2021年 第38卷 第5期
栏目
2021, 38(5): 1526-1534.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201106.001
摘要:
基于建筑垃圾再生细骨料替代天然砂，进行氧化石墨烯(GO)改性再生水泥基复合材料的综合物理性能和水化机制研究。采用超声分散GO及振动搅拌制备再生水泥基复合材料，综合耐久性能测试结果表明：和不掺GO再生水泥基复合材料相比，添加0.03% GO改性7 d龄期强度的GO/再生水泥基复合材料抗折和抗压强度分别提高了16%和21%；添加0.02% GO改性的28 d龄期强度的GO/再生水泥基复合材料抗折和抗压分别提高了13.7%和13.6%。GO/再生水泥基复合材料龄期7 d耐候、50次冻融循环后力学性能均良好；氯离子含量皆小于0.06%。放射性检测结果表明：GO/再生水泥基复合材料内照射指数IRa和外照射指数Ir均属于A类建筑材料。通过XRD、TG-DTA、SEM等手段对GO/再生水泥基复合材料水化机制研究表明：GO促进了钙矾石(AFt)晶体的大量生成及胶凝孔中存在更多的自由水，且对后期氢氧化钙(CH)的产生有抑制作用，进而提高了GO/再生水泥基复合材料综合物理性能。
基于建筑垃圾再生细骨料替代天然砂，进行氧化石墨烯(GO)改性再生水泥基复合材料的综合物理性能和水化机制研究。采用超声分散GO及振动搅拌制备再生水泥基复合材料，综合耐久性能测试结果表明：和不掺GO再生水泥基复合材料相比，添加0.03% GO改性7 d龄期强度的GO/再生水泥基复合材料抗折和抗压强度分别提高了16%和21%；添加0.02% GO改性的28 d龄期强度的GO/再生水泥基复合材料抗折和抗压分别提高了13.7%和13.6%。GO/再生水泥基复合材料龄期7 d耐候、50次冻融循环后力学性能均良好；氯离子含量皆小于0.06%。放射性检测结果表明：GO/再生水泥基复合材料内照射指数IRa和外照射指数Ir均属于A类建筑材料。通过XRD、TG-DTA、SEM等手段对GO/再生水泥基复合材料水化机制研究表明：GO促进了钙矾石(AFt)晶体的大量生成及胶凝孔中存在更多的自由水，且对后期氢氧化钙(CH)的产生有抑制作用，进而提高了GO/再生水泥基复合材料综合物理性能。
2021, 38(5): 1535-1542.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200826.001
摘要:
针对传统ZnO光催化活性不高的问题，采用Zn(CH3COO)2和FeCl3作为ZnO和Fe2O3的前驱体，水热条件下采用“一锅法”制备带状γ-Fe2O3/ZnO异质结光催化剂，采用XRD、BET比表面积测量仪、TEM、紫外-可见漫反射、电子顺磁共振(EPR)等对其晶体化学结构进行表征。在可见光光源下，探究了不同γ-Fe2O3负载量时γ-Fe2O3/ZnO异质结光催化剂对四环素的光催化降解的效果。研究表明，ZnO负载γ-Fe2O3后比表面积和光照吸收显著改善，禁带宽度有所减小，可见光光照120 min，n(Zn)∶n(Fe) (原子比)为20∶1的γ-Fe2O3/ZnO异质结光催化剂对四环素的降解率高达97.2%，多次重复使用后四环素的降解率保持在95%以上。
针对传统ZnO光催化活性不高的问题，采用Zn(CH3COO)2和FeCl3作为ZnO和Fe2O3的前驱体，水热条件下采用“一锅法”制备带状γ-Fe2O3/ZnO异质结光催化剂，采用XRD、BET比表面积测量仪、TEM、紫外-可见漫反射、电子顺磁共振(EPR)等对其晶体化学结构进行表征。在可见光光源下，探究了不同γ-Fe2O3负载量时γ-Fe2O3/ZnO异质结光催化剂对四环素的光催化降解的效果。研究表明，ZnO负载γ-Fe2O3后比表面积和光照吸收显著改善，禁带宽度有所减小，可见光光照120 min，n(Zn)∶n(Fe) (原子比)为20∶1的γ-Fe2O3/ZnO异质结光催化剂对四环素的降解率高达97.2%，多次重复使用后四环素的降解率保持在95%以上。
2021, 38(5): 1543-1550.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200831.001
摘要:
采用电化学法原位合成双金属Zn/Co-类沸石类咪唑骨架材料(ZIF)。通过改变反应溶剂配比、电压大小、反应时间及金属钴盐添加量来探究材料的最佳合成条件。在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)与乙醇(EtOH)的体积比为1∶4，外加电压为5 V，外加金属钴盐为0.08 g时，合成不规则层状颗粒结构的Zn/Co-ZIF。以Zn/Co-ZIF为活性物质制备电极用于超级电容器性能研究，并与同条件下电化学法原位合成的ZIF-8作对比。通过循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)及交流阻抗(EIS)等测试手段探究其电容性能。结果表明，不同扫描速度下Zn/Co-ZIF电极材料的CV曲线有一对氧化还原峰，表现出明显的赝电容特性。在1 A/g的电流密度下，Zn/Co-ZIF电极材料的比电容为189 F/g，高于ZIF-8电极(72 F/g)，2000次循环后，比电容值仍能保持初始值的90.5%。
采用电化学法原位合成双金属Zn/Co-类沸石类咪唑骨架材料(ZIF)。通过改变反应溶剂配比、电压大小、反应时间及金属钴盐添加量来探究材料的最佳合成条件。在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)与乙醇(EtOH)的体积比为1∶4，外加电压为5 V，外加金属钴盐为0.08 g时，合成不规则层状颗粒结构的Zn/Co-ZIF。以Zn/Co-ZIF为活性物质制备电极用于超级电容器性能研究，并与同条件下电化学法原位合成的ZIF-8作对比。通过循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)及交流阻抗(EIS)等测试手段探究其电容性能。结果表明，不同扫描速度下Zn/Co-ZIF电极材料的CV曲线有一对氧化还原峰，表现出明显的赝电容特性。在1 A/g的电流密度下，Zn/Co-ZIF电极材料的比电容为189 F/g，高于ZIF-8电极(72 F/g)，2000次循环后，比电容值仍能保持初始值的90.5%。
2021, 38(5): 1551-1557.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200925.001
摘要:
采用溶剂热法制备磁性CoFe2O4亚微球，以CoFe2O4为核在碱性条件下将多巴胺(DA)聚合在其表面，利用乙二醇和聚多巴胺(PDA)的多羟基还原性，将Pt原位还原负载在CoFe2O4@PDA表面，合成纳米核壳型CoFe2O4@PDA@Pt复合材料。利用TEM、XRD、振动样品磁强计(VSM)和XPS对CoFe2O4@PDA@Pt复合材料的微观形貌、结构和晶型等进行表征。以无机染料铁氰酸钾和有机染料对硝基苯酚为目标污染物，探究CoFe2O4@PDA@Pt复合材料的催化活性。结果表明，2 min内CoFe2O4@PDA@Pt复合材料对铁氰酸钾降解率为95%以上，对对硝基苯酚降解率约为99.3%。
采用溶剂热法制备磁性CoFe2O4亚微球，以CoFe2O4为核在碱性条件下将多巴胺(DA)聚合在其表面，利用乙二醇和聚多巴胺(PDA)的多羟基还原性，将Pt原位还原负载在CoFe2O4@PDA表面，合成纳米核壳型CoFe2O4@PDA@Pt复合材料。利用TEM、XRD、振动样品磁强计(VSM)和XPS对CoFe2O4@PDA@Pt复合材料的微观形貌、结构和晶型等进行表征。以无机染料铁氰酸钾和有机染料对硝基苯酚为目标污染物，探究CoFe2O4@PDA@Pt复合材料的催化活性。结果表明，2 min内CoFe2O4@PDA@Pt复合材料对铁氰酸钾降解率为95%以上，对对硝基苯酚降解率约为99.3%。
2021, 38(5): 1558-1566.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201111.005
摘要:
通过热缩聚合成法，采用尿素为原料，制备石墨相氮化碳(g-C3N4)，以磷酸氢二胺作为磷源，制备不同磷含量的磷掺杂g-C3N4 (xP-CN)，研究磷掺杂对xP-CN的微观结构、形貌及xP-CN/S复合材料作为锂硫电池正极材料电化学性能的影响。研究表明，磷掺杂后xP-CN的层间距增大，导电性提高，比表面积变大，10% P-CN的比表面积最大达到101.741 m2·g−1。10% P-CN/S复合材料在0.05 C (1 C=1675 mA·h·g−1)下首次放电比容量达到1383.8 mA·h·g−1，在0.2 C下循环100次后可逆比容量为860.0 mA·h·g−1，而g-C3N4/S复合材料比容量仅为178.3 mA·h·g−1；10% P-CN/S复合材料经过倍率测试后比容量可以回复到0.2 C时的93.6%，表现出良好的循环性能和倍率性能。
通过热缩聚合成法，采用尿素为原料，制备石墨相氮化碳(g-C3N4)，以磷酸氢二胺作为磷源，制备不同磷含量的磷掺杂g-C3N4 (xP-CN)，研究磷掺杂对xP-CN的微观结构、形貌及xP-CN/S复合材料作为锂硫电池正极材料电化学性能的影响。研究表明，磷掺杂后xP-CN的层间距增大，导电性提高，比表面积变大，10% P-CN的比表面积最大达到101.741 m2·g−1。10% P-CN/S复合材料在0.05 C (1 C=1675 mA·h·g−1)下首次放电比容量达到1383.8 mA·h·g−1，在0.2 C下循环100次后可逆比容量为860.0 mA·h·g−1，而g-C3N4/S复合材料比容量仅为178.3 mA·h·g−1；10% P-CN/S复合材料经过倍率测试后比容量可以回复到0.2 C时的93.6%，表现出良好的循环性能和倍率性能。
2021, 38(5): 1567-1575.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200827.002
摘要:
为解决汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料力学性能较差的问题，本文提出采用聚乙烯醇(PVA)乳液对汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料进行改性。在优化秸秆纤维的粒径和掺入量后，采用PVA乳液与秸秆纤维和水泥进行共混成型，制备了改性后的汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料。研究了不同质量比的PVA乳液对汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料的抗折强度、密度、比强度和弯曲韧性的影响，通过含水率、吸水率及红外光谱测试揭示了PVA乳液对汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料的改性机制。结果表明：汉麻秸秆纤维粒径为1700 μm及掺入量为12%时，秸秆纤维对汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料的增强作用最好。随着PVA乳液质量比的增加，改性后汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料的密度逐渐减小，弯曲韧性逐渐提高。当PVA乳液质量比为4.8%时，相较于未改性的汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料，改性后的汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料抗折强度和比强度分别提高了17.17%和20.50%。通过PVA乳液改性使汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料中秸秆纤维与水泥之间的界面得到改善，并缓解了秸秆纤维对水泥水化反应的阻碍作用。
为解决汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料力学性能较差的问题，本文提出采用聚乙烯醇(PVA)乳液对汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料进行改性。在优化秸秆纤维的粒径和掺入量后，采用PVA乳液与秸秆纤维和水泥进行共混成型，制备了改性后的汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料。研究了不同质量比的PVA乳液对汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料的抗折强度、密度、比强度和弯曲韧性的影响，通过含水率、吸水率及红外光谱测试揭示了PVA乳液对汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料的改性机制。结果表明：汉麻秸秆纤维粒径为1700 μm及掺入量为12%时，秸秆纤维对汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料的增强作用最好。随着PVA乳液质量比的增加，改性后汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料的密度逐渐减小，弯曲韧性逐渐提高。当PVA乳液质量比为4.8%时，相较于未改性的汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料，改性后的汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料抗折强度和比强度分别提高了17.17%和20.50%。通过PVA乳液改性使汉麻秸秆纤维/水泥基复合材料中秸秆纤维与水泥之间的界面得到改善，并缓解了秸秆纤维对水泥水化反应的阻碍作用。
2021, 38(5): 1576-1587.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200907.002
摘要:
针对水环境中聚丙烯酰胺(HPAM)难以被快速去除的问题，以导电炭黑(CB)为载体，制备了负载型氮杂酞菁钴(NCoPc/CB)和甲基取代氮杂酞菁钴(MeNCoPc/CB)复合材料，并对其光电催化降解HPAM的性能进行了研究。搭建分体式光电协同催化体系，选取50 mg/L HPAM水溶液为目标污染物，以Na2SO4为电解质，对NCoPc的理化性能及光电协同催化工艺降解高分子聚合物的性能进行了考察。结果证实，光电协同催化工艺对HPAM去除率不但优于单独光催化和单独电催化工艺，更优于两者的代数和，说明光电联合体系中产生了协同增强效应。其中，以MeNCoPc/CB复合材料效果最佳，污染物去除率达到76.07%，溶液黏度由8.33 mPa·s降至1.81 mPa·s。对协同工艺进行反应动力学分析，证实此过程符合准一级反应动力学，其反应速率常数分别是光催化的6.03倍和电催化的3.97倍。电子自旋共振技术(ESR)证实，反应体系内主要活性物质为·OH和O2−·。
针对水环境中聚丙烯酰胺(HPAM)难以被快速去除的问题，以导电炭黑(CB)为载体，制备了负载型氮杂酞菁钴(NCoPc/CB)和甲基取代氮杂酞菁钴(MeNCoPc/CB)复合材料，并对其光电催化降解HPAM的性能进行了研究。搭建分体式光电协同催化体系，选取50 mg/L HPAM水溶液为目标污染物，以Na2SO4为电解质，对NCoPc的理化性能及光电协同催化工艺降解高分子聚合物的性能进行了考察。结果证实，光电协同催化工艺对HPAM去除率不但优于单独光催化和单独电催化工艺，更优于两者的代数和，说明光电联合体系中产生了协同增强效应。其中，以MeNCoPc/CB复合材料效果最佳，污染物去除率达到76.07%，溶液黏度由8.33 mPa·s降至1.81 mPa·s。对协同工艺进行反应动力学分析，证实此过程符合准一级反应动力学，其反应速率常数分别是光催化的6.03倍和电催化的3.97倍。电子自旋共振技术(ESR)证实，反应体系内主要活性物质为·OH和O2−·。
2021, 38(5): 1588-1593.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200731.001
摘要:
将方石英作为第二相、锆英砂作为矿化剂加入到SiO2基陶瓷型芯基体材料中，采用热压注法制备陶瓷型芯。研究预加方石英含量对SiO2基陶瓷型芯性能的影响，分析在1550℃下预加方石英含量对SiO2基陶瓷型芯高温蠕变性能的影响机制。结果表明，随着预加方石英含量的增加，SiO2基陶瓷型芯抗弯强度和高温挠度逐渐减小，型芯的气孔率逐渐增加。当预加方石英含量为10wt%时，石英玻璃析晶速率最快，方石英开始相连构成耐高温的方石英骨架，陶瓷型芯抵抗高温变形的能力显著提高，陶瓷型芯的综合性能最佳，其抗弯强度、高温挠度和气孔率分别为5.13 MPa、1.18 mm和40.55%。
将方石英作为第二相、锆英砂作为矿化剂加入到SiO2基陶瓷型芯基体材料中，采用热压注法制备陶瓷型芯。研究预加方石英含量对SiO2基陶瓷型芯性能的影响，分析在1550℃下预加方石英含量对SiO2基陶瓷型芯高温蠕变性能的影响机制。结果表明，随着预加方石英含量的增加，SiO2基陶瓷型芯抗弯强度和高温挠度逐渐减小，型芯的气孔率逐渐增加。当预加方石英含量为10wt%时，石英玻璃析晶速率最快，方石英开始相连构成耐高温的方石英骨架，陶瓷型芯抵抗高温变形的能力显著提高，陶瓷型芯的综合性能最佳，其抗弯强度、高温挠度和气孔率分别为5.13 MPa、1.18 mm和40.55%。
2021, 38(5): 1594-1603.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200723.004
摘要:
虽然橡胶混凝土塑性和疲劳性能较好，但由于掺入橡胶，其在疲劳荷载下离散性增大，损伤过程及最终的断裂机制均不明确。为研究橡胶混凝土在疲劳荷载下的损伤和断裂性能，基于声发射开展了不同橡胶掺量的混凝土在疲劳荷载下的三点弯曲疲劳断裂试验。计算有效裂缝长度，分析疲劳荷载下不同橡胶掺量的混凝土裂缝长度a的变化规律，并利用裂缝长度a和声发射累积能量EAE分别定义了损伤变量Da和DAE；分析疲劳荷载下不同橡胶掺量的混凝土断裂能GF的变化规律；利用声发射中的信号持续时间分析疲劳荷载下橡胶混凝土中裂缝出现和扩展的规律。结果表明，混凝土的断裂能随橡胶掺量的增加呈线性增加；在疲劳荷载下，裂缝长度a和Da均呈倒S型规律变化，而DAE呈正S型规律变化；声发射信号持续时间表明，在疲劳荷载下，橡胶混凝土中的裂缝总在荷载较小时出现或发生扩展。
虽然橡胶混凝土塑性和疲劳性能较好，但由于掺入橡胶，其在疲劳荷载下离散性增大，损伤过程及最终的断裂机制均不明确。为研究橡胶混凝土在疲劳荷载下的损伤和断裂性能，基于声发射开展了不同橡胶掺量的混凝土在疲劳荷载下的三点弯曲疲劳断裂试验。计算有效裂缝长度，分析疲劳荷载下不同橡胶掺量的混凝土裂缝长度a的变化规律，并利用裂缝长度a和声发射累积能量EAE分别定义了损伤变量Da和DAE；分析疲劳荷载下不同橡胶掺量的混凝土断裂能GF的变化规律；利用声发射中的信号持续时间分析疲劳荷载下橡胶混凝土中裂缝出现和扩展的规律。结果表明，混凝土的断裂能随橡胶掺量的增加呈线性增加；在疲劳荷载下，裂缝长度a和Da均呈倒S型规律变化，而DAE呈正S型规律变化；声发射信号持续时间表明，在疲劳荷载下，橡胶混凝土中的裂缝总在荷载较小时出现或发生扩展。
2021, 38(5): 1604-1610.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200722.001
摘要:
根据复合材料销钉剪切试验的需要，设计剪切试验装置。利用电子万能试验机和落槌冲击试验系统完成C/C复合材料销钉在准静态和动态加载工况下的面内剪切力学性能试验，并通过SEM试验系统分析其剪切失效模式和失效机制。结果表明：C/C复合材料销钉抗剪切强度具有明显的应变率效应，随着加载速率的增加，其抗剪切强度显著提高；C/C复合材料在不同加载速率下失效模式不同，准静态加载工况下纤维与基体严重剥离，纤维束丧失整体承载能力，其破坏过程表现出“伪塑性”失效特征；动态加载工况下纤维与基体未发生明显剥离，纤维束整体承载，其破坏过程表现为“脆性”失效特征。C/C复合材料在不同加载速率下剪切失效模式的不同可归结为内部缺陷扩展的应变率效应。
根据复合材料销钉剪切试验的需要，设计剪切试验装置。利用电子万能试验机和落槌冲击试验系统完成C/C复合材料销钉在准静态和动态加载工况下的面内剪切力学性能试验，并通过SEM试验系统分析其剪切失效模式和失效机制。结果表明：C/C复合材料销钉抗剪切强度具有明显的应变率效应，随着加载速率的增加，其抗剪切强度显著提高；C/C复合材料在不同加载速率下失效模式不同，准静态加载工况下纤维与基体严重剥离，纤维束丧失整体承载能力，其破坏过程表现出“伪塑性”失效特征；动态加载工况下纤维与基体未发生明显剥离，纤维束整体承载，其破坏过程表现为“脆性”失效特征。C/C复合材料在不同加载速率下剪切失效模式的不同可归结为内部缺陷扩展的应变率效应。
2021, 38(5): 1611-1622.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201106.002
摘要:
为提高纤维增强聚合物复合材料(FRP)筋混凝土梁抗裂性能，改善其脆性破坏特征，将玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)筋与橡胶集料混凝土共同应用于梁构件中。采用ABAQUS对GFRP筋橡胶集料混凝土梁的受弯性能进行有限元模拟及参数分析，探究了橡胶掺量、GFRP筋配筋率、混凝土强度等级及截面高度对梁受弯性能的影响。结果表明：增加混凝土中橡胶颗粒的掺量可提高梁的开裂荷载，当橡胶掺量为15%时，开裂荷载提高了29%；增加配筋率可提高梁的开裂荷载和承载力，当受拉筋直径由10 mm增加至18 mm时，橡胶掺量为10%的GFRP筋橡胶混凝土梁开裂荷载提高了约15%，承载力提高了约85%，但配筋率增加至一定数值后，其影响不再明显；提高橡胶混凝土强度等级，可提高梁的开裂荷载及承载力，当橡胶混凝土强度等级由C25提高至C40时，开裂荷载提了高约53.7%，承载力提高了约23%；为更好地满足正常使用极限状态，GFRP筋橡胶混凝土梁的截面高度宜适当增加。
为提高纤维增强聚合物复合材料(FRP)筋混凝土梁抗裂性能，改善其脆性破坏特征，将玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)筋与橡胶集料混凝土共同应用于梁构件中。采用ABAQUS对GFRP筋橡胶集料混凝土梁的受弯性能进行有限元模拟及参数分析，探究了橡胶掺量、GFRP筋配筋率、混凝土强度等级及截面高度对梁受弯性能的影响。结果表明：增加混凝土中橡胶颗粒的掺量可提高梁的开裂荷载，当橡胶掺量为15%时，开裂荷载提高了29%；增加配筋率可提高梁的开裂荷载和承载力，当受拉筋直径由10 mm增加至18 mm时，橡胶掺量为10%的GFRP筋橡胶混凝土梁开裂荷载提高了约15%，承载力提高了约85%，但配筋率增加至一定数值后，其影响不再明显；提高橡胶混凝土强度等级，可提高梁的开裂荷载及承载力，当橡胶混凝土强度等级由C25提高至C40时，开裂荷载提了高约53.7%，承载力提高了约23%；为更好地满足正常使用极限状态，GFRP筋橡胶混凝土梁的截面高度宜适当增加。
2021, 38(5): 1623-1628.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200804.001
摘要:
纤维增强聚合物复合材料(FRP)约束损伤混凝土抗压强度模型对于混凝土柱类构件的修复和加固具有重要指导意义。现有FRP修复混凝土的强度模型适用条件有限，同一模型不能同时应用于不同强弱约束、不同强度混凝土、不同倒角混凝土的强度预测。本文根据广义回归神经网络(GRNN)的特点，基于46个FRP强约束损伤混凝土方柱、210个FRP强约束损伤混凝土圆柱和35个FRP弱约束损伤混凝土圆柱的试验数据，建立了GRNN抗压强度模型，对FRP约束损伤混凝土的强度进行预测，并与现有模型的预测结果进行对比分析，结果表明，新建立的GRNN模型能够准确地预测FRP约束损伤混凝土的强度。
纤维增强聚合物复合材料(FRP)约束损伤混凝土抗压强度模型对于混凝土柱类构件的修复和加固具有重要指导意义。现有FRP修复混凝土的强度模型适用条件有限，同一模型不能同时应用于不同强弱约束、不同强度混凝土、不同倒角混凝土的强度预测。本文根据广义回归神经网络(GRNN)的特点，基于46个FRP强约束损伤混凝土方柱、210个FRP强约束损伤混凝土圆柱和35个FRP弱约束损伤混凝土圆柱的试验数据，建立了GRNN抗压强度模型，对FRP约束损伤混凝土的强度进行预测，并与现有模型的预测结果进行对比分析，结果表明，新建立的GRNN模型能够准确地预测FRP约束损伤混凝土的强度。
2021, 38(5): 1313-1330.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201215.007
摘要:
锌电沉积生产中，传统铅阳极因成本低、导电性好、易加工等优点而被广泛应用，但铅阳极在电解过程中的腐蚀也导致锌产物污染、电解液污染及阳极损耗等问题。提高阳极的电化学活性及耐蚀稳定性成为锌电沉积工艺的重要研究方向之一。近年来，学者们基于铅阳极的耐腐蚀机制，研发了多种电化学性能优异的耐腐蚀阳极，包括铅合金阳极、复合PbO2阳极和过渡金属氧化物涂层阳极等。本文综述了铅阳极、铅合金阳极、PbO2阳极和过渡金属氧化物涂层阳极等锌电沉积阳极的研究进展，对锌电沉积阳极的发展方向进行了展望。
锌电沉积生产中，传统铅阳极因成本低、导电性好、易加工等优点而被广泛应用，但铅阳极在电解过程中的腐蚀也导致锌产物污染、电解液污染及阳极损耗等问题。提高阳极的电化学活性及耐蚀稳定性成为锌电沉积工艺的重要研究方向之一。近年来，学者们基于铅阳极的耐腐蚀机制，研发了多种电化学性能优异的耐腐蚀阳极，包括铅合金阳极、复合PbO2阳极和过渡金属氧化物涂层阳极等。本文综述了铅阳极、铅合金阳极、PbO2阳极和过渡金属氧化物涂层阳极等锌电沉积阳极的研究进展，对锌电沉积阳极的发展方向进行了展望。
2021, 38(5): 1331-1347.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201201.004
摘要:
本文对弹道防护用先进复合材料的弹道响应研究及其在工程领域的应用现状进行了综述。首先，基于工程应用研究的试验结果，对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维、对位芳香族聚酰胺(PPTA)纤维、芳Ⅲ纤维、聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维和聚酰亚胺(PI)纤维等高性能纤维的防弹性能及其复合材料在弹道防护工程领域的应用现状进行了概述，近年来先进复合材料的防弹性能随着纤维力学性能的突破而逐渐提高；其次，讨论了先进复合材料弹道响应的影响因素及其作用机制，发现先进复合材料的塑性拉伸变形是其抵挡弹丸侵彻的主要防弹机制；最后，对弹道防护用先进复合材料的研究方向进行了展望。
本文对弹道防护用先进复合材料的弹道响应研究及其在工程领域的应用现状进行了综述。首先，基于工程应用研究的试验结果，对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维、对位芳香族聚酰胺(PPTA)纤维、芳Ⅲ纤维、聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维和聚酰亚胺(PI)纤维等高性能纤维的防弹性能及其复合材料在弹道防护工程领域的应用现状进行了概述，近年来先进复合材料的防弹性能随着纤维力学性能的突破而逐渐提高；其次，讨论了先进复合材料弹道响应的影响因素及其作用机制，发现先进复合材料的塑性拉伸变形是其抵挡弹丸侵彻的主要防弹机制；最后，对弹道防护用先进复合材料的研究方向进行了展望。
2021, 38(5): 1348-1357.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201201.001
摘要:
随着城镇化进程加快，大量含难降解有机污染物的工业废水和生活污水因不合理处置而进入水体，对水环境质量造成严重威胁。过渡金属离子催化活化单过硫酸盐(PMS)产生活性氧去除水中难降解有机物的催化体系的研究已有大量文献报道，但存在金属离子二次污染和催化剂难以回收等问题。MoS2作为优异的二维半导体材料，在储能和催化领域颇具优势并实现产业化生产。在水处理领域，研究发现MoS2作为非均相金属催化剂能够有效活化PMS去除水中难降解有机物。本文主要综述了MoS2作为催化剂、金属离子助催化剂或复合型共催化剂活化PMS体系降解水中有机污染物的研究进展，归纳并比较上述催化体系对污染物的降解效能，对催化反应机制进行探讨分析，并针对目前存在的问题提出相关研究展望。
随着城镇化进程加快，大量含难降解有机污染物的工业废水和生活污水因不合理处置而进入水体，对水环境质量造成严重威胁。过渡金属离子催化活化单过硫酸盐(PMS)产生活性氧去除水中难降解有机物的催化体系的研究已有大量文献报道，但存在金属离子二次污染和催化剂难以回收等问题。MoS2作为优异的二维半导体材料，在储能和催化领域颇具优势并实现产业化生产。在水处理领域，研究发现MoS2作为非均相金属催化剂能够有效活化PMS去除水中难降解有机物。本文主要综述了MoS2作为催化剂、金属离子助催化剂或复合型共催化剂活化PMS体系降解水中有机污染物的研究进展，归纳并比较上述催化体系对污染物的降解效能，对催化反应机制进行探讨分析，并针对目前存在的问题提出相关研究展望。
2021, 38(5): 1358-1370.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201208.003
摘要:
对近年来关于聚合物基电磁屏蔽材料的报道进行了综述。重点总结分析了不同结构(如多孔结构、隔离结构和分层结构)及其他特殊结构聚合物基电磁屏蔽材料的屏蔽效能和屏蔽机制。与均匀分布聚合物基复合材料相比，通过结构设计使填料富集，再取向并连通从而形成高效导电网络，不仅能减少填料用量，且能有效提高复合材料的电磁屏蔽性能。最后，提出了聚合物基电磁屏蔽材料的未来发展方向。
对近年来关于聚合物基电磁屏蔽材料的报道进行了综述。重点总结分析了不同结构(如多孔结构、隔离结构和分层结构)及其他特殊结构聚合物基电磁屏蔽材料的屏蔽效能和屏蔽机制。与均匀分布聚合物基复合材料相比，通过结构设计使填料富集，再取向并连通从而形成高效导电网络，不仅能减少填料用量，且能有效提高复合材料的电磁屏蔽性能。最后，提出了聚合物基电磁屏蔽材料的未来发展方向。
2021, 38(5): 1371-1386.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201216.002
摘要:
3D打印又称增材制造技术，是基于材料、机械控制、计算机软件等多学科交叉的先进制造技术，可得到传统加工不能制备的形状复杂制件。熔融沉积成型(FDM)是目前最通用的3D打印技术之一，具有设备简单、成本低、操作便捷等特点，广泛应用于航空航天、医疗、汽车工业等领域。本文介绍了国内外3D打印技术的整体布局、发展和规划，总结了常见3D打印技术的特点和分类。系统地介绍了FDM加工技术的原理和优势，阐明了 FDM加工对高分子材料的基本要求，介绍了碳基高分子复合材料在FDM加工中的应用。此外，详细综述了国内外基于FDM打印技术制造功能化高分子复合材料及器件的最新研究进展，其中包括FDM打印制造导电高分子复合材料、导热高分子复合材料及生物医用高分子复合材料等，以期为FDM制造高性能多功能高分子复合材料的研究及应用提供借鉴。并对FDM加工面临的挑战及需要解决的关键问题提出了思考并做出展望。
3D打印又称增材制造技术，是基于材料、机械控制、计算机软件等多学科交叉的先进制造技术，可得到传统加工不能制备的形状复杂制件。熔融沉积成型(FDM)是目前最通用的3D打印技术之一，具有设备简单、成本低、操作便捷等特点，广泛应用于航空航天、医疗、汽车工业等领域。本文介绍了国内外3D打印技术的整体布局、发展和规划，总结了常见3D打印技术的特点和分类。系统地介绍了FDM加工技术的原理和优势，阐明了 FDM加工对高分子材料的基本要求，介绍了碳基高分子复合材料在FDM加工中的应用。此外，详细综述了国内外基于FDM打印技术制造功能化高分子复合材料及器件的最新研究进展，其中包括FDM打印制造导电高分子复合材料、导热高分子复合材料及生物医用高分子复合材料等，以期为FDM制造高性能多功能高分子复合材料的研究及应用提供借鉴。并对FDM加工面临的挑战及需要解决的关键问题提出了思考并做出展望。
2021, 38(5): 1387-1397.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200727.003
摘要:
采用原位聚合法，以聚氨酯为壳材，制备微胶囊化聚磷酸铵(PUAPP)和微胶囊化膨胀石墨(PUEG)。采用XPS、FTIR、TG和SEM分别对PUAPP和PUEG进行表征，结果表明，聚氨酯有效包覆在聚磷酸铵和膨胀石墨表面，成功制备了PUAPP和PUEG。在此基础上，采用一步法全水发泡工艺将PUAPP和PUEG引入到聚氨酯硬泡(RPUF)中，制备出一系列阻燃RPUF复合材料。采用极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)、TG、万能试验机、导热及密度测试研究了PUAPP/RPUF、PUEG/RPUF及PUAPP-PUEG/RPUF复合材料的阻燃性能、力学性能、保温性能及热稳定性。研究表明，微胶囊化阻燃剂的加入可以提高RPUF复合材料的高温稳定性，PUEG/RPUF、PUAPP/RPUF和PUAPP-PUEG/RPUF复合材料在700℃的残炭率从1.2wt%分别提高至6.9wt%、11.2wt%和10.7wt%。阻燃测试表明，PUAPP和PUEG可以有效提高RPUF复合材料的阻燃性能，当加入10.4wt% PUAPP时，PUAPP/RPUF复合材料的LOI提高到22.3vol%，UL-94等级为V-0级；当加入10.4wt% PUEG时，PUEG/RPUF复合材料的LOI达到25.3vol%，UL-94等级为V-0级；PUAPP-PUEG/RPUF复合材料的LOI达到24.3vol%，UL-94等级为V-0级。SEM和拉曼测试表明，PUAPP和PUEG可以提高RPUF复合材料的炭渣石墨化程度，使炭渣的致密性更强。
采用原位聚合法，以聚氨酯为壳材，制备微胶囊化聚磷酸铵(PUAPP)和微胶囊化膨胀石墨(PUEG)。采用XPS、FTIR、TG和SEM分别对PUAPP和PUEG进行表征，结果表明，聚氨酯有效包覆在聚磷酸铵和膨胀石墨表面，成功制备了PUAPP和PUEG。在此基础上，采用一步法全水发泡工艺将PUAPP和PUEG引入到聚氨酯硬泡(RPUF)中，制备出一系列阻燃RPUF复合材料。采用极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)、TG、万能试验机、导热及密度测试研究了PUAPP/RPUF、PUEG/RPUF及PUAPP-PUEG/RPUF复合材料的阻燃性能、力学性能、保温性能及热稳定性。研究表明，微胶囊化阻燃剂的加入可以提高RPUF复合材料的高温稳定性，PUEG/RPUF、PUAPP/RPUF和PUAPP-PUEG/RPUF复合材料在700℃的残炭率从1.2wt%分别提高至6.9wt%、11.2wt%和10.7wt%。阻燃测试表明，PUAPP和PUEG可以有效提高RPUF复合材料的阻燃性能，当加入10.4wt% PUAPP时，PUAPP/RPUF复合材料的LOI提高到22.3vol%，UL-94等级为V-0级；当加入10.4wt% PUEG时，PUEG/RPUF复合材料的LOI达到25.3vol%，UL-94等级为V-0级；PUAPP-PUEG/RPUF复合材料的LOI达到24.3vol%，UL-94等级为V-0级。SEM和拉曼测试表明，PUAPP和PUEG可以提高RPUF复合材料的炭渣石墨化程度，使炭渣的致密性更强。
2021, 38(5): 1398-1406.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201105.001
摘要:
为提高聚硅氧烷-甲基丙烯酸锌(ZDMA)树脂材料的性能，采用短切通用型芳纶纤维与聚甲基乙烯基硅氧烷-ZDMA复合并在高温下交联固化，得到短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料。采用SEM、FTIR、拉伸和压缩试验方法、霍普金斯压杆试验方法，表征了短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料的结构和静态力学性能，研究了芳纶纤维用量和应变率对其动态压缩性能的影响。结果表明，短切芳纶纤维对胶料的流动性影响较大，短纤维分散不易均匀，整体均匀性不佳，用量较大时易于团聚，力学性能存在波动性。短切芳纶纤维的加入对提高短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料拉伸强度效果明显，但伸长率大幅减小，对压缩应力提高较大。在低应变率下(800 s−1)，芳纶纤维用量对短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料动态压缩性能影响不大；在中高应变率(1500~2500 s−1)下，随着芳纶纤维用量的增加，短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料动态压缩应力增大。无芳纶的聚硅氧烷-ZDMA复合材料的动态压缩性能对应变率较为敏感，短切芳纶纤维与高聚硅氧烷质量比为8%的短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料在中高应变率(1500~3000 s−1)下的动态压缩性能较为稳定。
为提高聚硅氧烷-甲基丙烯酸锌(ZDMA)树脂材料的性能，采用短切通用型芳纶纤维与聚甲基乙烯基硅氧烷-ZDMA复合并在高温下交联固化，得到短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料。采用SEM、FTIR、拉伸和压缩试验方法、霍普金斯压杆试验方法，表征了短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料的结构和静态力学性能，研究了芳纶纤维用量和应变率对其动态压缩性能的影响。结果表明，短切芳纶纤维对胶料的流动性影响较大，短纤维分散不易均匀，整体均匀性不佳，用量较大时易于团聚，力学性能存在波动性。短切芳纶纤维的加入对提高短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料拉伸强度效果明显，但伸长率大幅减小，对压缩应力提高较大。在低应变率下(800 s−1)，芳纶纤维用量对短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料动态压缩性能影响不大；在中高应变率(1500~2500 s−1)下，随着芳纶纤维用量的增加，短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料动态压缩应力增大。无芳纶的聚硅氧烷-ZDMA复合材料的动态压缩性能对应变率较为敏感，短切芳纶纤维与高聚硅氧烷质量比为8%的短切芳纶纤维/聚硅氧烷-ZDMA复合材料在中高应变率(1500~3000 s−1)下的动态压缩性能较为稳定。
2021, 38(5): 1407-1415.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200826.002
摘要:
通过紫外-凝露加速老化试验，考察了纳米TiO2改性环氧涂层对玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料各种性能的影响。研究了紫外-凝露环境中不同纳米TiO2含量的纳米TiO2改性环氧涂层的颜色及硬度变化。并研究了未涂覆涂层、涂覆环氧涂层及2wt%TiO2改性环氧涂层的玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的颜色变化、质量变化、弯曲性能及剪切性能变化规律。发现紫外-凝露环境下老化90天后未涂覆涂层、涂覆环氧涂层及2wt% TiO2改性环氧涂层玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料弯曲强度分别下降了14.7%、10.0%和9.2%，弯曲模量分别下降了5.9%、5.4%和3.2%。考虑紫外、湿度、温度共同作用，对古尼耶夫剩余强度公式进行修正，预测了纳米 TiO2改性环氧涂层玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的寿命。
通过紫外-凝露加速老化试验，考察了纳米TiO2改性环氧涂层对玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料各种性能的影响。研究了紫外-凝露环境中不同纳米TiO2含量的纳米TiO2改性环氧涂层的颜色及硬度变化。并研究了未涂覆涂层、涂覆环氧涂层及2wt%TiO2改性环氧涂层的玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的颜色变化、质量变化、弯曲性能及剪切性能变化规律。发现紫外-凝露环境下老化90天后未涂覆涂层、涂覆环氧涂层及2wt% TiO2改性环氧涂层玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料弯曲强度分别下降了14.7%、10.0%和9.2%，弯曲模量分别下降了5.9%、5.4%和3.2%。考虑紫外、湿度、温度共同作用，对古尼耶夫剩余强度公式进行修正，预测了纳米 TiO2改性环氧涂层玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料的寿命。
2021, 38(5): 1416-1425.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200923.001
摘要:
采用湿法预浸技术和模压工艺制备了氧化石墨烯(GO)改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料，研究了GO在室温干态及湿热处理后对CF/EP复合材料动态热力学性能和层间剪切性能的影响，并通过微观形貌分析了复合材料的改性机制。结果表明，当GO添加量分别为0.5%和0.8%时，GO-CF/EP复合材料的玻璃化转变温度(Tg)得到明显提高，由CF/EP复合材料的184.4℃分别提高到197.7℃和199.5℃；GO-CF/EP复合材料经湿热处理后，GO-CF/EP复合材料的Tg的保持率比CF/EP略低。GO添加量分别为0.05%和0.1%时，GO-CF/EP复合材料的层间剪切强度由CF/EP复合材料的59.7 MPa分别提高到70.2 MPa和72.2 MPa；GO-CF/EP复合材料进行湿热处理后，GO添加量为0.05%的GO-CF/EP复合材料和GO添加量为0.1%的GO-CF/EP复合材料层间剪切强度较CF/EP复合材料高，但GO-CF/EP复合材料的湿热后层间剪切强度保持率均低于CF/EP复合材料。力学损耗分析表明，GO有效提高了CF与EP基体间的界面黏结作用。微观形貌分析表明，GO的存在可有效分散裂纹能量并使裂纹发生偏转，使GO-CF/EP复合材料抵抗裂纹扩展的能力提高。
采用湿法预浸技术和模压工艺制备了氧化石墨烯(GO)改性碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料，研究了GO在室温干态及湿热处理后对CF/EP复合材料动态热力学性能和层间剪切性能的影响，并通过微观形貌分析了复合材料的改性机制。结果表明，当GO添加量分别为0.5%和0.8%时，GO-CF/EP复合材料的玻璃化转变温度(Tg)得到明显提高，由CF/EP复合材料的184.4℃分别提高到197.7℃和199.5℃；GO-CF/EP复合材料经湿热处理后，GO-CF/EP复合材料的Tg的保持率比CF/EP略低。GO添加量分别为0.05%和0.1%时，GO-CF/EP复合材料的层间剪切强度由CF/EP复合材料的59.7 MPa分别提高到70.2 MPa和72.2 MPa；GO-CF/EP复合材料进行湿热处理后，GO添加量为0.05%的GO-CF/EP复合材料和GO添加量为0.1%的GO-CF/EP复合材料层间剪切强度较CF/EP复合材料高，但GO-CF/EP复合材料的湿热后层间剪切强度保持率均低于CF/EP复合材料。力学损耗分析表明，GO有效提高了CF与EP基体间的界面黏结作用。微观形貌分析表明，GO的存在可有效分散裂纹能量并使裂纹发生偏转，使GO-CF/EP复合材料抵抗裂纹扩展的能力提高。
2021, 38(5): 1426-1434.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200922.006
摘要:
为有效改善聚合物基复合材料的介电性能，兼顾高介电常数和低填料量同时并存，采用以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体树脂，钛酸钡(BT)和石墨烯(GNP)分别为介电填料和导电填料，在BT-GNP/PVDF复合体系内部构建微电容器结构。采用溶液法和热压法制备GNP/PVDF薄膜和BT-GNP/PVDF复合薄膜。结果表明，BT和GNP填料在BT-GNP/PVDF复合薄膜中能够均匀分散，在薄膜内能形成明显的微电容器结构。陶瓷填料BT的引入，使微电容器结构更有利于提高BT-GNP/PVDF复合薄膜的介电常数。BT含量大于50wt%的BT-GNP/PVDF复合薄膜介电常数均不低于GNP/PVDF薄膜。BT含量为50wt%的BT-GNP/PVDF复合薄膜的介电常数高于BT含量分别为35wt%、60wt%和70wt%的BT-GNP/PVDF复合薄膜，最大值约为43，相当于GNP含量为0.8wt%的GNP/PVDF薄膜的1.5倍；BT含量为50wt%的BT-GNP/PVDF复合薄膜损耗角正切均小于其他体系薄膜，最大不超过0.09，最小约为0.02。BT-GNP/PVDF复合薄膜的电导率变化趋势基本一致，没有明显差异。
为有效改善聚合物基复合材料的介电性能，兼顾高介电常数和低填料量同时并存，采用以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体树脂，钛酸钡(BT)和石墨烯(GNP)分别为介电填料和导电填料，在BT-GNP/PVDF复合体系内部构建微电容器结构。采用溶液法和热压法制备GNP/PVDF薄膜和BT-GNP/PVDF复合薄膜。结果表明，BT和GNP填料在BT-GNP/PVDF复合薄膜中能够均匀分散，在薄膜内能形成明显的微电容器结构。陶瓷填料BT的引入，使微电容器结构更有利于提高BT-GNP/PVDF复合薄膜的介电常数。BT含量大于50wt%的BT-GNP/PVDF复合薄膜介电常数均不低于GNP/PVDF薄膜。BT含量为50wt%的BT-GNP/PVDF复合薄膜的介电常数高于BT含量分别为35wt%、60wt%和70wt%的BT-GNP/PVDF复合薄膜，最大值约为43，相当于GNP含量为0.8wt%的GNP/PVDF薄膜的1.5倍；BT含量为50wt%的BT-GNP/PVDF复合薄膜损耗角正切均小于其他体系薄膜，最大不超过0.09，最小约为0.02。BT-GNP/PVDF复合薄膜的电导率变化趋势基本一致，没有明显差异。
2021, 38(5): 1435-1445.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200921.003
摘要:
采用纳秒激光对碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料进行表面预处理，调控其表面成分、粗糙度和表面润湿性，然后采用SEM、接触角测量仪、光学轮廓仪、XPS等表征CFRP复合材料的表面微观形貌、接触角、粗糙度和化学成分，并通过拉伸剪切实验评价和分析激光表面处理对CFRP复合材料胶接强度的影响规律和机制。结果表明：优化激光表面处理参数，可以去除CFRP复合材料表面的环氧树脂胶，调控其表面成分、粗糙度和表面润湿性；与未处理的CFRP复合材料相比，激光表面处理后的CFRP复合材料表面化学成分改变，表面粗糙度有所增加，润湿性提高，胶接强度也增大；与未处理CFRP复合材料相比，激光离焦量分别为5 mm、10 mm和15 mm时，处理后的CFRP复合材料胶接强度分别提高了129.41%、112.13%和105.88%；激光表面处理CFRP复合材料的表面润湿性和表面粗糙度均高于机械处理CFRP复合材料，但激光处理导致的热损伤对胶接强度提高有负面影响。
采用纳秒激光对碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料进行表面预处理，调控其表面成分、粗糙度和表面润湿性，然后采用SEM、接触角测量仪、光学轮廓仪、XPS等表征CFRP复合材料的表面微观形貌、接触角、粗糙度和化学成分，并通过拉伸剪切实验评价和分析激光表面处理对CFRP复合材料胶接强度的影响规律和机制。结果表明：优化激光表面处理参数，可以去除CFRP复合材料表面的环氧树脂胶，调控其表面成分、粗糙度和表面润湿性；与未处理的CFRP复合材料相比，激光表面处理后的CFRP复合材料表面化学成分改变，表面粗糙度有所增加，润湿性提高，胶接强度也增大；与未处理CFRP复合材料相比，激光离焦量分别为5 mm、10 mm和15 mm时，处理后的CFRP复合材料胶接强度分别提高了129.41%、112.13%和105.88%；激光表面处理CFRP复合材料的表面润湿性和表面粗糙度均高于机械处理CFRP复合材料，但激光处理导致的热损伤对胶接强度提高有负面影响。
2021, 38(5): 1446-1454.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200914.001
摘要:
本文采用Stöber法制备了不同粒径纳米SiO2微球，将其加入到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基凝胶聚合物电解质中，研究了纳米SiO2的尺寸效应及其对全固态电致变色器件性能的影响。研究发现，正硅酸乙酯和乙醇的体积比影响所得纳米SiO2微球粒径大小，乙醇所占体积比例越大，制备的纳米SiO2微球粒径越小。在PMMA基凝胶聚合物电解质中，当纳米SiO2微球用量相同时，电解质的电化学窗口随着纳米SiO2微球粒径的减小先增大后减小，离子电导率随纳米SiO2微球粒径的增大而增大，在纳米SiO2微球粒径为150 nm时电化学窗口达到最大，离子电导率的增速也变得不明显。当粒径为150 nm的纳米SiO2微球含量为7wt%时，PMMA凝胶电解质的电化学窗口为4.8 V，电导率为1.13 mS/cm。以该电解质组装结构为：导电玻璃(ITO)‖SiO2/碳酸丙烯脂(PC)-LiClO4/PMMA‖金属-超分子聚合物‖ITO的透射式全固态电致变色器件，所得器件可在淡绿色和深蓝色之间变色，对比度高达60.1%，且器件的稳定性得以明显提高。
本文采用Stöber法制备了不同粒径纳米SiO2微球，将其加入到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基凝胶聚合物电解质中，研究了纳米SiO2的尺寸效应及其对全固态电致变色器件性能的影响。研究发现，正硅酸乙酯和乙醇的体积比影响所得纳米SiO2微球粒径大小，乙醇所占体积比例越大，制备的纳米SiO2微球粒径越小。在PMMA基凝胶聚合物电解质中，当纳米SiO2微球用量相同时，电解质的电化学窗口随着纳米SiO2微球粒径的减小先增大后减小，离子电导率随纳米SiO2微球粒径的增大而增大，在纳米SiO2微球粒径为150 nm时电化学窗口达到最大，离子电导率的增速也变得不明显。当粒径为150 nm的纳米SiO2微球含量为7wt%时，PMMA凝胶电解质的电化学窗口为4.8 V，电导率为1.13 mS/cm。以该电解质组装结构为：导电玻璃(ITO)‖SiO2/碳酸丙烯脂(PC)-LiClO4/PMMA‖金属-超分子聚合物‖ITO的透射式全固态电致变色器件，所得器件可在淡绿色和深蓝色之间变色，对比度高达60.1%，且器件的稳定性得以明显提高。
2021, 38(5): 1455-1467.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200722.003
摘要:
选用碳纳米粒子(CNPs)原位改性和未改性的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维，水性聚氨酯(WPU)作为树脂基体，采用缠绕-复合-热压工艺制备单向(UD)正交结构的UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板。基于X射线计算机断层扫描(CT)技术，研究UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板在7.62 mm×39 mm软钢芯弹以弹速为(720±10) m/s侵彻下的弹道响应。结果表明，UHMWPE纤维的CNPs原位改性提高了CNPs-UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板抗单发侵彻性能，但会降低其抗多发打击的能力。对于未被穿透的层压板，其被侵彻过程可分为三个阶段，依次为剪切冲塞、断裂破坏和剩余子层的塑性变形，且每个阶段的厚度比依次为11.51%、44.40%和44.09%；层压板的分层响应主要发生在第二阶段，并集中在弹着点附近；每发弹丸侵彻导致层压板的破坏区域包含在以弹着点为圆心、直径约为70 mm的圆内。
选用碳纳米粒子(CNPs)原位改性和未改性的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为增强纤维，水性聚氨酯(WPU)作为树脂基体，采用缠绕-复合-热压工艺制备单向(UD)正交结构的UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板。基于X射线计算机断层扫描(CT)技术，研究UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板在7.62 mm×39 mm软钢芯弹以弹速为(720±10) m/s侵彻下的弹道响应。结果表明，UHMWPE纤维的CNPs原位改性提高了CNPs-UHMWPE纤维/WPU复合材料层压板抗单发侵彻性能，但会降低其抗多发打击的能力。对于未被穿透的层压板，其被侵彻过程可分为三个阶段，依次为剪切冲塞、断裂破坏和剩余子层的塑性变形，且每个阶段的厚度比依次为11.51%、44.40%和44.09%；层压板的分层响应主要发生在第二阶段，并集中在弹着点附近；每发弹丸侵彻导致层压板的破坏区域包含在以弹着点为圆心、直径约为70 mm的圆内。
2021, 38(5): 1468-1475.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200629.002
摘要:
螺栓连接是先进复合材料结构的薄弱环节。因此，螺栓连接力学性能显著的不确定性不仅阻碍了先进复合材料的高效应用，且给整体结构的安全性和可靠性带来威胁。为定量评估碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料螺栓连接失效载荷的不确定性，将数值的渐进损伤模型和区间分析方法结合，提出了一种高效、准确的分析方法。采用该方法预测了典型T800碳纤维/X850环氧树脂复合材料螺栓连接失效载荷的不确定性，并与试验结果进行对比。预测结果与试验结果的误差不超过2%，证明本文所提出方法的有效性。采用本文所提方法预测的T800碳纤维/X850环氧树脂复合材料螺栓连接失效载荷的区间为[19.25 kN, 22.75 kN]，与设计期望值的偏差为[−9.8%, 6.6%]。
螺栓连接是先进复合材料结构的薄弱环节。因此，螺栓连接力学性能显著的不确定性不仅阻碍了先进复合材料的高效应用，且给整体结构的安全性和可靠性带来威胁。为定量评估碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料螺栓连接失效载荷的不确定性，将数值的渐进损伤模型和区间分析方法结合，提出了一种高效、准确的分析方法。采用该方法预测了典型T800碳纤维/X850环氧树脂复合材料螺栓连接失效载荷的不确定性，并与试验结果进行对比。预测结果与试验结果的误差不超过2%，证明本文所提出方法的有效性。采用本文所提方法预测的T800碳纤维/X850环氧树脂复合材料螺栓连接失效载荷的区间为[19.25 kN, 22.75 kN]，与设计期望值的偏差为[−9.8%, 6.6%]。
2021, 38(5): 1476-1486.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200723.005
摘要:
为提高油动四旋翼无人机载重能力，对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-金属传动轴进行研究。CFRP-金属传动轴扭转强度影响因素为CFRP管制孔质量问题和传动过程中销钉对连接孔的挤压作用。研究导致CFRP管孔入出口分层损伤的力学行为，揭示了CFRP管制孔质量的影响机制并优化了制孔工艺。利用扭转试验对销接式CFRP-金属传动轴和附有内外衬套的混合式CFRP-金属传动轴进行对比分析。结果表明：在CFRP管内外附有铝合金衬套可有效减少制孔时的分层损伤，使孔入口质量提高了4.4%，孔出口质量高了8.3%，同时抑制销钉对连接孔的挤压作用。优化后的传动轴承受扭矩从499 N·m提高到952 N·m。
为提高油动四旋翼无人机载重能力，对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-金属传动轴进行研究。CFRP-金属传动轴扭转强度影响因素为CFRP管制孔质量问题和传动过程中销钉对连接孔的挤压作用。研究导致CFRP管孔入出口分层损伤的力学行为，揭示了CFRP管制孔质量的影响机制并优化了制孔工艺。利用扭转试验对销接式CFRP-金属传动轴和附有内外衬套的混合式CFRP-金属传动轴进行对比分析。结果表明：在CFRP管内外附有铝合金衬套可有效减少制孔时的分层损伤，使孔入口质量提高了4.4%，孔出口质量高了8.3%，同时抑制销钉对连接孔的挤压作用。优化后的传动轴承受扭矩从499 N·m提高到952 N·m。
2021, 38(5): 1487-1496.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210202.004
摘要:
纤维增强树脂基复合材料机翼结构复杂，往往存在明显的固化变形现象，严重影响机翼的装配和气动特性。本研究目的在于建立大型复合材料复杂结构的热校形工艺方法，解决复合材料机翼制造的变形控制问题。针对复合材料机翼的固化变形特点，设计了新的热校形夹具工装。在评价复合材料应力松弛特性的基础上，建立了大型复合材料机翼结构热校形工艺的有限元模拟方法，实现了对热校形后机翼结构残余变形的有效预报，分析了校形载荷、校形温度等关键工艺参数对校形效果的影响规律，形成优化的热校形工艺方案。模拟及实验结果表明，复合材料热校形工艺可以适用于大型复杂结构，复合材料机翼89.5%的固化变形被热校形工艺的残余变形抵消，达到机翼的装配和气动外形要求。
纤维增强树脂基复合材料机翼结构复杂，往往存在明显的固化变形现象，严重影响机翼的装配和气动特性。本研究目的在于建立大型复合材料复杂结构的热校形工艺方法，解决复合材料机翼制造的变形控制问题。针对复合材料机翼的固化变形特点，设计了新的热校形夹具工装。在评价复合材料应力松弛特性的基础上，建立了大型复合材料机翼结构热校形工艺的有限元模拟方法，实现了对热校形后机翼结构残余变形的有效预报，分析了校形载荷、校形温度等关键工艺参数对校形效果的影响规律，形成优化的热校形工艺方案。模拟及实验结果表明，复合材料热校形工艺可以适用于大型复杂结构，复合材料机翼89.5%的固化变形被热校形工艺的残余变形抵消，达到机翼的装配和气动外形要求。
2021, 38(5): 1497-1506.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200902.003
摘要:
石墨/Cu自润滑复合材料具有良好的摩擦学性能和耐腐蚀性能，在高速铁路领域具有广阔的应用前景。传统石墨/Cu自润滑复合材料中由于石墨与基体不润湿，复合材料界面结合强度低，在材料承受载荷时容易造成石墨相的剥离、脱落，导致复合材料在高载荷服役条件下性能较差。采用化学镀覆工艺在石墨表面镀覆软金属Sn元素调控石墨/Cu复合材料界面，既能够改善复合材料材料组织，又改善了复合材料的力学性能，使复合材料满足服役条件。结果表明：通过石墨镀Sn调控技术，Sn调控石墨/Cu复合材料的组织并无新相生成，复合材料界面处发生强烈的原子互扩散，界面由机械结合变成扩散结合。Sn调控石墨/Cu复合材料的力学性能有显著提高，其中硬度平均提高了80.43%，抗弯强度平均提高了246.74%；当石墨含量为6wt%时，Sn调控石墨/Cu复合材料的硬度提高至(83.61±4.33) HV，抗弯强度提高至(410.41±20.52) MPa，适应并满足复合材料在未来愈加严酷工况环境下的服役需求。
石墨/Cu自润滑复合材料具有良好的摩擦学性能和耐腐蚀性能，在高速铁路领域具有广阔的应用前景。传统石墨/Cu自润滑复合材料中由于石墨与基体不润湿，复合材料界面结合强度低，在材料承受载荷时容易造成石墨相的剥离、脱落，导致复合材料在高载荷服役条件下性能较差。采用化学镀覆工艺在石墨表面镀覆软金属Sn元素调控石墨/Cu复合材料界面，既能够改善复合材料材料组织，又改善了复合材料的力学性能，使复合材料满足服役条件。结果表明：通过石墨镀Sn调控技术，Sn调控石墨/Cu复合材料的组织并无新相生成，复合材料界面处发生强烈的原子互扩散，界面由机械结合变成扩散结合。Sn调控石墨/Cu复合材料的力学性能有显著提高，其中硬度平均提高了80.43%，抗弯强度平均提高了246.74%；当石墨含量为6wt%时，Sn调控石墨/Cu复合材料的硬度提高至(83.61±4.33) HV，抗弯强度提高至(410.41±20.52) MPa，适应并满足复合材料在未来愈加严酷工况环境下的服役需求。
2021, 38(5): 1507-1516.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200814.003
摘要:
采用Al-K2TiF6-KBF4混合盐原位自生反应法，制备了不同Mg质量分数的3wt% TiB2/Al-4.5Cu复合材料。采用SEM、TEM、HM硬度测试和室温拉伸等方法研究了Mg含量和多级热处理对3wt% TiB2/Al-4.5Cu复合材料微观组织和力学性能的影响。微观组织观察发现：Mg质量分数为3wt%时，经过多级热处理后，TiB2颗粒的团聚现象明显改善，反应生成的TiB2颗粒平均尺寸约为130 nm，基体内伴随有大量弥散分布的纳米级颗粒，且α-Al的晶粒尺寸也明显减小。力学测试结果表明：多级热处理后，3wt% TiB2/Al-4.5Cu复合材料的硬度和抗拉强度随Mg含量的增加而提高，但过量的Mg (≥4wt%)会造成TiB2颗粒细化效果下降。分析表明：Mg的加入能够降低TiB2/α-Al界面能，减少脆性相Al3Ti、Al2B的生成，并通过反应生成的MgAl2O4使界面结构变成TiB2/MgAl2O4/α-Al，从而有效抑制了TiB2的团聚，改善了TiB2颗粒与Al液界面的润湿性，提高了形核率，进一步细化了α-Al晶粒尺寸。
采用Al-K2TiF6-KBF4混合盐原位自生反应法，制备了不同Mg质量分数的3wt% TiB2/Al-4.5Cu复合材料。采用SEM、TEM、HM硬度测试和室温拉伸等方法研究了Mg含量和多级热处理对3wt% TiB2/Al-4.5Cu复合材料微观组织和力学性能的影响。微观组织观察发现：Mg质量分数为3wt%时，经过多级热处理后，TiB2颗粒的团聚现象明显改善，反应生成的TiB2颗粒平均尺寸约为130 nm，基体内伴随有大量弥散分布的纳米级颗粒，且α-Al的晶粒尺寸也明显减小。力学测试结果表明：多级热处理后，3wt% TiB2/Al-4.5Cu复合材料的硬度和抗拉强度随Mg含量的增加而提高，但过量的Mg (≥4wt%)会造成TiB2颗粒细化效果下降。分析表明：Mg的加入能够降低TiB2/α-Al界面能，减少脆性相Al3Ti、Al2B的生成，并通过反应生成的MgAl2O4使界面结构变成TiB2/MgAl2O4/α-Al，从而有效抑制了TiB2的团聚，改善了TiB2颗粒与Al液界面的润湿性，提高了形核率，进一步细化了α-Al晶粒尺寸。
2021, 38(5): 1517-1525.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200826.006
摘要:
基于Christoffel方程，运用复合材料刚度矩阵与弹性常数间的关系，将正交各向异性模型运用于2D-C/SiC复合材料的声学特性中，得到材料声速的表达式。通过循环加卸载试验测量了2D-C/SiC复合材料整个拉伸过程中不同应力水平处的声速变化，研究了声速对2D-C/SiC复合材料的损伤表征。研究发现，随着应力水平的不断增加，声速逐渐下降，2D-C/SiC复合材料损伤程度对声波在材料中的传播速度有较大影响；引入卸载模量和再加载模量，代替声速理论计算切线模量，理论结果与试验结果吻合良好，误差随载荷增加而增大；声波速度随2D-C/SiC复合材料损伤而发生衰减的关系，根据此衰减关系建立了基于声速的损伤表征量。
基于Christoffel方程，运用复合材料刚度矩阵与弹性常数间的关系，将正交各向异性模型运用于2D-C/SiC复合材料的声学特性中，得到材料声速的表达式。通过循环加卸载试验测量了2D-C/SiC复合材料整个拉伸过程中不同应力水平处的声速变化，研究了声速对2D-C/SiC复合材料的损伤表征。研究发现，随着应力水平的不断增加，声速逐渐下降，2D-C/SiC复合材料损伤程度对声波在材料中的传播速度有较大影响；引入卸载模量和再加载模量，代替声速理论计算切线模量，理论结果与试验结果吻合良好，误差随载荷增加而增大；声波速度随2D-C/SiC复合材料损伤而发生衰减的关系，根据此衰减关系建立了基于声速的损伤表征量。
