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基于红外辐射调控的个人热管理材料研究进展
史婷婷, 刘东青, 程海峰
摘要:
维持热舒适是人体进行正常生命活动的基本条件,传统暖通空调系统调节温度能效较低,同时产生大量碳足迹。基于红外辐射调控的个人热管理材料通过人体自身及局部微环境热管理实现个性化温度调节,为缓解日益紧张的能源负担、维持人体热舒适提供了新途径。本文基于红外辐射调控的个人热管理材料最新研究进展,分室内和室外两种环境阐述辐射降温、辐射保温机制,并介绍辐射降温/保温一体的温度调节模式。论述基于红外辐射调控的个人热管理材料相关设计思路、制备方法、微观结构和温控效果,分析个人热管理材料发展趋势。
纳米粒子形貌对聚吡咯/LDPE纳米复合材料直流介电性能的影响
张城城, 任兆辉, 任强, 赵洪
摘要:
为了研究不同微观形貌的纳米导电粒子对低密度聚乙烯(LDPE)直流介电性能的影响,本文采用软模板法制备了直径约100 nm的聚吡咯(PPy)纳米球和纳米线,并将其与LDPE熔融共混制备得到了PPy/LDPE纳米复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)观察了聚吡咯纳米粒子的微观形貌及其在PPy/LDPE纳米复合材料中的分散结构,并测试了复合材料的结晶度,空间电荷分布、介电谱、不同温度下的直流电导电流及直流击穿强度等介电性能。结果表明:聚吡咯纳米粒子的加入可以提高LDPE的结晶度,抑制LDPE中空间电荷的累积,降低其相对介电常数、直流电导电流和直流击穿强度,其中聚吡咯纳米球的加入可在不同温度下使LDPE直流电导电流降低1个数量级以上,而对其直流击穿强度的影响较小,并且在较高温度下可将LDPE的直流击穿强度提升4.4%。聚吡咯纳米球对LDPE绝缘材料直流介电性能的改善效果要优于聚吡咯纳米线。
FRP筋UHPC梁受弯承载力计算方法
薛文远, 胡翔, 薛伟辰
摘要:
目前国内外尚未提出纤维增强树脂复合材料(FRP)筋超高性能混凝土(UHPC)梁受弯承载力的显式计算公式。基于ABAQUS中的塑性损伤模型,建立了FRP筋UHPC梁的受弯性能非线性有限元分析模型,通过已有试验结果验证了该模型的有效性。开展了40根UHPC梁的参数分析,重点研究了截面尺寸、UHPC强度、FRP筋抗拉强度和配筋率等因素对梁受弯性能的影响规律。基于目前国际上最常用的法国NF P 18-710规范,对UHPC受拉本构模型进行了简化,推导了UHPC受压区和受拉区等效矩形应力图块系数,提出了FRP筋UHPC梁平衡配筋率的计算方法,建立了受压破坏和受拉破坏模式下梁截面受弯承载力的理论计算公式。该公式计算值与试验结果、有限元分析结果和条带法计算结果均吻合良好。
玻璃料对Si3N4改性硼酚醛树脂复合材料高温性能及其介电性能的影响
韩朋坤, 邓宗义, 李鹏飞, 杨婷莅, 万立, 董闯, 石敏先
摘要:
为了探究助熔剂对树脂基复合材料高温性能及微观结构的影响,以低熔点玻璃料(GF)为助熔剂,Si3N4颗粒为耐高温陶瓷填料,采用模压工艺制备GF-Si3N4改性高硅氧玻璃纤维增强硼酚醛树脂复合材料(GF-Si3N4/BPR),研究GF对复合材料高温性能及介电性能的影响。结果表明:引入的GF促进了复合材料表面液相的形成和陶瓷层的致密化,抑制了热氧对复合材料的进一步侵蚀,复合材料高温性能明显提高。1200℃处理后,其弯曲强度与纯树脂试样(BPR)和未添加GF的试样(Si3N4/BPR)相比,分别提高了81.3%和14.9%;质量烧蚀率分别降低了73.1%和55.1%。此外,在8.2 GHz下,复合材料的介电常数(ε)和损耗角正切值(tanδ)随温度的升高逐渐增大。而在800℃以上,生成的玻璃相有效遏制了树脂裂解产生的游离碳与孔洞、裂纹对材料介电性能的不利影响。所制备的复合材料具有优良的高温性能和介电性能,有望应用在高温透波领域。
黑磷改性聚醚醚酮复合涂层的摩擦学性能
赵省良, 高原, 舒晨, 王伟
摘要:
高性能涂料聚醚醚酮(PEEK)广泛应用于航空航天、机械化工等领域,工业发展对PEEK自润滑性能提出更高要求。以新型二维材料黑磷(BP)为填料,通过浆料刷涂工艺制备了黑磷改性聚醚醚酮自润滑复合涂层,并探究了不同添加比例BP/PEEK复合涂层的显微组织、硬度和摩擦磨损性能。结果表明,黑磷的引入导致涂层粗糙度增加,致密性降低。显微硬度先提高后降低,在1wt% BP时达到的最大值27.2 HV。黑磷发挥了良好的减摩作用,使涂层摩擦系数由0.21降至0.06。磨损率强烈依赖于硬度,在1wt% BP时达到最小值5.35×10−6 mm3·N−1·m−1,相比纯PEEK下降17.1%。纯PEEK磨损机制以磨粒磨损为主,随黑磷含量增加逐渐转变为疲劳磨损。减摩效应归因于磷氧化物和BP对摩擦转移膜的协同促进作用。
无机矿物氟碳复合涂料对混凝土抗盐冻性能的影响
肖阳, 张亮, 张宿峰, 张平, 张盼盼, 刘亚州
摘要:
通过表面疏水性能试验、力学性能试验、界面粘结性能试验和混凝土盐冻试验,研究了无机矿物对水性氟碳涂料性能的影响,研究了盐冻环境下无机矿物氟碳复合涂料附着力变化,分析了其对混凝土单位面积剥落量的影响,结合微观形貌变化和孔结构变化,分析了混凝土抗盐冻性能提升机制。结果表明:单掺硅溶胶时,氟碳复合涂料水接触角较氟碳涂料增大了10.2%,其铅笔硬度高达3H;三掺硅溶胶、海泡石粉和铁尾矿粉时,氟碳复合涂料铅笔硬度高达3H,其附着力增大了44.2%;复掺硅溶胶和海泡石粉时,氟碳复合涂料性能介于两者之间。盐冻环境下单掺硅溶胶氟碳复合涂料残余附着力最大。无机矿物氟碳复合涂料能显著改善混凝土抗剥蚀性能,但改善效果较氟碳涂料不显著。盐冻环境下水性氟碳涂料产生部分微孔,孔结构粗化,而单掺硅溶胶氟碳复合涂料微观结构仍较为致密,其最可几孔径略有增大,涂料仅略有损伤。单掺硅溶胶氟碳复合涂料防护下混凝土微观结构更为致密,其单位面积剥落量较未防护时降低幅度高达81.2%。为寒冷地区盐冻环境下混凝土防护涂料的设计提供了试验和理论依据。
连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料的研究进展
肇研, 孙铭辰, 张思益, 王凯
摘要:
连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料具有力学性能优异、低吸湿、耐化学药品,以及成型周期短、可二次成型等特点,在航空、航天等高技术领域的应用日益广泛。本文重点介绍了连续碳纤维增强高性能热塑性复合材料研究中的界面问题、预浸料制备技术和复合材料成型加工技术等方面的研究进展,期望为该类复合材料在国内的应用研究提供参考。
网格式柔性应变传感器的制备及应用
许利强, 孙权, 詹政, 杨润洪, 唐智杰, 鹿业波
摘要:
鉴于柔性应变传感器在人体运动监测、健康监测等领域的广泛应用,设计出兼具高灵敏度和大应变范围的柔性应变传感器具有重要的意义。本文基于Ecoflex-石墨烯复合材料,通过模板法制备了四边形和六边形网格式柔性应变传感器。通过对比两种不同网格结构传感器的应变范围与拉伸断裂极限,发现六边形网格柔性应变传感器的综合性能更加优异,并在80%应变条件下进行拉伸/释放疲劳寿命检测,此传感器表现出良好的可靠性,同时该传感器在手肘关节运动和人体不同呼吸状况监测方面表现良好。将六边形网格柔性应变传感器组合构建多通道检测系统,实现了多种手势识别,这在人工智能和运动识别领域具有广阔的市场应用前景。
可见光响应的三维石墨烯/氧化钴复合催化剂及其光解水制氢性能
万星晨, 何美玉, 王伟雅, 刘洪燕, 张素玲, 卢艳红
摘要:
以新型二维材料氧化石墨烯和金属有机框架化合物ZIF-67为前驱体,通过溶剂热反应和高温焙烧过程,制备了一种三维交联石墨烯负载CoO纳米粒子的复合催化剂材料(3DGraphene/CoO)。XRD、XPS、紫外可见漫反射、SEM和TEM等结构和形貌分析结果表明,平均粒径为 ~ 34.5 nm的CoO粒子均匀负载在三维交联石墨烯体相骨架中。三维石墨烯特有的光致热电子发射性能及两种材料间的协同作用,赋予了复合材料优异的光催化分解水制氢性能。在300 W氙灯照射下,催化分解水制氢速率为10.1 mmol gcat−1 h−1;在520 nm波长可见光照射下,获得了7.77%的表观量子效率。催化剂循环使用5次,活性保持率为88%。此高性能可见光响应的三维复合催化剂材料的研究,对光催化领域中新型高效催化剂的开发和应用具有重要意义。
BFRP筋钢-混组合梁高温后力学性能试验
武芳文, 陈中村, 何岚清, 左剑, 樊州
摘要:
设计了常温(25℃)、200℃、400℃和600℃四个工况,通过模型试验方法探究了玄武岩纤维增强树脂复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer, BFRP)筋钢-混组合梁高温后的破坏形态和力学性能。通过分析试验梁裂缝开展、挠度变形、温度场和破坏过程规律,研究BFRP筋和普通钢筋钢-混组合梁的破坏模式和承载能力。结果表明:经历400℃高温后,BFRP筋劣化导致力学性能大幅降低;筋体膨胀导致混凝土板开裂,其裂缝开展与普通钢筋钢-混组合梁显著不同,主裂缝沿横向筋材规律开展,且裂缝较宽。温度低于400℃时,由于混凝土的包裹,BFRP筋未达到劣化温度,两种钢-混组合梁承载能力和外观差别较小;600℃后,BFRP筋劣化,削弱了混凝土板刚度和强度,导致BFRP筋钢-混组合梁承载能力比普通钢筋钢-混组合梁降低更多;BFRP筋钢-混组合梁因整体刚度较小,加载后变形更大。高温后两种钢-混组合梁破坏模式相似,均为剪切破坏,有明显弹性、弹塑性和破坏阶段;600℃时,两种钢-混组合梁延性大幅降低,塑性变形减少,破坏较为突然。研究成果可为BFRP筋在钢-混组合梁中的应用提供参考。
超短脉冲激光精细加工纤维增强树脂基复合材料的研究进展
李遥遥, 侯新富, 何光宇, 王明伟
摘要:
纤维增强树脂基复合材料具有轻质量、高强度、耐腐蚀和抗疲劳等优点,被广泛地应用在航天航空、风电及汽车等领域。然而纤维树脂复合材料是各向异性的非均质材料,属于典型的难加工材料,现有的加工技术存在热影响区过大、分层、起毛等问题,成为航天航空工业领域的精密加工技术瓶颈。超短脉冲激光加工作为一种新型加工技术,具有无热传递、不受物质种类限制、微小尺度、可控性强、非接触等优点,有望实现纤维复合材料的精细加工。本论文在介绍目前激光加工纤维复合材料研究工作的基础上,讨论了超短脉冲激光加工以碳纤维增强树脂基复合材料为主的纤维复合材料的作用机制和提高加工质量的几种方法,指出了以突破航天工业高精度加工技术瓶颈为目的的超短脉冲激光精细加工纤维增强树脂基复合材料的研究方向、内容和科学问题,为后续实现符合航天工业高精度及大尺度要求的精密加工提供了技术路线和可能的解决方案。
锚固的双向纤维布约束加固钢筋混凝土柱抗震性能
高鹏, 袁大明, 王田宇, 王敬棠, 陈涛
摘要:
双向纤维增强聚合物(Fiber reinforced polymer,FRP)复合材料布具有良好的两向正交抗拉性能,与传统单向布相比,使用其约束加固柱时能使构件获得抗剪、抗弯承载力和抗震延性的同时提高。开展了基于纤维锚钉锚固的双向布约束加固钢筋混凝土柱低周反复加载试验,参数包含布种类、层数和锚固方式,研究了加固柱的破坏模式、抗震性能和材料应变。结果表明,柱在约束加固前后的破坏形态由剪切转变为弯曲破坏,构件延性大幅度提高;同层数的双向纤维布在环向应变值发挥少于单向布;使用锚钉可显著提升双向布纵向纤维应变,由未锚固前的0.002~0.007增长至0.004~0.009;并进一步提高约束柱抗弯承载力,较未加锚固前的约束柱承载力提高了2.9%~7.1%。成果可为双向纤维布在既有结构加固领域的应用提供指导。
原位SiC纳米线增韧SiC陶瓷的抗热震性能
肖元, 李露, 郑瑞晓, 马朝利
摘要:
SiC陶瓷的本征脆性及其在高低温交变环境中抗热震能力的不足已成为制约其广泛应用的关键问题之一。本文以聚碳硅烷为前驱体、二茂铁为催化剂,通过前驱体转化法在制备低密度SiC陶瓷的同时在陶瓷中原位合成SiC纳米线,并采用前驱体浸渍裂解工艺将低密度陶瓷进一步致密化制备原位SiC纳米线增韧SiC陶瓷。实验结果表明,引入原位SiC纳米线后,SiC陶瓷的抗热震性能显著提升,经历30次“室温↔1500℃”的热震循环氧化后其氧化增重率仅为2.53%,相较于纳米线改性前的SiC陶瓷氧化增重率下降了59%。相应的微结构分析表明,合成的SiC纳米线为β-SiC晶型,其中包含部分堆垛层错。纳米线沿<111>方向择优生长,其生长遵循典型的“气-液-固”生长机制。SiC纳米线主要通过纳米线桥连和拔出增韧机制缓解陶瓷制备及高低温交变过程中产生的应力集中,减少裂纹数量和尺寸,进而提升陶瓷断裂韧性和抗热震性能。引入SiC纳米线后,SiC陶瓷内部平均裂纹长度由27.7 μm下降至18.2 μm,断裂韧性由3.76 MPa·m1/2增加至7.83 MPa·m1/2
竹纤维增强大豆油基类玻璃高分子复合材料的制备与性能
李超, 张沥元, 曾雍, 陈义桢, 邱仁辉, 刘文地
摘要:
热固性复合材料拥有优异的力学性能、耐热性和耐化学性,但存在原料不可再生、使用后无法回收、纤维与树脂不易降解等问题。本文分别以微米级竹粉(BP)和厘米级竹纤维(BF)为增强体,以含动态硼酸酯的二硫醇固化环氧大豆油(ESOBV)为树脂基体,采用模压成型技术制备可循环回收的竹纤维增强大豆油基类玻璃高分子复合材料,同时表征了生物质复合材料的拉伸性能、动态力学性能、松弛行为、界面结合、可重塑回收性及可降解性。结果表明:纤维形态显著影响复合材料的力学性能,复合材料的拉伸强度和拉伸模量随着BP含量的增加而降低,但随着BF含量的增加而增加;因ESOBV基体中动态键的存在,复合材料高温下具有明显的应力松弛现象,其松弛时间随BP或BF含量的增加而增加;BP增强复合材料可在高温下进行回收重塑,重塑后复合材料的拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率分别达到原始材料的91.0%、96.3%和110.7%;在100°C、常压下,ESOBV基体中的硼酸酯基可与甘油分子发生交换反应,因此基体经甘油降解后可回收BF,且回收的纤维形态不受损坏。
石墨烯/碳纳米管共改性碳纤维复合材料的结构、力学、导电和雷击性能
郭妙才, 黑艳伟, 李斌太, 邢丽英
摘要:
发展结构-防雷击功能一体化复合材料是未来的发展方向之一。本文制备了一种石墨烯和碳纳米管杂化改性的复合材料并研究了其结构、力学性能、导电性能和雷击性能。结构研究表明导电纳米粒子主要分布于复合材料层间和邻近层间的层内区域,而内部分布较少。复合材料的0°弯曲强度和0°层间剪切强度分别为1538±86 MPa和107±1.0 MPa。制备了2 mm、3 mm、4 mm三种厚度的复合材料板,其面内电导率为100 S/cm左右,其厚度向电导率分别为0.128 S/cm、0.094 S/cm和0.088 S/cm。雷击试验表明,三种厚度试样的总损伤面积类似,深层损伤面积随厚度向电导率降低而减少,但损伤深度则随厚度向电导率降低而增加,损伤模式主要为树脂的烧蚀气化和纤维的断裂损伤,但没有明显的层间分层发生。2 mm厚雷击试样板损伤区域的最低弯曲强度达到了782 MPa,保持率为75%,弯曲模量保持率为59.2%。2 mm板和3 mm板雷击损伤中心150 mm×100 mm区域平均弯曲强度保持率分别达到了87.4%和87.2%,损伤深度分别只有约0.3 mm和0.4 mm。
基于皮秒激光7075 Al合金超疏水表面的制备及其工艺优化
孙晓雨, 孙树峰, 王海涛, 王津, 刘世光, 王萍萍
摘要:
为在Al合金表面获得稳定的超疏水性能,进一步拓宽Al合金材料在工业领域的应用范围,研究了一种简单、灵活、可靠的超疏水表面制备方法。首先,基于超疏水表面结构特征,采用单因素控制变量法和响应面法对激光加工参数进行了选取和优化。后采用皮秒激光刻蚀和硬脂酸处理相结合的方式获得了(超)疏水表面。通过控制激光扫描间距间接操控表面形貌的方式研究了微纳结构对表面润湿性的影响。利用接触角测量仪、扫描电子显微镜(SEM)、共聚焦显微镜、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)等分析了样品的表面润湿性、形貌及化学成分。结果表明:最佳激光刻蚀参数为:扫描次数2次,扫描速度460 mm/s,频率835 kHz,平均功率21 W;扫描间距为20~80 μm的表面具有超疏水性,扫描间距为100~160 μm的表面具有疏水性。当扫描间距为20、80 μm时,接触角最大为154°,且表面粘附性很低。本文对在金属表面快速获得稳定超疏水性具有指导意义。
纤维含量对黄麻纤维增强树脂基复合材料力学与热性能的影响
何莉萍, 刘龙镇, 苏胜培, 夏凡, 侯淑娟
摘要:
为研发低碳、节能、性能优异的麻纤维增强树脂绿色复合材料并扩展其应用领域,本研究采用团队发明的氨基硅油乳液对黄麻纤维(JF)进行表面改性,运用开炼-注塑成型复合工艺研制了纤维含量为10wt%~25wt%的改性黄麻纤维增强聚丙烯(改性JF/PP)新型复合材料,系统全面地研究了改性麻纤维含量对JF/PP复合材料力学性能、结晶行为、耐热性能(热变形温度)及热尺寸稳定性(线膨胀系数)的影响规律及相关作用机制,并采用接触角测试分析与SEM技术分析了复合材料界面相容性与结合状态。结果表明:氨基硅油乳液改性黄麻纤维,增强了麻纤维与聚丙烯基体的界面结合力。随着纤维含量的增加,JF/PP复合材料的拉伸和弯曲强度逐渐增加,而冲击强度则有所降低。DSC、热变形温度和线膨胀系数测试分析表明,添加改性JF能够促进PP异相成核,并限制PP分子链的运动能力,从而提高JF/PP复合材料的耐热性能,且随着纤维含量增加,耐热性能呈不断上升趋势。当改性JF含量为25wt%时,JF/PP复合材料的热变形温度为142.5℃,较纯PP提高了53.5%。同时复合材料平均线膨胀系数随纤维含量增加而明显降低,表明复合材料的热尺寸稳定性显著提高。相比纯PP,含量为25wt%时的复合材料的平均线膨胀系数在平行流道方向下降了73.2%,垂直流道方向则下降了14.4%,存在各向异性。纤维含量为15wt%和20wt%时,改性JF/PP综合力学和热性能相对更优。
悬索桥轻质复材人行道板的研制及其受力性能
韩娟, 方海, 吴鹏
摘要:
为满足大跨悬索桥主梁减重的需求,研制了新型轻质复材人行道板,并将其成功应用于武汉杨泗港长江大桥。采用试验、理论和有限元的方法研究了轻质复材人行道板的受力性能并设计了快速拼装工艺。采用配重砝码块进行重力分级均布加载模拟人群荷载下复材人行道板的受力响应,在规范人群荷载下,复材板跨中挠度仅为挠度限值的 9.14%;对3种跨度的复材人行道板进行三点弯试验研究,3 种试件的破坏形式均为面板屈曲破坏,跨度最大的试件YSG-TB-960的极限承载力最小为14.79 kN;复材人行道板剪切试验的极限承载力为28.68kN。采用ANSYS/Multiphysics软件建立了复材人行道板的三维模型并进行有限元分析,模拟复材人行道板在人群荷载和跨中集中荷载下的响应,有限元计算结果与试验值吻合较好。采用一阶剪切变形理论计算受弯复材人行道板在极限承载力时下面板跨中挠度,理论结果和试验结果最小误差仅为-7.73%,总体吻合良好。对研制的复材人行道板进行了性能评估,轻质复材人行道板的最小安全系数为10.42,均满足设计要求。
固化与试验温度对环氧树脂及表层嵌贴CFRP-混凝土界面黏结性能的影响
龚爽, 林福宽, 粟淼, 张建仁, 彭晖
摘要:
表层嵌贴碳纤维增强复合材料(CFRP)加固混凝土结构中的环氧树脂黏结剂具有一定的温度敏感性,试验研究了不同固化温度和试验环境温度下环氧树脂力学性能及其在加固结构中的黏结性能,结果表明:(1)固化温度的升高大幅缩短了环氧树脂固化时间,对其拉伸强度和剪切强度的影响较小,拉伸强度仅在固化温度超过80℃时小幅下降,降幅在10%以内;试验环境温度的升高会引起环氧树脂软化,导致其拉伸强度和剪切强度显著降低;固化温度更高的环氧树脂在60℃甚至更高试验环境温度下剪切性能更稳定;(2)固化温度对表层嵌贴 CFRP加固构件的界面黏结性能影响较小,但界面黏结性能随着试验环境温度的升高而显著下降,最大降幅约为58.89%,破化模式也由混凝土内聚破坏转变为环氧树脂-混凝土界面破坏和CFRP-环氧树脂界面破坏;固化温度更高的试件在高试验环境温度下表现出更高的黏结强度。在试验基础上拟合了加固试件界面的黏结-滑移本构曲线,并建立了曲线特征参数与试验环境温度的关系。
碳纳米纤维表面网络修饰及其锌离子电池应用
卢小杰, 徐晶, 杨科, 闫俊, 陈磊, 刘雍
摘要:
可充电水系锌锰电池以高安全、低成本和对环境友好的特性在大规模储能领域有广泛的应用前景,但由于锰氧化合物自身导电差且在电池充放电过程中发生歧化反应在水中溶解,导致电池容量低、循环稳定性差。本文采用双针头对纺静电纺丝技术,结合预氧化、高温退火工艺,通过掺杂碳纳米管(CNTs)和导电炭黑(Super-P)对碳纳米纤维表面进行修饰,制备出具有凸起结构和导电网络的碳纳米纤维(CSCNFs)复合材料,再结合电化学沉积工艺,在纤维表面负载α-MnO2活性物质制备得到MnO2@CSCNFs阴极。其中,CNTs和Super-P协同构建了具有节点结构的导电网络通道,实现高效电子-离子协同传输。以MnO2@CSCNFs为阴极的电化学性能得到明显改善,初始容量达到784.8 mA·h·g−1,100圈循环后仍保持500 mA·h·g−1的放电比容量,2 A·g−1的大电流密度下仍保持290.8 mA·h·g−1的放电比容量,且当电流密度恢复到0.1 A·g−1时容量回复率高达96.33%。
基于声震监测的钢纤维/混凝土裂纹扩展规律及失稳前兆
刘成禹, 陈成海, 张向向, 曹洋兵, 何锡阳
摘要:
对不同龄期、不同钢纤维掺量的钢纤维/混凝土(SFRC)单轴压缩过程中声发射(AE)和微震(MS)信号进行分析,探究SFRC的声震信号特征及裂纹扩展规律。结果表明:(1) SFRC加载过程中裂纹扩展可分为I-裂纹压密、II-裂纹稳定发育、III-裂纹急速扩展和IV-峰后破坏4个阶段;(2)随龄期增加,第I、第II阶段中AE、MS的能率、振率及微观裂纹和细宏观裂纹的整体扩展速率均逐渐降低;第III、第IV阶段中AE、MS的能率、振率及微观裂纹及细宏观裂纹的整体扩展速率均逐渐增大;(3)随钢纤维掺量增加,除第I阶段外,其余3个阶段的AE能率和振率、微观裂纹整体扩展速率均逐渐增大;各个阶段的MS能率和振率逐渐减小,MS能量突增点的时间比逐渐增大,表明细宏观裂纹整体扩展速率降低,破坏时间延迟;(4) SFRC失稳前,AE、MS的能率和振率、MS能量占比均出现明显陡增,可作为SFRC的失稳前兆指标。
纤维状磁性二氧化钛复合材料的制备及其对La3+的吸附行为
郑嘉辉, 彭陈亮, 王观石, 罗进, 秦磊
摘要:
为富集回收低浓度矿山尾水中稀土资源,采用溶胶-凝胶法和水热法制备了纤维状外壳的磁性二氧化钛复合材料Fe3O4@fTiO2,利用SEM、TEM、XPS、FT-IR和XRD对材料进行表征,考察了Fe3O4@fTiO2对稀土La3+的吸附行为。结果表明,Fe3O4@fTiO2是外壳为纤维状的核壳结构磁性复合材料;吸附剂具有良好的超顺磁性,饱和磁化强度高达30.81 emu·g−1;在15℃、pH=5的酸性条件下,Fe3O4@fTiO2对稀土La3+在15 min内达到吸附平衡,且符合伪一级动力学模型;Langmuir等温吸附模型能较好地描述吸附La3+过程,理论吸附容量为142.88 mg·g−1;Fe3O4@fTiO2在NaOH的再生下循环利用5次时的吸附量为110 mg·g−1,是首次吸附容量的73.8%,表现出良好的循环利用性。
接枝聚丙烯酸改性聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)抗氧化膜的制备与性能
王杰, 丘晓琳, 赵烨, 朱喜成, 刘鑫洋
摘要:
脂质氧化将导致食品变质,因此开展抗氧包装膜的研究十分重要。本研究以丙烯酸(AA)为金属螯合配体,以聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)为基材,通过紫外光接枝的方法将AA接枝聚合到PHBV薄膜表面,制得具备金属螯合能力的PHBV-g-PAA非释放型抗氧化膜,研究接枝时间对PHBV-g-PAA复合膜形貌结构、Cu2+螯合量和力学性能的影响。结果表明:通过傅里叶变换红外光谱仪与水接触角测试仪对复合膜进行结构表征,证明了聚丙烯酸(PAA)成功接枝到PHBV薄膜表面;通过SEM观察复合膜形貌结构发现,随着接枝时间的延长,接枝产物密度逐渐增大,接枝时间为20 min时,薄膜表面PAA接枝层的致密均匀性最佳;通过DSC和XRD测试复合膜结晶性能表明,结晶度从未接枝的63.97%下降至56.23%,有利于提高薄膜的韧性,接枝20 min时薄膜的韧性最好;采用甲苯胺蓝(TBO)染色法和火焰原子吸收光谱法测定复合膜表面羧基密度和Cu2+螯合量,当羧基密度为392.65 nmol/cm2时,对应的Cu2+螯合量为115.09 nmol/cm2,两者之比接近4,表明可以生成稳定的五元环螯合结构,从而起到抗氧化的作用;通过力学性能测试发现,接枝后薄膜拉伸强度和断裂伸长率均呈现先上升后下降的趋势,接枝20 min时拉伸强度和断裂伸长率分别提升27.51%和99.02%。所制备非释放型抗氧化膜的Cu2+螯合能力以及力学性能均优于PHBV薄膜,在食品包装领域具有广阔的应用前景。
Co3O4与膨胀石墨自组装的多面体复合物作为锂离子电池阳极材料
欧云, 唐智勇, 黄登峰, 赵腾飞, 刘龙飞, 成娟娟
摘要:
作为锂离子电池的负极材料,Co3O4因其具有890 mA·h/g的高理论比容量而备受关注。本文通过简单的化学溶液法和热处理制备了Co3O4与膨胀石墨自组装的多面体复合材料(Co3O4-EG)。当用作锂离子电池的负极材料时,EG与Co3O4比例为1∶3的Co3O4-EG复合材料电极在0.1 C的电流倍率下经过400次循环后的可逆容量仍高达418 mA·h/g,高于其他Co3O4-EG复合材料(1∶4循环190圈后容量为273 mA·h/g,1∶5循环135圈后的容量为329 mA·h/g),且所有Co3O4-EG复合材料的放电容量均高于纯Co3O4(400圈循环后容量为40 mA·h/g)。Co3O4的纳米结构、膨胀石墨的优良导电性以及自组装后的多面体结构的协同作用使得Co3O4-EG复合材料具有优异的储锂性能。
撒砂层尼龙-氧化铝混杂纤维质量比对硅溶胶型壳性能的影响
陈义斯, 芦刚, 廖倚, 毛蒲, 陈晓, 黄嘉俊, 严青松
摘要:
为优化高温合金精密铸造陶瓷型壳性能,采用“溶剂法”在刚玉砂中均匀掺入0.75wt.%混杂纤维,制备不同质量比的短切尼龙纤维(Nsf)和氧化铝纤维(Asf)改性硅溶胶型壳。基于SEM观察型壳断口组织形貌,分析纤维分布及裂纹生长特征,揭示纤维和基体烧结演变及强化机制。结果表明,撒砂层引入纤维进一步提升了纤维在型壳内体积占比,型壳性能显著改善。柔性Nsf缠绕于刚玉砂粒表面,通过纤维拔出摩擦耗散载荷能量,同时Nsf烧失后形成原位孔隙增加透气性,故Nsf∶Asf为4∶1时型壳最佳湿强度、透气性、开气孔率分别为5.08 MPa、4.4、20.82%。此外,煅烧型壳基体易因脱水干燥萌生微裂纹,但裂纹扩展至Asf表面时发生分叉、偏转、增殖,证实立体互锁Asf网络结构减少连续裂纹产生,并抑制陶瓷颗粒剥离的沿晶断裂倾向。因此,Asf有效补偿Nsf烧失引起的强度损失,Nsf∶Asf为2∶3的样品烧结强度高达10.51 MPa,高温自重变形率仅0.82%。
MOFs及其衍生材料在锂离子电池负极中的研究进展
戴良鸿, 刘劲远, 彭红建, 谢佑卿
摘要:
金属有机框架(MOFs)具有较大的比表面积和可调节的孔径,其金属离子和有机配体都具有良好的携电荷能力,近年来作为锂离子电池负极材料受到广泛关注。文中介绍了目前常用的锂离子电池MOFs负极材料,归纳了MOFs材料在锂离子电池负极中的改性策略和合成方法,且系统分析了MOFs及其衍生材料的结构与形貌设计的主要原则,指出了其未来发展趋势以及研究挑战。
熔融沉积成形锰锌铁氧体/聚乳酸复合材料的力学和吸波性能
叶喜葱, 高琦, 何恩义, 杨超, 欧阳宾, 杨鹏, 吴海华
摘要:
3D打印技术在快速制造复杂形状零件方面获得了越来越多的关注。将锰锌铁氧体(MZF)作为增强体填充到聚乳酸(PLA)中,通过球磨混合和熔融挤出法制备出MZF/PLA复合线材,利用熔融沉积成形(FDM)制备出MZF/PLA复合材料。采用XRD、 SEM和矢量网络分析仪对不同复合比例的MZF/PLA复合材料的微观形貌、力学性能和电磁性能进行表征,并计算不同厚度的反射损耗,研究MZF的含量对复合材料吸波性能的影响。结果表明:当MZF含量为10wt%时,MZF/PLA复合材料的拉伸强度相比纯PLA提升了17.6%,随着MZF含量的提升,复合材料的吸波性能随之增强。当MZF的含量达到50wt%,在12.7 GHz处,厚度为7.4 mm时反射率达到最小值−55.3 dB ,在厚度为7.9 mm时,有效吸波频带宽为4.5 GHz。因此,基于FDM制备的3D打印MZF/PLA复合材料具有良好的吸波性能和承载能力,是一种非常有前途的3D打印微波吸收材料。
基于多尺度分析的再生混凝土有效氯离子扩散系数预测
牟新宇, 王云伟, 卢石宝, 鲍玖文, 张鹏, 张锦隆
摘要:
将再生混凝土视为由砂浆相、再生骨料相和二者砂浆之间的界面过渡区相(ITZ-2)组成的非均质复合材料,其中砂浆相由细骨料、细骨料-新砂浆界面过渡区(ITZ-1)、硬化水泥浆体三相组成,而再生骨料相由旧骨料、附着砂浆及旧骨料与旧砂浆的界面(ITZ-3)三相组成。基于N层球夹杂理论,考虑微观相的影响,建立了再生混凝土有效氯离子扩散系数预测的五相多尺度模型,通过硬化水泥浆体、砂浆和再生混凝土的稳态扩散系数实测值与模型预测值对比分析,验证其模型的准确性和有效性;最后,进一步讨论了氯离子侵蚀时间、再生骨料体积分数和附着砂浆含量等关键参数对其有效扩散系数的影响。结果表明:有效扩散系数预测值与试验值吻合较好,说明模型对预测再生混凝土的有效氯离子扩散系数具有普适性,为氯盐环境下再生混凝土耐久性评估与寿命预测提供理论依据。
钢绞线网增强ECC与混凝土刻槽式界面黏结性能试验
朱俊涛, 刘亚文, 王娟, 李可
摘要:
为研究刻槽构造对钢绞线网增强工程用水泥基复合材料(High Strength Steel Wire Mesh reinforced Engineered cementitious composites, HSSWM-ECC)与混凝土界面黏结性能的影响,考虑刻槽数量、刻槽深度、钢绞线直径、纵向钢绞线配筋率及ECC抗拉强度等因素,对设计制作的12组36个梁铰式试件进行了界面黏结性能试验。结果表明:HSSWM-ECC与混凝土界面黏结破坏形态有界面剥离破坏和钢绞线断裂破坏两种;在刻槽参与受力总宽度20 mm及槽深5 mm范围内,增加刻槽数量和刻槽深度均能有效提高界面黏结性能;而纵向钢绞线配筋率和ECC抗拉强度与界面黏结性能指标(黏结应力及对应滑移量)呈线性相关性。基于刻槽界面黏结机制分析,建立了考虑界面键槽特征(刻槽数量、槽深)及HSSWM-ECC层强度特征(钢绞线配筋率、钢绞线直径、ECC抗拉强度等)的刻槽处理界面抗剪承载力预测模型。经验证分析,该界面受剪承载力计算模型与试验结果吻合良好。
CFRP薄壁结构多尺度建模及耐撞性分析
朱国华, 竺森森, 胡珀, 王振, 赵轩
摘要:
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有较高的比强度、比刚度以及显著的轻量化效果,因此CFRP薄壁结构被作为能量吸收装置广泛应用于工程领域。以单向碳纤维复合材料为研究对象,利用扫描电镜获取其微观胞元结构参数及纤维体积分数,构建能够准确反映其微观形态的代表性体积单元 (Representative Volume Element, RVE),通过加载周期性边界条件及单位载荷,获取材料宏观等效弹性参数,并开展实验验证。随后,开发基于微观力学的失效准则及损伤演化方程,并结合材料力学特点,构建CFRP宏观损伤模型,最终形成一套基于微观失效的多尺度损伤模型。在此基础上,对CFRP薄壁圆管在轴向准静态载荷下的压溃性能进行数值仿真,并与实验结果进行对比,验证了多尺度模型的仿真精度。最后,基于验证后的多尺度有限元模型,研究了碳纤维铺层角度以及碳纤维体积分数对CFRP薄壁结构耐撞性的影响。结果表明,铺层角度和碳纤维体积分数对CFRP圆管耐撞性能具有较大影响。
碳纤维织物增强水泥基复合材料拉拔过程力阻响应和等效分层破坏模型
陶冶王之, 张大伟, 陈冠浩
摘要:
碳纤维织物增强水泥基复合材料(CFRCM)被广泛研究并应用于混凝土结构加固和性能自监测,但目前碳纤维的力阻响应机制尚不明确。本文通过CFRCM纤维束的拉拔试验发现其荷载-位移曲线符合典型的粘结滑移三阶段特征,拉拔过程中的电阻变化也呈现出波动缓慢上升-快速增长-缓慢增长的三阶段特征,碳纤维束脱粘阶段的电阻增长率与极限拉拔力呈现中高度的正相关性。进一步基于拉拔过程碳纤维束的力阻响应建立了纤维等效分层破坏模型及计算方法,为电阻信息与受荷状态的相互转化提供了新思路。
海水浸泡与持续荷载耦合作用下GFRP筋的长期锚固长度
常宇飞, 王言磊, 王密锋, 周智
摘要:
为了获得海水浸泡与持续荷载耦合作用下玻璃纤维增强树脂复合材料(Glass fiber-reinforced polymer, GFRP)筋的长期锚固长度计算公式,首先搜集了81个拔出破坏的GFRP筋混凝土梁式试件的数据,提出了GFRP筋的短期锚固长度计算公式。然后测试了在海水浸泡与持续荷载耦合作用下GFRP筋拉拔试件的粘结强度,结合强度预测理论,得到了粘结强度折减系数。采用粘结强度折减系数及基于他人试验获得的GFRP筋抗拉强度折减系数修正了短期锚固长度计算公式,最终建立了海水浸泡与持续荷载耦合作用下适用于拔出破坏的GFRP筋长期锚固长度计算公式。研究结果表明:GFRP筋的长期锚固长度变化主要是由粘结强度和抗拉强度的减小造成的。经过海水浸泡与持续荷载耦合作用50年后,当环境的年平均温度为为8°C、13°C、18°C、23°C和28°C时,GFRP筋的粘结强度折减系数分别为0.60、0.60、0.56、0.56和0.52。相应的GFRP筋抗拉强度折减系数分别为0.63、0.56、0.49、0.42和0.35。
复合材料在大型风电叶片上的应用与发展
李成良, 杨超, 倪爱清, 王继辉, 宋秋香
摘要:
“30.60”双碳目标的提出,风电行业迎来新的发展机遇。随着中国风电进入平价时代,风电机组通过不断增加单机容量来降低度电成本,由此也对风电叶片长度提出了不断增加的要求。风电叶片面临着“大型化、轻量化与低成本”的矛盾,新材料和新工艺是推动叶片走向风电平价时代的重要手段。本文评述了风电叶片行业的发展与趋势,指出影响叶片性能和成本的关键原材料,系统性地分析了增强纤维、夹芯材料、基体树脂和结构胶四种材料在叶片上的应用现状和发展趋势;探讨了高质量和绿色环保条件下叶片大型化对工艺发展的新要求,新工艺中的预浸料和拉挤技术是未来大叶片应用发展的主要趋势。最后,文章对新材料和新工艺在叶片上的创新应用提出了一些思考与建议,为平价时代风电叶片的大型化发展提供了重要参考。
树脂基复合材料自冲铆工艺影响因素及研究进展
符平坡, 曾祥瑞, 丁华, 张娜娜, 罗时清
摘要:
复合材料和轻质高强金属相结合的混合材料车身结构使用成为汽车轻量化的重要途径,复合材料之间及其与异质材料间的有效连接则是混合材料车身制造的关键环节。自冲铆工艺以其优质高效的特点,在复合材料连接中展现出优势和良好适用性,得到了广泛的关注和研究。总结近年来复合材料自冲铆连接的研究成果发现:复合材料与铝合金薄板自冲铆接头强度多集中在4 kN上下,强度值范围可以与金属板件间的自冲铆接头相媲美;而影响接头性能的主要因素有母材性能、铆钉结构、铆接工艺参数以及服役条件等;改善接头性能的关键在于提升复合材料板的强度、降低复合材料内部铆接损伤缺陷以及改善钉脚与下板的机械内锁结合性能;此外,自冲铆接头复合以胶接工艺,能够显著提升接头的综合性能。
异质层状钛合金增材构件微观组织与力学性能
郭顺, 徐俊强, 杨东青, 顾介仁, 周琦
摘要:
采用双丝等离子实现了TC4与TA2交替沉积的异质层状钛合金构件的增材制造,构件具有良好的沉积形貌及力学性能。采用了OM、SEM、EBSD、XRD等方法对构件进行了微观组织表征,并结合显微硬度和压缩性能测试了其力学性能。研究结果表明:TA2和TC4区域主要组织分别是由片层α相和α+β的网篮组织/集束组织组成。各区域晶粒沿着热流反方向凝固生长,TC4区域与TA2区域的晶界特征和晶体取向具有相似规律,但由于异质材料相生长差异,层与层之间β相晶粒生长方向发生改变,TC4区域的原始β相会沿着已沉积TA2区域晶粒某一择优取向生长,进而限制了β相连续生长为粗大柱状晶。层状结构中TC4区域的硬度明显高于TA2区域,并沿着沉积方向硬度呈现增加的趋势。增材构件沿着不同方向具有接近的抗压强度,近2.0 GPa,但是TC4和TA2交替形成的层状特殊结构,其沿着沉积方向具有高的断裂应变(0.33),沿着扫描方向具有高的屈服强度(1133 MPa)。
橡胶颗粒抑制蒸养混凝土热损伤机制
安军林, 于泳, 金祖权, 张维东
摘要:
通过向蒸养混凝土中掺入橡胶颗粒制备蒸养橡胶混凝土来抑制蒸养过程中混凝土产生的热损伤。通过试验测试了蒸养橡胶混凝土的抗压强度;建立了考虑界面过渡区的橡胶混凝土随机骨料模型,基于ABAQUS,模拟研究了橡胶颗粒对降温阶段混凝土温度损伤应力的影响,从细观角度研究橡胶颗粒抑制蒸养混凝土中微裂纹发展规律,并将温度损伤应力作为初始缺陷,模拟了橡胶混凝土的抗压性能,验证了模拟结果的可靠性;通过MIP测试研究了橡胶颗粒对蒸养混凝土孔结构的影响;通过超景深显微镜研究了橡胶与水泥石之间的结合情况。研究结果表明:橡胶颗粒掺入可以抑制蒸养混凝土的热损伤,减少强度损失。橡胶颗粒可以有效降低蒸养混凝土试件的总孔隙率,蒸养橡胶混凝土试件有害孔径较未掺加橡胶颗粒的普通蒸养混凝土下降了3.1%,同时改善了橡胶和水泥基体的粘结状况。
稻壳灰橡胶混凝土抗冻融性能及微观结构
王恒, 徐义华, 姚韦靖, 庞建勇, 刘雨姗
摘要:
为研究稻壳灰橡胶混凝土(RRC)的抗冻融性能,对比分析在氯盐环境下冻融循环后,普通混凝土(Normal Concrete)、橡胶混凝土(Rubber Concrete)和RRC的质量损失、相对动弹模量损失、强度损失及微观结构特征,同时对相对动弹模量与相对抗压强度的关系进行拟合分析。结果发现:随冻融循环次数增加,稻壳灰橡胶混凝土表面坑蚀愈明显,内部孔隙增多,微裂缝发展并贯通,宏观强度显著降低,相对动弹模量与抗压强度有良好相关性,拟合结果较优。橡胶的高弹性和稻壳灰极高的火山灰效应有效缓解了冻胀力带来的损伤,各冻融阶段RRC的损伤程度均明显优于NC,其中以稻壳灰掺量(占胶凝材料质量比)为10%,橡胶掺量(等体积取代砂)为10%时的RRC力学性能与抗冻融性能综合最优,经历120次冻融循环后,其抗压强度损失率较NC降低了18%。
先进树脂基复合材料纤维褶皱缺陷阵列超声全聚焦成像
周正干, 朱甜甜, 马腾飞, 李洋
摘要:
先进树脂基复合材料因其密度低、强度高等特点,广泛应用于航空航天领域。纤维褶皱是先进树脂基复合材料制造过程中产生的一种缺陷,常规超声检测效率低,而阵列超声全聚焦成像检测技术则依赖准确的声传播延时。针对先进树脂基复合材料中的各向异性和多层折射界面而导致声波延时计算困难的问题,提出了一种使用Viterbi搜索算法的声线示踪方法,用于计算阵列超声全聚焦成像检测的时间延时。对5.92 mm厚的多向碳纤维复合材料层压板进行阵列超声全聚焦成像检测实验,结果表明,使用声线示踪法计算延时,可以使采集的全矩阵信号被准确地相干叠加,有效检测出多向碳纤维复合材料层压板中的纤维褶皱缺陷。
高强钢筋高延性混凝土构件正截面承载力计算
邓明科, 陈晖, 李睿喆, 张阳玺, 朱兆晴
摘要:
高延性混凝土(High ductile fiber-reinforced concrete, HDC)具有良好的变形能力,用其替代普通混凝土,与高强钢筋结合形成构件,可使高强钢筋的强度利用率有效提高。本文基于我国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中钢筋混凝土构件正截面承载力计算方法,对高强钢筋混凝土构件和高强钢筋HDC构件的正截面承载力进行分析,推导了相对界限受压区高度、最大与最小配筋率、受压区高度取值范围和轴压比限值等系数,研究了不同强度等级的钢筋、混凝土和HDC对各计算系数的影响,给出高强钢筋HDC构件正截面承载力计算方法,其计算结果与试验结果误差的平均值在12.5%以内。
基于多向冷冻法制备的高灵敏度柔性电容式压力传感器
王菲菲, 彭海益, 姚晓刚
摘要:
近年来,柔性电容压力传感器因兼具优异的力学性能和良好的灵敏性,广泛应用于医学诊断、电子皮肤、人工智能等重要领域。本研究围绕提升电容式柔性传感器的灵敏度为目标,设计了一种基于多向冷冻工艺构筑的三维交联网络结构多壁碳纳米管(MwCNTs)/聚二甲基硅烷(PDMS)海绵为介质层的柔性电容式压力传感器,并对该传感器的制造过程、传感机制、响应性能和人体适用性进行表征。结果表明,通过多向冷冻法可成功构建三维网络结构MwCNTs/PDMS海绵介质层,且此介质层组装的柔性电容式压力传感器具有较高灵敏度(~1.94 kPa−1)、低检测限(~4 Pa)、快响应时间(~250 ms)、良好稳定性以及人体适用性。该柔性传感器在可穿戴电子产品中具有良好的应用前景。
铝蜂窝夹层板低速冲击响应及损伤模式的参数化影响
谢素超, 井坤坤, 冯哲骏, 马闻, 汪浩
摘要:
以铝蜂窝夹层板为对象,通过低速落锤试验及包含面板、胶层及蜂窝的细节仿真模型,探究了蜂窝胞元直径、蜂窝壁厚、面板厚度及冲头半径参数影响下低速冲击响应曲线及损伤模式的变化情况,确定在试验工况下的三种损伤模式:芯层屈曲、芯层剪切及夹层板穿透,其中芯层剪切模式具有更好的吸能分布。结果表明蜂窝胞元直径与蜂窝壁厚对冲击响应与损伤模式具有类似的影响,面板厚度增加可以较大程度地提升抗冲击性能,冲头半径的大小会显著影响损伤模式。在此基础上建立与上述参数相关的损伤模式极限载荷公式,绘制相应的损伤模式图,为铝蜂窝夹层板的抗冲击设计提供参考。
盐碱和冻融环境下GFRP筋/ECC材料黏结滑移模型
吴丽丽, 王慧, 徐翔, 林智斌
摘要:
黏结滑移本构模型可以反映两种材料界面协同工作的性能,国内外对于玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋/普通混凝土的黏结滑移研究较多,对GFRP筋与工程用水泥基复合材料(ECC)的研究较少,尤其是盐碱或冻融环境下。共制作了66个GFRP筋/混凝土拉拔试件,对比了普通环境、盐碱和冻融循环条件下,GFRP筋表面形式、基体类型和混凝土强度等因素变化时,试件的破坏形式、黏结机理以及黏结滑移曲线的差异。研究结果表明:带肋GFRP筋/ECC试件主要发生拔出且带缝破坏;冻融循环后的带肋GFRP筋/普通混凝土试件由劈裂破坏变为拔出且带缝破坏;冻融循环使试件的黏结滑移曲线斜率变小;发生拔出破坏和拔出且带缝破坏的试件残余段曲线呈波浪式衰减,且残余应力峰值之间的滑移量约为一个肋间距。与现有黏结滑移模型进行拟合,根据拟合结果和GFRP筋/ECC材料在三种环境下实际黏结滑移特点,提出了包含参数ABα的黏结滑移曲线模型,与试验结果拟合相关系数R2均在0.9以上,得到参数ABα的取值分别集中在−0.6~0.2,−0.1~0.1和−0.6~−0.3之间。并根据不同学者的试验结果进一步验证了建议模型的可行性和普适性。
玄武岩纤维特征参数对混凝土单轴受拉性能的影响
郭耀东, 刘元珍, 王文婧, 张玉, 王凯迪, 刘运房
摘要:
考虑玄武岩纤维体积分数和长径比两个主要因素,通过直接拉伸试验,研究玄武岩纤维对混凝土轴心受拉破坏形态、应力-应变全曲线、受拉荷载变形性能和韧性的影响。结果表明,玄武岩纤维混凝土单轴受拉破坏呈明显的塑性特征,玄武岩纤维显著增强了混凝土在轴心受拉荷载作用下的韧性;与普通混凝土相比,随着玄武岩纤维增强因子的提高,轴心受拉应力-应变全曲线特征点和断裂能均呈先增大后减小的趋势;基于轴心受拉应力-应变全曲线分析,提出关于纤维体积分数和长径比的玄武岩纤维混凝土轴心受拉应力-应变本构模型,可供玄武岩纤维混凝土结构和构件的非线性分析和工程设计参考。对比分析拉压比、折压比和单轴拉伸破坏断裂能三种韧性指标,发现断裂能可以准确评价BFRC受拉韧性,BFRC韧性较NC最大提升率为43.0%。
甲基丙烯酸缩水甘油酯表面改性聚乙烯醇纤维的表征及其对热塑性淀粉力学性能的影响
秦文博, 马宏鹏, 郭斌, 李盘欣
摘要:
以天然淀粉为原料制备而来的热塑性淀粉具有可完全生物降解及与传统塑料类似的热塑加工性能,但力学性能和耐水性能较差限制了其发展。选择可生物降解的聚乙烯醇纤维(PVAF),用含有环氧和乙烯基团的甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)在其表面接枝改性。在双螺杆挤出加工过程中淀粉大分子上的羟基和PVAF表面GMA的环氧基团发生化学反应,形成交联结构,从而提高热塑性淀粉(TPS)塑料的力学性能。结果表明:PVAF表面接枝GMA后出现了明显的包覆层,具有GMA中酯羰基和环氧基团的特征红外吸收峰,结晶度显著降低,玻璃化转变温度由95.8提高到100.7℃,热重分析计算表明包覆层质量分数约为8.77wt%;当GMA-PVAF的含量为1.5wt%时,复合材料GMA-PVAF/TPS的拉伸强度由纯TPS的3.00 MPa提高到4.99 MPa,断裂伸长率为146.842%,弯曲强度由1.82 MPa提高到11.62 MPa,力学性能显著提高。
张弦式预应力CFRP板加固钢-混凝土组合梁的抗弯试验
强旭红, 陈龙龙, 姜旭
摘要:
为研究张弦式预应力碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板加固方法的加固效果,进行了4根5.2 m长的钢-混凝土组合梁试件的四点弯曲试验。使用自主研发的顶升装置横向张拉CFRP板,配合可转动的端部锚具共同完成加固。试验结果表明:钢-混凝土组合梁均呈现出典型的弯曲破坏特征;加固梁的极限承载能力显著提高,分别提高31.5%、28.8%和47.9%,其中150CFRP(10)-S-C组由于锚具不当而导致CFRP板提前发生破坏;加固对梁的破坏时挠度影响很小,100CFRP(10)-S-C和150CFRP(15)-S-C梁的极限挠度仅降低了0.4%和1.6%;增大CFRP板截面面积对梁的抗弯刚度贡献较大,而提高初始预应力水平更有助于延缓钢梁屈服;加载全过程,CFRP板应力沿全长分布均匀,破坏时材料强度利用率达80%以上。为期约90h的预应损失监测表明,张弦式加固方法的预应力损失仅约2%,且损失预应力补偿方便。但是,值得注意的是该方法对端部锚具的可靠性要求很高。
原位成纤复合泡沫材料的研究进展
孙俊威, 蒋晶, 赵娜, 王小峰, 段同生, 李倩
摘要:
原位成纤复合泡沫材料是针对原位微纤化(In-situ Micro Fibrillation, IMF)复合材料,基于微孔发泡工艺制备的一种泡沫材料。除了具有传统泡沫材料质轻、减震、隔热、降噪等性能外,IMF复合材料内部纤维网络结构的存在显著改善了基体的微孔发泡行为,使得原位成纤复合发泡材料成为一种兼具高强度和功能化的新型泡沫材料。文章首先概述了IMF复合材料的制备工艺及IMF工艺过程调控因素,重点分析了IMF网络结构对复合材料结晶和流变行为的影响,其次综述了针对不同IMF复合材料体系和微孔发泡工艺的原位成纤复合泡沫材料的制备方法和泡孔结构调控手段,阐述并列举了其力学性能强韧化机制和在隔热和油水分离领域的应用,最后展望了原位成纤复合泡沫材料未来的研究方向。
膨胀石墨/硫-氟化气相沉积碳纤维双层正极
马朝勇, 欧云, 姚琛琪, 唐智勇, 刘龙飞, 王艳, 成娟娟
摘要:
对于高性能储能设备的迫切需求,使得理论能量密度达到2600 W·h/kg的锂硫电池(LSBs)变得极具吸引力。然而,低的容量可逆性和硫自身绝缘性的天然缺陷制约了其商业化进程。为了有效改善硫的导电性能,同时抑制多硫化物的穿梭效应,达到提高LSBs电化学性能的目的。本文采用逐层涂覆法在膨胀石墨(EG)/硫(S)复合正极极片表面涂覆氟化气相沉积碳纤维(FVGCF),通过首次放电至2.5 V实现FVGCF嵌锂,在EGS正极极片表面形成LiF和FVGCF复合层。电化学性能测试和形貌表征结果表明:采用FVGCF新型正极材料具有最佳的循环寿命,1 C电流密度下恒流放/充电EGS-FVGCF初始容量为691.8 mA·h/g,循环100次之后依然能保持549.5 mA·h/g。相对于EGS涂覆的单层结构,在EGS上面涂覆FVGCF的双层电池性能具备极大应用优势,放电过程中生成的LiF能够抑制多硫化物从正极到负极的穿梭。同时,放充电后的电极形貌表征发现FVGCF层的加入减少了极片表面的裂纹,表明FVGCF层在一定程度上缓冲了硫正极的体积膨胀。这种简单易操作的复合结构为开发高性能LSBs提供了一定参考。
基于组合芯模维形传压的复合材料帽型加筋构件固化过程压力分布及成型质量
常腾飞, 湛利华, 邓帆, 李树健
摘要:
为改善硅橡胶芯模辅助成型中调型孔工艺窗口过窄,导致复合材料帽型件成型质量对其敏感性过高问题,提出硅橡胶芯模&真空袋气囊组合新方法,并对不同调型孔硅橡胶芯模&真空袋气囊下成型的复合材料帽型件固化过程中压力分布和固化后成型精度、微观结构与力学性能进行了研究。结果表明:未开设调型孔&真空袋气囊,构件内部压力大小波动明显且不均分布,随着孔占比XS的增大,在XS=0.4~0.53内,构件内部压力均匀且稳定在所需压力0.6 MPa,同时,构件厚度和型腔高度平均差值仅为0.046 mm和0.13 mm,其三角区域微观结构质量较高,平均拉脱性能和增幅分别为3.42 MPa和23.02%。本研究提出的方法具有更宽的调型孔工艺窗口,在复合材料帽型件固化成型领域具备一定应用潜力。
坡缕石-Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH复合材料的制备及其光催化性能
胡美凤, 唐忠家, 文娜, 常玥, 查飞
摘要:
为解决Cd0.5Zn0.5S易光腐蚀的缺点,两步水热法制备了坡缕石(PGS)负载Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH复合材料(PGS-Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH),通过Zn-Fe LDH和PGS提高光生载流子的分离效率。利用XRD、SEM、TEM、UV-Vis DRS和PL对材料的结构、形貌及光学性能进行了表征。电镜图像显示片状Zn-Fe LDH表面附着针状坡缕石与颗粒状Cd0.5Zn0.5S。紫外-可见漫反射光谱表明PGS-Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH吸光区域比Cd0.5Zn0.5S宽,吸收边缘从560 nm红移至605 nm。PGS-Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH在光催化降解结晶紫(CV)中表现出良好的光催化活性,催化活性高于Cd0.5Zn0.5S和Zn-Fe LDH。当PGS 与Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH质量比为50%时,可见光照射60 min, 20 mg PGS-Cd0.5Zn0.5S/Zn-Fe LDH对20 mg/L结晶紫溶液的去除率为97.5%,\begin{document}$\cdot {\rm{O}}_2^{-}$\end{document}、·OH是光催化降解的主要活性物种,且5次循环实验后仍然保持较高活性。此外,制备的复合材料对孔雀石绿(MG)、酸性品红(AF)、罗丹明B(RhB)、甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MB)等染料均表现出较好的光降解效果。
羟基磷灰石包覆羟基锡酸钙复合微纳米阻燃剂的制备及其阻燃性能
王增豪, 马益恒, 娄元猛, 董璐铭, 马海云
摘要:
羟基锡酸盐是近些年来人们日益关注的新型阻燃剂。本研究从阻燃设计入手,通过化学共沉淀法合成了亚微米级羟基锡酸钙立方体(CSH),并通过高倍模拟体液法原位快速包覆羟基磷灰石(HA),得到羟基磷灰石/羟基锡酸钙(CSH@HA)复合微纳米阻燃剂,并应用于软质PVC的阻燃研究。研究结果表明CSH@HA对PVC展现出优异的阻燃效果。极少量的CSH@HA即能显著提高PVC的极限氧指数,降低PVC燃烧时的热释放速率、热释放量、烟释放量和CO排放量。CSH@HA在PVC降解过程中通过与HCl反应,保护内层CSH,将PVC转化为更为稳定的炭层结构。低填充量CSH@HA还在保持PVC的力学性能的同时提升材料的韧性。本文得到的羟基磷灰石/羟基锡酸钙复合阻燃剂为高效环保阻燃剂的开发提供了思路。
超润滑表面液滴在温度及力场作用下的钉扎/滑动行为及内在机制
顾剑锋, 黄玖辉, 李大宇, 刘霖, 朱苏皖, 肖轶
摘要:
近年来,刺激响应型液体注入式超润滑多孔表面(SLIPS)在微流体操控领域受到广泛关注。然而,大多数报道的刺激响应型SLIPS都是在室温或相对高温下实现液滴操控,难以满足更广泛的应用场景。本文利用飞秒激光正交扫描方法制备了一种双重响应超润滑表面(DRSS)。通过温度场和力场的共同作用,实现了微液滴在DRSS上滑动/钉扎行为的动态控制。系统研究了润滑油注入量、沟槽深度和间距等实验参数对液滴临界滑动体积的影响规律,揭示了液滴钉扎/滑动动力学机制。这种双物理场调控下的超润滑表面液滴操控方法有望用于芯片实验室、微流体反应器等相关领域。
废弃瓷砖粉对超高性能混凝土的抗压强度影响规律与机制
张立卿, 潘延念, 胡文兵, 许开成, 付书城, 陈梦成, 韩宝国
摘要:
超高性能混凝土极低的水胶比和较高的水泥用量,使其在广泛应用中面临着水泥基体高自收缩和高成本等问题,而使用工业副产品或废弃物取代部分水泥是有效的解决方法之一。废品瓷砖已成为一种大宗工业废弃物,应用瓷砖粉在超高性能混凝土中可有效地解决水泥的高消耗和废弃瓷砖的堆积问题。因此,使用瓷砖粉取代水泥质量的10%、15%、20%和25%来制备新型绿色低碳超高性能混凝土,主要研究了瓷砖粉对超高性能混凝土抗压强度的影响规律,并采用修正Andreasen堆积模型、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析、热重分析(Thermogravimetric and derivative thermogravimetric analyses, TG/DTG)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)观察探讨了瓷砖粉对超高性能混凝土的改性机制,同时对瓷砖粉超高性能混凝土的环境足迹和成本进行了分析。研究结果表明,瓷砖粉的掺入对超高性能混凝土各龄期抗压影响在±10%以内,但对7~28 d和28~60 d的抗压强度发展影响显著,在25%掺量时抗压强度增长率分别达到了104.6%和51.8%。这主要是由于瓷砖粉的掺入提高了超高性能混凝土的堆积密实度,发生二次水化反应并生成了低钙硅比的水化硅酸钙凝胶,提高了水泥的水化程度,降低了界面过渡区的宽度。并且由环境影响和成本计算可知,瓷砖粉可有效降低超高性能混凝土的能耗、CO2排放量和成本。
苯乙烯-马来酸酐共聚物对PLA/PBAT共混物的相形态及其性能的影响
莫智翔, 刘小超, 刘跃军, 毛旭升, 郑伟
摘要:
聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)具有很好的延展性,但其强度较低,而聚乳酸(PLA)高模量可以解决PBAT的缺陷。以苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)为增容剂,通过双螺杆挤出机制备了PLA/ PBAT共混物,研究了不同含量的SMA对PLA/PBAT共混物的结晶性能、热性能、流变行为以及拉伸性能的影响。结果表明:SMA能显著降低分散相PLA的粒径大小,在SMA含量为1.5wt%时变化最明显,PLA的粒径从1.75 μm降低到0.60 μm;SMA能促进PBAT的结晶,随着SMA含量增加,PBAT的结晶度呈现先增大后降低的趋势,当SMA含量为2wt%时,PBAT的结晶度达到最大为9.2%;通过Han曲线发现,在SMA含量较低时,共混物更接近均质物,随着SMA含量提高,共混物的弹性行为增强;SMA能够提高PLA/PBAT共混物的拉伸性能,随着SMA含量增加,拉伸强度与断裂伸长率都呈现先增大后减小的趋势,但总体高于未加SMA时的拉伸强度与断裂伸长率,SMA含量为1.5wt%时,拉伸强度相对于未添加SMA时,从18.1 MPa增加到21.8 MPa,提高了21%,断裂伸长率在SMA含量为1wt%时达到最大,为433.7%,相对未添加SMA时提高了25%。
纤维织物袋的内爆响应与抗爆性能
解江, 高斌元, 蒋逸伦, 潘汉源, 冯振宇
摘要:
针对小当量简易爆炸装置,设计了芳纶和超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维织物防爆袋,开展了织物袋内爆试验,同时建立了织物袋内爆数值分析模型。从外部超压和临界厚度两个角度对比了两种材料织物袋的抗爆能力,分析了初始内爆距离和织物袋厚度对织物袋抗爆性能的影响。结果表明:内爆载荷下织物袋的主要失效模式为中心区域破孔和封口拉链失效。在20~100 g药量范围内,织物袋的临界厚度与药量近似呈线性增长关系。同一药量下,芳纶织物袋的临界厚度明显大于UHMWPE织物袋,在不考虑爆炸火球对织物烧蚀的影响时,UHMWPE织物袋具有更好的抗爆效果。厚度相同时,芳纶织物袋外部的超压峰值更小,表明芳纶织物袋的超压衰减能力更强。随着织物袋初始内爆距离的增大,织物袋的临界厚度减小。织物袋外部一定范围内存在高于人体能够承受的超压,以30 g TNT 3 mm厚芳纶织物袋为例,在距织物袋中心665 mm处的超压为34.2 kPa,超过鼓膜损伤阈值。
石墨烯-有机物复合光催化材料及其应用
刘洋洋, 易敏, 陈涛, 董舒宇
摘要:
光催化技术以其绿色安全的特点在能源和环境领域显示出巨大的应用潜力。近年来,有机物光催化剂以其可见光响应及成本较低等优势逐渐进入人们的视野,但也存在一些不足,而石墨烯材料的大比表面积、高载流子迁移率等性质,在催化剂构建领域具有天然优势。本文针对石墨烯-有机物半导体光催化材料,在总结石墨烯在材料中的基本作用的基础上,介绍了石墨烯/共轭聚合物、石墨烯/金属有机骨架、石墨烯/染料三种典型的石墨烯-有机物光催化材料及多种合成方法。进一步阐述了此类材料在能源和环境领域,包括光解水析氢、CO2还原、有机物降解、重金属离子还原及细菌灭活等领域的应用。最后对石墨烯-有机物复合光催化材料的未来发展提出了建议。
基于生物质衍生炭在超级电容器中的研究进展
宋晓琪, 雷西萍, 樊凯, 田甜, 朱航
摘要:
多孔炭由于其较大的比表面积、高耐久性和独特的内部结构而被广泛应用于储能领域的电极材料,但是发展新的储能系统需要可再生、低成本和对环境友好的电极材料。而生物质作为地球上最广泛的可再生资源之一,有着巨大的开发利用价值。目前在储能领域,生物质炭基超级电容器因其优异的性能而备受研究者的青睐。本文按照炭前驱体的来源对生物质衍生炭进行了分类,重点介绍了生物质衍生炭作为超级电容器电极材料方面的最新研究成果,最后讨论了生物质衍生炭材料在建设高效能源存储系统方面所面临的挑战。
青稞秸秆灰–氯氧镁水泥复合材料盐冻耦合损伤强度特性及孔隙特征
曹锋, 乔宏霞, 李双营, 赵紫岩, 舒修远, 崔丽君
摘要:
为探究掺入青稞秸秆灰(HBSA)对氯氧镁水泥(MOC)的耐久性能与孔隙结构的影响,采用HBSA来改善MOC的耐久性能,制备青稞秸秆灰-氯氧镁水泥复合材料。对不同HBSA掺量的氯氧镁水泥砂浆(MOCM)分别在盐湖卤水侵蚀、冻融循环侵蚀以及盐冻耦合侵蚀条件下的耐久性能进行研究,采用相对质量评价参数、相对动弹性模量评价参数以及相对抗压强度评价参数三种耐久性评价指标来反映MOCM的耐久性能劣化规律,并确定HBSA的最佳掺量。通过表观形貌分析以及孔隙结构测试,揭示不同侵蚀环境下MOCM的耐久性损伤劣化程度以及孔隙结构特征。结果表明:冻融循环侵蚀对MOCM造成的耐久性损伤程度比盐卤侵蚀及盐冻耦合侵蚀更为严重,MOCM试件表面产生了更多的宏观裂缝。HBSA掺入能够显著改善MOCM的耐久性能。当HBSA掺量为10wt%时,MOCM在盐湖卤水侵蚀、冻融循环侵蚀以及盐冻耦合侵蚀条件下的耐久性能分别比未掺HBSA时提高了21.24%、23.48%和18.91%。掺入10wt%HBSA的MOCM的开口孔隙率减小,比表面积增大,最可几孔径和平均孔径减小,细化了MOCM的孔隙结构,提高了耐久性能。
MXene及其复合材料的抗菌纺织品研究进展
李艳艳, 赵立环, 杨玉洁
摘要:
MXene材料是一类具有二维层状结构的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物的二维纳米材料,因其优异的物理、化学性能在生物传感、癌症光热疗法、抗菌等方面已经得到广泛应用。基于MXene抗菌性的研究现状,探究了MXene及其复合材料的抗菌机制,阐述了MXene及其复合材料的抗菌性能及其抗菌整理织物、抗菌纤维和抗菌敷料的研究进展,最后提出了基于MXene及其复合材料的抗菌纺织品未来研究方向。
钛酸钡基纳米材料的压电催化性能研究进展
张鹏, 王欣, 李智
摘要:
社会快速发展带来巨大经济效益的同时,也带来了一系列生态环境问题,如水污染、大气污染和污染物排放。催化降解被认为是处理各种污染的一种有效策略,相对于传统的光催化,压电催化是近几年提出的一种全新的催化方式。通过压电催化将机械能转化为化学能是解决当前水污染难题的一个有效手段,大量的压电材料被应用于压电催化降解的研究,其中BaTiO3(BTO)基纳米粉体作为一种典型的压电材料,因具有成本低,压电活性强等优点,引起了研究者的广泛关注。本文首先对压电催化的理论和起源进行了概述,列举了一些常用的压电催化材料并针对其压电催化应用进行举例。围绕BTO,介绍了其基本结构、纳米BTO粉体的常用制备方法和在压电催化领域的应用,以及一些典型的改性方法。最后对BTO基纳米粉体在压电催化领域的未来发展趋势进行了展望。
基底表面缺陷对TiO2/Bi2WO6复合材料微观结构和光催化性能的影响
刘袁, 房国丽, 严祥辉, 沈宏芳
摘要:
TiO2/Bi2WO6异质结复合材料是可见光响应光催化活性最高的物质之一,其界面结构和微观形貌是影响光催化性能的重要因素。但是,如何可控“裁剪”TiO2/Bi2WO6异质结复合材料的界面结构与微观形貌仍面临巨大的挑战。本文采用缺陷诱导可控合成TiO2/Bi2WO6异质结复合材料,研究了TiO2基底表面缺陷尺寸、分布密度等对TiO2/Bi2WO6复合材料微观结构和光催化性能的影响。结果表明:热腐蚀合成温度、腐蚀时间是影响TiO2纳米带基底表面缺陷尺寸和分布的关键因素。TiO2纳米带基底表面的缺陷尺寸为26 nm,缺陷分布密度为12个/μm2,有利于合成界面结合良好的TiO2/Bi2WO6异质结复合材料。所得TiO2/Bi2WO6异质结复合材料在可见光辐照12 min后使罗丹明B完全降解,辐照20 min后使亚甲基蓝完全降解,辐照70 min后对苯酚的降解率达43.8%。
WO3-x/CFs三相催化剂的制备及其可见光催化转化甲烷制甲醇
荣丽青, 杨娟, 戴俊, 王大钊
摘要:
将甲烷选择性转化为平台分子甲醇是有效利用天然气资源的理想途径之一,低碳排放的光催化技术可在室温常压下活化与转化甲烷,但水相光催化体系的甲烷转化性能仍较低。采用水热法首先合成富含氧缺陷的氧化钨(WO3-x),借助聚四氟乙烯浓缩液(PTFE)将WO3-x负载至碳纤维(CFs)表面制备WO3-x/CFs三相光催化剂,改变PTFE添加量可调控WO3-x/CFs的表面浸润性,通过XRD、SEM、水接触角、EPR和低温氮吸脱附等测试技术对催化剂的形貌、结构与表面特性进行系统表征。可见光催化实验结果表明WO3-x/CFs三相体系可显著提升甲烷至甲醇的转化性能,最优催化剂WO3-x/CFs-0.3的甲烷转化量为2522.20 μmol·g−1,分别为WO3-x/Glas与粉末WO3-x两相体系的1.76和2.48倍;相应的甲醇产生量为1918.83 μmol·g−1,分别为WO3-x/Glas与粉末WO3-x体系的2.81和4.69倍,同时三相体系的甲醇选择性高达76.76%。WO3-x/CFs光催化性能增强主要源于疏水性催化剂形成的气-液-固三相界面,消耗的甲烷可经CFs气体传输通道直接传质至催化界面,促进甲烷分子活化与转化。此外,三相光催化体系循环稳定性优异,WO3-x/CFs-0.3经6次循环后甲醇产生量仍可达1506.98 μmol·g−1
高温作用后GFRP筋与海水珊瑚混凝土粘结性能试验研究
周春恒, 王君义, 王新堂, 陈宗平
摘要:
为了研究高温后玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋与海水珊瑚混凝土的残余粘结性能,对54个GFRP筋-珊瑚混凝土试件及钢筋-珊瑚混凝土对比试件进行了高温作用后的中心拔出试验,最高温度为350℃,混凝土强度等级考虑C20~C30。观察了高温后试件的表观变化及粘结破坏形态,获取了各试件的粘结-滑移曲线、粘结强度、粘结刚度和峰值滑移量,分析了不同温度、GFRP筋直径、海水珊瑚混凝土强度等因素对高温后GFRP筋-海水珊瑚混凝土粘结性能的影响。基于烧失率和XRD分析,剖析了GFRP筋海水珊瑚混凝土的高温劣化机制。最后,提出高温后GFRP筋与珊瑚混凝土的剩余粘结强度计算式和粘结-滑移本构模型。研究结果表明:高温作用后,尽管GFRP筋与珊瑚混凝土的粘结破坏形态与常温相似,GFRP筋的碳化和珊瑚混凝土的分解使得二者界面发生显著劣化;随着温度的提高,GFRP筋与珊瑚混凝土的粘结强度逐渐降低,峰值滑移量增大;GFRP筋直径越小,高温后的剩余粘结强度和剩余粘结刚度越小;珊瑚混凝土强度等级越高,剩余粘结刚度越大,峰值滑移量越小。所提出的高温后GFRP筋与珊瑚混凝土剩余粘结强度和粘结-滑移本构关系计算结果与试验结果均能较好吻合。
静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度
李永胜, 王纬波, 李泓运, 屈平, 张建
摘要:
为探究静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度,以湿法缠绕工艺制备中厚玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)圆柱耐压壳结构模型,对其初挠度进行测试,并开展静水压破坏试验,分析了结构的极限承载能力、应变响应和破坏模式。基于实测初挠度及破坏模式,建立含缺陷复合材料圆柱壳的非线性分析有限元模型,同时考虑壳体几何缺陷及承压过程中的复合材料面内损伤,编制ABAQUS接口子程序USDFLD,对模型的损伤过程进行数值模拟,获得静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱壳的渐进失效过程,并与试验结果对比验证。研究表明:在静水压下中厚GFRP圆柱壳结构在破坏前载荷几乎呈线性增加,最终破坏模式为材料的压缩破坏,整体屈曲破坏模式不明显。考虑结构的几何缺陷和材料损伤演化后,采用非线性有限元模拟得到的壳体极限强度与试验结果吻合良好,可以作为预测含缺陷中厚复合材料圆柱壳极限强度的方法。采用该方法对影响中厚复合材料圆柱耐压壳极限强度的关键参数进行了研究,为深海复合材料耐压壳的研究设计提供参考。
新型CFRP-UHPC组合管混凝土圆柱轴压性能
刘磊, 何真, 汪鹏, 蔡新华, 韩笛扬, 罗滔
摘要:
为研究超高性能混凝土(UHPC)管替代碳纤维增强聚合物(CFRP)-钢管混凝土组合柱中钢管的可行性,提出一种外部缠绕CFRP的UHPC预制管、内部现浇填充普通混凝土的新型CFRP-UHPC组合管混凝土(Concrete-filled CFRP-UHPC Tube,CFFUT)柱。对10个CFFUT圆柱(包含2个对比柱)进行了单调轴压试验,研究了UHPC管壁厚度、CFRP环向包裹层数和核心混凝土强度等的影响规律。结果表明:CFRP-UHPC管可以有效提高组合柱的承载力、变形能力和延性;CFFUT圆柱破坏形态为核心混凝土压溃、UHPC管开裂和CFRP拉断,破坏后整体性较好,属延性破坏模式;CFFUT圆柱的极限承载力与UHPC管壁厚度、CFRP层数和核心混凝土强度呈正相关;延性系数随UHPC管壁厚度、CFRP层数增加而提高,随核心混凝土强度增加先提高后降低。揭示了CFFUT柱的界面增强作用机制,CFFUT柱极限承载力与同等截面普通混凝土柱相比提高93.9%~203.5%,且CFFUT柱极限承载力一定程度上与CFRP-钢管混凝土柱相当。建立了CFFUT圆柱轴压极限承载力理论计算模型,并通过有限元模拟验证,理论值、模拟值和试验结果吻合较好。
干湿循环条件下生物聚合物改良砂土强度特性
宋泽卓, 郝社锋, 梅红, 刘瑾, 任静华, 卜凡, 王梓
摘要:
通过无侧限抗压强度试验和三轴剪切试验对生物聚合物(XG)/砂土复合材料强度特性进行研究,分析不同生物聚合物含量(与砂土质量比)和不同干湿循环次数对XG/砂土的强度特性的影响,并利用扫描电子显微镜和低场核磁共振分析仪对不同XG/砂土的微观结构进行分析与研究。研究结果表明:随着生物聚合物含量的增加,XG/砂土的无侧限抗压强度、峰值偏应力和黏聚力均发生增强,内摩擦角在27°~32°范围内变化。随着干湿循环的次数的增加,XG/砂土的无侧限抗压强度、峰值偏应力和黏聚力均发生一定的减小。当经历4次干湿循环时,XG/砂土的强度降幅约为29%。随着干湿循环次数的继续增加,强度的降幅稳定在20%左右。生物聚合物可以在砂土表面和孔隙中形成大量的网状结构,大量的网状结构相互连接为网状膜将砂土连接为一个整体。环境中水分的变化会使得网状膜产生一定的损伤,使得XG/砂土的力学性质降低。但相较于未经改良的砂土,XG/砂土仍然拥有较强的结构性和力学性质。
合成粗聚丙烯纤维与水泥砂浆界面黏结力学性能
李长辉, 陈雪芳, 张献民, 王慧颖
摘要:
纤维嵌入水泥基材料中的界面黏结力学性能对纤维增强混凝土材料的力学性能起着重要的作用。单纤维拉拔试验可以较好地模拟纤维与水泥基体材料界面间的受力条件,因此考虑三种纤维直径(0.2 mm、0.6 mm、0.8 mm)、三种纤维埋置长度(10 mm、20 mm、30 mm)和三种纤维表面性状(压痕型、波浪型、光圆型)与三种水泥砂浆基体水胶比(0.66、0.51、0.41)影响因素,进行了单根粗聚丙烯纤维从水泥砂浆基体中的拔出试验,使用SEM扫描电镜观测了纤维被拔出后的形貌特征,通过ABAQUS有限元建立了纤维拔出过程的数值模型,以研究单根纤维与水泥基界面间的剪切应力。同时将试验结果和模拟结果进行了数值拟合,得到了各因素对界面黏结力学性能的影响规律:(1)水泥砂浆的最佳水胶比为0.41~0.49;(2)合成粗聚丙烯纤维埋置长度最佳为8~10 mm,最佳纤维直径在0.26~0.39 mm范围;(3)纤维表面性状为压痕型时,纤维在水泥基材料中的利用率较大,并且与水泥砂浆的界面黏结性能良好。
超低掺量氧化石墨烯的分散行为及其对水泥基材料结构与性能的影响
吴磊, 吕生华, 李泽雄, 李尧, 刘雷鹏
摘要:
研究了氧化石墨烯(GO)纳米片层在水相及分散剂作用下的存在状态及分散行为,发现GO在水泥基材料中存在掺量大、成本高及应用效果不稳定不显著的主要原因是GO纳米片层容易团聚导致其在水泥基体中散不均匀。为此制备了两性聚羧酸分散剂(APC)及与GO的复合物(APC-GO),研究发现GO在APC-GO复合物中不再以团簇式聚集态存在,而是主要吸附在APC多支链分子上并呈现多支链状的分散状态,通过掺入APC-GO复合物引入与水泥质量比为0.0003%的超低掺量GO能够显著提高水泥基材料的力学性能和耐久性,SEM显示掺入APC-GO的水泥基材料具有规整致密的微观结构形貌,说明了GO在水泥基体中能够均匀分散及其对水泥水化产物形貌和结构的具有规整性的调控效果,研究结果对于GO在水泥基材料中的应用具有指导意义。
再生PET塑料骨料砂浆的弯曲韧性及阻尼特性
鲍聪, 赵晓钦, 樊伟, 梁超锋, 占海华
摘要:
为研究再生聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料骨料砂浆(RPAM)的弯曲韧性及阻尼特性,利用废弃PET塑料制备再生PET塑料骨料(RPA),以RPA取代率为参变量,开展了RPAM三点弯曲加载试验和悬挂梁弯曲自由振动试验,分析了三点弯曲RPAM荷载-挠度全曲线与弯曲韧性、弯曲振动一阶阻尼比与频率随RPA取代率的演变规律,并通过扫描电镜(SEM)测试RPA界面特征,分析其阻尼机制。结果表明:随RPA取代率增加RPAM延性增加,荷载-挠度曲线上升段和下降段斜率逐渐降低,初裂强度和抗弯强度降低;RPA的掺入使得RPAM破坏更具延性,初裂挠度和峰值挠度均明显增大,韧性指数I5I10I20分别比普通砂浆提高4.17、5.65、5.89倍,且RPAM的剩余强度随RPA取代率增加逐渐增大;随RPA取代率增加,RPAM一阶频率降低9.0%~25.9%,阻尼比增加11.3%~58.1%;RPA与水泥基体之间的界面过渡区(ITZ)微观结构疏松,ITZ界面滑移与摩擦作用及RPA的黏性增加了RPAM的阻尼耗能;RPA最佳用量为15.5vol%~17.2vol%。
基于碳纳米材料的肾上腺素电化学传感器研究进展
刘雪茹, 金彪, 孟龙月
摘要:
肾上腺素(AD)作为一种神经递质在人体内扮演重要角色,其含量的高低直接影响人体身体健康,因此对AD进行快速检测具有重要的实际意义。其检测方法中电化学方法具有灵敏度高、检测速度快、操作简便的优点,因而构建性能优异的肾上腺素电化学传感器成为研究热点。为提高传感器的电化学性能,碳纳米材料被采纳作为修饰传感器的新型材料而广泛应用,取得了检测限低、灵敏度高并有希望应用于临床检测的巨大进步。本文从碳点、石墨烯、碳纳米颗粒等碳纳米材料出发,分析AD在电极表面的电氧化还原机制,对近年来基于碳纳米材料的肾上腺素电化学传感器制备方法及检测结果进行分类统计,并对今后的检测提出展望,以期获得更有效的肾上腺素电化学传感器。
多糖-植物蜡-纳米二氧化硅防水防油包装纸制备与性能
朱瑞丰, 龙柱, 覃程荣, 吕文志, 郑辉, 王志英
摘要:
随着社会的发展,人们对无毒环保食品包装材料的需求不断增加。现阶段,兼顾防水防油性能的无氟食品包装纸研究较少。本研究以壳聚糖溶液与海藻酸钠溶液为原料,通过阿魏酸交联制备复合防油剂,并涂布在食品包装原纸上,制备防油纸;然后以巴西棕榈蜡与纳米二氧化硅为原料,制备复合防水剂,采用浸渍的方法,制备防水防油纸,探究不同配比及涂布量对纸张防水防油效果与纸张性能的影响。结果表明:当壳聚糖与海藻酸钠复配比例为8∶2,涂布量为4 g/m2时,防油纸可达到最高防油等级(12级);当巴西棕榈蜡与纳米二氧化硅复配比为4∶3,浸渍量为3 g/m2时,纸张Cobb值为5.93 g/m2,水接触角为158.40°,显著提升了原纸的防油性能与防水性能。此外,与未涂布纸相比,防水防油纸的抗张强度提升了30%,透气度下降了60%。本论文制备工艺简单,原材料无氟环保,纸张防水防油性能较好,有望在食品包装得到应用。
碳纤维感应元件厚度对碳纤维增强热塑性复合材料感应焊接接头力学性能及断裂形式的影响
王飞云, 罗杰帮, 张平则, 刘星, 占小红
摘要:
利用碳纤维织物与树脂薄膜制备了0.2 mm、0.3 mm与0.5 mm三种不同厚度的碳纤维感应元件,并开展碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composite, CFRTP)感应焊接建模仿真与工艺试验。观察CFRTP感应焊接接头成形形貌,开展接头拉伸剪切强度测试与断口形貌分析,着重探究感应元件厚度对接头力学性能与断裂形式的影响。研究结果表明:碳纤维感应元件能在不引入异质材料的前提下实现CFRTP的高质量感应焊接,但接头界面温度分布具有明显的不均匀性;随着感应元件厚度的增加,过量的树脂会降低接头的成形效果、连接质量与力学性能,同时界面的有效连接面积也随之减小;当感应元件厚度为0.2 mm时,焊接接头的拉伸剪切强度最高可达23.77 MPa;焊接接头的断裂形式包括感应元件内聚破坏、母材表层自破坏、界面破坏和混合破坏,造成接头失效的断裂机制会根据感应元件厚度的改变而发生变化。
混杂纤维增强应变硬化水泥基复合材料抗弯冲击性能
霍彦霖, 孙华阳, 刘天安, 和怡馨, 陈智韬, 吕承博, 杨英姿
摘要:
首先研究了在准静态作用下不同纤维掺量以及基体强度的混杂纤维增强SHCC的抗压和抗弯性能。实验结果表明混杂钢纤维可大幅提高SHCC材料的强度,其中抗压强度和抗弯强度分别提高了10.1%和13.9%。其次,采用落锤式冲击系统开展了混杂纤维增强SHCC在不同冲击高度下的动态抗弯性能试验。研究发现,混杂钢纤维的动态抗弯强度比单一纤维SHCC提高了10%~36%,具有明显的应变率效应。混杂纤维增强SHCC能量耗散与弯曲变形之间存在线性关系。最后,提出利用五维表征雷达图综合评估混杂纤维增强SHCC的成本和力学性能,并建议了最佳配合比。
基于快速响应f-La2O3/PANI电致变色薄膜的制备与性能表征
戴彦, 徐子芳, 傅宇豪, 张翔
摘要:
基于电致变色薄膜在军事伪装、建筑节能、汽车等工业领域具有重要研发前景,研究通过硅烷偶联剂KH-550对氧化镧(La2O3)表面进行修饰,并与导电聚合物聚苯胺(PANI)复合制备f-La2O3/PANI电致变色材料。利用XRD、FTIR、SEM-EDS、UV-vis、电化学工作站对f-La2O3/PANI电极与纯PANI电极进行对比分析,重点研究La2O3掺入量对PANI结构形貌、电化学性能及电致变色性能的影响。结果表明:La2O3的掺入使PANI纤维有向细小化方向变化的趋势,其复合材料较纯PANI具有更高的结晶度和分子链取向;La2O3会打破PANI的网络交联结构导致复合材料的电化学性能有所降低,但可以加快PANI质子化和脱质子化的转变进程,并有效抑制薄膜电致变色过程中PANI的氧化降解;当镧胺比1∶3.5时,f-La2O3/PANI复合材料的电致变色性能达到最佳,波长570 nm处的着色效率(CE)为22.81 cm2·C−1,褪色、着色响应时间(τb/τc)分别为1.29 s、1.33 s,经320次着褪色循环后薄膜电化学活性保持在初始的50%左右。
多功能CeO2/纤维素纳米纤维复合超疏水涂层的制备与性能
樊鑫炎, 黄俊雅, 杨炎晓, 宋丽丽, 王永贵, 肖泽芳, 王海刚, 谢延军
摘要:
自然界超疏水现象因独特的润湿性能被广泛关注,超疏水涂层的制备与应用尤为迫切。采用硝酸铈,六水合物(Ce(NO3)3·6H2O)共沉淀法于纤维素纳米纤维(CNFs)表面合成二氧化铈(CeO2),通过十八烷基三甲基硅氧烷(OTMS)对其进行疏水改性,喷涂构筑得到超疏水涂层。探讨了CNFs、Ce(NO3)3·6H2O和OTMS不同质量比对超疏水涂层形貌和疏水性能的影响。结果表明,CNFs和Ce(NO3)3·6H2O质量比为1∶5和1∶7涂层具有实现超疏水特性的微/纳结构,其中CNFs、Ce(NO3)3·6H2O和OTMS质量比为1∶5∶10涂层接触角为(159.7±1.1)°,滚动角为(5.7±1.8)°,经过150°C高温处理3 h和UV照射36 h后接触角仍大于150°,同时具有良好的pH稳定性和一定的机械强度。涂层应用于玻璃、纸、木材和海绵等基体均可构筑超疏水表面并赋予其优异的自清洁性能,其中超疏水玻璃涂层对UV-A和UV-B紫外透过率分别为12.6%和0.1%,超疏水海绵吸油效率达94%左右。该超疏水涂层有望被用作保护材料并且拓展了稀土金属氧化物在纤维素基超疏水涂层领域的应用。
碳化物陶瓷颗粒对双相高熵合金基复合材料微观组织和力学性能的影响
古艳玲, 陈扬, 安金华, 涂坚, 黄灿, 周志明, 罗晋如
摘要:
高熵合金拓宽了复合材料中金属基体的选用范围。本研究通过外加碳化物陶瓷颗粒,利用电弧熔炼技术制备Fe49.5Mn30Co10Cr10X0.5(X=B4C,ZrC和TiC)等三种高熵合金复合材料,系统研究三种碳化物陶瓷颗粒对双相高熵合金基复合材料微观组织和力学性能的影响。研究结果表明,掺杂碳化物陶瓷颗粒均可细化高熵合金基体的晶粒尺寸,稳定fcc相,抑制hcp相形成,其中B4C陶瓷颗粒细化晶粒和稳定fcc相效果最显著。掺杂ZrC和B4C陶瓷颗粒样品,力学性能低于高熵合金基体样品,归因于ZrC和B4C陶瓷颗粒与基体之间的界面结合情况不佳,界面处出现孔洞性缺陷;而掺杂TiC陶瓷颗粒样品,其强韧化效果显著,归因于良好的界面结合,细晶强化,弥散强化及颗粒承载强化等。
3 D打印磁控柔性抓手
圣宇, 欧兴成, 黄嘉琪, 黄丹彤, 李小红, 毕燃, 石明, 郭双壮
摘要:
柔性抓手能够在外部刺激下发生形变,在货物运输等领域有较好的应用。然而,目前使用的柔性抓手响应速度慢,对货物的形态和重量都有着较高要求,无法像人手一样适配绝大多数场景,因此有必要开发一种响应速度快,适配各种货物的柔性抓手。本工作将硬磁材料-钕铁硼粉末(NdFeB)与硅橡胶(Room Temperature Vulcanized rubber, RTV 橡胶)进行共混复合,形成了一种可打印的磁响应复合材料(NdFeB-RTV橡胶复合材料)。通过对墨水直写3D打印技术的制造工艺参数的探索和优化,将NdFeB-RTV橡胶复合材料的前驱体墨水打印成型。该材料固化后呈现出优异的力学性能—断裂伸长率接近300%,抗拉强度为1.03 MPa,拉伸杨氏模量为1.27 MPa,弯曲强度为78.06 MPa,弯曲模量为160.96 MPa。最后,本研究采用墨水直写3D打印技术,设计制造了磁响应的四臂抓手机器人。利用机器人的磁致动与柔韧特性,实现了灵活变形、快速抓取、平稳运输等功能。
生物质材料对微纳塑料的吸附性能研究进展
朱高坚, 陈李栋, 段晟, 吴伟兵, 戴红旗, 卞辉洋
摘要:
废弃塑料在江河湖海中呈累积趋势,老化分解产生的微纳塑料严重污染水质,威胁生态环境和居民饮用水安全。传统处理方法,如物理絮凝、生物降解等,存在处理周期长、吸附效率低等问题。天然生物质含有大量的羟基、羧基等活性基团,对生物质进行物理处理或化学修饰改性能够改善孔隙结构和提高比表面积,可作为吸附微纳塑料的绿色材料。本文从微纳塑料的常规处理方法和基本特征出发,简要概况了不同类型微纳塑料对植物、动物和人体的潜在影响和危害,系统介绍了生物质材料(生物质炭、纤维素、甲壳素等)在微纳塑料吸附领域的研究现状,分析总结了生物质材料对微纳塑料的吸附行为、规律和作用机理,最后展望了生物质材料吸附微纳塑料的未来发展前景。
超高性能混凝土的自愈合及抗冻性能
阚黎黎, 乔宏卓, 王飞, 刘能, 王景波
摘要:
为研究带裂服役超高性能混凝土(UHPC)的自愈合及抗冻性能,对混杂钢纤维UHPC试件预加0.05%和0.1%两种应变损伤,置于水中养护28 d自愈合后进行300次冻融循环试验。通过单轴拉伸性能,裂缝特征,质量损失及超声波脉冲速率(UPV)指标综合评价UHPC的自愈合及抗冻性能,并利用扫描电子显微镜和能谱仪(SEM-EDS)分析微观结构和愈合产物。结果表明:28 d水养后,预损伤0.05%试件表现出较好的自愈合性能,抗拉强度、拉伸应变和应变能均高于参照试件,表面所有裂缝全部愈合;预损伤0.1%试件的拉伸性能低于参照试件,表面最大裂缝(宽度为69 μm)并未完全愈合。300次冻融循环后,两种预损伤试件的初裂强度和抗拉强度均进一步增加,而拉伸应变和应变能均有所减小。相对质量与UPV的变化趋势能够很好地反映两种预损伤试件的再水化效应。SEM-EDS结果显示:距裂缝较近部位的纤维-基体粘结更牢固;裂缝表面的愈合产物主要为Ca(OH)2和CaCO3,内侧主要为水化硅酸钙(C-S-H)凝胶。
风电叶片新型拉挤夹芯梁帽弯曲性能试验研究
赵东晖, 杨家琦, 孟鑫淼, 张东坡, 张展诚
摘要:
采用玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)拉挤条板制造风电叶片夹芯梁帽可以克服传统纤维布铺设工艺中存在的褶皱、气泡等制造缺陷,提升材料模量和强度,减少纤维缝编工序和节约材料成本,是未来风电叶片梁帽发展的趋势之一。以GFRP双轴布为面层、GFRP拉挤条板和方格布为夹芯层的叶片主梁梁帽局部梁段作为研究对象。为研究面层厚度及剪跨比对新型拉挤夹芯梁帽承载能力和破坏模式的影响,开展四点弯曲试验。结果表明:随着面层厚度的增加,拉挤夹芯梁帽的破坏模式从无面层试件的拉挤条板拉裂破坏,发展为单层面层试件的面层拉裂或拉断破坏,以及多面层试件的下面层剥离破坏。合理设计面层和夹芯的比例,能够控制夹芯结构的破坏模式;拉挤夹芯梁帽的初始刚度随着面层厚度增加及剪跨比减小而增加;面层厚度的增加可以大幅提升结构的承载能力,延缓胶缝的开裂,减小破坏时的承载力损失,并在一定程度上改善结构的脆性行为。
碳纤维增强树脂基复合材料及其拉索抗低速冲击性能综述
王安妮, 岳清瑞, 刘晓刚
摘要:
碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer composite, CFRP)索具有轻质高强特性和优异的耐腐蚀疲劳性能,可替代钢索应用于桥梁结构中以应对桥梁更大跨度、更恶劣服役环境的需求。然而CFRP索较差的抗低速冲击性能导致其在服役期间面临车辆、落石等撞击的威胁。为全面了解CFRP的抗冲击性能,促进CFRP索在工程结构中的应用,本文对CFRP及其索的基础动态力学性能、冲击响应以及损伤失效研究现状进行了总结。现有研究表明,CFRP具有应变率敏感性,但CFRP的应变率效应尚不明确,需建立包含全应变率范围的力学性能数据库;CFRP层合板抗冲击性能研究较为全面,然而截面形式差异、较大的长细比、轴向应力耦合等因素导致CFRP层合板的研究结论不能完全适用于CFRP拉索;现有研究停留在冲击能量、锚固长度以及温度对小吨位CFRP拉索抗冲击性能的影响,缺乏对大吨位CFRP拉索抗冲击性能以及损伤失效机理的研究;CFRP拉索在车辆撞击下破断时的峰值索力远低于其轴向拉伸破断力,应对拉索进行严格的防撞设计。
纳米金刚石/酵母-壳聚糖复合微球的制备及光热控释性能
王锦, 白波, 罗钰, 葛广宁, 邓祥云, 王其召, 曹芳利
摘要:
开发高性能功能性光热凝胶并建立药物控释模型对农药智能输送材料的开发具有重要意义。以酵母-壳聚糖水凝胶(YS-CS)为基体,引入光热材料纳米金刚石(DND),通过碱凝胶法合成了纳米金刚石/酵母-壳聚糖(DND/YS-CS)交联网络结构复合凝胶微球,研究了复合微球的微观结构、力学性能和光热转换性能;以吲哚丁酸(IBA)为模型药物,探讨DND/YS-CS对IBA的负载性能和控释性能,揭示复合微球对IBA的光热控释机制。结果表明,复合微球具有良好的力学性能,在分别超声和离心1 h后,DND含量为2.0 mg/mL复合微球保水能力分别达到70.5%和74%;复合微球具有良好的光热转换能力,一个太阳光强度下,最高温度可达37.6℃;DND含量为1.2 mg/mL复合微球对IBA的吸附量最高,可达到41.73 μg/mg;微球在光下药物释放模式符合Korsmeyer-Peppas模型,在光下具有明显的刺激响应行为,药物释放呈现“开-关”模式。通过控制光的照射强度控制药物释放,在农业领域有广阔的应用前景。
聚多巴胺改性纳米二氧化硅增强反式-1,4-聚异戊二烯形状记忆聚合物的制备与研究
张闯, 张静, 王娜, 李龙
摘要:
由于形状记忆聚合物(SMP)较低的力学强度,不足以满足现今大多数商用复合材料的使用标准,严重限制了其在许多高级应用中的使用。因此,为制备高性能SMP复合材料,利用聚多巴胺(PDA)对纳米SiO2进行表面改性,制备了一种新型纳米填料SiO2@PDA,并通过SEM、XPS和FTIR对其结构和性能进行了表征。将SiO2和SiO2@PDA作为纳米填料填充到反式-1,4-聚异戊二烯(TPI)中,制备了TPI形状记忆复合材料,系统的研究了TPI/SiO2和TPI/SiO2@PDA复合材料的热稳定性、力学性能和形状记忆性能。结果表明,PDA修饰增强了SiO2在TPI基体中的分散性和界面相互作用,从而使TPI/SiO2@PDA复合材料的热稳定性、力学性能得到提升的同时仍能够保持良好的形状记忆性能。当SiO2@PDA含量为1.5 phr时,TPI复合材料的冲击强度和拉伸强度达到最大值,分别比纯TPI提高了43.5%和25%。此外,复合材料RfRr均超过97%。
碳纤维复合材料结构锂离子电池研究综述
张峻滔, 王亚震, 李晖, 马心旗, 宗文波, 籍天戚, 吴海宏
摘要:
碳纤维复合材料结构锂离子电池是将结构件和储能系统相结合,在保持碳纤维力学性能的同时,赋予其优异的储能性能,使动力电池组在减重的同时简化结构设计,提高能量效率和结构效率。在低碳经济的大环境下,碳纤维复合材料结构锂离子电池作为一种新型储能器件引起了国内外学者的极大关注。本文综述了嵌入集成式结构电池和多功能复合材料结构电池的工作原理、制备工艺以及储能性能等基础问题的研究现状,提出了全碳纤维固态结构电池的概念及其设计原型。同时简要介绍了现阶段碳纤维复合材料结构锂离子电池最具代表性的应用,并展望了其在航空航天和交通运输等领域的应用价值。
静电纺丝技术制备复合纳米纤维电磁屏蔽及吸波材料的研究进展
王喜花, 刘涛, 黄丽, 袁野
摘要:
随着信息时代的到来,电磁波的泄漏给人类健康带来了严重的危害,因此,高性能电磁防护材料的设计迫在眉睫。静电纺丝技术制备的复合纳米纤维具有质量轻、成本低、比表面积大、易加工和物理化学性能稳定等优点,是近年来高性能电磁屏蔽及吸波材料研究的热点。文章首先介绍了电磁屏蔽及吸波的基本原理,并结合国内外研究现状,将市场上应用广泛的电磁屏蔽及吸波材料系统的分成了金属及金属氧化物,碳材料,导电聚合物和过渡金属碳化物四类,并进行了详细了介绍。同时,综述了各种填料对电磁屏蔽及吸波性能的影响及目前正面临的问题。
风积沙混凝土盐冻多尺度劣化机制
李玉根, 张慧梅, 陈少杰, 胡大伟, 高炜
摘要:
研究风积沙混凝土盐冻劣化规律,揭示劣化机理对其推广应用有重要指导意义。基于室内快速冻融试验及力学特性试验研究了风积沙混凝土盐冻劣化规律,结合扫描电镜(SEM)、核磁共振(NMR)、X射线单晶衍射(XRD)等表征技术及损伤力学理论从多尺度揭示了盐冻劣化机理。结果表明,风积沙影响混凝土的抗冻性,100%掺量风积沙混凝土强度低,但抗冻性最好。混凝土质量损失率及抗压强度损失率均随盐冻循环次数的增加而增大,相对动弹性模量随盐冻循环次数的增大而减小。风积沙混凝土的盐冻损伤是一个物理-化学过程,界面过渡区(ITZ)骨-浆剥离及附近砂浆基质开裂是导致其宏观物理、力学性能退化的主要原因。风积沙可以改变混凝土内部的孔隙结构及水分传输路径,进而影响孔隙饱和度及混凝土的抗盐冻性能。
双基协同阻燃环氧树脂HPCTP-DOPS/EP的性能研究
许志彦, 侯泽明, 叶小林, 祁钰昭, 许松江, 宝冬梅, 张道海, 周国永, 蔡晓东, 邹光龙, 文竹
摘要:
单一的磷杂菲、磷腈类阻燃剂的阻燃效果有限,为了改善9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-硫化物(DOPS)对环氧树脂(EP)的阻燃效果,将DOPS和六苯氧基环三磷腈(HPCTP)复配应用于EP。在总含P量为1.2wt%时,通过调整磷杂菲和磷腈基团中含P量的比例,将DOPS和HPCTP复配添加到EP中,制备EP复合材料。利用极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)、热重(TG)、锥形量热(CONE)、扫描电镜-能量色散X射线谱(SEM-EDS)、热重-红外光谱联用(TG-IR)等测试手段研究不同比例的磷杂菲和磷腈基团对EP热稳定性和燃烧性能的影响,探究双基协同阻燃规律和机制。研究结果表明:P、S元素间存在协同阻燃作用,当总含P量为1.2wt%,复合体系中随着含S量的增加,HPCTP-DOPS/EP的LOI值和UL-94等级逐渐升高,其中,HPCTP和DOPS中的含P量比为0.2∶1时,HPCTP-DOPS/EP复合体系的LOI为30.4%,达到UL-94 V-0级,总热释放量(THR)和热释放速率峰值(PHRR)显著降低,燃烧后形成了更加致密、稳定的膨胀炭层,优于两种阻燃剂单独使用对EP的阻燃效果,即磷腈和磷杂菲两种阻燃剂之间存在着协同阻燃效应。从阻燃机制看,DOPS和HPCTP分别在气相和凝聚相发挥协同阻燃作用。
喷嘴行进速度及高度对3D打印混凝土力学性能影响的试验研究
史庆轩, 万胜木, 王秋维, 陶毅, 霍建
摘要:
为研究喷嘴行进速度、喷嘴高度等打印参数对3D打印混凝土力学性能的影响,制备了相同配合比的浇筑试块和不同打印参数组合下的打印试块,通过混凝土立方体抗压试验、棱柱体轴心抗压试验和立方体劈裂抗拉试验,考察了其受力破坏过程和破坏形态,分析了喷嘴行进速度、喷嘴高度对3D打印混凝土力学性能的影响,得到了3D打印混凝土轴心受压应力-应变曲线,建立了3D打印混凝土各强度之间的关系。结果表明:3D打印混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度均随喷嘴行进速度的加快、喷嘴高度的升高而降低,且喷嘴高度对强度的不利影响强于喷嘴行进速度;在较优打印参数组合下,打印试块的抗压强度高于浇筑试块,但因打印试块存在层间粘结弱面,其劈裂断面在其层间界面处,致使断面明显平滑,劈裂抗拉强度低于浇筑试块;通过回归分析,建立了3D打印混凝土各强度与打印参数间的函数关系,以及轴心抗压强度、劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之间的换算关系。
养护温度对长江下游疏浚超细砂浆特性影响机制
陈徐东, 吴朝国, 陈璋, 宁英杰, 白丽辉
摘要:
为了实现长江下游疏浚砂的综合利用,拓展细骨料来源,研究不同养护温度对不同疏浚砂掺量砂浆特性的影响。以疏浚砂为原料,设计了3种不同疏浚砂掺量的砂浆配合比,研究了40℃、60℃、80℃、90℃四种养护温度对不同龄期抗压、抗折强度的影响,并结合X射线衍射、热重-差示扫描量热、扫描电镜、压汞测试,分析了不同养护温度及不同疏浚砂掺量砂浆的微观结构,研究结果表明:随着养护温度升高,砂浆内部水化产物分布不均匀,阻碍了后续的水化反应,砂浆的抗压、抗折强度总体上先增大后减小,养护温度越高,蒸养损伤越大;疏浚砂颗粒粒径极小,具有良好的填充效果,适量掺入疏浚砂能提高体系的密实度,同时还能减少有害孔和多害孔的数量,进而提高砂浆的力学性能;蒸养条件下,砂浆孔结构缺陷增多,疏浚砂的优化作用被放大,一定程度上可以抵消蒸养带来的部分不利影响,随养护温度的升高,疏浚砂对抗压强度的提升率逐渐降低,最大能提升31.35%,对抗折强度的提升率先增大后减小,最大能提升14.29%。
基于微流控技术的阻燃微胶囊的制备及其改性环氧树脂的性能与阻燃机制
陆亦洲, 耿海春, 沈金荣, 方园
摘要:
为了进一步提高环氧树脂的阻燃性能,采用微流控技术制备了以乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(ETPTA)为壳,高效磷-氮阻燃剂(FR-PN)为芯材的FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊,并将其运用于环氧树脂(EP)中;对比了FR-PN/EP、FR-PN@ETPTA/EP的热稳定性、阻燃性能和力学性能;探讨了FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊对EP的燃烧性能和热降解行为的影响,揭示了FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊的阻燃机制。试验结果表明:FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊能够改善EP的阻燃性能,当阻燃微胶囊添加量为10wt%时,树脂的LOI值增加至37.3%,UL-94等级达到V-0级。环氧树脂中添加FR-PN阻燃剂或FR-PN@ETPTA阻燃微胶囊会降低树脂的拉伸性能和弯曲性能,但加入阻燃微胶囊试件的拉伸性能和弯曲性能优于加入阻燃剂的试件,且添加10wt%阻燃微胶囊后,树脂的冲击强度比纯EP增加了39%。研究表明,阻燃微胶囊改性环氧树脂的阻燃机制是气相阻燃与凝聚相阻燃相结合。
柔性纤维状电池研究进展
许帅, 孙江东, 孙鹏飞, 胡侨乐, 聂文琪, 徐珍珍
摘要:
纤维电池具有维度低,灵活性好,形状普适性强,与纺织品高度融合等特点,可满足柔性电子产品电路元件的供能需求。近年来纤维电池的研究,不仅关注于电极材料的微纳复合,探索多功能、可扩展和高集成系统的纤维电池逐渐成为研发的焦点。此外,规模化生产纤维状电池也取得了一定的突破,包括电池组装、集成、连续生产等。基于此,本文从纤维基底材料和制备工艺两方面对近期纤维电池的研究成果展开论述,并对工业化生产纤维电池的最新突破进行评述,最后,总结纤维状电池发展存在的问题并分析展望未来需要攻克的重点难点。
配置新型封闭缠绕式GFRP箍筋混凝土梁的受剪性能试验
原野, 王震宇, 王代玉
摘要:
对采用新型封闭缠绕式玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)箍筋的混凝土梁进行了三点加载试验,考察了箍筋形式、纵筋配筋率、剪跨比、箍筋间距对配置新型封闭缠绕式GFRP箍筋混凝土梁受剪性能的影响规律。试验结果表明,新型封闭缠绕式GFRP箍筋的弯曲段强度与平直段受拉强度之比达到0.81,是拉挤成型箍筋的2.07倍。剪跨比和箍筋间距相同时,新型封闭缠绕式GFRP箍筋混凝土梁的受剪性能更好,其材料利用效率显著高于拉挤成型箍筋。梁的抗剪承载力随纵筋配筋率增加的提高幅度不大,但梁的延性有较明显改善。当箍筋间距为75mm,新型封闭缠绕式GFRP箍筋的应变显著增大,同时对剪压区混凝土产生一定的约束作用,提升了受剪承载力。采用中国(GB50608-2020)、美国(ACI 440.1R-15)、加拿大(CSA S806-12)、英国(BISE-1999)和日本(JSCE-1997)五种FRP筋混凝土结构设计规范计算的受剪承载力显著低于试验值,建议适当提高新型封闭缠绕式GFRP箍筋的断裂应变限值。
海水珊瑚砂ECC的力学性能与裂纹宽度控制
王振波, 郝如升, 李鹏飞, 韩宇栋, 孙鹏
摘要:
为解决珊瑚混凝土的脆性与耐久性问题,采用岛礁地域性原材料制备了海水珊瑚砂高延性水泥基材料(Seawater Coral sand Engineered Cementitious Composites, SCECC)。试验研究了不同骨料种类、最大粒径和细度模数对ECC抗压、抗拉力学性能和裂缝控制能力的影响。结果表明:随珊瑚砂细度模数减小,SCECC抗压强度先增后降,最大粒径2.36mm的特细砂SCECC达到最高(63.3MPa);降低珊瑚砂最大粒径,SCECC拉伸性能参数不同程度地提升。最大粒径0.60mm的SCECC拉伸性能最优,其初裂强度、抗拉强度和极限拉应变分别为2.29MPa、4.11MPa和5.15%,临近破坏时的平均裂纹宽度可控制在81μm。相比于淡水石英砂ECC,SCECC抗压强度高且早期强度发展快(7d抗压强度可达28d的73%~78%)。两种ECC的骨料破坏和聚乙烯醇(PVA)纤维失效模式不同,SCECC拉伸强度和弹性模量略低,但延性及裂缝控制能力明显更优。
纤维素基热电复合材料研究进展
陈鲁正, 马鸿梁, 娄江, 姜亦飞, 韩文佳
摘要:
随着全球经济的蓬勃发展,人类对于能源的需求越来越大,因此对于绿色环保型热电材料的研究和应用已经刻不容缓。纤维素作为自然界中含量最丰富的天然高分子,具有丰富的三维网络结构以及优异的热稳定性,是作为柔性热电复合材料的理想基底之一,对其大规模开发利用符合绿色可持续发展的理念。纤维素基热电复合材料可以将人体、化石能源等产生的废热充分转化为电能,具有性能稳定、绿色环保、使用寿命长、低成本、易加工等优点。本文综述了近年来纤维素基复合材料的发展现状及应用领域,着重从聚合物复合材料、碳基复合材料和Bi-Te合金复合材料三个方面进行阐述。并对纤维素基复合材料面对的挑战以及未来的研究趋势进行了总结和展望。
仿羊角管状复合材料结构抗冲击性能
徐菁, 李岩, 付昆昆
摘要:
羊角因其独特的管状微观结构显示出优异的抗冲击性能。本研究从羊角微观结构汲取灵感,设计了仿羊角管状结构。基于3D打印熔融沉积技术,采用短切碳纤维增强尼龙复合材料制备了仿羊角管状结构(HTS)。冲击实验结果表明HTS试样的冲击载荷-位移曲线中存在较长的高载荷平台区,在此阶段吸收了大量的冲击能量,较非仿生样品吸能提升了143.9%,比吸能值提升了178.8%。提出了HTS冲击有限元模型,仿真预测结果和实验获得的冲击响应及裂纹扩展路径结果吻合较好,验证了该模型的有效性。采用该模型分析发现:在冲击过程中细管周围产生较大的应力集中,使裂纹发生偏转进而捕获裂纹,并在细管其他位置重新萌生新的裂纹并朝下一个细管扩展,这个过程不断重复,从而吸收了大量的冲击能量。最后,基于该有限元模型探索了几何参数和材料性能对HTS冲击吸能的影响规律。该研究探索了仿羊角管状复合材料结构冲击吸能特性和吸能机制,对新型抗冲击装备的设计和制备具有重要意义。
NaNbO3@g-C3N4复合材料的可控构筑及其压电光催化性能
孙术博, 于海瀚, 李强, 葛慎光, 姜葱葱, 王丹, 张丽娜, 程新, 高超民
摘要:
促进光催化过程中载流子的高效分离一直是困扰科研人员的难题。最近,利用压电效应抑制光生电子-空穴对复合从而提升光催化效率的策略引起了人们的广泛关注。在此,以制备的由g-C3N4包覆的一维NaNbO3纳米棒异质结材料作为研究对象,通过施加超声场引入压电效应,研究其在压电光催化过程中的性能增强机制。通过SEM以及XPS等表征手段对材料的微观形貌和键合情况进行了考察。性能实验结果表明,在利用超声波引入压电效应后,NaNbO3@g-C3N4在压电光催化过程中(1.02 mmol·g−1·h−1)表现出比单一的光催化过程(0.49 mmol·g−1·h−1)更高的产氢速率,表明压电效应可极大促进NaNbO3@g-C3N4异质结材料在光催化过程中的载流子分离效率,抑制光生电子与空穴复合,提高其光催化性能。此外,在数据分析的基础上,本文提出了压电-光催化协同作用的机制,为高效压电光催化剂的设计和开发提供了参考。
复合材料层合板剪切稳定性试验及强度预测
杨钧超, 陈向明, 邹鹏, 王喆
摘要:
对无损伤及含冲击损伤的复合材料层合板进行了剪切稳定性试验,基于数字图像相关方法(Digital image correlation,DIC)对层合板屈曲后屈曲行为进行了实时测量。试验结果表明:引入冲击损伤后,复合材料层合板剪切屈曲波形、屈曲载荷无明显变化,失效模式转变,承载能力下降了9.69%。随后,基于断裂面失效理论,建立了考虑剪切非线性效应的复合材料渐进损伤失效模型,并对复合材料层合板剪切失效过程进行了模拟。模型采用软化夹杂法将冲击损伤等效简化,直接将损伤区的几何边界信息写入材料模型中,不需要对冲击损伤区进行切割,从而保证了整体网格质量。与试验结果对比发现:模型考虑剪切非线性对屈曲载荷预测无明显影响,对后屈曲承载能力的预测精度影响较大,不考虑剪切非线性效应时的误差可达20%以上;软化夹杂法可以有效地模拟冲击损伤,预测的含冲击损伤的复合材料层合板的屈曲载荷、破坏载荷误差分别为−3.17%、−1.27%。
MOF原位生长改性聚对氯甲基苯乙烯-聚偏氟乙烯正渗透复合膜及其对乳化油废水的抗污染性
陈芬, 杜春慧, 胡锦泰, 吴春金
摘要:
金属-有机框架(MOF)材料有望提高正渗透(FO)膜的水通量和抗污染性,以提高其对乳化油废水的分离性能。为将MOF引入FO膜,首先通过相转化法制备聚对氯甲基苯乙烯-聚偏氟乙烯(PCMS-PVDF)共混底膜,以底膜中的氯甲基基团(—CH2Cl)为反应位点与2-甲基咪唑(Hmim)中的仲胺或叔胺反应,接着与硝酸锌(Zn(NO3)2)反应,以在膜表面原位生长金属有机骨架沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8),最后经界面聚合制备抗污染正渗透(FO)复合膜。通过SEM、XPS、FTIR和接触角测定仪等,对底膜和FO膜的表面化学结构以及膜亲/疏水性能等进行表征。结果表明,ZIF-8均匀生长在PCMS-PVDF底膜表面,且该纳米粒子为形状较规则的立方晶体。由于ZIF-8的存在使底膜表面较为疏水,但界面聚合后形成的聚酰胺层重新使膜表面变为亲水。对膜的渗透分离和抗污染性研究表明,在FO模式下,以1 mol/L的NaCl为汲取液时,未经ZIF-8改性的FO膜(PCMS-PVDF-FO)水通量仅为12.4 L·m−2·h−1,而经过ZIF-8改性后的FO膜(ZIF-8/PCMS-PVDF-FO)水通量可达到20.7 L·m−2·h−1。对乳化油模拟废水分离实验表明,经过四次纯水-乳化油分离循环后,正渗透膜ZIF-8/PCMS-PVDF-FO的纯水通量恢复率仍保持在89.9%,总污染率为27.5%;而相同情况下PCMS-PVDF-FO的通量恢复率仅为66.9%,总污染率上升为66.2%。综上,经过ZIF-8原位生长改性的正渗透复合膜在乳化油废水分离方面表现出较优异的性能。