碳纤维/环氧树脂拉扭多耦合效应层合板设计与试验验证

崔达; 张鸣昊; 李道奎

doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20240716.003

碳纤维/环氧树脂拉扭多耦合效应层合板设计与试验验证

崔达^{1, 2, 3},
张鸣昊^{1, 3},
李道奎^{1, 3, ,}

1.
国防科技大学　空天科学学院，长沙 410073
2.
兰州大学　土木工程与力学学院，兰州 730000
3.
空天任务智能规划与仿真湖南省重点实验室，长沙 410073

基金项目: 国家自然科学基金 (12302197)；国防科技大学青年自主创新科学基金项目(ZK2023-38)

详细信息

通讯作者:
李道奎，博士，教授，博士生导师，研究方向为航天结构分析与设计、复合材料结构力学　E-mail: lidaokui@nudt.edu.cn

中图分类号: TB332；O341
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出版历程
- 收稿日期: 2024-05-15
- 修回日期: 2024-06-21
- 录用日期: 2024-07-03
- 网络出版日期: 2024-07-18
- 发布日期: 2024-07-16
- 刊出日期: 2025-04-14

Design and experimental verification of carbon fiber/epoxy resin multi-coupling laminates with extension-twisting coupling effect

CUI Da^{1, 2, 3},
ZHANG Minghao^{1, 3},
LI Daokui^{1, 3, ,}

1.
College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2.
School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
3.
Hunan Key Laboratory of Intelligent Planning and Simulation for Aerospace Missions, Changsha 410073, China

Funds: National Natural Science Foundation of China (12302197); Youth Independent Innovation Science Fund Project of National University of Defense Technology (ZK2023-38)

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摘要

摘要:
针对碳纤维/环氧树脂(Carbon fiber reinforced epoxy resin，CF/EP )拉扭多耦合效应层合板湿热稳定机制不明、耦合效应不强的问题，开展碳纤维/环氧树脂拉扭多耦合效应层合板设计与试验验证研究。引入复合材料层合板的几何因子，推导了拉扭多耦合效应层合板湿热稳定条件。基于湿热稳定条件，建立了拉扭多耦合效应层合板的非对称铺层优化设计模型，利用遗传算法-序列二次规划(Genetic algorithm-sequential quadratic program，GA-SQP)混合优化算法求解得到了拉扭耦合效应最大的层合板的铺层角度规律。基于三维数字图像相关方法(Three-dimension digital image correlation，3D-DIC)完成了层合板拉扭耦合效应的测量试验。数值仿真和试验结果表明，当拉扭多耦合效应层合板的铺层角度满足其湿热稳定条件时，层合板不会发生固化变形；多耦合效应的引入能够显著提升层合板的拉扭耦合效应，最大可达30%以上。
- 湿热稳定 /
- 拉扭多耦合效应层合板 /
- 优化设计 /
- 试验验证 /
- 几何因子 /
- 鲁棒性分析
Abstract:
In order to reveal the mechanism of hygro-thermal stability and solve the problem of insufficient coupling effect, the design and experimental verification of carbon fiber/epoxy resin (CF/EP) multi-coupled laminates with extension-twisting coupling effect were carried out. The geometric factors of the laminates were introduced, and the conditions for hygro-thermal stability of the multi-coupled laminates with extension-twisting coupling effect were deduced. Based on these conditions, the optimal design model of multi-coupled laminates with extension-twisting coupling effect was established. Genetic algorithm-sequential quadratic program (GA-SQP) hybrid optimization algorithm was used to optimize the stacking sequence of the laminates with the maximum extension-twisting coupling effect. Based on three-dimension digital image correlation (3D-DIC), the extension-twisting coupling effect of the laminates was measured. The numerical simulation and experimental results show that the multi-coupled laminates with extension-twisting effect will not undergo curing deformation when the stacking sequences meet the conditions of hygro-thermal stability. The introduction of multi-coupling effects can significantly improve the extension-twisting coupling effect of laminates and maximum increase is over 30%.
- hygro-thermal stability /
- multi-coupled laminates with extension-twisting coupling effect /
- optimization design /
- experimental verification /
- geometrical factor /
- robust analysis

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四环素广泛应用在医疗救治、农业生产、畜牧业管理以及水产养殖等多个关键领域^[1-4]。然而，四环素所拥有的高稳定化学性质，使其在生物体内吸收和代谢效率低下，造成大量抗生素残留物质在自然环境中积聚，传统的处理技术往往难以达到优异的去除效果。光催化技术降解有机污染物技术因其能够实现高效转化、绿色环保、运行稳定等一系列优越特性，受到了科研界的广泛关注与推崇，被认为是未来解决环境污染问题最具潜力的技术路径之一^[5-7]。

晶态红磷(cRP)作为一种廉价、易得且低毒的半导体材料，其结构特性赋予了它良好的光催化性能和可见光响应在光催化领域展现出了独特的优势^{[6, 8-10]}。在光的照射下，当光子的能量大于禁带间隙时，红磷价带上的光生电子实现跃迁，到导带上产生光生空穴，实现电荷分离。随后，红磷表面的光生电子被捕获并生成具有超强还原性的 ${\text{•}} \text{O}_{2}^{-}$ 。尽管红磷具有实际应用的潜力，但其催化活性受限于导电性差、光生电子空穴复合较快、活性位点少等不足。通过改进制备方法、优化光催化剂的结构以及与其他材料进行复合等方式，有望进一步提升红磷的光催化性能。如Liu等^[11]通过超声剥离将晶态红磷从块体转化成了纤维状结构，提高了红磷的接触面积。Shen等^[12]通过在制备时加入Si片的方法控制合成不同类型的晶态红磷，优化了晶态红磷的结构。

构建异质结是将光催化剂与相匹配的其他材料结合，是优化光催化性能的一种常用且有效的方法^[13-14]。通过此方法可以得到具有更多活性位点和自由基产生的光催化剂^[15]，可以提高红磷光催化剂的氧化能力和还原能力，使其能够更有效地降解污染物。在构建异质结时，需要选择与红磷带隙结构相匹配的材料，以确保两者之间能够形成紧密的结合，并实现有效的电子传输和分离。

金属有机骨架(Metal-organic frameworks，MOFs)作为一种新兴的微介孔杂化材料，以其独特且丰富的结构特征，在光催化领域成为了研究热点。在MOFs材料中MIL^[15-17]系列、IRMOF^[18-21]系列、ZIF^[18-21]系列、UiO^[22-28]系列和PCN系列等，都以其独特的结构和性能在各个领域发挥着重要作用。在MOFs中，铁基MOFs (MIL家族)以其孔隙率大、比表面积大、成本效益高和环境友好等特性，在光催化领域引起了广泛关注。然而， MOFs材料在水热条件下的稳定性较差，这在一定程度上限制了其在光催化领域的应用。如2020年，Lei等^[15]采用简单的低温溶剂热法制备了MIL-101(Fe)与非金属红磷的Z型异质结复合材料，表现出了不错的光催化性能。

本文结合晶态红磷纳米带(cRP NRs)和MIL-101-NH₂两者的优点，通过构造异质结的方法将其进行复合，来提高光催化性能以及材料稳定性，以进一步实现对有机污染物的高效降解。首先制备出晶态红磷纳米带，随后再以2-氨基对苯二甲酸为配体制备MIL-101-NH₂铁基MOF材料。然后将cRP NRs与MIL-101-NH₂通过溶剂热法制备出复合材料。为了确定该复合材料的成功合成，本文通过SEM、TEM和XRD等表征来对复合材料进行了验证，并对其形貌结构进行了深入分析。然后在光催化降解四环素中的实验中确定了复合材料的最佳比例和其优秀的降解效果。此外，本文还通过XPS表征分析电子在复合材料中的转移情况，通过固体紫外吸收光谱和Mott-Schottky曲线得到复合材料的禁带宽度和价带导带信息，确定了复合材料形成的异质结类型。通过上述工作，可以充分地证明cRP NRs/MIL-101-NH₂这种新型复合材料在光催化降解中优秀的性能和出色的稳定性，并为之后制备催化效果能加优异的复合材料提供了更多的选择。

1. 实验部分

1.1 原材料

商业红磷(Red phosphorus，RP)、I₂ (Iodine)、FeCl₃·6 H₂O、2-氨基对苯二甲酸(2-aminoterephthalic acid)、硝酸银(Silver nitrate，AgNO₃)、氢氟酸(Hydrofluoric acid，HF)、甲基橙(Methyl orange，MO)和四环素(Tetracycline，TC)均从上海阿拉丁生化科技股份有限公司采购。所使用的商业硅片来自浙江立晶，为p-Si (100)型。

1.2 表征仪器

采用美国赛默飞FEI Inspect F50扫描电子显微镜进行形貌测试。该仪器配备了EDAX超辛烷值检测器，在测试过程中，设置了扫描范围为500 nm至10 μm。采用了美国赛默飞FEI Talos F200S透射电镜仪器进行分析。在测试过程中，设定了扫描范围为5 nm至1 μm。选取需要测试的样品，随后将其加入无水乙醇中，利用超声波将溶液中的样品充分分散。分散完成后，将溶液中的样品转移到超薄铜网上。经过调校后，对样品进行形貌记录。包括样品的晶格排列、界面形态以及元素分布等关键信息。

X’Pert PRO衍射仪采用了日本Rigaku Ultima IV。使用Cu 靶，Kα辐射波长为λ=0.15406 nm，以40 kV作为工作电压和30 mA的电流作为工作电流，让衍射仪在5°~50°的扫描角范围内，以1°/min的扫描速度去对样品进行扫描。

使用UV-3600 (Shimadzu，日本)测试样品的吸光度，测试范围为200~800 nm，先在样品槽中加入适量的硫酸钡粉末作为背景测试基线后，再将待测样品制成薄片或溶解后进行吸光度测试。并通过下式得到Tauc's图，通过绘制曲线斜率最大处切线与x轴相交所得的横坐标可以得到各个材料的禁带宽度。

$(\alpha h v)^{\tfrac{1}{n}}=K\left(h v-E_{\mathrm{g}}\right)$

(1)

其中：α为吸光度；v为频率；h为普朗克常数6.63×10⁻³⁴ J·s；K为常数；E_g为禁带宽度。因为红磷为直接带隙的半导体，所以n=1/2。

本次实验中使用的X射线光电子能谱检测仪是美国赛默飞的K-ALPHA仪器，测量的表层深度为10 nm。最终的数据都经过C1s 峰值的284.8 eV来进行校准。

采用上海辰华CHI 660E电化学工作站，对样品进行光电性能表征。选用了0.5 mol/L的Na₂SO₄溶液作为电解液，以铂网作为辅助电极，Ag/AgCl电极为参比电极，对样品进行瞬态光电流测试和Mott-Schottky曲线测试。

1.3 cRP NRs的制备

首先在石英管中加入600 mg商用红磷和40 mg的I₂，将经过刻蚀干燥后的硅晶片放置于石英管中并开始抽取真空，在压力表显示达到−0.03 MPa的真空压力后，封装石英管。

随后，将封装完毕的石英管放入马弗炉(MF-1200C-M，安徽贝意克设备技术有限公司)中，设定升温速率控制在5℃/min，从室温逐渐升温至560℃，并在此温度下稳定保持20 h，以确保红磷与硅晶片之间的充分反应。之后，再次以5℃/min的降温速率控制冷却过程，直至炉温降至室温。

待石英管冷却后将其敲碎，从硅片将红磷刮取收集。接着，将刮下的cRP放入研钵中，进行30 min的充分研磨。随后，利用乙醇对研磨后的红磷进行彻底洗涤，以去除杂质。经过真空泵的抽滤后，将红磷放置在电鼓风干燥箱(DHG-9070A，上海一恒科学仪器有限公司)中，设置温度为40℃，干燥2 h，以去除残余的乙醇并确保红磷的干燥状态。

接着称取300 mg的cRP，并将其均匀分散在150 mL的无水乙醇中，以确保红磷颗粒在溶剂中的充分分散。随后，使用了超声波细胞粉碎机(Scientz-1500F，中国宁波新芝生物科技有限公司)，并设置了特定的操作参数：功率为40%，脉冲周期为6 s开启，8 s关闭。超声处理完成后，首先将悬浊液转移至离心管中，并以3000 r/min的转速离心10 min。这一步骤的目的是初步分离出较大颗粒的固体物质，留下含有纤维状红磷的液相。接着，将液相进行第二次离心，转速提高至11000 r/min，再次离心10 min，以进一步去除残留的清液和细小颗粒。最后，将材料放入冷冻干燥机(SCIENTZ-10N，中国宁波新芝生物科技有限公司)中，以40℃的温度干燥24 h，以此得到cRP NRs。

1.4 MIL-101-NH₂的制备

采用溶剂热法制备了MIL-101-NH₂。首先将FeCl₃·6H₂O (10 mmoL)和2-氨基对苯二甲酸(12.5 mmoL)同时溶解于50 mL DMF中。随后，将上述两种溶液在磁力搅拌下混合均匀，并转移到100 mL特氟龙内衬高压釜(KH100，西安常仪仪器设备有限公司)中。在110℃反应20 h。反应结束后，11000 r/min离心5 min收集所得颗粒，再用DMF和乙醇洗涤3次，放入真空干燥箱在70℃下真空干燥12 h，得到目标MIL-101-NH₂。

1.5 复合材料的制备

采用溶剂热法制备了cRP NRs/MIL-101-NH₂。分别称取50 mg的cRP NRs和为cRP NRs质量50%、75% 、100% 和125%的MIL-101-NH₂放入4个反应釜中(4个反应釜中cRP NRs和MIL-101-NH₂的质量比例为2∶1、4∶3、1∶1和4∶5)，并加入50 mL 无水乙醇。随后将上述两种材料在磁力搅拌下混合均匀，在110℃反应20 h。反应结束后，11000 r/min离心5 min收集所得颗粒，再用乙醇洗涤3次，放入真空干燥箱在60℃下真空干燥12 h，得到4种比例复合的cRP NRs/MIL-101-NH₂。

1.6 光催化实验

本文选取四环素(TC)作为研究对象进行了光催化降解实验。在反应管中加入了10 mg的催化剂，随后加入了50 mL的TC (50 mg/L)水溶液。在开始光催化反应之前，首先设置了30 min的暗反应阶段，以便让催化剂与污染物之间建立起稳定的吸附平衡。暗反应阶段结束后，打开500 W氙灯照射120 min。在整个实验期间每隔15 min便采集4 mL的样品，并通过离心分离得到上清液。最后，利用紫外-可见光分光光度计(UV-1800PC，上海美普达仪器有限公司)在357 nm处测定上清液的吸光度。通过测量该波长的吸光度，能够准确地计算出TC在水溶液中的降解情况。

为了评估催化剂的稳定性，进行了循环实验，该实验与降解实验的操作步骤基本一致。收集离心后的催化剂。使用真空泵对催化剂进行抽滤，以去除残留的水分和溶液。将抽滤后的催化剂放入鼓风干燥箱中，在60℃下干燥30 min，以去除残余的水分。将干燥好的催化剂重新放入新的TC溶液中，并重复上述实验步骤。如此反复进行4次。

实验设计将催化剂加入50 mg/L的TC的溶液中，并引入不同的添加剂以观察它们对催化过程的影响，同时设置不添加捕获剂的实验作为对照试验，从而分析出本研究制备的催化剂的催化机制。分别向溶液中加入苯醌(BQ)、异丙醇(IPA)和乙二胺四乙酸钠(EDTA-2Na)。每种添加剂的加入量根据其抑制特定反应步骤的能力来确定，通过预实验来确定最佳添加量。将采集的样品立即离心，取上清液进行后续分析。例如，如果BQ显著抑制了催化反应，这可能表明超氧自由基( ${\text{•}} \text{O}_{2}^{-}$ )在催化过程中起到了关键作用；如果IPA或EDTA-2Na对反应有明显影响，则可能涉及羟基自由基(•OH)或空穴(h⁺)在催化过程中的作用。

根据有机溶液在特定光长下的吸光度，可以得到样品在不同时间的浓度，根据降解效率的计算公式可以得到该时间的降解效率。根据Lambert-Beer law，可得下式：

$\varPhi=\frac{C_0-C_{{t}}}{C_0} \times 100 \%=\frac{A_0-A_{{t}}}{A_0} \times 100 \%$

(2)

其中：Φ为降解效率；C₀为初始浓度；C_t为t时刻溶液浓度；A₀为初始溶液吸光度；A_t为t时刻溶液吸光度。可以计算出在某个时刻t的溶液浓度，并根据所得浓度做出降解效率曲线。

2. 结果与讨论

2.1 样品的形貌与结构表征

从图1中的SEM图像可以观察到cRP NRs整体为纤维状结构。MIL-101-NH₂铁基金属框架催化剂为较为规则的多面体的晶粒。这些晶粒的形状较为规则，但是大小分布并不均匀。材料表面存在一些细小的孔隙。这些孔隙MOFs是材料本身的特性之一，其存在对于材料的相容性和应用性能有着重要影响。通过观察图1(c)，可以清晰地观察到MIL-101-NH₂分布于纤维状红磷及红磷纳米带的各个角落，并且紧紧贴合在纳米带的表面。

图 1 晶态红磷纳米带(cRP NRs) (a)、MIL-101-NH₂ (b)和cRP NRs/MIL-101-NH₂ (c)的SEM图像

Figure 1. SEM images of the crystalline red phosphorus nanoribbons (cRP NRs) (a), MIL-101-NH₂ (b) and cRP NRs/MIL-101-NH₂ (c)

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为了进一步深入分析材料的复合状态，采用了TEM透射电镜对MIL-101-NH₂与cRP NRs复合后的形态进行了表征。在图2(b)中，MIL-101-NH₂所展现的形态与之前在SEM扫描电镜下的观察结果保持了一致性。同时也可以更加清晰地看到MIL-101-NH₂与cRP NRs之间紧密的贴合。在图2(e)中，可以清晰地观察到cRP NRs所特有的0.278 nm的(400)晶面的晶格条纹，呈现出了其独特的晶体结构^[11-12]。而与之相对，MIL-101-NH₂则呈现出无晶格条纹的状态，展示出其不同于cRP的另一种物质特性。在高分辨率透射电镜的元素分布扫描中，对P、O、Fe 3种元素进行了详尽的元素分布面谱分析。结果显示，Fe元素在复合材料中将红磷包裹，这种分布模式进一步证实了铁基MOF与红磷之间的紧密结合。而O元素的存在则暗示了复合材料中可能存在的氧化情况。通过这一系列的TEM观测和分析，进一步证实了新型cRP NRs/MIL-101-NH₂的成功合成。

图 2 ((a)~(c)) cRP NRs、MIL-101-NH₂和cRP NRs/MIL-101-NH₂的TEM图像；(d) cRP NRs/MIL-101-NH₂的元素分布；(e) cRP NRs/MIL-101-NH₂的晶格条纹图像；(f) cRP NRs、MIL-101-NH₂和 cRP NRs/MIL-101-NH₂的XRD图谱

Figure 2. ((a)-(c)) TEM images of cRP NRs, MIL-101-NH₂ and cRP NRs/MIL-101-NH₂; (d) Elemental distribution of cRP NRs/MIL-101-NH₂; (e) Lattice fringe images of cRP NRs/MIL-101-NH₂; (f) XRD patterns of cRP NRs, MIL-101-NH₂ and cRP NRs/MIL-101-NH₂

d—Diameter

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为了探究合成样品的结晶完整度和合成情况我们进行了XRD测试。从图2(f)中可以清楚的看到， cRP NRs与MIL-101-NH₂制备出的新型复合材料分别对比两种原材料的XRD图，新型复合材料的主要特征峰与cRP和cRP NRs在角度为15°和16°处红磷的(001)和(200)晶面的特征峰虽然发生了些许偏移但是其峰的形状基本一致^[11]。而MIL-101-NH₂的峰同样出现，但是峰的高度大幅减小，证明了复合材料的成功合成，也说明了在新型复合材料中红磷占据了主体地位。

图3为cRP NRs、MIL-101-NH₂和 MIL-101-NH₂的XPS全谱图。从图中观察到，cRP NRs/MIL-101-NH₂的XPS全元素谱中显示铁、氧、碳、磷几种元素共存，出现了在cRP NRs和MIL-101-NH₂上没有的峰，证明了cRP NRs与MIL-101-NH₂的成功结合。为了明确cRP NRs/MIL-101-NH₂复合材料中的元素价态和表面电子转移情况，如图4中进一步对4种元素进行了XPS分析。

图 3 cRP NRs、MIL-101-NH₂和cRP NRs/MIL-101-NH₂的XPS全谱图

Figure 3. XPS full spectra of cRP NRs, MIL-101-NH₂, and cRP NRs/MIL-101-NH₂

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图 4 cRP NRs、MIL-101-NH₂和cRP NRs/MIL-101-NH₂的C1s、O1s、Fe2p和P2p图谱

Figure 4. C1s, O1s, Fe2p and P2p spectra of cRP NRs, MIL-101-NH₂ and cRP NRs/MIL-101-NH₂

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cRP NRs/MIL-101-NH₂在图4的C元素谱中的C1s在284.8 eV处有一个强烈的峰为C—C峰，在286.44 eV、286.39 eV 和286.48 eV处分别对应着cRP NRs、MIL-101-NH₂材料和复合材料的C—O峰，287.89 eV、288.72 eV和288.56 eV 对应着O—C=O的峰^[29-30]。在O1s光谱中，可以看到，位于530.00 eV和529.70 eV对应的是Fe—O键，在cRP NRs的氧元素光谱中并未有对应的峰，而复合后则出现说明了MIL-101-NH₂和cRP NRs的成功复合，而后面出现在533.18 eV和532.84 eV处的峰则代表了有机配体中的O和氧空位上吸附的H₂O^[30]。

样品中氧空位的形成是由于溶剂热过程中溶剂分子的蒸发，样品中的Fe²⁺必须通过除去晶格氧来平衡电荷。这种电荷平衡的趋势导致晶格氧附近的电子密度增加，从而削弱了复合材料中的Fe—O键。在P2p光谱中有3个特征峰，130.1 eV和130.96 eV处的峰分配给P2p_1/2和P2p_3/2代表P—P键，134.25 eV处的峰与五氧化二磷(P₂O₅)的典型波段相对应。在P2p光谱中对应的cRP NRs/MIL-101-NH₂复合材料中，P—P键的峰的位置变成了130.05 eV和130.91 eV，其位置也发生了右移，说明复合材料中P元素因结合能的降低，存在电子密度增加情况。再观察Fe2p对应的Fe元素光谱，在MIL-101-NH₂中711.71 eV和725.64 eV代表了二价Fe²⁺ ，在713.68 eV和731.53 eV代表着三价Fe³⁺，717.76 eV处为卫星峰^[13]。而复合材料在711.79 eV处所对应的Fe²⁺的峰发生了左移，说明复合材料中存在因Fe元素结合能的上升，而导致电子密度下降的情况。

为了进一步明确cRP NRs负载对复合材料比表面积的影响，对样品进行了N₂吸附-解吸测定。在图5中，cRP NRs/MIL-101-NH₂等温线为与微孔结构相关的I型性质曲线。

图 5 cRP NRs、MIL-101-NH₂及cRP NRs/MIL-101-NH₂的N₂吸脱附曲线

Figure 5. N₂ absorption and desorption curves of cRP NRs, MIL-101-NH₂ and cRP NRs/MIL-101-NH₂

V_a—Volume adsorbed; dV/dD—The change in unit aperture corresponds to the change rate of pore volume; STP—Standard temperature and pressure

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比表面积的排序如下：cRP NRs/MIL-101-NH₂(33.547 m²/g) > MIL-101-NH₂(14.644 m²/g) > cRP NRs(11.065 m²/g)，可以发现复合材料的比表面积高于复合前材料的比表面积。由此可以推断，复合材料对污染物具有更好的吸附和降解效果。

2.2 样品的光学性质

图6(a)中展示了紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)，可以发现MIL-101-NH₂的吸收边最窄，所有材料复合后，都发生了红移，说明了复合材料的光吸收范围扩大。在图6(b)中通过式(1)转换的曲线画出Tauc's 图，通过找到斜率最大处与x轴的交点得到材料的禁带宽度信息。可以得到cRP NRs、MIL-101-NH₂和cRP/MIL-101-NH₂的带隙宽度分别为1.96 eV、2.80 eV和1.935 eV。通过图6(c)中Mott-Schottky曲线的绘制可以得到几种催化剂的导带情况。可以得到cRP NRs、MIL-101-NH₂和cRP/MIL-101-NH₂的导带分别为−0.65 eV、−0.45 eV和−0.51 eV，结合前文中的禁带宽度可以计算出这些材料和复合材料的价带。

如图7所示，为了分析制备的复合材料的对光的响应情况，对复合材料和原材料一同进行了瞬态光电流响应测试。可以发现， cRP NRs的光响应情况比MIL-101-NH₂要高，cRP/MIL-101-NH₂复合材料的光响应程度远远高于复合前的原材料。

2.3 样品的光催化性能实验

考虑到材料组分比例对光催化降解可能存在影响，并且为了探寻cRP NRs与MIL-101-NH₂形成复合材料的最佳比例，设置了原材料质量比分别为2∶1、4∶3、1∶1和4∶5的几种复合材料进行探究。

如图8所示，即为几种不同比例材料和原材料的降解曲线。从图中可以看到复合材料在不同时刻对四环素的降解效果，揭示了复合材料与四环素之间的反应规律。从图中可以看到cRP NRs的吸附效果和光催化效果并不理想，在经过120 min光照后降解效果仅在49%左右。MIL-101-NH₂表现出了优于cRP NRs的暗反应吸附性能，同时也展示了其些许的光催化性能。在120 min光照反应后， MIL-101-NH₂则在光照60 min后保持平衡，降解了57%左右。经过溶剂热法复合后的材料cRP NRs/MIL-101-NH₂表现出了优秀的吸附性能，在暗反应结束时，对TC的去除率最高能够达到52%左右。同时在开始光照后，产生了不错的光催化效果。在结束120 min光照时，几种材料的降解效率排序如下：cRP NRs/MIL-101-NH₂ (1∶1)(~82%) > cRP NRs/MIL-101-NH₂(4∶3) (~71%) > cRP NRs/MIL-101-NH₂ (2∶1)(~70%) > cRP NRs/MIL-101-NH₂ (4∶5)(~68%) > MIL-101-NH₂ (~57%) > cRP NRs(~49%)。

图 6 cRP NRs、MIL-101-NH₂及cRP NRs/MIL-101-NH₂的UV-Vis图(a)、Tauc's 图(b)和Mott-Schottky曲线(c)

Figure 6. UV-Vis diagrams (a), Tauc's diagrams (b), and Mott-Schottky curves (c) of cRP NRs, MIL-101-NH₂ and cRP NRs/MIL-101-NH₂

α—Absorbance; h—Planck constant; ν—Light frequency; hν—Photon energy; C—Capacitance

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如图9所示，根据方程−ln(C_t/C₀)=kt，计算了反应的动力学曲线和相应的反应速率常数k。可以证实，本研究中涉及的所有光催化剂的反应动力学都很好地遵循伪一级反应。其中cRP NRs/MIL-101-NH₂ (1∶1)的反应速率常数k值为0.00776 min⁻¹，高于其余几种比例复合的材料和原材料。毫无疑问，当 cRP NRs和MIL-101-NH₂的质量比为1∶1时，复合材料的光催化降解效果最好。因此，在后续实验中继续沿用该比例制备的复合材料，并统一称为cRP NRs/MIL-101-NH₂。

图 7 cRP NRs、MIL-101-NH₂及cRP NRs/MIL-101-NH₂的瞬态光电流响应对比

Figure 7. Comparison of transient photocurrent responses of cRP NRs,MIL-101-NH₂ and cRP NRs/MIL-101-NH₂

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图 8 cRP NRs、MIL-101-NH₂、cRP NRs/MIL-101-NH₂ (2∶1)、 cRP NRs/MIL-101-NH₂ (4∶3)、cRP NRs/MIL-101-NH₂ (1∶1)、cRP NRs/MIL-101-NH₂ (4∶5)的降解曲线

Figure 8. Degradation curves of cRP NRs, MIL-101-NH₂, cRP NRs/MIL-101-NH₂ (2∶1), cRP NRs/MIL-101-NH₂ (4∶3), cRP NRs/MIL-101-NH₂ (1∶1), and cRP NRs/MIL-101-NH₂ (4∶5)

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为了验证复合材料的稳定性，以cRP NRs/MIL-101-NH₂作为实验对象，以在热反应下更容易发生形变的MIL-101-NH₂作为对比对象来进行循环实验。通过图10可以发现制备出的cRP NRs/MIL-101-NH₂催化剂在前3次光催化降解四环素始终保持了优秀的降解效果，在进行第4次降解时虽然效果不如前3次，但是仍在光照120 min后降解效率达到了78%左右。而MIL-101-NH₂则在第3次时降解效率就明显下降。经过循环实验的验证，证明了cRP NRs和MIL-101-NH₂材料经过复合后，材料的稳定性也得到了明显的提高。

图 9 cRP NRs、MIL-101-NH₂、cRP NRs/MIL-101-NH₂ (2∶1)、 cRP NRs/MIL-101-NH₂ (4∶3)、cRP NRs/MIL-101-NH₂ (1∶1)和cRP NRs/MIL-101-NH₂ (4∶5)动力学拟合曲线

Figure 9. Kinetic fitting curves of cRP NRs, MIL-101-NH₂, cRP NRs/MIL-101-NH₂ (2∶1), cRP NRs/MIL-101-NH₂ (4∶3), cRP NRs/MIL-101-NH₂ (1∶1), and cRP NRs/MIL-101-NH₂ (4∶5)

k—Reaction rate constant

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图 10 MIL-101-NH₂和cRP NRs/MIL-101-NH₂的循环降解曲线

Figure 10. Cyclic degradation curves of MIL-101-NH₂ and cRP NRs/MIL-101-NH₂

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表1为查阅其他文献中的各种材料对四环素的降解情况。通过对比可以发现，制备出的cRP NRs/MIL-101-NH₂经过120 min的光照后，其降解效果优于同类催化剂，如CDs/MIL-101(Fe)(81%)、MIL-101(Fe)/MIL-100(Fe)(80%)、TiO₂(76.6%)和BiOI/MIL-125(Ti)(70%)。而相对于RP/MIL-101(Fe)、PSCN-50、MIL-101(Fe)/MoS₂、RP/HAp以及P-BiOCl这几种材料，cRP NRs/MIL-101-NH₂虽然降解效率没有这几种材料高，但是在催化剂浓度的对比上，能够明显发现cRP NRs/MIL-101-NH₂的浓度明显低于这些材料。这证明了cRP NRs/MIL-101-NH₂具有充分的潜力来进行四环素的光催化降解。

表 1 其他文献材料降解四环素效果对比

Table 1. Comparison of tetracycline degradation effects of other materials in literatures

Material	Catalyst concentration/ (mg·L⁻¹)	Dosage/mg	TC concentration/ (mg·L⁻¹)	Reaction time/min	Degradation efficiency/%	Ref.
cRP/MIL-101(Fe)-NH₂	0.2	10	50	120	82	This study
MIL-101(Fe)/MIL-100(Fe)	0.125	10	50	140	80	[31]
TiO₂	0.2	20	10	120	76.60	[32]
BiOI/MIL-125(Ti)	0.25	25	20	120	70	[33]
CDs/MIL-101(Fe)	0.5	50	75	120	81	[34]
RP/MIL-101(Fe)	0.5	50	50	80	90.10	[15]
PSCN-50	1	100	10	60	85.50	[35]
MIL-101(Fe)/MoS₂	0.3	30	100	40	85	[36]
RP/HAp	1	100	10	30	100	[10]
P-BiOCl	0.5	50	20	30	81	[37]
Notes: TC is tetracycline; TiO₂ is titanium dioxide; BiOI is a compound of bismuth oxide and iodine; CDs are carbon dots; RP is red phosphorus; PSCN is phosphorus-sulfur co-doped g-C₃N₄; MoS₂ is molybdenum disulfide; HAp is a hollow hydroxyapatite; P is phosphorus; BiOCl is a compound of bismuth oxide and chlorine.

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2.4 cRP NRs/MIL-101-NH₂复合材料的光催化降解机制分析

为了了解在整个光催化进行中因光照可能会产生的自由基对降解的影响，进行了自由基捕获实验。在进行光催化降解实验时加入对苯醌、异丙醇和乙二胺四乙酸二钠，这3种捕获剂分别对超氧自由基( ${\text{•}} \text{O}_{2}^{-}$ )、羟基自由基(•OH)和光生空穴(h⁺)进行捕获。

在 cRP NRs/MIL-101-NH₂的自由基捕获实验的降解曲线图中可以明显的发现加入的对苯醌、异丙醇和乙二胺四乙酸二钠均对光催化降解有抑制作用。说明在cRP NRs/MIL-101-NH₂进行光催化降解四环素的过程中，超氧自由基( ${\text{•}} \text{O}_{2}^{-}$ )、羟基自由基(•OH)和光生空穴(h⁺)都对降解起到了作用。其中对苯醌的加入对四环素降解的抑制效果最为明显，乙二胺四乙酸二钠次之，异丙醇的抑制效果最差但仍起到了部分作用，证明cRP NRs/MIL-101-NH₂在光催化降解四环素的过程中超氧自由基( ${\text{•}} \text{O}_{2}^{-}$ )对四环素的降解其主要作用，该情况的产生可能是因为MIL-101-NH₂和cRP NRs的导带均达到了可产生超氧自由基的电位位置，所以超氧自由基的作用会更将明显。而羟基自由基的产生是由于MIL-101-NH₂的价带电位能够达到产生•OH电位(1.99 eV)所造成，因此其在反应中的作用并不显著。

图 11 cRP NRs/MIL-101-NH₂的自由基捕获曲线

Figure 11. Free radical trapping curves of cRP NRs/MIL-101-NH₂

BQ—Benzoquinone; IPA—Isopropyl alcohol; EDTA-2Na—Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt

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当cRP NRs/MIL-101-NH₂受到光照时，cRP NRs和MIL-101-NH₂都能产生光激发的e⁻和h⁺对。根据典型的II型异质结的假设，cRP NRs/MIL-101-NH₂复合材料的氧化还原电位将由MIL-101-NH₂的负导带越正和cRP NRs的正价带越负决定^[38-39]。虽然已知MIL-101-NH₂的导带能量足以将O₂分子还原成为 ${\text{•}} \text{O}_{2}^{-}$ ，但cRP NRs的价带 (E_VB=1.31 eV)不能从水中产生•OH自由基(E (•OH/OH⁻)= 1.99 eV)^[13]。自由基捕获实验中的测量结果主要证实了反应介质中存在超氧自由基( ${\text{•}} \text{O}_{2}^{-}$ )和羟基自由基(•OH)。因此，II型异质结不太可能发生。在图12中，由于MIL-101-NH₂的导带位于cRP NRs的导带和价带之间，它很容易使电子(e⁻)从MIL-101-NH₂的导带转移到cRP NRs的价带，并与cRP NRs的价带中的光生空穴(h⁺)重新结合。当开始光照后，电子向从价带向价带跃迁，同时依据几种材料经过XPS分析中结合能变化，判断出电子是从MIL-101-NH₂向cRP NRs进行迁移，因此能够确认cRP NRs/MIL-101-NH₂这种复合材料为Z型异质结结构。MIL-101-NH₂的高比表面积和其结构特性可以改善cRP NRs团聚现象，降低了cRP NRs自身产生电子空穴对的复合速率，同时增加吸附点和活性位点，活性氧空位和吸附氧为该催化过程提供了更多的活性位点。随着时间的推移，在cRP NRs的导带和MIL-101-NH₂的价带上分别积累了大量的e⁻ 和h⁺。cRP NRs的导带中的e⁻直接还原溶解的O₂分子，生成超氧自由基 ( ${\text{•}} \text{O}_{2}^{-}$ )，光生空穴 (h⁺)将H₂O分子氧化生成羟基自由基 (•OH)。复合材料因其高比表面积和大孔径的特点先将TC吸附到材料表面，而后材料中因光照产生的强氧化物质 ${\text{•}} \text{O}_{2}^{-}$ 和•OH能够更快地与四环素发生氧化还原反应，在催化剂表面便能生成降解产物，从而提高了反应体系的降解速率。

图 12 cRP NRs/MIL-101-NH₂的光催化降解机制图

Figure 12. Photocatalytic degradation mechanism of cRP NRs/MIL-101-NH₂

NHE—Normal hydrogen electrode

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2.5 cRP NRs/MIL-101-NH₂复合材料的光催化降解产物分析

通过高分辨质谱联用技术 (HRMS) 对降解中间产物进行鉴定，可能的反应路径图如图13所示。

图 13 cRP NRs/MIL-101-NH₂降解TC可能的路径

Figure 13. Possible pathways of TC degradation by cRP NRs/MIL-101-NH₂

m/z—Mass to charge ratio

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在路径I中，开始降解时，TC上的 N—CH₃由于N—C的低键能丢失^[40]而形成了P1 (m/z=418)。然后在 ${\text{•}} \text{O}_{2}^{-}$ 和 h⁺的攻击下，进一步 ${\text{•}} \text{O}_{2}^{-}$ 攻击通过羟基和甲基的分离和开环产生 P2 (m/z=334) 的中间体。然后，通过羟基化、脱烷基化、脱水和开环反应进一步降解生成P3 (m/z=138) 、P4 (m/z=258) 、P5 (m/z=149)和P6 (m/z=194)。最终，这些中间产物被矿化CO₂和H₂O。

在路径II中，—NH₂较高的负电荷，使其容易受到h⁺的攻击^[41]，导致TC骨架中的氨损失，形成P7 (m/z=429)。随后，由于C的低键能和受到 ${\text{•}} \text{O}_{2}^{-}$ 的攻击等因素，形成了P8 (m/z=365)。接着又由于h⁺、•OH和 ${\text{•}} \text{O}_{2}^{-}$ 的攻击，通过环的裂解和脱羰反应进一步氧化成较小的化合物P9 (m/z=243) 和P10 (m/z=167)。最终形成无害的CO₂和H₂O。

3. 总结

在本研究中，将晶态红磷纳米带(cRP NRs)与MIL-101-NH₂通过溶剂热法进行了复合制备。随后，对原材料及其复合材料进行了表征和性能测试。通过对比分析，得到了关于这些材料结构、性能及应用潜力的重要结论，并通过一系列性能测试验证了它们在光催化领域的应用潜力。得到的结论如下：

(1)在SEM和TEM的拍摄下，能够清楚看到多面体的MIL-101-NH₂分散包裹在条带状cRP NRs的表面。通过XRD可以直观地看到cRP NRs和MIL-101-NH₂的特征峰出现在了复合材料的特征峰上。证明了复合材料cRP NRs/MIL-101-NH₂的成功合成。

(2)在相同实验条件下，对原材料和不同比例制备的复合材料开展光催化降解四环素的光催化降解实验。对比实验结果显示，在光照120 min后，cRP NRs降解约49%，MIL-101-NH₂ 降解约57%，复合材料在质量比1∶1时表现了优于其他比例的光催化降解效果，降解约82%。同时，在cRP NRs/MIL-101-NH₂的稳定性实验中，第四次循环中仍能达到78%左右的降解效果。

(3)通过紫外漫反射光谱得到的材料禁带宽度，Mott-Schottky曲线得到的材料导带电位，自由基捕获实验得到的材料表面发生光催化产生的自由基情况和XPS能谱得到材料中可能存在的电子转移和元素价态等实验数据的分析和佐证，最终确定本文所提出的新型复合材料cRP NRs/MIL-101-NH₂为Z型异质结结构。

图 1 层合板各层坐标图

Figure 1. Coordinates of each layer

H—Total thickness of laminates; z_i—Out-of-plane coordinates of laminates

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图 2 CF/EP拉扭耦合层合板降温自由收缩位移云图

Figure 2. Cooling free displacement cloud images of CF/EP extension-twisting coupled laminates

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图 3 CF/EP拉扭耦合层合板轴向拉伸时的位移云图

Figure 3. Displacement cloud images of CF/EP extension-twisting coupled laminates under axial tension

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图 4 CF/EP层合板几何模型示意图

Figure 4. Geometric model of CF/EP laminate

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图 5 多耦合效应层合板试验加载装置示意图

Figure 5. Loading device for multi-coupled laminates

1—Test stand; 1a—The body of test stand; 1b—Connecting disc; 1c—The beam of the test stand; 2—Connecting device; 2a—Upper fixture; 2b—Lower fixture; 2c—Outer clamping block; 2d—Outer clamping block; 3—Test pieces; 4—Loading device; 4a—Connecting rod; 4b—Weight tray; 4c—Weights

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图 6 层合板耦合效应测量系统

Figure 6. Test system for coupling effect of laminates

CCD—Charge-coupled device

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图 7 CF/EP拉扭耦合层合板试验件

Figure 7. Test pieces of CF/EP extension-twisting coupled laminates

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CF/EP拉扭耦合层合板试验件扭转角 $\phi$ 变形试验结果

Test results of torsion angle $\phi$ deformation of CF/EP extension-twisting coupled laminates

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图 9 CF/EP层合板试验件有限元模型

Figure 9. Finite element model of CF/EP test pieces

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CF/EP层合板试验件在不同拉力下的扭转角变化率 ${k_\phi }$

Change rate of torsion angle ${k_\phi }$ of CF/EP extension-twisting coupled laminates under different tensile forces

m—Mass of weights

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图 11 CF/EP层合板拉扭耦合效应的鲁棒性分析结果

Figure 11. Robustness analysis results of extension-twisting coupling effect of CF/EP laminates

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表 1 层合板耦合类型下标表示

Table 1 Subscripts representing the coupling types of laminates

Subscript	Coupling effect	Subscript	Coupling effect
A_S: $\left[ \begin{array}{*{20}{c}}A_{11} & A_{12} & 0 \\ A_{12} & A_{22} & 0 \\ 0 & 0 & A_{66}\end{array} \right]$	—	A_F: $\left[ \begin{array}{*{20}{c}}A_{11} & A_{12} & A_{16} \\ A_{12} & A_{22} & A_{26} \\ A_{16} & A_{26} & A_{66}\end{array} \right]$	E-S
B₀: $\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 0&0&0 \\ 0&0&0 \\ 0&0&0 \end{array}} \right]$	—	B_l: $\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{B_{11}}}&0&0 \\ 0&{{B_{22}}}&0 \\ 0&0&0 \end{array}} \right]$	E-B
B_t: $\left[ \begin{array}{*{20}{c}}0 & 0 & B_{16} \\ 0 & 0 & B_{26} \\ B_{16} & B_{26} & 0\end{array} \right]$	E-T S-B	B_lt: $\left[ \begin{array}{*{20}{c}}B_{11} & 0 & B_{16} \\ 0 & B_{22} & B_{26} \\ B_{16} & B_{26} & 0\end{array} \right]$	E-T S-B E-B
B_S: $\left[ \begin{array}{*{20}{c}}B_{11} & B_{12} & 0 \\ B_{12} & B_{22} & 0 \\ 0 & 0 & B_{66}\end{array} \right]$	E-B S-T	B_F: $\left[ \begin{array}{*{20}{c}}B_{11} & 0 & B_{16} \\ 0 & B_{22} & B_{26} \\ B_{16} & B_{26} & 0\end{array} \right]$	E-B E-T S-B S-T
D_S: $\left[ \begin{array}{*{20}{c}}D_{11} & D_{12} & 0 \\ D_{12} & D_{22} & 0 \\ 0 & 0 & D_{66}\end{array} \right]$	—	D_F: $\left[ \begin{array}{*{20}{c}}D_{11} & D_{12} & D_{16} \\ D_{12} & D_{22} & D_{26} \\ D_{16} & D_{26} & D_{66}\end{array} \right]$	B-T
Notes: E-T—Extension-twisting coupling effect; S-B—Shear-bend coupling effect; E-B—Extension-bending coupling effect; S-T—Shear-twist coupling effect; E-S—Extension-shearing coupling effect; B-T—Bend-twist coupling effect; A_ij—Tensile stiffness coefficient; B_ij—Coupling stiffness coefficient; D_ij—Bending stiffness coefficient.

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表 2 拉扭耦合层合板的耦合类型

Table 2 Coupling types of extension-twisting coupled laminates

Laminate type	Coupling type
A_SB_tD_S	E-T
A_SB_tD_F	E-T, B-T
A_SB_ltD_S	E-T, E-B
A_FB_tD_S	E-T, E-S
A_SB_ltD_F	E-T, E-B, B-T
A_SB_FD_S	E-T, E-B, S-T
A_FB_tD_F	E-T, E-S, B-T
A_FB_ltD_S	E-T, E-B, E-S
A_SB_FD_F	E-T, E-B, S-T, B-T
A_FB_ltD_F	E-T, E-B, E-S, B-T
A_FB_FD_S	E-T, E-B, S-T, E-S
A_FB_FD_F	E-T, E-B, S-T, E-S, B-T

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表 3 拉扭多耦合效应层合板的耦合效应几何因子ξ解析条件

Table 3 Conditions for geometric factors ξ satisfying coupling effects of multi-coupled laminates with E-T

Type	Condition
A_SB_ltD_S	$\xi_3=\xi_4=\xi_6=\xi_{11}=\xi_{12}=0,\ \left\|\xi_5\right\|+\left\|\xi_6\right\|\ne0,\ \left\|\xi_7\right\|+\left\|\xi_8\right\|\ne0$
A_SB_tD_F	$\xi_3=\xi_4=\xi_5=\xi_6=0,\ \left\|\xi_7\right\|+\left\|\xi_8\right\|\ne0,\ \left\|\xi_{11}\right\|+\left\|\xi_{12}\right\|\ne0$
A_SB_FD_S	$\xi_3=\xi_4=\xi_{11}=\xi_{12}=0,\ \xi_6\ne0,\text{ }\left\|\xi_7\right\|+\left\|\xi_8\right\|\ne0\text{ }$
A_SB_ltD_F	$\xi_3=\xi_4=\xi_6=0,\text{ }\xi_5\ne0,\ \left\|\xi_7\right\|+\left\|\xi_8\right\|\ne0,\text{ }\left\|\xi_{11}\right\|+\left\|\xi_{12}\right\|\ne0$
A_SB_FD_F	$\xi_3=\xi_4=0,\text{ }\xi_6\ne0,\ \left\|\xi_7\right\|+\left\|\xi_8\right\|\ne0,\text{ }\left\|\xi_{11}\right\|+\left\|\xi_{12}\right\|\ne0$

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表 4 拉扭多耦合效应层合板湿热稳定的几何因子ξ解析条件

Table 4 Conditions for geometric factors ξ satisfying hygro-thermally stable of multi-coupled laminates with E-T

Type	Conditions for geometric factor
A_SB_tD_S	${\xi _1} = {\xi _3} = {\xi _4} = {\xi _5} = {\xi _6} = {\xi _7} = {\xi _{11}} = {\xi _{12}} = 0,\;{\xi _8} \ne 0$
A_SB_tD_F	${\xi _1} = {\xi _3} = {\xi _4} = {\xi _5} = {\xi _6} = {\xi _7} = 0,\;{\xi _8} \ne 0,\;\left\| {{\xi _{11}}} \right\| + \left\| {{\xi _{12}}} \right\| \ne 0$
A_SB_FD_S	${\xi _1} = {\xi _3} = {\xi _4} = {\xi _5} = {\xi _7} = {\xi _{11}} = {\xi _{12}} = 0,\;{\xi _6} \ne 0,\;{\xi _8} \ne 0$
A_SB_FD_F	${\xi _1} = {\xi _3} = {\xi _4} = {\xi _5} = {\xi _7} = 0,\;{\xi _6} \ne 0,\;{\xi _8} \ne 0,\;\left\| {{\xi _{11}}} \right\| + \left\| {{\xi _{12}}} \right\| \ne 0$

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表 5 IM7/8552型碳纤维/环氧树脂(CF/EP)单层板材料属性

Table 5 Properties of IM7/8552 carbon fiber reinforced epoxy resin (CF/EP) single layer laminate

Parameter		Value
Young's modulus/GPa	E₁	161.0
Young's modulus/GPa	E₂	11.38
Shear modulus/GPa	G₁₂	5.17
Poisson's ratio	ν₂₁	0.38
Thickness of single layer/mm	h	0.1397
Thermal expansivity/(10⁻⁶ ℃⁻¹)	α₁	−0.0181
Thermal expansivity/(10⁻⁶ ℃⁻¹)	α₂	24.3

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表 6 湿热稳定的CF/EP拉扭耦合层合板

Table 6 Hygro-thermally stable CF/EP laminates with E-T coupling effect

Type	Optimization result/(°)	\|b₁₆\|/N⁻¹
A_SB_tD_S	[69.8/−6.7/−17.1/79.4/−30.4/ 76.9/−53.0/37.3/13.8/81.5/ −63.2/8.5/16.9/−72.2]_T	1.69×10⁻⁵
A_SB_tD_F	[12.9/−64.1/−63.5/−58.9/ 29.5/−3.3/40.3/55.6/51.3/ −43.0/84.7/70.3/−19.7/ −26.2]_T	2.25×10⁻⁵
A_SB_FD_S	[−8.5/73.8/−24.6/64.8/64.1/ −38.3/−48.6/29.5/−88.0/0.8/ 24.9/−75.1/−72.7/12.0]_T	2.17×10⁻⁵
A_SB_FD_F	[−11.3/83.4/−16.7/65.7/−23.5/ 70.9/86.9/−57.8/33.8/7.2/ 28.8/−70.8/5.9/−66.3]_T	2.07×10⁻⁵
Note: \|b₁₆\|—Absolute value of extension-twisting coupling flexibility coefficient.

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表 7 CF/EP层合板扭曲率变形解析解与数值解

Table 7 Analytical and numerical solutions of the distortion rate of CF/EP laminates

Type	Analytical ${\kappa _{xy}}$	Numerical ${\kappa _{xy}}$	Promotion
A_SB_tD_S	0.68×10⁻²	0.68×10⁻²	—
A_SB_tD_F	0.90×10⁻²	0.90×10⁻²	32.35%
A_SB_FD_S	0.87×10⁻²	0.87×10⁻²	27.94%
A_SB_FD_F	0.83×10⁻²	0.83×10⁻²	22.06%
Note: ${\kappa _{xy}}$ —Torsional curvature of laminates.

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表 8 CF/EP试验件的材料属性

Table 8 Properties of CF/EP test pieces

Young's modulus/GPa	E₁	135.0
Young's modulus/GPa	E₂	9.0
Shear modulus/GPa	G₁₂	3.9
Poisson's ratio	ν₂₁	0.3
Thickness of single layer/mm	h	0.155

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长摘要

目的
碳纤维/环氧树脂复合材料拉扭耦合层合板在航空航天和风力发电领域具有重要的应用前景。与单一拉扭耦合层合板相比，拉扭多耦合效应层合板(同时具有拉扭耦合效应和其他耦合效应的层合板)的耦合特性更为丰富，具有大幅提升层合板耦合效应和变形自适应能力的潜力。层合板的多耦合效应通常采用非对称铺层形式来实现，然而在固化成型过程中，非对称层合板容易产生湿热剪切变形和湿热翘曲变形，这是限制其在变形自适应结构中发展应用的主要原因。因此，本文针对碳纤维/环氧树脂拉扭多耦合效应层合板湿热稳定机理不明、耦合效应不强的问题，开展碳纤维/环氧树脂复合材料拉扭多耦合效应层合板理论设计与试验验证研究，解决非对称铺层形式导致的固化变形问题，实现拉扭多耦合效应层合板的湿热稳定铺层设计及耦合变形能力的提升。
方法
首先，通过引入复合材料层合板的几何因子和材料常量，将拉扭多耦合效应层合板的刚度系数进行解耦解析表达。然后，建立复合材料层合板无湿热剪切变形和无湿热翘曲变形的解析条件，将该条件与层合板耦合效应的解析条件联立，推导得到能够满足湿热稳定性的拉扭多耦合效应层合板类别及解析条件。接着，以拉扭多耦合效应层合板的湿热稳定条件为约束条件，以各单层铺层角度为优化变量，以最大拉扭耦合效应为优化目标，建立拉扭多耦合效应层合板的铺层优化设计模型。考虑到优化问题具有强等式约束、强非线性等特点，采用遗传算法-序列二次规划(Genetic Algorithm-Sequential Quadratic Program，GA-SQP)混合优化算法进行求解，得到了多种拉扭耦合多耦合效应层合板的铺层规律。最后，采用真空袋压成型工艺加工制造出碳纤维/环氧树脂复合材料拉扭多耦合效应层合板试验件，基于层合板耦合效应测量系统，分别在10kg、20kg、30kg、40kg和50kg砝码加载工况下，利用数字图像相关方法对层合板的拉扭耦合效应进行了三维光测；利用有限元软件MSC.Patran/Nastran建立层合板试验件的有限元模型，计算得到不同工况条件下层合板拉扭耦合效应的数值解，并与试验测量结果进行对比分析；利用Monte Carlo方法对拉扭多耦合效应层合板的耦合效应进行鲁棒性分析，以验证理论设计的可行性。
结果
理论设计结果表明，有三种拉扭多耦合效应层合板可以满足湿热稳定性条件，分别为ABD层合板、ABD层合板和ABD层合板。优化设计结果表明，相比于单一拉扭耦合ABD层合板，多耦合效应层合板的拉扭耦合效应获得了大幅度提升，其中，最大可达32.35%(ABD层合板)。层合板拉扭耦合效应的试验结果与理论、仿真结果吻合较好：在不同拉力作用条件下，拉扭耦合层合板试验件拉扭耦合效应的理论结果和仿真结果基本一致；且相比于理论结果，仿真结果均偏小，其原因为试验件两端受到固定夹持约束，限制了端部的自由扭转变形，根据圣维南原理可知，会产生局部误差；随着拉力的增加，试验结果近似呈线性增加趋势，其和理论、仿真结果的偏差普遍控制在10%以内。。仿真计算结果表明，鲁棒性分析结果表明，当铺层角度存在误差时，层合板的拉扭耦合效应误差服从正态分布，且在95%置信水平的置信区间控制在±5%之内，具有较高的可控性；三类拉扭多耦合效应层合板的鲁棒性均优于ABD层合板。
结论
本文以碳纤维/环氧树脂复合材料为例，推导了拉扭多耦合效应层合板与材料属性无关的湿热稳定解析条件，通过铺层设计的方式解决了非对称层合板的固化变形问题，并且所得结论适用于其他类型的连续纤维增强基体复合材料；对于具有不同铺层角度的拉扭耦合层合板，其两个主轴方向的热线应变相同，且只与材料属性和温差大小有关，与层合板的层数与铺层角度无关。建立了拉扭多耦合效应层合板的铺层优化设计模型，优化结果表明GA-SQP算法可以较好解决湿热稳定拉扭多耦合效应层合板的非线性强约束优化设计问题，且相比于单一拉扭耦合层合板而言，多耦合效应的引入能够显著提升层合板的拉扭耦合效应，最大可达30%以上。

创新点

碳纤维/环氧树脂拉扭多耦合效应层合板在风力发电机弯扭耦合自适应叶片的结构设计中具有重要的应用前景。常规的单一拉扭耦合层合板大多采取对称或标准的纤维铺层形式，导致其耦合类合型单一、耦效应不强，极大地限制了弯扭耦合叶片结构的自适应变形能力。而采用非对称铺层的拉扭多耦合效应层合板具有大幅提升耦合效应的潜力，但在固化成型的过程中容易产生固化翘曲变形，会严重降低结构的装配精度。
本文通过引入几何因子和材料常量，将层合板的刚度系数进行了解耦表达，推导了拉扭多耦合效应层合板的湿热稳定条件，从铺层设计的角度解决了层合板的固化翘曲变形问题。基于湿热稳定条件，本文建立了拉扭多耦合效应的铺层优化设计模型，利用GA-SQP算法实现了优化计算，在满足湿热稳定性的前提下显著提升了层合板的拉扭耦合效应(最高提升了32.35%)。最后设计并完成了层合板拉扭耦合效应的实验测量，验证了理论的正确性。本文推导的湿热稳定条件是与材料类型无关的几何因子条件，对其他类型纤维增强复合材料同样适用。
1
碳纤维/环氧树脂层合板湿热稳定性的仿真验证
2
拉扭耦合效应的理论、仿真和实验测量结果

图(11) / 表(8)

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1. 实验部分
1.1 原材料
1.2 表征仪器
1.3 cRP NRs的制备
1.4 MIL-101-NH2的制备
1.5 复合材料的制备
1.6 光催化实验
2. 结果与讨论
2.1 样品的形貌与结构表征
2.2 样品的光学性质
2.3 样品的光催化性能实验
2.4 cRP NRs/MIL-101-NH2复合材料的光催化降解机制分析
2.5 cRP NRs/MIL-101-NH2复合材料的光催化降解产物分析
3. 总结

1. 实验部分
1.1 原材料
1.2 表征仪器
1.3 cRP NRs的制备
1.4 MIL-101-NH₂的制备
1.5 复合材料的制备
1.6 光催化实验
2. 结果与讨论
2.1 样品的形貌与结构表征
2.2 样品的光学性质
2.3 样品的光催化性能实验
2.4 cRP NRs/MIL-101-NH₂复合材料的光催化降解机制分析
2.5 cRP NRs/MIL-101-NH₂复合材料的光催化降解产物分析
3. 总结

参考文献(26)

施引文献

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长摘要

创新点

碳纤维/环氧树脂拉扭多耦合效应层合板设计与试验验证

通讯作者: 李道奎，博士，教授，博士生导师，研究方向为航天结构分析与设计、复合材料结构力学 E-mail: lidaokui@nudt.edu.cn

计量

出版历程

Design and experimental verification of carbon fiber/epoxy resin multi-coupling laminates with extension-twisting coupling effect

1. 实验部分

1.1 原材料

1.2 表征仪器

1.3 cRP NRs的制备

1.4 MIL-101-NH2的制备

1.5 复合材料的制备

1.6 光催化实验

2. 结果与讨论

2.1 样品的形貌与结构表征

2.2 样品的光学性质

2.3 样品的光催化性能实验

2.4 cRP NRs/MIL-101-NH2复合材料的光催化降解机制分析

2.5 cRP NRs/MIL-101-NH2复合材料的光催化降解产物分析

3. 总 结

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本文图文摘要

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计量

出版历程

目录

1. 实验部分

1.1 原材料

1.2 表征仪器

1.3 cRP NRs的制备

1.4 MIL-101-NH2的制备

1.5 复合材料的制备

1.6 光催化实验

2. 结果与讨论

2.1 样品的形貌与结构表征

2.2 样品的光学性质

2.3 样品的光催化性能实验

2.4 cRP NRs/MIL-101-NH2复合材料的光催化降解机制分析

2.5 cRP NRs/MIL-101-NH2复合材料的光催化降解产物分析

3. 总 结

通讯作者:
李道奎，博士，教授，博士生导师，研究方向为航天结构分析与设计、复合材料结构力学　E-mail: lidaokui@nudt.edu.cn

1.4 MIL-101-NH₂的制备

2.4 cRP NRs/MIL-101-NH₂复合材料的光催化降解机制分析

2.5 cRP NRs/MIL-101-NH₂复合材料的光催化降解产物分析

3. 总结

1.4 MIL-101-NH₂的制备

2.4 cRP NRs/MIL-101-NH₂复合材料的光催化降解机制分析

2.5 cRP NRs/MIL-101-NH₂复合材料的光催化降解产物分析

3. 总结