持续攀升 2024年 第41卷 第4期
2024, 41(4): 1633-1652.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231027.003
摘要:
增材制造技术作为一种样件快速成型制备技术，为基于成分调控与结构设计的高性能钛基复合材料的开发带来了机遇。本文介绍了增材制造钛基复合材料研究与应用的最新进展，分析了能量密度、打印路径及冷速控制等对材料显微组织与力学性能的影响。在此基础上，介绍了以陶瓷、金属间化合物及稀土元素为主的增材制造钛基复合材料成分调控策略。其中，以TiB、TiC为代表的陶瓷增强相及Ti-Cu体系的金属间化合物为目前钛基复合材料中广泛使用的增强体；以La、Ce和Nd为主的稀土元素则可有效解决氧偏聚问题并显著细化晶粒。进而以网状结构和层状结构为例介绍了增材制造钛基复合材料结构设计研究进展。其中，网状结构多通过Ti与B和C元素的原位反应生成增强相，并通过控制凝固过程实现对增强相非均匀分布的调控；层状结构则多通过交替打印多种粉体获得。网状、层状结构设计对钛基复合材料强韧化有着积极的作用。本文最后通过对研究现状和未来研究趋势的简要分析与展望，为增材制造高性能钛基复合材料的设计与制备提供一定参考。
增材制造技术作为一种样件快速成型制备技术，为基于成分调控与结构设计的高性能钛基复合材料的开发带来了机遇。本文介绍了增材制造钛基复合材料研究与应用的最新进展，分析了能量密度、打印路径及冷速控制等对材料显微组织与力学性能的影响。在此基础上，介绍了以陶瓷、金属间化合物及稀土元素为主的增材制造钛基复合材料成分调控策略。其中，以TiB、TiC为代表的陶瓷增强相及Ti-Cu体系的金属间化合物为目前钛基复合材料中广泛使用的增强体；以La、Ce和Nd为主的稀土元素则可有效解决氧偏聚问题并显著细化晶粒。进而以网状结构和层状结构为例介绍了增材制造钛基复合材料结构设计研究进展。其中，网状结构多通过Ti与B和C元素的原位反应生成增强相，并通过控制凝固过程实现对增强相非均匀分布的调控；层状结构则多通过交替打印多种粉体获得。网状、层状结构设计对钛基复合材料强韧化有着积极的作用。本文最后通过对研究现状和未来研究趋势的简要分析与展望，为增材制造高性能钛基复合材料的设计与制备提供一定参考。
2024, 41(4): 1653-1671.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231212.002
摘要:
纤维增强树脂基复合材料(FRP)是由纤维和树脂基体组合而成的一种材料，在各种领域中拥有广泛的应用。利用数值模拟方法可以更加简单、精确地预测FRP筋/拉索性能，从而加快设计效率、减少试验工作量，因此大量学者针对FRP筋/拉索进行了数值模拟研究。本文主要介绍了单向纤维增强聚合物复合材料的模拟控制因素和需求，在微观、细观和宏观尺度下研究FRP的理论模型和分析方法，提出了在不同尺度下对FRP筋/拉索进行数值模拟的不足之处及数值模拟在微观、细观和宏观层面中的应用。重点论述了不同尺度数值模拟方法在FRP筋/拉索中的应用和最新多尺度数值研究进展及FRP筋/拉索在锚固区的数值模拟方法及现状，最后简要阐述了FRP筋/拉索数值模拟在未来可能的研究发展方向。为建立精细化FRP筋/拉索损伤和性能预测模型发展提供参考。
纤维增强树脂基复合材料(FRP)是由纤维和树脂基体组合而成的一种材料，在各种领域中拥有广泛的应用。利用数值模拟方法可以更加简单、精确地预测FRP筋/拉索性能，从而加快设计效率、减少试验工作量，因此大量学者针对FRP筋/拉索进行了数值模拟研究。本文主要介绍了单向纤维增强聚合物复合材料的模拟控制因素和需求，在微观、细观和宏观尺度下研究FRP的理论模型和分析方法，提出了在不同尺度下对FRP筋/拉索进行数值模拟的不足之处及数值模拟在微观、细观和宏观层面中的应用。重点论述了不同尺度数值模拟方法在FRP筋/拉索中的应用和最新多尺度数值研究进展及FRP筋/拉索在锚固区的数值模拟方法及现状，最后简要阐述了FRP筋/拉索数值模拟在未来可能的研究发展方向。为建立精细化FRP筋/拉索损伤和性能预测模型发展提供参考。
2024, 41(4): 1672-1693.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231211.002
摘要:
移植骨植入物是目前治疗骨缺损的公认有效手段之一。生物可降解聚酯/生物陶瓷复合材料结合了生物可降解聚酯的良好力学性能、可降解性能和生物陶瓷的成骨活性，为骨植入物材料提供了新的选择。骨组织工程通过模拟骨骼微环境，加速骨缺损修复。将生物可降解聚酯/生物陶瓷复合材料制备成骨组织工程支架，能进一步加快骨修复进程。3D打印技术的引入能使生物可降解聚酯/生物陶瓷骨组织工程支架的制备过程精确、可重复且具备高自由度，展现出了良好的发展前景。本文阐述了骨组织工程支架应具备的各项性能，总结了近年来国内外学者对生物可降解聚酯/生物陶瓷骨组织工程支架上述性能的改善策略，并展望未来该研究领域的发展方向。
移植骨植入物是目前治疗骨缺损的公认有效手段之一。生物可降解聚酯/生物陶瓷复合材料结合了生物可降解聚酯的良好力学性能、可降解性能和生物陶瓷的成骨活性，为骨植入物材料提供了新的选择。骨组织工程通过模拟骨骼微环境，加速骨缺损修复。将生物可降解聚酯/生物陶瓷复合材料制备成骨组织工程支架，能进一步加快骨修复进程。3D打印技术的引入能使生物可降解聚酯/生物陶瓷骨组织工程支架的制备过程精确、可重复且具备高自由度，展现出了良好的发展前景。本文阐述了骨组织工程支架应具备的各项性能，总结了近年来国内外学者对生物可降解聚酯/生物陶瓷骨组织工程支架上述性能的改善策略，并展望未来该研究领域的发展方向。
2024, 41(4): 1694-1711.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231115.001
摘要:
石墨烯气凝胶作为一种内部互连的三维框架体，在微观和宏观尺度上具有突出的维度特性，成为各种零维、一维、二维和三维材料的理想宿主。其高导电性、高比表面积及高结构稳定性等特点令石墨烯气凝胶在储能领域得到了广泛的应用，特别是在高比容量金属离子电池负极和超级电容器电极等领域。首先，本文对石墨烯前体及气凝胶的处理策略进行整理，介绍当前不同处理方式对石墨烯前体及气凝胶成型影响。其次，根据储能机制的不同，介绍石墨烯气凝胶复合材料在主流储能器件中的改性应用及性能表现。最后，对电化学储能用石墨烯气凝胶复合材料的研究进展进行总结，指出当前存在的挑战并展望未来的研究方向。
石墨烯气凝胶作为一种内部互连的三维框架体，在微观和宏观尺度上具有突出的维度特性，成为各种零维、一维、二维和三维材料的理想宿主。其高导电性、高比表面积及高结构稳定性等特点令石墨烯气凝胶在储能领域得到了广泛的应用，特别是在高比容量金属离子电池负极和超级电容器电极等领域。首先，本文对石墨烯前体及气凝胶的处理策略进行整理，介绍当前不同处理方式对石墨烯前体及气凝胶成型影响。其次，根据储能机制的不同，介绍石墨烯气凝胶复合材料在主流储能器件中的改性应用及性能表现。最后，对电化学储能用石墨烯气凝胶复合材料的研究进展进行总结，指出当前存在的挑战并展望未来的研究方向。
2024, 41(4): 1712-1725.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231019.004
摘要:
热处理木材是一种环保无污染且绿色可持续材料。但木材经过热处理会导致其部分力学性能下降、表面润湿性能不足及容易发生光老化等问题。传统的热处理技术所需要的高温环境会产生大量能耗，导致生产成本较高。针对以上热处理木材存在的性能缺陷和生产工艺不足，从热处理木材性能改良和工艺优化两个角度，概述了国内外热处理木材的性能改良研究进展。具体内容涉及热处理木材力学性能改良、表面润湿性能改良、耐光老化性能改良和热处理工艺优化4个方面。分析了热处理木材相关性能改良方法的局限性和改进措施，提出了木材热处理改性应在结合改性机制和实际应用的基础上，对热处理造成的潜在木材性能劣化进行规避，以更好地体现其综合性能优势，提高附加值并拓展应用范围。
热处理木材是一种环保无污染且绿色可持续材料。但木材经过热处理会导致其部分力学性能下降、表面润湿性能不足及容易发生光老化等问题。传统的热处理技术所需要的高温环境会产生大量能耗，导致生产成本较高。针对以上热处理木材存在的性能缺陷和生产工艺不足，从热处理木材性能改良和工艺优化两个角度，概述了国内外热处理木材的性能改良研究进展。具体内容涉及热处理木材力学性能改良、表面润湿性能改良、耐光老化性能改良和热处理工艺优化4个方面。分析了热处理木材相关性能改良方法的局限性和改进措施，提出了木材热处理改性应在结合改性机制和实际应用的基础上，对热处理造成的潜在木材性能劣化进行规避，以更好地体现其综合性能优势，提高附加值并拓展应用范围。
2024, 41(4): 1726-1736.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231025.003
摘要:
环境水污染对人类健康和生态环境构成了潜在的威胁，水资源的保护和污染治理是当前全球面临的重要环境问题。然而，传统水处理技术在处理水体中有机污染物时存在一定的限制，如去除机制、去除效率、选择性和稳定性等。近年来，纳米限域催化作为一种新兴技术在水处理领域引起了广泛关注。该技术通过纳米限域介导的强化催化，能够实现纳米材料内部的催化调控，在降解环境污染物方面展现了独特的优势。本文综述了纳米限域在热强化催化、光强化催化、电强化催化和膜强化催化降解典型环境污染物方面的研究进展。其中，对催化原理、催化效率及影响因素等进行总结，并展望了限域催化未的来研究方向和挑战。
环境水污染对人类健康和生态环境构成了潜在的威胁，水资源的保护和污染治理是当前全球面临的重要环境问题。然而，传统水处理技术在处理水体中有机污染物时存在一定的限制，如去除机制、去除效率、选择性和稳定性等。近年来，纳米限域催化作为一种新兴技术在水处理领域引起了广泛关注。该技术通过纳米限域介导的强化催化，能够实现纳米材料内部的催化调控，在降解环境污染物方面展现了独特的优势。本文综述了纳米限域在热强化催化、光强化催化、电强化催化和膜强化催化降解典型环境污染物方面的研究进展。其中，对催化原理、催化效率及影响因素等进行总结，并展望了限域催化未的来研究方向和挑战。
2024, 41(4): 1737-1749.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231120.002
摘要:
氢能作为一种零碳燃料，被认为是替代化石能源的理想能源。电催化析氢(HER)是一种绿色环保技术，可以裂解水分子制备氢气。因此开发低廉高效且稳定性好的非贵金属催化剂对于解决能源危机和可持续发展尤为重要。过渡金属磷化物(TMPs)具有良好的导电性、多变的化学组成、丰富的储量和稳定的理化性质，是HER反应重要的催化剂之一。本文首先介绍了HER反应机制及TMPs的结构特点，然后总结了TMPs的合成方法包括液相合成法和气-固合成法等，接着重点分析了现有TMPs的改性策略如形貌调控、缺陷调控、元素掺杂和界面复合，最后对未来TMPs的发展方向提出了展望。
氢能作为一种零碳燃料，被认为是替代化石能源的理想能源。电催化析氢(HER)是一种绿色环保技术，可以裂解水分子制备氢气。因此开发低廉高效且稳定性好的非贵金属催化剂对于解决能源危机和可持续发展尤为重要。过渡金属磷化物(TMPs)具有良好的导电性、多变的化学组成、丰富的储量和稳定的理化性质，是HER反应重要的催化剂之一。本文首先介绍了HER反应机制及TMPs的结构特点，然后总结了TMPs的合成方法包括液相合成法和气-固合成法等，接着重点分析了现有TMPs的改性策略如形貌调控、缺陷调控、元素掺杂和界面复合，最后对未来TMPs的发展方向提出了展望。
2024, 41(4): 1750-1763.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230907.002
摘要:
无胶秸秆基纤维板是生物质复合材料，具有无毒、可降解、可回收和可再生等特点。因其不消耗石油资源，有利于可持续发展，可替代部分木材应用于地板、建筑材料、家具、室内装修等领域。但对其制板机制及工艺的研究较欠缺，导致市场份额占比仍较低。本文综述了无胶秸秆基纤维板的自粘结机制和应用现状，分析了近年来无胶秸秆基纤维板的工艺进展，着重从纤维的预处理、纤维尺寸、工艺参数(压制时间、压力和温度)对无胶秸秆基纤维板性能的影响进行了系统综述，并对未来无胶秸秆纤维板的优化设计、大规模生产及推广应用进行了展望。
无胶秸秆基纤维板是生物质复合材料，具有无毒、可降解、可回收和可再生等特点。因其不消耗石油资源，有利于可持续发展，可替代部分木材应用于地板、建筑材料、家具、室内装修等领域。但对其制板机制及工艺的研究较欠缺，导致市场份额占比仍较低。本文综述了无胶秸秆基纤维板的自粘结机制和应用现状，分析了近年来无胶秸秆基纤维板的工艺进展，着重从纤维的预处理、纤维尺寸、工艺参数(压制时间、压力和温度)对无胶秸秆基纤维板性能的影响进行了系统综述，并对未来无胶秸秆纤维板的优化设计、大规模生产及推广应用进行了展望。
2024, 41(4): 1764-1775.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231007.003
摘要:
木质素作为自然界最丰富的芳香族化合物，其含碳量达30%~40%，是制备碳纤维的优质原料。然而由于存在非晶态化学结构、低分子量、宽分子量分布和排列不良等特性，其复杂的非均质结构和固有的易絮凝特质需通过改性以克服。本文介绍了木质素的基本结构单元与特征，并在此基础上详细描述了物理混合、化学改性、生物作用等改性过程工艺条件及其对木质素结构及木质素基碳纤维的强度、电化学、过滤、透气等性能影响，并在此基础上对碳纤维在交通建筑、航空航天、生命健康及新能源等领域应用进行了拓展探讨。此外，拓展概述了木质素的定向官能团改性、绿色改性方法及改性过程表达等可行性，为木质素基碳纤维复合材料的进一步研究和开发提供思考，并推动其实现工业化应用。
木质素作为自然界最丰富的芳香族化合物，其含碳量达30%~40%，是制备碳纤维的优质原料。然而由于存在非晶态化学结构、低分子量、宽分子量分布和排列不良等特性，其复杂的非均质结构和固有的易絮凝特质需通过改性以克服。本文介绍了木质素的基本结构单元与特征，并在此基础上详细描述了物理混合、化学改性、生物作用等改性过程工艺条件及其对木质素结构及木质素基碳纤维的强度、电化学、过滤、透气等性能影响，并在此基础上对碳纤维在交通建筑、航空航天、生命健康及新能源等领域应用进行了拓展探讨。此外，拓展概述了木质素的定向官能团改性、绿色改性方法及改性过程表达等可行性，为木质素基碳纤维复合材料的进一步研究和开发提供思考，并推动其实现工业化应用。
2024, 41(4): 1776-1787.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230721.001
摘要:
为提高圆形蜂窝(CH)的抗压缩性能和吸能性能，以CH结构为基础，在横向和竖向上增设树叶形支撑，提出了单向增强圆形蜂窝(SEH)和双向增强圆形蜂窝(DEH)两种改进型蜂窝。以碳纤维(CF)作为增强体，聚乳酸(PLA)为基体，使用连续纤维3D打印技术制造了试验件，并规划结构内部CF的成型路径，同时设置PLA对照组。通过准静态压缩试验研究各蜂窝的面内压缩性能、吸能特性和结构的变形失效模式。结果表明：CF增强后的DEH-CF相较CH-CF在比吸能上提升167.63%。CH、SEH和DEH在采用CF增强后，比吸能相比PLA对照组分别提高43.37%、63.17%和161.58%，平均压缩力分别提高51.72%、61.81%和96.09%。研究发现，CF增强结构内部的纤维路径规划会影响结构的刚度和变形行为，采用“支撑一体化成型”路径的DEH-CF在压缩时，其结构动态泊松比保持在PLA对照组33.36%以下。
为提高圆形蜂窝(CH)的抗压缩性能和吸能性能，以CH结构为基础，在横向和竖向上增设树叶形支撑，提出了单向增强圆形蜂窝(SEH)和双向增强圆形蜂窝(DEH)两种改进型蜂窝。以碳纤维(CF)作为增强体，聚乳酸(PLA)为基体，使用连续纤维3D打印技术制造了试验件，并规划结构内部CF的成型路径，同时设置PLA对照组。通过准静态压缩试验研究各蜂窝的面内压缩性能、吸能特性和结构的变形失效模式。结果表明：CF增强后的DEH-CF相较CH-CF在比吸能上提升167.63%。CH、SEH和DEH在采用CF增强后，比吸能相比PLA对照组分别提高43.37%、63.17%和161.58%，平均压缩力分别提高51.72%、61.81%和96.09%。研究发现，CF增强结构内部的纤维路径规划会影响结构的刚度和变形行为，采用“支撑一体化成型”路径的DEH-CF在压缩时，其结构动态泊松比保持在PLA对照组33.36%以下。
2024, 41(4): 1788-1797.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230822.002
摘要:
碳纤维的碳含量在90%以上，表面惰性强，表面活化处理是其制备过程中的重要工艺。研究采用XPS、Raman、动态接触角、单丝拉伸和界面剪切强度等测试方法，借助非接触式阳极氧化装置，明确了稀H2SO4作为电解液时电流强度对电化学活化碳纤维表面结构和性能的影响。结果表明：活性氧[O]进攻碳纤维表面使其含氧活性官能团含量增加，在本研究范围内电流越大活化效果越显著；处于阳极附近的碳纤维，受静电与扩散作用影响，SO4 2−和S2O8 2−进入碳结构内部间隙，碳纤维表面S/C升高，直径增大。在SO4 2−刻蚀作用下，碳纤维表面无序碳结构脱落而缺陷减少，石墨化程度降低；SO4 2−和S2O8 2−插层进入碳结构内部，通过静电作用形成缔合结构，在刻蚀和插层的共同作用下，碳纤维的单丝拉伸强度提升，最高提高了16.77%。0.5 A电流处理后，碳纤维表面粗糙度提升，表面可与环氧树脂基体反应的羟基、羧基官能团含量最高，碳纤维表面极性最强，与去离子水的动态接触角由未处理时的89.9°降低到50.6°，相应的复合材料界面剪切强度提高了47.70%。
碳纤维的碳含量在90%以上，表面惰性强，表面活化处理是其制备过程中的重要工艺。研究采用XPS、Raman、动态接触角、单丝拉伸和界面剪切强度等测试方法，借助非接触式阳极氧化装置，明确了稀H2SO4作为电解液时电流强度对电化学活化碳纤维表面结构和性能的影响。结果表明：活性氧[O]进攻碳纤维表面使其含氧活性官能团含量增加，在本研究范围内电流越大活化效果越显著；处于阳极附近的碳纤维，受静电与扩散作用影响，SO4 2−和S2O8 2−进入碳结构内部间隙，碳纤维表面S/C升高，直径增大。在SO4 2−刻蚀作用下，碳纤维表面无序碳结构脱落而缺陷减少，石墨化程度降低；SO4 2−和S2O8 2−插层进入碳结构内部，通过静电作用形成缔合结构，在刻蚀和插层的共同作用下，碳纤维的单丝拉伸强度提升，最高提高了16.77%。0.5 A电流处理后，碳纤维表面粗糙度提升，表面可与环氧树脂基体反应的羟基、羧基官能团含量最高，碳纤维表面极性最强，与去离子水的动态接触角由未处理时的89.9°降低到50.6°，相应的复合材料界面剪切强度提高了47.70%。
2024, 41(4): 1798-1808.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230825.002
摘要:
采用润湿渗透剂协同硅烷偶联剂对玄武岩纤维(BF)进行表面改性，并缠绕成型制备了玄武岩纤维/环氧树脂(BF/EP)复合材料。采用万能材料试验机测定了BF/EP的弯曲性能及在不同应力水平下测定了BF/EP复合材料240 min的蠕变性能，借助场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察了纤维及弯曲断裂断口的表面形貌，并分析了纤维表面改性对各项力学性能的影响。结果表明：采用润湿渗透剂协同硅烷偶联剂对BF进行表面改性后，BF/EP弯曲性能得到有效改善，层间剪切强度得到提高，FESEM形貌显示BF的协同改性提高了纤维与树脂之间的界面性能；在多种应力水平下的短期蠕变实验中，均表现出蠕变柔量增量的显著降低。使用改进Findley模型可描述BF/EP复合材料在低于其断裂应力水平下的蠕变性能，以此可进行其在不同应力水平下的蠕变性能预测。
采用润湿渗透剂协同硅烷偶联剂对玄武岩纤维(BF)进行表面改性，并缠绕成型制备了玄武岩纤维/环氧树脂(BF/EP)复合材料。采用万能材料试验机测定了BF/EP的弯曲性能及在不同应力水平下测定了BF/EP复合材料240 min的蠕变性能，借助场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察了纤维及弯曲断裂断口的表面形貌，并分析了纤维表面改性对各项力学性能的影响。结果表明：采用润湿渗透剂协同硅烷偶联剂对BF进行表面改性后，BF/EP弯曲性能得到有效改善，层间剪切强度得到提高，FESEM形貌显示BF的协同改性提高了纤维与树脂之间的界面性能；在多种应力水平下的短期蠕变实验中，均表现出蠕变柔量增量的显著降低。使用改进Findley模型可描述BF/EP复合材料在低于其断裂应力水平下的蠕变性能，以此可进行其在不同应力水平下的蠕变性能预测。
2024, 41(4): 1809-1819.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230902.002
摘要:
利用织物装饰木塑复合材料风格多变，能够大大提高木塑复合材料的实用价值。本文开发了一种新型装饰织物贴面技术，将热塑性聚合物铺设在装饰织物表面，与热压板直接接触，从而缩短装饰织物承受高温的时间；并且受热熔化的聚合物透过装饰织物与木塑基材表面的聚合物相熔合，起到固定和保护装饰织物的作用。本文探究了热压温度(140℃、160℃和180℃)、基材中木塑比(6∶4、7∶3和8∶2)和表面聚合物的种类(高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和聚乳酸)对饰面木粉/高密度聚乙烯(WF/HDPE)复合材料表面胶合强度、装饰效果、力学性能等的影响；通过红外光谱、扫描电子显微镜等手段对WF/HDPE复合材料和织物的性能变化进行了分析和表征。结果表明：熔融的聚合物能够透过装饰织物纤维空隙，与木塑基材熔合状况良好，制得的装饰复合材料表面光滑平整。综合分析热压温度、基材木塑比和表面聚合物种类的影响，认为当热压温度为160℃、木塑比为7∶3时，表层使用聚乳酸时棉麻织物装饰的WF/HDPE复合基材力学强度最佳，表面胶合强度可达3.64 MPa，弯曲强度达到82.19 MPa。
利用织物装饰木塑复合材料风格多变，能够大大提高木塑复合材料的实用价值。本文开发了一种新型装饰织物贴面技术，将热塑性聚合物铺设在装饰织物表面，与热压板直接接触，从而缩短装饰织物承受高温的时间；并且受热熔化的聚合物透过装饰织物与木塑基材表面的聚合物相熔合，起到固定和保护装饰织物的作用。本文探究了热压温度(140℃、160℃和180℃)、基材中木塑比(6∶4、7∶3和8∶2)和表面聚合物的种类(高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和聚乳酸)对饰面木粉/高密度聚乙烯(WF/HDPE)复合材料表面胶合强度、装饰效果、力学性能等的影响；通过红外光谱、扫描电子显微镜等手段对WF/HDPE复合材料和织物的性能变化进行了分析和表征。结果表明：熔融的聚合物能够透过装饰织物纤维空隙，与木塑基材熔合状况良好，制得的装饰复合材料表面光滑平整。综合分析热压温度、基材木塑比和表面聚合物种类的影响，认为当热压温度为160℃、木塑比为7∶3时，表层使用聚乳酸时棉麻织物装饰的WF/HDPE复合基材力学强度最佳，表面胶合强度可达3.64 MPa，弯曲强度达到82.19 MPa。
2024, 41(4): 1820-1829.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230824.002
摘要:
氢能具有来源广泛、清洁无碳等优点，随着氢能源的广泛应用，氢能储运逐渐成为研究热点。目前，国家大力发展的碳纤维增强树脂基复合材料气瓶已被广泛应用于氢能储运领域，然而气瓶在使用和运输过程中，容易出现纤维断裂、划伤，严重影响使用安全，故亟需发展碳纤维增强树脂基复合材料气瓶在线监测技术。针对复合材料气瓶的纤维断裂、划伤缺陷在长期、多次充放气过程中发生扩展的问题，采用电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer，EMAT)在线监测方法，并结合90TJ3-140 MPa水压疲劳系统，分别采用超声导波反射式和透射式方法，分析了纤维损伤对导波幅值的影响，并研究了含纤维损伤的气瓶在不同疲劳状态下的导波信号特征的变化规律。结果表明：纤维损伤会降低透射波幅值，且幅值减少量由纤维损伤程度决定；随着气瓶内压的增加，超声导波的声速和中心频率逐渐减小；长20 mm、宽0.5 mm和深1 mm的裂纹对应的缺陷波幅值呈先增大后减小的趋势，经过110 MPa、80次循环后，缺陷波幅值由19.33 mV减小至8.02 mV，声速减小了6.6%，中心频率从0.24 MHz减小至0.17 MHz，纤维完全分层；针对长20 mm、宽0.5 mm和深0.5 mm的裂纹，当气瓶内压由0 MPa增加至105 MPa时，直达波幅值由80.17 mV减小至20.08 mV，降低了75%；采用的电磁超声技术能够很好地解决碳纤维增强树脂基复合材料气瓶在线监测技术难题。
氢能具有来源广泛、清洁无碳等优点，随着氢能源的广泛应用，氢能储运逐渐成为研究热点。目前，国家大力发展的碳纤维增强树脂基复合材料气瓶已被广泛应用于氢能储运领域，然而气瓶在使用和运输过程中，容易出现纤维断裂、划伤，严重影响使用安全，故亟需发展碳纤维增强树脂基复合材料气瓶在线监测技术。针对复合材料气瓶的纤维断裂、划伤缺陷在长期、多次充放气过程中发生扩展的问题，采用电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer，EMAT)在线监测方法，并结合90TJ3-140 MPa水压疲劳系统，分别采用超声导波反射式和透射式方法，分析了纤维损伤对导波幅值的影响，并研究了含纤维损伤的气瓶在不同疲劳状态下的导波信号特征的变化规律。结果表明：纤维损伤会降低透射波幅值，且幅值减少量由纤维损伤程度决定；随着气瓶内压的增加，超声导波的声速和中心频率逐渐减小；长20 mm、宽0.5 mm和深1 mm的裂纹对应的缺陷波幅值呈先增大后减小的趋势，经过110 MPa、80次循环后，缺陷波幅值由19.33 mV减小至8.02 mV，声速减小了6.6%，中心频率从0.24 MHz减小至0.17 MHz，纤维完全分层；针对长20 mm、宽0.5 mm和深0.5 mm的裂纹，当气瓶内压由0 MPa增加至105 MPa时，直达波幅值由80.17 mV减小至20.08 mV，降低了75%；采用的电磁超声技术能够很好地解决碳纤维增强树脂基复合材料气瓶在线监测技术难题。
2024, 41(4): 1830-1839.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230818.001
摘要:
利用引发剂可连续再生催化剂原子转移自由基聚合(ICAR-ATRP)合成了两种反应性丙烯酸酯三嵌段共聚物：聚(甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯)-b-聚丙烯酸丁酯-b-聚(甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯) (PMGBMG)和聚甲基丙烯酸甲酯-b-聚(丙烯酸丁酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯)-b-聚甲基丙烯酸甲酯(PMBGM)。并将硅烷偶联剂KH-550改性的纳米SiO2接枝于嵌段共聚物，用于对环氧树脂E-51进行增韧。研究结果表明：仅加入5%PMGBMG-SiO2，相对纯E-51体系其断裂韧性参数临界应力强度因子(KIC)提高了145%，拉伸强度和模量分别提高了8%和31%，明显优于不接枝的嵌段共聚物和PMBGM-SiO2，实现了韧性和刚性的同时提高，并且材料的耐热性保持较好。
利用引发剂可连续再生催化剂原子转移自由基聚合(ICAR-ATRP)合成了两种反应性丙烯酸酯三嵌段共聚物：聚(甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯)-b-聚丙烯酸丁酯-b-聚(甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯) (PMGBMG)和聚甲基丙烯酸甲酯-b-聚(丙烯酸丁酯-co-甲基丙烯酸缩水甘油酯)-b-聚甲基丙烯酸甲酯(PMBGM)。并将硅烷偶联剂KH-550改性的纳米SiO2接枝于嵌段共聚物，用于对环氧树脂E-51进行增韧。研究结果表明：仅加入5%PMGBMG-SiO2，相对纯E-51体系其断裂韧性参数临界应力强度因子(KIC)提高了145%，拉伸强度和模量分别提高了8%和31%，明显优于不接枝的嵌段共聚物和PMBGM-SiO2，实现了韧性和刚性的同时提高，并且材料的耐热性保持较好。
2024, 41(4): 1840-1851.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230918.002
摘要:
航空运输环境为低气压环境，低气压会对火灾的发生发展产生重大影响。为了探究低环境压力下民航客机机舱壁板材料的热解特性，利用热重分析仪对其热解特性进行研究。选取空客某型飞机玻璃纤维/酚醛树脂夹层板结构壁板材料(A壁板)和玻璃纤维/酚醛树脂层压板结构壁板材料(B壁板)作为研究对象，分别在四川广汉(96 kPa)和四川康定(61 kPa)进行研究。结果表明：随着压力的降低和升温速率的升高，A壁板、B壁板热分解反应的初始反应温度、终止反应温度及最大质量损失速率温度均略向高温方向移动。在15℃/min升温速率下，A壁板的上下树脂基面板由两个热解阶段组成，芳纶蜂窝芯只有一个热解阶段，且树脂基面板的初始分解温度约182℃，明显小于芳纶蜂窝芯分解温度413℃；B壁板热解分为两个阶段，初始热解温度约258℃。采用Kissinger法、Flynn-Wall-Ozawa (FWO)法、Starink法和KAS法进行热解动力学分析，FWO法、Starink法和KAS法得到的表观活化能相近，低压下A壁板、B壁板表观活化能相对于常压下分别提高了大约10.4%和28.5%。而且96 kPa环境下A壁板和B壁板的化学反应速率大约是61 kPa环境下的1.9倍和1.2倍。
航空运输环境为低气压环境，低气压会对火灾的发生发展产生重大影响。为了探究低环境压力下民航客机机舱壁板材料的热解特性，利用热重分析仪对其热解特性进行研究。选取空客某型飞机玻璃纤维/酚醛树脂夹层板结构壁板材料(A壁板)和玻璃纤维/酚醛树脂层压板结构壁板材料(B壁板)作为研究对象，分别在四川广汉(96 kPa)和四川康定(61 kPa)进行研究。结果表明：随着压力的降低和升温速率的升高，A壁板、B壁板热分解反应的初始反应温度、终止反应温度及最大质量损失速率温度均略向高温方向移动。在15℃/min升温速率下，A壁板的上下树脂基面板由两个热解阶段组成，芳纶蜂窝芯只有一个热解阶段，且树脂基面板的初始分解温度约182℃，明显小于芳纶蜂窝芯分解温度413℃；B壁板热解分为两个阶段，初始热解温度约258℃。采用Kissinger法、Flynn-Wall-Ozawa (FWO)法、Starink法和KAS法进行热解动力学分析，FWO法、Starink法和KAS法得到的表观活化能相近，低压下A壁板、B壁板表观活化能相对于常压下分别提高了大约10.4%和28.5%。而且96 kPa环境下A壁板和B壁板的化学反应速率大约是61 kPa环境下的1.9倍和1.2倍。
2024, 41(4): 1852-1861.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230817.002
摘要:
可拉伸应变传感器在减隔震领域具有广阔的应用前景，然而，研发低成本和高稳定性可拉伸应变传感器仍然是一个巨大挑战。本文采用开炼法制备出多壁碳纳米管(MWCNT)-导电炭黑(CB)/甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)导电纳米复合材料。研究MWCNT与CB之间的协同效应对复合材料分散性能、导电性能、力学性能及电阻-应变响应性能影响。结果表明：添加CB后复合材料力学性能提升，具有较低的渗流阈值(1.24wt%)，5000次循环加载-卸载过程中表现出优异的电阻-应变响应稳定性。此外，MWCNT-CB/VMQ复合材料相比于MWCNT/VMQ、CB/VMQ复合材料在电阻-应变响应性能中没有出现肩峰现象，同时解释了肩峰现象机制。通过SEM发现复合材料中MWCNT和CB均匀分布及形成的协同效应是低阈值和稳定电阻-应变响应性能的重要原因。通过隧道效应理论模型解释了电阻-应变响应机制。该复合材料对减隔震结构应变监测具有巨大潜力。
可拉伸应变传感器在减隔震领域具有广阔的应用前景，然而，研发低成本和高稳定性可拉伸应变传感器仍然是一个巨大挑战。本文采用开炼法制备出多壁碳纳米管(MWCNT)-导电炭黑(CB)/甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)导电纳米复合材料。研究MWCNT与CB之间的协同效应对复合材料分散性能、导电性能、力学性能及电阻-应变响应性能影响。结果表明：添加CB后复合材料力学性能提升，具有较低的渗流阈值(1.24wt%)，5000次循环加载-卸载过程中表现出优异的电阻-应变响应稳定性。此外，MWCNT-CB/VMQ复合材料相比于MWCNT/VMQ、CB/VMQ复合材料在电阻-应变响应性能中没有出现肩峰现象，同时解释了肩峰现象机制。通过SEM发现复合材料中MWCNT和CB均匀分布及形成的协同效应是低阈值和稳定电阻-应变响应性能的重要原因。通过隧道效应理论模型解释了电阻-应变响应机制。该复合材料对减隔震结构应变监测具有巨大潜力。
2024, 41(4): 1862-1869.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230915.001
摘要:
随着碳纤维(CF)需求量的增加，CF边角料急剧增多，造成了极大的资源浪费。为解决这一问题，采用抽滤法将CF边角料制备成短切碳纤维(SCF)毡，以碳纳米管(CNT)作为二次填料，通过真空热压工艺制备了CF边角料增强热塑性聚氨酯(TPU)纳米复合电热材料(CNTx-SCF/TPU)。通过SEM、TGA、DSC等对复合材料进行测试分析，探究了CNT的最佳浓度，研究了 CNTx-SCF/TPU复合材料的力学性能和电热性能等。结果表明：采用克重为 60 g/m2的 SCF毡、CNT浓度为1.0 g/mL时制备的CNT1.0-SCF/TPU复合材料具有最高的电导率，达到417.84 S/m，与不添加CNT的SCF/TPU相比其电导率提高了34.78%；CNT1.0-SCF/TPU复合材料在3.5 V低电压下，240 s内即能达到约165℃的高温，具有优异电热性能，并具备电热温度可控、电热性能稳定等优点。
随着碳纤维(CF)需求量的增加，CF边角料急剧增多，造成了极大的资源浪费。为解决这一问题，采用抽滤法将CF边角料制备成短切碳纤维(SCF)毡，以碳纳米管(CNT)作为二次填料，通过真空热压工艺制备了CF边角料增强热塑性聚氨酯(TPU)纳米复合电热材料(CNTx-SCF/TPU)。通过SEM、TGA、DSC等对复合材料进行测试分析，探究了CNT的最佳浓度，研究了 CNTx-SCF/TPU复合材料的力学性能和电热性能等。结果表明：采用克重为 60 g/m2的 SCF毡、CNT浓度为1.0 g/mL时制备的CNT1.0-SCF/TPU复合材料具有最高的电导率，达到417.84 S/m，与不添加CNT的SCF/TPU相比其电导率提高了34.78%；CNT1.0-SCF/TPU复合材料在3.5 V低电压下，240 s内即能达到约165℃的高温，具有优异电热性能，并具备电热温度可控、电热性能稳定等优点。
2024, 41(4): 1870-1878.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230904.002
摘要:
采用加捻竹纤维(TBF)为增强相、环氧树脂-酸酐体系为基体相，制备加捻竹纤维/环氧树脂(TBF/EP)复合材料，通过改变NaOH溶液浓度(1wt%~5wt%)，研究碱处理对TBF/EP复合材料润湿性和拉伸失效的影响。采用SEM、表面张力测试、原位加载等纳米和微观试验手段，对纤维-树脂结合状态、润湿性能和拉伸力学特性进行了分析。结果表明：碱处理降低了纤维表面能和极性，使TBF与基体润湿力从0.45 mN降至0.1 mN；3wt%NaOH溶液改性的TBF/EP复合材料含胶量降低至62%，拉伸强度(TS)达到273.70 MPa，比未处理复合材料提高178.64%；原位分析显示，TBF失效过程包括纤维断裂和纤维间滑移，而TBF/EP复合材料失效过程包括基体剪切屈服和纤维断裂，且随着浸润性提高，BF抑制屈服的效果增加。因此，TBF/EP复合材料的强度主要来源于纤维和界面的增强，受TBF与基体的浸润性、应力传递效果的影响。
采用加捻竹纤维(TBF)为增强相、环氧树脂-酸酐体系为基体相，制备加捻竹纤维/环氧树脂(TBF/EP)复合材料，通过改变NaOH溶液浓度(1wt%~5wt%)，研究碱处理对TBF/EP复合材料润湿性和拉伸失效的影响。采用SEM、表面张力测试、原位加载等纳米和微观试验手段，对纤维-树脂结合状态、润湿性能和拉伸力学特性进行了分析。结果表明：碱处理降低了纤维表面能和极性，使TBF与基体润湿力从0.45 mN降至0.1 mN；3wt%NaOH溶液改性的TBF/EP复合材料含胶量降低至62%，拉伸强度(TS)达到273.70 MPa，比未处理复合材料提高178.64%；原位分析显示，TBF失效过程包括纤维断裂和纤维间滑移，而TBF/EP复合材料失效过程包括基体剪切屈服和纤维断裂，且随着浸润性提高，BF抑制屈服的效果增加。因此，TBF/EP复合材料的强度主要来源于纤维和界面的增强，受TBF与基体的浸润性、应力传递效果的影响。
2024, 41(4): 1879-1889.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230726.001
摘要:
特定几何体结构对实际应用场景中高效发挥气凝胶材料功能效应有着至关重要的影响。然而，受限于气凝胶的脆性、耗时制造周期和较差模具设计性，传统制造技术在气凝胶定制成型方面仍存在着挑战。直写3D打印技术可实现气凝胶按需塑型，并赋予气凝胶兼容材料组成和功能特性。本文提出了一种基于双通道互混挤出方式的直写3D打印策略，用于制备聚酰亚胺-氧化硅(OBS)气凝胶复合材料。受益于挤出过程中墨水与催化剂之间的流体扩散混合效应，化学酰亚胺化固化得以顺利实现，3D打印OBS气凝胶复合材料呈现出高结构完整性和高形状保真度。借助直写3D打印技术的空间组装优势，OBS气凝胶复合材料形成毫米、微米、纳米多尺度形貌，其中，微米尺度复合结构使3D打印OBS气凝胶复合材料表现出良好力学性能(杨氏模量高达14.4 MPa)；纳米尺度多孔结构特征，如低密度(0.208 g·cm−3)、高表面积(373 m2·g−1)和集中孔径分布(20~30 nm)，赋予3D打印OBS气凝胶复合材料优异隔热性能(热导率低至21.25 mW·m−1·K−1)。尽管本文仅关注于3D打印OBS气凝胶复合材料，但该3D打印策略的成功实施将为增材制造其他种类气凝胶复合材料提供了经验借鉴。
特定几何体结构对实际应用场景中高效发挥气凝胶材料功能效应有着至关重要的影响。然而，受限于气凝胶的脆性、耗时制造周期和较差模具设计性，传统制造技术在气凝胶定制成型方面仍存在着挑战。直写3D打印技术可实现气凝胶按需塑型，并赋予气凝胶兼容材料组成和功能特性。本文提出了一种基于双通道互混挤出方式的直写3D打印策略，用于制备聚酰亚胺-氧化硅(OBS)气凝胶复合材料。受益于挤出过程中墨水与催化剂之间的流体扩散混合效应，化学酰亚胺化固化得以顺利实现，3D打印OBS气凝胶复合材料呈现出高结构完整性和高形状保真度。借助直写3D打印技术的空间组装优势，OBS气凝胶复合材料形成毫米、微米、纳米多尺度形貌，其中，微米尺度复合结构使3D打印OBS气凝胶复合材料表现出良好力学性能(杨氏模量高达14.4 MPa)；纳米尺度多孔结构特征，如低密度(0.208 g·cm−3)、高表面积(373 m2·g−1)和集中孔径分布(20~30 nm)，赋予3D打印OBS气凝胶复合材料优异隔热性能(热导率低至21.25 mW·m−1·K−1)。尽管本文仅关注于3D打印OBS气凝胶复合材料，但该3D打印策略的成功实施将为增材制造其他种类气凝胶复合材料提供了经验借鉴。
2024, 41(4): 1890-1899.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230928.001
摘要:
为了探究SiO2气凝胶在电磁吸波领域应用的可能性，通过溶胶-凝胶技术引入间苯二酚-甲醛(RF)构建多孔骨架，再结合常压干燥法，成功合成RF/SiO2复合材料，并对RF/SiO2气凝胶进行了热处理，通过SEM、XRD等对热处理后的RF/SiO2气凝胶微观结构和理化性能进行表征，探究了热处理温度对RF/SiO2气凝胶吸波性能的影响规律。结果表明：随热处理温度的增加，吸波性能大幅提升，当热处理温度为1500℃时，RF/SiO2气凝胶在4.05 mm厚度下表现出−48.42 dB的最小反射损耗，当厚度为3.45 mm时有效吸收带宽达到了2.06 GHz，表现出了优异的电磁波吸收性能。该研究为制备高性能吸波材料提供了指导。
为了探究SiO2气凝胶在电磁吸波领域应用的可能性，通过溶胶-凝胶技术引入间苯二酚-甲醛(RF)构建多孔骨架，再结合常压干燥法，成功合成RF/SiO2复合材料，并对RF/SiO2气凝胶进行了热处理，通过SEM、XRD等对热处理后的RF/SiO2气凝胶微观结构和理化性能进行表征，探究了热处理温度对RF/SiO2气凝胶吸波性能的影响规律。结果表明：随热处理温度的增加，吸波性能大幅提升，当热处理温度为1500℃时，RF/SiO2气凝胶在4.05 mm厚度下表现出−48.42 dB的最小反射损耗，当厚度为3.45 mm时有效吸收带宽达到了2.06 GHz，表现出了优异的电磁波吸收性能。该研究为制备高性能吸波材料提供了指导。
2024, 41(4): 1900-1913.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230817.006
摘要:
为开发缓蚀剂高效利用的新途径，选取氧化石墨烯为基材、聚邻甲苯胺微胶囊为壁材、缓蚀剂2-巯基苯并噻唑为芯材，制备了缓蚀型聚邻甲苯胺-氧化石墨烯基防腐材料，并将其作为填料用于水性环氧树脂涂层(WEP)的改性。通过FTIR、XRD、XPS和SEM等对材料进行了结构和形貌的表征，采用紫外可见光谱对缓蚀剂的释放行为进行分析，采用万能试验机、电化学测试和盐雾实验对涂层的拉伸性能和防腐性能进行了评价。结果表明：缓蚀剂成功包覆于聚邻甲苯胺微胶囊内部，并通过共价键方式将微胶囊连接在改性氧化石墨烯表面，使缓蚀剂得到了充分利用，提高了涂层的拉伸性能、自修复性能及对腐蚀介质的屏蔽性能。紫外可见光谱测试结果表明，微胶囊在人工破损96 h后，内部缓蚀剂的释放量达78%；拉伸性能测试结果表明，与纯WEP相比，当填料加入量为0.3wt%时，涂层应力从14.281 MPa增加到24.25 MPa；SEM结果表明，被划伤的涂层在常温下放置10 h后自修复；电化学测试和盐雾实验结果表明，涂层腐蚀电位从−0.6216 V提高到−0.1554 V，腐蚀电流密度从4.271×10−7 A·cm−2减小到1.016×10−11 A·cm−2，阻抗模量可达到1.5757×109 Ω·cm2，在盐雾500 h后仍表现出较好的防腐性能。
为开发缓蚀剂高效利用的新途径，选取氧化石墨烯为基材、聚邻甲苯胺微胶囊为壁材、缓蚀剂2-巯基苯并噻唑为芯材，制备了缓蚀型聚邻甲苯胺-氧化石墨烯基防腐材料，并将其作为填料用于水性环氧树脂涂层(WEP)的改性。通过FTIR、XRD、XPS和SEM等对材料进行了结构和形貌的表征，采用紫外可见光谱对缓蚀剂的释放行为进行分析，采用万能试验机、电化学测试和盐雾实验对涂层的拉伸性能和防腐性能进行了评价。结果表明：缓蚀剂成功包覆于聚邻甲苯胺微胶囊内部，并通过共价键方式将微胶囊连接在改性氧化石墨烯表面，使缓蚀剂得到了充分利用，提高了涂层的拉伸性能、自修复性能及对腐蚀介质的屏蔽性能。紫外可见光谱测试结果表明，微胶囊在人工破损96 h后，内部缓蚀剂的释放量达78%；拉伸性能测试结果表明，与纯WEP相比，当填料加入量为0.3wt%时，涂层应力从14.281 MPa增加到24.25 MPa；SEM结果表明，被划伤的涂层在常温下放置10 h后自修复；电化学测试和盐雾实验结果表明，涂层腐蚀电位从−0.6216 V提高到−0.1554 V，腐蚀电流密度从4.271×10−7 A·cm−2减小到1.016×10−11 A·cm−2，阻抗模量可达到1.5757×109 Ω·cm2，在盐雾500 h后仍表现出较好的防腐性能。
2024, 41(4): 1914-1922.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230816.001
摘要:
以二异氰酸酯(MDI)、聚醚多元醇(PTMG)和2, 5-呋喃二甲醇合成了含有呋喃结构的线型聚氨酯，与双马来酰亚胺基二苯甲烷(BMI)通过Diels-Alder反应制备了热可逆聚氨酯固化物，并制备了碳纤维单向复合材料。通过高温红外和DSC分析了聚氨酯树脂的热可逆行为，研究了树脂的溶解性、熔融再加工性及力学性能，分析了碳纤维复合材料的力学性能和动态机械性能。结果表明：热可逆聚氨酯固化物在热循环中有反复断键-交联行为，160℃左右可完成逆反应；采用高温溶剂溶解法或热熔法均可以进行再加工，再加工3次后仍能保持原有力学性能；碳纤维单向复合材料的层间剪切呈二次失效特点，层间剪切强度为34.85 MPa，玻璃化转变温度为93.73℃。
以二异氰酸酯(MDI)、聚醚多元醇(PTMG)和2, 5-呋喃二甲醇合成了含有呋喃结构的线型聚氨酯，与双马来酰亚胺基二苯甲烷(BMI)通过Diels-Alder反应制备了热可逆聚氨酯固化物，并制备了碳纤维单向复合材料。通过高温红外和DSC分析了聚氨酯树脂的热可逆行为，研究了树脂的溶解性、熔融再加工性及力学性能，分析了碳纤维复合材料的力学性能和动态机械性能。结果表明：热可逆聚氨酯固化物在热循环中有反复断键-交联行为，160℃左右可完成逆反应；采用高温溶剂溶解法或热熔法均可以进行再加工，再加工3次后仍能保持原有力学性能；碳纤维单向复合材料的层间剪切呈二次失效特点，层间剪切强度为34.85 MPa，玻璃化转变温度为93.73℃。
2024, 41(4): 1923-1933.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230814.006
摘要:
铜基纳米材料在电催化方面受到广泛关注，但其存在催化活性低和稳定性差的问题，探索简单高效的策略解决上述问题具有重要的实际意义。本文在室温条件下，采用Co-MOF材料在CuCl2溶液中水解刻蚀策略成功在泡沫镍基底上构筑了钴掺杂的碱式氯化铜/氯化亚铜复合材料。通过改变Co-MOF在CuCl2溶液中的水解刻蚀时间，从而调控物种和复合物的形貌结构。最优催化剂仅需238 mV的过电位便能够驱动100 mA·cm−2的电流密度。经过50 h的稳定性测试，电流密度几乎没有下降，表明其具有良好的稳定性。优异的电催化析氧反应(OER)性能可归属于Co原子的掺杂优化了Cu原子周围电子环境，激活碱式氯化铜和氯化亚铜的催化活性及CuCl2对泡沫镍的刻蚀增加了活性位点。本文为铜基电催化材料的制备和电催化OER活性增强提供了新的思路和策略。
铜基纳米材料在电催化方面受到广泛关注，但其存在催化活性低和稳定性差的问题，探索简单高效的策略解决上述问题具有重要的实际意义。本文在室温条件下，采用Co-MOF材料在CuCl2溶液中水解刻蚀策略成功在泡沫镍基底上构筑了钴掺杂的碱式氯化铜/氯化亚铜复合材料。通过改变Co-MOF在CuCl2溶液中的水解刻蚀时间，从而调控物种和复合物的形貌结构。最优催化剂仅需238 mV的过电位便能够驱动100 mA·cm−2的电流密度。经过50 h的稳定性测试，电流密度几乎没有下降，表明其具有良好的稳定性。优异的电催化析氧反应(OER)性能可归属于Co原子的掺杂优化了Cu原子周围电子环境，激活碱式氯化铜和氯化亚铜的催化活性及CuCl2对泡沫镍的刻蚀增加了活性位点。本文为铜基电催化材料的制备和电催化OER活性增强提供了新的思路和策略。
2024, 41(4): 1934-1944.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230922.004
摘要:
为提高针刺碳/碳(C/C)复合材料致密化效率和承载性能，分别设计了16 mm展宽布与网胎交替叠层的针刺预制体(B-NPs)、8 mm展宽布与网胎交替叠层的针刺预制体(H-NPs)及外层采用B-NPs结构、内层采用H-NPs结构的针刺预制体(T-NPs)，联合化学气相渗透和浸渍-碳化工艺制备了3种针刺C/C复合材料。采用阿基米德排水法和X射线计算机断层扫描(Micro-CT)技术对3种针刺C/C复合材料的致密化效率、孔隙率和孔隙分布进行了统计，并开展了常温下三点弯曲力学性能测试。结果表明：随着展宽纱线宽度的增加，针刺C/C复合材料致密化效率得到提高，内部孔隙率有所下降。在相同的致密化时间内，B-NPs增密效果最佳，密度达到1.42 g/cm3，孔隙率仅为10.67%。三点弯曲载荷下，3种材料均表现出脆性破坏，其中T-NPs的弯曲强度和弯曲模量分别为173.04 MPa和20.66 GPa，具有优异的抗弯性能。3种材料的初始破坏位置均发生在针刺纤维束附近，其中低孔隙率的B-NPs针刺纤维束和碳布层破坏以纤维断裂为主；高孔隙率的H-NPs纤维/基体界面结合能力差，碳布层的破坏以纤维/基体界面脱粘和纤维拔出为主导。
为提高针刺碳/碳(C/C)复合材料致密化效率和承载性能，分别设计了16 mm展宽布与网胎交替叠层的针刺预制体(B-NPs)、8 mm展宽布与网胎交替叠层的针刺预制体(H-NPs)及外层采用B-NPs结构、内层采用H-NPs结构的针刺预制体(T-NPs)，联合化学气相渗透和浸渍-碳化工艺制备了3种针刺C/C复合材料。采用阿基米德排水法和X射线计算机断层扫描(Micro-CT)技术对3种针刺C/C复合材料的致密化效率、孔隙率和孔隙分布进行了统计，并开展了常温下三点弯曲力学性能测试。结果表明：随着展宽纱线宽度的增加，针刺C/C复合材料致密化效率得到提高，内部孔隙率有所下降。在相同的致密化时间内，B-NPs增密效果最佳，密度达到1.42 g/cm3，孔隙率仅为10.67%。三点弯曲载荷下，3种材料均表现出脆性破坏，其中T-NPs的弯曲强度和弯曲模量分别为173.04 MPa和20.66 GPa，具有优异的抗弯性能。3种材料的初始破坏位置均发生在针刺纤维束附近，其中低孔隙率的B-NPs针刺纤维束和碳布层破坏以纤维断裂为主；高孔隙率的H-NPs纤维/基体界面结合能力差，碳布层的破坏以纤维/基体界面脱粘和纤维拔出为主导。
2024, 41(4): 1945-1953.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230817.003
摘要:
提高光生载流子的分离效率是提高光电化学阴极保护性能的有效途径，为弥补SrTiO3禁带宽度大、光生载流子分离效率低等缺点，通过两步超声喷雾热解工艺在氟掺杂氧化锡导电玻璃(FTO)上制备了BaTiO3/SrTiO3复合薄膜。通过XRD、SEM、UV-vis DRS、PL对样品物相成分、表面形貌、光学性能等进行观测。随后以304不锈钢(304 SS)为被保护金属，观测了BaTiO3/SrTiO3复合薄膜遮蔽光条件下的光电化学阴极保护性能。其中BaTiO3/SrTiO3的相对位置由Mott-Schottky曲线确定。结果表明：通过两步超声喷雾热解工艺制备得到的 BaTiO3/SrTiO3复合薄膜，光吸收范围拓宽至400 nm；BaTiO3/SrTiO3 复合薄膜相比于SrTiO3薄膜，光吸收性能增强；光生载流子分离效率提高；在3.5wt%NaCl 溶液中，BaTiO3/SrTiO3 复合薄膜使304 SS的开路电位负移至−0.38 V，负移程度约230 mV，而纯SrTiO3薄膜仅能负移100 mV。其性能提升主要归因于BaTiO3与SrTiO3 复合形成了异质结，促进了光生载流子的分离。
提高光生载流子的分离效率是提高光电化学阴极保护性能的有效途径，为弥补SrTiO3禁带宽度大、光生载流子分离效率低等缺点，通过两步超声喷雾热解工艺在氟掺杂氧化锡导电玻璃(FTO)上制备了BaTiO3/SrTiO3复合薄膜。通过XRD、SEM、UV-vis DRS、PL对样品物相成分、表面形貌、光学性能等进行观测。随后以304不锈钢(304 SS)为被保护金属，观测了BaTiO3/SrTiO3复合薄膜遮蔽光条件下的光电化学阴极保护性能。其中BaTiO3/SrTiO3的相对位置由Mott-Schottky曲线确定。结果表明：通过两步超声喷雾热解工艺制备得到的 BaTiO3/SrTiO3复合薄膜，光吸收范围拓宽至400 nm；BaTiO3/SrTiO3 复合薄膜相比于SrTiO3薄膜，光吸收性能增强；光生载流子分离效率提高；在3.5wt%NaCl 溶液中，BaTiO3/SrTiO3 复合薄膜使304 SS的开路电位负移至−0.38 V，负移程度约230 mV，而纯SrTiO3薄膜仅能负移100 mV。其性能提升主要归因于BaTiO3与SrTiO3 复合形成了异质结，促进了光生载流子的分离。
2024, 41(4): 1954-1967.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230902.001
摘要:
具有轻质高强、宽吸收带、薄厚度和热稳定性的电磁吸收材料是实现微波吸收应用的核心要求。本文以聚乳酸(PLA)为基体，Fe3O4和多壁碳纳米管(MWCNTs)为填料，通过球磨混合和熔融挤出法制备出Fe3O4-MWCNTs/PLA复合线材，利用熔融沉积成型(FDM)制备出Fe3O4-MWCNTs/PLA复合材料。采用XRD、SEM和矢量网络分析仪分别对复合材料的物相结构、微观形貌和电磁特性进行了表征，并研究了Fe3O4含量对复合材料吸波性能的影响。Fe3O4与MWCNTs-PLA复合形成的复合吸波材料质量轻、稳定性好、介电性能可调，因其良好的阻抗匹配和电磁波衰减能力而表现出优异的宽带吸收能力。实验结果表明：Fe3O4含量达到25wt%，厚度为1.4 mm时，反射损耗达到−48.5 dB，有效吸收带宽达到6.78 GHz (10.38~17.16 GHz)，表现出优异的微波吸收性能。
具有轻质高强、宽吸收带、薄厚度和热稳定性的电磁吸收材料是实现微波吸收应用的核心要求。本文以聚乳酸(PLA)为基体，Fe3O4和多壁碳纳米管(MWCNTs)为填料，通过球磨混合和熔融挤出法制备出Fe3O4-MWCNTs/PLA复合线材，利用熔融沉积成型(FDM)制备出Fe3O4-MWCNTs/PLA复合材料。采用XRD、SEM和矢量网络分析仪分别对复合材料的物相结构、微观形貌和电磁特性进行了表征，并研究了Fe3O4含量对复合材料吸波性能的影响。Fe3O4与MWCNTs-PLA复合形成的复合吸波材料质量轻、稳定性好、介电性能可调，因其良好的阻抗匹配和电磁波衰减能力而表现出优异的宽带吸收能力。实验结果表明：Fe3O4含量达到25wt%，厚度为1.4 mm时，反射损耗达到−48.5 dB，有效吸收带宽达到6.78 GHz (10.38~17.16 GHz)，表现出优异的微波吸收性能。
2024, 41(4): 1968-1976.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230831.001
摘要:
通过将原位溶胶-凝胶法和自由基聚合法巧妙相结合制备了一种坚固、荧光的杂化水凝胶石墨烯量子点-TiO2/聚丙烯酰胺(GQDs-TiO2/PAM)。在该杂化水凝胶中，同时充当多功能交联剂和纳米填料的TiO2和GQDs粒子与水凝胶网络中的亲水基团通过氢键等非共价键牢固地结合。PAM、TiO2和GQDs之间的强非共价键作用赋予该凝胶优异的力学性能。GQDs-TiO2/PAM (0.5wt%GQDs)水凝胶的断裂伸长率和抗拉强度分别高达2412%和181 kPa，为TiO2/PAM水凝胶的1.78和1.13倍。另外，GQDs的引入还赋予该复合水凝胶特殊的荧光性能，它能够在365 nm紫外光照射下发出明显的蓝色荧光。因此，该水凝胶在生物医药、重金属离子检测、荧光探针等领域有很大发展潜力。
通过将原位溶胶-凝胶法和自由基聚合法巧妙相结合制备了一种坚固、荧光的杂化水凝胶石墨烯量子点-TiO2/聚丙烯酰胺(GQDs-TiO2/PAM)。在该杂化水凝胶中，同时充当多功能交联剂和纳米填料的TiO2和GQDs粒子与水凝胶网络中的亲水基团通过氢键等非共价键牢固地结合。PAM、TiO2和GQDs之间的强非共价键作用赋予该凝胶优异的力学性能。GQDs-TiO2/PAM (0.5wt%GQDs)水凝胶的断裂伸长率和抗拉强度分别高达2412%和181 kPa，为TiO2/PAM水凝胶的1.78和1.13倍。另外，GQDs的引入还赋予该复合水凝胶特殊的荧光性能，它能够在365 nm紫外光照射下发出明显的蓝色荧光。因此，该水凝胶在生物医药、重金属离子检测、荧光探针等领域有很大发展潜力。
2024, 41(4): 1977-1986.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230831.003
摘要:
食品中的有机酸等内源性物质会干扰其中痕量残留物的检测，为消除此影响，以N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH792)为氨基化试剂，直接修饰酸化后的Fe3O4得到磁性吸附材料。经响应面试验优化得到KH792对酸化Fe3O4的最佳修饰条件为温度 82.5℃、pH=4.9，KH792添加量 1.8 mL，在最佳条件下，KH792直接修饰的酸化Fe3O4对没食子酸吸附量为22.8 mg/g，比市售Fe3O4提高了188%，且具备快速固液分离的能力、良好的稳定性及分散性。通过BET、Zeta电位、FTIR和XPS对直接修饰的产物性能进行了表征，结果表明，KH792与Fe3O4表面羟基通过Fe—O—Si键结合，酸化提高了Fe3O4表面羟基含量，因此也增强了KH792对Fe3O4的修饰效果，本文制备的磁性产物可用于净化复杂样品基质中的有机酸。
食品中的有机酸等内源性物质会干扰其中痕量残留物的检测，为消除此影响，以N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH792)为氨基化试剂，直接修饰酸化后的Fe3O4得到磁性吸附材料。经响应面试验优化得到KH792对酸化Fe3O4的最佳修饰条件为温度 82.5℃、pH=4.9，KH792添加量 1.8 mL，在最佳条件下，KH792直接修饰的酸化Fe3O4对没食子酸吸附量为22.8 mg/g，比市售Fe3O4提高了188%，且具备快速固液分离的能力、良好的稳定性及分散性。通过BET、Zeta电位、FTIR和XPS对直接修饰的产物性能进行了表征，结果表明，KH792与Fe3O4表面羟基通过Fe—O—Si键结合，酸化提高了Fe3O4表面羟基含量，因此也增强了KH792对Fe3O4的修饰效果，本文制备的磁性产物可用于净化复杂样品基质中的有机酸。
2024, 41(4): 1987-1996.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230911.001
摘要:
为改善单一半导体粉体材料的光生电子-空穴分离和回收能力，基于功能协同效应，采用共沉淀法，将Fe3+/Fe2+盐在一定浓度的氨水作用下制备出纳米Fe3O4，并分散于含有溴化十六烷基三甲铵(CTAB)的正辛烷中，提供Br–的同时，在室温下与水溶液中的硝酸铋和柠檬酸相互作用，利用非互溶体系，制备出Fe3O4-BiOBr；最后，将Fe3O4-BiOBr分散于含有赖氨酸的氧化石墨烯水溶液中，通过一步水热法合成Fe3O4-BiOBr协同修饰的磁性石墨烯气凝胶(Fe3O4-BiOBr/Graphene)。样品的晶体结构、形貌特征和催化活性通过XRD、Raman、XPS、SEM、TEM、UV-Vis光谱等综合测试技术进行了表征分析。Fe3O4-BiOBr/Graphene复合材料中的Fe3O4呈类球状，尺寸约10~25 nm，均匀镶嵌于BiOBr片层中间，并与石墨烯之间相互作用，整体呈现球-片-空洞构造。Fe3O4-BiOBr/Graphene复合材料显示出良好的可见光吸收性和Cr(VI)还原活性，30 min内可去除Cr(VI)至100%，高于单一组分的磁性Fe3O4，这可能与Fe3O4-BiOBr异质结构、石墨烯导电材料的引入及Fe3O4-BiOBr/Graphene三者之间良好的界面相互作用，有效地促进了光生电子与空穴的分离效率有关。
为改善单一半导体粉体材料的光生电子-空穴分离和回收能力，基于功能协同效应，采用共沉淀法，将Fe3+/Fe2+盐在一定浓度的氨水作用下制备出纳米Fe3O4，并分散于含有溴化十六烷基三甲铵(CTAB)的正辛烷中，提供Br–的同时，在室温下与水溶液中的硝酸铋和柠檬酸相互作用，利用非互溶体系，制备出Fe3O4-BiOBr；最后，将Fe3O4-BiOBr分散于含有赖氨酸的氧化石墨烯水溶液中，通过一步水热法合成Fe3O4-BiOBr协同修饰的磁性石墨烯气凝胶(Fe3O4-BiOBr/Graphene)。样品的晶体结构、形貌特征和催化活性通过XRD、Raman、XPS、SEM、TEM、UV-Vis光谱等综合测试技术进行了表征分析。Fe3O4-BiOBr/Graphene复合材料中的Fe3O4呈类球状，尺寸约10~25 nm，均匀镶嵌于BiOBr片层中间，并与石墨烯之间相互作用，整体呈现球-片-空洞构造。Fe3O4-BiOBr/Graphene复合材料显示出良好的可见光吸收性和Cr(VI)还原活性，30 min内可去除Cr(VI)至100%，高于单一组分的磁性Fe3O4，这可能与Fe3O4-BiOBr异质结构、石墨烯导电材料的引入及Fe3O4-BiOBr/Graphene三者之间良好的界面相互作用，有效地促进了光生电子与空穴的分离效率有关。
2024, 41(4): 1997-2013.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230921.001
摘要:
镀铜钢纤维具有良好的导电性、耐腐蚀性和力学性能，而废弃陶瓷粉较水泥具有低电阻率、低碳性、火山灰活性和内养护作用。则镀铜钢纤维和废弃陶瓷粉的协同作用有望赋予混凝土良好且稳定的压敏性能和宽的应力/应变监测范围。因此，本文制备了低碳智能镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土，并研究了镀铜钢纤维掺量对废弃陶瓷超高性能混凝土流动性能、电学性能和不同荷载类型下的废弃陶瓷超高性能混凝土压敏性能的影响规律，并建立了力-电本构模型。研究结果表明：扩展度随镀铜钢纤维的掺入而降低，但均能达到自流平效果；镀铜钢纤维可显著降低废弃陶瓷超高性能混凝土的直流和交流电阻率；镀铜钢纤维大幅度提高废弃陶瓷超高性能混凝土在极限抗折和抗压荷载下的电阻率变化率和应力/应变灵敏度，且在抗折破坏荷载工况下的压敏性更好。通过力-电本构模型可知，其电阻率变化率和应力/应变曲线基本遵从三次多项式函数关系。因此，可通过测试镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率实现混凝土结构的应力/应变监测。
镀铜钢纤维具有良好的导电性、耐腐蚀性和力学性能，而废弃陶瓷粉较水泥具有低电阻率、低碳性、火山灰活性和内养护作用。则镀铜钢纤维和废弃陶瓷粉的协同作用有望赋予混凝土良好且稳定的压敏性能和宽的应力/应变监测范围。因此，本文制备了低碳智能镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土，并研究了镀铜钢纤维掺量对废弃陶瓷超高性能混凝土流动性能、电学性能和不同荷载类型下的废弃陶瓷超高性能混凝土压敏性能的影响规律，并建立了力-电本构模型。研究结果表明：扩展度随镀铜钢纤维的掺入而降低，但均能达到自流平效果；镀铜钢纤维可显著降低废弃陶瓷超高性能混凝土的直流和交流电阻率；镀铜钢纤维大幅度提高废弃陶瓷超高性能混凝土在极限抗折和抗压荷载下的电阻率变化率和应力/应变灵敏度，且在抗折破坏荷载工况下的压敏性更好。通过力-电本构模型可知，其电阻率变化率和应力/应变曲线基本遵从三次多项式函数关系。因此，可通过测试镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率实现混凝土结构的应力/应变监测。
2024, 41(4): 2014-2030.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230811.001
摘要:
为研究超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)在200~−100℃温度作用后的力学性能，设计了不同纤维体积掺量的UHTCC，经中高温和低温作用后进行基本力学性能试验，通过UHTCC强度和变形等参数评价了中高温和低温作用后UHTCC的力学性能。结果表明：纤维的掺入能有效改善基体的脆性，提升材料的韧性；同时温度作用导致材料内部出现初始缺陷，对UHTCC的力学性能有明显的影响，且低温作用的影响要明显高于高温作用，当温度降低至−100℃时，UHTCC强度最大降低约75%，变形最大降低约92%，但温度作用未对UHTCC的泊松比产生明显影响。在此基础上提出了中高温及低温作用后UHTCC轴压和轴拉应力-应变关系回归模型，为UHTCC材料在极端温度环境下的性能设计和工程应用提供参考。
为研究超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)在200~−100℃温度作用后的力学性能，设计了不同纤维体积掺量的UHTCC，经中高温和低温作用后进行基本力学性能试验，通过UHTCC强度和变形等参数评价了中高温和低温作用后UHTCC的力学性能。结果表明：纤维的掺入能有效改善基体的脆性，提升材料的韧性；同时温度作用导致材料内部出现初始缺陷，对UHTCC的力学性能有明显的影响，且低温作用的影响要明显高于高温作用，当温度降低至−100℃时，UHTCC强度最大降低约75%，变形最大降低约92%，但温度作用未对UHTCC的泊松比产生明显影响。在此基础上提出了中高温及低温作用后UHTCC轴压和轴拉应力-应变关系回归模型，为UHTCC材料在极端温度环境下的性能设计和工程应用提供参考。
2024, 41(4): 2031-2042.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230822.001
摘要:
本文研究了玄武岩纤维、玻璃纤维及碳纤维增强聚合物(BFRP、GFRP和CFRP)筋在水、强碱溶液(pH=12.8)、弱碱溶液(pH=11)、模拟海水及酸溶液(pH=1.5)这5种腐蚀溶液环境下的性能劣化情况。通过层间剪切强度测试、水吸收试验、DMA、FTIR和SEM探究了不同老化温度(20、40和55℃)与腐蚀时间(1、2、3、6和9月)下FRP筋的纤维-树脂界面粘结性能、微观结构及化学成分等的劣化规律。试验结果表明：FRP筋的层间剪切强度受腐蚀环境的影响显著，在强碱溶液中的劣化速率远高于其他溶液，其原因是高浓度的OH−离子加速了FRP筋的水解和刻蚀反应，导致大量纤维与树脂发生脱粘，最终导致层间剪切强度降低；与BFRP筋和GFRP筋相比，CFRP筋的耐久性相对优异，在相同老化条件下具有更高的层间剪切强度保留率。
本文研究了玄武岩纤维、玻璃纤维及碳纤维增强聚合物(BFRP、GFRP和CFRP)筋在水、强碱溶液(pH=12.8)、弱碱溶液(pH=11)、模拟海水及酸溶液(pH=1.5)这5种腐蚀溶液环境下的性能劣化情况。通过层间剪切强度测试、水吸收试验、DMA、FTIR和SEM探究了不同老化温度(20、40和55℃)与腐蚀时间(1、2、3、6和9月)下FRP筋的纤维-树脂界面粘结性能、微观结构及化学成分等的劣化规律。试验结果表明：FRP筋的层间剪切强度受腐蚀环境的影响显著，在强碱溶液中的劣化速率远高于其他溶液，其原因是高浓度的OH−离子加速了FRP筋的水解和刻蚀反应，导致大量纤维与树脂发生脱粘，最终导致层间剪切强度降低；与BFRP筋和GFRP筋相比，CFRP筋的耐久性相对优异，在相同老化条件下具有更高的层间剪切强度保留率。
2024, 41(4): 2043-2054.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230810.001
摘要:
采用吸光度试验和静置沉降试验考察了石墨烯量子点(GQDs)在模拟水泥水化孔隙液的饱和氢氧化钙溶液中分散性能及其对掺配砂浆工作性能、力学性能和耐久性的影响。吸光度测试和静置沉降试验表明GQDs在饱和氢氧化钙溶液中具有优异的分散稳定性，工作性能测试表明GQDs对水泥砂浆的流动度几乎无负面影响。力学性能测试表明GQDs最佳掺量为 0.04wt%时，28天抗折抗压强度比普通水泥砂浆分别提高了12.3%、12.5%，抗渗压力提升了 175%，120天抗压耐腐蚀系数提升了14.3%。微观结构测试表明 GQDs能改善孔径分布，填充纳米孔隙和提高水泥砂浆密实度。
采用吸光度试验和静置沉降试验考察了石墨烯量子点(GQDs)在模拟水泥水化孔隙液的饱和氢氧化钙溶液中分散性能及其对掺配砂浆工作性能、力学性能和耐久性的影响。吸光度测试和静置沉降试验表明GQDs在饱和氢氧化钙溶液中具有优异的分散稳定性，工作性能测试表明GQDs对水泥砂浆的流动度几乎无负面影响。力学性能测试表明GQDs最佳掺量为 0.04wt%时，28天抗折抗压强度比普通水泥砂浆分别提高了12.3%、12.5%，抗渗压力提升了 175%，120天抗压耐腐蚀系数提升了14.3%。微观结构测试表明 GQDs能改善孔径分布，填充纳米孔隙和提高水泥砂浆密实度。
2024, 41(4): 2055-2064.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230803.001
摘要:
为研究混杂纤维/橡胶混凝土(HF/RC)的抗硫酸盐侵蚀性能，对比分析硫酸盐环境下干湿循环240次内，普通混凝土(NC)和HF/RC的表观现象、质量损失、超声参数、抗压强度损失等性能指标劣化过程，采用SEM及XRD微观表征手段分析硫酸盐/干湿循环前后试件微观形貌及物相组成。结果表明：随硫酸盐/干湿循环次数增加，NC、HF/RC试件的质量、抗压强度呈先增后减的趋势，超声参数与抗压强度、耐蚀系数具有密切相关性；侵蚀初期SO4 2−与胶凝物质反应填充原生孔隙，基体密实度提高。侵蚀过程胶凝材料不断被消耗，基体在硫酸钠反复结晶的物理侵蚀及硫酸盐化学侵蚀的共同作用下出现空隙和孔洞。但橡胶颗粒和混杂纤维可阻断裂缝扩展继而减缓SO4 2−扩散，抑制膨胀性产物生成，延缓结晶应力诱发的表层裂纹发育。硫酸盐侵蚀各阶段HF/RC的劣化程度均优于NC，经240次硫酸盐/干湿循环后，NC、HF/RC的耐蚀系数分别为69.00%、78.87%。
为研究混杂纤维/橡胶混凝土(HF/RC)的抗硫酸盐侵蚀性能，对比分析硫酸盐环境下干湿循环240次内，普通混凝土(NC)和HF/RC的表观现象、质量损失、超声参数、抗压强度损失等性能指标劣化过程，采用SEM及XRD微观表征手段分析硫酸盐/干湿循环前后试件微观形貌及物相组成。结果表明：随硫酸盐/干湿循环次数增加，NC、HF/RC试件的质量、抗压强度呈先增后减的趋势，超声参数与抗压强度、耐蚀系数具有密切相关性；侵蚀初期SO4 2−与胶凝物质反应填充原生孔隙，基体密实度提高。侵蚀过程胶凝材料不断被消耗，基体在硫酸钠反复结晶的物理侵蚀及硫酸盐化学侵蚀的共同作用下出现空隙和孔洞。但橡胶颗粒和混杂纤维可阻断裂缝扩展继而减缓SO4 2−扩散，抑制膨胀性产物生成，延缓结晶应力诱发的表层裂纹发育。硫酸盐侵蚀各阶段HF/RC的劣化程度均优于NC，经240次硫酸盐/干湿循环后，NC、HF/RC的耐蚀系数分别为69.00%、78.87%。
2024, 41(4): 2065-2073.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230907.003
摘要:
为解决麦秸纤维/聚乳酸(WF/PLA)复合材料界面相容性较差的问题，以H2O2作为氧化剂处理麦秸，采用响应面试验法探究H2O2的pH、处理温度、质量比对氧化麦秸纤维(OWF)/PLA复合材料力学性能的影响，得到各因素对复合材料力学性能的影响规律。结果表明：pH和处理温度、pH和质量比、处理温度和质量比之间均表现出明显的交互作用。回归方程预测的最佳工艺参数如下：H2O2的pH为8.9，H2O2的处理温度为52.3℃，H2O2的质量比为2%。在此条件下，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别为38.89 MPa和7.85%，较未改性前分别提高了15.64%和15.20%。FTIR结果表明，OWF中的部分羟基被H2O2氧化为羧基。SEM结果表明，OWF能够更好地与PLA进行结合，经过熔融共混后制备的复合材料之间具有更好的界面相容性。此外，XRD和DSC结果表明，H2O2的加入促进了聚合物的异相成核过程，使其结晶度有所提高。
为解决麦秸纤维/聚乳酸(WF/PLA)复合材料界面相容性较差的问题，以H2O2作为氧化剂处理麦秸，采用响应面试验法探究H2O2的pH、处理温度、质量比对氧化麦秸纤维(OWF)/PLA复合材料力学性能的影响，得到各因素对复合材料力学性能的影响规律。结果表明：pH和处理温度、pH和质量比、处理温度和质量比之间均表现出明显的交互作用。回归方程预测的最佳工艺参数如下：H2O2的pH为8.9，H2O2的处理温度为52.3℃，H2O2的质量比为2%。在此条件下，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别为38.89 MPa和7.85%，较未改性前分别提高了15.64%和15.20%。FTIR结果表明，OWF中的部分羟基被H2O2氧化为羧基。SEM结果表明，OWF能够更好地与PLA进行结合，经过熔融共混后制备的复合材料之间具有更好的界面相容性。此外，XRD和DSC结果表明，H2O2的加入促进了聚合物的异相成核过程，使其结晶度有所提高。
2024, 41(4): 2074-2082.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231031.005
摘要:
壳聚糖基导电水凝胶在电子皮肤、健康监测和柔性穿戴电子等领域得到广泛关注。本文将MXene分散到丙烯酸-壳聚糖水溶液中，丙烯酸原位聚合成聚丙烯酸，制备了壳聚糖-聚丙烯酸-MXene导电水凝胶(CS-PAA-MXene)。CS-PAA-MXene具有优异的力学性能，其断裂应变为1450%，断裂应力为0.6 MPa，韧性达到2.6 MJ·m−3。CS-PAA-MXene能够粘附于多种物体表面，包括玻璃、塑料、橡胶、铜片和铝片等，其中对玻璃的最大剥离力可达到175 N·m−1；CS-PAA-MXene具有优异的自修复性能，切断的CS-PAA-MXene相互接触2.5 s后，其电阻恢复到切断前数值。CS-PAA-MXene应变传感器被成功用于检测人体各类活动，如手指、手肘和膝盖等关节弯曲活动。基于壳聚糖的阳离子电荷及其抗菌特性，CS-PAA-MXene将在自粘附和高延展的柔性传感器具有良好的应用前景。
壳聚糖基导电水凝胶在电子皮肤、健康监测和柔性穿戴电子等领域得到广泛关注。本文将MXene分散到丙烯酸-壳聚糖水溶液中，丙烯酸原位聚合成聚丙烯酸，制备了壳聚糖-聚丙烯酸-MXene导电水凝胶(CS-PAA-MXene)。CS-PAA-MXene具有优异的力学性能，其断裂应变为1450%，断裂应力为0.6 MPa，韧性达到2.6 MJ·m−3。CS-PAA-MXene能够粘附于多种物体表面，包括玻璃、塑料、橡胶、铜片和铝片等，其中对玻璃的最大剥离力可达到175 N·m−1；CS-PAA-MXene具有优异的自修复性能，切断的CS-PAA-MXene相互接触2.5 s后，其电阻恢复到切断前数值。CS-PAA-MXene应变传感器被成功用于检测人体各类活动，如手指、手肘和膝盖等关节弯曲活动。基于壳聚糖的阳离子电荷及其抗菌特性，CS-PAA-MXene将在自粘附和高延展的柔性传感器具有良好的应用前景。
2024, 41(4): 2083-2098.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230808.001
摘要:
热膨胀系数是耐高温复合材料的重要热力学参数。针对复合材料在服役条件下存在基体开裂和界面脱粘而影响其热膨胀变形的现象，通过理论模拟和实验测试，研究了含损伤2D-C/SiC复合材料热膨胀系数随环境温度的演变行为。首先，基于Mini复合材料模型给出了组分材料的三维热失配应力计算模型；其次，引入基体开裂和界面脱粘损伤，并考虑组分材料热膨胀性能差异、纤维的横观各向同性以及泊松效应的影响，推导了Mini复合材料轴向和径向热膨胀系数的解析表达式；再次，基于[0/90]正交层压板模型和宏观应变的一致性假设，建立了2D-C/SiC复合材料含损伤表观热膨胀系数的分析预测模型；最后，将本模型与经典Schapery模型及实验值进行对比，分析了热膨胀系数的主要影响因素。参数分析表明：基体裂纹间距、界面脱粘率、孔隙率、组分材料的弹性模量及热膨胀系数等均会影响复合材料的表观热膨胀系数，其中基体膨胀系数的影响尤为显著；验证结果表明：本模型具有合理性与正确性，其预测值与经典模型及实验曲线均吻合良好。
热膨胀系数是耐高温复合材料的重要热力学参数。针对复合材料在服役条件下存在基体开裂和界面脱粘而影响其热膨胀变形的现象，通过理论模拟和实验测试，研究了含损伤2D-C/SiC复合材料热膨胀系数随环境温度的演变行为。首先，基于Mini复合材料模型给出了组分材料的三维热失配应力计算模型；其次，引入基体开裂和界面脱粘损伤，并考虑组分材料热膨胀性能差异、纤维的横观各向同性以及泊松效应的影响，推导了Mini复合材料轴向和径向热膨胀系数的解析表达式；再次，基于[0/90]正交层压板模型和宏观应变的一致性假设，建立了2D-C/SiC复合材料含损伤表观热膨胀系数的分析预测模型；最后，将本模型与经典Schapery模型及实验值进行对比，分析了热膨胀系数的主要影响因素。参数分析表明：基体裂纹间距、界面脱粘率、孔隙率、组分材料的弹性模量及热膨胀系数等均会影响复合材料的表观热膨胀系数，其中基体膨胀系数的影响尤为显著；验证结果表明：本模型具有合理性与正确性，其预测值与经典模型及实验曲线均吻合良好。
2024, 41(4): 2099-2110.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230810.002
摘要:
碳纤维增强热塑性树脂基复合材料(简称“热塑性复材”)对温度变化敏感。针对碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)热塑性复材周铣加工过程，建立了包括各向异性材料塑性变形与刀-工-屑多面摩擦作用的复合热源模型，求解了以不同纤维方向切削热塑性复材时刀-工-屑的切削热量分配比例，最终构建了热塑性复材周铣温度预测模型，并由此分析了纤维方向、切削速度、进给量等工艺参数的影响。经实验验证，模型平均预测误差低于11.5%。结果表明：大角度切削时，流入工件的热量比例更高，导致铣削温度更高。随切削速度的增大，铣削温度先上升后下降，切削速度临界值在100 m/min附近；而随着进给量增加，铣削温度总体呈下降趋势，当进给量由0.01 mm/r增大到0.1 mm/r时，铣削温度下降40%以上。
碳纤维增强热塑性树脂基复合材料(简称“热塑性复材”)对温度变化敏感。针对碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)热塑性复材周铣加工过程，建立了包括各向异性材料塑性变形与刀-工-屑多面摩擦作用的复合热源模型，求解了以不同纤维方向切削热塑性复材时刀-工-屑的切削热量分配比例，最终构建了热塑性复材周铣温度预测模型，并由此分析了纤维方向、切削速度、进给量等工艺参数的影响。经实验验证，模型平均预测误差低于11.5%。结果表明：大角度切削时，流入工件的热量比例更高，导致铣削温度更高。随切削速度的增大，铣削温度先上升后下降，切削速度临界值在100 m/min附近；而随着进给量增加，铣削温度总体呈下降趋势，当进给量由0.01 mm/r增大到0.1 mm/r时，铣削温度下降40%以上。
2024, 41(4): 2111-2125.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230907.001
摘要:
通过试验和数值分析相结合的方式，探究含孔复合材料层合板拉伸损伤对其剩余压缩强度和失效模式的影响。试验方面，首先，通过开孔复合材料层合板拉伸试验引入两种程度的拉伸损伤，使用热揭层方法表征和量化其拉伸损伤程度。随后，开展含拉伸损伤的开孔复合材料层合板压缩试验，记录其载荷-位移曲线，并通过数字图像相关法(DIC)、应变片、微距相机等手段观察其变形和损伤演化特征。数值分析方面，构建基于LaRC失效准则的渐进损伤失效模型描述层内损伤演化，使用内聚力单元方法刻画复合材料层间分层损伤，基于此模型探究了开孔复合材料层合板损伤扩展规律。试验结果表明：拉伸载荷引起的孔边复合材料损伤以基体裂纹和分层损伤为主，在加载方向和纤维朝向夹角较小的层间，分层损伤程度更大。拉伸损伤会进一步加剧孔周应变集中，使孔邻域应变呈非对称，导致结构局部屈曲更早地发生，进而诱发结构整体破坏，相对于不含拉伸损伤开孔板，含拉伸损伤开孔板可使结构压缩承载能力下降25.8%。构建的数值计算模型可以准确预测拉伸载荷下孔周剪切应力引起的分层损伤和压缩阶段应变域场演化特征，也可揭示含不同程度拉伸损伤的开孔板压缩损伤扩展模式差异及探究纤维弯折失效、基体损伤和层间分层对结构承载能力的影响规律，为复合材料开孔板在变载荷作用下结构设计与剩余强度的确定提供支撑。
通过试验和数值分析相结合的方式，探究含孔复合材料层合板拉伸损伤对其剩余压缩强度和失效模式的影响。试验方面，首先，通过开孔复合材料层合板拉伸试验引入两种程度的拉伸损伤，使用热揭层方法表征和量化其拉伸损伤程度。随后，开展含拉伸损伤的开孔复合材料层合板压缩试验，记录其载荷-位移曲线，并通过数字图像相关法(DIC)、应变片、微距相机等手段观察其变形和损伤演化特征。数值分析方面，构建基于LaRC失效准则的渐进损伤失效模型描述层内损伤演化，使用内聚力单元方法刻画复合材料层间分层损伤，基于此模型探究了开孔复合材料层合板损伤扩展规律。试验结果表明：拉伸载荷引起的孔边复合材料损伤以基体裂纹和分层损伤为主，在加载方向和纤维朝向夹角较小的层间，分层损伤程度更大。拉伸损伤会进一步加剧孔周应变集中，使孔邻域应变呈非对称，导致结构局部屈曲更早地发生，进而诱发结构整体破坏，相对于不含拉伸损伤开孔板，含拉伸损伤开孔板可使结构压缩承载能力下降25.8%。构建的数值计算模型可以准确预测拉伸载荷下孔周剪切应力引起的分层损伤和压缩阶段应变域场演化特征，也可揭示含不同程度拉伸损伤的开孔板压缩损伤扩展模式差异及探究纤维弯折失效、基体损伤和层间分层对结构承载能力的影响规律，为复合材料开孔板在变载荷作用下结构设计与剩余强度的确定提供支撑。
2024, 41(4): 2126-2136.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230824.003
摘要:
近场动力学模拟复合材料层合板低速冲击损伤具有一定优势。本文在球型域常规态近场动力学复合材料模型基础上，建立了考虑时间步长下不同断裂混合比的能量失效判定准则，并开展了基于能量准则的复合材料层合板低速冲击近场动力学模拟。首先对复合材料低速冲击近场动力学模拟的模型刚度进行了验证，近场动力学模拟的冲击接触力、冲击速度及冲击位移与有限元结果具有较好的一致性。在此基础上，开展了复合材料低速冲击近场动力学损伤模拟，给出了冲击过程中复合材料层合板纤维断裂、基体开裂及分层损伤扩展过程。对比试验结果，近场动力学模拟的分层损伤面积和分层形状与试验结果具有较好的一致性，验证了所开展的基于能量准则的复合材料层合板低速冲击近场动力学模拟的有效性。
近场动力学模拟复合材料层合板低速冲击损伤具有一定优势。本文在球型域常规态近场动力学复合材料模型基础上，建立了考虑时间步长下不同断裂混合比的能量失效判定准则，并开展了基于能量准则的复合材料层合板低速冲击近场动力学模拟。首先对复合材料低速冲击近场动力学模拟的模型刚度进行了验证，近场动力学模拟的冲击接触力、冲击速度及冲击位移与有限元结果具有较好的一致性。在此基础上，开展了复合材料低速冲击近场动力学损伤模拟，给出了冲击过程中复合材料层合板纤维断裂、基体开裂及分层损伤扩展过程。对比试验结果，近场动力学模拟的分层损伤面积和分层形状与试验结果具有较好的一致性，验证了所开展的基于能量准则的复合材料层合板低速冲击近场动力学模拟的有效性。
2024, 41(4): 2137-2147.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230824.001
摘要:
应变硬化水泥基复合材料(SHCC)因其具有高延性、裂缝宽度可控等优点已被广泛应用于海洋腐蚀严重区域的混凝土结构加固与修复工程中。基于此，提出了海洋干湿循环作用下SHCC中氯离子传输的对流-扩散模型，并利用COMSOL仿真软件建立考虑纤维乱向分布的二维细观模型；通过开展人工室内模拟海洋浪溅区SHCC氯离子传输试验，分析了不同干湿循环比(3.0∶1、11.0∶1和85.4∶1)和不同暴露时间(30天、90天和180天)下的氯离子含量时空分布规律，对比验证了模拟氯盐传输行为的细观数值模型的有效性。结果表明：随着暴露时间的延长，SHCC氯离子峰值浓度增大，且随着干湿循环比的增加峰值浓度升高；随着渗透深度增大，氯离子浓度迅速下降并最终趋于稳定，使氯离子浓度整体表现出峰值浓度较高而传输深度较小的规律；基于Fick第二定律解析解并考虑对流区的影响，SHCC的表面氯离子浓度(Cs)和表观氯离子扩散系数(Dapp)均呈现明显的时变性，干湿循环比一定时，随着暴露时间的延长而分别增大和减小；当干湿循环比为85.4∶1，暴露时间为90天和180天时Cs相较于30天分别提高了51.72%和83.45%，Dapp分别降低了27.71%和48.50%；暴露时间一定时，随着干湿循环比的增加，Cs和Dapp均呈现先增大后减小的趋势；最后将氯离子含量分布实测值与计算值进行对比，验证了所建立的干湿循环作用下氯盐传输的扩散-对流模型的适用性。
应变硬化水泥基复合材料(SHCC)因其具有高延性、裂缝宽度可控等优点已被广泛应用于海洋腐蚀严重区域的混凝土结构加固与修复工程中。基于此，提出了海洋干湿循环作用下SHCC中氯离子传输的对流-扩散模型，并利用COMSOL仿真软件建立考虑纤维乱向分布的二维细观模型；通过开展人工室内模拟海洋浪溅区SHCC氯离子传输试验，分析了不同干湿循环比(3.0∶1、11.0∶1和85.4∶1)和不同暴露时间(30天、90天和180天)下的氯离子含量时空分布规律，对比验证了模拟氯盐传输行为的细观数值模型的有效性。结果表明：随着暴露时间的延长，SHCC氯离子峰值浓度增大，且随着干湿循环比的增加峰值浓度升高；随着渗透深度增大，氯离子浓度迅速下降并最终趋于稳定，使氯离子浓度整体表现出峰值浓度较高而传输深度较小的规律；基于Fick第二定律解析解并考虑对流区的影响，SHCC的表面氯离子浓度(Cs)和表观氯离子扩散系数(Dapp)均呈现明显的时变性，干湿循环比一定时，随着暴露时间的延长而分别增大和减小；当干湿循环比为85.4∶1，暴露时间为90天和180天时Cs相较于30天分别提高了51.72%和83.45%，Dapp分别降低了27.71%和48.50%；暴露时间一定时，随着干湿循环比的增加，Cs和Dapp均呈现先增大后减小的趋势；最后将氯离子含量分布实测值与计算值进行对比，验证了所建立的干湿循环作用下氯盐传输的扩散-对流模型的适用性。
2024, 41(4): 2148-2156.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230926.002
摘要:
针对复合材料多排钉连接结构实际强度破坏极限和破坏模式与传统工程算法不一致的问题，本文以光纤螺栓试验手段为基础，开展了复合材料连接结构钉载分配规律的研究。主要研究了钉载不对称、装配顺序、装配间隙等工艺特征对钉载分配的影响，同时建立了高精度有限元模型进行对比研究。研究结果表明：多排钉连接结构钉载不对称时会加剧钉载的不均匀分配；装配顺序对钉载分配存在影响，在装配螺栓时最后安装最外侧螺栓，可以有效降低钉载分布差异；连接结构存在一致装配间隙时的钉载分配与无间隙情况的载荷分配结果一致。同时，本文发现通过试验手段测得关键螺栓的钉载占比最大比有限元结果高出10%，因此工程算法需要根据装配间隙等制造和工艺特征进行修正。
针对复合材料多排钉连接结构实际强度破坏极限和破坏模式与传统工程算法不一致的问题，本文以光纤螺栓试验手段为基础，开展了复合材料连接结构钉载分配规律的研究。主要研究了钉载不对称、装配顺序、装配间隙等工艺特征对钉载分配的影响，同时建立了高精度有限元模型进行对比研究。研究结果表明：多排钉连接结构钉载不对称时会加剧钉载的不均匀分配；装配顺序对钉载分配存在影响，在装配螺栓时最后安装最外侧螺栓，可以有效降低钉载分布差异；连接结构存在一致装配间隙时的钉载分配与无间隙情况的载荷分配结果一致。同时，本文发现通过试验手段测得关键螺栓的钉载占比最大比有限元结果高出10%，因此工程算法需要根据装配间隙等制造和工艺特征进行修正。
2024, 41(4): 2157-2166.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20231024.003
摘要:
为了改善传统蜂窝夹层板结构的吸声特性，提出了一种负泊松比内凹六边形蜂窝夹层板结构，该结构上面板为微穿孔板，夹芯层为负泊松比内凹六边形蜂窝，其由19个具有内延伸管的单元腔体谐振器构成。采用COMSOL仿真软件对负泊松比内凹六边形蜂窝夹层板结构在500~950 Hz频率范围内进行吸声系数的计算，并运用B&K驻波管测量系统对仿真结果的有效性进行了验证。在保持负泊松比内凹六边形蜂窝胞元结构不变的前提下，研究了胞元参数对蜂窝夹层板结构吸声系数的影响，研究结果表明：当胞元倾角增大、内延伸管孔隙率减小、腔体壁厚减小时，结构的吸声性能增强；此外，腔体深度的增加和内延伸管管长的增加都会导致共振频率向更低频方向移动，其中腔体深度的改变更明显。在500~950 Hz频率范围内，该结构比传统蜂窝夹层板结构的平均吸声系数提升了5.64%，表明负泊松比内凹六边形蜂窝夹层板结构在低频范围内具有更优的吸声性能。
为了改善传统蜂窝夹层板结构的吸声特性，提出了一种负泊松比内凹六边形蜂窝夹层板结构，该结构上面板为微穿孔板，夹芯层为负泊松比内凹六边形蜂窝，其由19个具有内延伸管的单元腔体谐振器构成。采用COMSOL仿真软件对负泊松比内凹六边形蜂窝夹层板结构在500~950 Hz频率范围内进行吸声系数的计算，并运用B&K驻波管测量系统对仿真结果的有效性进行了验证。在保持负泊松比内凹六边形蜂窝胞元结构不变的前提下，研究了胞元参数对蜂窝夹层板结构吸声系数的影响，研究结果表明：当胞元倾角增大、内延伸管孔隙率减小、腔体壁厚减小时，结构的吸声性能增强；此外，腔体深度的增加和内延伸管管长的增加都会导致共振频率向更低频方向移动，其中腔体深度的改变更明显。在500~950 Hz频率范围内，该结构比传统蜂窝夹层板结构的平均吸声系数提升了5.64%，表明负泊松比内凹六边形蜂窝夹层板结构在低频范围内具有更优的吸声性能。
2024, 41(4): 2167-2179.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20230904.001
摘要:
碳纤维增强聚合物(CFRP)铝合金粘接板作为一种轻质高强的材料，被广泛用在飞机、汽车、高速列车等轻量化结构上。研究首先基于纤维/基体微观尺度建立代表性体积单元(RVE)单胞模型，预测单向CFRP的基本弹性力学参数，并通过RVE模型施加宏观单位载荷计算宏-微观应力放大系数。其次考虑纤维基体微观失效准则与演化规律，开发复合材料宏-微观渐进损伤演化程序，再结合金属与复合材料粘接面的损伤模型，建立多尺度损伤机制的CFRP铝合金粘接板冲击仿真模型，并通过实验验证了数值模型的准确性与可靠性。最后通过数值模拟对CFRP铝合金粘接板在不同纤维铺层角度与不同纤维体积分数下的抗冲击行为进行参数化研究，结果表明纤维铺层方向对粘接板的抗冲击力学性能影响不大，而纤维体积分数对结构的冲击行为影响较大。
碳纤维增强聚合物(CFRP)铝合金粘接板作为一种轻质高强的材料，被广泛用在飞机、汽车、高速列车等轻量化结构上。研究首先基于纤维/基体微观尺度建立代表性体积单元(RVE)单胞模型，预测单向CFRP的基本弹性力学参数，并通过RVE模型施加宏观单位载荷计算宏-微观应力放大系数。其次考虑纤维基体微观失效准则与演化规律，开发复合材料宏-微观渐进损伤演化程序，再结合金属与复合材料粘接面的损伤模型，建立多尺度损伤机制的CFRP铝合金粘接板冲击仿真模型，并通过实验验证了数值模型的准确性与可靠性。最后通过数值模拟对CFRP铝合金粘接板在不同纤维铺层角度与不同纤维体积分数下的抗冲击行为进行参数化研究，结果表明纤维铺层方向对粘接板的抗冲击力学性能影响不大，而纤维体积分数对结构的冲击行为影响较大。
