Rotational deformation research of polar braided composite rotor based on variable unit model
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摘要:
极性编织复合材料转子因其轻量化、高径向强度而受到广泛关注，但因其通过引入径向纱形成了特殊的极性编织预制体结构，并产生了极为复杂的力学性能影响。本文针对极性编织预制体结构中径向纱的引入规律，划分出三类代表性体积单元(RVE)，以此构建一种基于变化单元的分析模型。同时，利用桥联模型对变化单元弹性本构进行计算。为进一步探讨极性编织复合材料转子在旋转载荷作用下的力学行为，建立了有限元模型，并对比分析了变化单元模型与均质化模型在三种不同编织参数下的应力和变形特征。结果显示，编织参数不同造成了转子应力集中位置改变；变化单元模型有效描述了转子的结构特征，加纱结构造成了不同单元间的刚度差，因此产生了应力集中现象；随着编织参数改变，局部位置的RVE-c两侧的径向应力平均差值分别为22.4 MPa、37.8 MPa、63.9 MPa，环向应力差值分别为6.5 MPa、10.6 MPa、16.5 MPa；环向纱和径向纱密度增加，分别降低了转子内孔和外缘的应力水平；加纱位置引起了转子应力分布的差异，同时随纱线排列密度变化，其应力分布曲线差异更为显著。
Abstract:Polar braided composite rotors have received extensive attention due to their lightweight and high radial strength. However, due to their complex fiber structure, further research on mechanical properties is urgently needed. In this paper, based on the meso-structure characteristics of the polar braided composite rotor, a variable unit model was constructed, and three representative volume elements (RVE) based on the yarn structure were described. The elastic parameters of the variable unit model were calculated. The accuracy and effectiveness of the variable unit model were verified by tensile experiments. In order to further explore the mechanical behavior of the polar braided composite rotor under rotating load, a finite element model of the rotating deformation of the composite rotor was established, and the stress and deformation characteristics of the variable unit model and the homogenization model under three different braiding parameters were compared and analyzed. The results show that the different braiding parameters cause the change of the stress concentration position of the rotor. Compared with the homogeneous model, the variable unit model describes the yarn structure characteristics of the rotor. The yarn structure causes the stiffness difference between different units and the stress concentration phenomenon. With the change of braiding parameters, the average difference of radial stress on both sides of RVE-c in local position is 22.4 MPa, 37.8 MPa and 63.9 MPa, respectively, and the difference of hoop stress is 6.5 MPa, 10.6 MPa and 16.5 MPa, respectively. The increase of the density of the circumferential yarn and the radial yarn reduces the stress level of the inner hole and the outer edge of the rotor respectively. The difference of rotor stress distribution is caused by the yarn position, and the difference of stress distribution curve is more significant with the change of yarn arrangement density.
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Keywords:
- polarity braiding /
- composite rotor /
- textile structure /
- deformation /
- finite element model
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由于石油资源不可再生，生物基的食品包装材料引起了学术界和工业界的广泛关注。尼龙612 (PA612)是一种半结晶性热塑性聚合物，可由单体己二胺和十二碳二酸缩聚而成，其中十二碳二酸可以从植物油中获得，因此PA612属于半生物基材料[1]。在包装领域，尼龙通常作为软包装应用，其具备优异的力学、耐穿刺、光学、阻隔、耐化学溶剂等综合性能[2]。在尼龙包装薄膜中，尼龙6 (PA6)薄膜应用最广，而PA612与PA6在结构性能上有一定的相似性，且较PA6具有更低的吸湿率和更好的尺寸稳定性[3]。细菌的滋生不仅影响食品新鲜度，还直接影响人体健康，因此尼龙抗菌包装材料的研究与开发受到了普遍重视[4-6]。各种类型的无机抗菌剂，如银类抗菌剂、钛类抗菌剂、锌类抗菌剂、铜类抗菌剂已经开发出来，在PA复合材料上表现出不同程度的抗菌效果[7-12]。
纳米氧化锌(以下简称ZnO)由于其较低的成本、无毒、对环境友好及优异的抗菌性能，被认为是一种有前景的抗菌剂[13]。此外，ZnO已被美国食品和药物管理局(FDA)列为公认安全(GRAS)的材料。目前，针对ZnO纳米颗粒提出的抗菌机制主要有4个方面，即活性氧ROS的生成、Zn2+的离子释放、表面静电相互作用和纳米粒子的内化[14]。Wang等[10]利用原子层沉积(ALD)与水热技术相结合制备了抗菌PA6-ZnO多级纳米纤维，发现其可有效抑制细菌存活。Li等[15]通过熔融共混和热压成型工艺制备纳米氧化锌/高密度聚乙烯(HDPE)复合薄膜并研究其机械和抗菌性能发现，通过添加纳米ZnO颗粒，提高了HDPE薄膜的拉伸强度和断裂伸长率。 ZnO/HDPE纳米复合材料表现出良好的抗菌活性，尤其是对金黄色葡萄球菌。Kim等[16]采用溶液法制备了聚乳酸(PLA)/ZnO纳米复合薄膜，其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌显示出明显的抗菌活性，但具有超过3wt%ZnO含量的生物纳米复合膜由于团聚和分散性差导致表面粗糙和结晶度降低。因此，为充分发挥ZnO的抗菌特性和纳米效应，同时提高其在聚合物基体中的分散性，需要对其进行表面改性。
γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂(KH550)是常用的改性剂，能有效改善纳米粒子在基体中的分散。Li等[17]采用KH550对氧化锌纳米粒子进行改性，发现纳米颗粒的分散性得到了很大的改善，有效地打破了纳米颗粒的团聚现象。截止目前，针对KH550改性纳米ZnO做为抗菌剂在PA612薄膜中应用的相关研究尚未开展。
本文利用KH550湿法改性纳米ZnO (m-ZnO)，然后将m-ZnO加入到PA612基体材料中，通过双螺杆挤出造粒制备了纳米抗菌复合材料，通过挤出流延制备了PA612纳米抗菌复合薄膜。研究了m-ZnO对纳米复合材料热稳定性、结晶行为、力学性能和抗菌性能的影响。
1. 实验材料及方法
1.1 原材料
实验选用的PA612 (Zytel® 151L NC010)熔点为218℃，购自杜邦公司；纳米氧化锌(ZnO)，粒径50 nm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硅烷偶联剂KH550，分子量为221.37 g/mol，安徽泽升科技有限公司；溶菌肉汤(LB肉汤)、琼脂粉，青岛高科技工业园海博生物技术有限公司；大肠杆菌(ATCC25922)、金黄色葡萄球菌(ATCC29213)，上海鲁微科技有限公司。
1.2 m-ZnO/PA612纳米复合材料的制备
利用偶联剂KH550对纳米氧化锌进行改性。将20 g纳米ZnO和500 mL 95%乙醇加入到1000 mL的三口烧瓶中，超声分散30 min，然后搅拌加热至75℃。将2 g KH550预水解1 h后缓慢加入到ZnO溶液中，在75℃下搅拌4 h后终止反应。然后将所得混合物抽滤分离，并用乙醇洗涤3次，以去除过量的KH550。将表面改性的纳米氧化锌(m-ZnO)在真空干燥箱中60℃干燥12 h，最后研磨成粉末备用。
采用熔融复合法制备了含m-ZnO纳米颗粒的PA612纳米复合材料。将所需含量的m-ZnO与PA612在双螺杆挤出机(CTE 35 PLUS，南京科倍隆机械有限公司)中在250℃下熔融共混挤出，然后用流延机(FDHU-35，广东市普同实验分析仪器)以20 r/min的固定转速在270℃下流延成膜，流延膜厚度为(120±10) μm。所制备的m-ZnO/PA612纳米复合材料简称Xm-ZnO/PA612。为了比较，以同样的步骤，将原始的ZnO纳米颗粒与PA612混合，所制备的ZnO/PA612纳米复合材料简称XZnO/PA612，其中X为纳米复合材料中ZnO的质量分数。复合薄膜具体质量配比如表1所示。
表 1 不同ZnO含量的ZnO/PA612抗菌复合膜Table 1. ZnO/PA612 antibacterial composite films with different ZnO contentSample Mass fraction/wt% PA612 m-ZnO ZnO PA612 100 0 0 0.5wt%m-ZnO/PA612 99.5 0.5 0 2wt%
ZnO/PA61298 0 2 2wt%m-ZnO/PA612 98 2 0 4wt%m-ZnO/PA612 96 4 0 6wt%m-ZnO/PA612 94 6 0 Notes: m-ZnO—Modified nano zinc oxide; ZnO—Unmodified nano zinc oxide; PA612—Nylon 612. 1.3 改性ZnO和ZnO/PA612复合膜的表征
傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试：采用Bruker TENSOR II型红外光谱仪进行测试，扫描范围为4000~400 cm−1，波数分辨率为4 cm−1。
扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线能谱(EDX)测试：先将样品在液氮中低温脆断后贴于导电胶，然后将样品在真空条件下喷金，再排布在样品台上观察，电压3 kV。
差示扫描量热仪(DSC)测试：采用德国耐驰公司的DSC214型差式扫描量热仪，取5~10 mg样品，在N2氛围下将样品由25℃加热至280℃，保持5 min去除热历史后降至25℃，各阶段升温速率均为10℃/min。结晶度由下式计算:
Xc=ΔHm(1−wf)ΔH0×100% (1) 其中：∆Hm为熔融焓；wf为m-ZnO的质量分数；∆H0为PA612结晶度为100%对应的熔融焓(258 J/g)[18]。
X射线衍射仪(XRD)测试：采用日本理学的UltimaIV型X射线衍射仪，反射模式，铜靶，管电压为40 kV，管电流为30 mA，测试范围为5°~30°，扫描速率为2°/min。
热重分析仪(TGA)：美国TA仪器公司Q20型，在氮气气氛下进行，试样以10℃/min的升温速率从30℃加热到600℃。
力学性能测试：采用深圳万测实验设备有限公司的ETM-104B型万能力学试验机，通过哑铃裁刀，将薄膜裁为长35 mm、窄部宽2 mm的哑铃型样条。测试前把样条放置在23℃、相对湿度为50%的条件下恒温恒湿处理48 h，测试速度为50 mm/min，取5根样条结果的平均值。
光学测试：采用上海精密科学仪器有限公司的WGT-S透光度雾度测试仪，参照国家标准GB/T 2410—2008[19]，测量薄膜的透光率和雾度。
抗菌活性检测：采用贴膜平板计数法测试样品抗菌率，参照国家标准GB/T 31402—2015[20]。样品处理：将样品裁成5 cm×5 cm大小，覆盖膜裁成4 cm×4 cm大小，先于酒精中浸泡30 min，然后取出放于紫外灯下两面各照射灭菌 30 min，备用。菌液准备：取活化后的菌液10 μL于30 mL液体培养基中，在恒温振荡器上培养16 h后，将菌液稀释约至105 CFU/mL的浓度。共培养：将试样放入无菌培养皿中，用移液管吸取0.4 mL菌液，滴到每个试样表面，并将覆盖膜盖于接种好的菌液上，并向下轻轻按压使菌液均匀扩散，然后盖上培养皿盖，在35℃恒温培养箱中培养24 h。共培养完成后，采用0.85%生理盐水清洗薄膜并进行10倍倍比稀释(本测试采用103、104和105 稀释倍数)，各取100 μL稀释液均匀涂布于LB固体培养基，即倒平板，放于35℃恒温培养箱中静置培养24 h，拍照并记录菌落数。抗菌率计算：
R=A−BA×100% (2) 其中：R为抗菌率；A为空白样菌浓度(未加抗菌剂的纯PA612薄膜)；B为样品的菌浓度。菌浓度(CFU/mL)计算方式：菌落数×稀释倍数×10 (0.1 mL涂布)。
2. 结果与讨论
2.1 ZnO/PA612 复合膜的结构与形貌
ZnO和m-ZnO的FTIR图谱如图1所示，在ZnO图谱中，3000~3700 cm−1处的宽峰对应—OH的伸缩振动，1636 cm−1处的宽峰代表纳米颗粒表面吸附的水分子导致的—OH的弯曲振动，在500 cm−1附近检测到的峰，归因于Zn—O的伸缩振动[21]。 两个新峰2975 cm−1和2931 cm−1对应于KH550的碳氢拉伸振动峰。1016 cm−1处的峰是KH550醇解后羟基与纳米氧化锌表面的羟基缩合反应产生的Si—O—Zn拉伸振动峰[22]。上述结果表明KH550成功接枝到纳米氧化锌上。
进一步地，可以通过SEM图像，直观评估m-ZnO/PA612纳米复合材料中纳米颗粒的分散，如图2所示，其中插入的图片为m-ZnO/PA612纳米复合材料的外观照片，可以看出，纳米ZnO包覆在薄膜内部。从SEM图像中可以看出 2wt%ZnO/PA612 (含2wt%未改性ZnO)表现出明显的颗粒团聚。与 2wt%ZnO/PA612相比，改性ZnO颗粒在PA612基体中的分散性要好得多。然而，m-ZnO的添加量相对较高(4wt%和6wt%)时，由于纳米颗粒的大比表面积，在断裂表面出现了轻微的团聚(图中圆圈)。综上所述，偶联KH550可以有效提高纳米ZnO 在PA612基体中的分散性，但随着 m-ZnO 含量增加至4wt%，纳米颗粒会部分团聚。
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图 2 ZnO含量2wt%和不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的脆断截面SEM图像及外观图片Figure 2. Fracture cross section SEM images and appearance pictures of PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents and ZnO content 2wt%2wt%m-ZnO/PA612的SEM图像如图3所示，对应的EDX光谱证实了2wt%m-ZnO/PA612的化学成分，在锌元素和氧元素处有两个尖锐的信号峰。此外，还观察到氮和硅元素的信号峰，这可能是由于接枝KH550的存在，这也印证了KH550的成功接枝。从图3中的EDX映射图像可以看出，Zn元素分布均匀，表明m-ZnO均匀地分布在纳米复合膜中。
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图 3 2wt%m-ZnO/PA612的SEM图像和EDX映射元素Zn、Si、N和O图谱Figure 3. SEM images of 2wt%m-ZnO/PA612 and EDX mapping elements Zn, Si, N and O2.2 ZnO/PA612复合膜的结晶性能
图4显示了PA612及其纳米复合材料的熔融结晶行为。图4(a)中m-ZnO/PA612纳米复合材料的熔融峰温度(Tm)与纯PA612相比都略微下降。从图4(b)中可以观察到m-ZnO/PA612纳米复合材料的结晶峰温度(Tc)都向较高的值移动。这些结果表明，在结晶过程中，m-ZnO的存在有助于促进晶体的成核。
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图 4 PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的DSC图谱：(a) 升温；(b) 降温Figure 4. DSC curves of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents: (a) Heating procedure; (b) Cooling procedure表2列出了PA612及其纳米复合材料的Tc、Tm、熔融焓(∆Hm)、结晶度(Xc)。可见，m-ZnO/PA612纳米复合材料的结晶度均高于纯PA612，在m-ZnO添加量为2wt%时，其结晶度相较于纯PA612提高了4.1%，可见m-ZnO的加入可以促进PA612结晶，这是由于m-ZnO具有异相成核的作用[23]。然而，m-ZnO/PA612纳米复合材料的结晶度随m-ZnO含量的增加先增大后有所下降。这是由于随着m-ZnO含量增大，产生了部分团聚，降低了其成核作用[24]。
表 2 PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的DSC热分析数据Table 2. DSC thermal analysis data of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contentsSample Tm/℃ Tc/℃ ΔHm/(J·g−1) Xc/% PA612 222.86 186.26 61.22 23.73 0.5wt%m-ZnO/PA612 220.37 187.09 70.68 27.53 2wt%m-ZnO/PA612 221.67 187.34 70.36 27.83 4wt%m-ZnO/PA612 221.29 186.99 66.99 26.93 6wt%m-ZnO/PA612 220.97 186.14 65.61 26.88 Notes: Tm—Melting peak temperature; Tc—Crystallization peak temperature; △Hm—Melting enthalpy; Xc—Crystallinity. m-ZnO/PA612纳米复合材料的XRD图谱如图5所示。PA612中观察到2θ=21°的衍射峰，对应于PA612的γ晶型[25]。与纯PA612相比，m-ZnO/PA612纳米复合材料的衍射峰没有明显的位移或变化，表明m-ZnO的加入对PA612的晶型结构没有影响。
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图 5 PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的XRD图谱Figure 5. XRD patterns of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents2.3 ZnO/PA612复合膜的热稳定性能
通过热重分析(TGA)研究了m-ZnO含量对PA612热稳定性的影响，结果如图6所示。m-ZnO的加入对PA612纳米复合材料的热稳定性没有很大的影响。
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图 6 PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的TGA热重曲线Figure 6. TGA curves of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents表3列出了失重分别为5wt% (T5%)和 50wt% (T50%)时的温度及600℃ 时的残炭率。可以发现T5%几乎没有变化，表明无论 m-ZnO 含量如何，所有 PA612 纳米复合材料的热稳定性都较好。在PA612 基体中添加m-ZnO 后，T50%温度向较低温度移动。热稳定性的降低可能与高温下ZnO在增强型基质上的催化活性有关[26]。此外，ZnO 纳米粒子可以诱导聚合物-ZnO界面中周围碳的氧化分解[27]。随着m-ZnO 含量的增加，m-ZnO/PA612纳米复合材料在 600℃的炭产率逐渐增加。
表 3 PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的热稳定性Table 3. Thermal stability of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contentsSample T5%/℃ T50%/℃ Char yield at 600℃/wt% PA612 398.9 450.0 2.3 0.5wt%m-ZnO/PA612 400.4 446.0 2.7 2wt%m-ZnO/PA612 397.2 443.0 3.5 4wt%m-ZnO/PA612 399.3 446.7 4.7 6wt%m-ZnO/PA612 398.6 446.3 7.8 Notes: T5% and T50%—Temperature when the weight loss of the samples is 5wt% and 50wt%, respectively. 2.4 ZnO/PA612复合膜的力学性能
PA612及其纳米复合材料的典型应力-应变曲线如图7所示。表4总结了拉伸应力、杨氏模量和断裂伸长率。可以看出所有试样的应力-应变曲线分为弹性、塑性变形和应变硬化3个区域。首先弹性区域具有可恢复变形的线性变化，在塑性变形区将形成颈部。随后应变硬化区出现应变硬化的现象。可见纳米氧化锌作为刚性填料改变了基体的应力场。
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图 7 PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的拉伸应力-应变曲线Figure 7. Tensile stress versus strain curves of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents当添加2wt%m-ZnO时，m-ZnO/PA612纳米复合材料的拉伸强度达到最大值，与纯PA612相比提高了15%。随后拉伸强度有所下降。这是由于纳米氧化锌极高的表面能，当含量较高时，由于其较强的相互吸附作用，导致出现明显的团聚现象(图3)，从而降低了m-ZnO/PA612势同拉伸强度一样，在m-ZnO含量为2wt%达到最大。m-ZnO/PA612纳米复合材料的断裂伸长率较PA612略有下降。这是由于纳米ZnO提高了m-ZnO/PA612纳米复合材料的结晶度，使材料变脆，此外m-ZnO在m-ZnO/PA612基体中会引起应力集中，从而使其韧性变差。
2.5 ZnO/PA612复合膜的光学性能
m-ZnO/PA612纳米复合膜的透光率和雾度如图8所示。随着m-ZnO含量的增加，复合膜的透光率随之降低，雾度与之相反，这是由于纳米氧化锌在基体中团聚，会影响光的传输，从而产生光散射，导致透光率的降低。
2.6 ZnO/PA612复合膜的抗菌性能
m-ZnO/PA612纳米复合膜对大肠杆菌的抗菌活性如图9所示，抗菌率数据列于表5。结果表明：m-ZnO的加入使PA612纳米复合材料具有抗菌活性。此外，随着m-ZnO含量的增加，抗菌率逐渐增大，在m-ZnO含量达到4wt%时，其抗菌率达到93.25%。这些结果可以归结为纳米氧化锌具有优越的抗菌性能。对于ZnO抗菌机制的研究比较成熟，主要解释为两种，金属离子溶出机制和光催化反应机制[28]。当有紫外光照射时，会在ZnO纳米结构的表面形成电子空穴对，这些电子和空穴经过与水分子和氧分子反应生成活性氧，能降解大多数微生物中的有机物，从而杀死细菌，而ZnO粒径大小决定了光催化反应效率，其抗菌活性随粒径减小而增大。2wt%ZnO/PA612在尼龙基体中团聚使其相对粒径增大，2wt%m-ZnO/PA612在尼龙基体中较2wt%ZnO/PA612分散更好，从而使其抗菌效果更佳。因此2wt%m-ZnO/PA612对大肠杆菌的抗菌率远远大于2wt%ZnO/PA612。
表 4 PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的拉伸性能Table 4. Tensile properties of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contentsSample Tensile stress/MPa Young’s modulus/MPa Elongation at break/% PA612 93.95±5.55 685.11±50.97 392.77±13.70 0.5wt%m-ZnO/PA612 93.06±4.56 543.66±39.20 378.30±11.08 2wt%m-ZnO/PA612 108.13±1.76 889.70±60.78 305.23±10.13 4wt%m-ZnO/PA612 84.31±8.35 422.97±94.12 371.85±27.97 6wt%m-ZnO/PA612 83.06±10.85 486.79±71.10 325.38±32.66 ![]()
图 8 PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的光学性能Figure 8. Optical properties of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents![]()
图 9 PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料对大肠杆菌的抗菌测试结果照片Figure 9. Photos of antibacterial test results of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents against Escherichia coli表 5 PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料膜对大肠杆菌的抑菌活性Table 5. Antibacterial activity of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents membranes against Escherichia coliSample Bacteria concentration/
(CFU·mL−1)Antibacterial rate R/% PA612 5.48×106 0.00 0.5wt%m-ZnO/PA612 3.89×106 29.01 2wt%ZnO/PA612 1.43×106 73.91 2wt%m-ZnO/PA612 5.30×105 90.33 4wt%m-ZnO/PA612 3.70×105 93.25 6wt%m-ZnO/PA612 2.50×105 95.44 m-ZnO/PA612纳米复合膜对金黄色葡萄球菌的抗菌活性如图10所示，抗菌率数据列于表6。结果表明：同纳米抗菌复合膜对大肠杆菌的抗菌活性相似，随着m-ZnO含量的增加，m-ZnO/PA612纳米复合膜对金黄色葡萄球菌的抗菌率逐渐增大，在m-ZnO含量达到4wt%时，其抗菌率达到90%以上，在m-ZnO含量较高时，m-ZnO/PA612纳米复合薄膜对大肠杆菌的抑菌效果优于金黄色葡萄球菌。这可能是由于革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌的肽聚糖膜比革兰氏阴性菌大肠杆菌厚得多[29]。
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图 10 PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料对金黄色葡萄球菌的抗菌测试结果照片Figure 10. Photos of antibacterial test results of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents against Staphylococcus aureus表 6 PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料膜对金黄色葡萄球菌的抑菌活性Table 6. Antibacterial activity of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents membranes against Staphylococcus aureusSample Bacteria concentration/
(CFU·mL−1)Antibacterial
rate R/%PA612 5.35×106 0.00 0.5wt%m-ZnO/PA612 3.60×106 32.71 2wt%ZnO/PA612 1.73×106 67.66 2wt%m-ZnO/PA612 9.40×105 82.43 4wt%m-ZnO/PA612 4.80×105 91.03 6wt%m-ZnO/PA612 3.60×105 93.27 3. 结 论
(1) 利用γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂(KH550)改性纳米ZnO颗粒(m-ZnO)，SEM观察发现未改性纳米ZnO在尼龙612 (PA612)基体中出现较大团聚，而m-ZnO纳米粒子在PA612基体中均分散良好。
(2) m-ZnO作为成核剂可以促进PA612的结晶，m-ZnO添加量为2wt%时，结晶度提高了4.1%。m-ZnO的存在对PA612热稳定性的影响较小。
(3) 适量m-ZnO的加入对PA612有增强作用，在m-ZnO添加量为2wt%时，PA612纳米复合材料的拉伸强度较纯PA612提高了15%。
(4) m-ZnO的加入使PA612对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌大肠杆菌都具有抗菌活性，在m-ZnO添加量超过4wt%时，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均达到90%以上。
(5) 通过挤出流延法制得的半生物基PA612纳米复合抗菌薄膜不但具有良好的抗菌性能和热稳定性能，且力学性能优良，加工工艺简单，有利于工业化生产，在食品、药品等包装领域有一定的应用前景。
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图 1 极性编织预制体结构及其细观几何结构模型
Figure 1. Polar braided preform structure and mesoscopic geometric structure model
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图 2 极性编织复合材料转子的变化单元模型划分示意图
Figure 2. Schematic diagram of the variable unit model division of the polar braided composite rotor
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图 3 典型单元RVE-a的纱线交织结构示意图
Figure 3. The yarn interwoven structure diagram of typical unit RVE-a
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图 4 极坐标系下扇形单元微分体受力情况
Figure 4. Force situation of sector unit cell differential body in polar coordinate system
ρ —Polar radius of polar coordinate system; ϕ —Polar angle of polar coordinate system; subscript ρ —Radial direction; subscript ϕ —Circumferential direction; F —Force on the unit; σ —Axial stress; τ —Shear stress
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图 5 不同参数及类型的扇形模型材料分区示意图
Figure 5. Different parameters and types of sector model material partition diagram
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图 7 极性编织复合材料转子的变化单元模型和均质化模型的应力分布
Figure 7. Stress distribution of the variable unit model and homogenization model of the polar braided composite rotor
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图 8 极性编织复合材料转子的变化单元模型和均质化模型路径下的应力分布情况
Figure 8. Stress distribution of the variable unit model and homogenization model of the polar braided composite rotor in the path
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图 9 极性编织复合材料转子的不同单元类型的径向和环向模量差异
Figure 9. Radial and circumferential modulus differences of different unit types of polar braided composite rotors
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图 10 极性编织复合材料转子的变化单元模型局部位置应力云图
Figure 10. Stress cloud diagram of the local position of the variable unit model of the polar braided composite rotors
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图 11 不同编织密度参数的极性编织复合材料转子的径向应力、环向应力和位移分布
Figure 11. Radial stress, circumferential stress and displacement distribution of polar braided composite rotors with different braiding density parameters.
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图 12 极性编织复合材料转子的变化单元模型不同路径下的应力分布
Figure 12. Stress distribution of the variable unit model of the polar braided composite rotor in different paths
表 1 拉伸试样的基本材料参数
Table 1 Material parameters of tensile specimens
Test type Type1 Type2 Radial yarn fiber T800 carbon fiber Radial yarn arrangement density 10 yarns/10 mm 12 yarns/10 mm Circumferential yarn fiber T800 carbon fiber Circumferential yarn arrangement density 6 yarns/10 mm 4 yarns/10 mm Ef11/GPa 294 Ef22/GPa 19.3 Gf12/GPa 43.5 vf12 0.29 Em11/GPa 2.4 Gm12/GPa 1.3 vm 0.3 Notes: E —Tensile modulus; G —Shear modulus; ν —Poisson's ratio; subscript1, 2, 3 —Longitudinal, transverse and thickness directions of materials; Superscript f —Fiber; Superscript m —Matrix. 
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表 2 拉伸试样测试结果和弹性参数计算值的对比情况
Table 2 Comparison of tensile specimen test results and calculated values of elastic parameters
Test/GPa Variable unit model
analysis/GPaVariable unit model
Analysis error/%Homogenization
model analysis/GPaHomogenization model
Analysis error/%Type 1 35.3 37.9 7.3 40.1 13.6 Type 2 40.8 44.2 8.3 46.8 14.7
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表 3 极性编织复合材料转子材料参数
Table 3 Material parameters of polar braided composite rotor
Type Radial yarn arrangement
densityCircumferential yarn
arrangement densityRVE Density/(g·cm−3) E11/MPa E22/MPa G12/MPa W3R7 3 yarns/10 mm 7 yarns/10 mm RVE-a 1.3711 25392.0 60598.0 2150.5 RVE-b 1.3719 24122.4 62795.9 2155.2 RVE-c 1.3005 5027.1 63387.0 1780.9 W5R5 5 yarns/10 mm 5 yarns/10 mm RVE-a 1.3710 42717.0 43848.0 2150.1 RVE-b 1.3718 40581.2 45438.3 2152.5 RVE-c 1.2524 4751.8 45866.1 1572.2 W7R3 7 yarns/10 mm 3 yarns/10 mm RVE-a 1.3707 60109.0 27314.0 2149.3 RVE-b 1.3716 57103.6 28304.7 2151.2 RVE-c 1.2044 4465.3 28571.1 1391.3
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-
[1] 罗潇, 徐友良, 郭小军, 等. 涡轮发动机用陶瓷基复合材料涡轮转子研究进展[J]. 推进技术, 2021, 42(1) : 230-240. LUO Xiao, XU Youliang, GUO Xiaojun, et al. Research progress of ceramic matric composites turbine rotors for turbine engines[J]. Journal of Propulsion Technology, 2021, 42(1): 230(in Chinese).
[2] HA S K, YOON Y B, HAN S C. Effects of material properties on the total stored energy of a hybrid flywheel rotor[J]. Archive of Applied Mechanics, 2000, 70(8-9): 571-584. DOI: 10.1007/s004190000087
[3] HA S K, KIM D J, SUNG T H. Optimum design of multi-ring composite flywheel rotor using a modified generalized plane strain assumption[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2001, 43(4): 993-1007. DOI: 10.1016/S0020-7403(00)00047-3
[4] FABIEN B C. The influence of failure criteria on the design optimization of stacked-ply composite flywheels[J]. Structural Multidisciplinary Optimization, 2007, 33(6): 507-517. DOI: 10.1007/s00158-006-0058-2
[5] 陈和春. 回转体仿形机织物的织造研究[D]. 天津工业大学, 2007. CHEN Hechun. Research on the weaving of rotary bodyshaped machine fabric[D] Tiangong University, 2007(in Chinese).
[6] 郭兴峰. 飞轮缠绕用圆环织物的设计[J]. 纺织学报, 2007, 28(7): 52. DOI: 10.3321/j.issn:0253-9721.2007.07.014 Guo Xingfeng. Design of annular woven fabric used for composite flywheel winding[J]. Journal of Textile Research, 2007, 28(7): 52(in Chinese). DOI: 10.3321/j.issn:0253-9721.2007.07.014
[7] HIROSHIMA N, HATTA H, KOYAMA M, et al. Spin test of three-dimensional composite rotor for flywheel energy storage system[J]. Composite Structures, 2016, 136: 626-634. DOI: 10.1016/j.compstruct.2015.10.035
[8] HIROSHIMA N, HATTA H, C J Y, et al. Stiffness degradation effects on disk-shaft connection behavior of a three-dimensionally carbon fiber reinforced composite rotating disk ScienceDirect[J]. Composite Structures, 2020, 234: 111660 DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111660
[9] DAI X, WANG Y, TANG C, et al. Mechanics analysis on the composite flywheel stacked from circular twill woven fabric rings[J]. Composite Structures, 2016, 155: 19-28. DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.07.061
[10] HIROSHIMA N, HATTA H, KOYAMA M, et al. Optimization of flywheel rotor made of three-dimensional composites[J]. Composite Structures, 2015, 131: 304-311. DOI: 10.1016/j.compstruct.2015.04.041
[11] 陈利, 焦亚男, 景媛媛. 一种平面极坐标圆形织物的织造方法及设备[P]. 中国专利, CN201810727285.7, 2021-11-16. CHEN Li, JIAO Yanan, JING Yuanyuan. A method and device for weaving planar polar coordinate circular fabrics[P]. Chinese patent, CN201810727285.7, 2021-11-16(in Chinese).
[12] 左惟炜. 三维编织复合材料力学性能与工程应用研究[D]. 华中科技大学, 2006. ZUO Weiwei. Research on Mechanical Properties and Engineering Application of 3-D Braided Composites[D]. Huazhong University of Science and Technology, 2006(in Chinese).
[13] WANG Y, DAI X, WEI K, et al. Progressive failure behavior of composite flywheels stacked from annular plain profiling woven fabric for energy storage[J]. Composite Structures, 2018, 194: 377-387. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.04.036
[14] 戴兴建, 魏鲲鹏, 汪勇. 平纹机织叠层复合材料飞轮弹性参数预测及测量[J]. 复合材料学报, 2019, 36(12): 2833-2842. DAI Xingjian, WEI Kunpeng, WANG Yong. Elastic parameters prediction and measurement of plain woven laminated composite flywheel[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2019, 36(12): 2833-2842(in Chinese).
[15] 郭小军. 仿蛛网结构SiCf/SiC整体涡轮叶盘设计, 制备及验证[D]. 中南大学, 2023. GUO Xiaojun. Design, fabrication and verification of spider web-like SiCf/SiC monolithic turbine disk [D]. Central South University, 2023(in Chinese).
[16] 梁军, 黄富华, 杜善义. 周期性单胞复合材料有效弹性性能的边界力方法[J]. 复合材料学报, 2010, 27(2): 108-112. LIANG Jun, HUANG Fuhua, DU Shanyi. Boundary force method to predict effective elastic properties of periodical unit cell composite material[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2010, 27(2): 108-112(in Chinese).
[17] 朱俊, 桂林, 李果, 等. 基于结构参数的平纹机织复合材料等效弹性性能预测[J]. 复合材料学报, 2023, 40(2): 804-813. ZHU Jun, GUI Lin, LI Guo, et al. Prediction of the effective elastic properties for plain woven fabric composite based on the structural parameters[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(2): 804-813(in Chinese).
[18] BACARREZA O, ALIABADI M H, APICELLA A. Multi-scale failure analysis of plain-woven composites[J]. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 2012, 47(6): 379-388. DOI: 10.1177/0309324712448301
[19] 谷元慧, 王曙东, 张典堂. 基于多尺度模型的编织复合材料圆管扭转行为有限元模拟[J]. 纺织学报, 2023, 44(12): 88-95. GU Yuanhui, WANG Shudong, ZHANG Diantang. Finite element simulation of torsion behavior of braided composite tube based on multi scale model[J]. Journal of Textile Research, 2023, 44(12): 88-95(in Chinese).
[20] 黄争鸣. 复合材料的力学理论[J]. 复合材料学报, 2023, 40(6): 3090-3114. HUANG Zhenming, Mechanics theories for composite materials[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(6): 3090-3114(in Chinese).
[21] 吴利伟. 四步法三维编织复合材料弯曲疲劳性质及损伤演化有限元分析[D]. 东华大学, 2014. WU Liwei. Finite Element Analysis on Bending Fatigue and Damage Evolution of Three dimensional Four-step Braided Composite Materials[D]. Donghua University, 2014 (in Chinese).
[22] Huang Z M. On micromechanics approach to stiffness and strength of unidirectional composites[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2019, 38(4): 167-196. DOI: 10.1177/0731684418811938
[23] JIANG Q, CHEN H, CHEN L, et al. Experimental and Finite Element Simulation of Torsional Performance of Skin-core Carbon Fiber-reinforced Composite Rod[J]. Applied Composite Materials, 2023, 30(4): 1123-1140. DOI: 10.1007/s10443-022-10090-9
[24] American Society for Testing Materials. Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials ASTM-D3039/ D3090M-2007[S]. United States: American Society for Testing Materials International, 2007-12-15.
[25] GUO Q, ZHANG Y, LI D, et al. Tensile properties and failure mechanism of 3D woven composites containing holes of different geometries[J]. Thin-Walled Structures, 2021, 166: 108115. DOI: 10.1016/j.tws.2021.108115
-
期刊类型引用(6)
1. 耿乾浩，徐晓云，李冰晶. 矿用聚氨酯注浆材料反应热控制技术研究进展. 化工进展. 2025(01): 319-328 . 
百度学术
2. 吴连锋，朱洪宇，申小松，朱艳吉，汪怀远. 1, 5-萘二酚改性环氧树脂及其氮化硼复合材料的制备与导热性能. 中国表面工程. 2024(01): 110-117 . 百度学术
3. 杨承伟，王玉斌，傅伟强，王煦. 纳米材料改性聚对苯二甲酸乙二醇酯的研究进展. 塑料科技. 2024(01): 112-116 . 百度学术
4. 王世民，温变英. 模压氮化硼/聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料的导热机制与散热效果. 复合材料学报. 2023(01): 160-170 . 本站查看
5. 石贤斌，张帅，陈超，聂向导，班露露，赵亚星，刘仁，桑欣欣. 氮化硼纳米片的绿色制备及其在导热复合材料中的应用. 复合材料学报. 2023(08): 4558-4567 . 本站查看
6. 郑舒方，王玉印，郭兰迪，靳玉岭. 具有三维连续网络结构的聚合物基导热复合材料研究进展. 复合材料学报. 2023(12): 6528-6544 . 本站查看
其他类型引用(8)
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目的
极性编织复合材料转子以其轻量化和高径向强度的特点备受广泛关注。然而，随着半径增大而引入的径向纱会形成非均匀结构的预制体，进而产生更为复杂的力学性能影响。因此，需要构建一种能够精确表述这类结构变化的极性编织模型，以便深入探究其力学性能。本文构建了一种基于变化单元的分析模型，该模型能够更有效地描述极性编织复合材料的细观结构，并深入探究极性编织复合材料转子在旋转载荷作用下的变形行为。
方法本文首先针对极性编织结构中径向纱的引入规律，构建出三类具有代表性的体积单元(RVE)，通过组合实现完整的极性编织复合材料分析模型。同时，利用桥联模型对变化单元的弹性本构进行计算，并采用单轴拉伸试验对单元本构予以验证。然后对比均质化模型，分析极性编织复合材料转子在旋转载荷作用下的变形行为。最后揭示出编织密度参数对复合材料转子力学性能的影响。
结果利用变化单元所构建的极性编织复合材料转子分析模型与实验结果具有良好的一致性，误差值分别为 7.3% 和 8.3%。三类结构应力分布也有所不同，其中 W5R5、W7R3 的应力峰值出现在转子内孔，而 W3R7 的应力峰值则产生于转子盘身。此外，均质化模型由于缺乏变化单元模型的加纱结构特征，其计算得出的内孔应力结果比对应参数的变化单元模型分别高出 4.2MPa、10.1MPa 和 27.3MPa。加纱所引起的单元间结构差异导致了刚度差，径向纱排列密度越低，单元的刚度差就越小。W3R7、W5R5、W7R3 三类参数的 RVE-c 两侧的径向应力平均差值分别为 22.4MPa、37.8MPa、63.9MPa，环向应力差值分别为 6.5MPa、10.6MPa、16.5MPa。W3R7、W5R5、W7R3 因加纱引起的最大应力差值分别为 4.1MPa、6.0MPa、6.5MPa。
结论(1)运用几何方法对极性编织复合材料转子的三类细观结构进行了描述，实现了变化单元模型单元结构特征的参数化表征。通过拉伸实验对已建立的极性编织复合材料转子弹性本构关系进行了验证，结果表明变化单元模型与拉伸试验结果具有良好的一致性。(2)由于径向纱与环向纱的排列密度存在差异，使得转子的应力集中位置发生了改变。其中，W5R5、W7R3 的应力峰值出现在转子内孔，而 W3R7 的应力峰值则产生于转子盘身。均质化模型缺少变化单元模型的加纱结构特征，使得其内孔的应力计算结果高于变化单元模型。(3)变化单元模型描述了加纱的结构特征，加纱引起的单元结构差异导致了刚度差，并使得单元间产生了应力集中。径向纱排列密度越低，单元的刚度差就越小，应力集中现象表现越不明显。(4)转子旋转变形的主要应力由环向纱承担，其内孔变形量也仅由环向纱控制。径向纱的密度增加，可减弱转子外缘的变形量，降低转子外缘的应力水平。(5)不同的加纱位置引起了转子应力分布的差异。随着加纱数量的增加，转子的应力不匀表现更为显著。
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极性编织复合材料转子因其轻量化、高径向强度被广泛应用于储能飞轮、涡轮转子等高速大转动惯量部件。其极性编织预制体通过引入径向纱形成了特殊结构，实现了对极性编织预制体的局部纱线配比、编织密度等预制体参数的可设计性。但引入新纱线的方式和编织密度变化对其产生了更为复杂的力学性能影响。因此，需要进一步完善极性编织结构模型用于对其力学性能的探究。
本研究针对极性编织结构中径向纱的引入规律，划分出三类代表性体积单元，以此构建一种基于变化单元的分析模型，从而更为有效地描述极性编织复合材料的细观结构。与此同时，本研究利用桥联模型对变化单元弹性本构进行计算，进一步通过有限元方法深入探究极性编织复合材料转子在旋转载荷作用下的的变形行为，以及编织密度参数对复合材料转子力学性能的影响。
极性编织预制体结构及其细观几何结构模型
Polar braided preform structure and mesoscopic geometric structure model
极性编织复合材料转子的变化单元模型划分示意图
The schematic diagram of the variable unit model division of the polar braided composite rotor
计量
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