2016年 第33卷 第8期
2016, 33(8): 1599-1607.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151013.005
摘要:
为提高苎麻织物作为复合材料增强体时的阻燃性能，首先，采用层层组装法在苎麻织物表面构筑了氨基化多壁碳纳米管（MWCNT）-聚磷酸铵（APP）与聚乙烯亚胺（PEI）-APP膨胀阻燃多层膜；然后，将改性后的苎麻织物与苯并噁嗪树脂复合制备了苎麻织物/苯并噁嗪树脂层压板，并研究了层压板的热降解行为、阻燃性能与力学性能。结果表明：与纯苎麻织物/苯并噁嗪树脂层压板相比，含MWCNT-APP与PEI-APP膨胀阻燃多层膜的层压板热释放速率峰值由106.6 W·g-1降低至53.4 W·g-1和53.0 W·g-1，总热释放量由12.3 kJ·g-1降低至7.6 kJ·g-1和9.0 kJ·g-1，极限氧指数由23.5提高至27.2和27.0，UL94级别由无级别提高至V-0和V-1级，弯曲强度由81 MPa提高至122 MPa和143 MPa，弯曲断裂伸长率由1.2%提高至1.4%和1.7%，拉伸性能也得到了一定的改善。所得结论表明使用MWCNT-APP与PEI-APP膨胀阻燃多层膜可在提高层压板阻燃性能的同时，改善其力学性能。
为提高苎麻织物作为复合材料增强体时的阻燃性能，首先，采用层层组装法在苎麻织物表面构筑了氨基化多壁碳纳米管（MWCNT）-聚磷酸铵（APP）与聚乙烯亚胺（PEI）-APP膨胀阻燃多层膜；然后，将改性后的苎麻织物与苯并噁嗪树脂复合制备了苎麻织物/苯并噁嗪树脂层压板，并研究了层压板的热降解行为、阻燃性能与力学性能。结果表明：与纯苎麻织物/苯并噁嗪树脂层压板相比，含MWCNT-APP与PEI-APP膨胀阻燃多层膜的层压板热释放速率峰值由106.6 W·g-1降低至53.4 W·g-1和53.0 W·g-1，总热释放量由12.3 kJ·g-1降低至7.6 kJ·g-1和9.0 kJ·g-1，极限氧指数由23.5提高至27.2和27.0，UL94级别由无级别提高至V-0和V-1级，弯曲强度由81 MPa提高至122 MPa和143 MPa，弯曲断裂伸长率由1.2%提高至1.4%和1.7%，拉伸性能也得到了一定的改善。所得结论表明使用MWCNT-APP与PEI-APP膨胀阻燃多层膜可在提高层压板阻燃性能的同时，改善其力学性能。
2016, 33(8): 1608-1614.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151014.004
摘要:
为了得到刚性与韧性平衡的聚乳酸（PLA）基可生物降解共混材料，通过熔融共混挤出法制备了不同质量比的PLA/己二酸-对苯二甲酸-丁二酯共聚物（PBAT）/聚（3-羟基丁酸-co-羟基戊酸共聚酯（PHBV）可全生物降解共混材料，采用SEM、TG、DSC、毛细管流变仪和万能材料试验机对PLA/PBAT/PHBV共混材料的形态结构、热性能、流变性能和力学性能进行了研究。结果表明：PLA/PBAT/PHBV共混材料的热失重起始分解温度相对纯PHBV提高了45 ℃，热稳定性提高；共混体系中各组分的玻璃化转变温度与单一体系相比几乎无变化，PLA/PBAT/PHBV共混体系为完全不相容体系，同时PBAT和PHBV的加入阻碍了PLA的冷结晶；PLA/PBAT/PHBV 共混体系的共混形态呈“海-岛”分布，PBAT和PHBV均匀地分散于PLA基体中，相界面分明；随着PBAT含量增加，PLA/PBAT/PHBV共混材料熔体的流动性增加，温度变化对黏度的影响变大；PLA/PBAT/PHBV质量比为70/20/10的共混材料可在保留纯PLA 60%拉伸应力的同时，拉伸应变提高到纯PLA的2.6倍，韧性得到改善。所得结论表明PLA/PBAT/PHBV质量比为70/20/10的共混材料的综合力学性能较纯PLA好。
为了得到刚性与韧性平衡的聚乳酸（PLA）基可生物降解共混材料，通过熔融共混挤出法制备了不同质量比的PLA/己二酸-对苯二甲酸-丁二酯共聚物（PBAT）/聚（3-羟基丁酸-co-羟基戊酸共聚酯（PHBV）可全生物降解共混材料，采用SEM、TG、DSC、毛细管流变仪和万能材料试验机对PLA/PBAT/PHBV共混材料的形态结构、热性能、流变性能和力学性能进行了研究。结果表明：PLA/PBAT/PHBV共混材料的热失重起始分解温度相对纯PHBV提高了45 ℃，热稳定性提高；共混体系中各组分的玻璃化转变温度与单一体系相比几乎无变化，PLA/PBAT/PHBV共混体系为完全不相容体系，同时PBAT和PHBV的加入阻碍了PLA的冷结晶；PLA/PBAT/PHBV 共混体系的共混形态呈“海-岛”分布，PBAT和PHBV均匀地分散于PLA基体中，相界面分明；随着PBAT含量增加，PLA/PBAT/PHBV共混材料熔体的流动性增加，温度变化对黏度的影响变大；PLA/PBAT/PHBV质量比为70/20/10的共混材料可在保留纯PLA 60%拉伸应力的同时，拉伸应变提高到纯PLA的2.6倍，韧性得到改善。所得结论表明PLA/PBAT/PHBV质量比为70/20/10的共混材料的综合力学性能较纯PLA好。
2016, 33(8): 1615-1620.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151020.004
摘要:
为了全面了解复合材料的固化特性，在对碳纤维增强树脂基复合材料固化变形进行数值仿真分析的基础上，将自行设计的光纤Bragg光栅（FBG）传感器埋入复合材料中，实时在线监测复合材料固化过程中温度和应变的演变。预浸料铺层方式为[011/9011]，分别在层合板0°和45°方向的典型位置埋入FBG温度和应变传感器，采用热模压方式固化成型复合材料层合板，并对成型后的层合板进行连续2次降温处理，实时记录固化过程中FBG传感器中心波长的变化。结果表明：在相同的温度条件下，复合材料在第1次降温初始阶段的压应变绝对值明显小于在第2次降温初始阶段的压应变绝对值，表明复合材料在第1次降温过程中仍在进行FBG传感器可检的“后固化”反应；此外，层合板变形的FBG传感器监测数据与有限元模拟结果吻合良好。因此，采用内埋FBG传感器的方法能够实时监测复合材料固化过程，为更全面地分析复合材料固化特性提供了一种可靠有效的方法。
为了全面了解复合材料的固化特性，在对碳纤维增强树脂基复合材料固化变形进行数值仿真分析的基础上，将自行设计的光纤Bragg光栅（FBG）传感器埋入复合材料中，实时在线监测复合材料固化过程中温度和应变的演变。预浸料铺层方式为[011/9011]，分别在层合板0°和45°方向的典型位置埋入FBG温度和应变传感器，采用热模压方式固化成型复合材料层合板，并对成型后的层合板进行连续2次降温处理，实时记录固化过程中FBG传感器中心波长的变化。结果表明：在相同的温度条件下，复合材料在第1次降温初始阶段的压应变绝对值明显小于在第2次降温初始阶段的压应变绝对值，表明复合材料在第1次降温过程中仍在进行FBG传感器可检的“后固化”反应；此外，层合板变形的FBG传感器监测数据与有限元模拟结果吻合良好。因此，采用内埋FBG传感器的方法能够实时监测复合材料固化过程，为更全面地分析复合材料固化特性提供了一种可靠有效的方法。
2016, 33(8): 1621-1629.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151014.005
摘要:
为对比分析不同超临界流体对碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料的降解效果，首先，在间歇反应釜中通过超临界流体降解CF/EP复合材料，分析了不同反应温度下超临界CO2和超临界醇对CF/EP复合材料的降解能力，并提出了降解CF/EP复合材料的超临界流体选择方法；然后，采用单丝拉伸测试、SEM以及原子力显微镜等测试手段分析了超临界正丙醇和超临界正丁醇回收碳纤维的力学性能和微观形貌。结果表明：超临界CO2对CF/EP复合材料的降解能力较弱，正丙醇作为夹带剂时，降解效果有显著提高；超临界正丁醇对CF/EP复合材料的降解能力最强，其次为超临界正丙醇，超临界甲醇的降解能力最弱；选用的反应介质介电常数越小、偶极矩越大、溶解度参数与树脂基体越为接近，在超临界状态下CF/EP复合材料越容易降解。使用超临界流体降解CF/EP复合材料可以得到性能优异的碳纤维，与原始碳纤维相比，通过超临界正丙醇和超临界正丁醇回收的碳纤维单丝拉伸强度保持率在98%以上，且韦氏模数相近。
为对比分析不同超临界流体对碳纤维/环氧树脂（CF/EP）复合材料的降解效果，首先，在间歇反应釜中通过超临界流体降解CF/EP复合材料，分析了不同反应温度下超临界CO2和超临界醇对CF/EP复合材料的降解能力，并提出了降解CF/EP复合材料的超临界流体选择方法；然后，采用单丝拉伸测试、SEM以及原子力显微镜等测试手段分析了超临界正丙醇和超临界正丁醇回收碳纤维的力学性能和微观形貌。结果表明：超临界CO2对CF/EP复合材料的降解能力较弱，正丙醇作为夹带剂时，降解效果有显著提高；超临界正丁醇对CF/EP复合材料的降解能力最强，其次为超临界正丙醇，超临界甲醇的降解能力最弱；选用的反应介质介电常数越小、偶极矩越大、溶解度参数与树脂基体越为接近，在超临界状态下CF/EP复合材料越容易降解。使用超临界流体降解CF/EP复合材料可以得到性能优异的碳纤维，与原始碳纤维相比，通过超临界正丙醇和超临界正丁醇回收的碳纤维单丝拉伸强度保持率在98%以上，且韦氏模数相近。
2016, 33(8): 1630-1637.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151022.001
摘要:
以空心玻璃微球（HGM）填充环氧树脂制备了密度为0.56~0.91 g/cm3的HGM/环氧复合泡沫塑料。研究了HGM含量对复合泡沫塑料黏度、力学性能、动态力学性能及隔热性能的影响。结果表明：表面偶联处理后增加了HGM的表面亲油性，改善了其与基体树脂间的相容性和界面性能，有利于HGM/环氧复合泡沫塑料性能的提高；体系黏度与HGM含量呈正相关，与温度呈负相关；随着HGM含量的增加，HGM/环氧复合泡沫塑料的压缩强度、弯曲强度和拉伸强度均有一定程度的降低，但是比强度变化不大，材料得到很大程度的轻质化；HGM的引入使得HGM/环氧复合泡沫塑料玻璃化转变温度向低温方向偏移，储能模量呈现先减小后增加的趋势，导热系数由纯环氧树脂的0.203 W/（m·K）减小到HGM含量为40wt%时的0.126 W/（m·K）。HGM/环氧复合泡沫塑料阻尼性能和隔热性能均有所提高。
以空心玻璃微球（HGM）填充环氧树脂制备了密度为0.56~0.91 g/cm3的HGM/环氧复合泡沫塑料。研究了HGM含量对复合泡沫塑料黏度、力学性能、动态力学性能及隔热性能的影响。结果表明：表面偶联处理后增加了HGM的表面亲油性，改善了其与基体树脂间的相容性和界面性能，有利于HGM/环氧复合泡沫塑料性能的提高；体系黏度与HGM含量呈正相关，与温度呈负相关；随着HGM含量的增加，HGM/环氧复合泡沫塑料的压缩强度、弯曲强度和拉伸强度均有一定程度的降低，但是比强度变化不大，材料得到很大程度的轻质化；HGM的引入使得HGM/环氧复合泡沫塑料玻璃化转变温度向低温方向偏移，储能模量呈现先减小后增加的趋势，导热系数由纯环氧树脂的0.203 W/（m·K）减小到HGM含量为40wt%时的0.126 W/（m·K）。HGM/环氧复合泡沫塑料阻尼性能和隔热性能均有所提高。
2016, 33(8): 1638-1644.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151014.006
摘要:
使用马来酸酐（MAH）对芳纶纤维（AFs）进行刻蚀处理，以期改善其与尼龙6（PA6）的界面相容性，进而提高AFs/PA6复合材料的力学性能。将不同时间梯度处理后的AFs与PA6经均匀共混、注塑制成AFs/PA6复合材料标准试样。采用FE-SEM、XPS、XRD和DSC研究了AFs表面形貌和元素含量以及AFs/PA6复合材料的冲击断面形貌、晶型、晶粒和结晶度。结果表明：经过3 h的刻蚀，AFs表面粗糙程度最大且表面含氧量最高。刻蚀AFs的加入有利于PA6晶粒细化并且形成α 晶型。相对于纯PA6，AFs/PA6复合材料试样的内部更易形成α 晶型，同时结晶度也得到提高。加入经表面处理的AFs有利于提高AFs/PA6复合材料的拉伸强度和弯曲强度，当加入刻蚀时间为3 h的AFs时，AFs/PA6复合材料的力学性能达到最佳。
使用马来酸酐（MAH）对芳纶纤维（AFs）进行刻蚀处理，以期改善其与尼龙6（PA6）的界面相容性，进而提高AFs/PA6复合材料的力学性能。将不同时间梯度处理后的AFs与PA6经均匀共混、注塑制成AFs/PA6复合材料标准试样。采用FE-SEM、XPS、XRD和DSC研究了AFs表面形貌和元素含量以及AFs/PA6复合材料的冲击断面形貌、晶型、晶粒和结晶度。结果表明：经过3 h的刻蚀，AFs表面粗糙程度最大且表面含氧量最高。刻蚀AFs的加入有利于PA6晶粒细化并且形成α 晶型。相对于纯PA6，AFs/PA6复合材料试样的内部更易形成α 晶型，同时结晶度也得到提高。加入经表面处理的AFs有利于提高AFs/PA6复合材料的拉伸强度和弯曲强度，当加入刻蚀时间为3 h的AFs时，AFs/PA6复合材料的力学性能达到最佳。
2016, 33(8): 1645-1653.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151027.001
摘要:
为构建一种诱导型骨修复支架材料，将淫羊藿苷（Ica）经过氨基化改性得到Ica-NH2，并对Ica-NH2进行FTIR、XRD和TG-DTA表征。以Ica-NH2共价结合壳聚糖（CS）为诱导因子添加方式，聚羟基丁酸酯-羟基戊酸酯（PHBV）和CS为基材，经过两相混合急速冷冻/冷冻干燥成型技术制备了Ica-NH2-CS/PHBV骨组织工程支架。随后，对支架材料进行了SEM、体外药物缓释、力学性能、细胞相容性及细胞增殖评价。结果显示：氨基化改性Ica的FTIR谱图在3 371、3 328 cm-1处出现2个中等强度、尖锐的N—H伸缩振动峰，在1 689 cm-1处出现N—H变角振动峰；XRD谱图显示其衍射增强且整体左移，证明Ica被成功氨基化改性；支架材料显微结构呈网络状串珠状，并均匀分布着3~10 μm的微孔，其体外药物缓释效果良好，力学强度介于硬质骨与松质骨之间，复合细胞培养7 d 后表现出良好的贴附与增殖，且细胞在Ica-NH2-CS/PHBV支架材料上的增殖增长率显著高于CS/PHBV。研究表明所构建的Ica-NH2-CS/PHBV支架材料可作为一种良好的诱导型骨修复材料。
为构建一种诱导型骨修复支架材料，将淫羊藿苷（Ica）经过氨基化改性得到Ica-NH2，并对Ica-NH2进行FTIR、XRD和TG-DTA表征。以Ica-NH2共价结合壳聚糖（CS）为诱导因子添加方式，聚羟基丁酸酯-羟基戊酸酯（PHBV）和CS为基材，经过两相混合急速冷冻/冷冻干燥成型技术制备了Ica-NH2-CS/PHBV骨组织工程支架。随后，对支架材料进行了SEM、体外药物缓释、力学性能、细胞相容性及细胞增殖评价。结果显示：氨基化改性Ica的FTIR谱图在3 371、3 328 cm-1处出现2个中等强度、尖锐的N—H伸缩振动峰，在1 689 cm-1处出现N—H变角振动峰；XRD谱图显示其衍射增强且整体左移，证明Ica被成功氨基化改性；支架材料显微结构呈网络状串珠状，并均匀分布着3~10 μm的微孔，其体外药物缓释效果良好，力学强度介于硬质骨与松质骨之间，复合细胞培养7 d 后表现出良好的贴附与增殖，且细胞在Ica-NH2-CS/PHBV支架材料上的增殖增长率显著高于CS/PHBV。研究表明所构建的Ica-NH2-CS/PHBV支架材料可作为一种良好的诱导型骨修复材料。
2016, 33(8): 1654-1662.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160111.001
摘要:
采用旋涂法将石墨烯和聚砜酰胺（PSA）制成不同石墨烯质量分数的石墨烯/PSA复合薄膜，利用光学显微镜、傅里叶变换红外光谱、表面电阻测试、热失重分析和紫外光谱表征和分析石墨烯/PSA复合薄膜的化学组成、大分子结构、热性能、导电性能、力学性能和抗紫外性能。结果表明：少量的石墨烯可均匀分散于PSA基体中，其加入基本没有改变PSA的化学结构；石墨烯二维纳米材料可作为异相成核剂，有助于提高复合薄膜的结晶度，其加入使复合薄膜的力学性能和热性能也有所提高；当石墨烯质量分数为0.1%时，石墨烯/PSA复合薄膜的表面比电阻由纯PSA薄膜的3.10×1012 Ω迅速降至1.40×106 Ω，随着石墨烯质量分数的增大，石墨烯/PSA复合薄膜的导电性能随之提高。石墨烯对加强复合薄膜对紫外光的吸收和散射、提高其抗紫外线性能有重要作用。
采用旋涂法将石墨烯和聚砜酰胺（PSA）制成不同石墨烯质量分数的石墨烯/PSA复合薄膜，利用光学显微镜、傅里叶变换红外光谱、表面电阻测试、热失重分析和紫外光谱表征和分析石墨烯/PSA复合薄膜的化学组成、大分子结构、热性能、导电性能、力学性能和抗紫外性能。结果表明：少量的石墨烯可均匀分散于PSA基体中，其加入基本没有改变PSA的化学结构；石墨烯二维纳米材料可作为异相成核剂，有助于提高复合薄膜的结晶度，其加入使复合薄膜的力学性能和热性能也有所提高；当石墨烯质量分数为0.1%时，石墨烯/PSA复合薄膜的表面比电阻由纯PSA薄膜的3.10×1012 Ω迅速降至1.40×106 Ω，随着石墨烯质量分数的增大，石墨烯/PSA复合薄膜的导电性能随之提高。石墨烯对加强复合薄膜对紫外光的吸收和散射、提高其抗紫外线性能有重要作用。
2016, 33(8): 1663-1670.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151124.002
摘要:
以枝化剂为超支化聚酰胺6（PA6）的引发剂，配以含有端羧基官能团的有机改性剂改性的有机蒙脱土（O-MMT），经原位开环接枝聚合制备了O-MMT/超支化PA6复合材料。通过FTIR和TEM表征了超支化PA6与O-MMT的接枝情况以及O-MMT在基体中的分散形态。研究了O-MMT对超支化PA6结晶性能、熔体流动性能和力学性能的影响。结果表明：O-MMT呈剥离态和插层态分散于超支化PA6基体中，且与PA6分子链段产生化学键合，形成网络交联结构。网络交联结构使O-MMT/超支化PA6复合材料与超支化PA6相比熔体流动指数急剧下降。另外，O-MMT使超支化PA6的α晶型消失，且使仅有γ晶型的超支化PA6的结晶度降低。但随O-MMT 含量增加，O-MMT/超支化PA6复合材料的强度逐步提高，拉伸强度从38.4 MPa提高至60.8 MPa。复合材料的韧性也得到大幅度提高，断裂伸长率从2.1%提高至70.1%，无缺口冲击强度从20.3 kJ/m2急剧提高至291.8 kJ/m2。
以枝化剂为超支化聚酰胺6（PA6）的引发剂，配以含有端羧基官能团的有机改性剂改性的有机蒙脱土（O-MMT），经原位开环接枝聚合制备了O-MMT/超支化PA6复合材料。通过FTIR和TEM表征了超支化PA6与O-MMT的接枝情况以及O-MMT在基体中的分散形态。研究了O-MMT对超支化PA6结晶性能、熔体流动性能和力学性能的影响。结果表明：O-MMT呈剥离态和插层态分散于超支化PA6基体中，且与PA6分子链段产生化学键合，形成网络交联结构。网络交联结构使O-MMT/超支化PA6复合材料与超支化PA6相比熔体流动指数急剧下降。另外，O-MMT使超支化PA6的α晶型消失，且使仅有γ晶型的超支化PA6的结晶度降低。但随O-MMT 含量增加，O-MMT/超支化PA6复合材料的强度逐步提高，拉伸强度从38.4 MPa提高至60.8 MPa。复合材料的韧性也得到大幅度提高，断裂伸长率从2.1%提高至70.1%，无缺口冲击强度从20.3 kJ/m2急剧提高至291.8 kJ/m2。
2016, 33(8): 1671-1676.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151027.002
摘要:
阻抗渐变材料在医用可穿戴设备中起着重要作用。为了实现不同材料之间的相互匹配特性，低介电阻抗渐变材料的研究尤为重要。利用静电纺丝的方法，设计制备了具有阻抗渐变性的低介电钛酸钡（BaTiO3）/聚偏氟乙烯（PVDF）复合纤维膜。结果表明：BaTiO3纳米粒子可在纤维网络中均匀分布，通过调节其质量分数，能够有效调节BaTiO3/PVDF复合纤维膜的介电常数在1~7的范围内，BaTiO3/PVDF复合纤维膜对不同的电场频率具有不敏感性。BaTiO3/PVDF复合纤维膜还具有良好的力学性能，能够有效满足可穿戴设备的材料需求。
阻抗渐变材料在医用可穿戴设备中起着重要作用。为了实现不同材料之间的相互匹配特性，低介电阻抗渐变材料的研究尤为重要。利用静电纺丝的方法，设计制备了具有阻抗渐变性的低介电钛酸钡（BaTiO3）/聚偏氟乙烯（PVDF）复合纤维膜。结果表明：BaTiO3纳米粒子可在纤维网络中均匀分布，通过调节其质量分数，能够有效调节BaTiO3/PVDF复合纤维膜的介电常数在1~7的范围内，BaTiO3/PVDF复合纤维膜对不同的电场频率具有不敏感性。BaTiO3/PVDF复合纤维膜还具有良好的力学性能，能够有效满足可穿戴设备的材料需求。
2016, 33(8): 1677-1686.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151020.005
摘要:
为确定压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响，首先对不同压缩预应力下的碳纤维/双马树脂CCF300/5428层板进行了低速冲击和准静态压痕试验，然后通过热揭层和冲击后压缩试验分别得到了层板分层面积和剩余强度。结果表明：压缩预应力会大幅降低层板的接触刚度和弯曲刚度，从而导致相同冲击能量下层板凹坑深度和背部基体开裂长度增大；对于准静态压痕过程和相同冲击能量下的冲击过程，分层起始载荷和峰值载荷均随压缩预应力的增大而减小；在相同冲击能量下，随着压缩预应力的增大，层板内部分层总面积及冲击能量吸收比不断增大，剩余压缩强度不断降低。因此，压缩预应力会降低复合材料层板的冲击损伤阻抗，对损伤容限性能不利，在对承受压缩载荷结构的试验验证过程中应考虑压缩预应力对抗冲击损伤性能的影响。
为确定压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响，首先对不同压缩预应力下的碳纤维/双马树脂CCF300/5428层板进行了低速冲击和准静态压痕试验，然后通过热揭层和冲击后压缩试验分别得到了层板分层面积和剩余强度。结果表明：压缩预应力会大幅降低层板的接触刚度和弯曲刚度，从而导致相同冲击能量下层板凹坑深度和背部基体开裂长度增大；对于准静态压痕过程和相同冲击能量下的冲击过程，分层起始载荷和峰值载荷均随压缩预应力的增大而减小；在相同冲击能量下，随着压缩预应力的增大，层板内部分层总面积及冲击能量吸收比不断增大，剩余压缩强度不断降低。因此，压缩预应力会降低复合材料层板的冲击损伤阻抗，对损伤容限性能不利，在对承受压缩载荷结构的试验验证过程中应考虑压缩预应力对抗冲击损伤性能的影响。
2016, 33(8): 1687-1693.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151120.002
摘要:
为研究复合材料层合板吸湿后的分层现象，首先建立了吸湿后复合材料层合板快速加热导致分层损伤的有限元模型，并对ABAQUS有限元软件进行二次开发，通过UAMP子程序模拟吸湿后复合材料快速加热时水分汽化引起的局部高压载荷作用下层合板分层扩展与载荷施加过程；然后，采用该模型预测了饱和吸湿T650-35/HFPE-II-52碳纤维聚酰亚胺复合材料层合板快速加热至310 ℃时产生的分层现象，并将数值模拟与文献实验结果对比；最后，运用该模型分析了树脂吸湿量和富脂区树脂聚集体积对层合板分层损伤面积的影响。结果表明：建立的有限元模型有效；快速加热后，层合板的分层损伤面积随树脂吸湿量的增加而增加；当富脂区树脂聚集体积较小时，其对层合板快速加热后分层损伤面积影响较小，但当富脂区树脂聚集体积增加到一定值后，层合板分层损伤面积随富脂区树脂聚集体积的增加而显著增加。所得结论表明，使用ABAQUS的UAMP子程序建立的有限元模型可以有效分析吸湿后复合材料层合板快速加热导致的分层现象。
为研究复合材料层合板吸湿后的分层现象，首先建立了吸湿后复合材料层合板快速加热导致分层损伤的有限元模型，并对ABAQUS有限元软件进行二次开发，通过UAMP子程序模拟吸湿后复合材料快速加热时水分汽化引起的局部高压载荷作用下层合板分层扩展与载荷施加过程；然后，采用该模型预测了饱和吸湿T650-35/HFPE-II-52碳纤维聚酰亚胺复合材料层合板快速加热至310 ℃时产生的分层现象，并将数值模拟与文献实验结果对比；最后，运用该模型分析了树脂吸湿量和富脂区树脂聚集体积对层合板分层损伤面积的影响。结果表明：建立的有限元模型有效；快速加热后，层合板的分层损伤面积随树脂吸湿量的增加而增加；当富脂区树脂聚集体积较小时，其对层合板快速加热后分层损伤面积影响较小，但当富脂区树脂聚集体积增加到一定值后，层合板分层损伤面积随富脂区树脂聚集体积的增加而显著增加。所得结论表明，使用ABAQUS的UAMP子程序建立的有限元模型可以有效分析吸湿后复合材料层合板快速加热导致的分层现象。
2016, 33(8): 1694-1701.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151029.001
摘要:
针对任意铺层形式和任意壁厚复合材料圆形层合管件，提出一种等效抗弯刚度的计算方法。此方法采用符合复合材料圆形管件梁真实变形的变形理论，考虑横向剪切变形，非均匀扭转效应，主、次挠曲效应和层合材料的三维弹性效应，按照壳壁中实际应力状态，建立了复合材料圆形管件等效抗弯刚度的计算模型。通过与4种铺层管件的三点弯曲实验结果以及经典层合板理论计算的等效抗弯刚度进行对比，验证了计算模型的正确性。通过退化与各向同性材料抗弯刚度的计算方法进行对比，分析了计算模型的适用性。
针对任意铺层形式和任意壁厚复合材料圆形层合管件，提出一种等效抗弯刚度的计算方法。此方法采用符合复合材料圆形管件梁真实变形的变形理论，考虑横向剪切变形，非均匀扭转效应，主、次挠曲效应和层合材料的三维弹性效应，按照壳壁中实际应力状态，建立了复合材料圆形管件等效抗弯刚度的计算模型。通过与4种铺层管件的三点弯曲实验结果以及经典层合板理论计算的等效抗弯刚度进行对比，验证了计算模型的正确性。通过退化与各向同性材料抗弯刚度的计算方法进行对比，分析了计算模型的适用性。
2016, 33(8): 1702-1709.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151106.003
摘要:
为了预测二维机织复合材料的弹性性能，建立了有限元力学分析模型。基于二维机织复合材料的几何特征，建立了参数化的单胞模型；考虑了织物纤维束呈现出的各向异性材料特征，将有限元中材料主方向转化到纤维屈曲方向，建立其力学分析有限元模型；分析了单胞边界面保持平面假设的不足，提出了对于二维机织复合材料通用的周期边界条件，获得了更为准确的二维机织复合材料的工程弹性常数。结果表明：织物衬垫单胞边界面，在单向拉伸载荷和纯剪切载荷下，呈凹凸翘曲变形，即为周期边界；应用给出的织物参数化几何建模方法与有限元求解方法，可以精确地获得工程弹性常数，数值计算结果与实验值吻合较好。
为了预测二维机织复合材料的弹性性能，建立了有限元力学分析模型。基于二维机织复合材料的几何特征，建立了参数化的单胞模型；考虑了织物纤维束呈现出的各向异性材料特征，将有限元中材料主方向转化到纤维屈曲方向，建立其力学分析有限元模型；分析了单胞边界面保持平面假设的不足，提出了对于二维机织复合材料通用的周期边界条件，获得了更为准确的二维机织复合材料的工程弹性常数。结果表明：织物衬垫单胞边界面，在单向拉伸载荷和纯剪切载荷下，呈凹凸翘曲变形，即为周期边界；应用给出的织物参数化几何建模方法与有限元求解方法，可以精确地获得工程弹性常数，数值计算结果与实验值吻合较好。
2016, 33(8): 1710-1717.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151210.001
摘要:
针对玻璃微珠/环氧树脂构成的胶结型颗粒复合材料提出了刚架-弹簧-阻尼模型。考虑到环氧树脂基体的阻尼特性，通过动态热机械分析，得到常温低频下环氧树脂的损耗因子，并应用于刚架-弹簧-阻尼模型。采用有限单元分析方法进行数值仿真分析，得到了玻璃微珠/环氧树脂胶结型复合材料损耗因子随玻璃微珠粒径增大的变化规律。结果表明：随着玻璃微珠粒径的增大，颗粒复合材料的刚架-弹簧-阻尼模型单元计算的损耗因子会逐渐增大，且切向损耗因子要比轴向的大；对整体材料而言，刚架-弹簧-阻尼有限元模型计算的损耗因子也会逐渐增大，其中，按照平面正四边形网格模型计算得到的损耗因子要大于平面正六边形网格模型，即颗粒复合材料的孔隙率越大，材料的损耗因子越大。仿真分析结果与实际材料的阻尼变化规律相符，这种模型是可靠的。
针对玻璃微珠/环氧树脂构成的胶结型颗粒复合材料提出了刚架-弹簧-阻尼模型。考虑到环氧树脂基体的阻尼特性，通过动态热机械分析，得到常温低频下环氧树脂的损耗因子，并应用于刚架-弹簧-阻尼模型。采用有限单元分析方法进行数值仿真分析，得到了玻璃微珠/环氧树脂胶结型复合材料损耗因子随玻璃微珠粒径增大的变化规律。结果表明：随着玻璃微珠粒径的增大，颗粒复合材料的刚架-弹簧-阻尼模型单元计算的损耗因子会逐渐增大，且切向损耗因子要比轴向的大；对整体材料而言，刚架-弹簧-阻尼有限元模型计算的损耗因子也会逐渐增大，其中，按照平面正四边形网格模型计算得到的损耗因子要大于平面正六边形网格模型，即颗粒复合材料的孔隙率越大，材料的损耗因子越大。仿真分析结果与实际材料的阻尼变化规律相符，这种模型是可靠的。
2016, 33(8): 1718-1724.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151214.001
摘要:
冬季由于低温路面经常会被冰雪覆盖，融雪盐是对路面进行融雪化冰的主要方式之一。为了研究盐冻循环前后的基质沥青、SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性沥青和胶粉改性沥青的细观结构和低温流变性能变化，利用SEM和弯曲梁流变仪（BBR）对其测试。结果表明：改性剂以特定的结构形态存在于沥青中，二者具有良好的相容性，这种形态可以更好地吸附沥青，提高沥青的低温弹性或韧性，进而改善了沥青的低温性能。盐冻循环破坏了沥青的结构，影响了沥青的低温抗裂性能。经历盐冻循环后沥青的蠕变劲度模量增大、蠕变速率减小，低温抗裂和应力松弛能力降低，但改性沥青低温性能总体上优于基质沥青。因此建议北方等寒冷地区尽量选用改性沥青作为路面材料。
冬季由于低温路面经常会被冰雪覆盖，融雪盐是对路面进行融雪化冰的主要方式之一。为了研究盐冻循环前后的基质沥青、SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性沥青和胶粉改性沥青的细观结构和低温流变性能变化，利用SEM和弯曲梁流变仪（BBR）对其测试。结果表明：改性剂以特定的结构形态存在于沥青中，二者具有良好的相容性，这种形态可以更好地吸附沥青，提高沥青的低温弹性或韧性，进而改善了沥青的低温性能。盐冻循环破坏了沥青的结构，影响了沥青的低温抗裂性能。经历盐冻循环后沥青的蠕变劲度模量增大、蠕变速率减小，低温抗裂和应力松弛能力降低，但改性沥青低温性能总体上优于基质沥青。因此建议北方等寒冷地区尽量选用改性沥青作为路面材料。
2016, 33(8): 1725-1732.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151214.002
摘要:
基于变分渐近均匀化方法建立能预测智能材料电-磁-热-弹全耦合性能的细观力学模型。从智能材料电-磁-热-弹耦合本构方程中推导能量泛函变分表达式出发，利用单胞细观尺度与宏观尺度比作为小参数将材料的能量泛函渐近扩展为系列近似泛函，通过最小化近似泛函求解场变量的波动函数，从而建立逼近物理和工程真实性的细观力学模型，并通过有限元数值实现。通过BaTiO3-CoFe2O4纤维/环氧树脂复合材料算例表明：构建的细观力学模型可准确预测电-磁-热-弹耦合性能和重构多物理场局部分布。
基于变分渐近均匀化方法建立能预测智能材料电-磁-热-弹全耦合性能的细观力学模型。从智能材料电-磁-热-弹耦合本构方程中推导能量泛函变分表达式出发，利用单胞细观尺度与宏观尺度比作为小参数将材料的能量泛函渐近扩展为系列近似泛函，通过最小化近似泛函求解场变量的波动函数，从而建立逼近物理和工程真实性的细观力学模型，并通过有限元数值实现。通过BaTiO3-CoFe2O4纤维/环氧树脂复合材料算例表明：构建的细观力学模型可准确预测电-磁-热-弹耦合性能和重构多物理场局部分布。
2016, 33(8): 1733-1741.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151127.001
摘要:
通过己二酸-硫酸工艺制备了SiCP/A1合金（2A12）复合材料阳极氧化膜，研究了不同阳极氧化温度下（15~35 ℃）制备的SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜温度冲击后的开裂行为及耐蚀性能。采用FE-SEM对温度冲击前后SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜的微观形貌进行了分析，采用电化学阻抗谱（EIS）研究了冲击前后SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜的耐腐蚀性能。结果表明：温度冲击对不同阳极氧化温度制备的SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜影响程度不同，随着阳极氧化温度的升高，温度冲击后SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜的裂纹密度逐渐增加。阳极氧化温度为25 ℃时，温度冲击后SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜耐蚀性最好。SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜的耐温度冲击性能优于2A12铝合金氧化膜。
通过己二酸-硫酸工艺制备了SiCP/A1合金（2A12）复合材料阳极氧化膜，研究了不同阳极氧化温度下（15~35 ℃）制备的SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜温度冲击后的开裂行为及耐蚀性能。采用FE-SEM对温度冲击前后SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜的微观形貌进行了分析，采用电化学阻抗谱（EIS）研究了冲击前后SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜的耐腐蚀性能。结果表明：温度冲击对不同阳极氧化温度制备的SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜影响程度不同，随着阳极氧化温度的升高，温度冲击后SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜的裂纹密度逐渐增加。阳极氧化温度为25 ℃时，温度冲击后SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜耐蚀性最好。SiCP/2A12复合材料阳极氧化膜的耐温度冲击性能优于2A12铝合金氧化膜。
2016, 33(8): 1742-1748.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151022.004
摘要:
通过搅拌铸造法向半固态AZ91D镁合金中添加粉煤灰漂珠（FAC）制备了FAC/AZ91D镁合金复合材料，研究了FAC粒径对该复合材料阻尼性能的影响。结果表明：FAC/AZ91D镁合金复合材料的阻尼性能明显优于基体材料，在FAC含量相同时，FAC的粒径越大，其阻尼性能越好。室温下FAC对提高FAC/AZ91D镁合金复合材料的阻尼性能起重要作用，FAC附近的基体产生了高密度的位错，形成了塑性区。室温下FAC粒径越大，在其附近产生的塑性区越大，阻尼性能越好。随温度的升高，FAC/AZ91D镁合金复合材料的阻尼性能迅速提高。位错、晶界以及FAC和基体之间的界面运动是提高阻尼性能的关键。
通过搅拌铸造法向半固态AZ91D镁合金中添加粉煤灰漂珠（FAC）制备了FAC/AZ91D镁合金复合材料，研究了FAC粒径对该复合材料阻尼性能的影响。结果表明：FAC/AZ91D镁合金复合材料的阻尼性能明显优于基体材料，在FAC含量相同时，FAC的粒径越大，其阻尼性能越好。室温下FAC对提高FAC/AZ91D镁合金复合材料的阻尼性能起重要作用，FAC附近的基体产生了高密度的位错，形成了塑性区。室温下FAC粒径越大，在其附近产生的塑性区越大，阻尼性能越好。随温度的升高，FAC/AZ91D镁合金复合材料的阻尼性能迅速提高。位错、晶界以及FAC和基体之间的界面运动是提高阻尼性能的关键。
2016, 33(8): 1749-1754.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151204.002
摘要:
基于Huang（北京大学）和Wang（北京大学）的理论和热力学第二定律，研究了有限变形下闭孔泡沫铝的非线性压缩行为。通过引入内变量及内变量的演化方程，给出了有限变形下同时考虑细观结构参数和黏性效应的有效幂律势函数及相应的应力表达式。基于所提出的理论模型，通过算例讨论了细观力学方法、孔隙度和黏性效应对泡沫铝应力-应变曲线的影响规律。结果表明：模型预测与实验结果基本一致，且随着黏性系数的增大，考虑黏性效应的模型预测趋向于未考虑黏性效应时的模型预测。
基于Huang（北京大学）和Wang（北京大学）的理论和热力学第二定律，研究了有限变形下闭孔泡沫铝的非线性压缩行为。通过引入内变量及内变量的演化方程，给出了有限变形下同时考虑细观结构参数和黏性效应的有效幂律势函数及相应的应力表达式。基于所提出的理论模型，通过算例讨论了细观力学方法、孔隙度和黏性效应对泡沫铝应力-应变曲线的影响规律。结果表明：模型预测与实验结果基本一致，且随着黏性系数的增大，考虑黏性效应的模型预测趋向于未考虑黏性效应时的模型预测。
2016, 33(8): 1755-1761.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151217.004
摘要:
利用简单的溶剂热法制备LaFeO3、La0.8Sr0.2FeO3-δ 以及非化学计量的(La0.8Sr0.2)xFeO3-δ（x=0.97，1.03）纳米颗粒。采用XRD、TEM、UV-Vis、XPS等手段对样品的形貌和结构进行表征，以孔雀石绿（MG）光降解为模型反应，在最大吸收波长下（616.9 nm）考察材料的光催化性能。结果表明：Sr2+ 的掺入减小了晶粒尺寸，致使晶体产生晶格畸变并形成氧空位VO..，抑制电子-空穴重组，增大量子效率；掺入Sr2+并改变非化学计量，使得催化剂在可见光区域有较强的光吸收，比表面积增大，其中（La0.8Sr0.2）1.03FeO3-δ 的比表面积最大（20.164 4 m2/g），可见光降解效率也最高（83.8%）。Sr2+掺杂及非化学计量LaFeO3的可见光催化活性均高于纯LaFeO3。
利用简单的溶剂热法制备LaFeO3、La0.8Sr0.2FeO3-δ 以及非化学计量的(La0.8Sr0.2)xFeO3-δ（x=0.97，1.03）纳米颗粒。采用XRD、TEM、UV-Vis、XPS等手段对样品的形貌和结构进行表征，以孔雀石绿（MG）光降解为模型反应，在最大吸收波长下（616.9 nm）考察材料的光催化性能。结果表明：Sr2+ 的掺入减小了晶粒尺寸，致使晶体产生晶格畸变并形成氧空位VO..，抑制电子-空穴重组，增大量子效率；掺入Sr2+并改变非化学计量，使得催化剂在可见光区域有较强的光吸收，比表面积增大，其中（La0.8Sr0.2）1.03FeO3-δ 的比表面积最大（20.164 4 m2/g），可见光降解效率也最高（83.8%）。Sr2+掺杂及非化学计量LaFeO3的可见光催化活性均高于纯LaFeO3。
2016, 33(8): 1762-1768.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151008.005
摘要:
为提高LiMn0.7Fe0.3PO4 （LMFP）的电化学性能，首先，采用溶剂热法将氧化石墨烯（GO）与LMFP复合，合成了GO/LMFP复合材料；然后，利用XRD和电感耦合等离子体（ICP）对所得样品的结构和元素进行分析，利用SEM对样品的形貌进行表征，利用电池充放电测试系统和电化学工作站对其进行电化学性能测试。结果表明：所得GO/LMFP复合材料呈现单相橄榄石结构；粒径在200 nm左右，且分布较均匀。经GO改性后的复合材料在0.2C、0.5C、1.0C、5.0C和10.0C倍率下的首次放电比容量分别为157.9、148.1、142.0、122.3、87.3 mAh·g-1，与C/LMFP复合材料相比，分别提高了5.9%、4.7%、7.0%、24.3%和66.6%。所得结论表明GO的加入有效提高了材料的电子电导率和电化学活性，且与无定型碳共同作用，活性物质的有效利用率提高，GO/LMFP复合材料的循环稳定性也得到改善。
为提高LiMn0.7Fe0.3PO4 （LMFP）的电化学性能，首先，采用溶剂热法将氧化石墨烯（GO）与LMFP复合，合成了GO/LMFP复合材料；然后，利用XRD和电感耦合等离子体（ICP）对所得样品的结构和元素进行分析，利用SEM对样品的形貌进行表征，利用电池充放电测试系统和电化学工作站对其进行电化学性能测试。结果表明：所得GO/LMFP复合材料呈现单相橄榄石结构；粒径在200 nm左右，且分布较均匀。经GO改性后的复合材料在0.2C、0.5C、1.0C、5.0C和10.0C倍率下的首次放电比容量分别为157.9、148.1、142.0、122.3、87.3 mAh·g-1，与C/LMFP复合材料相比，分别提高了5.9%、4.7%、7.0%、24.3%和66.6%。所得结论表明GO的加入有效提高了材料的电子电导率和电化学活性，且与无定型碳共同作用，活性物质的有效利用率提高，GO/LMFP复合材料的循环稳定性也得到改善。
2016, 33(8): 1769-1776.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151123.001
摘要:
将Ti合金插层引入（Ti+B4C）反应原料和Ti合金底板之间，研究Ti合金插层厚度变化对超重力反应连接TiB2基陶瓷/Ti-6Al-4V梯度复合材料界面显微组织与力学性能的影响。热力学计算表明：合成反应的绝热温度远超Ti合金的熔点，可以保证不同厚度的Ti合金插层全部熔化。XRD、FESEM及EDS分析结果表明：在陶瓷和Ti合金底板之间形成梯度界面区，且随着Ti合金插层厚度的增加，梯度界面区的厚度也不断增大。自陶瓷基体至Ti合金底板，TiB2和TiC1-x 的体积分数不断减少，而TiB的体积分数先增加而后减少，最终形成以TiB2、TiC1-x 及TiB陶瓷相尺寸和分布为特征的梯度复合结构。而梯度连接区的硬度分布趋势更加平缓，其剪切强度不断提升。
将Ti合金插层引入（Ti+B4C）反应原料和Ti合金底板之间，研究Ti合金插层厚度变化对超重力反应连接TiB2基陶瓷/Ti-6Al-4V梯度复合材料界面显微组织与力学性能的影响。热力学计算表明：合成反应的绝热温度远超Ti合金的熔点，可以保证不同厚度的Ti合金插层全部熔化。XRD、FESEM及EDS分析结果表明：在陶瓷和Ti合金底板之间形成梯度界面区，且随着Ti合金插层厚度的增加，梯度界面区的厚度也不断增大。自陶瓷基体至Ti合金底板，TiB2和TiC1-x 的体积分数不断减少，而TiB的体积分数先增加而后减少，最终形成以TiB2、TiC1-x 及TiB陶瓷相尺寸和分布为特征的梯度复合结构。而梯度连接区的硬度分布趋势更加平缓，其剪切强度不断提升。
2016, 33(8): 1777-1784.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151026.002
摘要:
一般致密SiC材料的制备需要极高的温度，而降低制备温度一直是SiC制备领域的重要研究方向。采用流化床化学气相沉积法，在球形二氧化锆陶瓷颗粒上制备了厚度为几十微米的SiC包覆层。通过对不同温度SiC包覆层的显微形貌及微观结构变化规律研究，给出了沉积效率变化规律，发现低温产物富硅，而高温产物富碳。对不同氩气含量的实验研究发现，氩气的加入可以促进沉积反应向富碳方向移动，从而可以在显著降低温度的条件下制备出致密SiC包覆层。综合实验结果给出了流化床化学气相沉积方法在不同温度及氩气浓度条件下制备SiC的物相分布图。
一般致密SiC材料的制备需要极高的温度，而降低制备温度一直是SiC制备领域的重要研究方向。采用流化床化学气相沉积法，在球形二氧化锆陶瓷颗粒上制备了厚度为几十微米的SiC包覆层。通过对不同温度SiC包覆层的显微形貌及微观结构变化规律研究，给出了沉积效率变化规律，发现低温产物富硅，而高温产物富碳。对不同氩气含量的实验研究发现，氩气的加入可以促进沉积反应向富碳方向移动，从而可以在显著降低温度的条件下制备出致密SiC包覆层。综合实验结果给出了流化床化学气相沉积方法在不同温度及氩气浓度条件下制备SiC的物相分布图。
2016, 33(8): 1785-1793.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151201.001
摘要:
以NiCoCrAlY作为粘结层、8wt%Y2O3稳定的ZrO2（8YSZ）为陶瓷层，利用等离子喷涂（PS）技术制备2种在陶瓷层及陶瓷层/粘结层界面处具有不同孔隙率的热障涂层（TBCs），研究TBCs的热循环寿命差异，分析不同孔隙率TBCs的失效机制。结合有限元模拟计算了TBCs应力分布，分析了高孔隙率TBCs中重复平行裂纹形成的原因及2种TBCs剥落的失效模式。利用光学显微镜（OM）、SEM和EDX分析TBCs的断面微观结构及元素分布。结果显示：高孔隙率TBCs比致密TBCs的寿命增加了1倍。高孔隙率TBCs在陶瓷层及界面处存在更多的孔隙和微裂纹，释放了TBCs中积累的应变能，同时氧化铝层中出现的重复平行裂纹能进一步减小了陶瓷层与粘结层之间的应力，进而延长了高孔隙率TBCs的寿命。为制备长寿命TBCs奠定结构设计基础。
以NiCoCrAlY作为粘结层、8wt%Y2O3稳定的ZrO2（8YSZ）为陶瓷层，利用等离子喷涂（PS）技术制备2种在陶瓷层及陶瓷层/粘结层界面处具有不同孔隙率的热障涂层（TBCs），研究TBCs的热循环寿命差异，分析不同孔隙率TBCs的失效机制。结合有限元模拟计算了TBCs应力分布，分析了高孔隙率TBCs中重复平行裂纹形成的原因及2种TBCs剥落的失效模式。利用光学显微镜（OM）、SEM和EDX分析TBCs的断面微观结构及元素分布。结果显示：高孔隙率TBCs比致密TBCs的寿命增加了1倍。高孔隙率TBCs在陶瓷层及界面处存在更多的孔隙和微裂纹，释放了TBCs中积累的应变能，同时氧化铝层中出现的重复平行裂纹能进一步减小了陶瓷层与粘结层之间的应力，进而延长了高孔隙率TBCs的寿命。为制备长寿命TBCs奠定结构设计基础。
2016, 33(8): 1794-1802.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160418.002
摘要:
采用水热法在阳极氧化的TiO2纳米管阵列上修饰MnO2，制备MnO2/TiO2复合物电极，并组装为对称超级电容器。利用 FESEM、TEM、XPS和电化学工作站对样品的表面形貌、元素价态和电化学性能进行表征。结果表明： MnO2以纳米颗粒形态均匀分布在TiO2纳米管阵列管口和内部，充放电电流密度在1 A/g下时，比电容为 429.3 F/g，经 5 000 次循环后的电容保持率为82.4%。MnO2/TiO2对称超级电容器在电流密度5 A/g下充放电比电容为39.9 F/g，经 5 000 次循环后的电容保持率为91.5%；功率密度400 W/kg下，能量密度为18.98 Wh/kg。阳极氧化的TiO2纳米管阵列既可做MnO2的载体，基底Ti又可做集流体，减轻了超级电容器的质量，为制备超级电容器提供了一种思路。
采用水热法在阳极氧化的TiO2纳米管阵列上修饰MnO2，制备MnO2/TiO2复合物电极，并组装为对称超级电容器。利用 FESEM、TEM、XPS和电化学工作站对样品的表面形貌、元素价态和电化学性能进行表征。结果表明： MnO2以纳米颗粒形态均匀分布在TiO2纳米管阵列管口和内部，充放电电流密度在1 A/g下时，比电容为 429.3 F/g，经 5 000 次循环后的电容保持率为82.4%。MnO2/TiO2对称超级电容器在电流密度5 A/g下充放电比电容为39.9 F/g，经 5 000 次循环后的电容保持率为91.5%；功率密度400 W/kg下，能量密度为18.98 Wh/kg。阳极氧化的TiO2纳米管阵列既可做MnO2的载体，基底Ti又可做集流体，减轻了超级电容器的质量，为制备超级电容器提供了一种思路。
2016, 33(8): 1803-1811.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151027.003
摘要:
为探索苎麻麻骨治理重金属废水的工业化应用可行性，首先，利用激光粒度仪、SEM和FTIR等表征手段对苎麻麻骨微粒进行微观表征，探明了苎麻麻骨的微观结构；然后在此基础上，将苎麻麻骨微粒与环境友好型天然润湿剂、黏结剂及崩解剂混合，按一定工艺流程加工成水分散苎麻麻骨饼（WDRSC），在配方筛选过程中，测试了各种助剂质量分数对WDRSC性能的影响，并对苎麻麻骨与WDRSC吸附重金属Cu2+和Cd2+的能力进行了比较。结果显示：苎麻麻骨为具有多孔隙结构的天然物质，表面具有大量的吸附位点和官能团；当WDRSC配方中麻骨、润湿剂、黏结剂和崩解剂的质量比为75:13:2:10时，WDRSC入水后能迅速被水润湿（润湿时间小于60 s）并自动崩解（崩解时间小于60 s），60 s内悬浮率达80%左右，各项性能均符合水分散颗粒剂的要求；润湿剂、黏结剂和崩解剂均能不同程度地影响WDRSC的相关性能；与苎麻麻骨相比，WDRSC对Cd2+与Cu2+的去除率分别提高了11%和4%。所得结论表明将苎麻麻骨制成WDRSC具有运输和使用方便、成本低廉、制作工艺简单且吸附后废渣处理方便等优点，为苎麻麻骨规模化利用的可行方法。
为探索苎麻麻骨治理重金属废水的工业化应用可行性，首先，利用激光粒度仪、SEM和FTIR等表征手段对苎麻麻骨微粒进行微观表征，探明了苎麻麻骨的微观结构；然后在此基础上，将苎麻麻骨微粒与环境友好型天然润湿剂、黏结剂及崩解剂混合，按一定工艺流程加工成水分散苎麻麻骨饼（WDRSC），在配方筛选过程中，测试了各种助剂质量分数对WDRSC性能的影响，并对苎麻麻骨与WDRSC吸附重金属Cu2+和Cd2+的能力进行了比较。结果显示：苎麻麻骨为具有多孔隙结构的天然物质，表面具有大量的吸附位点和官能团；当WDRSC配方中麻骨、润湿剂、黏结剂和崩解剂的质量比为75:13:2:10时，WDRSC入水后能迅速被水润湿（润湿时间小于60 s）并自动崩解（崩解时间小于60 s），60 s内悬浮率达80%左右，各项性能均符合水分散颗粒剂的要求；润湿剂、黏结剂和崩解剂均能不同程度地影响WDRSC的相关性能；与苎麻麻骨相比，WDRSC对Cd2+与Cu2+的去除率分别提高了11%和4%。所得结论表明将苎麻麻骨制成WDRSC具有运输和使用方便、成本低廉、制作工艺简单且吸附后废渣处理方便等优点，为苎麻麻骨规模化利用的可行方法。
2016, 33(8): 1812-1818.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151112.001
摘要:
为了研究低温各向同性热解炭（LTIC）的微观结构及沉积机制，采用不同体积分数的丙烷为碳源，在不同的沉积温度下进行稳态流化床化学气相沉积实验制备LTIC，借助SEM和TEM对不同沉积条件下制备的LTIC微观结构进行表征和分析。结果表明：不同沉积条件下制备的LTIC由类球形颗粒状和片层状炭结构组成，沉积温度升高，降低了热解炭在气相中的形核势垒，LTIC中类球形颗粒数量增多，尺寸变小，且类球形颗粒内包围炭黑颗粒的炭层织构逐渐降低；丙烷体积分数升高，热解炭沉积过程逐渐由以表面生长机制为主转变为以气相形核机制为主，所制备的LTIC中类球形颗粒形貌越来越明显，而片层状炭结构逐渐减少甚至完全消失。
为了研究低温各向同性热解炭（LTIC）的微观结构及沉积机制，采用不同体积分数的丙烷为碳源，在不同的沉积温度下进行稳态流化床化学气相沉积实验制备LTIC，借助SEM和TEM对不同沉积条件下制备的LTIC微观结构进行表征和分析。结果表明：不同沉积条件下制备的LTIC由类球形颗粒状和片层状炭结构组成，沉积温度升高，降低了热解炭在气相中的形核势垒，LTIC中类球形颗粒数量增多，尺寸变小，且类球形颗粒内包围炭黑颗粒的炭层织构逐渐降低；丙烷体积分数升高，热解炭沉积过程逐渐由以表面生长机制为主转变为以气相形核机制为主，所制备的LTIC中类球形颗粒形貌越来越明显，而片层状炭结构逐渐减少甚至完全消失。
2016, 33(8): 1819-1829.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151106.001
摘要:
依据纤维丝束带复合材料的相关几何结构参数值和所确定的纤维丝束带特征体积单元（RVE）模型几何结构尺寸，以有限元软件MSC.Patran/Nastran为平台建立纤维丝束带复合材料RVE有限元模型并在模型中置入相应的制备缺陷。各类制备缺陷的置入均采用删除网格单元的方法，置入裂纹型制备缺陷时偏移裂纹两侧单元相对面以获得当前裂纹宽度，置入孔洞型制备缺陷时尽量模拟其真实形貌。根据复合材料力学关于材料各性能参数的定义和细观力学基本理论推导了有限元计算细观力学（FECM）方法预测复合材料有效弹性性能和有效热膨胀性能的过程。根据FECM方法预测了不含制备缺陷、含单一制备缺陷和含各类制备缺陷时的弹性常数和有效热膨胀系数。结果表明：各类制备缺陷的存在均会使弹性模量和剪切模量减小，泊松比和热膨胀系数可能增大也可能减小。通过与实验测试结果对比分析可知，数值预测结果普遍比实验测试结果偏大，但总体效果较为理想，最大相对误差为6.04%。
依据纤维丝束带复合材料的相关几何结构参数值和所确定的纤维丝束带特征体积单元（RVE）模型几何结构尺寸，以有限元软件MSC.Patran/Nastran为平台建立纤维丝束带复合材料RVE有限元模型并在模型中置入相应的制备缺陷。各类制备缺陷的置入均采用删除网格单元的方法，置入裂纹型制备缺陷时偏移裂纹两侧单元相对面以获得当前裂纹宽度，置入孔洞型制备缺陷时尽量模拟其真实形貌。根据复合材料力学关于材料各性能参数的定义和细观力学基本理论推导了有限元计算细观力学（FECM）方法预测复合材料有效弹性性能和有效热膨胀性能的过程。根据FECM方法预测了不含制备缺陷、含单一制备缺陷和含各类制备缺陷时的弹性常数和有效热膨胀系数。结果表明：各类制备缺陷的存在均会使弹性模量和剪切模量减小，泊松比和热膨胀系数可能增大也可能减小。通过与实验测试结果对比分析可知，数值预测结果普遍比实验测试结果偏大，但总体效果较为理想，最大相对误差为6.04%。
2016, 33(8): 1830-1837.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20160315.012
摘要:
利用区间B样条小波良好的局部化性能，将内聚力模型（CZM）引入小波有限元法（WFEM）数值分析中，以区间B样条小波尺度函数作为插值函数，构造小波内聚力界面单元，推导了小波内聚力界面单元刚度矩阵，基于虚拟裂纹闭合技术（VCCT）计算界面裂纹应变能释放率（SERR），采用β-Κ断裂准则，实现界面裂纹扩展准静态分析。将WFEM和传统有限元法（CFEM） 的SERR数值分析结果与理论解进行比较，结果表明：采用WFEM和CFEM计算的SERR分别为96.60 J/m2 和 101.43 J/m2，2种方法的SERR数值解与理论解相对误差分别为1.85%和3.06%，这明确表明WFEM在计算界面裂纹扩展方面能用较少单元和节点数获得较高的计算精度和效率。在此基础上，探讨了界面裂纹初始长度和双材料弹性模量比对界面裂纹扩展的影响，分析结果表明：界面裂纹尖端等效应力随界面裂纹初始长度的增加而增加；双材料弹性模量比相差越大，界面裂纹越易于扩展，且裂纹扩展长度也越大，因此可通过调节双材料弹性模量比来延缓界面裂纹扩展。
利用区间B样条小波良好的局部化性能，将内聚力模型（CZM）引入小波有限元法（WFEM）数值分析中，以区间B样条小波尺度函数作为插值函数，构造小波内聚力界面单元，推导了小波内聚力界面单元刚度矩阵，基于虚拟裂纹闭合技术（VCCT）计算界面裂纹应变能释放率（SERR），采用β-Κ断裂准则，实现界面裂纹扩展准静态分析。将WFEM和传统有限元法（CFEM） 的SERR数值分析结果与理论解进行比较，结果表明：采用WFEM和CFEM计算的SERR分别为96.60 J/m2 和 101.43 J/m2，2种方法的SERR数值解与理论解相对误差分别为1.85%和3.06%，这明确表明WFEM在计算界面裂纹扩展方面能用较少单元和节点数获得较高的计算精度和效率。在此基础上，探讨了界面裂纹初始长度和双材料弹性模量比对界面裂纹扩展的影响，分析结果表明：界面裂纹尖端等效应力随界面裂纹初始长度的增加而增加；双材料弹性模量比相差越大，界面裂纹越易于扩展，且裂纹扩展长度也越大，因此可通过调节双材料弹性模量比来延缓界面裂纹扩展。
2016, 33(8): 1838-1847.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151204.003
摘要:
为提高正六边形铝蜂窝夹层板的数值计算精度，研究了长厚比对其等效板模型动力学计算精度的影响。针对芯层均匀壁厚的正六边形铝蜂窝夹层板，首先研究了它的等效板模型，包括Reissner理论模型、蜂窝板理论模型和层合板低阶剪切理论模型；然后，将等效板模型与精细化模型相同模态振型的模态频率进行比较，分析了长厚比对等效板模型动力学计算精度的影响。结果表明：芯层均质化后模型模态频率的计算误差很小；层合板低阶剪切理论模型是计算精度较高的等效板模型；Reissner理论模型在长厚比为7.37时计算精度最低，蜂窝板理论模型对厚板的计算精度比薄板低，层合板低阶剪切理论模型对厚板的计算精度比薄板高。
为提高正六边形铝蜂窝夹层板的数值计算精度，研究了长厚比对其等效板模型动力学计算精度的影响。针对芯层均匀壁厚的正六边形铝蜂窝夹层板，首先研究了它的等效板模型，包括Reissner理论模型、蜂窝板理论模型和层合板低阶剪切理论模型；然后，将等效板模型与精细化模型相同模态振型的模态频率进行比较，分析了长厚比对等效板模型动力学计算精度的影响。结果表明：芯层均质化后模型模态频率的计算误差很小；层合板低阶剪切理论模型是计算精度较高的等效板模型；Reissner理论模型在长厚比为7.37时计算精度最低，蜂窝板理论模型对厚板的计算精度比薄板低，层合板低阶剪切理论模型对厚板的计算精度比薄板高。
2016, 33(8): 1848-1858.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20151216.003
摘要:
提出了一种考虑材料非均匀特性的线接触弹性场数值建模方法。该方法基于数值化等效夹杂方法（NEIM），以矩形异质材料作为基本单元，并在此基础上，结合镜像法，可求解得到线接触载荷作用下的材料弹性场。利用对比验证、参数化分析及算例验证的方法，将本文方法计算结果与有限元法（FEM）和传统等效夹杂方法（EIM）计算结果进行对比，并分析研究了异质材料分布参数对材料线接触性能的影响。结果表明：本文方法相较FEM和传统EIM具有优越性，可处理和简化涂层问题及任意分布的异质材料线接触问题。不同位置异质材料将引起基体最大von Mises应力的增大或减小；异质材料的尺寸以及异质材料和基体之间的材料差异将影响基体应力集中程度。
提出了一种考虑材料非均匀特性的线接触弹性场数值建模方法。该方法基于数值化等效夹杂方法（NEIM），以矩形异质材料作为基本单元，并在此基础上，结合镜像法，可求解得到线接触载荷作用下的材料弹性场。利用对比验证、参数化分析及算例验证的方法，将本文方法计算结果与有限元法（FEM）和传统等效夹杂方法（EIM）计算结果进行对比，并分析研究了异质材料分布参数对材料线接触性能的影响。结果表明：本文方法相较FEM和传统EIM具有优越性，可处理和简化涂层问题及任意分布的异质材料线接触问题。不同位置异质材料将引起基体最大von Mises应力的增大或减小；异质材料的尺寸以及异质材料和基体之间的材料差异将影响基体应力集中程度。
