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2016年  第33卷  第7期

先进树脂基复合材料发展现状和面临的挑战
邢丽英, 包建文, 礼嵩明, 陈祥宝
2016, 33(7): 1327-1338. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160323.003
摘要:
先进树脂基复合材料已经成为一类最重要的航空航天结构材料。主要介绍了国内外先进树脂基复合材料增强纤维、树脂基体、制造技术和结构功能一体化技术的发展,以及先进树脂基复合材料的考核应用状况,并讨论分析了先进树脂基复合材料的发展趋势与面临的机遇和挑战。先进树脂基复合材料发展目前面临的机遇与挑战有:树脂基复合材料继续向高性能化发展;结构功能一体化树脂基复合材料呈现多功能化和尖端化趋势;基于多尺度建模和表征的复合材料设计技术迎来极其重要的发展机遇;多功能化成为未来碳纳米复合材料发展的重要目标;环境友好催生绿色复合材料、热塑性复合材料以及高效循环再利用技术;智能复合材料技术支撑更大、更集成化复合材料整体结构的可靠应用;“互联网”时代复合材料将面临研究方式的深刻变革。
热固性树脂基复合材料热隔膜成型过程数值仿真
元振毅, 王永军, 杨凯, 刘天骄, 王俊彪, 魏生民, 赵国强, 魏俊鹏
2016, 33(7): 1339-1350. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151028.001
摘要:
为研究制件成型过程中的层间滑移情况及固化后的回弹变形,首先,利用自行开发的热隔膜成型装置制备了热固性树脂基复合材料C型制件。同时,针对热隔膜成型过程建立了三维数值仿真模型;该模型由3个复合材料固化过程子模型构成,包括热-化学模型、层间滑移模型和固化变形模型。然后,在此基础上将固化过程中复合材料性能的时变特性引入到仿真模型中,并将仿真结果与文献中的实验结果进行比较。最后,利用建立的仿真模型对热隔膜成型过程进行了数值模拟,并与实验进行比对,重点研究了成型过程中温度、固化度分布、层间滑移以及固化变形情况。所得结果证明所建立的数值模型对热隔膜成型过程的预测具有较高的可靠性及准确性,可以为后续热隔膜成型参数优化和模具修正提供参考。
纳米ZnO/低密度聚乙烯复合材料的介电特性
程羽佳, 张晓虹, 郭宁, 王若石, 张天旭
2016, 33(7): 1351-1360. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150915.002
摘要:
为探讨纳米ZnO/低密度聚乙烯(LDPE)复合材料的介电特性,首先,采用硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂对纳米ZnO进行改性,并利用两步法制备了不同纳米ZnO质量分数、不同纳米ZnO粒径、不同纳米ZnO表面修饰方式和不同冷却方式的纳米ZnO/LDPE复合材料;然后,通过FTIR、SEM、DSC和热激电流(TSC)测试了纳米ZnO在基体中的分散情况、复合材料的等温结晶过程参数变化及陷阱密度;最后,在不同实验温度下分别进行了交流击穿、绝缘电导率、介电常数和空间电荷实验。结果表明:纳米ZnO的加入使纳米ZnO/LDPE复合材料内部陷阱深度和密度均有所增加;当纳米ZnO的粒径为40 nm且质量分数为3%时,复合材料的结晶速度最快,纳米ZnO在基体中的分散性较好,击穿场强达到最高值133.3 kV/mm,电导率及介电常数也相对较低,加压时复合材料内部空间电荷少,短路时释放电荷速度快,介电性能较好;由于纳米粒子增加了材料内部的热传导速率,降低了复合材料随着温度升高而降解的速度,因而相对于纯LDPE,随着实验温度的提高,纳米ZnO/LDPE复合材料的击穿场强下降幅度及电导率上升幅度均较小。
等腰梯形蜂窝芯玻璃钢夹芯板的热性能
郑吉良, 孙勇, 彭明军
2016, 33(7): 1361-1370. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151012.001
摘要:
为研究等腰梯形蜂窝芯玻璃钢夹芯板传热机制,利用导热仪对夹芯板的传热性能进行了实验测试与模拟研究。结果表明:夹芯板稳态导热系数模拟结果与Swann and Pittman经验公式的计算结果相吻合,验证了数值计算胞体平面模型的合理性;Part2为夹芯板稳态传热的主要构件,Part2胞壁厚度与边长对夹芯板导热系数有显著影响,Part2高度、Part1与Part3厚度及面板厚度对夹芯板导热系数的影响偏弱;同时,若仅需降低夹芯板的导热系数,而忽略对夹芯板静力学性能要求,应该更换蜂窝芯层材料;若需夹芯板同时满足隔热性能与静力学性能,多层蜂窝芯夹芯板是很好的选择。
层叠状功能化石墨烯纳米带/TPU复合材料薄膜的制备与性能
曹宁宁, 郑玉婴, 刘阳龙, 欧忠星, 陈宇
2016, 33(7): 1371-1381. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150921.004
摘要:
利用溶液涂覆成膜工艺在涂膜机上制得层叠状功能化石墨烯纳米带(SF-GNRs)/热塑性聚氨酯(TPU)复合材料薄膜。采用FTIR、XRD、XPS、TEM和FE-SEM对SF-GNRs的结构进行表征,并结合复合材料薄膜的氧气透过率、体积电阻率测试及表面形貌观察,研究了不同质量分数的SF-GNRs对TPU复合材料薄膜阻隔和抗静电性能的影响。结果表明:所得高比表面积SF-GNRs在TPU基体中分散良好;当SF-GNRs质量分数为1.0%时,SF-GNRs/TPU复合材料薄膜的氧气透过率相比纯TPU薄膜降低了67.76%,阻隔性能得到明显改善;当SF-GNRs质量分数达到1.0%~1.5%时,SF-GNRs/TPU复合材料薄膜出现了电渗流行为,表现出优良的室温导电性能。
共混型石墨烯-nano SiO2/TPU复合材料的制备与性能
蔺海兰, 朱庆兰, 卞军, 周醒, 王正君, 鲁云
2016, 33(7): 1382-1389. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150803.003
摘要:
采用熔融共混技术制备了氧化石墨烯(GO)-nano SiO2杂化材料填充改性的形状记忆热塑性聚氨酯(GO-nano SiO2/TPU)复合材料,探讨了GO-nano SiO2杂化材料对复合材料力学性能、熔融指数及形状记忆性能的影响。结果表明:GO-nano SiO2含量对GO-nano SiO2/TPU复合材料的力学性能有明显的影响,其含量为0.5wt%~1wt%时,GO-nano SiO2/TPU复合材料的综合力学性能较好。熔融指数分析表明,填料的加入会降低材料的加工流动性能。形状记忆性能研究表明,加入GO-nano SiO2杂化材料使得GO-nano SiO2/TPU复合材料的形状固定率先降低后上升,在含量为1wt%后上升趋势更加明显;而形状回复率随填料含量的增加而呈降低趋势,并且在100℃高温这种变化趋势更加明显和稳定,回复温度越高,形状回复率越好。
T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料自然老化性能与机制
张代军, 刘刚, 包建文, 唐邦铭, 钟翔屿, 陈祥宝
2016, 33(7): 1390-1399. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151022.002
摘要:
为验证复合材料的耐久性,对T700碳纤维增强环氧树脂基复合材料经自然老化后的微观形貌、表面元素含量、热性能与力学性能等进行了研究。结果表明: 在光氧老化与热氧老化的共同作用下,T700碳纤维增强EP-A环氧树脂基(T700/EP-A)复合材料表层树脂将发生老化降解,并且随自然老化时间的延长,T700/EP-A复合材料的玻璃化转变温度逐渐降低,未老化试样的玻璃化转变温度为207℃,经过自然老化处理3年后,其玻璃化转变温度降低为180℃,延长自然老化时间至5年时,其玻璃化转变温度进一步降低至172℃。而自然老化过程对复合材料力学性能可能同时存在着增强效应与损伤效应,因此造成了T700/EP-A与T700/EP-B复合材料的不同力学性能表现出相异的变化趋势。随自然老化时间延长,T700/EP-A与T700/EP-B复合材料纵向拉伸强度表现出先升高后降低的趋势,纵向弯曲强度表现出逐渐升高的趋势,纵向压缩强度与层间剪切强度存在波动,未呈现出明显变化。
镀Ag玻璃微珠-膨胀石墨/聚氯乙烯导电复合材料的制备与表征
张梦玉, 王劲, 陈星亮, 薛融, 齐暑华
2016, 33(7): 1400-1407. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150803.002
摘要:
采用一种无Pd无SnCl2化学镀Ag新工艺对空心玻璃微珠(HGB)表面进行化学镀Ag,然后通过熔融共混方法制备镀Ag玻璃微珠(Ag-GB)-膨胀石墨(EG)/聚氯乙烯(PVC)复合材料。借助SEM、EDS和XRD测试手段对Ag-GB镀层的表面形貌与结构进行了表征,研究了Ag-GB和EG作为复合填料对Ag-GB-EG/PVC复合材料导电和力学性能的影响。结果表明:预处理的HGB的表面更易于Ag层的沉积,镀覆的镀层更为均匀、致密;Ag-GB表面的Ag层质量分数为81.15%;固定Ag-GB的质量分数为15%,随着EG质量分数的增加,Ag-GB(15%)-EG/PVC复合材料的体积电阻率呈非线性降低趋势,当EG的质量分数达到逾渗阈值12%时,Ag-GB(15%)-EG/PVC复合材料的体积电阻率为2.18×103 Ω·cm,满足抗静电PVC材料的应用要求。添加质量分数为12%的EG,Ag-GB(15%)-EG/PVC复合材料的体积电阻率与单独填充质量分数为50%的Ag-GB时Ag-GB/PVC复合材料的体积电阻率相当,此时其拉伸强度达到最大值。
玻璃纤维/环氧树脂复合材料与镀层界面的Ni颗粒强化工艺
孙士勇, 杨睿, 郭华锋, 韩剑
2016, 33(7): 1408-1415. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150925.003
摘要:
针对玻璃纤维/环氧树脂复合材料与镀层结合界面强度低的问题,基于复合材料/镀层间的机械互锁原理及传统塑料基体化学镀工艺,提出通过增强颗粒的桥接作用,增加含有增强颗粒的过渡层来强化镀层界面的复合材料金属化方法。对金属化后的玻璃纤维/环氧树脂复合材料试件采用拉伸试验法测量镀层的结合强度,并通过截面和断面的显微观测,分析了增强颗粒对于镀层界面的强化机制;同时获得了玻璃纤维/环氧树脂复合材料表面粗糙度和增强颗粒质量分数对含有过渡层的镀层结合强度的影响规律。结果表明:采用上述金属化方法可以显著提高镀层的界面强度,与传统的金属化工艺制备试件相比,玻璃纤维/环氧树脂复合材料在不同表面粗糙度下,镀层结合强度平均提高161%;同时,镀层的结合强度随着增强颗粒质量分数的增加,呈现先增大后减小的趋势,当增强颗粒的质量分数为50%时,镀层的结合强度达到最大。
纳米Ag链的制备及其在聚氨酯基柔性导电复合材料中的应用
陈世龙, 罗远芳, 魏勇, 陈松, 刘岚
2016, 33(7): 1416-1422. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151020.001
摘要:
针对柔性聚合物基导电复合材料的导电性差和柔性差这2个关键问题,分别从导电填料的柔性化及降低填料含量2方面着手,以脱氧核糖核酸(DNA)大分子链作为模板,制备了大小均一、链状排列的柔性纳米Ag链及纳米Ag链填充的聚氨酯基柔性导电复合材料。利用SEM对纳米Ag链/Ag包Cu粉/聚氨酯导电复合材料的界面结构进行了表征,探讨了纳米Ag链/Ag包Cu粉/聚氨酯导电复合材料导电性及柔性的机制。研究发现:保持导电填料总质量分数为76%、纳米Ag链的质量分数为4%时,纳米Ag链/Ag包Cu粉/聚氨酯导电复合材料的电阻率及形变前后的电阻变化比值达到最佳值,分别为2.13×10-4 Ω·cm和3.6;当以纳米Ag链为单一填料时,制得的纳米Ag链/聚氨酯导电复合材料具有优异的柔性;泡沫法制备的纳米Ag链/聚氨酯导电复合材料可以在低填料质量分数时达到更高的导电性,当纳米Ag链质量分数为60%时,方阻为56 Ω/sq,低于共混法制备的填料质量分数为65%时的纳米Ag链/聚氨酯导电复合材料(98 Ω/sq)。
含共轭结构的ZnO/聚乙烯醇复合光催化材料的制备与性能
铁伟伟, 张艳鸽, 郑直, 李大鹏, 黄保军, 朱聪旭
2016, 33(7): 1423-1428. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151102.001
摘要:
以ZnO和NaOH为原料,采用低温水热法合成纳米ZnO 半导体材料,并与聚乙烯醇(PVA)水溶液在超声作用下混合,通过直接煅烧制备出PVA中含共轭双键碳链结构(C)的ZnO/PVAC复合光催化材料。采用 SEM、XRD、FTIR、Raman和UV-Vis DRS对样品进行表征。结果表明:ZnO/PVAC复合光催化材料由结晶性能良好的纳米ZnO和具有共轭结构的聚合物组成,且界面间通过化学键Zn-O-C相连接;在模拟太阳光照射下,ZnO/PVAC复合光催化材料对光的吸收响应可扩展到整个可见光区,并产生较高光电流。光催化性能测试结果表明,ZnO/PVAC复合光催化材料对罗丹明B的降解催化性能(30 min降解率接近于100%)明显高于纯纳米ZnO。
茶粉/聚丙烯复合材料自然老化性能
龚新怀, 陈良壁
2016, 33(7): 1437-1445. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151026.001
摘要:
为高值化利用茶产业剩余物,拓宽木塑复合材料中植物纤维来源,以茶粉(TD)为有机增强相,聚丙烯(PP)为基体,采用开炼-注塑工艺制备了TD/PP复合材料;为研究其户外应用及老化机制,采用户外自然老化形式考察了老化时间对TD/PP复合材料力学性能、材色及表面形貌的影响,并用FTIR分析了其老化机制。结果表明:与木材纤维相比,TD中纤维素含量更少,而各种形式的抽提物含量要高很多,纤维长径比更小。户外自然老化8个月后,TD/PP复合材料的亮度变化值、红绿轴色品指数变化值、黄蓝轴色品指数变化值及色差值分别为37.64、-10.40、-3.38和39.19;TD/PP复合材料的弯曲、缺口冲击强度、弯曲模量及硬度值分别降低了38.7%、42.4%、41.4%和9.14%。FTIR分析表明,在户外自然老化环境中,TD/PP复合材料中的PP分子链和TD中木质素组分发生了光照降解。SEM照片显示,随户外自然老化时间延长,TD/PP复合材料表面出现裂纹,且裂纹数量逐渐增多,深度和宽度增大,并且局部地方出现粉化现象。
功能化木粉/低密度聚乙烯热塑母料的制备及界面融合性
孙恩惠, 孙丰文, 刘欢欢, 鹿甫坤, 黄红英, 武国峰
2016, 33(7): 1446-1453. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151008.004
摘要:
以研究功能化木粉/低密度聚乙烯(LDPE)热塑母料的流变及界面融合性为目的,采用超声波辅助碱预处理制备苄基化杨木粉(Wd-Ar),通过熔融共混挤出造粒制备了Wd-Ar/LDPE热塑母料。研究Wd-Ar/LDPE热塑母料界面相容性、熔体流动性、热软化点、热融合特性以及表面自由能的变化。结果表明:SEM显示,与未处理木粉(Wd)相比,塑化母料与LDPE的界面融合性增强;由XRD结果分析可知热塑母料结晶度减弱,热软化点有所降低,熔体流动速率提高,总表面自由能下降,非极性分量自由能增加;Wd-Ar可降低与LDPE混合物料的平衡扭矩,有效改善复合材料的熔体加工性能、界面融合性及力学性能。当LDPE含量为20wt%时,Wd-Ar/LDPE复合材料的拉伸强度、拉伸断裂伸长率及弯曲强度分别提高了2.55、4.55和2.27倍,表明Wd-Ar与LDPE复合材料间的界面黏结性增强。
滑动接枝共聚物/丁腈橡胶复合材料及其阻尼性能
耿晓燕, 郭大通, 赵德涛, 王文才, 赵秀英, 张立群
2016, 33(7): 1454-1460. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151014.003
摘要:
将丁腈橡胶(NBR)与预硫化滑动接枝共聚物(SGC)混合制备SGC/NBR复合材料,并采用DSC、橡胶加工分析仪(RPA)、TEM和FTIR等研究了预硫化温度对复合材料内部结构及动态力学性能的影响。结果表明:SGC作为分散相在NBR基体中形成了海岛结构,且与NBR 大分子之间形成了分子间氢键,使两相相容性较好并形成了明显的界面作用区。界面作用区的存在使SGC/NBR复合材料的玻璃化转变温度与纯NBR基体相比升高,同时使复合材料的拉伸强度和拉断伸长率等力学性能显著增强,并出现了明显的拉伸取向。由于SGC与NBR之间分子链的扩散以及氢键作用,使分子链σ单键的内旋转受阻,旋转时需要消耗能量以克服所受的阻力,造成SGC/NBR复合材料的损耗因子明显增加,其中预硫化温度为160℃时阻尼效果最好。SGC/NBR复合材料在建筑桥梁振动频率应变变形范围内表现出优异的损耗性能,可应用于高阻尼隔震支座。
T型接头蒙皮厚度对Z-pin增强效果的影响
李梦佳, 陈普会, 孔斌, 彭涛, 姚正兰, 邱学仕
2016, 33(7): 1461-1467. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150930.002
摘要:
在关于拉脱载荷下Z-pin增强T型接头的有限元模拟方法基础上,通过对2组蒙皮厚度分别为7.2 mm和4.0 mm的试验件的试验结果进行分析,研究了T型接头蒙皮厚度对Z-pin增强效果的影响。结果表明:Z-pin增强效果随着蒙皮厚度的减小而增大。蒙皮厚度大于5 mm,Z-pin不能提高结构的最大承载能力,但可显著提高结构首次掉载后的承载性能,使T型接头在较大的加载位移下仍保持较高的承载能力;无论蒙皮厚薄,结构首次掉载后,各Z-pin增强T型接头可达到的载荷平台是相当的,且该载荷平台随蒙皮的变厚有降低的趋势。
空间环境复合材料的性能研究与表征
柴朋军, 王嵘, 徐晋伟, 丁萍, 王继辉
2016, 33(7): 1468-1474. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160328.008
摘要:
采用质损率、FTIR、DSC、动态热力学(DMA)及力学性能等作为评价指标,选择了一种耐高温复合材料的环氧树脂体系,以该树脂体系为基体制备了用于模拟空间环境的复合材料真空附舱,通过测试其常温及高温状态下的结构稳定性、漏气率和出气率等指标进行了应用评估。结果表明:该真空附舱在150℃高真空环境下结构稳定,高温性能达到国际领先水平,透波性能优于已报道的同类产品,可满足空间环境使用。
高韧性双马来酰亚胺树脂的固化反应动力学和TTT图
李伟东, 张金栋, 刘刚, 钟翔屿, 张代军, 包建文, 肇研
2016, 33(7): 1475-1483. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151030.001
摘要:
采用动态DSC法,研究了高韧性双马来酰亚胺树脂的固化反应动力学。根据Kissinger方程和Crane方程,拟合得到双马来酰亚胺树脂的固化动力学参数,建立了该树脂的唯象模型。采用恒温DSC法,根据DiBenedetto方程,建立了双马来酰亚胺树脂的玻璃化转变温度与固化度之间的函数关系。采用凝胶盘法,获得了该树脂在不同温度下的凝胶时间,建立了凝胶时间和凝胶温度之间的函数关系,得到了树脂的时间-温度-转变(TTT)图。根据TTT图对复合材料的固化工艺进行优化。结果表明:预浸料在150℃恒温0.5 h后加压0.6 MPa,树脂具有一定的流动性,可制备内部质量完好的复合材料。
国产T800碳纤维/双马来酰亚胺复合材料的界面及力学性能
李伟东, 张金栋, 刘刚, 钟翔屿, 张代军, 包建文, 肇研
2016, 33(7): 1484-1491. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160511.005
摘要:
分别采用日本东丽T800H和国产T800碳纤维作为增强体,采用热压罐工艺制备双马来酰亚胺树脂基复合材料。研究了2种碳纤维的表面物理和化学状态,复合材料的微观界面性能及力学性能。结果表明:国产T800碳纤维表面沟槽分布较多,表面粗糙度较高,有利于与树脂基体形成更好的物理结合作用。同时,国产T800碳纤维表面具有较多的含氧官能团,有利于与基体树脂形成更好的化学结合作用。因此,国产T800碳纤维的界面剪切强度较T800H碳纤维高约27%。国产T800/HT-280复合材料的力学性能均普遍高于T800H/HT-280复合材料,其中,90°拉伸强度高约25%,面内剪切强度、弯曲强度高约12%,层间剪切强度高约7%。
铁铕共掺杂的TiO2空心微球的制备及光催化活性
刘阳龙, 郑玉婴, 曹宁宁, 尚鹏博
2016, 33(7): 1492-1499. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150929.001
摘要:
通过溶胶-凝胶法制备铁铕共掺杂的TiO2(Fe3+-Eu3+/TiO2)空心微球,采用XRD、TEM、BET和XPS等对样品进行表征,以亚甲基蓝(MB)的光催化降解为目标反应,评价其光催化活性。结果表明:SiO2微球表面均匀地包覆了1层TiO2,超声有利于提高SiO2@TiO2复合微球间的分散性,同时也发现煅烧前对SiO2@TiO2复合微球进行研磨处理后所得的Fe3+-Eu3+/TiO2空心微球部分塌陷,而未研磨和煅烧后研磨所得Fe3+-Eu3+/TiO2空心微球完整性较好。XRD和BET分析表明,Fe3+-Eu3+/TiO2空心微球为锐钛矿且具有良好的介孔结构,铁铕共掺杂在TiO2空心微球中产生协同作用,使Fe3+-Eu3+/TiO2空心微球的粒径进一步减小,比表面积增大。当Fe3+的掺杂量为1.0%、Eu3+的掺杂量为0.5%时,Fe3+-Eu3+/TiO2空心微球的光催化活性最高。
金属基复合材料热弹塑性变分渐近细观力学模型
钟轶峰, 刘国天, 周小平, 张亮亮
2016, 33(7): 1500-1506. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150824.003
摘要:
基于变分渐近法建立具有周期性微结构的金属基复合材料(MMCs)细观力学模型及相应的增量方程,以准确预测其典型的热弹塑性行为和初始屈服面。利用细、宏观尺度比很小的特点,对单胞变分能量泛函变化进行渐近扩展,计算得到有效瞬时弹塑性刚度矩阵和热应力矩阵;利用迭代均质化及局域化技术模拟MMCs的非线性热弹塑性性能,并通过有限元技术实现相应的数值模型。算例分析表明:该模型能较好地预测MMCs的初始屈服面,并模拟热弹塑性耦合行为,研究成果为MMCs的进一步研究和实际应用提供了技术支撑。
针刺C/C-SiC复合材料剪切非线性本构关系
谢军波, 方国东, 陈振, 梁军
2016, 33(7): 1507-1514. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151123.002
摘要:
为研究针刺C/C-SiC复合材料的剪切损伤行为,首先,进行了面内剪切加卸载实验,并利用SEM对复合材料的剪切破坏形貌进行了观测;然后,建立了一种塑性与损伤相结合的非线性本构模型描述复合材料的非线性力学行为,以幂函数描述等效塑性应变与等效应力的关系;最后,基于剪切强度的Weibull分布规律提出了一种指数型损伤变量表征剪切刚度的退化,并通过实验数据拟合得到模型中的参数。结果表明:复合材料在卸载后存在明显的残余应变,卸载模量随载荷的增加不断降低,表现出明显的剪切非线性特征;大量无纬布纤维束和纤维单丝拔出,且易在针刺部位发生破坏;由于针刺部位等缺陷的不规律分布,剪切强度存在一定的分散性,符合指数型Weibull统计分布规律;复合材料的剪切非线性主要由基体开裂和纤维/基体界面脱粘等内部损伤引起,从宏观上可以解释为塑性变形和刚度性能折减。所得结论表明本构模型能够很好地表征C/C-SiC复合材料的面内剪切非线性行为。
Al6Si2O13晶须和TiC颗粒复合强化多孔Al2TiO5基复合材料
马爱珍, 崔洪芝, 崔德运, 李书海, 宋晓杰, 程贵勤
2016, 33(7): 1515-1523. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151022.003
摘要:
以γ-AlOOH和TiO2为原料,添加不同质量分数SiC晶须(SiCw),采用无压反应烧结法制备多孔(Al6Si2O13+TiC)/Al2TiO5复合材料,分析了SiCw质量分数对(Al6Si2O13+TiC)/Al2TiO5复合材料孔隙率和抗压强度的影响,讨论了SiCw的强化机制。结果表明:不添加SiCw时,产物主要为Al2TiO5和少量Al2O3,还有少量未反应的TiO2;加入SiCw之后,还形成了Al6Si2O13和TiC相,TiC和Al6Si2O13分别以规则颗粒状和晶须形态存在于Al2TiO5基体中。TiC颗粒与Al6Si2O13晶须通过细化显微组织、裂纹偏转和晶须桥连机制,起到协同强化作用。SiCw的添加使孔隙率和抗压强度同时大幅度提高,随着SiCw质量分数的增加,(Al6Si2O13+TiC)/Al2TiO5复合材料孔隙率降低,抗压强度提高的速率减小,当SiCw的质量分数为7.2%时,抗压强度最高,达到301.81 MPa。
高强度南极磷虾蛋白/海藻复合纤维的制备与表征
杨利军, 郭静, 李圣林, 牟思阳, 齐善威
2016, 33(7): 1524-1530. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150728.002
摘要:
以戊二醛为增强改性剂,利用湿法纺丝制备含有预埋增强剂的南极磷虾蛋白/海藻(AKP/SA)初生纤维,通过初生纤维纺丝线在线热交联技术实现热交联反应从而制得高强度南极磷虾蛋白/海藻(HAKP/SA)复合纤维。利用旋转黏度计确定了增强交联反应的热交联温度,研究了交联度对复合纤维微观结构以及吸湿性能的影响,测试了增强后复合纤维力学性能和结晶性能的变化。结果表明:80℃时戊二醛能有效发生热交联反应;AKP/SA复合纤维具有较好的吸湿性能,吸湿率为7.3%,随着交联度的提高,复合纤维的吸湿性能降低,吸湿平衡时间缩短;HAKP/SA复合纤维仍以非晶形态存在,表面存在不均匀的沟槽结构;力学性能测试表明增强后的纤维断裂强度提高了13%。
复合材料帽型加筋板轴压试验及承载能力预测
葛东云, 莫与明, 何柏灵, 杜旭朕
2016, 33(7): 1531-1539. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151014.002
摘要:
随着复合材料的广泛使用,复合材料帽型加筋板在飞机结构上的使用也越来越多。为研究复合材料帽型加筋板承受轴向压缩的能力,首先对不同蒙皮半径、蒙皮厚度及长桁间距的复合材料帽型加筋板进行了轴压试验,得到了局部屈曲载荷、破坏载荷与加筋板曲率系数、长桁间距的关系,然后,通过引入曲率修正系数,修正了现有加筋板屈曲载荷的工程估算公式;最后,利用分段处理法结合有效宽度概念改进了加筋板轴压极限承载的工程算法。结果表明:帽型复合材料加筋板局部屈曲载荷及最终破坏载荷与曲率系数正相关;改进的方法能对复合材料加筋板的极限承载进行准确预测。所得结果表明该方法为复合材料加筋板结构设计及载荷估算提供了一种新方法,具有一定的工程应用价值。
T800碳纤维增强复合材料双剪单钉连接的拉伸试验及强度估算
何柏灵, 葛东云, 莫与明, 杜旭朕
2016, 33(7): 1540-1552. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151020.002
摘要:
为系统地研究T800碳纤维增强复合材料螺栓连接的力学性能,首先,对T800碳纤维增强复合材料双剪单钉连接进行了面内准静态拉伸试验,探讨了铺层比例、铺层顺序、螺栓直径以及固化工艺对复合材料螺栓连接刚度和2%偏移挤压强度的影响;然后,根据试验结果得到了T800碳纤维增强复合材料螺栓连接的应力集中减缓因子;最后,结合相应铺层比例的无缺口层合板的应力集中减缓因子和拉伸强度,建立了复合材料连接最终挤压强度的工程算法。结果表明:当螺栓断裂时,连接的最终挤压强度由螺栓剪切强度和螺栓直径/板厚比决定;连接存在挤压和剪切2种失效形式,与±45°铺层比例有关;工程算法的计算结果与试验结果吻合良好。所得试验结果和工程算法可为T800碳纤维增强复合材料螺栓连接的初步设计提供理论依据和技术支持。
用应变能密度法分析纤维金属层板的微动疲劳特性
平学成, 朱增辉, 吴卫星, 李烽
2016, 33(7): 1553-1563. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151020.003
摘要:
为研究纤维金属层板的微动疲劳特性,首先,基于三维坐标系下的临界平面法求解了纤维金属层板铝层临界平面上的应力和应变分量,并进一步求解了Smith-Watson-Topper (SWT)和I型Nita-Ogatta-Kuwabara (NOK)应变能密度参数;然后,建立了应变能密度参数-微动疲劳寿命关系式,并通过实验数据得到了寿命预测公式中的待定参数;最后,采用I型NOK应变能密度准则分析了铝层厚度、纤维层厚度、各层相对厚度和桥足圆角半径等对微动疲劳损伤位置和寿命的影响,并为纤维金属层板抗微动疲劳设计提出了一些合理化建议。结果表明:增加铝层厚度可以延长微动疲劳寿命,但增加纤维层厚度和桥足圆角半径不会改善微动疲劳特性。提出的方法可为分析纤维金属层板铆接和螺栓连接中的微动疲劳问题提供理论依据。
基于非接触位移测量的层压板低速冲击性能分析
宁宝军, 于哲峰, 叶文勋, 汪海, 毛赢
2016, 33(7): 1564-1573. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151120.001
摘要:
为通过冲击点位移获得复合材料层压板的低速冲击性能,首先,在层压板落重冲击试验中,使用高速激光位移传感器测得冲击点背部的位移和速度;然后,基于弹簧-质量冲击模型,以冲击点位移计算了冲击接触力,并通过无损冲击试验标定了弹簧-质量模型参数;接着,模拟了有损伤冲击过程的接触力,利用实测冲击点速度响应判定了分层产生的时刻,并根据模拟结果得出了分层阈值力;最后,根据无损检测结果进行了层压板抗弯刚度的折减,使用弹簧-质量模型计算了产生冲击损伤后的接触力及能量吸收曲线,使用冲头和冲击点背部位移计算凹坑的实时深度。结果显示:结构受冲击发生分层时,由于层压板刚度的突降,冲击点速度出现剧烈震荡,该现象可以作为结构出现分层损伤的识别特征;产生冲击损伤后的接触力及能量吸收曲线的计算结果与试验测试结果吻合。计算所得凹坑的实时深度随冲击能量的变化趋势与冲击后测试的凹坑深度变化趋势一致。这些结果表明提出的基于非接触测量技术的方法可用于无法直接测量接触力情况下的层压板冲击性能分析。
宏观结构性能约束下的材料微结构拓扑优化
龙凯, 王文伟, 贾娇
2016, 33(7): 1574-1583. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151204.001
摘要:
为了设计周期性多孔钢或钢/铝复合材料优化微结构,基于独立连续映射法,建立了以结构总质量最小化为目标,节点位移为约束的拓扑优化模型。假设宏观结构由多孔材料或复合材料组成,其等效特性采用均匀化理论计算得到。定义了微观材料拓扑变量,节点位移约束采用一阶泰勒展开近似。各种材料设计要求作为约束条件纳入到优化模型中。推导了节点位移和总质量的敏度表达式。采用基于求解偏微分的过滤方法消除了数值不稳定性。在二维数值算例中获得了各种满足设计要求的优化材料微结构。结果表明:提出的方法在材料微结构拓扑优化设计中具有可行性和有效性。
粉煤灰漂珠@BaTiO3@PAn的制备及其电流变性能
雷西萍, 蔺彦梅, 宋学锋, 王悦, 王冰鑫
2016, 33(7): 1584-1590. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150925.004
摘要:
聚苯胺(PAn)作为电流变材料具有响应快、屈服应力大的特点,但因其良好的导电性能导致漏电击穿现象发生,为了进一步增加PAn的悬浮稳定性,引入了粉煤灰漂珠(FAFB),BaTiO3作为经典的电介质材料也引入其中以进一步提高材料的介电性能。采用逐层包覆的思路,利用溶胶-凝胶法在漂珠表面包覆BaTiO3,获得FAFB@BaTiO3,再利用原位聚合法制备以FAFB@BaTiO3为核、PAn为壳的结构复合材料即FAFB@BaTiO3@PAn。利用FTIR、XRD和SEM对材料的结构与形貌进行分析,借助四探针技术和LCR数字电桥对材料的导电与介电性能进行分析,利用自组装电流变仪进行了电流变特性测试,考察了7 d内的悬浮稳定性能。结果表明:BaTiO3、PAn确实发生了逐层包覆,且电导率、介电常数、介电损耗和剪切应力均符合复合效应规律,介于PAn与FAFB@BaTiO3之间,其中,剪切应力可达675 Pa (电场强度为3.0 kV/mm);漏电现象得到缓解,击穿电压提高了20%;比较悬浮稳定性发现,7 d后FAFB@BaTiO3@PAn悬浮率仍为82%。
Mn、N共掺杂TiO2负载竹质活性炭纤维的制备及可见光光催化性能
马晓军, 何淑娟
2016, 33(7): 1591-1597. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20150729.003
摘要:
为研究Mn、N共掺杂TiO2负载竹质活性炭纤维(Mn-N/TiO2-BACF)的可见光光催化性能,首先,以MnSO4·H2O为锰源,尿素为氮源,采用溶胶-凝胶法制备了光催化复合材料Mn-N/TiO2-BACF;然后,利用SEM、XRD及XPS等考察了煅烧温度对Mn-N/TiO2-BACF结构和可见光光催化性能的影响。结果表明:Mn、N共掺杂使光催化复合材料的光响应范围由紫外光区域拓宽至可见光区域;随煅烧温度的提高,光催化复合材料表面的晶格氧含量逐渐降低,吸附氧含量先降低后增加,而羟基氧含量有所增加;光照400 min后,350℃锻烧制备的Mn-N/TiO2-BACF在可见光下对亚甲基蓝的光降解率达99.7%。同时,还发现Mn-N/TiO2-BACF在可见光下的光降解率与煅烧温度没有相关性。