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2004年  第21卷  第3期

光纤布拉格光栅监测复合材料固化
万里冰, 武湛君, 张博明, 王殿富
2004, 21(3): 1-5.
摘要:
复合材料层合板在固化成型过程中形成的残余应变和应力是影响材料质量的重要因素,它与预浸料铺层在固化工艺过程中产生的应变密切相关。在研究和测试了光纤布拉格光栅应变和温度传感器传感特性的基础上,将二者埋入复合材料预浸料铺层,在热压釜成型工艺过程中监测了材料内部的温度和应变发展历程,由此获得对称正交层合板的宏观残余应变。监测结果表明,单向和对称正交层合板在固化结束后都将产生收缩,对称正交层合板铺层内的残余应变平行于纤维方向为压应变,垂直于纤维方向为拉应变。光纤光栅传感器为复合材料固化监测及层合板残余应力分析提供了一种新的工具,为实现复合材料从制造到服役的全寿命、一体化监测提供了可能。
厚截面构件RTM注射工艺树脂流动过程模拟
戴福洪, 张博明, 杜善义, 武湛君
2004, 21(3): 6-10.
摘要:
针对厚截面构件的RTM工艺过程,研究了三维树脂流动问题。基于六面体单元,采用有限单元/控制体积方法,开发了三维树脂流动过程模拟程序HEXCV。与解析解比较验证了HEXCV程序的稳定性和可靠性。算例研究表明,HEXCV程序可为工艺过程设计提供有效的参考依据。
钛酸钡-明胶复合含水弹性胶体电控力学行为
高玲香, 赵晓鹏
2004, 21(3): 11-16.
摘要:
将无机钛酸钡颗粒分散到含水明胶体系中,在有、无电场作用下分别胶凝得到了两种类型的复合弹性水凝胶。通过对胶体的内部颗粒分散情况分析和压缩模量的测试,研究了该胶体体系对电场的响应。结果表明,两种类型的弹性水凝胶分散相颗粒的分布有明显不同,对电场的响应程度也有很大差异。分析认为,电场作用使颗粒有序分布于连续相的胶联网络中,并形成链状结构。颗粒的有序分布使胶体的压缩模量增强,对电场作用的响应程度增大,在钛酸钡质量分数为1.5% 时胶体压缩模量出现一个极大值,并对电场响应最强。
环氧618树脂线加热固化特征
李敏, 张佐光, 孙志杰, 盛华
2004, 21(3): 17-21.
摘要:
为了深入了解复合材料固化过程的温度变化与微结构变化特征,设计了线热源加热的固化实验方法。采用SEM技术和3D温度采集系统考察了线加热条件下树脂体系的固化生长形态、微观结构的形成过程以及固化过程体系中的温度分布和变化规律。结果表明,线加热条件下形成的固化物表面微观形貌可以直观地反映均匀加热条件下树脂体系固化过程不同时刻体系微观形貌的形成历程。研究结果对理解复合材料热压成型过程中热传递方式、热应力与微观结构的形成机理具有一定的参考价值。
NH4HCO3溶液中PAN-基碳纤维电化学改性机理
曹海琳, 黄玉东, 张志谦
2004, 21(3): 22-27.
摘要:
采用循环伏安扫描法和XPS、AFM技术对在NH4HCO3溶液中经过电化学改性处理的PAN-基碳纤维的电化学特性、表面化学构成和表面形貌变化进行了分析。结果表明,在NH4HCO3溶液中纤维表面主要发生了水的电解析氧反应和部分电活性物质的电化学氧化反应;纤维表面各含氧官能团含量随处理时间的延长不断变化,NH4与纤维表面官能团反应使纤维表面引入大量的酰胺基团;纤维表面形貌在点蚀和气动剥蚀效应的联合作用下不断粗化。
磷酸盐溶液中碳纤维表面电化学改性
曹海琳, 黄玉东, 张志谦, 孙举涛
2004, 21(3): 28-32.
摘要:
对比研究(NH4)2HPO4和NH4H2PO4两种不同电解质对碳纤维电化学改性效果的影响。通过拉丁方试验,研究了各改性参数对纤维表面改性效果的影响程度,采用XPS、AFM、BET技术对纤维表面化学组成、形貌及其比表面积的变化进行了表征分析。结果表明:以(NH4)2HPO4为电解质处理时改性效果主要受相对电流密度的影响,而以NH4H2PO4为电解质时电解液浓度是最主要的影响因素;在(NH4)2HPO4电解液中,纤维表面氧化刻蚀温和,改性效果显著,层间剪切强度可提高到79.8MPa,而在NH4H2PO4电解液中,纤维表面受到较强烈氧化刻蚀,本体强度损失较大,复合材料层间剪切强度仅能提高到70.8MPa。
Co3O4 纳米粒子的表面改性及其对复合材料性能的影响
孙举涛, 黄玉东, 曹海琳
2004, 21(3): 33-37.
摘要:
Co3O4纳米粒子填充耐高温有机硅树脂复合材料,可用来制备耐高温热流传感器表面的吸收热辐射材料。Co3O4粒子表面采用接枝处理的方法接枝上甲基丙烯酸丁酯来改善纳米粒子与有机树脂的界面性能和防止粒子间的相互团聚。采用红外分析和热失重分析的方法研究了接枝状态和接枝率。Co3O4纳米粒子的表面处理对复合材料界面性能、吸热性能和耐热性能的影响通过透射电镜(TEM)、热流传感器的校正试验、热失重分析(TGA)和热失重的微分曲线(DTG)进行了研究。结果发现,Co3O4粒子的表面处理提高了其在有机硅树脂中的分散性能,同时提高热流传感器的热流灵敏度。未改性纳米Co3O4粒子的加入降低硅树脂的耐热性;经表面改性的Co3O4粒子的加入,提高硅树脂的耐热性。
聚苯胺/碳纳米管的原位复合
王杨勇, 井新利, 强军锋
2004, 21(3): 38-43.
摘要:
通过原位溶液聚合制备了聚苯胺/碳纳米管(PANI/CNT)复合材料。采用透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见光光谱(UV-VIS)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、热失重分析(TGA)及差示扫描量热法(DSC)研究了PANI/CNT复合材料的结构与性能。研究表明,苯胺(ANI)的聚合倾向于在碳纳米管(CNT)表面进行,形成PANI包覆的CNT。CNT表面PANI层的厚度随溶液中ANI含量的增加而增加;当溶液中ANI含量较低时,CNT表面PANI层厚度均匀;当ANI含量过高时,CNT表面PANI层厚度不均匀,形成一些颗粒状附着物。PANI与CNT之间主要是物理吸附;PANI/CNT复合材料的电导率远高于PANI本身。同时,PANI/CNT复合材料的耐热性远高于PANI,并受PANI含量影响。
SiC-C/SiC复合材料的高温低周应力腐蚀机理与寿命预测
栾新刚, 成来飞, 张立同, 魏玺
2004, 21(3): 44-48.
摘要:
研究了SiC涂层连续碳纤维增韧的SiC基复合材料(SiC-C/SiC)在低频拉-拉循环应力下,干氧环境、水蒸气环境、湿氧环境以及含硫酸钠蒸气环境中,1000℃、1200℃和1300℃高温下的应力氧化与应力腐蚀情况。通过比较复合材料在相同循环应力条件下、不同温度和环境中的寿命,揭示了复合材料在高温、循环应力状态下的腐蚀机理。研究发现,在循环应力状态下,氧气是导致SiC-C/SiC复合材料寿命下降的主要因素。1000℃<T<1300℃时,循环应力作用下SiC-C/SiC复合材料的失效机制是由碳纤维和氧气的反应机制控制的,其寿命随温度升高而线性下降。提出了SiC-C/SiC复合材料在拉-拉循环应力作用下的寿命预测公式,并利用试验结果验证了其正确性。
SiC-B4C复合膜的制备及其力学和热电性能
王新华
2004, 21(3): 49-53.
摘要:
探索了 SiC-B4C复合膜的热等离子体 PVD(TPPVD)法快速制备,研究了 SiC-B4C复合膜的力学性能和热电性能。实验结果表明:以 SiC和 B4C超细粉为原料的热等离子体PVD(TPPVD)法是快速制备 SiC-B4C复合膜的有效方法。通过控制 SiC和 B4C粉末的供给,可以获得具有层状结构的 SiC-B4C致密优质复合膜,最大沉积速度达356 nm/s,高于常规 PVD和 CVD法两个数量级。膜的硬度随 B4C含量增加而增大,最大显微维氏硬度达到 35 GPa。SiC-B4C复合膜的电阻率和 Seebeck系数随 B4C含量增加而减小。最大 Seebeck系数为 550 μVK-1,在 973 K时最大功率因子达到640 μWm-1K-2,是SiC烧结体的21倍。
镀Ni-P和Ni-N合金碳纳米管的磁性能及其复合材料的微波吸收性能
赵东林, 卢振明, 沈曾民
2004, 21(3): 54-58.
摘要:
用竖式炉流动法,以二茂铁为催化剂,噻吩为助催化剂,苯为碳源通过催化裂解反应在1100~1200℃制备了直线形碳纳米管,外径为20~50 nm,内径10~30 nm,长度50~1000 μm。用化学镀工艺在碳纳米管表面均匀包覆了Ni-P和Ni-N合金,研究了它们的磁性能及其环氧树脂基复合材料在2~18 GHz的微波吸收性能。与纯碳纳米管相比,镀Ni-P合金碳纳米管复合材料的吸收峰向高频移动,镀Ni-P和Ni-N合金碳纳米管经热处理后,复合材料的吸收峰向低频移动。镀Ni-P合金碳纳米管以及镀Ni-P和Ni-N合金经热处理碳纳米管的矫顽力分别为304.34 Oe、 81.65 Oe、 183.85 Oe。随着矫顽力的增加,在2~18 GHz,复合材料的微波吸收峰向高频移动。在复合材料中,碳纳米管以及镀Ni-P和Ni-N合金的碳纳米管作为偶极子吸收微波。
不同铝含量对Ti-Al-C系燃烧合成Ti3AlC2粉体的影响
郭俊明, 陈克新, 周和平, 宁晓山
2004, 21(3): 59-62.
摘要:
采用Ti、Al、C和TiC粉末为反应物原料,研究了Ti∶C=3∶2时,不同Al含量(12.3%~25.4%,atomic fraction)对Ti-Al-C体系燃烧合成Ti3AlC2粉体的影响。探讨了Al含量对燃烧合成Ti3AlC2的影响机理。实验表明,Al含量对Ti-Al-C体系燃烧合成Ti3AlC2影响较大,Ti3AlC2的含量随Al含量(12.3%~19.4%)增加而增加,但在Al含量为20.6%~25.4%时,却随Al含量的增加而降低。
SHS火焰喷涂Al2O3基复相陶瓷涂层机理
王建江, 杜心康, 王俊英, 叶明惠, 赵忠民
2004, 21(3): 63-68.
摘要:
采用SHS反应火焰喷涂工艺,以氧-乙炔火焰为辅助能源,引发Al与CuO间的高能自蔓延反应,在钢基表面制备了Al2O3-Al2Cu3复相陶瓷涂层。对经淬熄实验获取的飞行粒子的形态进行了观察,对涂层进行了物相与组织结构分析。针对喷涂条件下Al-CuO团聚体自蔓延反应的能量状态和喷涂粉体特定的物理与几何特征,提出了SHS反应喷涂的基本过程:各团聚颗粒构成独立的微小反应单元,经历反应孕育、飞行燃烧、碰撞、结构转变与凝固4个阶段形成目标涂层。围绕这一基本过程详细讨论了其中的反应机理、结构形成与凝固行为、组织形态及其成因以及各个阶段的控制因素。
PST-PT/PVDF复合材料的制备及介电性能
李琳, 周振功, 张明福, 王彪
2004, 21(3): 69-72.
摘要:
采用先驱体合成法得到PST-PT陶瓷粉体,X射线衍射测试结果显示粉体为纯四方钙钛矿结构。SEM分析表明,其颗粒大小比较均匀,粒度约为500 nm。采用模压/固化工艺,制备了PST-PT/PVDF 0-3型复合材料。测试了PST-PT/PVDF 0-3型复合材料的介电性质,测试结果显示,其介电常数强烈地依赖于两相的相对比例、测试温度和测试频率。当PST-PT含量(质量分数)为9%时,复合材料介电常数大幅度提高,在40℃~60℃左右有一个极值峰出现。
0-3型压电陶瓷-硫铝酸盐水泥复合材料的压电性能
黄世峰, 常钧, 徐荣华, 刘福田, 芦令超, 程新
2004, 21(3): 73-78.
摘要:
采用压制成型法,以快硬硫铝酸盐水泥为基体制备了水泥基压电复合材料。分析讨论了极化工艺条件和PZT含量对水泥基压电复合材料压电性的影响。结果表明,较高的极化电场强度和较长的极化时间均有利于压电性能的提高,但当极化电场强度和极化时间达到4.0 kV/mm和45 min后,压电应变常数d33趋于稳定; 随着PZT含量的增加,硫铝酸盐水泥基压电复合材料的压电应变常数d33、压电电压常数g33和机电耦合系数KPKt均显著增大。当PZT质量分数达到85%时,KPKt可达28.54%和28.19%。
增强混凝土中FRP包覆筋研究Ⅱ: 力学性能测试
郑百林, 李伟, 张伟伟, 贺鹏飞
2004, 21(3): 79-83.
摘要:
对FRP包覆筋进行了轴向拉伸破坏实验。实验测试分析表明, 金属芯和非金属包覆层之间的机械变形性能耦合, 使整个FRP筋在增强混凝土构件中呈现良好的双线性行为。实验所得的混杂FRP棒材应力-应变曲线的形状与理论曲线基本吻合, 为进一步包覆层优化设计和在混凝土工程中的应用提供理论基础。
三维编织复合材料弹道侵彻准细观层次有限元计算
顾伯洪, 徐静怡
2004, 21(3): 84-90.
摘要:
三维编织复合材料相比于层合复合材料有较高的层间剪切强度和断裂韧性,因而具有更高的冲击损伤容限。用钢芯弹对三维编织复合材料作弹道贯穿测试,得到弹体的入射速度和剩余速度,并考察侵彻破坏模式。目前对三维编织复合材料弹道侵彻性能计算主要建立在连续介质假设上,从真实细观结构计算三维编织复合材料弹道冲击性能尚有一定难度,用三维结构复合材料的纤维倾斜模型在准细观结构层次上分解三维编织复合材料,就其中的一块倾斜单向板作弹道侵彻有限元计算,由弹体动能损失得到贯穿整个复合材料靶体后弹体的剩余速度。有限元计算及与弹道测试结果的比较证明在准细观层次上计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。
高体积分数挤压铸造铝基复合材料时效特征
赵敏, 武高辉, 姜龙涛, 孙东立
2004, 21(3): 91-95.
摘要:
采用挤压铸造法制备40 %SiCP/LD2复合材料,并对其在不同温度下的时效特征进行了研究。结果表明,高体积分数SiC颗粒的加入带来的弥散强化作用,可以大幅度提高基体合金的硬度和强度,但区别于基体合金和低体积分数复合材料,复合材料本身时效强化效果不明显。高体积分数复合材料峰时效时间较低体积分数缩短,且随时效温度的提高峰时效时间缩短。低温时效时峰值硬度最高且时效动力学较基体合金提前幅度较大。在时效析出过程中,高体积分数复合材料G.P.区的形成受到完全抑制,而β'相热扩散激活能降低,易于析出。
复合材料管接头拉扭作用下胶层应力分析
关志东, Yang Chihdar
2004, 21(3): 96-101.
摘要:
发展了一种复合材料胶接管接头在拉伸和扭转载荷作用下胶层内应力分析模型。该模型利用管接头结构中缠绕法成形的管和套管材料、几何形状和所承受载荷的轴对称性,采用一阶层合板理论分析管壁的应力和变形。通过管接头中管、套管和它们之间胶层的位移协调性确定胶层内的应变和应力,从而建立了管接头结构的平衡方程。本模型计算了缠绕角为54°和26°管接头胶层内剥离应力、轴向剪切应力和切向剪切应力,计算结果与有限元分析结果相吻合。
颗粒增强复合材料的界面模型与界面相模型的关系
段慧玲, 王建祥, 黄筑平, 黄红波
2004, 21(3): 102-109.
摘要:
对颗粒增强复合材料界面模型与界面相模型的关系进行了研究。通过界面位移和应力的间断量建立了与球形粒子薄界面相等效的不完善界面条件和线弹簧界面条件。根据线弹簧界面和具有任意弹性模量的薄界面相之间的等效关系,得到了弹簧常数的表达式。数值结果表明:当界面相和基体的模量比值较小时,与薄界面相模型的精确解相比较,不完善界面和线弹簧界面的解有很高的精确性。另外针对线弹簧模型的性质,讨论了界面可能的法向嵌入,并建立了保证无嵌入的条件。
三维编织C/SiC复合材料的拉压实验研究
王波, 矫桂琼, 潘文革, 陶亮
2004, 21(3): 110-114.
摘要:
针对三维编织C/SiC复合材料进行了拉伸试验和压缩试验,得到了材料拉伸、压缩的主要力学性能参数、损伤发展情况及破坏规律。从宏观角度比较了在两种载荷下材料弹性性能及强度的区别,得到了一些试验研究结论。结果表明:三维编织C/SiC在拉伸和压缩载荷下的应力-应变曲线有明显的非线性特性;拉伸模量低于压缩模量;拉伸强度高于压缩强度;声发射数据可以用来检测材料内部损伤的发展。
动荷载作用下含损伤复合材料层合板承载能力
陈浩然, 刘远东
2004, 21(3): 115-119.
摘要:
研究了含分层损伤层合板的动力响应和承载能力。基于层合板的一阶剪切理论,采用分项等参插值方法推导了复合材料层合板刚度阵、质量阵列式,在瑞利阻尼的基础上构造了相应的阻尼阵列式;建立了用于含分层损伤复合材料层合板动力分析的分层模型和虚拟界面联接单元,以防止低阶模态中在分层处出现的上、下子板不合理的脱离和嵌入现象;同时又采用Tsai提出的0.44刚度退化准则和动力分析的Newmark法,对含分层损伤复合材料层合板结构进行了在动荷载作用下的破坏和承载能力分析;通过典型算例,分别讨论了外载频率,分层位置,以及刚度退化对含损伤复合材料动力响应特征和承载能力的影响。本文中提出的方法和得到的结论对复合材料工程设计具有参考价值。
对称复合板冷轧变形模式的上限分析
李宝绵, 许光明, 崔建忠
2004, 21(3): 120-124.
摘要:
应用上限法建立了对称复合板冷轧变形模式的数学模型,在此基础上对软复层复合板在不同条件下冷轧时的变形模式进行了计算,给出了相关计算曲线。计算结果表明,依过程参数的不同,软复层复合板冷轧时存在比例变形、界面撕开及不稳定变形三种可能的变形模式。加工率越大、界面结合强度越高、基体材料的相对强度和复合板轧后的相对厚度越小,则均匀变形区越大,界面撕开区越小。不稳定变形区仅在基体材料的相对厚度和相对强度足够大时才存在。
考虑剪力滞效应的层合箱梁矩阵分析方法
吴亚平, 郭春香, 张学富, 朱元林, 赖远明
2004, 21(3): 125-130.
摘要:
给出了考虑剪力滞后及剪切变形效应条件下,复合材料薄壁层合箱梁静力行为控制微分方程组的初参数解。以此为基础,推导出了层合箱梁单元的刚度矩阵和等效结点荷载列阵,从而使薄壁层合箱梁的剪力滞、剪切变形效应分析方便地纳入了工程中广泛应用的矩阵位移法程序系统,为复合材料连续层合箱梁等复杂结构的强度及刚度分析提供了有效的计算手段。
湿热环境对抽油杆CF/VE拉挤复合材料的影响
王莉莉, 杨小平, 于运花, 王成忠
2004, 21(3): 131-136.
摘要:
研究了95℃蒸馏水环境中油田抽油杆用碳纤维/乙烯基酯树脂(CF/VE)拉挤复合材料的吸湿特性,以及材料的力学性能和动态热机械性能的变化,并观察了湿热老化前后该复合材料的表面和断口形貌。结果表明,CF/VE拉挤复合材料的吸湿行为符合菲克第二定律,材料的平衡含湿量Mm约为1.046%,水分在复合材料中的扩散系数约为2.233×10-6 mm2/s;复合材料的性能下降趋势与吸湿率的增加趋势相对应,浸泡1176 h后,弯曲强度和层间剪切强度的最终保留率分别约为49%和54%;DMTA及SEM结果表明,湿热环境导致该复合材料发生基体溶胀、塑化和界面脱粘,引起基体和界面形貌的变化,但未发生化学老化。
导电掺和料形态与水泥基材料压敏性的相关性
韩宝国, 关新春, 欧进萍
2004, 21(3): 137-141.
摘要:
研究了含有碳纤维、石墨、钢纤维的水泥基材料的导电性及其在压应力作用下电阻率的变化规律;探讨了掺有导电掺合料的水泥石电阻率的变化机理。研究表明,水泥基材料具备压敏效应的前提条件是其导电网络达到渗流区,而碳纤维由于长径比大、密度小,极小掺量即可使水泥石进入渗流区,产生压敏效应。
0-3 PZT/PVDF 压电复合材料的制备及其性能
张联盟, 游达
2004, 21(3): 142-145.
摘要:
采用溶液混合法制备PZT/PVDF压电复合材料。首先用水热法制备出适合溶液混合的PZT陶瓷粉末,并根据陶瓷粉末对PVDF的吸收量,选择乙醇作为PVDF的溶剂进行混合,然后烘干制备PZT/PVDF复合粉末,再成型极化。实验结果表明,这种复合方法提高了PZT陶瓷颗粒在PVDF有机基体中的分散度,使材料内部均匀,结构致密,从而提高了PZT/PVDF压电复合材料的压电和介电性能。
新型聚合物基复合梯度材料的制备及材料结构性能
温变英, 吴刚, 侯少华
2004, 21(3): 151-156.
摘要:
提出了一种采用改进的熔融挤出技术制备聚合物基梯度材料的方法,并用此方法制备了圆筒状PP/ABS梯度材料。DSC、TEM和力学性能等测试结果表明,PP/ABS梯度材料的组成和形态结 构沿圆筒径向呈梯度变化,在有限的径向尺度范围内,两种组分分别经历了从连续相到分散相或从分散相到连续相的逐步转变。材料的拉伸模量随半径(或ABS含量)的增加而增加,而拉伸强度和断裂伸长率随组分相对含量的变化呈现出不同的变化趋势。
Cu-0.54Al2O3弥散强化铜合金的拉伸变形和断裂行为
程建奕, 汪明朴, 李周
2004, 21(3): 157-161.
摘要:
对Cu-0.54%Al2O3弥散强化复合材料的拉伸变形和断裂行为进行了研究。结果表明,经挤压比为30∶1 的热挤压后,复合材料的σ</em>b、σ0.2δ和σ0.2/σ</em>b分别高达340 MPa、250 MPa、24%和74%。冷加工后合金的强度随退火温度的升高而逐渐下降,但σ</em>0.2/σ</em>b仍保持较高的值。挤压态合金的加工硬化指数n为0.256,明显低于纯铜。铜基体中均匀弥散分布着平均尺寸为18 nm, 间距为100 nm的Al2O3纳米粒子,提高了铜基体的强度,阻碍了高温退火时再结晶的发生,降低了合金的加工硬化速率。挤压态合金的拉伸断口宏观上为杯锥状,微观上表现为明显的韧性断裂特征。
应用锥形量热法评价聚合物复合材料热释放速率
王许云, 张军, 张峰, 周传光
2004, 21(3): 162-166.
摘要:
研究了应用锥形量热法测量聚合物复合材料燃烧的热释放速率时,填料的分解热效应对测量结果的影响。定量研究表明,对于氢氧化铝和氢氧化镁等阻燃填料,当填料的质量分数超过60%时,填料分解时强烈吸热的特性对于应用锥形量热法测量聚合物基复合材料的热释放速率有明显影响,并且还因聚合物而异。在定量研究的基础上,提出了一种利用分解焓对锥形量热仪测定的有效燃烧热值进行校正,然后再换算成热释放速率的简单方法,并给出了校正后的结果同实测值的比较。