2019年 第36卷 第8期
2019, 36(8): 1787-1795.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181023.003
摘要:
聚苯硫脲（ArPTU）是一种新型高击穿、低损耗的材料，为提高其储能密度，在与聚偏氟乙烯（PVDF）共混的过程中，如何提高其溶解性，降低界面问题，成为研究热点之一。利用多巴胺（DA）对其进行改性可以有效地改善其与PVDF的界面问题。采用溶液流延热压的方法制备出不同共混比的多巴胺改性聚苯硫脲共混聚偏氟乙烯（DA/ArPTU-PVDF）复合薄膜。并采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、核磁共振、凝胶渗透色谱、阻抗分析仪等对其进行表征。结果表明：当DA/ArPTU-PVDF中DA/ArPTU质量分数为10wt%~15wt%时，PVDF的β晶型相对含量显著增加，这是其介电性能增加的主要原因之一；100 Hz时，介电常数最大可以达到10.3（10wt% DA/ArPTU），同时介电损耗降低，最低达到了0.008（25wt% DA/ArPTU）。复合材料的储能密度也有明显提高，最大可以达3.0 J/cm3（10wt% DA/ArPTU），相对于纯PVDF提高了63.3%。此外，复合材料的击穿特性相比于纯PVDF具有很大的提高，最大可达556.4MV/m（15wt% DA/ArPTU）。而且，改性后的复合材料力学性能也有了很大的提高。最大断裂伸长率可以达到196.7%（5wt% DA/ArPTU），展现出了柔性高击穿储能材料的潜力。
聚苯硫脲（ArPTU）是一种新型高击穿、低损耗的材料，为提高其储能密度，在与聚偏氟乙烯（PVDF）共混的过程中，如何提高其溶解性，降低界面问题，成为研究热点之一。利用多巴胺（DA）对其进行改性可以有效地改善其与PVDF的界面问题。采用溶液流延热压的方法制备出不同共混比的多巴胺改性聚苯硫脲共混聚偏氟乙烯（DA/ArPTU-PVDF）复合薄膜。并采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、核磁共振、凝胶渗透色谱、阻抗分析仪等对其进行表征。结果表明：当DA/ArPTU-PVDF中DA/ArPTU质量分数为10wt%~15wt%时，PVDF的β晶型相对含量显著增加，这是其介电性能增加的主要原因之一；100 Hz时，介电常数最大可以达到10.3（10wt% DA/ArPTU），同时介电损耗降低，最低达到了0.008（25wt% DA/ArPTU）。复合材料的储能密度也有明显提高，最大可以达3.0 J/cm3（10wt% DA/ArPTU），相对于纯PVDF提高了63.3%。此外，复合材料的击穿特性相比于纯PVDF具有很大的提高，最大可达556.4MV/m（15wt% DA/ArPTU）。而且，改性后的复合材料力学性能也有了很大的提高。最大断裂伸长率可以达到196.7%（5wt% DA/ArPTU），展现出了柔性高击穿储能材料的潜力。
2019, 36(8): 1796-1803.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181030.001
摘要:
选用受阻酚AO-60/丁腈橡胶（NBR）（质量比40：100）作为阻尼相，环氧化天然橡胶（ENR）作为相容剂，制备了AO-60/NBR-ENR-天然橡胶（NR）复合材料。研究发现，复合材料的微观结构呈"海岛结构"，当质量比NR/NBR为60：40和50：50时，体系中出现双连续相结构。复合材料呈现两个玻璃化转变温度，分别出现在-60℃附近和-10℃附近；随着AO-60/NBR质量比的增加，在-20~40℃温度范围内复合材料的有效阻尼温域从0℃拓宽到35.9℃，且损耗因子随应变增大有小幅提升。复合材料在低应变下呈现低应力，表现出高柔性，同时其在较高应变下存在应力突变点，表现出较高的拉伸强度和扯断伸长率。
选用受阻酚AO-60/丁腈橡胶（NBR）（质量比40：100）作为阻尼相，环氧化天然橡胶（ENR）作为相容剂，制备了AO-60/NBR-ENR-天然橡胶（NR）复合材料。研究发现，复合材料的微观结构呈"海岛结构"，当质量比NR/NBR为60：40和50：50时，体系中出现双连续相结构。复合材料呈现两个玻璃化转变温度，分别出现在-60℃附近和-10℃附近；随着AO-60/NBR质量比的增加，在-20~40℃温度范围内复合材料的有效阻尼温域从0℃拓宽到35.9℃，且损耗因子随应变增大有小幅提升。复合材料在低应变下呈现低应力，表现出高柔性，同时其在较高应变下存在应力突变点，表现出较高的拉伸强度和扯断伸长率。
2019, 36(8): 1804-1812.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180925.002
摘要:
针对自行研制的树脂传递模塑工艺（RTM）快速成型环氧树脂，利用唯象动力学模型、DiBenedetto方程和凝胶模型研究了树脂体系的等温及非等温固化动力学，构建了时间-温度-转变（TTT）的关系图，表明树脂体系兼具较长的适用期与快速固化特性。以此设计RTM快速成型工艺，考察了树脂体系对碳纤维织物的浸润流动行为，并评价了快速成型碳纤维/环氧树脂复合材料的界面力学性能与微观形貌。结果表明，注射温度下树脂体系的浸润填充性良好，RTM快速成型碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能和内部成型质量较好。
针对自行研制的树脂传递模塑工艺（RTM）快速成型环氧树脂，利用唯象动力学模型、DiBenedetto方程和凝胶模型研究了树脂体系的等温及非等温固化动力学，构建了时间-温度-转变（TTT）的关系图，表明树脂体系兼具较长的适用期与快速固化特性。以此设计RTM快速成型工艺，考察了树脂体系对碳纤维织物的浸润流动行为，并评价了快速成型碳纤维/环氧树脂复合材料的界面力学性能与微观形貌。结果表明，注射温度下树脂体系的浸润填充性良好，RTM快速成型碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能和内部成型质量较好。
2019, 36(8): 1813-1821.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180925.003
摘要:
在对含乙烯基聚硅氮烷（PSN1）树脂基本性能研究的基础上，以石英纤维布为增强材料，利用层压法制备了石英纤维布/含乙烯基聚硅氮烷耐高温透波复合材料（QF/PSN1），并对其在室温和高温下的力学性能及介电性能进行了测试与表征。研究结果表明：PSN1树脂工艺性能良好，黏度低于1 Pas（60~151℃），固化温度小于200℃；耐热性能优异，在N2和空气氛围下，其固化物失重5%时的温度均高于480℃、800℃时的残重均高于76%。QF/PSN1复合材料力学性能优异，弯曲强度和层间剪切强度随温度升高出现先下降后上升的趋势；450℃烘烤10 min后，其弯曲强度仍在120 MPa以上。QF/PSN1复合材料介电性能优异：在1~12 GHz范围内，QF/PSN1复合材料在室温~450℃范围内介电常数（ε）均低于3.2，介电损耗（tanδ）均小于0.01。上述研究结果表明：含乙烯基聚硅氮烷作为耐高温透波材料的新型树脂基体具有重要的应用价值。
在对含乙烯基聚硅氮烷（PSN1）树脂基本性能研究的基础上，以石英纤维布为增强材料，利用层压法制备了石英纤维布/含乙烯基聚硅氮烷耐高温透波复合材料（QF/PSN1），并对其在室温和高温下的力学性能及介电性能进行了测试与表征。研究结果表明：PSN1树脂工艺性能良好，黏度低于1 Pas（60~151℃），固化温度小于200℃；耐热性能优异，在N2和空气氛围下，其固化物失重5%时的温度均高于480℃、800℃时的残重均高于76%。QF/PSN1复合材料力学性能优异，弯曲强度和层间剪切强度随温度升高出现先下降后上升的趋势；450℃烘烤10 min后，其弯曲强度仍在120 MPa以上。QF/PSN1复合材料介电性能优异：在1~12 GHz范围内，QF/PSN1复合材料在室温~450℃范围内介电常数（ε）均低于3.2，介电损耗（tanδ）均小于0.01。上述研究结果表明：含乙烯基聚硅氮烷作为耐高温透波材料的新型树脂基体具有重要的应用价值。
2019, 36(8): 1822-1829.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180925.001
摘要:
采用砂磨机将疏水性气相SiO2纳米粒子分散到无溶剂环氧树脂（Epoxy，EP）中，经加热固化后制备了不同掺杂量的疏水性气相SiO2/EP复合材料，通过XRD检测和SEM表征，证实疏水性气相SiO2纳米粒子以无定形态均匀分散在EP中。疏水性气相SiO2/EP复合材料的理化性能测试结果表明：其热稳定性、介电常数、介电损耗和电导率均随纳米SiO2粒子掺杂量的增加而有所升高；纳米SiO2粒子掺杂量为2wt%时，击穿场强达到最大值为24.66 kV/mm，较纯EP材料提高了21.35%；疏水性气相SiO2/EP复合材料耐电晕寿命随纳米SiO2粒子掺杂量增加而增加。在室温、80 kV/mm电场强度下，纳米SiO2粒子掺杂量为8wt%时，疏水性气相SiO2/EP耐电晕寿命可达42.7 h，是纯EP的18.9倍。
采用砂磨机将疏水性气相SiO2纳米粒子分散到无溶剂环氧树脂（Epoxy，EP）中，经加热固化后制备了不同掺杂量的疏水性气相SiO2/EP复合材料，通过XRD检测和SEM表征，证实疏水性气相SiO2纳米粒子以无定形态均匀分散在EP中。疏水性气相SiO2/EP复合材料的理化性能测试结果表明：其热稳定性、介电常数、介电损耗和电导率均随纳米SiO2粒子掺杂量的增加而有所升高；纳米SiO2粒子掺杂量为2wt%时，击穿场强达到最大值为24.66 kV/mm，较纯EP材料提高了21.35%；疏水性气相SiO2/EP复合材料耐电晕寿命随纳米SiO2粒子掺杂量增加而增加。在室温、80 kV/mm电场强度下，纳米SiO2粒子掺杂量为8wt%时，疏水性气相SiO2/EP耐电晕寿命可达42.7 h，是纯EP的18.9倍。
2019, 36(8): 1830-1837.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181119.002
摘要:
将碳纤维增强双马来酰亚胺树脂预浸料CCM40J/HT-280分别置于4种储存环境（真空、N2、O2、空气）进行室温老化实验，研究了预浸料铺覆黏性与储存环境和老化时间的关系，对不同环境下黏性失效前后的样品进行了DSC、流变、红外光谱分析。针对不同黏性级别的预浸料，采用热压罐成型工艺制备了复合材料层合板，对层合板内部成型质量及复合材料力学性能进行了研究。结果表明，真空和N2环境储存下的CCM40J/HT-280预浸料黏性失效周期相比于O2与空气中的样品延长约40%。DSC和流变测试结果表明，老化后树脂的交联程度大于新鲜树脂，树脂最低黏度也显著增大，O2环境下的样品表现的更为明显；对红外光谱特征峰分析表明，O2环境储存条件下树脂交联反应程度高于真空环境，说明O2对双马来酰亚胺树脂室温下的老化具有促进作用。黏性失效的预浸料制备的CCM40J/HT-280复合材料内部多为层间或层内的密集孔隙，其弯曲强度下降约13.0%、弯曲模量下降约6.5%，层间剪切强度下降约10.7%。
将碳纤维增强双马来酰亚胺树脂预浸料CCM40J/HT-280分别置于4种储存环境（真空、N2、O2、空气）进行室温老化实验，研究了预浸料铺覆黏性与储存环境和老化时间的关系，对不同环境下黏性失效前后的样品进行了DSC、流变、红外光谱分析。针对不同黏性级别的预浸料，采用热压罐成型工艺制备了复合材料层合板，对层合板内部成型质量及复合材料力学性能进行了研究。结果表明，真空和N2环境储存下的CCM40J/HT-280预浸料黏性失效周期相比于O2与空气中的样品延长约40%。DSC和流变测试结果表明，老化后树脂的交联程度大于新鲜树脂，树脂最低黏度也显著增大，O2环境下的样品表现的更为明显；对红外光谱特征峰分析表明，O2环境储存条件下树脂交联反应程度高于真空环境，说明O2对双马来酰亚胺树脂室温下的老化具有促进作用。黏性失效的预浸料制备的CCM40J/HT-280复合材料内部多为层间或层内的密集孔隙，其弯曲强度下降约13.0%、弯曲模量下降约6.5%，层间剪切强度下降约10.7%。
2019, 36(8): 1838-1846.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181009.005
摘要:
为了对碳纤维束的磨损程度进行定量分析以及探索碳纤维束间摩擦磨损机制，采用自制的摩擦模拟实验装置，研究了摩擦次数、加载力、摩擦角度对碳纤维束摩擦损伤的影响。通过对比摩擦前后碳纤维束的拉伸断裂强力、毛羽量和表面浆膜形态评价了其磨损程度。结果表明：随着摩擦次数、加载力的增大，碳纤维束的磨损程度逐渐加剧；当摩擦角度在90°~30°范围变化时，碳纤维束的拉伸断裂强力随着角度的减小而小幅度下降；而当摩擦角度为0°时，碳纤维束的拉伸断裂强力急剧下降。同时，结合纤维束接触理论和黏性薄膜压痕法揭示了碳纤维束摩擦损伤机制，发现有效接触面积的变化是导致碳纤维束磨损程度改变的主要因素，且纤维束间的有效接触面积随加载力的增大而增大，随摩擦角度的增大而减小。
为了对碳纤维束的磨损程度进行定量分析以及探索碳纤维束间摩擦磨损机制，采用自制的摩擦模拟实验装置，研究了摩擦次数、加载力、摩擦角度对碳纤维束摩擦损伤的影响。通过对比摩擦前后碳纤维束的拉伸断裂强力、毛羽量和表面浆膜形态评价了其磨损程度。结果表明：随着摩擦次数、加载力的增大，碳纤维束的磨损程度逐渐加剧；当摩擦角度在90°~30°范围变化时，碳纤维束的拉伸断裂强力随着角度的减小而小幅度下降；而当摩擦角度为0°时，碳纤维束的拉伸断裂强力急剧下降。同时，结合纤维束接触理论和黏性薄膜压痕法揭示了碳纤维束摩擦损伤机制，发现有效接触面积的变化是导致碳纤维束磨损程度改变的主要因素，且纤维束间的有效接触面积随加载力的增大而增大，随摩擦角度的增大而减小。
2019, 36(8): 1847-1853.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180928.002
摘要:
通过二甲基亚砜（DMSO）-KOH体系溶解宏观芳纶纤维（AF）成功制备了直径为40~50 nm、长度为2~5 μm的纳米芳纶纤维（NAF），并利用SEM、TEM、FTIR、Raman和XRD对NAF和AF的微观形貌、化学结构、结晶结构进行了分析。结果表明，NAF与AF具有相似的化学结构，同时NAF保留了AF大部分的结晶结构，只是纤维尺寸有一定的差异。通过真空辅助层层自组装法制备了具有层状致密结构的NAF复合薄膜，该薄膜展现出很好的透明、柔性、耐温性和力学性能，具有一定的亲液性能（接触角为81.5°）及优异的抗液体渗透和抗液体吸收性能。
通过二甲基亚砜（DMSO）-KOH体系溶解宏观芳纶纤维（AF）成功制备了直径为40~50 nm、长度为2~5 μm的纳米芳纶纤维（NAF），并利用SEM、TEM、FTIR、Raman和XRD对NAF和AF的微观形貌、化学结构、结晶结构进行了分析。结果表明，NAF与AF具有相似的化学结构，同时NAF保留了AF大部分的结晶结构，只是纤维尺寸有一定的差异。通过真空辅助层层自组装法制备了具有层状致密结构的NAF复合薄膜，该薄膜展现出很好的透明、柔性、耐温性和力学性能，具有一定的亲液性能（接触角为81.5°）及优异的抗液体渗透和抗液体吸收性能。
2019, 36(8): 1854-1863.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181009.001
摘要:
采用声发射技术对不同几何尺寸的碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）螺栓连接结构在静力载荷下破坏行为进行了试验研究，比较了不同几何构型下的连接结构的破坏行为与声发射信号之间的映射关系。采用声发射技术对结构损伤过程中的声发射信号进行全程采集与转换，结合CFRP螺栓结构的载荷-位移曲线和宏/细观破坏形貌，分析了幅值、熵曲线和Andrews曲线与破坏行为之间的关系。结果表明：挤压与剪切破坏试件的载荷-位移曲线均呈现出较明显的塑性特征。结构发生挤压和剪切破坏时，声发射信号以中幅值信号为主，并伴随少量高幅值信号；结构发生拉伸破坏时对应的幅值为中幅值信号。根据熵曲线特征将CFRP连接结构破坏过程分为四个阶段，在损伤演化阶段发生纤维断裂、分层等失效模式，在结构失效阶段以分层失效为主。基于Andrews曲线分析得到挤压和拉伸失效模式在损伤演化阶段会出现多种损伤类型，剪切失效模式在结构失效阶段会出现多种损伤类型。
采用声发射技术对不同几何尺寸的碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）螺栓连接结构在静力载荷下破坏行为进行了试验研究，比较了不同几何构型下的连接结构的破坏行为与声发射信号之间的映射关系。采用声发射技术对结构损伤过程中的声发射信号进行全程采集与转换，结合CFRP螺栓结构的载荷-位移曲线和宏/细观破坏形貌，分析了幅值、熵曲线和Andrews曲线与破坏行为之间的关系。结果表明：挤压与剪切破坏试件的载荷-位移曲线均呈现出较明显的塑性特征。结构发生挤压和剪切破坏时，声发射信号以中幅值信号为主，并伴随少量高幅值信号；结构发生拉伸破坏时对应的幅值为中幅值信号。根据熵曲线特征将CFRP连接结构破坏过程分为四个阶段，在损伤演化阶段发生纤维断裂、分层等失效模式，在结构失效阶段以分层失效为主。基于Andrews曲线分析得到挤压和拉伸失效模式在损伤演化阶段会出现多种损伤类型，剪切失效模式在结构失效阶段会出现多种损伤类型。
2019, 36(8): 1864-1872.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181217.001
摘要:
叶片结构强度是决定风电机组寿命和全寿命周期度电成本的关键因素。本文选取美国SNL 100 m玻璃纤维增强树脂复合材料（GFRP）风电叶片，根据关键截面的几何和复合材料铺层构造建立了叶片段三维有限元实体模型。分析了叶片段结构的非线性屈曲、胶接界面脱粘及复合材料失效的耦合行为。结果表明：挥舞载荷下叶片段首先出现复合材料失效，然后是胶接界面脱粘，最后出现结构胶失效；而摆振载荷下，叶片段最先出现非线性屈曲，接着依次出现复合材料失效、胶接脱粘和结构胶失效，且尾缘屈曲形变是胶接脱粘的驱动因素。
叶片结构强度是决定风电机组寿命和全寿命周期度电成本的关键因素。本文选取美国SNL 100 m玻璃纤维增强树脂复合材料（GFRP）风电叶片，根据关键截面的几何和复合材料铺层构造建立了叶片段三维有限元实体模型。分析了叶片段结构的非线性屈曲、胶接界面脱粘及复合材料失效的耦合行为。结果表明：挥舞载荷下叶片段首先出现复合材料失效，然后是胶接界面脱粘，最后出现结构胶失效；而摆振载荷下，叶片段最先出现非线性屈曲，接着依次出现复合材料失效、胶接脱粘和结构胶失效，且尾缘屈曲形变是胶接脱粘的驱动因素。
2019, 36(8): 1873-1878.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181025.003
摘要:
为制备出理想的连续纤维增韧陶瓷复合材料界面相，利用化学气相沉积（CVD）工艺在SiC纤维表面连续制备出三种类型的（BN-SiC）n复合界面涂层，对其进行微观结构表征，并通过单丝拉伸测试研究不同涂层对纤维单丝拉伸性能的影响。结果表明：SiC纤维表面沉积的（BN-SiC）n涂层较为均匀致密。单丝拉伸强度随着涂层层数的增加而降低。单层BN涂层的SiC纤维具有最高的单丝强度保持率（70%）和最大的拉伸伸长率（2.3%）。具有（BN-SiC）1与（BN-SiC）2复合涂层的SiC纤维单丝的拉伸性能相比原始SiC纤维有明显下降，拉伸强度保持率分别是42.1%和32.3%。
为制备出理想的连续纤维增韧陶瓷复合材料界面相，利用化学气相沉积（CVD）工艺在SiC纤维表面连续制备出三种类型的（BN-SiC）n复合界面涂层，对其进行微观结构表征，并通过单丝拉伸测试研究不同涂层对纤维单丝拉伸性能的影响。结果表明：SiC纤维表面沉积的（BN-SiC）n涂层较为均匀致密。单丝拉伸强度随着涂层层数的增加而降低。单层BN涂层的SiC纤维具有最高的单丝强度保持率（70%）和最大的拉伸伸长率（2.3%）。具有（BN-SiC）1与（BN-SiC）2复合涂层的SiC纤维单丝的拉伸性能相比原始SiC纤维有明显下降，拉伸强度保持率分别是42.1%和32.3%。
2019, 36(8): 1879-1885.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181018.001
摘要:
为了研究三维编织SiC/SiC复合材料损伤机制，开展了室温条件下的单调拉伸和三点弯曲试验。实验前，利用CT扫描手段，明确了三维编织SiC/SiC复合材料试样的编织组织形态。对拉伸和三点弯曲试样的微观分析表明：原生孔洞和微裂纹导致了材料在单调拉伸过程中形成局部应力集中，随着拉伸载荷的增大，基体的横向开裂和纤维束间纵向层间裂纹逐渐演化形成纤维内部裂纹，导致材料最终的脆性断裂失效；在三点弯载荷作用下，表现为剪切、拉压共生的多耦合破坏模式，拉应力一侧首先发生失效，随后在中性面处发生剪切破坏，紧接着失效迅速向上下两侧扩展，直至截面在整个厚度方向发生失效；断口与纤维束的走向相关性很大，裂纹基本上沿着纤维束之间的界面进行扩展，导致最终失效未发生在理论失效位置处。
为了研究三维编织SiC/SiC复合材料损伤机制，开展了室温条件下的单调拉伸和三点弯曲试验。实验前，利用CT扫描手段，明确了三维编织SiC/SiC复合材料试样的编织组织形态。对拉伸和三点弯曲试样的微观分析表明：原生孔洞和微裂纹导致了材料在单调拉伸过程中形成局部应力集中，随着拉伸载荷的增大，基体的横向开裂和纤维束间纵向层间裂纹逐渐演化形成纤维内部裂纹，导致材料最终的脆性断裂失效；在三点弯载荷作用下，表现为剪切、拉压共生的多耦合破坏模式，拉应力一侧首先发生失效，随后在中性面处发生剪切破坏，紧接着失效迅速向上下两侧扩展，直至截面在整个厚度方向发生失效；断口与纤维束的走向相关性很大，裂纹基本上沿着纤维束之间的界面进行扩展，导致最终失效未发生在理论失效位置处。
2019, 36(8): 1886-1892.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181108.001
摘要:
针对指数型功能梯度板的固有频率优化问题，提出一种基于代理模型的优化方法。采用一种基于自然邻近插值的无网格数值方法——自然单元法，建立功能梯度板的一阶剪切变形理论的自由振动分析格式。选取样本点，用自然单元法计算相应固有频率，然后基于此建立梯度指数-频率代理模型，采用Nelder-Mead单纯形法优化梯度指数使板的固有频率达到预设值。通过算例验证算法的计算效率和精度。结果表明，基于分段三次Hermite插值构造的代理模型具有较高的精度；基于代理模型的优化结果避免了多次调用自然单元法计算频率，提高了计算效率。
针对指数型功能梯度板的固有频率优化问题，提出一种基于代理模型的优化方法。采用一种基于自然邻近插值的无网格数值方法——自然单元法，建立功能梯度板的一阶剪切变形理论的自由振动分析格式。选取样本点，用自然单元法计算相应固有频率，然后基于此建立梯度指数-频率代理模型，采用Nelder-Mead单纯形法优化梯度指数使板的固有频率达到预设值。通过算例验证算法的计算效率和精度。结果表明，基于分段三次Hermite插值构造的代理模型具有较高的精度；基于代理模型的优化结果避免了多次调用自然单元法计算频率，提高了计算效率。
2019, 36(8): 1893-1900.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180908.001
摘要:
基于内凹机制，将星型和双箭头蜂窝的微结构巧妙结合，提出了一种新型拉胀蜂窝模型（简称星型-箭头蜂窝（SAH））。基于该模型，采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对其在不同冲击速度和不同相对密度下的变形模式进行了数值模拟研究。结果表明，在星型蜂窝（SSH）中加入箭头蜂窝的微结构将会减弱较低速度下动态压缩SSH时出现的局部"颈缩"现象，使SAH靠近冲击端附近出现了明显的"菱形"变形带，并具有更长的平台区和更高的平台应力。此外，在不同冲击速度下SAH单位质量的吸能值均大于SSH。详细讨论了冲击速度和相对密度对SAH平台应力的影响规律，并给出了平台应力的经验计算公式。
基于内凹机制，将星型和双箭头蜂窝的微结构巧妙结合，提出了一种新型拉胀蜂窝模型（简称星型-箭头蜂窝（SAH））。基于该模型，采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对其在不同冲击速度和不同相对密度下的变形模式进行了数值模拟研究。结果表明，在星型蜂窝（SSH）中加入箭头蜂窝的微结构将会减弱较低速度下动态压缩SSH时出现的局部"颈缩"现象，使SAH靠近冲击端附近出现了明显的"菱形"变形带，并具有更长的平台区和更高的平台应力。此外，在不同冲击速度下SAH单位质量的吸能值均大于SSH。详细讨论了冲击速度和相对密度对SAH平台应力的影响规律，并给出了平台应力的经验计算公式。
2019, 36(8): 1901-1910.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181114.003
摘要:
功能梯度形状记忆合金（Functionally graded shape memory alloy，FGSMA）兼具功能梯度材料和形状记忆合金材料的双重特性，广泛应用于微机电、航空航天等工程领域。为研究FGSMA复合梁的弯曲行为，本文对形状记忆合金（SMA）力学本构方程进行简化处理，并根据复合材料层合板理论建立了FGSMA复合梁的力学模型，据此研究了SMA体积分数沿厚度方向呈线性变化的FGSMA悬臂梁内SMA纤维铺设角度对悬臂梁横截面应变、中面轴向位移、中性面高度和相变层高度的影响以及悬臂梁中面应变、曲率、SMA马氏体相变临界层高度和中性面高度随弯矩载荷的变化规律。研究结果表明：在弯矩载荷作用下，悬臂梁中性面位置与中面位置不重合，且悬臂梁上下层SMA马氏体相变临界层位置不对称；截面轴向应变绝对值随铺设角度增大而增大，截面纵向应变绝对值随铺设角度增大先增大后减小，中面轴向位移随铺设角度增大先增大后减小；随着铺设角度增大，悬臂梁中性面高度逐渐增大，拉伸状态下相变结束临界层高度先减小后增大，压缩状态的趋势相反；随着弯矩载荷绝对值逐渐增大，中性面位置高度表现出先稳定后减小然后逐渐增大的趋势，相变临界层逐渐向中性面位置靠拢；中面正应变和挠曲率随着弯矩载荷绝对值逐渐增大而发生变化，且变化率先增大后减缓。
功能梯度形状记忆合金（Functionally graded shape memory alloy，FGSMA）兼具功能梯度材料和形状记忆合金材料的双重特性，广泛应用于微机电、航空航天等工程领域。为研究FGSMA复合梁的弯曲行为，本文对形状记忆合金（SMA）力学本构方程进行简化处理，并根据复合材料层合板理论建立了FGSMA复合梁的力学模型，据此研究了SMA体积分数沿厚度方向呈线性变化的FGSMA悬臂梁内SMA纤维铺设角度对悬臂梁横截面应变、中面轴向位移、中性面高度和相变层高度的影响以及悬臂梁中面应变、曲率、SMA马氏体相变临界层高度和中性面高度随弯矩载荷的变化规律。研究结果表明：在弯矩载荷作用下，悬臂梁中性面位置与中面位置不重合，且悬臂梁上下层SMA马氏体相变临界层位置不对称；截面轴向应变绝对值随铺设角度增大而增大，截面纵向应变绝对值随铺设角度增大先增大后减小，中面轴向位移随铺设角度增大先增大后减小；随着铺设角度增大，悬臂梁中性面高度逐渐增大，拉伸状态下相变结束临界层高度先减小后增大，压缩状态的趋势相反；随着弯矩载荷绝对值逐渐增大，中性面位置高度表现出先稳定后减小然后逐渐增大的趋势，相变临界层逐渐向中性面位置靠拢；中面正应变和挠曲率随着弯矩载荷绝对值逐渐增大而发生变化，且变化率先增大后减缓。
2019, 36(8): 1911-1917.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180907.003
摘要:
采用气相沉积法和后续的电沉积法制备得到自支撑结构的MnOOH-石墨烯（graphene）-泡沫镍（NF）复合电极。使用XRD、SEM、XPS等方法对样品的物相、形貌和价态等进行表征，通过恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等方法对电极的电化学性能进行研究。结果表明：该方法可以成功制备得到具有自支撑结构的MnOOH-graphene-NF复合电极，超薄的graphene层均匀覆盖在NF的表面，微米球状的MnOOH纳米片紧密覆盖在graphene的表面。该自支撑复合结构可以直接用作超级电容器电极进行测试，在5 mol/L KOH溶液中表现出了较大的赝电容储存能力。在0.5 A/g的电流密度下，最大比容量可达934 F/g。当电流密度提高为5 A/g时，比容量仍达771 F/g。当电流密度为2 A/g时，循环5000次后的容量保持率高达98%，库伦效率接近100%，表现出了良好的超级电容性能。本实验提供了一种制备自支撑MnOOH-graphene-NF复合电极的新方法，该复合电极有望成为一种潜在的新型超级电容器电极材料。
采用气相沉积法和后续的电沉积法制备得到自支撑结构的MnOOH-石墨烯（graphene）-泡沫镍（NF）复合电极。使用XRD、SEM、XPS等方法对样品的物相、形貌和价态等进行表征，通过恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等方法对电极的电化学性能进行研究。结果表明：该方法可以成功制备得到具有自支撑结构的MnOOH-graphene-NF复合电极，超薄的graphene层均匀覆盖在NF的表面，微米球状的MnOOH纳米片紧密覆盖在graphene的表面。该自支撑复合结构可以直接用作超级电容器电极进行测试，在5 mol/L KOH溶液中表现出了较大的赝电容储存能力。在0.5 A/g的电流密度下，最大比容量可达934 F/g。当电流密度提高为5 A/g时，比容量仍达771 F/g。当电流密度为2 A/g时，循环5000次后的容量保持率高达98%，库伦效率接近100%，表现出了良好的超级电容性能。本实验提供了一种制备自支撑MnOOH-graphene-NF复合电极的新方法，该复合电极有望成为一种潜在的新型超级电容器电极材料。
2019, 36(8): 1918-1925.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181108.008
摘要:
通过掺加钢渣粉来制备聚乙烯醇（PVA）纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料，从宏微观两个方面研究了这种复合材料的性能。考虑了基体材料的水胶比（0.25和0.35）、不同钢渣粉质量分数（0、30wt%、60wt%、80wt%），采用抗压强度试验、薄板四点弯曲试验研究了PVA纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料的基本力学性能变化规律及其在弯曲荷载作用下的裂缝控制能力，采用扫描电镜观测了破坏后试样的微观结构。结果表明，水胶比和钢渣粉掺量均可明显影响PVA纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料的基本力学性能，在低水胶比条件下（水胶比为0.25），钢渣粉掺量达到80wt%时，试样表现出较高的韧性指数和良好的裂缝控制能力，基本满足工程所需强度要求，水胶比为0.35时钢渣掺量不宜超过60wt%；同时，从节能减排的角度考虑，利用钢渣粉制备PVA纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料是可行的。
通过掺加钢渣粉来制备聚乙烯醇（PVA）纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料，从宏微观两个方面研究了这种复合材料的性能。考虑了基体材料的水胶比（0.25和0.35）、不同钢渣粉质量分数（0、30wt%、60wt%、80wt%），采用抗压强度试验、薄板四点弯曲试验研究了PVA纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料的基本力学性能变化规律及其在弯曲荷载作用下的裂缝控制能力，采用扫描电镜观测了破坏后试样的微观结构。结果表明，水胶比和钢渣粉掺量均可明显影响PVA纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料的基本力学性能，在低水胶比条件下（水胶比为0.25），钢渣粉掺量达到80wt%时，试样表现出较高的韧性指数和良好的裂缝控制能力，基本满足工程所需强度要求，水胶比为0.35时钢渣掺量不宜超过60wt%；同时，从节能减排的角度考虑，利用钢渣粉制备PVA纤维增强钢渣粉-水泥基复合材料是可行的。
2019, 36(8): 1926-1934.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180929.001
摘要:
通过力学性能实验研究了玄武岩纤维（BF）对玄武岩纤维/喷射混凝土（BF/SC）基本力学性能及韧性的影响规律，同时借助扫描SEM及核磁共振（NMR）实验对BF/SC的微观结构进行研究。结果表明：添加BF可以显著提高BF/SC的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度；相较于素SC，掺量为3 kg/m3及7.5 kg/m3的BF/SC抗弯试块韧性较好，其能量吸收能力分别为素SC的2.42倍和2.69倍。BF在SC内部具有较好的分散性，与SC基体界面粘结性较好。适量BF有效地抑制了大体积孔隙的生成，其中掺量为3 kg/m3的BF/SC大孔径孔隙占比仅为0.25%，但过多BF掺入会导致纤维结团及孔隙率增加，因此在本文实验条件下纤维掺量为3 kg/m3时BF/SC性能最好。
通过力学性能实验研究了玄武岩纤维（BF）对玄武岩纤维/喷射混凝土（BF/SC）基本力学性能及韧性的影响规律，同时借助扫描SEM及核磁共振（NMR）实验对BF/SC的微观结构进行研究。结果表明：添加BF可以显著提高BF/SC的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度；相较于素SC，掺量为3 kg/m3及7.5 kg/m3的BF/SC抗弯试块韧性较好，其能量吸收能力分别为素SC的2.42倍和2.69倍。BF在SC内部具有较好的分散性，与SC基体界面粘结性较好。适量BF有效地抑制了大体积孔隙的生成，其中掺量为3 kg/m3的BF/SC大孔径孔隙占比仅为0.25%，但过多BF掺入会导致纤维结团及孔隙率增加，因此在本文实验条件下纤维掺量为3 kg/m3时BF/SC性能最好。
2019, 36(8): 1935-1948.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180917.001
摘要:
纤维长径比对混凝土力学性能影响显著，而长径比变化的实质是纤维直径和形态均发生变化，因此现有研究多是通过改变聚丙烯（PP）纤维（包含粗、细PP纤维）直径或截面形态设置长径比梯度，从而导致变量不唯一。本文对粗PP纤维（d=700 μm）和细PP纤维（d=80 μm）长径比对混凝土力学性能的影响进行了试验研究，分析了粗、细PP纤维增强混凝土的力学特性。结果表明：粗、细PP纤维增强混凝土坍落度随所掺纤维长径比增大而先降低后趋于稳定，抗压、抗弯、劈拉强度随所掺纤维长径比增大而呈现出先增大后减小的趋势，700 μm粗PP纤维最优长径比为42，80 μm细PP纤维最优长径比为200。此外，提出了宏观力学拟合计算理论用于分析粗PP纤维长径比对PP纤维增强混凝土抗弯强度的影响，以此来增强试验结果的预测性和可控性；对粗、细PP纤维在混凝土中的摩擦粘结机制进行了力学分析，掌握了影响摩擦粘结力的具体因素。
纤维长径比对混凝土力学性能影响显著，而长径比变化的实质是纤维直径和形态均发生变化，因此现有研究多是通过改变聚丙烯（PP）纤维（包含粗、细PP纤维）直径或截面形态设置长径比梯度，从而导致变量不唯一。本文对粗PP纤维（d=700 μm）和细PP纤维（d=80 μm）长径比对混凝土力学性能的影响进行了试验研究，分析了粗、细PP纤维增强混凝土的力学特性。结果表明：粗、细PP纤维增强混凝土坍落度随所掺纤维长径比增大而先降低后趋于稳定，抗压、抗弯、劈拉强度随所掺纤维长径比增大而呈现出先增大后减小的趋势，700 μm粗PP纤维最优长径比为42，80 μm细PP纤维最优长径比为200。此外，提出了宏观力学拟合计算理论用于分析粗PP纤维长径比对PP纤维增强混凝土抗弯强度的影响，以此来增强试验结果的预测性和可控性；对粗、细PP纤维在混凝土中的摩擦粘结机制进行了力学分析，掌握了影响摩擦粘结力的具体因素。
2019, 36(8): 1949-1956.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20180921.001
摘要:
采用来自于废旧轮胎的两种再生钢纤维制备含粗骨料的超高性能混凝土，并测定其抗压强度、劈裂抗拉强度、断裂能和静弹性模量等力学性能，空白组及普通钢纤维增韧超高性能混凝土作对比性能试验。结果显示，未附着橡胶颗粒的再生钢纤维使超高性能混凝土的抗压强度略微下降，降低幅度为3.91%，其余各类型钢纤维均有利于提高超高性能混凝土的力学性能；而附着橡胶颗粒的再生钢纤维显著提高了超高性能混凝土的断裂能，约为普通钢纤维增韧超高性能混凝土的4倍。此外，再生钢纤维对超高性能混凝土的劈裂抗拉强度和静弹性模量的提高效果均优于普通钢纤维。再生钢纤维，尤其是附着橡胶颗粒的再生钢纤维，可以作为一种增韧材料替代普通钢纤维应用到超高性能混凝土工程结构中。
采用来自于废旧轮胎的两种再生钢纤维制备含粗骨料的超高性能混凝土，并测定其抗压强度、劈裂抗拉强度、断裂能和静弹性模量等力学性能，空白组及普通钢纤维增韧超高性能混凝土作对比性能试验。结果显示，未附着橡胶颗粒的再生钢纤维使超高性能混凝土的抗压强度略微下降，降低幅度为3.91%，其余各类型钢纤维均有利于提高超高性能混凝土的力学性能；而附着橡胶颗粒的再生钢纤维显著提高了超高性能混凝土的断裂能，约为普通钢纤维增韧超高性能混凝土的4倍。此外，再生钢纤维对超高性能混凝土的劈裂抗拉强度和静弹性模量的提高效果均优于普通钢纤维。再生钢纤维，尤其是附着橡胶颗粒的再生钢纤维，可以作为一种增韧材料替代普通钢纤维应用到超高性能混凝土工程结构中。
2019, 36(8): 1957-1967.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181101.001
摘要:
为提升纤维增强聚合物复合材料（FRP）在加固材料中的优势和发挥效率，同时克服传统纤维网格增强砂浆的抗裂性差的缺点，将超高韧性水泥基材料（ECC）替代砂浆作为FRP网格无机黏结剂的新型复合材料已被提出，但仍缺乏相关的基础研究。本文以新型聚乙烯型ECC为基材，重点研究FRP grid/ECC加固混凝土柱的加固机制。以标准混凝土圆柱为试验对象，采用新型ECC材料为基材的FRP grid/ECC复合材料，以不同强度素混凝土、不同网格材料（玄武岩纤维增强聚合物复合材料（BFRP）与碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）网格）为试验变量，研究了该加固方式下对混凝土轴心受压性能的影响。试验结果表明，该加固方法可有效改善素混凝土脆性压溃破坏模式，提高峰值强度及受压延性。基于FRP grid/ECC材性特征，提出两阶段FRP grid/ECC加固机制，并基于该机制提出加固素混凝土圆柱承载力计算方法。
为提升纤维增强聚合物复合材料（FRP）在加固材料中的优势和发挥效率，同时克服传统纤维网格增强砂浆的抗裂性差的缺点，将超高韧性水泥基材料（ECC）替代砂浆作为FRP网格无机黏结剂的新型复合材料已被提出，但仍缺乏相关的基础研究。本文以新型聚乙烯型ECC为基材，重点研究FRP grid/ECC加固混凝土柱的加固机制。以标准混凝土圆柱为试验对象，采用新型ECC材料为基材的FRP grid/ECC复合材料，以不同强度素混凝土、不同网格材料（玄武岩纤维增强聚合物复合材料（BFRP）与碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）网格）为试验变量，研究了该加固方式下对混凝土轴心受压性能的影响。试验结果表明，该加固方法可有效改善素混凝土脆性压溃破坏模式，提高峰值强度及受压延性。基于FRP grid/ECC材性特征，提出两阶段FRP grid/ECC加固机制，并基于该机制提出加固素混凝土圆柱承载力计算方法。
2019, 36(8): 1968-1976.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181108.006
摘要:
为研究聚乙烯醇纤维增强工程水泥复合材料（PVA/ECC）无腹筋梁的剪切韧性，基于5组PVA/ECC梁受剪破坏试验结果，以剪切韧性指数和斜裂缝综合指数为指标，对不同纤维掺量下PVA/ECC梁的斜截面剪切韧性进行了研究与评价。结果表明：PVA纤维的掺入能改善梁的开裂性能，明显提高梁受荷全过程的变形能力及斜截面承载力，从而提高构件的剪切韧性；PVA纤维体积分数在0~2vol%范围内时，其值越大，加载过程中消耗的能量越多，斜截面抗剪承载力越高，破坏之前的总变形越大，梁的剪切韧性越好。
为研究聚乙烯醇纤维增强工程水泥复合材料（PVA/ECC）无腹筋梁的剪切韧性，基于5组PVA/ECC梁受剪破坏试验结果，以剪切韧性指数和斜裂缝综合指数为指标，对不同纤维掺量下PVA/ECC梁的斜截面剪切韧性进行了研究与评价。结果表明：PVA纤维的掺入能改善梁的开裂性能，明显提高梁受荷全过程的变形能力及斜截面承载力，从而提高构件的剪切韧性；PVA纤维体积分数在0~2vol%范围内时，其值越大，加载过程中消耗的能量越多，斜截面抗剪承载力越高，破坏之前的总变形越大，梁的剪切韧性越好。
2019, 36(8): 1977-1983.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181015.001
摘要:
通过纤维/高强混凝土快速冻融循环试验，从试件外观损伤形态、相对动弹性模量、抗冻等级、抗冻耐久性指数角度，研究了不同纤维体积分数的玄武岩纤维、纤维素纤维和不同纤维长度的玄武岩纤维对C60高强混凝土抗冻性能的影响。结果表明，加入玄武岩或纤维素纤维可改善C60高强混凝土的外观剥落损伤程度。C60高强混凝土的抗冻性均随玄武岩纤维（长度为18 mm）和纤维素纤维体积分数的增大而提高，在体积分数0.10vol%~0.20vol%内，前者的提高程度远大于后者，玄武岩纤维/高强混凝土能在更严酷的寒冷环境中满足更久的使用时间。玄武岩纤维长度的改变对C60高强混凝土的抗冻性影响较大，相对于18 mm长度，6 mm和30 mm长度的玄武岩纤维对C60高强混凝土抗冻性能改善作用很有限。
通过纤维/高强混凝土快速冻融循环试验，从试件外观损伤形态、相对动弹性模量、抗冻等级、抗冻耐久性指数角度，研究了不同纤维体积分数的玄武岩纤维、纤维素纤维和不同纤维长度的玄武岩纤维对C60高强混凝土抗冻性能的影响。结果表明，加入玄武岩或纤维素纤维可改善C60高强混凝土的外观剥落损伤程度。C60高强混凝土的抗冻性均随玄武岩纤维（长度为18 mm）和纤维素纤维体积分数的增大而提高，在体积分数0.10vol%~0.20vol%内，前者的提高程度远大于后者，玄武岩纤维/高强混凝土能在更严酷的寒冷环境中满足更久的使用时间。玄武岩纤维长度的改变对C60高强混凝土的抗冻性影响较大，相对于18 mm长度，6 mm和30 mm长度的玄武岩纤维对C60高强混凝土抗冻性能改善作用很有限。
2019, 36(8): 1984-1994.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20181030.002
摘要:
为探究自密实轻骨料混凝土压-剪复合受力力学性能，应用液压伺服机和材料压-剪试验机，对自密实轻骨料混凝土进行单轴受压、单轴劈裂抗拉和压-剪复合受力试验研究，通过试验得到不同加载工况下自密实轻骨料混凝土破坏形态和力-变形曲线，引用文献对普通混凝土和轻骨料混凝土压-剪复合受力研究数据，对比分析自密实轻骨料混凝土压-剪复合受力性能。研究结果表明：自密实轻骨料混凝土压-剪复合受力破坏形态与普通混凝土和轻骨料混凝土相类似，随着轴压比的提高，剪切破坏断面摩擦痕迹逐步明显，混凝土碎渣也逐步提高，自密实轻骨料混凝土剪切破坏强度、残余荷载和剪切破坏位移也随之提高；剪切破坏强度提高幅度高于普通混凝土和轻骨料混凝土，残余荷载受轴压比影响提高幅度高于普通混凝土，但略低于轻骨料混凝土。基于主应力空间结合普通混凝土和轻骨料混凝土压-剪试验数据，提出混凝土压-剪复合受力统一破坏准则，同时基于八面体应力空间，提出自密实轻骨料混凝土破坏准则，所提出的破坏准则具有良好的适用性。
为探究自密实轻骨料混凝土压-剪复合受力力学性能，应用液压伺服机和材料压-剪试验机，对自密实轻骨料混凝土进行单轴受压、单轴劈裂抗拉和压-剪复合受力试验研究，通过试验得到不同加载工况下自密实轻骨料混凝土破坏形态和力-变形曲线，引用文献对普通混凝土和轻骨料混凝土压-剪复合受力研究数据，对比分析自密实轻骨料混凝土压-剪复合受力性能。研究结果表明：自密实轻骨料混凝土压-剪复合受力破坏形态与普通混凝土和轻骨料混凝土相类似，随着轴压比的提高，剪切破坏断面摩擦痕迹逐步明显，混凝土碎渣也逐步提高，自密实轻骨料混凝土剪切破坏强度、残余荷载和剪切破坏位移也随之提高；剪切破坏强度提高幅度高于普通混凝土和轻骨料混凝土，残余荷载受轴压比影响提高幅度高于普通混凝土，但略低于轻骨料混凝土。基于主应力空间结合普通混凝土和轻骨料混凝土压-剪试验数据，提出混凝土压-剪复合受力统一破坏准则，同时基于八面体应力空间，提出自密实轻骨料混凝土破坏准则，所提出的破坏准则具有良好的适用性。
