2021年 第38卷 第12期
2021, 38(12): 1-5.
摘要:
2021, 38(12): 4247-4254.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210303.002
摘要:
开发高性能的导电凝胶已经成为推动柔性电子设备进一步发展的基石。以天然纤维素为凝胶骨架，以离子液体为导电介质，通过加热溶解-冷却凝胶化过程可以制备高性能的绿色离子液体-纤维素复合凝胶(CGel)。复合凝胶中的纤维素基体呈现三维网络结构，并包含大量的孔洞，可以有效吸附和储存离子液体，实现离子液体在纤维素基体中的均匀分布。纤维素离子复合凝胶具有较高的模量(G′>G″)、优异的透明度(88%)、良好的电学性能(2.2 mS/cm)及柔韧性。进一步通过高温加热-冷却凝胶化过程能够实现纤维素离子凝胶体系的再循环生产过程。纤维素离子凝胶展现了对水分子的高度敏感性，其电导率正比于工作湿度，有望应用于环境湿度及人体皮肤状况的高效监督检测。
开发高性能的导电凝胶已经成为推动柔性电子设备进一步发展的基石。以天然纤维素为凝胶骨架，以离子液体为导电介质，通过加热溶解-冷却凝胶化过程可以制备高性能的绿色离子液体-纤维素复合凝胶(CGel)。复合凝胶中的纤维素基体呈现三维网络结构，并包含大量的孔洞，可以有效吸附和储存离子液体，实现离子液体在纤维素基体中的均匀分布。纤维素离子复合凝胶具有较高的模量(G′>G″)、优异的透明度(88%)、良好的电学性能(2.2 mS/cm)及柔韧性。进一步通过高温加热-冷却凝胶化过程能够实现纤维素离子凝胶体系的再循环生产过程。纤维素离子凝胶展现了对水分子的高度敏感性，其电导率正比于工作湿度，有望应用于环境湿度及人体皮肤状况的高效监督检测。
2021, 38(12): 4255-4264.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210304.001
摘要:
氧化石墨烯(GO)是一种性能良好的光热转换材料，广泛用于海水淡化、光电转换和太阳能利用等领域。为了测试GO负载无纺布膜(GO膜)和聚乙烯醇-氧化石墨烯无纺布复合膜(PVA-GO复合膜)的光热水蒸发特性，通过改进Hummers方法制备GO，选取了纤维素和聚酯类型的无纺布，通过浸泡-超声法制得GO膜和PVA-GO复合膜。运用紫外-可见-近红外光谱仪分析了GO膜和PVA-GO复合膜的吸光性能，并通过电子天平测量GO膜和PVA-GO复合膜的蒸发水量。由于PVA具有亲水性，能增大膜的吸水性，因而PVA加入会使蒸发水量增大。通过SEM分析GO膜和PVA-GO复合膜表面特征，发现无添加PVA的GO膜是纤维丝状结构，且纤维清晰可见。加入PVA后，纤维被PVA包裹，说明膜对光的吸收能力增强。当加入6wt% PVA时，无纺布纤维被PVA完全包裹。当用氙灯对两种膜进行水蒸发实验时，GO膜的蒸发速率达到了1.67 kg/(m2·h)，PVA-GO复合膜的蒸发速率达到了1.85 kg/(m2·h)。此外，GO膜中出现GO层状结构，在紫外-可见-近红外光谱分析中表现出较好的吸光能力，在光热蒸发实验中表现出较好的光热转换能力。PVA-GO复合膜在PVA质量浓度为4wt%时有较好的光热转换性能和吸光性。
氧化石墨烯(GO)是一种性能良好的光热转换材料，广泛用于海水淡化、光电转换和太阳能利用等领域。为了测试GO负载无纺布膜(GO膜)和聚乙烯醇-氧化石墨烯无纺布复合膜(PVA-GO复合膜)的光热水蒸发特性，通过改进Hummers方法制备GO，选取了纤维素和聚酯类型的无纺布，通过浸泡-超声法制得GO膜和PVA-GO复合膜。运用紫外-可见-近红外光谱仪分析了GO膜和PVA-GO复合膜的吸光性能，并通过电子天平测量GO膜和PVA-GO复合膜的蒸发水量。由于PVA具有亲水性，能增大膜的吸水性，因而PVA加入会使蒸发水量增大。通过SEM分析GO膜和PVA-GO复合膜表面特征，发现无添加PVA的GO膜是纤维丝状结构，且纤维清晰可见。加入PVA后，纤维被PVA包裹，说明膜对光的吸收能力增强。当加入6wt% PVA时，无纺布纤维被PVA完全包裹。当用氙灯对两种膜进行水蒸发实验时，GO膜的蒸发速率达到了1.67 kg/(m2·h)，PVA-GO复合膜的蒸发速率达到了1.85 kg/(m2·h)。此外，GO膜中出现GO层状结构，在紫外-可见-近红外光谱分析中表现出较好的吸光能力，在光热蒸发实验中表现出较好的光热转换能力。PVA-GO复合膜在PVA质量浓度为4wt%时有较好的光热转换性能和吸光性。
2021, 38(12): 4265-4272.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210303.001
摘要:
将自制层状石墨相氮化碳(g-C3N4)和WO3纳米片均匀混合，经煅烧制备WO3/g-C3N4复合半导体。利用XRD、SEM、TEM、UV-Vis DRS和PL对其进行表征。结果表明，g-C3N4呈现类石墨烯状片层结构，WO3为纳米片状结构，且分散在g-C3N4表面；与WO3复合后，UV-Vis吸收边发生了红移，拓宽了g-C3N4对可见光的响应。以罗丹明B(RhB)为模拟污染物，考察WO3/g-C3N4的光催化降解性能。WO3/g-C3N4质量比为1∶5时，表现出最佳的光催化活性，可见光照60 min后，RhB降解率可达到94.9%。光催化剂具有良好的稳定性，重复使用6次后，RhB的降解率依然达到88.9%。光催化机制研究表明，超氧自由基(·O2−)是光催化降解RhB的主要活性物种。
将自制层状石墨相氮化碳(g-C3N4)和WO3纳米片均匀混合，经煅烧制备WO3/g-C3N4复合半导体。利用XRD、SEM、TEM、UV-Vis DRS和PL对其进行表征。结果表明，g-C3N4呈现类石墨烯状片层结构，WO3为纳米片状结构，且分散在g-C3N4表面；与WO3复合后，UV-Vis吸收边发生了红移，拓宽了g-C3N4对可见光的响应。以罗丹明B(RhB)为模拟污染物，考察WO3/g-C3N4的光催化降解性能。WO3/g-C3N4质量比为1∶5时，表现出最佳的光催化活性，可见光照60 min后，RhB降解率可达到94.9%。光催化剂具有良好的稳定性，重复使用6次后，RhB的降解率依然达到88.9%。光催化机制研究表明，超氧自由基(·O2−)是光催化降解RhB的主要活性物种。
2021, 38(12): 4273-4281.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210310.002
摘要:
以微晶纤维素(Microcrystalline cellulose，MCC)和海藻酸钠(Sodium alginate，SA)为网络框架，海泡石(Sepiolite，SEP)为功能单元，采用悬浮液滴法构建纤维素-海藻酸钠-海泡石(MCC-SA-SEP)双网络多孔复合微球。通过SEM和TG对复合微球结构和热稳定性能进行表征，并研究该微球对亚甲基蓝(Methylene blue，MB)水溶液的吸附性能。结果表明，MCC-SA-SEP复合微球呈现三维网络多孔结构，且随着SEP含量的增加热稳定性逐渐提高。吸附结果显示MCC-SA-SEP符合准二级动力学模型和Langmuir等温线，对MB的饱和吸附容量高达333.3 mg/g。经过五次再生循环后，对MB吸附能力仍能维持85.4%，表明该多孔复合微球可以作为一种高效可再生的有机-无机复合吸附剂用于染料废水处理。
以微晶纤维素(Microcrystalline cellulose，MCC)和海藻酸钠(Sodium alginate，SA)为网络框架，海泡石(Sepiolite，SEP)为功能单元，采用悬浮液滴法构建纤维素-海藻酸钠-海泡石(MCC-SA-SEP)双网络多孔复合微球。通过SEM和TG对复合微球结构和热稳定性能进行表征，并研究该微球对亚甲基蓝(Methylene blue，MB)水溶液的吸附性能。结果表明，MCC-SA-SEP复合微球呈现三维网络多孔结构，且随着SEP含量的增加热稳定性逐渐提高。吸附结果显示MCC-SA-SEP符合准二级动力学模型和Langmuir等温线，对MB的饱和吸附容量高达333.3 mg/g。经过五次再生循环后，对MB吸附能力仍能维持85.4%，表明该多孔复合微球可以作为一种高效可再生的有机-无机复合吸附剂用于染料废水处理。
2021, 38(12): 4282-4293.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210309.002
摘要:
为了制备一种高效吸附含Pb(II)废水的生物炭材料，以椰壳(CS)和方解石(CAL)为原料，采用共热解法分别在500℃、600℃、700℃制备了方解石/生物炭(CAL/BC)复合材料。通过SEM、ICP-MS、BET、XRD、FTIR等方法对CAL/BC复合材料的表面微观形态和结构进行了表征。结果发现，三种热解温度条件下，CAL均能够与CS紧密结合，而且CAL/BC具有较大的比表面积，表面含有丰富的官能团。批量吸附实验结果表明，CAL和CS质量比为1∶2，pH值为5.5，吸附剂添加量为1.5 g·L−1，此时CAL/BC复合材料对Pb(II)的吸附量分别为95.24 mg·g−1(500℃)、99.01 mg·g−1(600℃)、185.19 mg·g−1(700℃)，可见热解温度为700℃时，吸附效果最佳。吸附过程符合二级动力学模型和Langmuir等温线模型。CAL/BC复合材料吸附Pb(II)的主要机制是沉淀、离子交换、阳离子-π作用、孔隙填充和静电引力。此外，CAL/BC复合材料在4次吸附-解吸循环后仍能保持较高的Pb(II)去除率。因此，共热解法制备的CAL/BC复合材料在处理废水中的Pb(II)方面具有广阔的应用前景。
为了制备一种高效吸附含Pb(II)废水的生物炭材料，以椰壳(CS)和方解石(CAL)为原料，采用共热解法分别在500℃、600℃、700℃制备了方解石/生物炭(CAL/BC)复合材料。通过SEM、ICP-MS、BET、XRD、FTIR等方法对CAL/BC复合材料的表面微观形态和结构进行了表征。结果发现，三种热解温度条件下，CAL均能够与CS紧密结合，而且CAL/BC具有较大的比表面积，表面含有丰富的官能团。批量吸附实验结果表明，CAL和CS质量比为1∶2，pH值为5.5，吸附剂添加量为1.5 g·L−1，此时CAL/BC复合材料对Pb(II)的吸附量分别为95.24 mg·g−1(500℃)、99.01 mg·g−1(600℃)、185.19 mg·g−1(700℃)，可见热解温度为700℃时，吸附效果最佳。吸附过程符合二级动力学模型和Langmuir等温线模型。CAL/BC复合材料吸附Pb(II)的主要机制是沉淀、离子交换、阳离子-π作用、孔隙填充和静电引力。此外，CAL/BC复合材料在4次吸附-解吸循环后仍能保持较高的Pb(II)去除率。因此，共热解法制备的CAL/BC复合材料在处理废水中的Pb(II)方面具有广阔的应用前景。
2021, 38(12): 4294-4304.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210202.005
摘要:
制备普通混凝土(Normal concrete，NC)和橡胶/混凝土基体(Rubber/NC)，研究盐冻循环60次内，表观现象、剥落量、抗压强度损失等性能指标劣化过程，采用超声波无损检测法评价混凝土盐冻循环破坏前后超声参数变化，建立相对波速、损伤度与抗压强度的关系，利用SEM观察盐冻循环损伤前后试件微结构变化。结果表明：随盐冻循环次数增加，混凝土试件表面剥蚀愈显著，剥落量增加，内部损伤、强度损失逐渐加剧，超声参数与抗压强度具有密切相关性；混凝土经历盐冻破坏后，内部结构呈疏松絮状，孔隙、裂纹愈加显现，密实度下降，造成宏观力学性能劣化。但弹性橡胶细集料掺入后有效缓解结冰压引起的内部开裂和孔隙扩大，各阶段橡胶/混凝土基体劣化程度均优于普通混凝土，以橡胶掺量 (与胶凝材料质量比) 10% (10%Rubber/NC)各性能指标最优，经历60次盐冻循环后，普通混凝土抗压强度损失率为58.5%，10%Rubber/NC抗压强度损失率为48.0%。
制备普通混凝土(Normal concrete，NC)和橡胶/混凝土基体(Rubber/NC)，研究盐冻循环60次内，表观现象、剥落量、抗压强度损失等性能指标劣化过程，采用超声波无损检测法评价混凝土盐冻循环破坏前后超声参数变化，建立相对波速、损伤度与抗压强度的关系，利用SEM观察盐冻循环损伤前后试件微结构变化。结果表明：随盐冻循环次数增加，混凝土试件表面剥蚀愈显著，剥落量增加，内部损伤、强度损失逐渐加剧，超声参数与抗压强度具有密切相关性；混凝土经历盐冻破坏后，内部结构呈疏松絮状，孔隙、裂纹愈加显现，密实度下降，造成宏观力学性能劣化。但弹性橡胶细集料掺入后有效缓解结冰压引起的内部开裂和孔隙扩大，各阶段橡胶/混凝土基体劣化程度均优于普通混凝土，以橡胶掺量 (与胶凝材料质量比) 10% (10%Rubber/NC)各性能指标最优，经历60次盐冻循环后，普通混凝土抗压强度损失率为58.5%，10%Rubber/NC抗压强度损失率为48.0%。
2021, 38(12): 4305-4312.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210302.003
摘要:
在碱激发作用下，以矿粉为主要原材料，粉煤灰为辅助材料，共同制备聚乙烯(PE)纤维增强高延性碱矿渣复合材料。通过轴向拉、压实验，研究不同养护龄期(1天、3天、7天、28天、56天、120天)下材料的拉压性能，并借助数字图像技术(DIC)对裂缝进行了表征。结果表明：高延性碱矿渣表现出较好的延性，具有早强特征。7天强度值可达极限强度的84%以上(极限拉压强度分别为5.05 MPa、91.24 MPa)，拉伸应变可达5.74%，多缝开裂基本饱和；28天后拉压性能趋于稳定(拉压强度、拉伸应变分别保持在6 MPa、100 MPa、6%)；DIC数字分析云图直观地描述了裂缝的形成及发展过程，可从一定程度上对开裂破坏方向及位置进行可靠预判。
在碱激发作用下，以矿粉为主要原材料，粉煤灰为辅助材料，共同制备聚乙烯(PE)纤维增强高延性碱矿渣复合材料。通过轴向拉、压实验，研究不同养护龄期(1天、3天、7天、28天、56天、120天)下材料的拉压性能，并借助数字图像技术(DIC)对裂缝进行了表征。结果表明：高延性碱矿渣表现出较好的延性，具有早强特征。7天强度值可达极限强度的84%以上(极限拉压强度分别为5.05 MPa、91.24 MPa)，拉伸应变可达5.74%，多缝开裂基本饱和；28天后拉压性能趋于稳定(拉压强度、拉伸应变分别保持在6 MPa、100 MPa、6%)；DIC数字分析云图直观地描述了裂缝的形成及发展过程，可从一定程度上对开裂破坏方向及位置进行可靠预判。
2021, 38(12): 4313-4324.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210210.003
摘要:
试验研究了6种长径比较小且直径较粗的钢纤维(SF)(短直形、长直线形、圆弧形、闭合三角形、闭合矩形、闭合圆环形)对高性能混凝土性能的影响。通过改变SF体积分数从而改变其形成的环域个数和面积，探究二者对混凝土流动性、抗拉及抗折强度的影响，并通过研究破坏界面分析混凝土破坏形式和机制。结果表明：闭合区域个数及纤维的环域面积对混凝土流动起主要影响；闭合SF中圆环形SF对混凝土抗折及抗压强度的提升效果优于其他形状的闭合SF。短直形SF与圆环形SF混杂试验中，圆环形SF体积分数为1vol%、短直形SF体积分数为0.5vol%时，SF/混凝土抗压强度和抗折强度提升的综合效果最佳。
试验研究了6种长径比较小且直径较粗的钢纤维(SF)(短直形、长直线形、圆弧形、闭合三角形、闭合矩形、闭合圆环形)对高性能混凝土性能的影响。通过改变SF体积分数从而改变其形成的环域个数和面积，探究二者对混凝土流动性、抗拉及抗折强度的影响，并通过研究破坏界面分析混凝土破坏形式和机制。结果表明：闭合区域个数及纤维的环域面积对混凝土流动起主要影响；闭合SF中圆环形SF对混凝土抗折及抗压强度的提升效果优于其他形状的闭合SF。短直形SF与圆环形SF混杂试验中，圆环形SF体积分数为1vol%、短直形SF体积分数为0.5vol%时，SF/混凝土抗压强度和抗折强度提升的综合效果最佳。
2021, 38(12): 4325-4336.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210223.002
摘要:
超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)是一种具有超高韧性及良好耐久性能的新型复合材料，其抗压韧性是评价其工作性能的重要指标。通过对5组不同纤维掺量的UHTCC在超低温作用后的单轴受压试验，研究超低温作用下UHTCC的抗压韧性评价指标，并对其变形能力进行等效分析，为UHTCC在超低温环境下的工程应用提供理论支持。研究结果表明：在一定范围内，随着纤维体积掺量的增加，UHTCC的抗压强度、抗压韧性均有明显提升，而超出最优掺量后性能反而略有下降；超低温对于UHTCC的抗压强度具有一定的提升作用，当温度降低至−196℃，其轴向抗压强度最大可提升约74.42%，但其脆性性能更明显。
超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)是一种具有超高韧性及良好耐久性能的新型复合材料，其抗压韧性是评价其工作性能的重要指标。通过对5组不同纤维掺量的UHTCC在超低温作用后的单轴受压试验，研究超低温作用下UHTCC的抗压韧性评价指标，并对其变形能力进行等效分析，为UHTCC在超低温环境下的工程应用提供理论支持。研究结果表明：在一定范围内，随着纤维体积掺量的增加，UHTCC的抗压强度、抗压韧性均有明显提升，而超出最优掺量后性能反而略有下降；超低温对于UHTCC的抗压强度具有一定的提升作用，当温度降低至−196℃，其轴向抗压强度最大可提升约74.42%，但其脆性性能更明显。
2021, 38(12): 4337-4348.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210310.001
摘要:
已有对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA/C)柱抗震性能的研究大多针对短柱，且PVA/C一般只在节点及其邻近部位局部设置。基于此，本文对低轴压比且沿柱全高设置的PVA/C中长柱进行低周反复荷载试验，变化参数为纤维体积分数ρf和体积配箍率ρv。通过试验，得出以下结论：所有试件均发生弯曲破坏；当ρf和ρv分别在试验设计范围内增大时，试件的裂缝控制能力、延性、截面转动能力及耗能能力均提高，刚度退化及承载力衰减速度减小；ρf的增大可较大程度提高试件开裂荷载，而对峰值荷载影响较小；ρf由0 vol%提高到2 vol%，位移延性系数、耗能比及开裂荷载分别提高52.9%、112.3%和51.1%；掺加适量纤维后，即使降低配箍率，试件也可保持良好的抗震性能和裂缝形态。根据本文试验数据并收集其他相关文献试验数据，拟合得出位移延性系数与ρf和ρv之间的关系式。最后总结了各类PVA/C柱抗震性能差异。
已有对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA/C)柱抗震性能的研究大多针对短柱，且PVA/C一般只在节点及其邻近部位局部设置。基于此，本文对低轴压比且沿柱全高设置的PVA/C中长柱进行低周反复荷载试验，变化参数为纤维体积分数ρf和体积配箍率ρv。通过试验，得出以下结论：所有试件均发生弯曲破坏；当ρf和ρv分别在试验设计范围内增大时，试件的裂缝控制能力、延性、截面转动能力及耗能能力均提高，刚度退化及承载力衰减速度减小；ρf的增大可较大程度提高试件开裂荷载，而对峰值荷载影响较小；ρf由0 vol%提高到2 vol%，位移延性系数、耗能比及开裂荷载分别提高52.9%、112.3%和51.1%；掺加适量纤维后，即使降低配箍率，试件也可保持良好的抗震性能和裂缝形态。根据本文试验数据并收集其他相关文献试验数据，拟合得出位移延性系数与ρf和ρv之间的关系式。最后总结了各类PVA/C柱抗震性能差异。
2021, 38(12): 4349-4361.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210203.003
摘要:
顶管施工中钢筋/混凝土管节存在开裂现象，严重影响工程质量与后续营运。鉴于聚丙烯纤维具有改善混凝土抗拉、抗裂性能的作用，本文采用2种聚丙烯细纤维和1种聚丙烯粗纤维，设计了无纤维、单掺粗纤维及混掺三种尺度纤维的3组钢筋/混凝土管试件，进行了三点试验，对比分析管节的开裂破坏形态、荷载挠度曲线和开裂延性指标。并建立纤维混凝土管节三点试验的有限元模型，进一步探究聚丙烯纤维掺量对钢筋/混凝土管节受力性能的影响规律。结果表明，聚丙烯粗纤维可提高混凝土管的抗裂与承载能力，聚丙烯粗、细纤维的协同作用使管达到更高的使用和极限强度。相比无纤维管，混掺多尺度纤维提升管的使用强度和极限强度分别为28.7%和36.4%。此外，数值模拟合理地预测了纤维/混凝土管节的荷载挠度响应，并针对混凝土管节的极限强度值，得到单掺和混掺聚丙烯纤维时粗纤维的最佳掺量。
顶管施工中钢筋/混凝土管节存在开裂现象，严重影响工程质量与后续营运。鉴于聚丙烯纤维具有改善混凝土抗拉、抗裂性能的作用，本文采用2种聚丙烯细纤维和1种聚丙烯粗纤维，设计了无纤维、单掺粗纤维及混掺三种尺度纤维的3组钢筋/混凝土管试件，进行了三点试验，对比分析管节的开裂破坏形态、荷载挠度曲线和开裂延性指标。并建立纤维混凝土管节三点试验的有限元模型，进一步探究聚丙烯纤维掺量对钢筋/混凝土管节受力性能的影响规律。结果表明，聚丙烯粗纤维可提高混凝土管的抗裂与承载能力，聚丙烯粗、细纤维的协同作用使管达到更高的使用和极限强度。相比无纤维管，混掺多尺度纤维提升管的使用强度和极限强度分别为28.7%和36.4%。此外，数值模拟合理地预测了纤维/混凝土管节的荷载挠度响应，并针对混凝土管节的极限强度值，得到单掺和混掺聚丙烯纤维时粗纤维的最佳掺量。
2021, 38(12): 4362-4370.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210202.002
摘要:
对石墨烯纳米复合材料进行三维有限元建模通常需极其精细的网格。在考虑塑性演变的情况下，细观代表性单元体模型的计算效率极其低下。为此，基于非均匀变换场分析理论，提出了石墨烯纳米复合材料的降阶均匀化方法。首先，针对不同加载路径进行预分析，提取细观塑性应变场信息；然后对这些信息进行本征正交分解，从而得到若干个塑性模态，用作降阶模型的基函数；基于宏、细观耗散功的等效原理，导出降阶变量的本构模型。该方法的离线分析部分通过MATLAB编程实现。为了便于工程计算，在线分析部分则由商业有限元软件ABAQUS的UMAT用户子程序接口实现。基于三维算例分析，验证了所提方法的有效性。结果显示，在保证较高精度的前提下，针对三维代表性单元体计算的加速率可达103~104量级。
对石墨烯纳米复合材料进行三维有限元建模通常需极其精细的网格。在考虑塑性演变的情况下，细观代表性单元体模型的计算效率极其低下。为此，基于非均匀变换场分析理论，提出了石墨烯纳米复合材料的降阶均匀化方法。首先，针对不同加载路径进行预分析，提取细观塑性应变场信息；然后对这些信息进行本征正交分解，从而得到若干个塑性模态，用作降阶模型的基函数；基于宏、细观耗散功的等效原理，导出降阶变量的本构模型。该方法的离线分析部分通过MATLAB编程实现。为了便于工程计算，在线分析部分则由商业有限元软件ABAQUS的UMAT用户子程序接口实现。基于三维算例分析，验证了所提方法的有效性。结果显示，在保证较高精度的前提下，针对三维代表性单元体计算的加速率可达103~104量级。
2021, 38(12): 4371-4378.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210210.002
摘要:
空气弹簧帘线-橡胶复合材料结构具有刚度可变、轻量化、高度可调、隔振效果好等优势，在汽车“新四化”的发展趋势下，车用空气弹簧力学成为学术和工程研究热点。但其受力的“有效面积”这一重要参数还未建立完善理论模型。结合复合材料力学特性与几何学特征，提出一种车用膜式空气弹簧有效面积理论分析与预测方法。给出了空气弹簧有效面积理论预测表达式，体现了空气弹簧气囊内压强、空气弹簧高度等因素对有效面积的综合影响。利用力学综合实验台架设计实验，对某型号空气弹簧进行有效面积测量，实验结果与理论分析的对比显示在实验测量的范围内，理论预测的有效面积误差在1%以内，表明了这种理论分析方法的合理性。这种方法对进行有效面积的预测、空气弹簧的准确建模及进一步进行高精度的车高控制具有一定的指导意义。
空气弹簧帘线-橡胶复合材料结构具有刚度可变、轻量化、高度可调、隔振效果好等优势，在汽车“新四化”的发展趋势下，车用空气弹簧力学成为学术和工程研究热点。但其受力的“有效面积”这一重要参数还未建立完善理论模型。结合复合材料力学特性与几何学特征，提出一种车用膜式空气弹簧有效面积理论分析与预测方法。给出了空气弹簧有效面积理论预测表达式，体现了空气弹簧气囊内压强、空气弹簧高度等因素对有效面积的综合影响。利用力学综合实验台架设计实验，对某型号空气弹簧进行有效面积测量，实验结果与理论分析的对比显示在实验测量的范围内，理论预测的有效面积误差在1%以内，表明了这种理论分析方法的合理性。这种方法对进行有效面积的预测、空气弹簧的准确建模及进一步进行高精度的车高控制具有一定的指导意义。
2021, 38(12): 4379-4392.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210207.003
摘要:
端钩型钢纤维是结构工程中应用最广泛的钢纤维品类之一，单根钢纤维拔出力学性能对于确定钢纤维混凝土的受拉本构及受拉韧性具有重要意义。为了得到能够有效预测倾斜端钩型钢纤维拔出荷载-端部位移曲线的理论模型，首先将倾斜端钩型钢纤维拔出过程分为完全黏结、脱黏和拔出滑移阶段三种受力状态，考虑不同拔出阶段及基体孔道损伤，建立了钢纤维黏结应力与纤维端部位移之间的关系，同时考虑钢纤维塑性变形、附加摩擦力及纤维拔出角度导致的基体剥落和挤压摩擦效应，建立了一种可以预测倾斜端钩型钢纤维拔出全过程的理论计算模型，在此基础上提出形式简单的简化模型，选取已有试验数据对提出的计算模型进行验证，结果表明：本文提出的两种模型均能够有效预测端钩型钢纤维拔出全过程，具有较高的计算精度且变异系数小，为进一步分析钢纤维对水泥基材料受拉性能的增强作用提供了理论依据。
端钩型钢纤维是结构工程中应用最广泛的钢纤维品类之一，单根钢纤维拔出力学性能对于确定钢纤维混凝土的受拉本构及受拉韧性具有重要意义。为了得到能够有效预测倾斜端钩型钢纤维拔出荷载-端部位移曲线的理论模型，首先将倾斜端钩型钢纤维拔出过程分为完全黏结、脱黏和拔出滑移阶段三种受力状态，考虑不同拔出阶段及基体孔道损伤，建立了钢纤维黏结应力与纤维端部位移之间的关系，同时考虑钢纤维塑性变形、附加摩擦力及纤维拔出角度导致的基体剥落和挤压摩擦效应，建立了一种可以预测倾斜端钩型钢纤维拔出全过程的理论计算模型，在此基础上提出形式简单的简化模型，选取已有试验数据对提出的计算模型进行验证，结果表明：本文提出的两种模型均能够有效预测端钩型钢纤维拔出全过程，具有较高的计算精度且变异系数小，为进一步分析钢纤维对水泥基材料受拉性能的增强作用提供了理论依据。
2021, 38(12): 3971-3985.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210309.001
摘要:
超疏水材料在金属防腐领域具备巨大的潜在应用前景。为得到疏水性能及防腐性能俱优的纳米TiO2/环氧树脂复合涂层材料，首先以三甲氧基十七氟癸基硅烷和γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)对纳米TiO2表面功能化；以全氟辛基甲基丙烯酸酯对固化剂二乙烯三氨(DETA)进行氟化；最后通过一步共混法和两步喷涂法分别制备出两种复合涂层。利用FTIR、XPS、1HNMR分析氟化固化剂(F-DETA)和氟化纳米TiO2(f-TiO2)的物相组成和组织结构。接触角测试仪和静置实验表明，当三甲氧基十七氟癸基硅烷和γ-氨丙基三乙氧基硅烷的摩尔比为1∶15时f-TiO2的性能最佳，所制备的复合涂层接触角达到164.9°。SEM表征结果显示通过两步法制备的f-TiO2/环氧树脂复合涂层具备更均匀的粗糙表面、涂层内部孔隙率较低且环氧树脂层与f-TiO2层具备梯度结构。摩擦实验证明两步法制备的f-TiO2/环氧树脂复合涂层的超疏水性具备较好的机械稳定性。Tafel极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)研究表明，通过两步法制备的f-TiO2/环氧树脂复合涂层具有优异的防腐性能，其腐蚀抑制效率高达99.99%。
超疏水材料在金属防腐领域具备巨大的潜在应用前景。为得到疏水性能及防腐性能俱优的纳米TiO2/环氧树脂复合涂层材料，首先以三甲氧基十七氟癸基硅烷和γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)对纳米TiO2表面功能化；以全氟辛基甲基丙烯酸酯对固化剂二乙烯三氨(DETA)进行氟化；最后通过一步共混法和两步喷涂法分别制备出两种复合涂层。利用FTIR、XPS、1HNMR分析氟化固化剂(F-DETA)和氟化纳米TiO2(f-TiO2)的物相组成和组织结构。接触角测试仪和静置实验表明，当三甲氧基十七氟癸基硅烷和γ-氨丙基三乙氧基硅烷的摩尔比为1∶15时f-TiO2的性能最佳，所制备的复合涂层接触角达到164.9°。SEM表征结果显示通过两步法制备的f-TiO2/环氧树脂复合涂层具备更均匀的粗糙表面、涂层内部孔隙率较低且环氧树脂层与f-TiO2层具备梯度结构。摩擦实验证明两步法制备的f-TiO2/环氧树脂复合涂层的超疏水性具备较好的机械稳定性。Tafel极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)研究表明，通过两步法制备的f-TiO2/环氧树脂复合涂层具有优异的防腐性能，其腐蚀抑制效率高达99.99%。
2021, 38(12): 3986-3995.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210205.001
摘要:
芳纶纳米纤维(ANF)具有大长径比、高比表面积、丰富的表面酰胺官能团和优异的力学性能，是制备高强度纳米复合材料的理想构筑单元。本文开发了一种新颖的水凝胶加工策略，用于制备ANF增强聚乙烯醇(PVA)复合薄膜，逐步优化了ANF的含量、水凝胶的预拉伸比和PVA组份的化学交联，表征分析了复合薄膜中ANF的分散、取向、PVA的交联形式及ANF与PVA之间的界面氢键作用，当ANF的质量分数为25wt%、水凝胶的预拉伸比为55%和采用氯化铜交联PVA基体时，复合薄膜的力学性能最优，其杨氏模量和拉伸强度分别高达(14.6±0.3) GPa 和(496.5±10.0) MPa，远远优于文献报道的ANF增强聚合物复合材料。此外，该高强度纳米复合薄膜同时具有良好的透明性和优异的紫外屏蔽性能，透明度大于72.1%，能够屏蔽大于99.98%紫外线，可用做先进包装材料。
芳纶纳米纤维(ANF)具有大长径比、高比表面积、丰富的表面酰胺官能团和优异的力学性能，是制备高强度纳米复合材料的理想构筑单元。本文开发了一种新颖的水凝胶加工策略，用于制备ANF增强聚乙烯醇(PVA)复合薄膜，逐步优化了ANF的含量、水凝胶的预拉伸比和PVA组份的化学交联，表征分析了复合薄膜中ANF的分散、取向、PVA的交联形式及ANF与PVA之间的界面氢键作用，当ANF的质量分数为25wt%、水凝胶的预拉伸比为55%和采用氯化铜交联PVA基体时，复合薄膜的力学性能最优，其杨氏模量和拉伸强度分别高达(14.6±0.3) GPa 和(496.5±10.0) MPa，远远优于文献报道的ANF增强聚合物复合材料。此外，该高强度纳米复合薄膜同时具有良好的透明性和优异的紫外屏蔽性能，透明度大于72.1%，能够屏蔽大于99.98%紫外线，可用做先进包装材料。
2021, 38(12): 3996-4003.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210531.004
摘要:
高分子表面活性剂被广泛应用于科学研究及食品、农业、纺织等工业领域。为了减少在大多数实际应用过程结束后失去活性的高分子因残留引起的副作用，设计并开发新型的开关型高分子表面活性剂具有重要的意义和应用价值。为此，通过自由基聚合法制备了一种CO2开关型高分子表面活性剂聚(甲基丙烯酸二乙氨基乙酯-乙烯基磺酸钠)(P(DEAEMA-SVS))。采用1H-NMR谱和GPC谱研究聚合物的结构与分子量分布。通过表面张力和界面张力的变化研究P(DEAEMA-SVS)乳液的稳定性。当甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA)/乙烯基磺酸钠(SVS)单体投料比为1∶1(摩尔比)时，形成的聚合物粒子粒径约为113 nm，粒径分布窄，可将水的表面张力降低至37.279 mN/m，将水/液体石蜡的界面张力降低至5.492 mN/m，是一种有效的CO2开关型表面活性剂，可作为唯一乳化剂稳定乳液。P(DEAEMA-SVS)的水/液体石蜡乳液具有很好的CO2开关性能，在通入CO2 30 min后可破乳，在60℃下通入N2又可再乳化，且可多次循环。P(DEAEMA-SVS)表面活性剂水溶液可与液体石蜡形成水包油型乳液。乳化机制研究表明，P(DEAEMA-SVS)因侧链上的叔胺基团的疏水性，在CO2的作用下发生质子化作用形成亲水的季铵盐，使乳液油水两相分离而破乳；60℃温度下通入N2可去除CO2，使聚合物侧链上的叔胺基团去质子化疏水吸附在油水界面上再次稳定乳液。
高分子表面活性剂被广泛应用于科学研究及食品、农业、纺织等工业领域。为了减少在大多数实际应用过程结束后失去活性的高分子因残留引起的副作用，设计并开发新型的开关型高分子表面活性剂具有重要的意义和应用价值。为此，通过自由基聚合法制备了一种CO2开关型高分子表面活性剂聚(甲基丙烯酸二乙氨基乙酯-乙烯基磺酸钠)(P(DEAEMA-SVS))。采用1H-NMR谱和GPC谱研究聚合物的结构与分子量分布。通过表面张力和界面张力的变化研究P(DEAEMA-SVS)乳液的稳定性。当甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA)/乙烯基磺酸钠(SVS)单体投料比为1∶1(摩尔比)时，形成的聚合物粒子粒径约为113 nm，粒径分布窄，可将水的表面张力降低至37.279 mN/m，将水/液体石蜡的界面张力降低至5.492 mN/m，是一种有效的CO2开关型表面活性剂，可作为唯一乳化剂稳定乳液。P(DEAEMA-SVS)的水/液体石蜡乳液具有很好的CO2开关性能，在通入CO2 30 min后可破乳，在60℃下通入N2又可再乳化，且可多次循环。P(DEAEMA-SVS)表面活性剂水溶液可与液体石蜡形成水包油型乳液。乳化机制研究表明，P(DEAEMA-SVS)因侧链上的叔胺基团的疏水性，在CO2的作用下发生质子化作用形成亲水的季铵盐，使乳液油水两相分离而破乳；60℃温度下通入N2可去除CO2，使聚合物侧链上的叔胺基团去质子化疏水吸附在油水界面上再次稳定乳液。
2021, 38(12): 4004-4013.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210210.005
摘要:
使用由双酚AF和4,4-二氟二苯甲酮缩聚而得的含氟聚芳醚酮(FPAEK)为树脂基体，以疏水气相SiO2和碳纳米管(CNT)为无机掺杂纳米粒子，采用一步喷涂法在铝板表面制备了一种SiO2-CNT/FPAEK超疏水涂层。研究发现，当SiO2和CNT掺杂量都为1wt%时，所得涂层的超疏水性能最好，其水接触角WCA可达到167°，滚动角SA为3°。该涂层的玻璃转化温度和初始分解温度分别达到170℃和480℃，热稳定性优异。将该涂层分别在pH=1的HCl溶液、pH=13的NaOH溶液和质量分数为3.5wt%的NaCl溶液中浸泡13天，WCA都维持在150°以上，说明具有较好的化学稳定性。经过80个摩擦循环测试后，该涂层的WCA还维持在151°，说明具有较好的机械稳定性。电化学测试表明，该涂层可以将马口铁的腐蚀电压Ecorr从−0.538 V提高到−0.112 V，而腐蚀电流Jcorr从2.105×10−5 A下降到1.94×10−7 A，说明具有优异的防腐蚀性能。此外，将基底换成常见的铁板、水泥板、玻璃板和聚乙烯塑料板，同样获得了超疏水涂层。涂层表面的污染物可以被自由滚落的水珠轻易带走，表明涂层具有良好的自清洁性能。可见，所得SiO2-CNT/FPAEK超疏水涂层具有广阔的应用前景。
使用由双酚AF和4,4-二氟二苯甲酮缩聚而得的含氟聚芳醚酮(FPAEK)为树脂基体，以疏水气相SiO2和碳纳米管(CNT)为无机掺杂纳米粒子，采用一步喷涂法在铝板表面制备了一种SiO2-CNT/FPAEK超疏水涂层。研究发现，当SiO2和CNT掺杂量都为1wt%时，所得涂层的超疏水性能最好，其水接触角WCA可达到167°，滚动角SA为3°。该涂层的玻璃转化温度和初始分解温度分别达到170℃和480℃，热稳定性优异。将该涂层分别在pH=1的HCl溶液、pH=13的NaOH溶液和质量分数为3.5wt%的NaCl溶液中浸泡13天，WCA都维持在150°以上，说明具有较好的化学稳定性。经过80个摩擦循环测试后，该涂层的WCA还维持在151°，说明具有较好的机械稳定性。电化学测试表明，该涂层可以将马口铁的腐蚀电压Ecorr从−0.538 V提高到−0.112 V，而腐蚀电流Jcorr从2.105×10−5 A下降到1.94×10−7 A，说明具有优异的防腐蚀性能。此外，将基底换成常见的铁板、水泥板、玻璃板和聚乙烯塑料板，同样获得了超疏水涂层。涂层表面的污染物可以被自由滚落的水珠轻易带走，表明涂层具有良好的自清洁性能。可见，所得SiO2-CNT/FPAEK超疏水涂层具有广阔的应用前景。
2021, 38(12): 4014-4022.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210215.002
摘要:
首先制备氟化超支化聚氨酯(FHPU)，然后与具有光热转化功能的普鲁士蓝(PB)纳米粒子复合，得到光热转换功能的PB/FHPU超疏水防结冰复合涂层材料。利用FTIR、TGA和DSC等测试分析了FHPU和PB/FHPU超疏水防结冰复合涂层材料的结构及性能，通过光热转换实验证明了复合涂层材料出色的光热性能；深入探究了PB纳米粒子的添加量对复合涂层材料表面性质和光热转化性能的影响。结果表明，当PB质量占FHPU的13%时，复合涂层材料可形成具有微纳结构的复合涂层，涂层表面最大接触角达157°，滚动角为1.8°。同时，该涂层在808 nm激光照射下10 s内温度可升高78.1℃，最高温度达到148.7℃。因而，光热转换功能性超疏水防结冰复合涂层材料具有良好的疏水、防结冰性能。
首先制备氟化超支化聚氨酯(FHPU)，然后与具有光热转化功能的普鲁士蓝(PB)纳米粒子复合，得到光热转换功能的PB/FHPU超疏水防结冰复合涂层材料。利用FTIR、TGA和DSC等测试分析了FHPU和PB/FHPU超疏水防结冰复合涂层材料的结构及性能，通过光热转换实验证明了复合涂层材料出色的光热性能；深入探究了PB纳米粒子的添加量对复合涂层材料表面性质和光热转化性能的影响。结果表明，当PB质量占FHPU的13%时，复合涂层材料可形成具有微纳结构的复合涂层，涂层表面最大接触角达157°，滚动角为1.8°。同时，该涂层在808 nm激光照射下10 s内温度可升高78.1℃，最高温度达到148.7℃。因而，光热转换功能性超疏水防结冰复合涂层材料具有良好的疏水、防结冰性能。
2021, 38(12): 4023-4030.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210312.005
摘要:
应用于柔性显示的聚酰亚胺(Polyimide，PI)膜要求高透明性和低热膨胀系数CTE，而目前高透明聚酰亚胺的CTE普遍高于40×10−6/℃。本研究采用同质增强法，将高强度的纳米PI纤维与无色透明热塑性含氟聚酰亚胺(PI-F)复合，得到的纳米PI纤维增强PI-F基复合薄膜不仅保持PI-F的高透明，同时具有更低的CTE和优异的拉伸性能。研究结果表明：纳米尺寸的纤维可减少光透过时发生的散射，使复合薄膜维持了较高的透明性。当纳米PI纤维质量分数为10%时，在可见光区其透光率达到80.5%，与纯PI-F薄膜相比，复合薄膜的CTE值降低了40.3%，为28.3×10−6/℃。其拉伸强度提高了132.9%，达到107.6 MPa，拉伸模量增大了89.5%，达到1152.2 MPa。
应用于柔性显示的聚酰亚胺(Polyimide，PI)膜要求高透明性和低热膨胀系数CTE，而目前高透明聚酰亚胺的CTE普遍高于40×10−6/℃。本研究采用同质增强法，将高强度的纳米PI纤维与无色透明热塑性含氟聚酰亚胺(PI-F)复合，得到的纳米PI纤维增强PI-F基复合薄膜不仅保持PI-F的高透明，同时具有更低的CTE和优异的拉伸性能。研究结果表明：纳米尺寸的纤维可减少光透过时发生的散射，使复合薄膜维持了较高的透明性。当纳米PI纤维质量分数为10%时，在可见光区其透光率达到80.5%，与纯PI-F薄膜相比，复合薄膜的CTE值降低了40.3%，为28.3×10−6/℃。其拉伸强度提高了132.9%，达到107.6 MPa，拉伸模量增大了89.5%，达到1152.2 MPa。
2021, 38(12): 4031-4041.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210215.005
摘要:
为明确高温后碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)筋材及其粘结型锚固系统的力学性能，以筋材的处理温度为试验参数，完成了12个筋材试件的轴向拉伸试验；以粘结式锚具的处理温度和粘结长度为试验参数，完成了36个试件的锚固性能试验。结果表明：对于筋材轴向拉伸试件，处理温度为100℃时，筋材静力性能与常温试件相比未发生明显变化，筋材经历200℃和300℃温升作用后，其抗拉强度、弹性模量和极限拉应变较常温试件分别下降了6.4%、8.2%、3.8%和16.6%、18.3%、8.3%；对于锚固性能试验，试件的粘结强度随处理温度和粘结长度的增加而降低，粘结长度一定时，处理温度为200℃与300℃试件的粘结强度较常温试件分别下降了31.5%~36.3%和44.2%~47.4%。建立了适于分析高温后CFRP筋轴向拉伸性能、粘结型锚固系统粘结强度及临界锚固长度的实用计算公式，且具较高精度。
为明确高温后碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)筋材及其粘结型锚固系统的力学性能，以筋材的处理温度为试验参数，完成了12个筋材试件的轴向拉伸试验；以粘结式锚具的处理温度和粘结长度为试验参数，完成了36个试件的锚固性能试验。结果表明：对于筋材轴向拉伸试件，处理温度为100℃时，筋材静力性能与常温试件相比未发生明显变化，筋材经历200℃和300℃温升作用后，其抗拉强度、弹性模量和极限拉应变较常温试件分别下降了6.4%、8.2%、3.8%和16.6%、18.3%、8.3%；对于锚固性能试验，试件的粘结强度随处理温度和粘结长度的增加而降低，粘结长度一定时，处理温度为200℃与300℃试件的粘结强度较常温试件分别下降了31.5%~36.3%和44.2%~47.4%。建立了适于分析高温后CFRP筋轴向拉伸性能、粘结型锚固系统粘结强度及临界锚固长度的实用计算公式，且具较高精度。
2021, 38(12): 4042-4051.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210526.004
摘要:
针对碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber-reinforced plastic，CFRP)齿槽加工中易产生分层缺陷的问题，尤其以切出侧最严重。根据齿槽加工中分层缺陷的形成过程，重点构建CFRP齿槽加工切出侧最表层材料分层形成的临界切削力模型，并以平纹编织CFRP为研究对象，采用T型铣刀进行试验，从力学角度揭示齿槽加工中分层缺陷的形成机制。结果表明：齿槽上下两侧的经向纤维分层缺陷较小；A情形(有支撑)、B情形(无支撑)下纬向纤维分层缺陷产生的临界切削力均较小，因此，齿槽加工中分层缺陷均易产生，尤其是B情形；A、B两种情形下单束纤维临界力均在边缘附近呈较大值，中间部位临界力变化较小及纤维的变形均以中间部分较大，边缘部位变形小，由此导致A、B两种情形下的分层缺陷均以单束纤维为边界形成半月弧形“波峰”；随着每齿进给量fz和切削速度Vc的增大，两种情形下的分层缺陷均呈增大趋势。试验结果与临界力理论推导结果基本一致。
针对碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber-reinforced plastic，CFRP)齿槽加工中易产生分层缺陷的问题，尤其以切出侧最严重。根据齿槽加工中分层缺陷的形成过程，重点构建CFRP齿槽加工切出侧最表层材料分层形成的临界切削力模型，并以平纹编织CFRP为研究对象，采用T型铣刀进行试验，从力学角度揭示齿槽加工中分层缺陷的形成机制。结果表明：齿槽上下两侧的经向纤维分层缺陷较小；A情形(有支撑)、B情形(无支撑)下纬向纤维分层缺陷产生的临界切削力均较小，因此，齿槽加工中分层缺陷均易产生，尤其是B情形；A、B两种情形下单束纤维临界力均在边缘附近呈较大值，中间部位临界力变化较小及纤维的变形均以中间部分较大，边缘部位变形小，由此导致A、B两种情形下的分层缺陷均以单束纤维为边界形成半月弧形“波峰”；随着每齿进给量fz和切削速度Vc的增大，两种情形下的分层缺陷均呈增大趋势。试验结果与临界力理论推导结果基本一致。
2021, 38(12): 4052-4059.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210203.001
摘要:
基于压拉平衡为特征的新一代先进复合材料的需求，开展了碳纤维截面形状和尺寸对碳纤维/环氧树脂复合材料压缩强度的影响研究。有限元模拟和试验结果均表明，增大碳纤维直径可以提高复合材料压缩强度。另外碳纤维截面形状也对复合材料压缩强度有影响，圆形截面优于椭圆形截面。
基于压拉平衡为特征的新一代先进复合材料的需求，开展了碳纤维截面形状和尺寸对碳纤维/环氧树脂复合材料压缩强度的影响研究。有限元模拟和试验结果均表明，增大碳纤维直径可以提高复合材料压缩强度。另外碳纤维截面形状也对复合材料压缩强度有影响，圆形截面优于椭圆形截面。
2021, 38(12): 4060-4072.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210311.004
摘要:
研究了三维编织碳纤维-玻璃纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料和层合碳纤维-玻璃纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料在200℃和250℃分别老化10、30、90、120和180天后的弯曲和剪切性能的变化。结果显示热氧环境下，纤维/双马来酰亚胺树脂基体界面性能随着老化时间的延长而显著下降，且编织复合材料老化后的弯曲和剪切性能保留率大于层合复合材料。这是由于编织复合材料中沿厚度方向的Z向纱将所有纱线捆绑为一个整体结构抵抗外力，且在热氧老化造成复合材料之间产生裂纹时，Z向纱的存在可以阻挡裂纹的扩展，减缓材料的老化速率。这说明与层合复合材料相比，编织复合材料的整体结构能够起到补偿由热氧老化导致的力学性能下降的作用。
研究了三维编织碳纤维-玻璃纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料和层合碳纤维-玻璃纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料在200℃和250℃分别老化10、30、90、120和180天后的弯曲和剪切性能的变化。结果显示热氧环境下，纤维/双马来酰亚胺树脂基体界面性能随着老化时间的延长而显著下降，且编织复合材料老化后的弯曲和剪切性能保留率大于层合复合材料。这是由于编织复合材料中沿厚度方向的Z向纱将所有纱线捆绑为一个整体结构抵抗外力，且在热氧老化造成复合材料之间产生裂纹时，Z向纱的存在可以阻挡裂纹的扩展，减缓材料的老化速率。这说明与层合复合材料相比，编织复合材料的整体结构能够起到补偿由热氧老化导致的力学性能下降的作用。
2021, 38(12): 4073-4089.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210311.005
摘要:
针对单一固化剂难以兼顾耐热性和韧性的不足，研究了耐热性能较好的缩胺105和韧性较好的聚醚胺D230两种固化剂混掺对纳米SiO2环氧胶黏剂玻璃转变温度及高温下基本力学性能的影响。按一定固化条件制作了30个胶黏剂拉伸试件、21个碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板-钢板双搭接试件，进行了高温及常温下的准静态拉伸试验、拉伸剪切试验，测试了相应胶黏剂的动态热机械性能，并与常用商品胶的耐热性能与力学性能进行比较，得到以下结论：随混掺固化剂中聚醚胺D230比重的增加，胶黏剂高温下的拉伸强度及弹性模量逐渐降低，断裂伸长率及应变能先增加后减小，缩胺105与聚醚胺D230两种固化剂混掺的推荐比例为1∶2。随固化温度的升高，具有固化剂混掺较佳比例的胶黏剂的玻璃转变温度有所提升，综合技术与经济因素，推荐(较佳)固化条件为90℃、2 h。推荐比例与推荐固化条件的纳米SiO2环氧胶黏剂在环境温度20~70℃之间的拉伸强度及韧性均大大优于常用商品胶黏剂。基于推荐比例与推荐固化工艺的纳米SiO2胶黏剂粘结的CFRP板-钢板搭接接头，在70℃服役温度下的荷载-位移曲线存在屈服段，承载能力(较采用单一缩胺105和单一聚醚胺D230固化剂的搭接试件分别提升了104.03%、64.43%)和延性(为采用单一缩胺105固化剂的搭接试件的2.5倍以上)均大幅提升。高温和常温下的黏结-滑移本构均为三线性四边形。胶黏剂在满足耐热性的同时，需尽可能提升其韧性，才能有效提升CFRP-钢搭接界面的力学性能。相比于常用商品胶黏剂，研制的推荐胶黏剂粘结的CFRP板-钢板搭接接头具有优越得多的承载能力和界面断裂能。
针对单一固化剂难以兼顾耐热性和韧性的不足，研究了耐热性能较好的缩胺105和韧性较好的聚醚胺D230两种固化剂混掺对纳米SiO2环氧胶黏剂玻璃转变温度及高温下基本力学性能的影响。按一定固化条件制作了30个胶黏剂拉伸试件、21个碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板-钢板双搭接试件，进行了高温及常温下的准静态拉伸试验、拉伸剪切试验，测试了相应胶黏剂的动态热机械性能，并与常用商品胶的耐热性能与力学性能进行比较，得到以下结论：随混掺固化剂中聚醚胺D230比重的增加，胶黏剂高温下的拉伸强度及弹性模量逐渐降低，断裂伸长率及应变能先增加后减小，缩胺105与聚醚胺D230两种固化剂混掺的推荐比例为1∶2。随固化温度的升高，具有固化剂混掺较佳比例的胶黏剂的玻璃转变温度有所提升，综合技术与经济因素，推荐(较佳)固化条件为90℃、2 h。推荐比例与推荐固化条件的纳米SiO2环氧胶黏剂在环境温度20~70℃之间的拉伸强度及韧性均大大优于常用商品胶黏剂。基于推荐比例与推荐固化工艺的纳米SiO2胶黏剂粘结的CFRP板-钢板搭接接头，在70℃服役温度下的荷载-位移曲线存在屈服段，承载能力(较采用单一缩胺105和单一聚醚胺D230固化剂的搭接试件分别提升了104.03%、64.43%)和延性(为采用单一缩胺105固化剂的搭接试件的2.5倍以上)均大幅提升。高温和常温下的黏结-滑移本构均为三线性四边形。胶黏剂在满足耐热性的同时，需尽可能提升其韧性，才能有效提升CFRP-钢搭接界面的力学性能。相比于常用商品胶黏剂，研制的推荐胶黏剂粘结的CFRP板-钢板搭接接头具有优越得多的承载能力和界面断裂能。
2021, 38(12): 4090-4105.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210317.003
摘要:
II型界面破坏是碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢板常见的破坏方式之一。为揭示CFRP加固钢板粘结界面破坏的力学机制，开展了单剪试验和双剪试验分别研究了CFRP-钢板界面力学性能及破坏过程，并采用数字图像相关技术(DIC)对CFRP的轴向应变分布进行监测。对比两个试验的破坏模式发现，双剪试件的粘结界面主要发生II型破坏，界面破坏的主要力学原因是剪应力；而存在偏心加载的单剪试件，粘结界面上的剪应力和偏心加载引起的弯矩共同作用，使粘结界面发生I/II型混合模式失效。在II型破坏模式下，不同粘结长度的极限荷载及粘结滑移值随着粘结长度的增大而增大，但当粘结长度超过有效粘结长度后，极限荷载及极限滑移值基本保持不变。而在所讨论的偏心加载引起的界面I/II型混合破坏模式下，不同粘结长度的极限荷载基本不变。基于试验数据得到的双线性粘结-滑移关系建立了有限元模型，对CFRP加固钢板的II型界面粘结破坏行为进行分析，数值模拟结果与试验结果吻合较好。
II型界面破坏是碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢板常见的破坏方式之一。为揭示CFRP加固钢板粘结界面破坏的力学机制，开展了单剪试验和双剪试验分别研究了CFRP-钢板界面力学性能及破坏过程，并采用数字图像相关技术(DIC)对CFRP的轴向应变分布进行监测。对比两个试验的破坏模式发现，双剪试件的粘结界面主要发生II型破坏，界面破坏的主要力学原因是剪应力；而存在偏心加载的单剪试件，粘结界面上的剪应力和偏心加载引起的弯矩共同作用，使粘结界面发生I/II型混合模式失效。在II型破坏模式下，不同粘结长度的极限荷载及粘结滑移值随着粘结长度的增大而增大，但当粘结长度超过有效粘结长度后，极限荷载及极限滑移值基本保持不变。而在所讨论的偏心加载引起的界面I/II型混合破坏模式下，不同粘结长度的极限荷载基本不变。基于试验数据得到的双线性粘结-滑移关系建立了有限元模型，对CFRP加固钢板的II型界面粘结破坏行为进行分析，数值模拟结果与试验结果吻合较好。
2021, 38(12): 4106-4122.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210317.002
摘要:
为了充分降低成本，增加环境友好性并获得良好的木质感，以杨木纤维和毛竹纤维为原料，通过挤出成型制备超高填充聚丙烯基木塑复合材料(UH-WPCs)。基于聚丙烯基体含量的大幅降低，对比分析了填充量和木质纤维种类对UH-WPCs高低温力学性能、高低温蠕变性能、热膨胀性能、尺寸稳定性及吸水性能的影响。结果表明，随着填充量从75wt%增加到90wt%，其线性热膨胀系数大幅降低，蠕变应变逐渐减小而在90wt%时增大；拉伸模量和弯曲模量随填充量的增加先升高而后在90wt%时下降；拉伸强度、弯曲强度和冲击强度随着填充量的增加逐渐降低；在低温−30℃时UH-WPCs的拉伸和弯曲性能较高，高温60℃时冲击韧性较好。温度、湿度及含水率变化均导致UH-WPCs尺寸变化，其中厚度方向尺寸变化率最大，其次为宽度方向，长度方向最小，表现出明显的各向异性；湿度对UH-WPCs的尺寸稳定性的影响远大于温度的作用。杨木基UH-WPCs综合性能优于毛竹基UH-WPCs，这与杨木纤维具有更大的长径比及良好的界面结合有关。UH-WPCs的研究为降低WPCs生产成本和拓宽其应用领域提供了理论依据。
为了充分降低成本，增加环境友好性并获得良好的木质感，以杨木纤维和毛竹纤维为原料，通过挤出成型制备超高填充聚丙烯基木塑复合材料(UH-WPCs)。基于聚丙烯基体含量的大幅降低，对比分析了填充量和木质纤维种类对UH-WPCs高低温力学性能、高低温蠕变性能、热膨胀性能、尺寸稳定性及吸水性能的影响。结果表明，随着填充量从75wt%增加到90wt%，其线性热膨胀系数大幅降低，蠕变应变逐渐减小而在90wt%时增大；拉伸模量和弯曲模量随填充量的增加先升高而后在90wt%时下降；拉伸强度、弯曲强度和冲击强度随着填充量的增加逐渐降低；在低温−30℃时UH-WPCs的拉伸和弯曲性能较高，高温60℃时冲击韧性较好。温度、湿度及含水率变化均导致UH-WPCs尺寸变化，其中厚度方向尺寸变化率最大，其次为宽度方向，长度方向最小，表现出明显的各向异性；湿度对UH-WPCs的尺寸稳定性的影响远大于温度的作用。杨木基UH-WPCs综合性能优于毛竹基UH-WPCs，这与杨木纤维具有更大的长径比及良好的界面结合有关。UH-WPCs的研究为降低WPCs生产成本和拓宽其应用领域提供了理论依据。
2021, 38(12): 4123-4137.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210210.001
摘要:
提出了一种考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化方法。基于复合材料加筋壁板屈曲载荷求解的能量法，系统推导了轴压载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮、筋条局部屈曲载荷的显示表达式，考虑了加筋壁板各板元之间的弹性支持作用及筋条下缘条的影响，引入工程法求解了加筋壁板整体屈曲载荷。基于国产自主结构分析软件HAJIF中的复合材料铺层工程数据库，以铺层参数为中间变量，利用本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法，构建了考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化设计流程并完成程序实现，将最小二乘法用于最优铺层顺序与工程铺层数据库的匹配。相比于传统有限元计算方法，本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法具备较好的求解精度及求解效率。复合材料加筋壁板优化算例表明，采用本文提出的加筋壁板屈曲载荷分析及其优化方法，在结构重量不变的前提下，屈曲载荷提高约17%，且铺层顺序优化结果可直接从铺层工程数据库中提取并用于工程实际。
提出了一种考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化方法。基于复合材料加筋壁板屈曲载荷求解的能量法，系统推导了轴压载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮、筋条局部屈曲载荷的显示表达式，考虑了加筋壁板各板元之间的弹性支持作用及筋条下缘条的影响，引入工程法求解了加筋壁板整体屈曲载荷。基于国产自主结构分析软件HAJIF中的复合材料铺层工程数据库，以铺层参数为中间变量，利用本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法，构建了考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化设计流程并完成程序实现，将最小二乘法用于最优铺层顺序与工程铺层数据库的匹配。相比于传统有限元计算方法，本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法具备较好的求解精度及求解效率。复合材料加筋壁板优化算例表明，采用本文提出的加筋壁板屈曲载荷分析及其优化方法，在结构重量不变的前提下，屈曲载荷提高约17%，且铺层顺序优化结果可直接从铺层工程数据库中提取并用于工程实际。
2021, 38(12): 4138-4149.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210223.003
摘要:
玻璃纤维增强聚合物(Glass fiber reinforced polymer，GFRP)锚杆是从非金属锚杆中发展出的新型复合材料锚杆，具有自重轻、抗拉强度高、造价低、抗腐蚀性能好、抗电磁干扰能力强等优点。基于某中风化花岗岩场地的GFRP筋及钢筋抗浮锚杆的破坏性拉拔试验，对抗浮锚杆在拉拔过程中锚杆杆体及锚固体的位移进行测量，分析了不同材质、不同锚固长度的抗浮锚杆的承载性能及杆体、锚固体相对滑移量的差异，对比不同荷载-位移模型并获得了最适宜岩石抗浮锚杆的荷载-位移模型。试验结果表明：在中风化花岗岩中，相同锚固长度下的GFRP抗浮锚杆比钢筋抗浮锚杆的破坏荷载增加13%~14%，GFRP抗浮锚杆更易发生杆体拔出破坏，锚固系统仍有残余承载力未发挥，使用GFRP锚杆代替钢筋锚杆具有可行性；与锚固长度为4.5 m的GFRP抗浮锚杆相比，锚固长度为6.5 m的锚杆杆体相对于锚固体的滑移量更大，增大GFRP抗浮锚杆的锚固长度可有效增加其相对滑移量，但提升钢筋抗浮锚杆的锚固长度对其破坏形态无明显影响；双曲线函数及幂函数荷载-位移曲线模型与实测值吻合度较差，指-幂函数曲线模型对本次试验锚杆的破坏荷载预测精度最高，曲线整体走势较一致。
玻璃纤维增强聚合物(Glass fiber reinforced polymer，GFRP)锚杆是从非金属锚杆中发展出的新型复合材料锚杆，具有自重轻、抗拉强度高、造价低、抗腐蚀性能好、抗电磁干扰能力强等优点。基于某中风化花岗岩场地的GFRP筋及钢筋抗浮锚杆的破坏性拉拔试验，对抗浮锚杆在拉拔过程中锚杆杆体及锚固体的位移进行测量，分析了不同材质、不同锚固长度的抗浮锚杆的承载性能及杆体、锚固体相对滑移量的差异，对比不同荷载-位移模型并获得了最适宜岩石抗浮锚杆的荷载-位移模型。试验结果表明：在中风化花岗岩中，相同锚固长度下的GFRP抗浮锚杆比钢筋抗浮锚杆的破坏荷载增加13%~14%，GFRP抗浮锚杆更易发生杆体拔出破坏，锚固系统仍有残余承载力未发挥，使用GFRP锚杆代替钢筋锚杆具有可行性；与锚固长度为4.5 m的GFRP抗浮锚杆相比，锚固长度为6.5 m的锚杆杆体相对于锚固体的滑移量更大，增大GFRP抗浮锚杆的锚固长度可有效增加其相对滑移量，但提升钢筋抗浮锚杆的锚固长度对其破坏形态无明显影响；双曲线函数及幂函数荷载-位移曲线模型与实测值吻合度较差，指-幂函数曲线模型对本次试验锚杆的破坏荷载预测精度最高，曲线整体走势较一致。
2021, 38(12): 4150-4160.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210301.002
摘要:
民机复合材料帽型壁板自动化制造包含自动铺丝(AFP)和热压罐固化过程，工艺复杂，故有必要对其进行理论研究和建模。分别建立粘弹性力学和多孔渗流耦合模型对铺丝过程进行仿真；建立复合材料热传导、化学交联反应、固化动力学、多孔介质渗流和材料性能时变性耦合模型对固化过程进行仿真。应用所建立的耦合模型对AS4/3051-6系列碳纤维/环氧树脂(CFRP)预浸料热压罐固化制备复合材料平板工艺进行仿真，并将其结果与实验结果对比，验证了此方法的有效性。随后，将此方法应用于大型复合材料帽型壁板制造过程仿真，仿真结果表明：(1) AFP头在经过帽型腔体时存在下陷，下陷量与硅橡胶气囊支撑性能相关，应用本文设计芯模下陷量仿真值为原先的38%，铺丝头对蒙皮的影响面积仿真值为原先的30%；(2) 帽型加筋板内部温度与工艺温度不同，其最高温度出现在保温过程结束后升温阶段初期，预测值为工艺温度的106%，且接合处内外层温度差别明显；(3) 帽型加筋壁板内部黏度随时间先减小后急剧上升，内层黏度较外层黏度变化速率更大；(4) 帽型加筋板蒙皮平均厚度预测值由成型前的4.5 mm减少至4 mm，测量厚度为3.88 mm，仿真误差为3.1%。
民机复合材料帽型壁板自动化制造包含自动铺丝(AFP)和热压罐固化过程，工艺复杂，故有必要对其进行理论研究和建模。分别建立粘弹性力学和多孔渗流耦合模型对铺丝过程进行仿真；建立复合材料热传导、化学交联反应、固化动力学、多孔介质渗流和材料性能时变性耦合模型对固化过程进行仿真。应用所建立的耦合模型对AS4/3051-6系列碳纤维/环氧树脂(CFRP)预浸料热压罐固化制备复合材料平板工艺进行仿真，并将其结果与实验结果对比，验证了此方法的有效性。随后，将此方法应用于大型复合材料帽型壁板制造过程仿真，仿真结果表明：(1) AFP头在经过帽型腔体时存在下陷，下陷量与硅橡胶气囊支撑性能相关，应用本文设计芯模下陷量仿真值为原先的38%，铺丝头对蒙皮的影响面积仿真值为原先的30%；(2) 帽型加筋板内部温度与工艺温度不同，其最高温度出现在保温过程结束后升温阶段初期，预测值为工艺温度的106%，且接合处内外层温度差别明显；(3) 帽型加筋壁板内部黏度随时间先减小后急剧上升，内层黏度较外层黏度变化速率更大；(4) 帽型加筋板蒙皮平均厚度预测值由成型前的4.5 mm减少至4 mm，测量厚度为3.88 mm，仿真误差为3.1%。
2021, 38(12): 4161-4171.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210302.007
摘要:
研究了织物类型、纤维体积分数和超声振动对树脂在碳纤维织物中流动特性的影响规律，设计了超声振动辅助RTM工艺过程中单向渗透率测量装置，开展了16组渗透率测试实验，并结合COMSOL软件仿真分析了织物中的树脂流动特性。研究表明，在相同纤维体积分数水平下，斜纹编织物的纤维束间隙通道比平纹织物的更宽，2/2斜纹编织织物渗透率比平纹织物提高了约21.5%。纤维体积分数与织物渗透率呈负相关，其函数关系与半经验公式Kozeny-Carman(KC)方程吻合较好。树脂流动过程中加入超声振动，其超声空化效应、加速度效应和微射流效应作用于纤维丝束表面，提高了织物渗透率约58.2%。有限元仿真模拟了椭圆形和近矩形纤维束截面设计的织物模型的流动过程，结果发现近矩形纤维束截面高流速区域范围更广，流体向纤维布夹层浸渍的速度分量更大。超声作用于织物纤维可能带动纤维丝束蠕动，使纤维束截面趋于近矩形状，从而提高了树脂对纤维织物的浸润性。上述研究结果对优化碳纤维复合材料成型工艺和成型性能具有一定的指导意义。
研究了织物类型、纤维体积分数和超声振动对树脂在碳纤维织物中流动特性的影响规律，设计了超声振动辅助RTM工艺过程中单向渗透率测量装置，开展了16组渗透率测试实验，并结合COMSOL软件仿真分析了织物中的树脂流动特性。研究表明，在相同纤维体积分数水平下，斜纹编织物的纤维束间隙通道比平纹织物的更宽，2/2斜纹编织织物渗透率比平纹织物提高了约21.5%。纤维体积分数与织物渗透率呈负相关，其函数关系与半经验公式Kozeny-Carman(KC)方程吻合较好。树脂流动过程中加入超声振动，其超声空化效应、加速度效应和微射流效应作用于纤维丝束表面，提高了织物渗透率约58.2%。有限元仿真模拟了椭圆形和近矩形纤维束截面设计的织物模型的流动过程，结果发现近矩形纤维束截面高流速区域范围更广，流体向纤维布夹层浸渍的速度分量更大。超声作用于织物纤维可能带动纤维丝束蠕动，使纤维束截面趋于近矩形状，从而提高了树脂对纤维织物的浸润性。上述研究结果对优化碳纤维复合材料成型工艺和成型性能具有一定的指导意义。
2021, 38(12): 4172-4179.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210302.002
摘要:
以己内酰胺为原料，自制己内酰胺钠(C10)、双酰化内酰胺-1，6-己二胺(C20)分别为引发剂和活化剂，首先对适用于反应注射成型技术(RIM)的尼龙6(PA6)阴离子聚合工艺进行探究。实验结果表明，提高引发剂浓度可提升聚合反应速率，转化率受影响并不明显，但分子量有所降低；而提高活化剂浓度，会导致聚合反应不完全；随着聚合温度的升高，反应速率明显加快，同时分子量增大，结晶度呈下降趋势。最终选取1.5 mol%的C10、1 mol%的C20，浸胶温度100℃、聚合温度180℃的工艺参数，利用自行研制的反应注射设备成功制备了单向碳纤维增强尼龙6 (CF/PA6)复合材料单向板，其沿纤维方向的拉伸强度可达974.2 MPa，弯曲强度达786.9 MPa。
以己内酰胺为原料，自制己内酰胺钠(C10)、双酰化内酰胺-1，6-己二胺(C20)分别为引发剂和活化剂，首先对适用于反应注射成型技术(RIM)的尼龙6(PA6)阴离子聚合工艺进行探究。实验结果表明，提高引发剂浓度可提升聚合反应速率，转化率受影响并不明显，但分子量有所降低；而提高活化剂浓度，会导致聚合反应不完全；随着聚合温度的升高，反应速率明显加快，同时分子量增大，结晶度呈下降趋势。最终选取1.5 mol%的C10、1 mol%的C20，浸胶温度100℃、聚合温度180℃的工艺参数，利用自行研制的反应注射设备成功制备了单向碳纤维增强尼龙6 (CF/PA6)复合材料单向板，其沿纤维方向的拉伸强度可达974.2 MPa，弯曲强度达786.9 MPa。
2021, 38(12): 4180-4189.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210312.008
摘要:
材料渗透率的表征受其结构空间离散性和求解方式准确性的严重影响。基于数字图像技术，评估了纤维织物渗透率的空间分布，并探讨了阶梯铺层对灌注工艺的影响。首先，从恒压单向注射实验的视频流中动态提取了流动前沿的流速分布和流动前沿角，通过织物渗透率与结构的关系仅一次实验便可求得纤维织物的面内局部渗透率分布；其次，利用正态分布函数拟合，建立了基于数字图像技术的纤维织物面内主方向渗透率张量的求解方法，并利用该方法研究了编织形式对渗透率的影响；最后，研究了阶梯铺层和恒定铺层对灌注过程的影响。结果表明：建立的基于数字图像技术的渗透率表征方法可以通过一次实验同时获取面内主方向上的渗透率及其空间离散型；在恒定铺层下缎纹织物渗透率随着纤维层数增大而增大，从厚铺层向薄铺层的灌注方式可以达到最优的灌注时间。
材料渗透率的表征受其结构空间离散性和求解方式准确性的严重影响。基于数字图像技术，评估了纤维织物渗透率的空间分布，并探讨了阶梯铺层对灌注工艺的影响。首先，从恒压单向注射实验的视频流中动态提取了流动前沿的流速分布和流动前沿角，通过织物渗透率与结构的关系仅一次实验便可求得纤维织物的面内局部渗透率分布；其次，利用正态分布函数拟合，建立了基于数字图像技术的纤维织物面内主方向渗透率张量的求解方法，并利用该方法研究了编织形式对渗透率的影响；最后，研究了阶梯铺层和恒定铺层对灌注过程的影响。结果表明：建立的基于数字图像技术的渗透率表征方法可以通过一次实验同时获取面内主方向上的渗透率及其空间离散型；在恒定铺层下缎纹织物渗透率随着纤维层数增大而增大，从厚铺层向薄铺层的灌注方式可以达到最优的灌注时间。
2021, 38(12): 4190-4197.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210317.001
摘要:
玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber reinforced polymer，GFRP)因其耐腐蚀、强度高等优点被广泛应用于航空航天、运输等领域，但在其制作过程中存在分层、气泡等缺陷，故需对其进行无损检测。本文针对不同位置的GFRP脱粘缺陷太赫兹无损检测信号特征微弱的问题进行分析与研究，提出了利用连续小波变换(Continue wavelet transform，CWT)对太赫兹特征进行增强的方法，并通过计算图像对比度客观评价连续小波变换后得到的太赫兹图像。最终选择gaus2小波基函数，对变换后的信号进行缺陷成像，其峰值较原来增强了4.5倍，连续小波变换处理后的太赫兹缺陷成像的图像对比度提升了1.3倍，最终实现了6 mm GFRP 5 mm位置处50 µm脱粘缺陷的识别。
玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber reinforced polymer，GFRP)因其耐腐蚀、强度高等优点被广泛应用于航空航天、运输等领域，但在其制作过程中存在分层、气泡等缺陷，故需对其进行无损检测。本文针对不同位置的GFRP脱粘缺陷太赫兹无损检测信号特征微弱的问题进行分析与研究，提出了利用连续小波变换(Continue wavelet transform，CWT)对太赫兹特征进行增强的方法，并通过计算图像对比度客观评价连续小波变换后得到的太赫兹图像。最终选择gaus2小波基函数，对变换后的信号进行缺陷成像，其峰值较原来增强了4.5倍，连续小波变换处理后的太赫兹缺陷成像的图像对比度提升了1.3倍，最终实现了6 mm GFRP 5 mm位置处50 µm脱粘缺陷的识别。
2021, 38(12): 4198-4204.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210312.002
摘要:
以WO3为基底，五水硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)为铋源，通过紫外还原法在WO3表面沉积具有表面等离子体效应(SPR)的半金属Bi0，制备了具有可见光响应的Bi/WO3复合光催化材料。以大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)为实验对象，考察了所制备复合材料的光催化抗菌性能、结合结构和光电化学性质表征，对Bi的负载量进行了优化。研究发现：优选得到的0.6 mmol Bi/WO3能够在120 min内灭杀99%以上的细菌。进一步考察了灭菌机制，通过添加不同种类的捕获剂，结合电子顺磁共振(ESR)技术，发现羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O2−)是导致E. coli失活的主要活性物种。
以WO3为基底，五水硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)为铋源，通过紫外还原法在WO3表面沉积具有表面等离子体效应(SPR)的半金属Bi0，制备了具有可见光响应的Bi/WO3复合光催化材料。以大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)为实验对象，考察了所制备复合材料的光催化抗菌性能、结合结构和光电化学性质表征，对Bi的负载量进行了优化。研究发现：优选得到的0.6 mmol Bi/WO3能够在120 min内灭杀99%以上的细菌。进一步考察了灭菌机制，通过添加不同种类的捕获剂，结合电子顺磁共振(ESR)技术，发现羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O2−)是导致E. coli失活的主要活性物种。
2021, 38(12): 4205-4211.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210215.004
摘要:
针对目前W-Cu功能梯度材料(FGM)在长期热震循环过程中的稳定性缺乏相应研究的问题，以化学镀W-10wt%Cu复合粉体和Cu粉为原料，通过叠层压制和常压气氛烧结的工艺制备了W-10wt%Cu/W-20wt%Cu/W-30wt%Cu层状梯度材料。在600℃、800℃、1000℃温度下进行热震试验，对试样在不同热震温度、热震次数下的显微组织和热学性能变化进行了研究。试验结果表明，随着热震温度升高，渗出至试样各梯度层表面的Cu逐渐增加。当热震温度达到1000℃时，试样各梯度层表面出现大量Cu聚集成片的现象，同时在W-20wt%Cu/W-30wt%Cu界面处发现了界面裂纹。随着热震次数的提高，在W-10Cu层中，Cu逐渐渗出表面并在内部留下微孔。此外，W-Cu FGM的热导率随热震次数的增加而减小，在1000℃经过200次热震后，室温热导率由200.54 W·(m·K)−1降至159.23 W·(m·K)−1，降低了20.60%。该结果揭示了热震循环中裂纹形成与显微组织变化的耦合失效机制，明确了W-Cu FGM安全服役的范围。
针对目前W-Cu功能梯度材料(FGM)在长期热震循环过程中的稳定性缺乏相应研究的问题，以化学镀W-10wt%Cu复合粉体和Cu粉为原料，通过叠层压制和常压气氛烧结的工艺制备了W-10wt%Cu/W-20wt%Cu/W-30wt%Cu层状梯度材料。在600℃、800℃、1000℃温度下进行热震试验，对试样在不同热震温度、热震次数下的显微组织和热学性能变化进行了研究。试验结果表明，随着热震温度升高，渗出至试样各梯度层表面的Cu逐渐增加。当热震温度达到1000℃时，试样各梯度层表面出现大量Cu聚集成片的现象，同时在W-20wt%Cu/W-30wt%Cu界面处发现了界面裂纹。随着热震次数的提高，在W-10Cu层中，Cu逐渐渗出表面并在内部留下微孔。此外，W-Cu FGM的热导率随热震次数的增加而减小，在1000℃经过200次热震后，室温热导率由200.54 W·(m·K)−1降至159.23 W·(m·K)−1，降低了20.60%。该结果揭示了热震循环中裂纹形成与显微组织变化的耦合失效机制，明确了W-Cu FGM安全服役的范围。
2021, 38(12): 4212-4219.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210208.001
摘要:
利用真空热压烧结技术制备了VN-Ag-MoO3复合材料，研究了Ag2MoO4对VN基复合材料组织结构及宽温域摩擦磨损性能的影响。结果表明：VN-Ag-MoO3复合材料组织较致密，主要由VN、MoO3和Ag组成，其中均匀分布于VN基体的MoO3和Ag由Ag2MoO4经高温分解形成。宽温域摩擦磨损测试表明，Ag2MoO4的添加有效改善了室温(RT)~700℃温域范围VN陶瓷的摩擦磨损性能。其中，700℃时Ag2MoO4含量为10wt%的VN-10Ag-MoO3的摩擦系数(0.285)和磨损率(1.37×10−5 mm3/(N·m))分别较VN降低了23%和72%，这归因于磨损表面的氧化钒、钒酸银和钼酸银等高温润滑相起到了优异的润滑及减磨作用。
利用真空热压烧结技术制备了VN-Ag-MoO3复合材料，研究了Ag2MoO4对VN基复合材料组织结构及宽温域摩擦磨损性能的影响。结果表明：VN-Ag-MoO3复合材料组织较致密，主要由VN、MoO3和Ag组成，其中均匀分布于VN基体的MoO3和Ag由Ag2MoO4经高温分解形成。宽温域摩擦磨损测试表明，Ag2MoO4的添加有效改善了室温(RT)~700℃温域范围VN陶瓷的摩擦磨损性能。其中，700℃时Ag2MoO4含量为10wt%的VN-10Ag-MoO3的摩擦系数(0.285)和磨损率(1.37×10−5 mm3/(N·m))分别较VN降低了23%和72%，这归因于磨损表面的氧化钒、钒酸银和钼酸银等高温润滑相起到了优异的润滑及减磨作用。
2021, 38(12): 4220-4227.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210309.004
摘要:
采用热轧法制备出具有颗粒层状结构的6061p/7075铝基复合材料以改善7075铝合金的阻尼性能。通过OM、SEM、EDS和XRD分析6061p/7075层状铝基复合材料的微观组织，分别采用万能力学试验机和动态热机械分析仪分析其力学性能和阻尼行为。研究表明，6061铝颗粒层存在大量的颗粒间界面和微小孔隙，6061铝颗粒层与7075铝基体之间界面结合良好，没有发生界面反应；6061p/7075层状铝基复合材料最大抗拉强度为370.5 MPa，比7075铝基体提高了30%；6061p/7075层状铝基复合材料和基体材料的内耗值分别随着温度和应变量的升高而增大，复合材料的阻尼性能明显优于7075铝基体，在360℃时，复合材料的内耗值高达0.117，比7075铝基体提高了149%；6061p/7075层状铝基复合材料和基体材料的储能模量分别随着温度和应变量的升高而降低，在30℃时，复合材料的储能模量为38601 MPa，比7075铝基体高16%。
采用热轧法制备出具有颗粒层状结构的6061p/7075铝基复合材料以改善7075铝合金的阻尼性能。通过OM、SEM、EDS和XRD分析6061p/7075层状铝基复合材料的微观组织，分别采用万能力学试验机和动态热机械分析仪分析其力学性能和阻尼行为。研究表明，6061铝颗粒层存在大量的颗粒间界面和微小孔隙，6061铝颗粒层与7075铝基体之间界面结合良好，没有发生界面反应；6061p/7075层状铝基复合材料最大抗拉强度为370.5 MPa，比7075铝基体提高了30%；6061p/7075层状铝基复合材料和基体材料的内耗值分别随着温度和应变量的升高而增大，复合材料的阻尼性能明显优于7075铝基体，在360℃时，复合材料的内耗值高达0.117，比7075铝基体提高了149%；6061p/7075层状铝基复合材料和基体材料的储能模量分别随着温度和应变量的升高而降低，在30℃时，复合材料的储能模量为38601 MPa，比7075铝基体高16%。
2021, 38(12): 4228-4238.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210301.005
摘要:
通过有限元模拟与试验相结合的方式，研究环境温度和间隙对复合材料-金属混合结构连接钉载分配和强度的影响。分别建立双钉单剪和三钉单剪有限元模型，并在模型中综合考虑了接触、金属塑性和复合材料渐进损伤等因素，研究了不同温度和间隙情况下钉载的分配情况。研究表明，间隙对初始阶段钉载分配影响较大，但不影响塑性屈服阶段的钉载比例和承载能力；温度改变引起的热应力会带来额外的温度载荷，温度载荷对端部钉载影响较大，温度载荷与机械载荷叠加，会加剧端部钉载的分配不均。
通过有限元模拟与试验相结合的方式，研究环境温度和间隙对复合材料-金属混合结构连接钉载分配和强度的影响。分别建立双钉单剪和三钉单剪有限元模型，并在模型中综合考虑了接触、金属塑性和复合材料渐进损伤等因素，研究了不同温度和间隙情况下钉载的分配情况。研究表明，间隙对初始阶段钉载分配影响较大，但不影响塑性屈服阶段的钉载比例和承载能力；温度改变引起的热应力会带来额外的温度载荷，温度载荷对端部钉载影响较大，温度载荷与机械载荷叠加，会加剧端部钉载的分配不均。
2021, 38(12): 4239-4246.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210223.001
摘要:
金属玻璃因其较差的室温塑性限制了其广泛应用，因此提升金属玻璃的力学性能、探明金属玻璃的变形机制已经成为当前材料领域的研究热点。采用分子动力学方法研究了晶粒尺寸和分布对晶体/非晶B2-CuZr/CuZr双相复合材料力学行为的影响。研究结果表明，随着纳米晶粒的尺寸增大，复合材料变形模式发生了从相对均匀变形到单一剪切带的局部变形的转变。研究指出，增大纳米晶粒尺寸/体积分数能有效提高复合材料的峰值应力，但除了较小尺寸纳米晶粒模型外，双相复合材料的塑性没有明显增强。此外，相对于交叉排列，纳米晶粒的对齐排列导致了更严重的塑性应变局部化。本文的研究结果对于设计和制备高性能的金属玻璃材料具有重要的参考价值和指导意义。
金属玻璃因其较差的室温塑性限制了其广泛应用，因此提升金属玻璃的力学性能、探明金属玻璃的变形机制已经成为当前材料领域的研究热点。采用分子动力学方法研究了晶粒尺寸和分布对晶体/非晶B2-CuZr/CuZr双相复合材料力学行为的影响。研究结果表明，随着纳米晶粒的尺寸增大，复合材料变形模式发生了从相对均匀变形到单一剪切带的局部变形的转变。研究指出，增大纳米晶粒尺寸/体积分数能有效提高复合材料的峰值应力，但除了较小尺寸纳米晶粒模型外，双相复合材料的塑性没有明显增强。此外，相对于交叉排列，纳米晶粒的对齐排列导致了更严重的塑性应变局部化。本文的研究结果对于设计和制备高性能的金属玻璃材料具有重要的参考价值和指导意义。
