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2021年  第38卷  第11期

羧甲基纤维素对多壁碳纳米管导电墨水性能的影响
贾鑫, 毕红杰, 任泽春, 杨海英, 许民
2021, 38(11): 3799-3807. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210104.002
摘要:
传统中性墨水多用丙烯酸树脂做增稠剂,且不具备导电能力,因此将羧甲基纤维素(CMC)与多壁碳纳米管(MWCNT)混合,使制备墨水书写后具备导电能力。采用超声制得CMC-MWCNT导电墨水,通过中性笔书写于纸上,对制备导电墨水的稳定性能、流变性能、书写性能和书写字迹的耐腐蚀性能、导电性能、折叠稳定性能进行分析,并与市场上晨光中性笔墨水(CG)进行对比。当添加CMC为0.3wt%、0.6wt%时,导电墨水的Zeta电位、屈服应力、屈服黏度均较低,书写时出现漏墨,书写后电阻较小,但折叠一百次后电阻增大较多,分别增大32.3%、17.9%。当添加CMC为0.9wt%、1.2wt%、1.5wt%时,导电墨水的Zeta电位绝对值均大于30 mV,体系处于稳定态;屈服应力与屈服黏度随CMC添加量增大而增大;CMC为0.9wt%和1.2wt%的导电墨水书写正常,书写后电阻分别为14.9 kΩ/cm、15.6 kΩ/cm,折叠100次后电阻分别增大8.7%、7.8%;1.5wt%CMC的导电墨水书写时有断墨,书写后电阻为28.3 kΩ/cm,折叠100次后电阻增大9.5%。与CG相比,1.2wt%CMC的导电墨水具有相似的稳定性能、流变性能、书写性能,并具备导电能力,可点亮LED灯。
纳米银/聚乙烯醇复合物的生物合成及其对6种水产病原菌的抑菌活性
魏亚楠, 马新冉, 齐珈俪, 王先钰, 刘晓玲, 王磊
2021, 38(11): 3808-3817. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210210.006
摘要:
纳米银作为一种新型抑菌剂有望成为传统抑菌剂的替代品,制备稳定、高效、环保的新型纳米银抑菌产品成为当今的研究热点。本研究以葡萄籽提取液为还原剂和稳定剂,聚乙烯醇(PVA)为载体,采用一步法“绿色”生物合成出一种纳米银/聚乙烯醇复合物(AgNPs/PVA)。通过紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等手段对合成产物进行了表征。结果表明银离子被葡萄籽提取物成功还原成纳米银并附着在PVA的表面,纳米银颗粒均匀,呈现单分散状态,粒径较小,平均粒径为14 nm左右。AgNPs/PVA对鳗弧菌、溶藻弧菌、副溶血弧菌、哈维氏弧菌、灿烂弧菌及点状气单胞菌等6种典型的水产病原菌均有显著的抑菌效果。以溶藻弧菌为指示菌,AgNPs/PVA的最小抑菌浓度(MIC)为1.1 μg/mL,最小杀菌浓度(MBC)为2.2 μg/mL。AgNPs/PVA的Zeta电位为−24.1 mV,表明纳米银颗粒间有很强的排斥力,为其稳定分散提供保障,后续实验证明制备的AgNPs/PVA具有良好的稳定性和热稳定性。以上研究结果表明,AgNPs/PVA复合材料在水产养殖病害防治中具有广阔的应用前景。
聚吡咯包覆FeCl3-石墨层间化合物的制备与电化学储钠性能
柳小玄, 韩飞, 刘洪波, 刘金水
2021, 38(11): 3818-3826. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210119.002
摘要:
以FeCl3和天然鳞片石墨为原料,通过融盐法制得1阶FeCl3插层的石墨层间化合物(FeCl3-GIC)。用原位聚合法对FeCl3-GIC进行聚吡咯(PPy)包覆改性,形成具有核壳结构的(FeCl3-GIC)@PPy复合材料。通过多种表征方法研究聚吡咯包覆前后FeCl3-GIC的表面形貌和微观结构变化。结果表明:聚吡咯均匀致密地包覆在十微米级的FeCl3-GIC颗粒外部,包覆层厚度为35 nm,经过聚吡咯包覆后(FeCl3-GIC)@PPy的导电性能显著提高((FeCl3-GIC)@PPy粉末电阻率2.3×10−3 Ω·cm,FeCl3-GIC粉末电阻率3.1×10−3 Ω·cm)。采用多种电化学测试探究产物的钠离子存储特性,聚吡咯外壳能够显著提高FeCl3-GIC作为钠离子电池负极材料的充放电容量、倍率性能和循环性能。在0.1 A·g−1电流密度下循环100次后,FeCl3-GIC的比容量逐渐衰减到157 mA·h·g−1,而(FeCl3-GIC)@PPy材料的比容量达到281 mA·h·g−1左右且容量基本保持不变;在电流密度1 A·g−1的条件下循环500次后,(FeCl3-GIC)@PPy的比容量仍有181 mA·h·g−1,容量保持率约为89%。
新拌超高性能纤维增强混凝土流动性能对其抗压强度的影响
杨简, 陈宝春, 吴香国, 苏家战, 黄卿维
2021, 38(11): 3827-3837. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210115.005
摘要:
钢纤维掺入能提高超高性能纤维增强混凝土(Ultra-high performance fiber reinforced concrete,UHPFRC)的抗压强度,但削弱新拌浆体的流动性能,降低了对抗压强度的增强效果,且影响UHPFRC的工作性能。为研究这种不利影响,以钢纤维体积分数和长径比为变量,进行了A、B两组试验。A组固定水胶比为0.18,不控制流动性能,主要研究钢纤维对流动性能和抗压强度的影响。试验结果表明,新拌UHPFRC流动性能随钢纤维的体积分数、长径比增加而下降;当钢纤维体积率超过一定值(2.00vol%)时,流动性能明显下降,抗压强度增强效果也相应下降。通过X-ray CT扫描发现钢纤维掺入减弱浆体的自密实能力,导致硬化后的基体内部孔隙尺寸增大和孔隙率增加,进而削弱抗压强度。综合考虑钢纤维掺入对抗压强度的正、负效应,提出了抗压强度的半经验预测公式。B组改变水胶比,控制扩展度为240 mm,对比A组研究流动性能控制后,钢纤维体积分数和长径比对抗压强度的影响规律。结果表明,钢纤维体积分数较大时,增大水胶比,保持一定流动性能,能有效提高纤维的增强效果;钢纤维体积分数较小时,在满足流动性能要求的前提下,减小水胶比,可以进一步提高抗压强度。在UHPFRC配合比设计时,应考虑钢纤维对流动性能的不利影响,以提高纤维的增强效应并保证其良好的工作性能。
低模量聚酯纤维/水泥基复合材料抗冲击性能及损伤机制
高峰, 郝贠洪, 吴安利, 刘艳晨, 李永贵
2021, 38(11): 3838-3849. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210118.001
摘要:
研究聚酯纤维长径比、掺量对混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、断裂韧性及冲击荷载等力学性能的影响;运用复合材料理论和纤维间距理论对聚酯纤维/混凝土增韧阻裂机制进行研究,结合SEM观察微观形貌分析纤维长径比与掺量对增韧阻裂机制的影响;采用正交试验设计方法及激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)研究冲击高度、试件厚度、长径比及掺量对纤维/混凝土抗冲击性能的影响。结果表明,长径比为300与600的聚酯纤维会降低混凝土抗压强度,低掺量长径比为150的聚酯纤维通过提高混凝土致密程度使混凝土抗压强度有所提升;在抗拉强度方面长径比为150的聚酯纤维主要以缺陷形式存在,长径比为300的聚酯纤维对改善混凝土内部拉结作用最显著,3%(与胶凝材料体积比)掺量聚酯纤维对提高混凝土抗折强度最显著;对于混凝土断裂韧性,长径比为300与600的聚酯纤维/混凝土断裂韧性提高明显,通过SEM微观形貌发现纤维拉结作用产生的微裂纹会提高混凝土耗能能力,从而提高混凝土极限荷载与破坏时中心挠度,长径比为300的聚酯纤维/混凝土抗拉强度变化规律与复合材料理论和纤维间距理论分析结果较吻合;冲击高度为影响冲击荷载大小的主要因素,纤维长径比较纤维掺量影响较大,通过LSCM三维损伤形貌分析得出长径比为150的聚酯纤维对混凝土材料损伤改善效果较显著,同等掺量下长径比为150的聚酯纤维间距较小导致混凝土局部力学性能提高,从而提高混凝土抗冲击性能。
本征型自修复高聚物粘结炸药的制备与损伤愈合性能
李玉斌, 王征, 潘丽萍, 杨志剑, 王维欣, 蓝林钢
2021, 38(11): 3850-3860. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210107.001
摘要:
为减轻高聚物粘结炸药(PBX)由于力、热等环境因素所产生的微裂纹等损伤对于其性能与使用寿命的影响,根据颗粒填充高分子复合材料的结构特性,设计合成了含DA键的本征型自修复高聚物粘结剂,以期实现PBX内部损伤的自主修复。研究结果表明,采用含可逆DA共价键的TAPE-DAPU为粘结剂,设计制备的PBX材料具有较强的损伤愈合能力,当损伤较轻时,该PBX的强度恢复率超过95%,对于较严重的贯穿性损伤,其修复效率也在65%以上。
碳纳米球复合g-C3N4提升光催化降解酸性橙Ⅱ性能
张彩霞, 霍彦廷, 邹来禧, 舒庆
2021, 38(11): 3861-3871. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210306.001
摘要:
基于g-C3N4构建的异质结光催化材料在降解有毒有害污染物方面体现出优良的效果。本研究通过水热法制备了一系列不同碳纳米球(Carbon nanospheres,CS)添加量的x-CS/g-C3N4 (x=4wt%、5wt%和7wt%)复合光催化剂,以氙灯光源模拟可见光,探究了x-CS/g-C3N4对酸性橙Ⅱ的光催化降解性能。结果表明:5wt% CS/g-C3N4的光催化活性最高,光催化反应150 min,酸性橙Ⅱ的降解率达到95%。表征结果表明,g-C3N4与CS具有类似的π-π共轭结构,易发生π-π堆积相互作用而有利于电子跃迁。二者复合后能有效增强g-C3N4对可见光的吸收效率,降低其表面/界面处的电荷转移电阻,显著增强载流子的传输能力。x-CS/g-C3N4可作为一种有效的可见光催化剂应用于有机染料降解,具有应用前景。
磺酸基改性二维Ti3C2Tx纳米材料制备与Pb2+吸附性能
李晴晴, 蒋豪丽, 葛梦妮, 杨彦, 郭风, 龙云良, 张建峰
2021, 38(11): 3872-3883. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210425.003
摘要:
对二维Ti3C2Tx材料进行了磺酸基团接枝改性(Ti3C2Tx—SO3H),表征了改性前后微观结构的变化,研究了对重金属Pb2+的吸附行为与机制。XRD、FTIR及EDS表明磺酸基团在Ti3C2Tx表面成功接枝,而SEM则发现Ti3C2Tx−SO3H呈现较Ti3C2Tx更轻薄的层状结构。改性后,Ti3C2Tx—SO3H对重金属Pb2+20 min内达到吸附平衡,最大吸附量达到733.6 mg·g−1,较Ti3C2Tx吸附量提升了23%,且吸附量随着pH(2~6)的增加而逐渐增大,在Mg2+、Ca2+、Co2+、Zn2+等共存离子的干扰下,仍保持较高的吸附水平。机制分析表明,改性前后吸附过程均符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温线拟合模型,以单分子层化学吸附为主,但由于磺酸基团提供了更多的吸附饱和活性位点,并提高了Ti3C2Tx在水溶液中的分散性,使改性后对Pb2+吸附性能更优异。
面向氢空、无增湿操作条件的高保水性质子交换膜的制备与性能
姜永燚, 杨溟洋, 侯明, 刘金玲, 许思传
2021, 38(11): 3884-3895. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210302.001
摘要:
作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的一个重要应用场景,开发满足无人机用的低温质子交换膜燃料电池(Low Temperature-PEMFC)正受到越来越多的关注。无人机所采用的PEMFC操作条件比较特殊,作为原料的H2、空气均为无加湿的干气。针对这一特殊操作条件,需开发相应的具有保水能力的质子交换膜。为此,首先合成了一种具有高保水性的高分子树脂(PAAAM),将其加入Nafion溶液中混合均匀,利用溶液浇铸法制膜,探索并优化了PAAAM的加入量;随后,对保水复合膜进行了FTIR、SEM、质子传导率、保水性、溶胀率、拉伸强度、热失重性能等表征,并进行电池输出性能测试;最终结果表明:Nafion系质子交换膜在原料为干空气、干H2的条件下,最适宜的操作温度区间为50~55℃。当PAAAM加入量为1.0wt%时,Nafion基复合膜(NFPAM1)具有更优的电池性能。当电池温度55℃、干燥H2、空气流量分别为0.1 L·min−1和0.55 L·min−1时,采用NFPAM1复合膜的PEMFC最高功率密度为691 mW·cm−2
ZIF-8/丙烯酸十四-十六酯共聚物和PB/丙烯酸十四-十六酯共聚物形状稳定相变材料的制备与性能
陈赛, 陶丽娟, 李伟, 赵永男, 张兴祥
2021, 38(11): 3896-3903. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210113.001
摘要:
形状稳定的相变材料(SPCMs)是绿色的可重复使用的储能材料。由于丙烯酸正烷基酯共聚物的熔融温度可通过控制侧链长度来调节,因此可以得到适宜的相变温度。用一种基于金属-有机骨架纳米粒子稳定悬浮聚合法制备出了功能MOFs/聚合物复合材料—ZIF-8/丙烯酸十四-十六酯共聚物(ZIF-8/P(TDA-co-HDA))与PB/丙烯酸十四-十六酯共聚物(PB/P(TDA-co-HDA)),通过使用此技术,可以将功能性纳米颗粒固定在聚合物表面上,ZIF-8和PB起到形状稳定的作用。ZIF-8/P(TDA-co-HDA)的吸放热温度分别为37.5℃和8.4℃,相变焓值为63 J/g,PB/P(TDA-co-HDA)在39.1℃吸热,10.1℃放热,相变焓值为68 J/g。该种材料在60℃时保持其形状没有任何泄漏,这远高于P(TDA-co-HDA)的熔融温度。在1000个热循环后,ZIF-8/P(TDA-co-HDA)和PB/P(TDA-co-HDA)仍表现出良好的结晶行为和热可靠性。制备的新型形状稳定相变材料在热能存储应用中具有潜在的用途。
新型复合材料“高强钢绞线网/ECC约束素混凝土”受压性能试验研究
王新玲, 卫垚鑫, 范建伟, 朱俊涛
2021, 38(11): 3904-3911. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201225.002
摘要:
考虑混凝土强度、工程水泥基复合材料(ECC)强度和横向高强钢绞线配筋率等因素,研究新型复合材料“高强钢绞线网/ECC约束素混凝土”(以下简称HSE约束素混凝土)的受压性能。HSE约束素混凝土轴心受压试验显示,达到最大荷载的30%左右时,约束层ECC出现约为0.01 mm的竖向裂缝;约为最大荷载的85%时,表面最大裂缝宽度约为0.07 mm;达到最大荷载时,最大裂缝宽度仅为0.20 mm;说明该新型复合材料具有很好的裂缝分散和控制能力。之后荷载缓慢下降至最大荷载75%左右,第一根横向钢绞线断裂;达到破坏时裂而不碎,约束层和核心混凝土未发生黏结破坏,完整性良好。HSE约束素混凝土与素混凝土相比,其开裂应力提高了88%~116%;轴心抗压强度提高了21%~49%、轴心压应变增加了约45%;极限压应变提高了106%~175%。ECC强度和混凝土强度及横向钢绞线配筋率的提高,均增大其开裂和最大荷载及极限压应变。
变形钢筋/超高性能混凝土搭接黏结性能
马福栋, 邓明科, 孙宏哲, 叶旺
2021, 38(11): 3912-3924. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201229.006
摘要:
超高性能混凝土(UHPC)是一种高强度、高韧性和高耐久性的水泥基复合材料。为了研究钢筋/UHPC的搭接黏结性能,进行了21组考虑搭接长度、纤维掺量和配箍率影响的钢筋搭接对拉拔出试验,3组考虑锚固长度影响的钢筋直接拔出锚固试验;试验出现了劈裂拔出破坏和钢筋拉断破坏2种破坏模式;钢筋/UHPC平均黏结强度随钢筋埋置长度的增大而减小,随配箍率的增大而增大;钢纤维掺量的增大,有利于增大对UHPC的约束作用,增加配箍率和适当增大纤维掺量均能减小钢筋/UHPC的临界搭接长度;结合前人的试验结果,拟合得到平均锚固和搭接黏结强度计算公式及临界锚固和搭接长度计算公式,根据混凝土结构设计规范,建立了钢筋/UHPC锚固和搭接长度简化算法,计算结果较为准确。
循环荷载作用下超高性能混凝土的轴拉力学性能及本构关系模型
杲晓龙, 王俊颜, 郭君渊, 刘超
2021, 38(11): 3925-3938. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201218.002
摘要:
对具有不同拉伸应变特性(应变强化和应变软化)的超高性能混凝土(Ultra high performance concrete, UHPC)进行了单调和循环荷载作用下的直接拉伸试验。试验结果表明:应变强化UHPC基体开裂后进入多点微裂纹分布的应变强化段,达到极限抗拉强度后进入单缝开裂的应变软化段;应变软化UHPC基体开裂后直接进入单缝开裂的应变软化段;循环荷载下两种类型UHPC的轴拉应力-应变曲线包络线与单调荷载下的应力-应变曲线基本一致;基于刚度退化过程建立了两种类型UHPC的轴拉损伤演化方程,根据实测应力-应变曲线和试件的裂缝分布形态建立了两种类型UHPC的轴拉本构关系模型,与试验结果基本吻合;采用能量法研究了应变强化UHPC两阶段轴拉本构关系在数值计算时的等效方法。最后,通过无筋应变强化UHPC抗弯试验梁的数值模拟对本文建立的应变强化UHPC轴拉本构关系模型和损伤演化方程及相关假定进行了验证,结果表明本文建立的应变强化UHPC轴拉本构模型能较好地预测UHPC弯拉构件的极限承载力,轴拉损伤变量能在宏观层面上较好地反应试件的裂缝分布状态。
粗骨料体积分数对混凝土Ⅱ型断裂参数的影响
陈燕伟, 冯吉利, 李凤晨, 路景淦
2021, 38(11): 3939-3949. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210115.004
摘要:
对不同粗骨料体积分数下的混凝土Ⅱ型断裂性能进行了研究。根据最大泥浆厚度(Maximum paste thickness, MPT)理论,给出了断裂韧度KⅡ C与粗骨料体积分数Va之间的经验关系式。通过对含有四种粗骨料体积分数(19%、25%、31%、37%)的无切口试件开展半边加载断裂试验,测得相应的峰值荷载、断裂韧度、能量释放率等断裂参数,并分析了断裂韧带表面的裂纹分布规律。试验结果表明:随着粗骨料体积分数的增加,混凝土的Ⅱ型断裂韧度KⅡ C和临界能量释放率GⅡ C明显增加,名义断裂韧带处的裂纹轮廓线更长、更曲折;各配比试件的开裂模式基本一致,剪切裂纹主要集中在名义断裂韧带区域。同时,利用数字图像相关技术(Digital image correlation, DIC)对试件表面的损伤演化进行分析,结果表明,试件表面的应变局部化能够较好地表征断裂过程区(Fracture process zone, FPZ)的形态特征及演化过程。随着粗骨料体积分数的增加,FPZ的形态更不规则,分支更多。
胶层网格尺寸与性能参数相关性的反演研究
李肖成, 徐绯, 杨磊峰, 张玉林, 王安文, 马春浩
2021, 38(11): 3950-3961. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210129.005
摘要:
在使用内聚力模型对复合材料胶层进行有限元失效分析时,为了保证计算结果的准确性和收敛性,胶层网格尺寸应小于1 mm。然而当使用内聚力模型对飞机上的大型复合材料结构进行有限元分析时,模型将会产生上百万的有限元单元,这将耗费大量的计算资源。本文在研究胶层参数对胶层失效分析影响的基础上,通过对不同网格尺寸下胶层参数进行反演,提出了一种修改胶层参数的方法以适用于不同网格尺寸下胶层失效分析。使用此方法对不同网格尺寸的混合型弯曲(MMB)有限元模型和复合材料圆壳模型进行了有限元仿真。结果表明:所提出的方法能够大幅降低模型的网格数量,减小计算规模,快速准确地计算出混合加载条件下胶层损伤演化和破坏情况。
直剪作用下再生混凝土力学性能及强度指标换算
陈宇良, 刘杰, 吴辉琴, 晏方
2021, 38(11): 3962-3970. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210122.001
摘要:
以再生粗骨料取代率为变化参数,通过75个再生混凝土(RAC)试件的直剪、抗压与劈裂抗拉试验,揭示了RAC的直剪破坏机制及不同强度指标之间的换算规律。结果表明:RAC在直剪作用下为明显的脆性破坏,粗骨料和水泥基体均被剪断;随着取代率的增加,RAC直剪强度较普通混凝土变化不大,总体上呈降低趋势,但50%取代率(按质量)时直剪强度有所增大;峰值剪切变形随取代率的增大,总体呈增大趋势,平均提高了18.85%;初始剪切变形模量随取代率的增大,总体呈降低的趋势,平均降低了8.97%;最后,基于试验数据提出了RAC剪切强度与抗压、劈裂抗拉强度的换算关系式,计算结果与试验值吻合较好。
树脂基复合材料
碳纤维增强树脂复合材料和铝合金温热自冲铆接工艺及接头力学性能
刘洋, 庄蔚敏
2021, 38(11): 3563-3577. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210105.002
摘要:
为研究传统自冲铆(SPR)工艺连接碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)和铝合金的损伤问题,制备三种典型铺层结构的自冲铆接头,研究铺层结构对接头表面宏观损伤形貌的影响。在不同测试温度下对CFRP进行力学试验,研究温度对CFRP力学性能及失效的影响。基于CFRP的温热力学性能,以减小接头损伤为目的,创新性提出了CFRP和铝合金的温热自冲铆接(WSPR)工艺,对比了两种铆接工艺获得接头中CFRP的损伤差异。制备CFRP和铝合金的WSPR接头,研究铺层角度对接头力学性能和失效过程的影响。研究表明:常温下铆接时,钉头附近区域易出现宏观裂纹缺陷,主要以平行于纤维方向的基体裂纹和垂直于纤维方向的纤维裂纹形式存在。在树脂基体的玻璃化转变温度下,CFRP在横向和剪切方向的延展性大幅度提高,导致WSPR接头的CFRP表面无宏观裂纹,同时减小了分层损伤面积。铺层角度影响接头的拉剪力学性能及失效过程,[0/90/0]s铺层接头的力学性能最优。
竹基碳纤维/MoS2锂离子电池负极材料
岳红伟, 陈淑君, 吴培成, 铁伟伟, 朱聪旭, 谢文合
2021, 38(11): 3578-3585. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210129.003
摘要:
随着电子产品、电动汽车以及智能电网的快速发展,不仅需要锂离子电池(LIBs)具有优异的储锂性能,而且要求电极材料成本低廉、资源丰富和绿色环保。基于碳负极材料的优点,将废弃的一次性竹筷,在碱性溶液中经过可控的热处理,利用竹子中丰富的天然纤维素,从而获得尺寸均匀的碳纤维(CFs)材料。相比于石墨电极,竹基CFs作为LIBs的负极材料时表现出优异的电化学性能。为进一步提高其储锂性能,以CFs为骨架,通过水热法在其表面制备了一层二硫化钼(MoS2)纳米花,形成核壳结构的CFs/MoS2复合电极材料。电化学测试结果表明,CFs电极在200 mA/g的电流密度下循环500次,放电比容量仍有381.1 mA·h/g;CFs/MoS2复合材料在1000 mA/g的大电流密度下经过1000次循环,仍保持有843 mA·h/g的放电比容量。
变刚度碳纤维/环氧树脂复合材料薄壁圆管轴向压溃响应与破坏机制
宋涛, 余许多, 江晟达, 余木火, 樊良伟, 孙泽玉
2021, 38(11): 3586-3600. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210126.002
摘要:
通过控制缠绕线型改变轴管纤维角度,制备了一种轴向刚度渐变、压溃稳定的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)变刚度薄壁圆管。对变刚度、[±45°]n以及[90°]n三类CFRP缠绕轴管进行轴向准静态压缩测试,结合数字图像相关技术(DIC)及有限元结果,对比三类结构压溃初始应变模式、损伤演化与应力状态结果,研究了变刚度结构的压溃响应与破坏机制。结果表明:不同纤维角度CFRP轴管因轴向刚度不同,压溃的初始破坏与损伤演化过程相异,三类结构产生不同的压溃响应与破坏模式。变刚度区连续变化的大角度纤维能有效地引发分层和“开花式”混合破坏,缓慢释放应变能,使变刚度CFRP轴管吸能效果明显优于其他两类结构。其峰值载荷为66.97 kN,压溃效率为50.8%,比吸能为10.1 kJ/kg,相对于[±45°]n结构比吸能提升156.35%,压溃效率提升518.76%,相对于[90°]n结构比吸能提升16.9%,压溃效率降低27.3%。
高模量碳纤维增强树脂基复合材料的皮秒激光加工阈值特性
路明雨, 张明, 张开虎, 张加波, 卫宇璇, 高永亮
2021, 38(11): 3601-3609. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210210.008
摘要:
对聚丙烯腈基高模量碳纤维/改性氰酸酯树脂复合材料(M55/BS-4)和一种沥青基高导热碳纤维/树脂基复合材料(K600/5418)的皮秒激光加工阈值和形貌特性进行了研究。通过面积外延法测定并比较了这两种碳纤维复合材料的近红外皮秒激光加工阈值及其阈值孵化效应,并预测了两种复合材料的单脉冲阈值;分析了入射能量通量(0.7~25 J/cm2)及光束扫描速度(0.2~5 m/s)对切口质量的影响规律。结果表明,碳纤维热导率的巨大差异导致不同碳纤维复合材料的加工阈值及形貌存在明显定量差距。使用可获得的最高扫描速度(5 m/s)和3.2倍(~8 J/cm2)单脉冲阈值的加工参数,可使材料的碳纤维和树脂几乎协同去除,加工形貌上表现为切缝入口宽度均匀、切割边缘整齐。使用更高扫描速度并配以合适的加工能量有望进一步提高加工质量。
基于芳纶pulp优化的碳纤维增强树脂基复合材料的抗损伤性能及残余抗压强度
程飞, 蒋宏勇
2021, 38(11): 3610-3619. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210122.002
摘要:
针对树脂基复合材料树脂粘接层脆性大且存在结构缺陷,易发生剥离和分层等突出问题,提出以轻质高强的芳纶pulp(AP)作为增强剂,通过模压成型制得强化的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP),研究不同添加面密度对复合材料抗钻孔、钻孔-冲击二次损抗性能和损伤后的抗压强度的影响。结果表明,6 g/m2 AP使复合材料直接、钻孔以及钻孔-冲击后抗压强度分别增强37.3%、41.0%和41.8%。分析认为:AP改善了树脂脆性,消除层间富树脂区域,提升层间断裂韧性,抑制了裂纹生长;同时AP以纤维桥连形式贯穿于树脂层和碳纤维层,不仅改善了树脂与碳纤维粘接界面的缺陷,也构建准Z方向的纤维排布,避免裂纹向单层界面扩展而导致结构分层,从而实现结构强化。
树脂传递模塑成型工艺中嵌套效应引起渗透率变异的实验与数值模拟
刘文超, 晏石林, 李永静, 何龙飞
2021, 38(11): 3620-3628. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210207.002
摘要:
树脂传递模塑成型工艺(RTM)中最重要的变形模式之一是厚度方向压缩。厚度方向压缩减小了织物预成型体的厚度,使织物预成型体局部结构形式发生改变从而引起嵌套效应。嵌套效应不仅会减少织物预成型体的厚度,增加纤维的体积分数并改变孔隙率,而且相邻织物层嵌套效应具有一定的空间分散性,从而使得织物预成型体渗透率具有变异性。本文针对低黏度树脂设计了一种实验装置用以测量局部渗透率的空间分散性,随后建立了随机嵌套单胞模型,利用ANSYS/CFX有限元软件实现了单胞填充浸润的数值模拟,通过流量分析获得局部渗透率,并研究了渗透率的统计分布。通过实验结果与数值模拟结果相对比,验证数值模拟结果的可靠性。最后,基于渗透率的统计分布建立了随机渗透率场,并进行填充浸润的数值模拟,通过与传统恒定渗透率的方法进行比较,证明该方法具有更高的先进性。研究结果可以对未来RTM工艺的稳健性优化提供依据。
新型含硅聚芳炔树脂基透波复合材料的制备与性能
袁航, 孟庆杰, 张昊, 谢非, 姜丽萍, 侯树涛, 齐会民
2021, 38(11): 3629-3639. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210210.009
摘要:
为满足工程领域对耐高温树脂基透波复合材料的需求,研究石英纤维(QF)增强新型含硅改性聚芳炔(PSA)树脂基复合材料(QF/PSA)的制备方法及其性能。首先对树脂的黏度进行分析,确定了树脂在不同温度和时间下的黏度变化预测模型,适宜的树脂传递模塑工艺(Resin Transfer Molding, RTM)注胶温度在70~100℃范围;对树脂固化过程中的放热量、红外光谱和流变特性进行分析,确定了树脂的固化温度和固化过程,在250℃可以实现树脂的固化。基于上述分析进行了复合材料的高质量制备,并进一步对复合材料的微观形貌、力学性能、热膨胀性能、介电性能和耐高温性能进行分析和试验验证。材料的玻璃化转变温度(Tg)大于500℃,5%热失重温度(T5%)高达625℃,石英灯试验表明耐高温能力可达520℃/1000 s;介电常数稳定在3.1~3.2,介电损耗稳定在0.003以下;力学性能满足功能材料的使用要求。上述研究表明,该新型含硅聚芳炔树脂基透波复合材料在航空航天领域具有重要的应用价值。
碳纤维增强环氧树脂基复合材料轴管的低速冲击失效机制及剩余压缩性能
肖杰, 施涵, 余许多, 杨慧东, 孙泽玉, 余木火
2021, 38(11): 3640-3651. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210129.004
摘要:
采用落锤冲击试验模拟低速冲击过程,对碳纤维增强环氧树脂基复合材料传动轴的轴管在不同能级冲击下的损伤行为以及冲击后的剩余压缩性能进行了研究;通过ABQUAS有限元分析软件和X射线断层扫描技术(CT)相结合的方法观察了复合材料轴管在受到低速冲击时的损伤形式,研究其内部损伤规律。结果表明,复合材料轴管的抗冲击形变能力随着冲击能量的增加先增强后减弱,在冲击能量为10 ~20 J之间出现最大值。CT无损检测结果显示复合材料轴管的失效形式包括分层损伤、树脂开裂和纤维破裂(断裂)。在低能量冲击时,复合材料轴管主要产生分层损伤和树脂的开裂,而纤维断裂损伤只出现在冲击位置,且随着冲击能量的增加纤维断裂现象愈加显著。有限元仿真结果显示复合材料轴管中的碳纤维在拉伸方向的失效明显小于压缩失效,压缩失效沿纤维排布方向扩散,拉伸失效沿轴向和横向呈十字扩散,轴向失效的程度大于横向失效的程度;而树脂的压缩失效沿轴向从冲击位置向横向扩散,扩散形状近似圆形,越靠近圆心失效越明显,拉伸失效范围呈十字,整体失效沿十字边缘扩散。
双酚A型邻苯二甲腈树脂改性硅炔杂化树脂及其复合材料性能
王茂源, 束长朋, 贾宇翔, 尤立文, 周凯运, 付雅, 苏韬, 周权
2021, 38(11): 3652-3660. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210114.003
摘要:
采用双酚A型邻苯二甲腈预聚树脂(BAPh-P)改性聚(间二乙炔基苯-二甲基硅烷)树脂(PDMP)制备了双酚A型邻苯二甲腈/聚(间二乙炔基苯-二甲基硅烷)树脂(PBA),利用DSC、FTIR、流变分析、TGA等技术分析其固化行为、黏度以及耐热性变化。结果表明,PBA树脂固化峰值温度较PDMP升高;固化反应主要为炔基的Diels-Alder和加成反应、氰基进一步交联生成三嗪环和酞菁环等结构反应;BAPh-P的加入提升了PDMP在空气下的耐热性,PBA-1(PDMP:BAPh-P质量比为5∶1)树脂固化物在N2和空气氛围质量损失5%的温度(Td5)分别为640.6℃和591℃,1000℃质量保留率为89.0%和26.9%;随着BAPh-P质量增加,PBA树脂固化物Td5呈下降趋势,但空气中Td5均高于PDMP;石英纤维增强PBA树脂基(QF/PBA)复合材料随BAPh-P质量增加室温弯曲强度逐渐升高,高温弯曲强度先升高后降低;其中QF/PBA-2复合材料室温和400℃弯曲强度分别为363 MPa和330 MPa,较PDMP分别提升91%和214%,室温和400℃的层间剪切强度(ILSS)分别为37.5 MPa和22.2 MPa。
复合材料双向波纹夹层结构力学性能
周磊, 姚凯, 李会民, 陈明继, 方岱宁
2021, 38(11): 3661-3671. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210126.001
摘要:
为改进传统单向波纹夹层结构横向力学性能较差的缺点,设计了一种新型复合材料双向波纹夹层结构。考虑复合材料双向夹层结构制备困难,研究了整套真空辅助成型工艺(VARI)工艺制备方案,实现双向波纹夹层结构的高效制备,以满足工程应用的需要。对制备出的复合材料双向波纹夹层结构与单向波纹夹层结构分别进行面外压缩、弯曲和剪切实验,分析了双向波纹夹层结构在不同载荷下的破坏模式及其失效机制,计算了该结构在不同荷载条件下的强度和模量,并将其与单向波纹夹层结构进行对比分析。结果表明,在压缩荷载作用下,玻璃纤维/环氧树脂芯子为主要承载部分,结构的失效主要体现在芯子的屈曲、断裂和分层;在弯曲荷载的作用下,由于纤维的抗压强度远小于抗拉强度,所以压头下方的上面板最先达到破坏荷载,结构的弯曲失效形式主要为上面板的断裂和脱粘;结构的剪切失效主要以泡沫与面板的脱粘和压溃为主,芯子和面板未见明显的破坏现象;与单向波纹夹层结构相比,双向波纹夹层结构力学性能显著提升。
CFRP复杂几何结构区相控阵超声检测建模与声传播规律
罗忠兵, 张松, 钱恒奎, 曹欢庆, 苏慧敏, 林莉
2021, 38(11): 3672-3681. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201016.003
摘要:
为厘清碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)复杂几何构件相控阵超声检测中声传播规律,围绕CFRP材料R区开展了弹性特性表征、有限元建模、声场计算及实验验证工作。基于超声液浸背反射法和模拟退火算法求解了CFRP单向板刚度矩阵反问题,并借助Bond变换实现了R区弹性特性的定量描述。结合微观组织分析等获取材料、几何特征,建立了虑及曲面形状、叠层、弹性各向异性的R区相控阵超声检测有限元模型,计算了R区相控阵超声检测A、B扫描信号,发现存在结构噪声和缺陷伪像。在此基础上研究CFRP材料R区瞬态声场并与CFRP平板、弹性各向同性R区和0°单向板R区情况对比,阐明了结构噪声和缺陷伪像的形成机制:弹性各向异性叠层结构导致倾斜入射的超声波发生反射和折射,与沿肋板传播的快速波混叠在R区形成结构噪声,同时多向板R区两侧肋板反射导致缺陷伪像,即材料弹性各向异性与构件曲面叠层结构耦合共同影响缺陷的精准辨识。
考虑界面效应的GFRP复合材料蠕变模型
张尧, 朱四荣, 陆士平, 吕泳, 陈建中
2021, 38(11): 3682-3692. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210119.001
摘要:
建立了包含界面的玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)蠕变混合率单胞模型,对GFRP的蠕变性能进行分析;并与GFRP在应力水平为初始弯曲强度的20%所对应的载荷下的弯曲蠕变实验结果进行对比。分析了界面模量、界面厚度、纤维连续性与形态以及位向等因素对复合材料蠕变性能的影响。结果表明:相较于不考虑界面效应的混合率模型,本模型具有更高的准确性,与实验结果更为吻合;界面模量反应了纤维与基体的结合程度,对复合材料的蠕变性能产生影响,其蠕变柔量随着界面模量的增大而减小;界面厚度的增大会导致复合材料的蠕变柔量略微增大;相较于连续纤维增强树脂复合材料,短切纤维毡增强树脂复合材料的蠕变性能更易受到界面效应的影响;纤维方向对复合材料蠕变性能有显著影响,随着纤维方向角的增大,复合材料蠕变柔量增大,但当纤维方向角达到60°后,纤维已基本失去载荷传递和增强能力,复合材料蠕变柔量不再继续随着纤维方向角的增大而增大。
纤维角度对变角度层合板减振性能的影响
李亮, 王显峰, 赵聪, 居相文, 王东立, 于肖
2021, 38(11): 3693-3703. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210301.001
摘要:
自动铺丝技术可以实现复杂曲率曲线铺放,可极大提高角度设计的自由度。本文以改善复合材料层合板动态特性为目的,对变角度层合板的减振性能进行了研究分析。首先对不同角度变化变角度层合板进行自由衰减试验,研究了纤维角度变化与变角度层合板阻尼比的关系。然后对含相应角度变角度夹层板进行随机试验,研究了层合板随机激励条件下的振动响应,并采用共振峰处传递函数(Transition function,TF)和拾振点加速度总均方根(Root mean square,RMS)两种指标评价减振效果。结果表明:层合板阻尼比在纤维变化角度为±<45|60>时最大,纤维变化角度为±<73|88>时最小。基于RMS减振评价指标,±<45|60>夹层板较传统直线板减振性能提高27.13%;基于共振峰TF减振评价指标,纤维角度变化对不同共振峰减振效果规律差异明显。研究表明,变角度层合板减振性能明显优于传统直线层合板,相关实验结果将对变角度层合板减振设计及优化提供一定的参考意义。
一种改进的基于两单胞模型的三维角联锁机织复合材料弹性性能数值预测方法及实验验证
曹欣怡, 彭秀钟, 范进, 周梦敬
2021, 38(11): 3704-3713. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210122.003
摘要:
为准确预测三维角联锁机织复合材料的宏观弹性性能,对基于CT图像几何参数实测数据建立的内单胞和面单胞细观实体模型进行数值分析,其中面单胞模型采用组合面单胞形式,并开展了三维角联锁机织超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维/聚氨酯复合材料的经向拉伸实验。结果表明:基于两单胞模型预测该复合材料的宏观弹性模量与实验结果吻合较好,组合面单胞的经向拉伸模量小于内单胞;经向拉伸时复合材料在经纱间接触面处、纬纱沿宽度方向的端部和经纱与基体的交界面处易出现应力集中现象;当纬纱层数小于30层时,应该考虑表面区域对复合材料整体力学性能的影响。
三类典型纳米增强相对多尺度复合材料界面黏结性能影响的力学模型
廖焕臣, 李稳, 蒋震宇, 刘逸平, 刘泽佳, 周立成, 汤立群
2021, 38(11): 3714-3725. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210119.003
摘要:
实验研究表明,将纳米增强相引入纤维增强树脂复合材料界面构成多尺度复合材料,能够显著改善复合材料中纤维与基体之间的黏结性能,而且不同形态的纳米相在多尺度复合材料中发挥的增强效应有明显差异。本文基于内聚能模型探讨了三种典型形态的纳米增强相(包括高长径比碳纳米管、球状富勒烯纳米颗粒、片层状氧化石墨烯)对碳纤维与环氧树脂基体之间黏结强度的影响,建立了纳米增强相的形态和数量参数如何影响界面黏结强度的力学模型。利用纤维束复合材料横向拉伸测试方法评估了三种多尺度复合材料的界面黏结性能,通过理论预测结果与实测数据的对比验证了模型的合理性。
加筋复合材料结构分层损伤的贝叶斯诊断及预测
陈健, 袁慎芳
2021, 38(11): 3726-3736. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210202.003
摘要:
针对复合材料结构疲劳损伤的在线监测和预测问题,提出了一种基于结构健康监测 (Structural health monitoring, SHM) 和贝叶斯理论的结构分层损伤诊断及结构剩余使用寿命预测方法。在贝叶斯概率理论框架下,采用指数模型描述复合材料结构疲劳分层损伤面积的先验演化规律,融合在线SHM数据对结构分层损伤状态,以及损伤面积演化模型的参数进行联合后验估计,即为损伤诊断结果。进一步通过后验估计得到的损伤状态和模型参数预测未来时刻结构分层损伤面积的演化,从而得到当前复合材料结构的剩余使用寿命预测结果。通过有限元仿真的加筋复合材料结构疲劳分层扩展对所提出的方法进行了验证。结果表明,方法可以在线准确地诊断结构分层损伤状态以及预测结构的剩余使用寿命。
金属基与陶瓷基复合材料
C/SiC复合材料空气耦合超声检测数值模拟
史思琪, 李飞龙, 金士杰, 林莉, 罗忠兵
2021, 38(11): 3737-3746. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210115.003
摘要:
针对高孔隙率C/SiC复合材料空气耦合超声检测,引入考虑孔隙形貌的随机孔隙模型开展数值模拟研究。结合力学和声学性能测试计算材料弹性刚度矩阵,借助组织分析建立考虑孔隙微观形貌、孔隙率分别为5%、10%、15%的随机孔隙有限元模型,研究了空气耦合超声透射法检测过程中超声波传播特征及典型缺陷的响应规律。结果表明:材料纵波声速约2830 m/s,横观各向同性五个独立弹性常数分别为158.149、88.589、34.141、15.288和13.793 GPa。孔隙呈长条状,随孔隙率增加,超声衰减逐渐增大;孔隙尺寸与波长的比值约在0.05~0.22范围,主要为瑞利散射机制。高孔隙率、复杂孔隙形貌显著影响超声波的传播过程,导致个别条件下声场指向性发生偏转,影响缺陷检测。当分层缺陷长度由0增加到25 mm时,接收信号幅值衰减增大,与无分层模型相比最大衰减增加33.9 dB。随着复合材料层板厚度的增加,超声衰减进一步增强,声场也将产生一定偏转,主要体现孔隙和分层的共同作用。计算结果与实验吻合较好,为高孔隙率C/SiC复合材料的高质量无损检测提供支撑。
ZrO2(Y2O3)含量对双峰晶粒度分布Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)复合材料力学性能的影响
颜建辉, 康蓉, 唐幸, 汪异, 邱敬文
2021, 38(11): 3747-3756. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210129.002
摘要:
多相Mo-12Si-8.5B合金是一种很有应用前景的高温结构材料,为了同时提高Mo-12Si-8.5B合金的强度和韧性,提出了采用纳米ZrO2(Y2O3)强韧化具有双峰晶粒度分布Mo-12Si-8.5B复合材料的方法。首先采用溶胶-凝胶和高温氢还原法制备了纳米Mo-ZrO2(Y2O3)复合粉末,然后以纳米Mo-ZrO2(Y2O3)粉末和微米Mo粉末为原材料,采用放电等离子烧结(SPS)技术制备了具有双峰晶粒度分布的Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)复合材料。结果表明,随着ZrO2(Y2O3)含量的增加,制备的Mo-ZrO2(Y2O3)纳米粉末的粒度和烧结体相对致密度均逐渐减小,ZrO2(Y2O3)含量小于2.5wt%时,烧结体的相对致密度均大于98.1%。当ZrO2(Y2O3)含量为1.5wt%和2.5wt%时,复合材料具有较高的硬度(9.76~9.98 GPa),抗弯强度(672~678 MPa)和断裂韧性(12.68~12.82 MPa·m1/2)。Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)复合材料中Mo晶粒细化、粗细Mo晶粒的晶界强化和纳米ZrO2(Y2O3)颗粒第二相强化是提高硬度和抗弯强度主要原因;复合材料中粗晶粒Mo和纳米ZrO2(Y2O3)有助于断裂韧性的提高,材料的增韧机制主要是裂纹偏转和裂纹桥接。
Ca0.7La0.2TiO3陶瓷填充氰酸酯树脂高频介电复合材料的制备与性能
张恒, 黄燕春, 彭海益, 缪金波, 邓诗峰, 姚晓刚, 林慧兴
2021, 38(11): 3757-3763. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210128.001
摘要:
将具有优异介电性能的Ca0.7La0.2TiO3陶瓷填充到氰酸酯(CE)树脂中,通过熔融浇铸技术成功制备了Ca0.7La0.2TiO3/CE复合材料。结果表明,不同Ca0.7La0.2TiO3填料体积分数的复合材料微观结构致密。填料体积分数为40vol%时,获得了高介电常数(ε)和低介电损耗(tanδ) (ε=25.7,tanδ=0.0055, 10 GHz)的复合材料, 且弯曲强度达到130 MPa,同时材料的导热系数提高到0.8601 W/(m·K),可有效进行散热。TGA结果表明,相比于CE树脂,复合材料具有更高的热稳定性,在高频通信、集成电路等领域具有良好的应用前景。
Co2Ni1O4/不锈钢复合材料的制备及其电催化析氧性能
曾庆乐, 刘小超, 刘超, 漆小鹏
2021, 38(11): 3764-3774. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210223.005
摘要:
电解水包括析氢反应(HER)与析氧反应(OER),由于OER是复杂的4电子转移过程,制作出具有优异耐久性的高活性的非贵金属OER电催化剂对于电解水至关重要。为了降低成本,选择304型不锈钢网(SS)作为基体,使用电沉积的方法制备钴-镍双氢氧化物,利用真空煅烧的方法制备钴-镍氧化物。使用XRD、SEM、TEM、XPS和电化学工作站对Co2Ni1O4/SS复合材料的晶体结构、形貌和电催化OER性能进行了研究。结果表明:电沉积制备的钴-镍双氢氧化物煅烧之后转变成尖晶石结构的钴-镍氧化物;在不锈钢表面成功合成了大量密集的层状结构;在1.0 mol/L KOH电解液中,Co2Ni1O4/SS电极表现出优异的OER电催化性能,达到10 mA·cm−2电流密度时所需要的过电位仅为240 mV,Tafel斜率为53.92 mV·dec−1,并且表现出优异的稳定性。
石墨含量对铜-石墨-乳化沥青复合材料组织和性能的影响
周晓龙, 李金涛, 熊爱虎, 曹函星, 王立惠
2021, 38(11): 3775-3784. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210121.001
摘要:
以电解铜粉与石墨粉为原料,阴离子乳化沥青为粘结剂,采用粉末冶金技术制备了铜-石墨-乳化沥青复合材料,并通过XRD、EDS和SEM对石墨含量为2wt%~8wt%的铜-石墨-乳化沥青复合材料微观组织进行表征,研究了铜-石墨-乳化沥青复合材料的摩擦磨损性能、力学和电学性能,并与不含乳化沥青的铜-石墨复合材料进行比较。结果表明,乳化沥青可以有效防止石墨颗粒的聚集,对石墨和铜基体起粘结作用;在两相界面处几乎没有间隙,并且产生了层片状石墨;石墨含量为4wt%的试样磨损量最小,仅为0.0049 g,摩擦系数约为0.025;增加载荷和石墨含量会增大磨损量,但会降低摩擦系数;在滑动摩擦期间,磨损表面会出现裂纹、犁沟、凹陷、小颗粒和层片状结构,但其程度要比不含乳化沥青的复合材料低。
复杂面内应力状态下平面编织高铝纤维增强氧化铝基复合材料强度及疲劳寿命预测方法
陆毛须, 姬晓慧, 郝自清, 张磊, 刘刘
2021, 38(11): 3785-3798. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210202.001
摘要:
针对平面编织氧化铝基复合材料提出了一种复杂面内应力状态下的强度准则和疲劳寿命预测方法。通过拉伸、压缩及纯剪切试验,分别获得了材料的静强度指标。考虑材料拉、压性能的差异和面内拉-剪联合作用对材料强度的影响机制,提出了修正的Hoffman强度理论。采用该强度理论预测得到的偏轴拉伸强度与试验结果基本一致,偏差不超过10%。开展了偏轴角θ=0°、15°、30°、45°,应力比R=0.1,频率f=10 Hz的拉伸疲劳试验,试验结果表明随着偏轴角的增加,相同轴向拉伸载荷下的疲劳寿命逐渐降低。由于面内剪切应力分量的作用,疲劳失效由纤维主导逐渐过渡到纤维和基体共同主导的模式。基于单轴疲劳寿命曲线,采用Broutman-Sahu剩余强度模型表征剩余强度随疲劳循环次数的变化规律,结合剩余强度演化模型和修正的Hoffman强度理论,提出了一种面内复杂载荷条件下的疲劳寿命预测模型,并引入疲劳剪切损伤影响因子表征拉-剪应力联合作用对材料疲劳行为的影响。采用本文提出的疲劳寿命预测模型,预测不同偏轴角拉伸疲劳寿命,预测结果与试验结果基本一致,偏差在1倍寿命范围内。比较结果表明在给定应力比、温度和疲劳载荷频率条件下,该疲劳寿命预测模型可以用来预测平面编织氧化铝基复合材料拉-剪复杂面内载荷条件下疲劳寿命。