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2021年  第38卷  第2期

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综述
聚3, 4-乙烯二氧噻吩: 聚苯乙烯磺酸盐基柔性复合热电材料研究进展
刘祎, 张荔
2021, 38(2): 287-297. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201016.001
摘要:
热电材料可以实现热能与电能的直接转化,是一种安全环保的新型能源材料。近年来,随着可穿戴电子设备的发展,柔性热电材料成为研究人员关注的焦点。传统无机热电材料具有优异的热电性能,但由于自身固有的脆性,限制了在柔性领域的发展。聚3, 4-乙烯二氧噻吩: 聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT: PSS)具有高电导率、低热导率和良好的柔性,在柔性热电领域具有巨大的潜力。当选择合适的无机填料与PEDOT: PSS进行复合,可以得到优异的热电性能和良好的力学性能。本文综述了PEDOT: PSS基纳米复合薄膜的最新进展,并详细介绍了提高PEDOT: PSS基纳米复合薄膜热电性能的有效方法。最后,本文总结了实现高性能PEDOT: PSS基柔性热电材料的途径及面对的挑战。
离子液体/金属-有机骨架复合材料制备方法、理论计算及应用研究进展
文桂林, 李莹, 张红星, 肖安山
2021, 38(2): 298-314. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200825.003
摘要:
金属-有机骨架(MOF)是一种多孔、高比表面积的新型纳米材料。离子液体(IL)具有稳定性好、功能可设计的特点,将IL负载到MOF的孔中,实现离子液体和MOF材料的有效组合,开发新型功能化复合多孔材料,有利于充分发挥两种材料的优势。本文主要介绍IL/MOF复合材料合成方法、分子模拟及其应用的最新研究。总结目前IL/MOF复合材料研究中存在的问题和机遇,并展望了IL/MOF复合材料的发展方向。
陶瓷-金属双连续相复合材料的发展现状与未来
杜之明, 费岩晗, 孙永根, 陈丽华, 王延春, 綦育仕, 陈丽丽
2021, 38(2): 315-338. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200909.002
摘要:
陶瓷-金属双连续相复合材料作为一种采用空间连续网络构型设计的复合材料,具有耐摩擦磨损、抗热震性高、热膨胀系数低等特点,具有广阔的应用前景。其中,多孔陶瓷预制体作为双连续相复合材料中的结构增强相,其本征特性对复合材料的整体性能有重要影响。本文系统分析了现阶段在多孔陶瓷的制备方法与表面改性两个领域内的主要进展,并对陶瓷-金属双连续相复合材料的制备技术与性能研究进行了介绍。最后,展望了陶瓷-金属双连续相复合材料在未来的发展过程中可能会遇到的四大挑战。
石墨烯及其衍生物掺配水泥基材料研究进展
程志海, 杨森, 袁小亚
2021, 38(2): 339-360. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200902.001
摘要:
石墨烯及其衍生物因其独特的结构及优异的性能在改善基水泥材料的抗拉强度、韧性、耐久性及赋予水泥基材料功能性等方面表现出良好的应用前景。本文简述了石墨烯、氧化石墨烯(GO)的结构特点及性能,归纳了各自的制备方法;对石墨烯及其衍生物在水泥基材料中的分散进行了综述;重点综述了石墨烯及其衍生物掺配水泥基材料的力学性能、流变性能、电学性能、热学性能、压敏性能等研究进展;分析了目前研究中存在的问题,并对研究趋势进行展望。
超疏水表面制备方法的比较
赵美蓉, 周惠言, 康文倩, 黄银国, 郑叶龙
2021, 38(2): 361-379. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200715.001
摘要:
超疏水性是一种特殊的润湿性,它是指水滴与表面的静态接触角大于150°或者滑动角小于10°,其最初来源于“荷叶效应”。本文对近几年关于超疏水理论和自然界中超疏水现象研究进行介绍,并对超疏水表面的制备方法及其应用进行综述。分别总结了基于模板法、涂覆法、刻蚀法的超疏水表面制备方案的优缺点及其改进措施,重点阐述超疏水表面在金属表面抗腐蚀方面的应用。最后对具有特殊功能的超疏水表面的制备进行了介绍,如自愈性超疏水表面、润湿转变型超疏水表面。在制备方法中,模板法和涂覆法制备时间短、成本低,但稳定性和耐磨性较差;刻蚀法易于控制,但实用性受限。
丝素蛋白柔性电子器件材料的研究进展
明津法, 赵层层, 黄晓卫, 刘浩, 路明磊, 李亚健, 宁新
2021, 38(2): 380-388. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201110.004
摘要:
丝素蛋白材料凭借良好的生物相容性、可控生物降解性、再生形貌多样性等已被制成柔性电子器件在电子领域进行了应用研究。本文首先综述不同溶解方法对蚕丝再生材料制备的影响,同时对丝素蛋白材料的(微球、膜、纤维、凝胶、支架等)制备方法、材料性能进行分析,最后总结了近年来丝素蛋白基柔性电子材料的应用研究进展。尽管已有研究表明可获得各种性能良好的丝素蛋白基材料用于电子领域,但产业化之路仍较长。考虑到丝素蛋白微纳米结构、易再生加工等优势,期待具有高灵敏度、生物相容性、耐用性和便携性丝素蛋白基柔性电子产品出现。
树脂基复合材料
封闭型无溶剂聚氨酯超细纤维合成革基布的制备及性能
何远鑫, 马兴元, 丁博, 吴晓珍, 贺营花, 郑四龙
2021, 38(2): 389-397. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200601.001
摘要:
将聚酰胺6-碱溶性聚酯(PA6-COPET)海岛纤维非织造布与封闭型无溶剂聚氨酯(BSFPU)通过浸渍、碱减量和后整理等工艺制备了BSFPU超细纤维合成革基布。分析和探讨了BSFPU浸渍量对超细纤维合成革基布力学性能和卫生性能的影响,采用电子扫描显微镜对其微观结构进行表征。结果表明:海岛纤维经过减量后形成具有37根纤维且单纤直径约为3 μm的束状超细纤维,BSFPU超细纤维合成革基布形成了近似天然皮革的微观结构。随着BSFPU浸渍量的提高,碱减量过程减量率从31.59wt%降低至28.22wt%;BSFPU超细纤维合成革基布的断裂伸长率和撕裂强度下降;拉伸强度保持不变直到浸渍量大于100wt%时开始下降;透气量从50 086 mL/(m2·s)降低至24 757 mL/(m2·s),透水汽量从790.47 mg/(10 cm2·24 h)下降至488.70 mg/(10 cm2·24 h)。经过测试,BSFPU超细纤维合成革基布能够满足行业检测标准,并且其卫生性能明显优于市售溶剂型聚氨酯超细纤维合成革基布。
农林废物生物炭/高密度聚乙烯复合材料的制备与性能
张庆法, 徐航, 任夏瑾, 卢文玉, 刘浩鲁, 周亮, 蔡红珍, 易维明
2021, 38(2): 398-405. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200610.004
摘要:
利用稻壳、杨木在600℃下制备稻壳炭、杨木炭,以稻壳、稻壳炭、杨木、杨木炭为填料填充高密度聚乙烯(HDPE)制备复合材料,并对其性能进行测试分析。结果表明,跟稻壳、杨木相比,稻壳炭、杨木炭具有较高的含碳量、较大的比表面积、发达的孔隙结构及较低的极性;稻壳炭/HDPE复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为34.95 MPa、1.76 GPa、26.25 MPa、1.83 GPa,均高于稻壳/HDPE复合材料,杨木炭/HDPE复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为40.14 MPa、2.43 GPa、30.64 MPa、2.17 GPa,均高于杨木/HDPE复合材料;此外,稻壳炭/HDPE复合材料、杨木炭/HDPE复合材料的抗蠕变强度、抗应力松弛能力均高于稻壳/HDPE复合材料、杨木/HDPE复合材料。以上实验结果可为农林废物的高值化利用提供新的思路。
聚酰胺胺改性碳纤维/尼龙复合材料制备及性能
张顶顶, 张福华, 杨吉祥, 李晓峰, 李彦希, 曾骥
2021, 38(2): 406-413. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200610.002
摘要:
为改善碳纤维增强尼龙复合材料(CFRPA)的加工流动性和力学性能,采用聚酰胺胺(PAMAM)树枝状高分子作为改性剂,通过熔融共混制备出碳纤维(CF)增强尼龙66(PA66)复合材料。采用DSC、万能试验机和SEM分别对改性后PA66的结晶行为、CFRPA的拉伸性能及微观组织形貌进行测试表征。结果表明,添加PAMAM可以极大地改善PA66流动性,有效降低CFRPA熔融共混时的黏度。PAMAM添加量为PA66的1wt%时,PA66的结晶度最大(为12.75%)。熔融指数(MFR)提高至112 g/10 min,较未改性的PA66的MFR增长了814.47%。对应的不同CF含量的CFRPA熔融共混时的平衡扭矩均有所降低,且CF可均匀地分布在PA66基体中,当CF含量为40wt%时,CFRPA的拉伸强度最高,为118 MPa。
RTM成型玻璃纤维增强阴离子聚合尼龙6复合材料及其性能
孙华, 薛平, 陈轲, 贾明印
2021, 38(2): 414-423. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200528.001
摘要:
针对己内酰胺阴离子聚合反应特性,通过自行设计的适合该反应体系的树脂注射成型机和搭建的热塑性树脂传递模塑(T-RTM)成型实验平台,在恒压注射条件下,成功地制备了玻璃纤维(GF)体积分数高达48vol%的GF增强阴离子聚合尼龙6(APA-6)复合材料。研究了不同进料方式和压力、模具温度和纤维含量等工艺条件对GF/APA-6复合材料制品的表观质量、结晶度、热变形温度和力学性能的影响。结果表明,采取真空与加压相结合的进料方式并保持一定的溢流量,当注射压力在0.5~1.0 MPa时可以得到表面无缺陷、性能优异的制品;在模具温度为150℃时,GF/APA-6复合材料的弯曲强度和模量最高,分别达到682.7 MPa和24.4 GPa;而在180℃时,复合材料的层间剪切强度最高可达62.3 MPa。
纳米Fe3O4@茶渣/海藻酸钙磁性复合材料制备及其对亚甲基蓝的吸附性能与吸附机制
龚新怀, 李明春, 杨坤, 吴珠海, 王兆礼, 吕橄, 吴振增
2021, 38(2): 424-438. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200507.002
摘要:
采用离子共沉淀技术在茶渣(Tea waste, TW)表面沉积纳米Fe3O4粒子(TW@nano-Fe3O4),用溶胶凝胶法制备茶渣@纳米Fe3O4/海藻酸钙(TW@nano-Fe3O4/CA)磁性复合微球,通过SEM、XPS、XRD、振动样品磁强计(VSM)及万能试验机对材料结构和性能进行了表征与测试,并研究了其对水溶液中亚甲基蓝(Methylene blue, MB)的吸附性能与机制。结果表明,TW@nano-Fe3O4/CA复合微球磁性响应明显,粒径为1.2~1.7 mm。微球表面粗糙、褶皱,内部为疏松多孔道结构。随TW@nano-Fe3O4含量增加,微球粒径增加,磁响应增强,但对MB的吸附量缓慢下降;TW@nano-Fe3O4/CA微球对MB的吸附动力学数据与准二级动力学方程拟合较好,等温吸附过程符合Langmuir模型,对MB的吸附过程是自发性和熵减小的放热过程。在303 K下,质量配比为TW@nano-Fe3O4∶CA=4∶1的复合微球对MB的Langmuir最大吸附量为272.5 mg·g−1,比TW提高86.7%,并具有良好的再生与循环使用性能。
CFRP约束钢管-活性粉末混凝土短柱轴压性能
焦楚杰, 李松, 崔力仕, 王志仁, 简超
2021, 38(2): 439-448. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200608.003
摘要:
为研究圆碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)约束钢管-活性粉末混凝土(RPC)短柱的轴压性能,以CFRP粘贴层数和钢管壁厚为参数进行了12根CFRP约束钢管-RPC短柱、4根钢管-RPC短柱及4根钢管短柱的轴压力学性能试验。通过荷载-位移曲线分析了CFRP层数和钢管壁厚对试件极限荷载和变形能力的影响,探讨了提高系数、CFRP应变效率和延性系数等相关性能指标,最后通过提高系数关联套箍率提出了CFRP约束钢管-RPC短柱承载力模型。结果表明:CFRP约束能有效地增强钢管-RPC短柱的承载能力和变形能力。与CFRP约束钢管-混凝土相比,CFRP约束钢管-RPC表现出CFRP应变效率的下降,并且其延性不如CFRP约束钢管-混凝土。在钢管-RPC承载力的基础上提出了实用的CFRP约束钢管-RPC短柱轴压承载力计算模型。
高温下双搭接钢-CFRP板胶粘界面力学性能试验
陈卓异, 彭彦泽, 李传习, 郭靖
2021, 38(2): 449-460. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200608.002
摘要:
高温环境下钢-碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)板的胶粘界面是CFRP粘贴加固钢结构的薄弱环节。为掌握温度对钢-CFRP板胶粘界面力学性能的影响,制作了双搭接接头试件,开展了3种胶粘剂在4种温度下(25℃、55℃、70℃和90℃)的静力拉伸试验。探索了接头试件的破坏模式、荷载-位移关系、CFRP板表面应变分布、界面剪应力分布和粘结-滑移关系等。结果表明:当温度低于55℃时,试件的破坏模式与胶粘剂种类相关性更大,当温度高于70℃时,不同胶粘剂的破坏模式具有相似性,且均出现了CFRP板撕裂。温度对不同胶粘试件的承载力影响存在差异,HJY-4105高韧性环氧树脂结构胶粘剂(HJY胶)试件的承载力随温度的升高而增大,LICA-100A/B 环氧树脂结构胶粘剂(LICA胶)试件的温度稳定性较差,Sikadur-30 CN双组份环氧结构加固碳板胶(SIKA30胶)试件在55℃时承载力最高。随着温度升高,胶粘层的剪切强度、界面剪应力峰值和剪切刚度下降,胶粘剂的延性增加,峰值剪应力不影响试件的抗拉强度。温度对粘结-滑移关系的影响显著,HJY胶随着温度的升高,粘结-滑移本构的延性增加,破坏模式由脆性破坏变为延性破坏。研究表明:合理的耐高温胶应用于钢结构加固,能适应自然高温环境的不利影响。
基于膨胀石墨/聚二甲基硅氧烷复合材料的柔性压力传感器及加热除冰的应用
秦文峰, 王新远, 李亚云, 艾璇, 符佳伟
2021, 38(2): 461-469. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200603.002
摘要:
积冰作为一种常见的自然现象,给航空、电力和道路交通等方面带来了极大安全隐患。本文利用膨胀石墨优异的导电性和聚二甲基硅氧烷良好的柔韧性与疏水性,制备具有探冰与电热除冰功能为一体的膨胀石墨/聚二甲基硅氧烷的复合材料(Expandable graphite/polydimethylsiloxane, EG/PDMS),并研究其疏水性、压阻性能和电热效应。结果表明,EG/PDMS复合材料传感器压力灵敏度最大为0.15 kPa−1,且能在10~110 kPa大范围内产生线性压阻反应;在电加热过程中,当输入电压为30 V、输入电流为0.05 A时,最高平衡温度为94.7℃,完全融化10 g冰的时间为166 s。EG/PDMS复合材料不仅可以监测其表面积冰厚度变化,还可通电加热除冰,在探冰/除冰领域具有较大的应用价值。
多重氢键增强的带乙烯基二氨基三嗪水凝胶的记忆性能与药物的选择吸附
彭雪银, 李学锋, 李荣哲, 李婕, 龙世军, 黄以万
2021, 38(2): 470-478. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200610.001
摘要:
制备了多重氢键增强的水凝胶聚(丙烯酰胺-co-2-乙烯基-4,6-二氨基-1,3,5-三嗪)/单宁酸(P(Am-co-VDT)/TA)。通过对力学性能、微观形貌和红外光谱的测试和分析,发现TA通过氢键交联了水凝胶,使其结构更加致密,且水凝胶具有高的拉伸强度(2.34 MPa)和断裂伸长率(410%)。这是由于聚合物链上的二氨基三嗪(DAT)部分与TA的邻苯三酚/邻苯二酚基团之间形成氢键“软”区域;DAT部分与其自身形成氢键“硬”区域,通过“软”“硬”区域的协同作用,使水凝胶获得了优异的力学性能。由于存在多重氢键,水凝胶还具有形状记忆的快速响应性。可以在短时间内通过改变温度快速成型和恢复形状,形变可重复多次。此外,水凝胶还具有物理吸附抗炎药物双氯芬酸钠(DS)的能力。此研究将在生物医学,组织工程和医学材料等领域中具有重要意义。
可交联磷酰胆碱聚合物改性聚甲基戊烯中空纤维膜
叶非华, 易国斌
2021, 38(2): 479-486. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200522.001
摘要:
通过自由基聚合反应制备了可交联磷酰胆碱聚合物(Poly(MPC-co-LMA-co-TSMA), PMLT)。将该聚合物溶液涂覆在聚甲基戊烯中空纤维膜(PMPHFM)表面,经交联处理后可形成稳定的PMLT聚合物涂层,得到改性复合材料PMLT/PMPHFM。溶胀度测试表明PMLT聚合物膜具有良好的亲水性能,且溶胀度随着2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱(MPC)含量和温度的升高而增大。ATR-FTIR和XPS分析表明PMLT/PMPHFM表面的PMLT聚合物涂层含有磷酰胆碱基团。SEM和荧光测试结果显示PMLT/PMPHFM表面包覆有均匀的聚合物涂层,且该涂层能够抵抗乙醇溶液和十二烷基硫酸钠溶液的溶解。血小板黏附和全血接触测试表明,相比空白PMPHFM,PMLT聚合物涂层能够显著减少PMPHFM表面的血小板黏附,降低血液凝结风险。研究结果表明:可交联磷酰胆碱聚合物PMLT具有良好的亲水性能,能够均匀涂覆在PMPHFM的表面,得到具有良好血液相容性的复合材料PMLT/PMPHFM。
基于小动物荧光成像研究生物材料体内降解的实验方法
刘秀芸, 陈丹藜, 关淇峰, 刘田, 杨丰合, 牛旭锋
2021, 38(2): 487-495. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201215.009
摘要:
可降解材料作为生物材料的重要组成部分,其体内降解性能的好坏往往决定着材料植入后的成败。因此,对材料体内降解的评价显得尤为重要。传统的生物材料体内降解评价方法需要在各取样点取出不同批次的降解样品,阻止了对同一个实验样品降解过程的连续测量,并且存在样品需求量大的问题。小动物活体成像系统(in vivo imaging system,IVIS)具有非侵入性、操作性强等特点,为解决上述问题提供了思路。本研究旨在建立一种利用小动物荧光成像系统检测可降解材料降解性能的方法,通过将近红外荧光染料经化学反应标记到可降解材料上,由荧光强度的变化反应材料的降解程度。体内降解实验表明此方法制得的荧光标记材料,荧光稳定性高,材料降解过程中荧光强度变化与质量损失拟合效果良好(R2=0.9994)。综上,该方法解决了测量材料降解样品量大的问题,并且提高了实验过程的连贯性。
CFRP层间碳纳米管定向喷涂工艺及断裂韧性研究
蒋鹏, 王仲奇, 常正平, 杨宗琪, 周旭, 冯征昊
2021, 38(2): 496-505. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200824.004
摘要:
为了提高碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层间性能,采用共沉淀法在碳纳米管上接枝磁性Fe3O4粒子,通过定向喷涂工艺使磁性碳纳米管(Fe3O4-MWCNTs)在碳纤维表面取向一致,并喷涂树脂加以固定,形成碳纤维-定向碳纳米管-树脂界面,采用真空辅助树脂渗透成形(Vacuum assisted resin infusion, VARI)工艺制备层间性能优异的Fe3O4-MWCNTs层间定向增强CFRP。试验结果表明,喷涂树脂可改善和巩固定向喷涂工艺。与未加磁场喷涂工艺相比,当Fe3O4-MWCNTs的质量分数为0.3wt%时,采用定向喷涂工艺试件的I型层间断裂韧性(GIC)提升幅度最大,GIC提高了37.7%。断面形貌分析表明其增强机制以树脂的塑性变形、Fe3O4-MWCNTs棒状聚集体的拔出及树脂塑性孔洞的生长为主。该研究为具有可控定向行为的磁性碳纳米管改性CFRP层间力学性能提供了新思路与方法。
复合材料缠绕接头设计
张庆茂, 陈建农, 刘伟先, 郭丽君, 周光明
2021, 38(2): 506-516. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200622.002
摘要:
复合材料接头由于其轻质、高强及可设计性好等特点,被越来越多地运用于国外大型民用飞机的结构设计中。本文通过有限元建模,对一种新型的复合材料缠绕接头在拉伸和压缩载荷下的力学响应进行研究。主要围绕基础型、梭型和锥型三种典型的接头形式,比较了不同构型对缠绕接头力学性能的影响。结果表明,三种典型构型的复合材料缠绕接头均具有较好的极限载荷。在此基础上,研究了梭型和锥型构件的力学性能随斜角的变化,从而增加复合材料缠绕接头的应用方式,扩大复合材料缠绕接头的应用范围。
基于飞秒激光制备润滑表面及光响应液滴操控
肖轶, 周丽丽, 徐呈艺, 张瑞华, 吴思竹
2021, 38(2): 517-525. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200713.003
摘要:
运用光诱导在润滑剂注入型光滑多孔表面(SLIPS)实现液滴动态操控,具有非接触性和不受时空间限制等显著优势,但传统光响应SLIPS制备过程需要模板转印及氟化处理,操作繁琐且不环保。本文利用飞秒激光正交线扫描和光热响应Fe3O4纳米颗粒制备出仿猪笼草光热响应SLIPS,通过调整单侧近红外光触发位置,利用液滴润湿梯度和内部马兰格尼流,可以实现液滴运动状态和运动路径的动态操控。通过分析Fe3O4含量、润滑剂流变性能及液滴类型对液滴移动速率和响应时间的影响,对制备SLIPS的液滴操控性能进行优化,进而展现仿猪笼草光热响应SLIPS在芯片实验室、微流体反应器、生物医学工程等领域的广泛应用价值。
基于多场耦合方法的厚截面复合材料固化过程的多目标优化
元振毅, 许英杰, 杨癸庚, 冯雨, 杨振朝, 同新星, 宋丹龙, 高达敬, 李言
2021, 38(2): 526-535. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200603.004
摘要:
针对厚截面复合材料固化过程温度峰值过大所引起的材料力学性能降低及残余应力过大等问题,建立了基于多场耦合方法的复合材料固化过程多目标优化模型,用以降低固化温度峰值和缩短固化时间。首先建立包含热化学子模型、树脂黏度子模型和流动压实子模型的固化温度多场耦合模型,用以准确描述固化过程复合材料内部温度及构件厚度的演化规律。通过与文献中已有实验结果比较,证明所建立的多场耦合模型的有效性。在该多场耦合模型基础上,引入径向基(RBF)神经网络作为代理模型,利用多目标优化方法,对固化工艺参数进行最佳组合匹配。研究表明,温度峰值与保温平台温度变化呈明显非线性关联,这与复合材料固化过程的非线性特性有很大关系。在保温温度层面,为了降低温度峰值,需要提高第一阶段的保温温度,降低第二阶段的保温温度,同时在保温平台的时间上进行调整,以缩短固化时长。相比较于原有固化工艺制度,本文提出的优化方法可以显著降低厚截面复合材料层合板的固化时长和温度峰值。
SiO2-苯并噁嗪/双马来酰亚胺树脂的固化反应动力学
贾园, 杨菊香, 曾莎, 刘振
2021, 38(2): 536-544. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200630.001
摘要:
为改善双马来酰亚胺树脂(BMI)脆性过大、耐热性不足的缺点,以末端含有氨基的纳米SiO2(SiO2-NH2)为原料,通过溶剂法制备出结构中含有SiO2的苯并噁嗪树脂单体(SiO2-BOZ),作为改性体系加入到BMI中进行共混,制备出一种耐热性能、韧性良好的新型SiO2-BOZ/BMI树脂材料,并详细研究了SiO2-NH2的添加对BMI固化反应动力学的影响。结果表明,当SiO2-BOZ添加量达到15.0wt%时,SiO2-BOZ/BMI树脂复合材料的表观活化能较纯BMI树脂得到了一定程度的降低,SiO2-BOZ/BMI的弯曲强度达到最大值166.12 MPa,较纯BMI 增加了32.3%,且具有比BMI更好的耐热性能。
基于面-内胞模型的三维四向编织复合材料渐进损伤数值模拟
彭秀钟, 范进
2021, 38(2): 545-556. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200609.001
摘要:
为了准确预测三维四向编织复合材料的纵向拉伸力学性能,对编织复合材料的面胞和内胞细观实体模型进行参数化建模,面胞模型考虑了纱线空间轨迹的偏移和横截面的挤压变形。用体素网格离散模型并施加合适的边界条件,将各组分材料的损伤模型编入到有限元分析软件ABAQUS用户定义材料子程序UMAT中。分别对内编织角为30°和45°的三维四向碳纤维/环氧树脂编织复合材料的面-内胞模型进行数值分析,经体积加权平均获得不同厚度编织复合材料试件的纵向拉伸模量和强度,通过统计具有相同破坏模式的积分点数量研究复合材料的渐进损伤过程。结果表明:基于面-内胞模型预测三维四向编织复合材料的纵向拉伸力学性能与试验值吻合良好,损伤分析结果合理地反映了面胞和内胞的渐进损伤过程。
金属和陶瓷基复合材料
新型Co3O4和WC共沉积β-PbO2电极用于锌电解沉积及电化学性能研究
孙利, 徐瑞东, 何世伟, 吴天益
2021, 38(2): 557-571. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200610.006
摘要:
采用复合电沉积技术在Pb-0.3wt%Ag/α-PbO2基体上合成了WC和Co3O4颗粒共沉积的β-PbO2复合沉积层。沉积行为研究发现,WC颗粒先于Co3O4颗粒吸附于基体上,将WC颗粒与Co3O4颗粒共沉积是一种抑制当Co3O4颗粒单独共沉积于β-PbO2沉积层时发生团聚情况的有效方法。电极性能研究发现,WC或Co3O4颗粒的共沉积均会提高复合阳极的析氧电催化活性,此外,WC颗粒还有助于提高复合阳极的显微硬度和在Zn电解沉积溶液中的耐腐蚀性能。Co3O4颗粒的共沉积不利于β-PbO2相的生长,WC颗粒的共沉积对β-PbO2相的生长影响不大,两种颗粒同时共沉积有助于抑制酸性镀液中α-PbO2相的生长。
SiC颗粒增强铝基复合材料的纯铜中间层液相扩散焊
廖先金, 连晨姿, 张贵锋
2021, 38(2): 572-582. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200703.001
摘要:
采用Cu箔中间层在Ar气氛保护、550℃条件下过渡液相扩散焊(TLP)焊接SiC颗粒(SiCP)增强Al基复合材料SiCP/ZL101和SiCP/Al (SiCP 10vol%),对母材与焊接接头的微观组织、剪切强度、焊接接头剪切断面与断裂路径等进行分析。结果表明:在铸Al(ZL101)与纯Al(Al)基体中,分别通过共晶温度较低的Al-Si-Cu(524℃)三元共晶反应与Al-Cu(548℃)二元共晶反应实现中间层金属/基体金属(M/M)界面润湿。其中铸Al基体焊接接头中虽有颗粒偏聚,但由于Al-Si-Cu三元共晶反应的Cu含量(26.7wt%)低于Al-Cu二元共晶反应的Cu含量(33wt%),SiCP/ZL101焊接接头焊缝中CuAl2相少于SiCP/Al焊接接头焊缝中的CuAl2相,且未出现CuAl2相的聚集,故其强度较高。Cu中间层形成的金属间化合物CuAl2相是影响焊接接头力学性能的重要因素,两种复合材料焊接接头的剪切强度分别为85.4 MPa和73 MPa。
环境温度对压电纤维复合材料性能的影响
张炯炯, 袁晰, 闫明洋, 张少峰, 陈卓, 张斗
2021, 38(2): 583-590. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200617.001
摘要:
针对压电纤维复合材料在航天、航空领域的应用,研究极端环境温度对复合材料性能的影响。首先制备了基于锆钛酸铅(PZT)陶瓷的压电纤维复合材料,然后测试环境温度对压电纤维复合材料电学阻抗、自由应变、驱动性能和力学性能的影响。结果表明,环境温度对压电纤维复合材料的阻抗相位角差值有显著影响。随着环境温度的升高,压电纤维复合材料的自由应变和悬臂梁驱动性能均先增加后减小,环境温度为20℃时性能最佳,样品的最大纵向自由应变为604.0×10−6,驱动铝板悬臂梁产生的顶端位移为0.789 mm。当环境温度为−88℃和80℃时,样品最大纵向自由应变分别为20℃时的46.9%和51.3%,顶端位移分别为20℃时的79.6%和83.7%。当环境温度从−88℃升高至80℃时,压电纤维复合材料的抗拉强度逐渐提升。
WS2/g-C3N4异质结光催化分解水制氢性能及机制
孟培媛, 郭明媛, 乔勋
2021, 38(2): 591-600. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201011.001
摘要:
通过溶剂蒸发和二次高温煅烧石墨相碳化氮(g-C3N4)纳米片和WS2纳米片混合物构建WS2/g-C3N4异质结,该异质结保留g-C3N4和WS2主体结构的同时,在界面处形成化学键,确保该异质结的化学稳定性和热稳定性。光催化分解水制氢实验表明,WS2纳米片含量为3wt%时光催化制氢速率高达68.62 μmol/h,分别是g-C3N4纳米片和WS2纳米片的2.53倍和15.29倍,表明异质结的构建可大幅提升g-C3N4的光催化性能,循环实验表明该异质结在5次循环实验后光催化性能没有明显下降,表明该异质结的稳定性较好。光电性能测试表明异质结的构建不仅提高激发电子的转移效率,同时抑制激发电子空穴的复合率,大幅提升激发电子的利用效率,致使光催化分解水制氢速率较g-C3N4纳米片和WS2纳米片大幅提升。
碳纳米管/橡胶复合材料的界面性能:碳纳米管的比表面积的影响
王双, 田晨晨, 宁南英, 张立群, 吕亚非, 田明
2021, 38(2): 601-611. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200601.002
摘要:
橡胶大分子和无机纳米填料由于相互作用形成的界面是决定弹性体复合材料性能的重要因素。利用原子力显微镜的峰值力定量纳米力学映射模式(AFM-QNM)建立了碳纳米管/溶聚丁苯橡胶(CNT/SSBR)复合材料的界面纳米力学性能和界面厚度的定量表征方法,研究揭示了CNT的比表面积对CNT/SSBR复合材料的界面纳米力学性能和界面厚度的影响。结果表明,随着CNT的比表面积的增大,CNT/SSBR复合材料的界面纳米力学性能逐渐增强,界面厚度逐渐增大,这是由于CNT表面作用的橡胶大分子不动链数增加。
氧化石墨烯增强水泥复合材料的断裂性能
李欣, 罗素蓉
2021, 38(2): 612-621. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200610.005
摘要:
将氧化石墨烯(GO)加入水泥砂浆中,以提高其抗裂性和韧性。通过三点弯曲梁法测试了GO增强水泥砂浆试件的断裂性能,采用双K断裂模型分析了GO掺量对改性水泥砂浆断裂参数的影响。结果表明:GO提高了水泥砂浆试件的起裂韧度,当GO掺量(与胶凝材料质量比)为0.01%~0.07%时,较对照组分别提高了13.4%、25.4%、24.6%和16.7%,但对失稳韧度的影响有限,不同GO掺量水泥砂浆的断裂能较对照组提高了10.7%~33.3%。结合微观试验发现,GO主要通过影响水泥水化过程,优化孔结构,促进高密度水化产物生成,提高水化产物间的粘结力,进而抑制微裂缝生成和发展。
亲水型功能化石墨烯的分散性及其对水泥基复合材料力学性能的影响
余东升, 付芳, 贾铁昆, 李继利, TAPASKuila, 骆雪, 田新生, 张慧军, 周加左, 刘君梦, 龙巍云, 陈欢
2021, 38(2): 622-629. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200710.002
摘要:
为了解决石墨烯纳米片在水泥基体中的分散问题,采用芳基重氮盐(F)对氧化石墨烯(GO)进行改性,制备了一种新型亲水型功能化石墨烯(FG)。结果表明,FG在水溶剂中最大的分散浓度能够达到2.1 mg/mL。FTIR、拉曼光谱和XPS结果表明F成功对石墨烯进行了表面改性。对比纯水泥基体材料,本文所制备的亲水型FG/水泥复合材料的28天抗折强度和抗压强度相对提高了95.3%和78.3%。F对GO进行改性,实现了石墨烯在水泥基材料中的均匀分散及对其力学性能的提升。
基于声发射技术的非标准自密实混凝土三点弯曲梁动态断裂特性
冯璐, 陈徐东, 张锦华, 袁佳怡, 程熙媛
2021, 38(2): 630-640. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200608.001
摘要:
对不同初始缝高比的自密实混凝土(Self-compacting concrete,SCC)非标准三点弯曲梁开展不同加载速率下的断裂试验,获得其断裂的荷载-裂缝嘴张开口位移曲线及峰值荷载、断裂韧度、临界缝高比增量、弹性模量和柔度系数等断裂参数,结合Pearson相关性检验公式及加载速率效应模型,定量分析初始缝高比、加载速率与断裂参数间的相关性强弱及SCC断裂参数的加载速率效应。结果表明峰值荷载、断裂韧度及弹性模量均存在一定的加载速率效应,柔度系数仅与初始缝高比强相关,弹性模量和断裂韧度是材料的固有属性,不受初始缝高比影响。同时,基于声发射(Acoustic emission,AE)技术对SCC的损伤断裂过程、断裂边界效应及裂缝扩展模式进行分析,结果表明,AE参量能较好地反映混凝土断裂的三阶段特性及边界效应。裂缝的扩展首先以拉伸裂缝为主,剪切裂缝占比随着裂缝扩展过程逐渐增大。