017-3025.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200421.003
摘要:
以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)滤料为基体材料，正硅酸乙酯(TEOS)和甲基三乙氧基硅烷(MTES)为改性剂，采用溶胶-凝胶法，制备超疏水性PET滤料。在此基础上，采用场发射扫描电子显微镜(FESEM-EDS)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和接触角测试仪研究PET滤料改性前后的微观形貌、表面组成以及接触角等参数。研究表明：改性前后滤料微观孔隙率基本不变，TEOS改性的PET(T-PET)滤料由于形成大量亲水性的—OH基团，呈现完全润湿性；MTES改性的PET(M-PET)滤料表面存在疏水性的—CH3基团，呈现高疏水性；TEOS和MTES共同改性的PET (MT-PET)滤料表面由于大量疏水性的—CH3基团，且有大量的含有—CH3基团SiO2纳米粒子沉积在纤维表面，降低了滤料表面能，形成纳米级粗糙、褶皱甚至凸起形态；MT-PET的静态接触角(WCA)为(158.8±1.2)°，流失角(WSA)为(6.9±1.5)°，达到超疏水状态。此外，通过喷涂湿粉尘和水中浸泡(室温)滤料对比试验，表明MT-PET滤料具有良好的自清洁性能与稳定性。综上，本文中MT-PET超疏水滤料的制备，对于高湿环境下的袋式除尘材料的研究开发具有潜在价值。
以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)滤料为基体材料，正硅酸乙酯(TEOS)和甲基三乙氧基硅烷(MTES)为改性剂，采用溶胶-凝胶法，制备超疏水性PET滤料。在此基础上，采用场发射扫描电子显微镜(FESEM-EDS)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和接触角测试仪研究PET滤料改性前后的微观形貌、表面组成以及接触角等参数。研究表明：改性前后滤料微观孔隙率基本不变，TEOS改性的PET(T-PET)滤料由于形成大量亲水性的—OH基团，呈现完全润湿性；MTES改性的PET(M-PET)滤料表面存在疏水性的—CH3基团，呈现高疏水性；TEOS和MTES共同改性的PET (MT-PET)滤料表面由于大量疏水性的—CH3基团，且有大量的含有—CH3基团SiO2纳米粒子沉积在纤维表面，降低了滤料表面能，形成纳米级粗糙、褶皱甚至凸起形态；MT-PET的静态接触角(WCA)为(158.8±1.2)°，流失角(WSA)为(6.9±1.5)°，达到超疏水状态。此外，通过喷涂湿粉尘和水中浸泡(室温)滤料对比试验，表明MT-PET滤料具有良好的自清洁性能与稳定性。综上，本文中MT-PET超疏水滤料的制备，对于高湿环境下的袋式除尘材料的研究开发具有潜在价值。
2020, 37(12): 3026-3034.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200407.001
摘要:
以细菌纤维素(BC)为模板，以ZnSO4、NaOH和尿素为原料，通过水热法制备了具有新型刷状结构的细菌纤维素-ZnO(BC-ZnO)复合颗粒，尺寸约为3~5 μm，其中BC含量约为19wt%，并对其可能的形成机制进行阐述。将不同含量的BC-ZnO复合颗粒通过原位聚合法引入到水性聚氨酯(WPU)中得到细菌纤维素-ZnO/水性聚氨酯(BC-ZnO/WPU)复合薄膜，对复合膜的结构与性能进行了表征。结果表明：复合颗粒在WPU中分散良好；复合膜的拉伸强度在BC-ZnO含量为1.0wt%时达到最高，相较于纯WPU提高了84.6%；吸水率从16.5%降到4.9%；BC-ZnO的引入提高了复合膜的初始热稳定性；复合膜具有良好的抗菌性，当BC-ZnO含量为1.3wt%时，对金黄色葡萄球菌的抗菌率超过99%，对大肠杆菌的抗菌率超过85%。
以细菌纤维素(BC)为模板，以ZnSO4、NaOH和尿素为原料，通过水热法制备了具有新型刷状结构的细菌纤维素-ZnO(BC-ZnO)复合颗粒，尺寸约为3~5 μm，其中BC含量约为19wt%，并对其可能的形成机制进行阐述。将不同含量的BC-ZnO复合颗粒通过原位聚合法引入到水性聚氨酯(WPU)中得到细菌纤维素-ZnO/水性聚氨酯(BC-ZnO/WPU)复合薄膜，对复合膜的结构与性能进行了表征。结果表明：复合颗粒在WPU中分散良好；复合膜的拉伸强度在BC-ZnO含量为1.0wt%时达到最高，相较于纯WPU提高了84.6%；吸水率从16.5%降到4.9%；BC-ZnO的引入提高了复合膜的初始热稳定性；复合膜具有良好的抗菌性，当BC-ZnO含量为1.3wt%时，对金黄色葡萄球菌的抗菌率超过99%，对大肠杆菌的抗菌率超过85%。
2020, 37(12): 3035-3042.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200507.003
摘要:
在无水三氟甲磺酸锌催化下通过2,6-双-(4-乙炔基苯氧基)-苯腈和二甲基二氯硅烷室温反应制备了侧氰基芳醚硅芳炔树脂(CNSA)；采用1H-NMR、FTIR、DSC、TGA等分析测试技术表征了CNSA的结构与性能。结果显示，CNSA树脂具有好的溶解性和宽的加工窗口，可在较低温度(<200℃)下发生固化反应；树脂固化物具有好的热性能，在50~400℃之间无玻璃化转变，在N2中质量损失5%的温度Td5达512℃；T300碳纤维平纹布/CNSA(CF/CNSA)复合材料的室温弯曲强度达383.8 MPa，弯曲模量为62.9 GPa。
在无水三氟甲磺酸锌催化下通过2,6-双-(4-乙炔基苯氧基)-苯腈和二甲基二氯硅烷室温反应制备了侧氰基芳醚硅芳炔树脂(CNSA)；采用1H-NMR、FTIR、DSC、TGA等分析测试技术表征了CNSA的结构与性能。结果显示，CNSA树脂具有好的溶解性和宽的加工窗口，可在较低温度(<200℃)下发生固化反应；树脂固化物具有好的热性能，在50~400℃之间无玻璃化转变，在N2中质量损失5%的温度Td5达512℃；T300碳纤维平纹布/CNSA(CF/CNSA)复合材料的室温弯曲强度达383.8 MPa，弯曲模量为62.9 GPa。
2020, 37(12): 3043-3051.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200428.001
摘要:
设计制备柔性导热材料对柔性电子器件的热管理具有重要意义。本文基于溶剂剥离的芳纶纳米纤维和氮化铝(AlN)纳米颗粒，采用溶胶-凝胶-薄膜转换方法，连续制备了柔性导热的AlN/芳纶纳米纤维复合薄膜材料。其中，芳纶纳米纤维形成了三维连通的网络结构，提供力学支撑作用；AlN颗粒填充在该网络结构中，赋予复合材料良好的导热性能。结果显示，该复合材料的拉伸强度为65.5 MPa，断裂应变为12%，反复折叠300次后其拉伸强度和断裂应变保持率在90%以上，导热率为13.98 W·(m·K)−1。此外，该复合薄膜显示出良好的绝缘性能和耐热性能，体积电阻率为1.85×1015 Ω·cm、起始热分解温度为524℃。最后，演示该高性能的AlN/芳纶纳米纤维复合薄膜作为柔性基底材料，可用于冷却电子器件。
设计制备柔性导热材料对柔性电子器件的热管理具有重要意义。本文基于溶剂剥离的芳纶纳米纤维和氮化铝(AlN)纳米颗粒，采用溶胶-凝胶-薄膜转换方法，连续制备了柔性导热的AlN/芳纶纳米纤维复合薄膜材料。其中，芳纶纳米纤维形成了三维连通的网络结构，提供力学支撑作用；AlN颗粒填充在该网络结构中，赋予复合材料良好的导热性能。结果显示，该复合材料的拉伸强度为65.5 MPa，断裂应变为12%，反复折叠300次后其拉伸强度和断裂应变保持率在90%以上，导热率为13.98 W·(m·K)−1。此外，该复合薄膜显示出良好的绝缘性能和耐热性能，体积电阻率为1.85×1015 Ω·cm、起始热分解温度为524℃。最后，演示该高性能的AlN/芳纶纳米纤维复合薄膜作为柔性基底材料，可用于冷却电子器件。
2020, 37(12): 3052-3063.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200417.001
摘要:
为研究玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)管-钢筋/混凝土空心构件的抗弯性能，编制了受弯构件的非线性分析程序，系统地分析了空心率、配筋率、GFRP管管壁厚度及混凝土强度等级等主要参数对其抗弯性能的影响，并通过试验对所编制的程序进行验证，最后建立适用于GFRP管-钢筋/混凝土空心构件的抗弯承载力计算公式。结果表明：利用编制的受弯构件非线性分析程序与建立的抗弯承载力公式，计算结果与试验结果均吻合较好，抗弯承载力随空心率的减小、配筋率的提高、GFRP管管壁厚度的增加及混凝土强度的增大而增加，空心率对构件抗弯承载力影响最大，其次是配筋率和GFRP管管壁厚度，最后是混凝土强度等级，空心部分半径比在0.25~0.5为宜，可以适当提高配筋率、GFRP管管壁厚度或混凝土强度等级来弥补该空心构件抗弯承载力，研究结论可为该结构在实际应用中提供参考依据。
为研究玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)管-钢筋/混凝土空心构件的抗弯性能，编制了受弯构件的非线性分析程序，系统地分析了空心率、配筋率、GFRP管管壁厚度及混凝土强度等级等主要参数对其抗弯性能的影响，并通过试验对所编制的程序进行验证，最后建立适用于GFRP管-钢筋/混凝土空心构件的抗弯承载力计算公式。结果表明：利用编制的受弯构件非线性分析程序与建立的抗弯承载力公式，计算结果与试验结果均吻合较好，抗弯承载力随空心率的减小、配筋率的提高、GFRP管管壁厚度的增加及混凝土强度的增大而增加，空心率对构件抗弯承载力影响最大，其次是配筋率和GFRP管管壁厚度，最后是混凝土强度等级，空心部分半径比在0.25~0.5为宜，可以适当提高配筋率、GFRP管管壁厚度或混凝土强度等级来弥补该空心构件抗弯承载力，研究结论可为该结构在实际应用中提供参考依据。
2020, 37(12): 3064-3070.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200323.002
摘要:
研究了碳纤维/环氧树脂复合材料帽型加筋壁板在长桁先固化、蒙皮未固化的共胶接工艺下，填充芯材下方蒙皮褶皱的形成过程及产生原因。测试了预浸料的树脂流变特性，由压力监测设备对填充芯材下方蒙皮内部压力进行监测获得了其内部压力的分布，采用金相显微镜对褶皱进行了表征。结果表明：在树脂流动的窗口期，当填充芯材下方蒙皮内部出现压力差时，树脂向低压区流动并聚集，导致褶皱产生。
研究了碳纤维/环氧树脂复合材料帽型加筋壁板在长桁先固化、蒙皮未固化的共胶接工艺下，填充芯材下方蒙皮褶皱的形成过程及产生原因。测试了预浸料的树脂流变特性，由压力监测设备对填充芯材下方蒙皮内部压力进行监测获得了其内部压力的分布，采用金相显微镜对褶皱进行了表征。结果表明：在树脂流动的窗口期，当填充芯材下方蒙皮内部出现压力差时，树脂向低压区流动并聚集，导致褶皱产生。
2020, 37(12): 3071-3078.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200506.001
摘要:
采用聚醚砜(PES)对氰酸酯树脂改性，制备出PM915树脂。对PM915树脂的工艺性能和固化物性能进行了系统研究，该树脂成膜性和贮存稳定性良好，适用于热熔法预浸料工艺。研究了PM915树脂的流变性能及凝胶时间，树脂在70℃时的黏度为20 Pa·s左右，在120℃条件下可保持黏度稳定时间达115 min，160℃时凝胶时间为40 min。PM915树脂制备过程中部分反应热已释放，其拥有较低的固化放热焓，固化温度为220℃。通过引入热塑性组分PES，PM915树脂的固化收缩率低至0.16%。PM915树脂固化物具有优良的热性能，热失重5%时的温度Td5=423℃，玻璃化转变温度Tg=276℃，热膨胀系数为4.4×10−5/℃。通过热塑性树脂的改性，引入了柔性基团，进而提高了树脂固化物的韧性，PM915树脂固化物的弯曲强度和弯曲模量分别为139.3 MPa和4.2 GPa，拉伸强度和拉伸模量分别为75.8 MPa和3.8 GPa；扫描电子显微镜（SEM）表征显示PM915树脂固化物为韧性断裂。结果表明，PM915树脂是一种适用于热熔法预浸料的氰酸酯树脂基体，且具有低固化收缩率、高尺寸稳定性和优良耐热性，可应用于卫星等航天器结构件。
采用聚醚砜(PES)对氰酸酯树脂改性，制备出PM915树脂。对PM915树脂的工艺性能和固化物性能进行了系统研究，该树脂成膜性和贮存稳定性良好，适用于热熔法预浸料工艺。研究了PM915树脂的流变性能及凝胶时间，树脂在70℃时的黏度为20 Pa·s左右，在120℃条件下可保持黏度稳定时间达115 min，160℃时凝胶时间为40 min。PM915树脂制备过程中部分反应热已释放，其拥有较低的固化放热焓，固化温度为220℃。通过引入热塑性组分PES，PM915树脂的固化收缩率低至0.16%。PM915树脂固化物具有优良的热性能，热失重5%时的温度Td5=423℃，玻璃化转变温度Tg=276℃，热膨胀系数为4.4×10−5/℃。通过热塑性树脂的改性，引入了柔性基团，进而提高了树脂固化物的韧性，PM915树脂固化物的弯曲强度和弯曲模量分别为139.3 MPa和4.2 GPa，拉伸强度和拉伸模量分别为75.8 MPa和3.8 GPa；扫描电子显微镜（SEM）表征显示PM915树脂固化物为韧性断裂。结果表明，PM915树脂是一种适用于热熔法预浸料的氰酸酯树脂基体，且具有低固化收缩率、高尺寸稳定性和优良耐热性，可应用于卫星等航天器结构件。
2020, 37(12): 3079-3090.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200609.002
摘要:
纳米SiO2掺杂已经成为提升甲基乙烯基硅橡胶(MVSR)性能的有效方法，但是纳米SiO2容易发生团聚现象，将其直接掺到MVSR基体中时，纳米SiO2难以在MVSR基体中分散，从而造成SiO2-MVSR分子界面粘结效果不佳、分子界面存在缺陷等不利影响，进而无法实现提升MVSR性能的目的。为了提升SiO2-MVSR分子界面的粘结性，使纳米SiO2在MVSR基体中更易分散，本文构建了未修饰和KH550、KH560、KH570、KH792四种硅烷偶联剂修饰下的SiO2-MVSR分子界面模型，并对模型进行结构优化和分子动力学计算。通过比较不同模型中分子界面的结合能、粘结深度和粘结热稳定性的变化规律，从分子结构角度分析硅烷偶联剂修饰下SiO2-MVSR分子界面粘结性提升的原因。研究表明：提升SiO2-MVSR分子界面粘结性的关键在于优选硅烷偶联剂的非水解基团，当非水解基团中与MVSR分子链相同的化学键占比越大，包含电负性较强原子的数量越多时，修饰后SiO2-MVSR分子界面粘结性的提升效果就越好，同时，硅烷偶联剂较长的链长与较大的相对分子质量也会对粘结性的提升起到一定帮助。
纳米SiO2掺杂已经成为提升甲基乙烯基硅橡胶(MVSR)性能的有效方法，但是纳米SiO2容易发生团聚现象，将其直接掺到MVSR基体中时，纳米SiO2难以在MVSR基体中分散，从而造成SiO2-MVSR分子界面粘结效果不佳、分子界面存在缺陷等不利影响，进而无法实现提升MVSR性能的目的。为了提升SiO2-MVSR分子界面的粘结性，使纳米SiO2在MVSR基体中更易分散，本文构建了未修饰和KH550、KH560、KH570、KH792四种硅烷偶联剂修饰下的SiO2-MVSR分子界面模型，并对模型进行结构优化和分子动力学计算。通过比较不同模型中分子界面的结合能、粘结深度和粘结热稳定性的变化规律，从分子结构角度分析硅烷偶联剂修饰下SiO2-MVSR分子界面粘结性提升的原因。研究表明：提升SiO2-MVSR分子界面粘结性的关键在于优选硅烷偶联剂的非水解基团，当非水解基团中与MVSR分子链相同的化学键占比越大，包含电负性较强原子的数量越多时，修饰后SiO2-MVSR分子界面粘结性的提升效果就越好，同时，硅烷偶联剂较长的链长与较大的相对分子质量也会对粘结性的提升起到一定帮助。
2020, 37(12): 3091-3101.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200629.001
摘要:
针对低温暴露对碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料力学性能影响进行研究，对低温0℃、−20℃、−40℃、−60℃暴露100 h、200 h、300 h、400 h、500 h后，对CF/EP的复合材料拉伸力学性能影响展开研究，利用SEM电镜扫描分析损伤机制，根据试验结果提出了一种预测CF/EP复合材料低温暴露后剩余强度的预测公式。试验结果表明，在长时间低温暴露后，CF/EP复合材料拉伸强度随低温暴露时间的增长呈现出先增后降的趋势；低温暴露时间低于300 h时，CF/EP复合材料拉伸强度随温度下降先增后降，暴露时间高于300 h后，拉伸强度随温度下降逐渐降低；CF/EP复合材料拉伸弹性模量随低温暴露时间的增长呈现逐渐上升趋势，温度越低，上升趋势越明显。SEM结果表明，低温暴露后，纤维与环氧树脂黏结程度增强，有利于荷载传递，CF/EP复合材料拉伸强度增大，破坏形貌上表现为纤维上包裹更多树脂；长时低温暴露后，由于纤维与基体收缩系数不同导致微裂纹产生，在受到荷载时裂纹进一步扩散，不利于荷载传递，使拉伸强度下降，破坏形貌上表现为纤维成束凝集，纤维束间距增大。基于初始试验，本文提出了一种基于初始试验的CF/EP复合材料低温暴露后剩余强度预测模型，试验与预测结果吻合较好，由于考虑了同种材料在不同低温和暴露时间耦合作用下的等效作用，可减少相同材料在不同低温与暴露时间下的试验次数，因此具备一定参考价值。
针对低温暴露对碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料力学性能影响进行研究，对低温0℃、−20℃、−40℃、−60℃暴露100 h、200 h、300 h、400 h、500 h后，对CF/EP的复合材料拉伸力学性能影响展开研究，利用SEM电镜扫描分析损伤机制，根据试验结果提出了一种预测CF/EP复合材料低温暴露后剩余强度的预测公式。试验结果表明，在长时间低温暴露后，CF/EP复合材料拉伸强度随低温暴露时间的增长呈现出先增后降的趋势；低温暴露时间低于300 h时，CF/EP复合材料拉伸强度随温度下降先增后降，暴露时间高于300 h后，拉伸强度随温度下降逐渐降低；CF/EP复合材料拉伸弹性模量随低温暴露时间的增长呈现逐渐上升趋势，温度越低，上升趋势越明显。SEM结果表明，低温暴露后，纤维与环氧树脂黏结程度增强，有利于荷载传递，CF/EP复合材料拉伸强度增大，破坏形貌上表现为纤维上包裹更多树脂；长时低温暴露后，由于纤维与基体收缩系数不同导致微裂纹产生，在受到荷载时裂纹进一步扩散，不利于荷载传递，使拉伸强度下降，破坏形貌上表现为纤维成束凝集，纤维束间距增大。基于初始试验，本文提出了一种基于初始试验的CF/EP复合材料低温暴露后剩余强度预测模型，试验与预测结果吻合较好，由于考虑了同种材料在不同低温和暴露时间耦合作用下的等效作用，可减少相同材料在不同低温与暴露时间下的试验次数，因此具备一定参考价值。
2020, 37(12): 3102-3110.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200401.001
摘要:
聚氨酯泡沫(PUFs)被广泛应用于飞机、车辆和许多其他设施中的噪声控制。本文研究的磁性聚氨酯泡沫(MPUFs)是一种新型智能泡沫，其力学和声学特性可通过磁场控制。采用一步全水法制备了添加羟基铁粉颗粒的磁性聚氨酯泡沫(CIPs/MPUFs)，在发泡过程中施加一定强度的磁场，磁颗粒沿着外加磁场方向排列成链状有序结构，得到各向异性磁性泡沫。在外加磁场作用下，CIPs/MPUFs内部磁性颗粒发生迁移，材料的力学和声学性能发生改变。实验研究了外加磁场对CIPs/MPUFs力学性能和吸声性能的影响。实验结果表明：在外加磁场条件下，CIPs/MPUFs的储能模量和损耗模量随磁性颗粒含量的增加而增加；CIPs/MPUFs的平均吸声系数变化幅度在1%~7%之间，当颗粒含量为5wt%、制备磁场为200 mT、测试施加1.5 A电流时，CIPs/MPUFs的平均吸声系数增加幅度最大，为6.5%。
聚氨酯泡沫(PUFs)被广泛应用于飞机、车辆和许多其他设施中的噪声控制。本文研究的磁性聚氨酯泡沫(MPUFs)是一种新型智能泡沫，其力学和声学特性可通过磁场控制。采用一步全水法制备了添加羟基铁粉颗粒的磁性聚氨酯泡沫(CIPs/MPUFs)，在发泡过程中施加一定强度的磁场，磁颗粒沿着外加磁场方向排列成链状有序结构，得到各向异性磁性泡沫。在外加磁场作用下，CIPs/MPUFs内部磁性颗粒发生迁移，材料的力学和声学性能发生改变。实验研究了外加磁场对CIPs/MPUFs力学性能和吸声性能的影响。实验结果表明：在外加磁场条件下，CIPs/MPUFs的储能模量和损耗模量随磁性颗粒含量的增加而增加；CIPs/MPUFs的平均吸声系数变化幅度在1%~7%之间，当颗粒含量为5wt%、制备磁场为200 mT、测试施加1.5 A电流时，CIPs/MPUFs的平均吸声系数增加幅度最大，为6.5%。
2020, 37(12): 3111-3118.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200319.002
摘要:
以500 nm的SiO2纳米粒子为填料，聚二甲基硅氧烷(PDMS)为包覆纳米粒子的聚合物，通过一种新颖的干共混法制备了SiO2纳米粒子含量高达83.8wt%的SiO2/PDMS柔性模板。所制备柔性模板的弹性模量为16.58 MPa，热膨胀系数为96×10−6/℃，较SiO2直接掺入PDMS中湿共混制备的纯PDMS柔性模板，弹性模量提高了91.56%，热膨胀系数降低了69.23%，且该柔性模板具有良好的透明度。最后，在柔性模板表面采用磁控溅射法沉积银薄膜，利用SEM和AFM对银薄膜表面形貌进行表征。结果显示，银薄膜表面光滑，粗糙度很小，且具有良好稳定性。干共混法制备的柔性模板有效抑制了金属薄膜微裂纹的产生，为制造导电性良好的电极及大面积的金属薄膜提供了新方案。
以500 nm的SiO2纳米粒子为填料，聚二甲基硅氧烷(PDMS)为包覆纳米粒子的聚合物，通过一种新颖的干共混法制备了SiO2纳米粒子含量高达83.8wt%的SiO2/PDMS柔性模板。所制备柔性模板的弹性模量为16.58 MPa，热膨胀系数为96×10−6/℃，较SiO2直接掺入PDMS中湿共混制备的纯PDMS柔性模板，弹性模量提高了91.56%，热膨胀系数降低了69.23%，且该柔性模板具有良好的透明度。最后，在柔性模板表面采用磁控溅射法沉积银薄膜，利用SEM和AFM对银薄膜表面形貌进行表征。结果显示，银薄膜表面光滑，粗糙度很小，且具有良好稳定性。干共混法制备的柔性模板有效抑制了金属薄膜微裂纹的产生，为制造导电性良好的电极及大面积的金属薄膜提供了新方案。
2020, 37(12): 3119-3127.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200327.001
摘要:
编织碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)的电阻抗分布具有各向异性、异质性、几何结构复杂等特点。建立电阻抗分布模型是利用电磁涡流无损检测技术获取编织CFRP缺陷及疲劳损伤信息的关键关节。基于电阻抗张量建模理论，采用多层编织结构CFRP二维平面的分块均化电学特性表征方法，建立编织结构CFRP的简化电阻抗分布模型，从而实现编织结构CFRP电磁特性的精确、快速有限元分析。在有限元仿真基础上，通过设计双空气旋转线圈电磁传感器对平纹编织CFRP进行电磁无损检测，选用阻抗的极坐标图描述被测材料沿不同方向的阻抗变化趋势，通过实验验证有限元建模的正确性。最后利用所提出的建模方法模拟了双空气旋转线圈传感器对平纹编织CFRP的结构缺陷及循环载荷疲劳的检测效果。
编织碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)的电阻抗分布具有各向异性、异质性、几何结构复杂等特点。建立电阻抗分布模型是利用电磁涡流无损检测技术获取编织CFRP缺陷及疲劳损伤信息的关键关节。基于电阻抗张量建模理论，采用多层编织结构CFRP二维平面的分块均化电学特性表征方法，建立编织结构CFRP的简化电阻抗分布模型，从而实现编织结构CFRP电磁特性的精确、快速有限元分析。在有限元仿真基础上，通过设计双空气旋转线圈电磁传感器对平纹编织CFRP进行电磁无损检测，选用阻抗的极坐标图描述被测材料沿不同方向的阻抗变化趋势，通过实验验证有限元建模的正确性。最后利用所提出的建模方法模拟了双空气旋转线圈传感器对平纹编织CFRP的结构缺陷及循环载荷疲劳的检测效果。
2020, 37(12): 3128-3136.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200917.001
摘要:
以Cu片和1, 3, 5-苯三甲酸为原料，电化学法制备经典Cu-MOF材料Cu3(BTC)2(H2O)3，即HKUST-1，作为基底金属有机框架材料(MOFs)，采用室温沉积法制备FeVO4/HKUST-1异质结复合材料，通过XRD、SEM、BET、UV-Vis DRS等对其晶体结构、形貌、比表面积、光吸收性能等进行了表征。结果表明：FeVO4与HKUST-1复合形成异质结后，有利于光生电子-空穴的产生和转移，对目标染料污染物罗丹明B(RhB)的降解性能显著增强。可见光照射120 min后，异质结体系中RhB的降解率可达93%，而单一FeVO4或HKUST-1体系中仅为12%和5%。此外，对材料的组成比例进行了优化，当FeVO4与HKUST-1摩尔比为1∶1时，制备的FeVO4/HKUST-1复合材料具有最佳的光催化性能。进一步，考察了其循环使用的稳定性，循环5次后对RhB的降解效率仍保持在90%以上，稳定性良好。
以Cu片和1, 3, 5-苯三甲酸为原料，电化学法制备经典Cu-MOF材料Cu3(BTC)2(H2O)3，即HKUST-1，作为基底金属有机框架材料(MOFs)，采用室温沉积法制备FeVO4/HKUST-1异质结复合材料，通过XRD、SEM、BET、UV-Vis DRS等对其晶体结构、形貌、比表面积、光吸收性能等进行了表征。结果表明：FeVO4与HKUST-1复合形成异质结后，有利于光生电子-空穴的产生和转移，对目标染料污染物罗丹明B(RhB)的降解性能显著增强。可见光照射120 min后，异质结体系中RhB的降解率可达93%，而单一FeVO4或HKUST-1体系中仅为12%和5%。此外，对材料的组成比例进行了优化，当FeVO4与HKUST-1摩尔比为1∶1时，制备的FeVO4/HKUST-1复合材料具有最佳的光催化性能。进一步，考察了其循环使用的稳定性，循环5次后对RhB的降解效率仍保持在90%以上，稳定性良好。
2020, 37(12): 3137-3148.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200421.001
摘要:
将Ti6Al4V（TC4）粉末与少层石墨烯（GR）粉末进行三维机械旋转混合，实现了GR在TC4球形粉末表面的均匀包覆，经放电等离子烧结(SPS)得到增强相呈三维网络状分布的GR/TC4复合材料。对不同的SPS烧结温度、保温时间、升温速率和轴向压力对GR与钛基体原位界面反应程度的影响进行了研究，并对界面处不同GR/TC4比例的网状结构复合材料的物相结构、显微组织及室温压缩性能进行了系统性的研究。结果表明，烧结温度和升温速率是影响GR与基体反应程度的主要因素，压力主要影响材料致密度，低温高压快速烧结可以降低GR与基体的反应程度，但高比例的GR残留并没有带来力学性能的大幅提升。对于0.25wt%的GR添加量，GR的反应比例约为70%~80%能得到更加良好的异质界面的结合，获得综合力学性能优异的GR/TC4协同增强的钛合金基复合材料。GR在钛合金基体中的三维网络状分布能调控钛基复合材料的强度与塑性的矛盾。
将Ti6Al4V（TC4）粉末与少层石墨烯（GR）粉末进行三维机械旋转混合，实现了GR在TC4球形粉末表面的均匀包覆，经放电等离子烧结(SPS)得到增强相呈三维网络状分布的GR/TC4复合材料。对不同的SPS烧结温度、保温时间、升温速率和轴向压力对GR与钛基体原位界面反应程度的影响进行了研究，并对界面处不同GR/TC4比例的网状结构复合材料的物相结构、显微组织及室温压缩性能进行了系统性的研究。结果表明，烧结温度和升温速率是影响GR与基体反应程度的主要因素，压力主要影响材料致密度，低温高压快速烧结可以降低GR与基体的反应程度，但高比例的GR残留并没有带来力学性能的大幅提升。对于0.25wt%的GR添加量，GR的反应比例约为70%~80%能得到更加良好的异质界面的结合，获得综合力学性能优异的GR/TC4协同增强的钛合金基复合材料。GR在钛合金基体中的三维网络状分布能调控钛基复合材料的强度与塑性的矛盾。
2020, 37(12): 3149-3159.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200414.001
摘要:
波纹夹芯板作为一种特殊的复合材料结构，边界条件对其振动特性有重要影响。根据不同剪切方式下的剪切变形理论和基尔霍夫经典板理论(CLPT)，利用Hamilton原理建立波纹夹芯板的动力学方程。其中，波纹芯层等效成各向异性均质体。根据四边简支、四边固支、对边简支和固支、一边固支三边简支的边界条件，推导出位移形式的偏微分动力学方程。求解得到波纹夹芯板在不同边界条件下自由振动的固有频率，与有限元仿真结果进行对比，验证了理论结果的正确性。在此基础上，基于指数剪切变形理论(ESDT)，分析了不同边界条件下波纹夹芯板的基频随材料参数和结构几何参数的变化规律。结果表明，材料和几何参数对不同边界条件下波纹夹芯板的振动特性有重要影响。相关研究结果将对波纹夹芯板在工程应用中的减振设计及优化分析提供一定的理论依据。
波纹夹芯板作为一种特殊的复合材料结构，边界条件对其振动特性有重要影响。根据不同剪切方式下的剪切变形理论和基尔霍夫经典板理论(CLPT)，利用Hamilton原理建立波纹夹芯板的动力学方程。其中，波纹芯层等效成各向异性均质体。根据四边简支、四边固支、对边简支和固支、一边固支三边简支的边界条件，推导出位移形式的偏微分动力学方程。求解得到波纹夹芯板在不同边界条件下自由振动的固有频率，与有限元仿真结果进行对比，验证了理论结果的正确性。在此基础上，基于指数剪切变形理论(ESDT)，分析了不同边界条件下波纹夹芯板的基频随材料参数和结构几何参数的变化规律。结果表明，材料和几何参数对不同边界条件下波纹夹芯板的振动特性有重要影响。相关研究结果将对波纹夹芯板在工程应用中的减振设计及优化分析提供一定的理论依据。
2020, 37(12): 3160-3167.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200403.001
摘要:
通过一步法将单体3，4-乙烯二氧噻吩(EDOT)电化学聚合到具有高导电率和大比表面积的纳米多孔金(NPG)上，成功制备了具有完美核壳结构的聚3，4-乙烯二氧噻吩/纳米多孔金（PEDOT/NPG）复合电极材料。通过SEM、TEM、Raman和X射线能谱仪对复合电极材料的形貌、微观结构、振动特性和元素组成进行了分析和表征。使用电化学工作站对其电化学性能进行了系统的研究。在三电极体系中，PEDOT/NPG复合电极材料在3 A/g的低电流密度下，质量比电容可以达到555 F/g，其能量密度和功率密度分别为177.58 W·h/kg和1.73 kW/kg。同时该电极材料经过2 000次循环伏安测试后仍然可以保持最大电容的91.5%，电化学性能优异。
通过一步法将单体3，4-乙烯二氧噻吩(EDOT)电化学聚合到具有高导电率和大比表面积的纳米多孔金(NPG)上，成功制备了具有完美核壳结构的聚3，4-乙烯二氧噻吩/纳米多孔金（PEDOT/NPG）复合电极材料。通过SEM、TEM、Raman和X射线能谱仪对复合电极材料的形貌、微观结构、振动特性和元素组成进行了分析和表征。使用电化学工作站对其电化学性能进行了系统的研究。在三电极体系中，PEDOT/NPG复合电极材料在3 A/g的低电流密度下，质量比电容可以达到555 F/g，其能量密度和功率密度分别为177.58 W·h/kg和1.73 kW/kg。同时该电极材料经过2 000次循环伏安测试后仍然可以保持最大电容的91.5%，电化学性能优异。
2020, 37(12): 3168-3176.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200519.001
摘要:
采用真空热压扩散法在聚晶金刚石表面制备Ti层，探究金刚石表面金属化过程中的界面生成机制。利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪，分析了钛层的表面形貌、界面结构和界面间的物相组成，采用能谱仪对界面进行了元素分析，计算了聚晶金刚石与Ti层之间界面的扩散带宽度及生成TiC的化学反应吉布斯自由能变。研究结果表明：在聚晶金刚石表面形成了平整、致密的Ti层，在聚晶金刚石与Ti层界面之间存在C、Ti和Co元素的扩散，在结合界面处产生了一定宽度的元素扩散带，同时在金刚石表面生成了点状TiC。真空热压扩散法实现了金刚石与Ti层的化学结合，可以提高金刚石与Ti层的结合强度。
采用真空热压扩散法在聚晶金刚石表面制备Ti层，探究金刚石表面金属化过程中的界面生成机制。利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪，分析了钛层的表面形貌、界面结构和界面间的物相组成，采用能谱仪对界面进行了元素分析，计算了聚晶金刚石与Ti层之间界面的扩散带宽度及生成TiC的化学反应吉布斯自由能变。研究结果表明：在聚晶金刚石表面形成了平整、致密的Ti层，在聚晶金刚石与Ti层界面之间存在C、Ti和Co元素的扩散，在结合界面处产生了一定宽度的元素扩散带，同时在金刚石表面生成了点状TiC。真空热压扩散法实现了金刚石与Ti层的化学结合，可以提高金刚石与Ti层的结合强度。
2020, 37(12): 3177-3183.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200429.001
摘要:
为了同时提高催化剂的光催化和回收能力，以聚丙烯腈(PAN)和钛酸四丁酯(TBT)作为碳纳米纤维(CNFs)和TiO2前驱体，通过静电纺丝和热处理方法制备了TiO2/CNFs复合材料，并通过SEM、XRD、Raman、UV-vis分光光度计等对TiO2/CNFs复合材料的形貌、晶体结构、光吸收性能、导电性和光催化性能进行了研究。结果表明：随TBT添加量的逐渐增多，TiO2/CNFs复合材料在热处理过程中卷曲形态逐渐消失，并且TBT在碳化过程中完全转化为锐钛矿TiO2；TiO2/CNFs复合材料光吸收边缘由纯TiO2的紫外光区扩展至可见光区，提高了催化剂对太阳光的利用率；同时，在模拟太阳光照射180 min，TiO2/CNFs复合材料对RhB的光催化降解率最大可达到95.71%，并且在连续重复使用5次后光催化降解效率仍可达到约90%。
为了同时提高催化剂的光催化和回收能力，以聚丙烯腈(PAN)和钛酸四丁酯(TBT)作为碳纳米纤维(CNFs)和TiO2前驱体，通过静电纺丝和热处理方法制备了TiO2/CNFs复合材料，并通过SEM、XRD、Raman、UV-vis分光光度计等对TiO2/CNFs复合材料的形貌、晶体结构、光吸收性能、导电性和光催化性能进行了研究。结果表明：随TBT添加量的逐渐增多，TiO2/CNFs复合材料在热处理过程中卷曲形态逐渐消失，并且TBT在碳化过程中完全转化为锐钛矿TiO2；TiO2/CNFs复合材料光吸收边缘由纯TiO2的紫外光区扩展至可见光区，提高了催化剂对太阳光的利用率；同时，在模拟太阳光照射180 min，TiO2/CNFs复合材料对RhB的光催化降解率最大可达到95.71%，并且在连续重复使用5次后光催化降解效率仍可达到约90%。
2020, 37(12): 3184-3193.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200416.001
摘要:
以微晶纤维素(MCC)为原料，通过在其表面负载纳米氧化铜颗粒(CuO NPs)，添加3-氯丙基三甲氧基硅烷(CPTES)与二乙醇胺(DEA)进行接枝反应制备CuO NPs@MCC–Si–N(OH)2复合材料。探讨了DEA添加量对CuO NPs@MCC–Si–N(OH)2性能的影响，表征并分析了改性微晶纤维素红外光谱、晶体结构、表面形貌和热稳定性。结果表明，CuO NPs可成功负载在MCC表面，硅烷偶联剂可提高复合材料的分散性与接枝胺基的能力，进而增强其催化活性，使硼氢化钠(NaBH4)与亚甲基蓝(MB)氧化还原反应效率增加，快速降解MB染色剂。通过优化发现DEA用量为20wt%时制得的CuO NPs@MCC–Si–N(OH)2催化效果最佳，CuO NPs@MCC–Si–N(OH)2和NaBH4的用量分别为30 mg和10 mg，处理30 mL 3 mmol/L MB溶液5 min后，MB去除率可达99.71%，五次循环性测试后，去除率为93.24%。
以微晶纤维素(MCC)为原料，通过在其表面负载纳米氧化铜颗粒(CuO NPs)，添加3-氯丙基三甲氧基硅烷(CPTES)与二乙醇胺(DEA)进行接枝反应制备CuO NPs@MCC–Si–N(OH)2复合材料。探讨了DEA添加量对CuO NPs@MCC–Si–N(OH)2性能的影响，表征并分析了改性微晶纤维素红外光谱、晶体结构、表面形貌和热稳定性。结果表明，CuO NPs可成功负载在MCC表面，硅烷偶联剂可提高复合材料的分散性与接枝胺基的能力，进而增强其催化活性，使硼氢化钠(NaBH4)与亚甲基蓝(MB)氧化还原反应效率增加，快速降解MB染色剂。通过优化发现DEA用量为20wt%时制得的CuO NPs@MCC–Si–N(OH)2催化效果最佳，CuO NPs@MCC–Si–N(OH)2和NaBH4的用量分别为30 mg和10 mg，处理30 mL 3 mmol/L MB溶液5 min后，MB去除率可达99.71%，五次循环性测试后，去除率为93.24%。
2020, 37(12): 3194-3200.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200416.002
摘要:
提出了一种基于压电效应制备柔性电子皮肤的简单方法。为了研究纳米改性对柔性电子皮肤各层性能的影响，首先以纳米SiO2粒子作为改性体，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基体，制备出SiO2/PDMS复合柔性衬底，解决了在PDMS上磁控溅射沉积电极材料产生裂纹的现象，成功获得能够稳定工作的柔性电极。然后用钛酸钡/碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(BaTiO3/CNTs/PDMS)复合材料作为功能层，制备出一种五层结构的高灵敏性柔性电子皮肤，并找到一种通过改变基板粗糙度的简单方法构建电极与介电层的褶皱接触，进而提升柔性电极的电导率与柔性电子皮肤的压电响应信号。
提出了一种基于压电效应制备柔性电子皮肤的简单方法。为了研究纳米改性对柔性电子皮肤各层性能的影响，首先以纳米SiO2粒子作为改性体，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基体，制备出SiO2/PDMS复合柔性衬底，解决了在PDMS上磁控溅射沉积电极材料产生裂纹的现象，成功获得能够稳定工作的柔性电极。然后用钛酸钡/碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(BaTiO3/CNTs/PDMS)复合材料作为功能层，制备出一种五层结构的高灵敏性柔性电子皮肤，并找到一种通过改变基板粗糙度的简单方法构建电极与介电层的褶皱接触，进而提升柔性电极的电导率与柔性电子皮肤的压电响应信号。
2020, 37(12): 3201-3213.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200507.005
摘要:
抗剪强度和剪切韧性是反映构件在复合受力状态下承载能力及耗能能力的重要指标。为研究钢纤维(SF)-橡胶/混凝土的剪切性能，设计了14组SF-橡胶/混凝土试件，通过双面剪切试验，研究了SF体积分数掺量、橡胶掺量和水胶比对SF-橡胶/混凝土试件的抗剪性能及剪切破坏形态的影响。研究表明：SF的桥联作用及其与橡胶颗粒的协同作用可显著改善混凝土的抗剪性能。SF对SF-橡胶/混凝土试件的抗剪性能起主导作用，SF-橡胶/混凝土试件的抗剪强度、峰值变形及剪切韧性相比普通混凝土及橡胶/混凝土试件均显著提高，且增幅随SF掺量的增加而增大，剪切破坏呈现出明显的延性特征。当SF体积分数为1.5vol%时，橡胶掺量(等体积取代砂取代率)为10%的SF-橡胶/混凝土试件的抗剪强度、峰值变形相比橡胶/混凝土分别提高了78%、63%。橡胶对SF-橡胶/混凝土试件的抗剪性能也起到辅助作用，SF-橡胶/混凝土试件的剪切韧性及延性相比SF/混凝土试件进一步增加。采用水胶比优化设计后，随着橡胶掺量的增加，SF-橡胶/混凝土的抗剪强度、峰值变形及峰值前剪切韧性可基本保持不变，而峰值后韧性指标进一步增加，增幅可高达96%。根据试验结果，考虑橡胶及SF掺量的影响提出了SF-橡胶/混凝土的抗剪强度计算式。
抗剪强度和剪切韧性是反映构件在复合受力状态下承载能力及耗能能力的重要指标。为研究钢纤维(SF)-橡胶/混凝土的剪切性能，设计了14组SF-橡胶/混凝土试件，通过双面剪切试验，研究了SF体积分数掺量、橡胶掺量和水胶比对SF-橡胶/混凝土试件的抗剪性能及剪切破坏形态的影响。研究表明：SF的桥联作用及其与橡胶颗粒的协同作用可显著改善混凝土的抗剪性能。SF对SF-橡胶/混凝土试件的抗剪性能起主导作用，SF-橡胶/混凝土试件的抗剪强度、峰值变形及剪切韧性相比普通混凝土及橡胶/混凝土试件均显著提高，且增幅随SF掺量的增加而增大，剪切破坏呈现出明显的延性特征。当SF体积分数为1.5vol%时，橡胶掺量(等体积取代砂取代率)为10%的SF-橡胶/混凝土试件的抗剪强度、峰值变形相比橡胶/混凝土分别提高了78%、63%。橡胶对SF-橡胶/混凝土试件的抗剪性能也起到辅助作用，SF-橡胶/混凝土试件的剪切韧性及延性相比SF/混凝土试件进一步增加。采用水胶比优化设计后，随着橡胶掺量的增加，SF-橡胶/混凝土的抗剪强度、峰值变形及峰值前剪切韧性可基本保持不变，而峰值后韧性指标进一步增加，增幅可高达96%。根据试验结果，考虑橡胶及SF掺量的影响提出了SF-橡胶/混凝土的抗剪强度计算式。
2020, 37(12): 3214-3219.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200402.001
摘要:
根据热力学能量守恒定律和傅里叶(Fourier)定律，利用一维传热理论推导基于碳纤维纸(CFP)的木质电热复合材料的结构特征与其表面空气温度效果之间的理论关系式，对其关系进行了定性分析，研究木质电热复合材料面层电热效果的纵向尺寸效应，分析表明面层板厚度与表面空气温度呈反比例关系。对面层板厚度分别为2 mm和4 mm的木质复合材料开展了温度测试试验，以验证理论计算结果正确性。结果显示，通过理论计算，得出基于CFP的木质电热复合材料面层厚度与表面空气温度之间呈反比关系；通过实验验证，对比两种不同面层材料厚度的电热复合材料表面空气温度，发现厚度为2 mm的电热复合材料表面空气温度高于厚度为4 mm的，与理论计算结果一致。在采暖领域，相对于面层板较厚的木质电热复合材料，面层板较薄的更能充分利用能源。
根据热力学能量守恒定律和傅里叶(Fourier)定律，利用一维传热理论推导基于碳纤维纸(CFP)的木质电热复合材料的结构特征与其表面空气温度效果之间的理论关系式，对其关系进行了定性分析，研究木质电热复合材料面层电热效果的纵向尺寸效应，分析表明面层板厚度与表面空气温度呈反比例关系。对面层板厚度分别为2 mm和4 mm的木质复合材料开展了温度测试试验，以验证理论计算结果正确性。结果显示，通过理论计算，得出基于CFP的木质电热复合材料面层厚度与表面空气温度之间呈反比关系；通过实验验证，对比两种不同面层材料厚度的电热复合材料表面空气温度，发现厚度为2 mm的电热复合材料表面空气温度高于厚度为4 mm的，与理论计算结果一致。在采暖领域，相对于面层板较厚的木质电热复合材料，面层板较薄的更能充分利用能源。
2020, 37(12): 3220-3228.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200428.002
摘要:
为了研究高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites，EEC)的受拉性能，考虑高强不锈钢绞线配筋率、ECC抗拉强度、高强不锈钢绞线网增强ECC试件宽度3个影响因素，对设计的27个高强不锈钢绞线网增强ECC试件进行了单轴拉伸试验。试验结果表明，高强不锈钢绞线网增强ECC受拉试件的开裂应力和极限应力随着钢绞线配筋率、ECC抗拉强度的增大而增大；增大试件宽度对试件的开裂应力和极限应力几乎无影响。基于试验结果，提出并建立了高强不锈钢绞线网增强ECC受拉本构模型，推导了开裂应力和极限应力计算公式。经验证，计算结果与试验结果吻合良好，说明所建立的受拉本构模型可准确描述高强不锈钢绞线网增强ECC的受拉应力-应变关系。
为了研究高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites，EEC)的受拉性能，考虑高强不锈钢绞线配筋率、ECC抗拉强度、高强不锈钢绞线网增强ECC试件宽度3个影响因素，对设计的27个高强不锈钢绞线网增强ECC试件进行了单轴拉伸试验。试验结果表明，高强不锈钢绞线网增强ECC受拉试件的开裂应力和极限应力随着钢绞线配筋率、ECC抗拉强度的增大而增大；增大试件宽度对试件的开裂应力和极限应力几乎无影响。基于试验结果，提出并建立了高强不锈钢绞线网增强ECC受拉本构模型，推导了开裂应力和极限应力计算公式。经验证，计算结果与试验结果吻合良好，说明所建立的受拉本构模型可准确描述高强不锈钢绞线网增强ECC的受拉应力-应变关系。
2020, 37(12): 3229-3241.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200306.001
摘要:
提出基于多评价点约束的零泊松比超材料功能基元拓扑优化设计方法。在同一功能基元拓扑基结构中，通过建立对于多个评价点的正、负泊松比约束，实现胞元零泊松比效应。分别采用最小质量和最大柔度目标函数拓扑优化模型优化设计出与半内六角蜂窝相似的零泊松比功能基元最优拓扑构型。提取功能基元最优构型并周期性序构了零泊松比超材料试件，通过有限元方法验证了该功能基元的零泊松比效应，并分析超材料试件的静、动力学特性。计算结果表明，最大柔度目标函数设计的功能基元构型的泊松比更接近于零，且具有更好的承载与隔振性能。设计了零泊松比超材料环肋双层圆柱壳结构，进行外壳静压和内部设备激振下壳体水下辐射噪声分析。研究表明，零泊松比超材料环肋可将外壳压缩变形转换为内外壳间环肋旋转，实现耐压壳内壳的保形，且具有较好的降噪性能。
提出基于多评价点约束的零泊松比超材料功能基元拓扑优化设计方法。在同一功能基元拓扑基结构中，通过建立对于多个评价点的正、负泊松比约束，实现胞元零泊松比效应。分别采用最小质量和最大柔度目标函数拓扑优化模型优化设计出与半内六角蜂窝相似的零泊松比功能基元最优拓扑构型。提取功能基元最优构型并周期性序构了零泊松比超材料试件，通过有限元方法验证了该功能基元的零泊松比效应，并分析超材料试件的静、动力学特性。计算结果表明，最大柔度目标函数设计的功能基元构型的泊松比更接近于零，且具有更好的承载与隔振性能。设计了零泊松比超材料环肋双层圆柱壳结构，进行外壳静压和内部设备激振下壳体水下辐射噪声分析。研究表明，零泊松比超材料环肋可将外壳压缩变形转换为内外壳间环肋旋转，实现耐压壳内壳的保形，且具有较好的降噪性能。
