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2011年  第28卷  第6期

真空导入模塑工艺中织物预成型体的可压缩性
杨金水, 肖加余, 曾竟成, 彭超义, 杨孚标, 冯学斌
2011, 28(6): 1-7. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1334.003
摘要:
采用真空加载方法研究了循环加载、织物形态、纤维种类、织物层数、铺层方式和混杂方式等参数对真空导入模塑工艺(VIMP)中纤维织物预成型体压缩行为的影响。结果表明: 预成型体纤维体积分数随着压缩循环加载次数的增加而逐渐增大, 但增幅呈现逐渐减小的趋势; 在相同的压缩载荷下, 预成型体的纤维体积分数随着织物层数的增加而增大, 但增幅很小, 对于VIMP制备复合材料构件基本可以忽略; 纤维预成型体在压缩载荷下的响应方式与织物形态、纤维种类、铺层方式和混杂方式等因素密切相关, 单向铺层比正交铺层更容易压缩而获得较高的纤维体积分数, 夹芯混杂比层间混杂方式更容易压缩。
无机填料对环氧模塑料导热和阻燃性能的影响
石志想, 傅仁利, 何兵兵, 李冉, 俞晓东
2011, 28(6): 8-13. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1334.004
摘要:
采用两种无机填料Si3N4和Al(OH)3 复合填充环氧树脂制备了环氧模塑料(EMCs), 研究了两种填料用量及单独添加和复合添加对环氧模塑料导热性能和阻燃性能的影响。研究结果表明, 单独添加Si3N4或Al(OH)3对环氧模塑料导热性能和阻燃性能的影响规律基本一致, 即随着填料含量的增加, 环氧模塑料的导热性能和阻燃性能均有不同程度的提高; 复合添加Si3N4和Al(OH)3对环氧模塑料的导热性能和阻燃性能均起到积极作用, 但是随着填料中Si3N4与Al(OH)3体积比的变化, 材料导热性能与阻燃性能会产生交叉耦合作用。当 填料中Si3N4与Al(OH)3体积比为3∶2, 总体积分数为60%时, 环氧模塑料的导热率可以达到2.15 W/(m·K), 氧指数为53.5%, 垂直燃烧达到UL-94 V-0级。
制备工艺对纳米有机蒙脱土/聚酰胺6-聚丙烯复合材料分散相形态及力学性能的影响
秦舒浩, 胡世军, 罗筑, 于杰, 郭建兵, 薛斌
2011, 28(6): 14-22. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1335.006
摘要:
通过熔融挤出法制备了纳米有机蒙脱土OMMT/聚酰胺6 (PA6)母粒M1和OMMT/聚丙烯(PP)母粒M2, 将这两种母粒分别与PA6-PP熔融共混, 制备了不同OMMT含量的纳米OMMT/PA6-PP复合材料, 同时采用直接共混法制备了相同配比的该纳米复合材料。利用TEM和SEM表征了OMMT在复合材料中的分散、分布和复合材料分散相的形态, 并对比了三种工艺制备的复合材料的力学性能。结果表明: 三种制备工艺中, OMMT均选择性地分布于PA6相中, 且M1母粒法制备的复合体系中OMMT的剥离和分散效果最好。三种工艺制备的复合材料的PP分散相尺寸和多分散系数均随着OMMT含量的增加先急剧减小后变化不大, 当OMMT与PA6-PP的质量比为5∶100时, PP分散相的尺寸最小, 分布状态最佳。母粒法制备的复合材料中PP分散相 尺寸小于直接共混法, 分布状态也优于直接共混法。加入OMMT后, 三种工艺制备的复合材料的弯曲模量均得到提高, 且通过M1母粒法制备的复合材料拉伸强度和弯曲模量最高, 通过M2母粒法制备的复合材料冲击韧性最好。
耐高温异构聚酰亚胺树脂及其复合材料
孟祥胜, 李洪深, 杨慧丽, 范卫锋, 刘敬峰, 张天翔, 王震
2011, 28(6): 23-27. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1340.013
摘要:
采用改性的单体反应物聚合法(MPMR)合成了一系列低黏度、耐高温异构聚酰亚胺树脂, 研究了树脂预聚物分子质量对树脂的高温流变行为、固化后热氧化稳定性的影响, 并对树脂的分子结构及其复合材料的加工工艺性能、力学性能进行了表征。结果表明: 树脂预浸液常温储存期大于两个月, 亚胺化后PI-2纯树脂最低黏度为154 Pa·s, 固化后树脂质量损失5%的温度大于560 ℃; 石英纤维/PI-2树脂基复合材料在室温和500 ℃的弯曲强度分别为917、197 MPa, 弯曲模量分别为29、22 GPa, 拉伸强度分别为760、341 MPa, 拉伸模量分别为32、31 GPa, 压缩强度分别为570、95 MPa, 层间剪切强度分别为62、10 MPa。
磷酸盐玻璃/聚丙烯复合材料的结晶行为和力学性能
李佳丽, 邓俊杰, 吴宏, 郭少云
2011, 28(6): 28-32. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1341.016
摘要:
制备了两种不同玻璃化温度的磷酸盐玻璃(P-glass), 研究了P-glass对聚丙烯(PP)基体结晶行为和力学性能的影响。结果表明, P-glass在 PP中具有异相成核作用, 使PP的结晶温度升高。具有较低玻璃化温度(176 ℃)的P-glass, 能诱导生成β晶, 使P-glass/PP复合材料的断裂伸长率与纯PP相比从427%提高至545%, 而冲击强度则由18.6 kJ/m2提高至36.8 kJ/m2, 材料的韧性得以显著改善。
高热导率无机填料/硅橡胶复合绝缘材料的电性能
朱艳慧, 党智敏
2011, 28(6): 33-38. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1421.027
摘要:
分别添加不同含量的微米Al2O3(0.5~3 μm)、微米Si3N4(0.3~3 μm)和纳米Al2O3(13 nm), 利用共混法制备了具有不同导热性能的无机填料/硅橡胶复合材料。填料体积分数为30%时, 通过改变微米Si3N4和纳米Al2O3体积比, 发现微米Si3N4和纳米Al2O3共填充的硅橡胶复合材料的热导率较微米Si3N4/硅橡胶复合材料的 热导率有显著提高, 其中当微米Si3N4与纳米Al2O3体积比为26∶4时, 硅橡胶复合材料的热导率(1.64 W/(m·K)) 约为单一微米Si3N4填充的硅橡胶复合材料热导率(0.52 W/(m·K))的3倍。同时, 微米Si3N4和纳米Al2O3共填充的硅橡胶复合材料有较高的击穿场强和优异的绝缘特性。
纳米微晶纤维素对白炭黑/天然橡胶复合材料性能的影响
徐苏华, 古菊, 罗远芳, 贾德民
2011, 28(6): 39-44. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1426.039
摘要:
采用硫酸酸解微晶纤维素(MCC)的方法制备了纳米微晶纤维素(NCC), 并将其作为填料部分替代白炭黑(SiO2), 制备了纳米微晶纤维素-白炭黑/天然橡胶((NCC-SiO2)/NR)复合材料。结果表明, NCC的加入在保持SiO2增强NR基本力学性能的同时, 使压缩永久变形由11.4%下降到5.9%, 压缩疲劳生热则由19.9 ℃下降至10.6 ℃。当NCC与SiO2的质量比为10∶20时, (NCC-SiO2)/NR复合材料的一级和六级龟裂屈挠次数分别由SiO2/NR的2.5×104、6.0×104次提高到7.0×104、1.2×105次; 老化性能也优于SiO2/NR复合材料, 老化后拉伸强度、撕裂强度及硬度分别上升了40%、21%和25%, 永久变形下降了25%, 拉伸强度和断裂伸长率则基本不变; 动态力学性能测试结果表明, NCC与SiO2的质量比为0∶30~20∶10时, 复合材料0 ℃的胶料抗湿滑性能tanδ基本不变, 而60 ℃胶料的滚动阻力tanδ却由0.060下降至0.049。SEM结果表明: NCC-SiO2在NR的分散性优于SiO2, 与NR基体界面结合更加紧密。
丁腈橡胶中空纤维阻尼新材料的制备及性能
李明俊, 刘敏, 徐泳文, 武化民, 曹义华
2011, 28(6): 45-49. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1422.028
摘要:
针对丁腈橡胶(NBR)黏度过大和相转化时间较长难于纺制中空纤维的问题, 采用先与聚氯乙烯(PVC)共混改性再用干-湿相转化的方法制备出轻质、低耗材的丁腈橡胶中空纤维阻尼新材料, 探讨了NBR与PVC质量比和共混聚合物质量分数对NBR中空纤维阻尼及力学性能的影响。结果表明: 中空纤维结构阻尼性能明显优于对应的平板膜结构; 调整NBR与PVC质量比和共混聚合物质量分数可优化NBR中空纤维的拉伸性能及阻尼性能; 可通过提高NBR与PVC质量比使NBR中空纤维阻尼材料的损耗因子峰值所对应的温度向低温方向偏移。共混聚合物质量分数为25%, NBR与PVC质量比为80∶20时, NBR中空纤维阻尼损耗因子最大, 达到0.78。
有机蒙脱土/聚苯乙烯复合材料的燃烧性能与阻燃机制
刘继纯, 陈权, 井蒙蒙, 陆昶, 张玉清
2011, 28(6): 50-58. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1422.030
摘要:
将聚苯乙烯(PS) 树脂与有机蒙脱土(Organic Montmorillonite, OMMT) 进行熔融复合制备OMMT/PS复合材料, 通过XRD和高分辨透射电镜(HRTEM)对OMMT/PS复合材料的微观结构进行了观察和分析。分别采用热重分析、高温热分解、水平燃烧、氧指数和锥形量热法研究了复合材料的热降解行为和燃烧性能。结果表明: 用熔融复合法制备的OMMT/PS复合材料为插层型复合材料; 与纯PS相比, 加入少量有机黏土就可使OMMT/PS复合材料的阻燃性能得到明显改善; OMMT与PS质量比为2∶100时OMMT/PS复合材料的热稳定性显著提高, 质量损失10%和50%的温度可分别提高7.8 ℃和15.2 ℃, 500 ℃的热分解残留率增加2.6%, 氧指数增加1.4%, 热释放速率峰值降低21.0%; OMMT片层对聚合物分子链的屏蔽作用以及燃烧时在复合材料表面生成的连续和致密的炭层残余物使聚合物免受进一步分解, 降低了其分解速率; OMM/PS复合材料熔体黏度的增加降低了聚合物热分解产生的可燃小分子化合物向燃烧区域迁移的速率, 减少了燃料供应。这两种因素的共同作用, 增强了复合材料的阻燃性能。
碳纤维/改性双马来酰亚胺复合材料RFI成型工艺数值模拟
梁滨, 陈立新, 曹魏, 聂玉峰, 李都宁
2011, 28(6): 59-64. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1424.036
摘要:
通过在改性双马来酰亚胺树脂中添加热塑性酚酞聚芳醚砜(PES), 制备了在室温下具有良好成膜性的改性双马来酰亚胺树脂膜。改性双马来酰亚胺树脂的差示扫描量热 (DSC)、凝胶时间、动态和恒温黏度研究表明, 该树脂膜在初始反应温度130 ℃时, 改性双马来酰亚胺的黏度为139.3 mPa·s, 黏度≤1000 mPa·s和黏度≤3000 mPa·s的保持时间分别为98 min和117 min, 有利于RFI成型工艺对增强体的熔渗。采用控制体/有限元法对带十字加强筋形式的复合材料制件进行了RFI成型工艺的数值模拟, 预测了在130 ℃和-0.1 MPa条件下, 浸渍高度与时间的关系以及压力分布, 并预测了浸渍高度极限值。成功制备了曲面带十字加强筋的碳纤维/改性双马来酰亚胺复合材料制件, 经A扫描和C扫描, 未发现明显缺陷。
MgO/不饱和聚酯树脂复合材料的制备与性能
王静, 范力仁, 徐素梅, 曾鸣, 刘庆
2011, 28(6): 65-70. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1338.009
摘要:
利用对苯二甲酸二甲酯(DMT)、顺丁烯二酸酐(MA)和1, 2-丙二醇(PG)制备对苯型不饱和聚酯树脂(UPR), 然后与表面改性后的MgO粉体机械共混制备了MgO/UPR复合材料, 考察改性后MgO粉体在UPR基体中的分散情况及其对MgO/UPR复合材料动态热力学性能、耐热性及硬度的影响。XRD、FTIR和SEM测试结果表明, 经硬脂酸钠表面修饰处理的MgO粉体表面包覆了一层有机高分子链, 在UPR基体中分散均匀。通过动态热机械分析仪(DMA)的分析测试可知, 当MgO质量分数为9%时, MgO/UPR复合材料具有最佳的综合力学性能及耐热性, 储能模量随温度的升高下降趋势最为平缓, 玻璃化转变温度(Tg)达到191 ℃, 比纯UPR提高了66 ℃。硬度测试结果表明, 当MgO质量分数为4%时, MgO/UPR复合材料的巴氏硬度达到最大值HBa 44, 比纯UPR提高了18.9%。
不同表面修饰纳米SiO2/尼龙66复合材料的热性能
徐翔民, 胡修池, 张予东, 张治军
2011, 28(6): 71-79. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1338.010
摘要:
通过熔融共混将不同表面修饰的纳米SiO2与 尼龙66在双螺杆挤出机上混合, 制备出纳米SiO2/尼龙66复合材料。 采用FTIR和XPS等测试手段分析了复合材料体系中不同表面修饰纳米SiO2与尼龙66的相互作用, 并在此基础上对复合材料的热性能进行了研究。研究结果表明: 不同的表面修饰处理得到不同的纳米SiO2/尼龙66 界面相互作用, 而界面相互作用的改变会对尼龙66的熔融和结晶行为产生影响: 一方面使复合材料的结晶温度降低, 晶粒尺寸减小, 另一方面导致复合材料结晶度发生变化; TGA和DMA分析显示纳米SiO2表面修饰结构的不同还会对复合材料的热稳定性和玻璃化转变温度产生影响。
聚乙二醇改性环氧乳液碳纤维上浆剂的研制
苏玉芹, 汤冰洁, 董安琪, 肇研, 张佐光
2011, 28(6): 80-85. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1337.008
摘要:
用聚乙二醇(PEG)在催化剂过硫酸钾作用下与环氧树脂反应, 制得自乳化环氧树脂乳液。通过红外光谱表征改性环氧的结构, 并比较不同实验方案下乳液的稳定性, 探讨了反应原料、合成工艺等因素对实验结果的影响, 确定了最佳实验方案; 用热分析实验表征上浆剂的热稳定性, 接触角测试表征上浆剂乳液的浸润性, 单丝碎裂实验测定界面剪切强度。结果表明, 使用双酚A环氧树脂及PEG1000在80~120 ℃反应制得的乳液稳定性最好, 上浆剂的热稳定性和浸润性良好。用实验制得的乳液对碳纤维上浆, 单丝界面剪切强度比上浆前提高33.48%, 碳纤维毛丝量减少。
注射参数和组分对羟基磷灰石/聚酰胺66多孔支架结构和性能的影响
周松, 李玉宝, 王妍, 左奕, 黄棣, 张利
2011, 28(6): 86-91. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1419.024
摘要:
采用注射成型法制备了羟基磷灰石/聚酰胺66(HA/PA66)多孔支架, 用SEM、XRD和DSC等手段表征了支架的形貌和结构, 测试了其力学性能。研究表明, 调节注射参数(发泡剂和储料量)能控制支架的力学性能、孔径大小和孔隙率。HA能提高支架的刚性, 但使孔径和孔隙率下降。在HA/PA66(30/70, 质量比)中添加乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA), 可改善材料的加工性能和支架的力学性能, 有利于孔径增大和均匀孔结构的形成。注射成型法可快速便利地制备多孔支架, 使孔径控制在200~600 μm, 孔隙率超过64%, 压缩性能达到或超过人体骨小梁, 并接近人体松质骨的压缩强度。
双轴向经编织物T700/BMI6421复合材料力学性能
李龙, 段跃新, 李超, 肇研
2011, 28(6): 92-97. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1425.037
摘要:
对双轴向经编织物T700/双马来酰亚胺树脂(BMI)6421复合材料进行了弯曲性能和层间剪切性能测试, 以同状态无经编线的单向布T700/BMI6421复合材料作对比, 分析了经编织物T700/BMI6421复合材料的力学特性, 采用微观金相、SEM分析了经编线引起的纤维层内部结构变化。结果表明, 引入经编线导致纤维束面内排列产生扰动, 降低了复合材料的弯曲性能, 45°方向上弯曲模量下降约26%; 经编线的绑缚使纤维层结合更加紧密, 提高了层间剪切性能, 0°方向上层间剪切强度提高约13%。证实了复合材料液体成型工艺中, 经编织物可替代单向布等传统预成型体。
胶原改性的生物活性玻璃/聚己内酯多孔骨修复材料的制备
罗小刚, 陈晓峰, 李玉莉, 沈德勇, 胡庆, 林才
2011, 28(6): 98-103. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1423.031
摘要:
结合粒子沥滤-溶剂挥发法, 制备以胶原作为孔壁修饰体的生物活性玻璃(BG)/聚己内酯(PCL)多孔骨修复复合材料。用SEM、FTIR、XRD、等离子体原子发射光谱仪和pH计等对材料的多孔及孔壁形貌、矿化活性、矿化溶液中离子浓度、pH值变化等进行了分析, 采用比重法和称重法研究了胶原对多孔材料的孔隙率和吸水倍率的影响。结果表明: 胶原蛋白成功的黏附到了多孔材料的孔壁, 有效改善了BG/PCL复合材料的亲水性、矿化活性和降解性能, 其孔隙率和吸水倍率分别高达96.400%±0.018%和13.65±1.65。
ZnFe2O4-羧甲基壳聚糖磁性复合微球的制备及性能
于敏娜, 魏长平, 刘颖
2011, 28(6): 104-108. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1340.014
摘要:
采用溶胶-凝胶法制备出ZnFe2O4磁性纳米粒子。以水作溶剂对壳聚糖进行改性, 得到羧甲基化壳聚糖(CMC)。在交联剂的作用下, 用CMC包覆ZnFe2O4制备出ZnFe2O4 -CMC磁性复合微球, 并固载药物阿司匹林。经过XRD、IR、SEM、TEM、VSM、UV等手段对材料进行表征和性能研究。结果表明, 磁性复合微球成球性好, 平均直径为1~5 μm, 饱和磁化强度为10.99 emu/g, 24 h内药物释放率为76.82%, 载药率为0.801 g/g, 包封率为78.3%。复合微球性能优良, 可作为一种新型的药物载体。
正交优化载药超高分子量聚乙烯药物分散及性能
张铖祖, 屈树新, 廖跃, 段可, 翁杰
2011, 28(6): 109-117. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1424.035
摘要:
应用正交设计法选取阿仑膦酸钠(ALN)加入超高分子量聚乙烯(UHMWPE)后均匀分散的最佳工艺参数, 运用社会科学统计软件包 (SPSS)对正交实验结果进行极差与方差分析, 在最佳工艺参数下制备ALN/UHMWPE, 通过拉伸力学性能实验、XRD、DSC、SEM及EDS表征样品性能。由正交实验得出ALN加入后均匀分散最佳工艺条件: 表面活性剂F68, 分散方式为超声分散, ALN质量分数1%, 分散温度37 ℃; 方差分析表明, 实验具有统计学意义; 拉伸力学实验结果表明, 表面活性剂F68的加入可以有效提高(ALN-F68)/UHMWPE拉伸强度与断裂伸长率; 加入表面活性剂样品的结晶度较未加表面活性剂对照样有所提高, 但均低于空白UHMWPE, ALN没有改变UHMWPE晶型及其热熔性质; 加入表面活性剂有助于ALN在UHMWPE中的均匀分散。
变截面三维编织复合材料减纱工艺与弯曲性能
刘兆麟, 程灿灿, 刘丽芳, 俞建勇
2011, 28(6): 118-124. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1341.018
摘要:
探讨了变截面三维编织预制件减纱净成型原理, 结合图像观测与拓扑分析方法表征减纱区域细观结构, 对比减纱变截面与切削变截面复合材料截面缩减区域及相应等截面复合材料的弯曲力学性能, 并分析两种变截面试件在破坏模式上的异同。结果表明: 减纱应遵循的原则是保证具有连续可编织性, 减纱预制件在截面缩减区域呈现平滑的梯形过渡, 其弯曲模量与强度显著高于切削变截面试件而略低于等截面试件, 且表现为以纱线断裂为主、包括基体开裂和纤维抽拔等模式的复合型破坏。
SiO2/杨木复合材料制备与性能评价
卿彦, 吴义强, 秦志永, 姚春花, 王敏, 罗莎
2011, 28(6): 125-130. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1425.038
摘要:
为探明SiO2对速生林杨木的增强效果, 采用溶胶-凝胶法和浸渍硅溶胶法制备了SiO2/杨木复合材料。用SEM、XRD、FTIR、热重分析等研究了SiO2/杨木复合材料微观形貌、结构组成及热降解性能。实验结果表明: SiO2分布于杨木导管、木纤维以及木材细胞间隙之间, 采用溶胶-凝胶法制得的复合材料两相结合更紧密细致, 填充效果更好; SiO2/杨木复合材料的衍射峰强度和结晶度均呈现减小趋势, 且采用溶胶-凝胶法制备的复合材料纤维素(100)晶面衍射强度和结晶度显著减小; SiO2的引入改变了木材的热性能, SiO2/杨木复合材料的热解温度从420 ℃降低至380 ℃, 缩短了高温热解反应温度区间, 促进炭化阶段进行, 在一定程度上保护杨木基材。
杉木苯酚液化产物的动态黏弹性分析
陈俊宏, 赵广杰
2011, 28(6): 132-136. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1418.022
摘要:
为了研究杉木苯酚液化工艺过程中液化产物动态黏弹性的变化规律, 采用动态黏弹性分析(DMA)方法, 在频率1、10、50 Hz, 温度-120~100 ℃ 条件下, 测定了不同液化工艺因素制备的杉木苯酚液化产物的存储模量E'和损耗因子tgδ温度谱和频率谱, 讨论了液化工艺因素对杉木苯酚液化产物动态黏弹性的影响。结果表明: 在测试温度范围内液化产物存在一个玻璃转化温度Tg; 0~50 ℃范围内有一个α'松弛过程, 50~100 ℃范围内有一个α″松弛过程, 且 α″松弛过程的活化能高于α'的活化能, α'的活化能随着液化时间增加而增大, α″的活化能则随着苯酚与杉木质量比的增加而减小。
C/SiC复合材料盲孔缺陷深度的红外热成像定量测量
徐振业, 成来飞, 梅辉, 陈曦, 邓晓东
2011, 28(6): 137-141. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1341.015
摘要:
利用在三维针刺C/SiC复合材料板上设计不同直径和深度的盲孔作为试样, 模拟材料表面下的孔洞缺陷。采用红外热成像技术对试样盲孔缺陷进行检测, 获得盲孔缺陷信息, 通过最大温差法和lnT-lnt曲线二阶导数最大值法两种分析方法测量盲孔的深度并分析所产生的误差。结果表明: 两种方法都可以实现对盲孔缺陷深度的定量测量, 但产生的测量误差存在差异; 当径深比为1~4.4时, 采用最大温差法的误差明显小于lnT-lnt曲线二阶导数最大值法, 而lnT-lnt曲线二阶导数最大值法的测量精度虽然稍低, 但该方法所适用的径深比范围较宽, 并且测量误差随着盲孔径深比的增大而减小。
搅拌摩擦加工制备MWCNTs/Al复合材料显微结构及硬度
涂文斌, 柯黎明, 徐卫平
2011, 28(6): 142-147. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1420.026
摘要:
采用搅拌摩擦加工技术(FSP)制备多壁碳纳米管增强铝基(MWCNTs/Al)复合材料, 并对该复合材料的显微结构和硬度进行分析。结果表明: MWCNTs/Al复合材料显微结构为细小的等轴晶, 晶粒大小不均匀; MWCNTs与Al基体界面结合良好, 界面处分布大量的位错, MWCNTs主要分布在晶内; 动态再结晶形核方式为亚晶形核, 在原始晶粒和已形成的亚晶内形核, 经动态再结晶使晶粒逐步细化; MWCNTs/Al复合材料的硬度随MWCNTs含量增加呈上升的趋势, 当CNTs体积分数为6%时, MWCNTs/Al复合材料硬度达HV 63.4, 为纯Al经5次FSP硬度的1.9倍。
碱洗处理对B4C粉末在Mg-Li基体中分散效果的影响
任国安, 刘志坚, 杨晓亮, 黄海锋, 文佑才
2011, 28(6): 148-152. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1419.025
摘要:
通过碱液清洗粉末净化B4C颗粒, 以改善其在Mg-Li基体中的分散特性。结果表明: 经过预处理后粉末中超细颗粒明显减少, B2O3含量减少, B4C粉末颗粒表面更加洁净。采用经碱洗处理后的B4C粉末制备出的高锂低熔点预混合金拉伸强度与密度均有提高。最后按Mg-15Li-2Al-6B4C成分配比制备的B4C/Mg-Li复合材料金相组织中B4C粉末聚团明显减少, 组织更加均匀, 与用未处理B4C粉末制备的B4C/Mg-Li复合材料相比, 其拉伸强度提高21.53%。对B4C粉末的碱洗预处理有效地提高了原位生成硼化物对B4C/Mg-Li复合材料的强化效果。
稀释剂Al2O3对NiO/Al体系燃烧速度的影响及其表观反应激活能计算
宋月鹏, 李江涛, 陈义祥, LEE Chong-Soo, KIM Hyoung-Seop
2011, 28(6): 153-158. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1339.011
摘要:
研究了Al2O3稀释剂添加量对NiO/Al体系燃烧速度及体系产物形貌的影响, 结合绝热温度的计算结果, 基于Merzhanov等提出的燃烧波速公式, 根据体系ln(v/Tad)-1/Tad的Arrhenius图, 测定了添加Al2O3后NiO/Al体系的反应激活能。研究结果表明: 对于NiO/Al体系, 在一定范围内(0~5%, 25%~35%, 质量分数)添加Al2O3稀释剂时, 体系绝热温度与燃烧速度均不发生较大变化; 体系的反应过程受到压块内铝反应物传质过程的影响, 高于2740 K时(Al反应物沸点温度), 体系的表观反应激活能为(64±14) kJ/mol, 温度低于2740 K时, 压块内的传质过程将以毛细作用为主, 体系的反应激活能为(189±15) kJ/mol。
ZnO-TiO2染料敏化太阳能电池的制备和性能
刘俊, 魏爱香, 刘传标, 赵旺
2011, 28(6): 159-165. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1423.032
摘要:
采用低温水溶液法制备ZnO纳米花, 将其与TiO2纳米颗粒以不同的质量比混合制备成复合浆料, 采用刮涂法涂敷在掺氟的SnO2透明导电玻璃(FTO)上制备ZnO纳米花-TiO2纳米颗粒复合薄膜光阳极, 与Pt对电极和电解质组装成染料敏化太阳能电池(DSSC)。通过光伏性能和电化学阻抗谱测试分析, 研究ZnO纳米花与TiO2纳米颗粒的质量比对电池性能的影响。结果表明: 随着光阳极中TiO2纳米颗粒的增加, DSSC的开路电压和填充因子提高, 当ZnO与TiO2的质量比为83∶17时, 光电转换效率最高达3.20%; ZnO-TO2 染料电池的阻抗谱类似于Gerischer阻抗谱, 电子的扩散阻抗与背反应复合阻抗相耦合。
无压渗透法制备Al/AlN复合材料及其性能
俞雨, 程继贵, 万磊, 梁槟星, 刘君武
2011, 28(6): 166-171. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1417.019
摘要:
在常压下通过熔渗工艺将AlSi7Mg合金渗入由AlN粉末模压成形、预烧所获得的预烧结坯中, 得到了不同Al含量的Al/AlN复合材料。采用X射线衍射仪对复合材料的相组成进行了测试, 采用金相显微镜和SEM对其显微组织进行了观测, 并对不同Al含量的Al/AlN复合材料的维氏硬度、抗弯强度、热膨胀系数及导热系数等进行了测试分析。结果表明: 在900 ℃下, N2气氛中通过熔渗工艺可以制备出相对密度高于98.5%的Al/AlN复合材料, 且在整个制备过程中AlN坯体尺寸几乎没有变化; Al/AlN复合材料的硬度和强度随Al含量的增加而降低, 导热系数和热膨胀系数则随Al含量增加有所增加; Al体积分数为38%和62%时, Al/AlN复合材料维氏硬度分别为HV 715和HV 203, 抗弯强度分别为492 MPa和388 MPa, 室温导热系数分别为73 W/(m·K)和120 W/(m·K), 室温至200 ℃的平均线膨胀系数分别为8.60×10-6 K-1和1.11×10-5 K-1; Al/AlN复合材料的热膨胀系数与Al含量的关系符合Kerner模型。
Fe元素对Nb 16Si原位复合材料显微组织及室温力学性能的影响
周家蕤, 沙江波
2011, 28(6): 172-179. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1332.001
摘要:
采用真空非自耗电弧熔炼方法制备了Nb-16Si-xFe原位复合材料(x = 2, 4, 6, 原子分数(%), 分别简称为2Fe、4Fe、6Fe合金), 研究了Fe含量对Nb-16Si合金的显微组织与室温力学性能的影响。结果表明: 铸态及热处理态(1350 ℃真空退火100 h) 2Fe和4Fe合金主要由Nb基固溶体(NbSS)、Nb3Si和Nb4FeSi三相组成, 随着Fe含量的增多, Nb3Si含量减少, 而Nb4FeSi含量增加, 6Fe合金仅由NbSS和Nb4FeSi两相组成; 热处理后NbSS上有细小的硅化物析出; Nb-16Si合金中加入Fe元素后所生成的新相Nb4FeSi是一个硬脆的硅化物相, 其显微硬度和室温断裂韧性 分别为HV 1110和1.22 MPa·m1/2; 随着Fe含量由2%提高到6%, 热处理态Nb-16Si-xFe合金的室温 断裂韧性呈略微下降趋势, 而硬度和压缩强度呈上升趋势。
钨精矿石含量对激光燃烧合成钨精矿石/Al-Cu 复合材料组织结构及性能的影响
李刚, 水东莉, 唐海鹏, 陈永君, 刘丽, 侯俊英
2011, 28(6): 180-183. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1337.007
摘要:
采用激光燃烧合成技术, 对掺杂钨精矿石粉末的钨精矿石/Al-Cu粉末压坯进行燃烧合成。采用SEM、OM、XRD以及维氏硬度计研究了钨精矿石粉末的含量对合金微观结构、致密化行为及硬度的影响。结果表明: 掺杂钨精矿石粉末可提高合金组织的细化、均匀化程度, 促进其致密性。当钨精矿石粉末与Al-Cu粉末的质量比为3%时, 试样的合成密度和硬度最高, 分别为3.43 g/cm3、HV 244.4。
镀钛金刚石/铜复合材料的热导率
王青云, 沈卫平, 马明亮, 张庆玲, 周亚南, 张萍萍
2011, 28(6): 184-188. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1333.002
摘要:
采用粉末冶金法在高温热压炉中制备金刚石/铜复合材料, 研究了钛镀层、烧结温度、金刚石颗粒体积分数对金刚石/铜复合材料热导率的影响。结果表明: 钛镀层能改善金刚石/铜复合材料的界面浸润性, 降低孔隙率, 提高热导率。烧结温度低于980 ℃时, 烧结驱动力不足, 致使金刚石/铜复合材料的致密度下降, 热导率降低; 烧结温度高于980 ℃时, 由于铜和金刚石的热膨胀性能相差较大, 冷却过程中铜和金刚石颗粒容易在界面处分离, 致使金刚石/铜复合材料的致密性和热导率降低。随着高热导金刚石颗粒体积分数的增加, 铜不能充分填充金刚石颗粒之间的孔隙, 降低了金刚石/铜复合材料的致密度, 致使热导率先增加后降低。
碳钢坩埚表面渗铝复合涂层
刘建睿, 王栓强, 黄卫东
2011, 28(6): 189-193. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1418.023
摘要:
以碳钢板为基板材料, 通过表面渗铝和高温化学反应在其表面形成复合保护涂层。研究了反应层厚度与反应温度、时间之间的关系, 并用光学显微镜、XRD对涂层形貌、相组成进行了表征。实验结果表明: 反应产物层厚度随反应温度、时间的增加而增加; 复合涂层由过渡层和反应产物层组成, 过渡层组成为Fe3Al及少量Fe2Al5、Fe14Al86、Al2O3, 反应产物层组成为TiB2、MgO和少量的Mg2TiO4、Mg2B2O5、Fe3Al、FeAl、Ti2B5
电泳沉积制备BG/BG-FHA复合涂层
周宏明, 曾麟, 易丹青, 李荐, 贾晓慧, 郭雁军
2011, 28(6): 194-199. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1424.034
摘要:
采用电泳沉积在Ti6Al4V钛合金表面制备了以生物玻璃(BG)为中间层, BG与氟取代磷灰石(FHA)复合粉末为表层的BG/BG-FHA涂层。通过XRD、SEM、EDS和电子万能力学试验机对BG/BG-FHA复合涂层的物相结构、微观形貌和涂层结合力进行了分析, 优化了涂层的热处理制度, 并通过模拟体液浸泡实验研究了涂层的体外生物活性。结果表明: 涂层经过热处理后玻璃(BG)与钛合金基体发生化学反应, 有新相Ti3(PO4)4生成, 涂层和基体以化学冶金结合, 结合力大于20 MPa; 优化后涂层的热处理制度为: 热处理温度750 ℃, 保温12 min, 随炉冷却。BG/BG-FHA涂层浸泡后表面形成缺钙的类骨磷灰石, 成花瓣状生长, 长度为几百纳米, 具有优良的生物活性。
含缺陷平纹机织复合材料拉伸力学行为数值模拟
卢子兴, 徐强, 王伯平, 杨振宇
2011, 28(6): 200-207. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1418.020
摘要:
基于平纹机织复合材料的细观结构单胞模型, 考虑其制备过程中产生的孔隙缺陷为随机分布的特征, 通过引入两参数Weibull分布函数, 应用Python语言实现了ABAQUS的二次开发, 并采用Linde等提出的失效准则, 建立了含孔隙缺陷平纹机织复合材料的渐进损伤模型, 利用有限元数值方法模拟了其拉伸应力-应变行为, 针对该模型, 讨论了孔隙缺陷对材料拉伸应力-应变行为的影响, 并阐述了该平纹机织复合材料单胞模型在经向拉伸载荷作用下其纤维束的损伤及演化过程。结果表明, 该模型给出的数值模拟结果与实验数据吻合较好, 证明了模型的有效性, 为该类材料的优化设计及其力学性能分析提供了一种有效方法。
双轴受压反对称角铺设复合材料层合板在固支边界下的后屈曲和模态跃迁
钟轶峰, 张亮亮
2011, 28(6): 208-214. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1335.005
摘要:
为有效分析双轴受压反对称角铺设复合材料层压板在固支边界下的后屈曲性能, 由渐近修正几何非线性理论推导其双耦合四阶偏微分方程(即应变协调方程和稳定性控制方程), 通过双Fourier级数将耦合非线性控制偏微分方程转换为系列非线性常微分方程, 从而获得相对简单的求解方法。使用广义Galerkin方法求解与角交铺设复合层合板相关的边界值问题, 研究了模态跃迁前后不同复杂程度的后屈曲模式。对四层固支边界复合层合板的数值模拟结果表明: 该解析法与有限元方法在主后屈曲区域的线性屈曲荷载计算结果吻合良好; 有限元方法在解靠近二次分岔点时失去收敛性, 而解析方法可深入后屈曲区域, 准确捕捉模态跃迁现象; 对于反对称角铺设层合板, 可仅用纯对称模态来定性预测主后屈曲分支、二次分岔荷载及远程跃迁路径。
二维二轴1×1编织复合材料细观结构模型及力学性能有限元分析
张超, 许希武, 郭树祥
2011, 28(6): 215-222. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1424.033
摘要:
考虑纤维束相互挤压及横截面形状变化, 采用纤维束截面六边形假设, 建立了二维二轴1×1编织复合材料的参数化单胞结构模型。通过引入周期性位移边界条件, 基于细观有限元方法, 对编织材料的弹性性能进行预测, 讨论了编织角及纤维体积含量对面内弹性常数的影响, 并分析了典型载荷下单胞细观应力场分布。研究表明: 单胞结构模型有效反映了纤维束的空间构型和交织特征, 实现了不同编织工艺参数下模型的快速建立; 基于单胞有限元模型的弹性性能预测结果与试验结果较为吻合; 模型给出了单胞合理的应力场分布, 为二维编织复合材料的结构优化和损伤预测奠定基础。
考虑纤维束间粘接层的三维四向编织复合材料弹性性能数值预测
刘振国, 李东颖, 张帆, 黄雨霓
2011, 28(6): 223-229. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1418.021
摘要:
考虑了相邻纤维束之间的界面粘接效应, 建立了考虑纤维束间粘接层的三维四向编织复合材料单胞有限元模型, 较为真实地模拟了该材料的细观结构, 讨论了相应的边界条件和约束条件, 并采用有限元方法计算了该材料的等效弹性性能参数, 计算结果与实验值符合较好。研究了等效弹性性能参数随不同编织角及体积分数的变化关系, 得到了体胞的细观应力场, 为强度分析提供数据。
自定义粘接元接触技术在复合材料连接强度分析中的应用
陈向明, 柴亚南, 沈真
2011, 28(6): 230-236. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1341.017
摘要:
为解决复合材料接头强度分析中由于接触造成的收敛困难问题, 自定义了具有特殊本构关系的粘接元用来模拟接触, 该单元只能传递压力而不能传递拉力。自定义的粘接元被置于两接触对之间用来传递接触压力, 从而保证了接触体之间在接触面上的变形协调关系。同时, 建立了复合材料单钉接头的三维累积损伤有限元模型。基于文献中材料性能退化模型, 对纤维及基体压缩破坏的刚度退化模式做了改进, 并利用自定义粘接元接触技术及改进后的刚度退化方法对模型进行了有限元模拟。最后对四组相应试验件进行了试验验证, 试验结果和模拟结果吻合较好, 证明了自定义粘接元接触技术以及文中模型和算法的有效性。
热环境中功能梯度圆板的非线性动力响应分析
张志强, 胡宇达
2011, 28(6): 237-244. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1422.029
摘要:
研究了热环境中功能梯度圆板在横向简谐激励作用下的非线性动力响应和动应力问题。针对陶瓷-金属功能梯度圆板, 考虑几何非线性、材料物理性质参数随温度变化及材料组分沿厚度方向按幂律分布的情况, 应用虚功原理给出了热载荷与横向简谐载荷共同作用下的非线性振动偏微分方程。在固支无滑动的边界条件下, 利用伽辽金法得到了达芬型非线性强迫振动方程。通过数值算例, 给出了关于体积分数指数的分岔图, 相图、Poincare映射等响应图以及动应力变化规律图, 讨论了材料体积分数指数和温度场对功能梯度圆板非线性动力响应的影响。结果表明: 热环境中功能梯度圆板随体积分数指数的变化可使系统出现周期响应、倍周期响应和混沌响应。功能梯度圆板中心处动应力在系统发生分岔或出现混沌响应时出现大幅变化, 而且在混沌响应时具有不可预测性。
4D轴编C/C复合材料力学性能实验研究
高波, 唐敏, 杨月城, 史宏斌
2011, 28(6): 245-251. doi: CNKI:11-1801/TB.20110720.1340.012
摘要:
通过宏观力学实验研究了4D轴编C/C复合材料的各向拉伸、压缩和剪切性能。采用ARAMIS非接触式应变测试系统有效地解决了常规测试中应变片和试样变形不协调的问题。结果表明: 4D轴编C/C复合材料在拉伸、压缩和剪切时表现出较强的各向异性, 具有双模量和非线性特征, 径向拉伸表现为裂纹分层扩展, 轴向拉伸表现为炭棒拔出, 压缩时延性增加, 表现为剪切破坏。拉伸时体现出脆性特征, 压缩时更多地体现出伪塑性特征; 剪切时xz面试样表现为分层破坏, xy面表现为纤维束拔出破坏。