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2020年  第37卷  第2期

素化复合材料概念及设计
李钰涵, 秦发祥
2020, 37(2): 237-241. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190929.001
摘要:
材料“素化”为降低金属材料的合金化程度及资源回收利用的难度提供了一个简洁且具有应用前景的设计方法。本文将素化的概念引入复合材料中,提出在不改变材料体系基本组成、不增加功能相体积分数的前提下,以复合材料的多级结构设计(如界面工程、缺陷工程等)为核心,充分利用多级结构的调控能力,实现材料性能的提高及综合性能的优化。以典型复合材料体系为基础,分析将素化的概念应用于复合材料体系的可行性、优势及预期结果,并根据前期研究说明多级结构的设计方法及应用基础。以碳纳米管(CNT)/硅橡胶(SE)复合材料的界面实践为例,展示了素化设计在可重构微波吸收复合材料中的应用。
功能三维石墨烯-多壁碳纳米管/热塑性聚氨酯复合材料的制备及性能
赵梁成, 李斌, 武思蕊, 李仲明, 李覃
2020, 37(2): 242-251. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190509.001
摘要:
采用水热还原法将羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs—COOH)接枝到氧化石墨烯(GO)上,经冷冻干燥得到三维石墨烯-多壁碳纳米管气凝胶(GA-MWCNTs),再以热塑性聚氨酯(TPU)为填充体,通过真空浸渍法制得三维石墨烯-多壁碳纳米管/热塑性聚氨酯(GA-MWCNTs/TPU)复合材料。借助FTIR、Raman、XPS、TEM、SEM,对GA-MWCNTs的化学结构、微观形貌进行表征,并通过TGA-DSC、电阻测量仪和力学试验机,分析MWCNTs—COOH质量分数对GA-MWCNTs/TPU复合材料性能的影响。结果表明:MWCNTs—COOH在GO片层间起到交联和支撑作用,形成了蜂窝状三维网络结构,其孔径约为1.2 mm;当MWCNTs—COOH质量分数(以120 mg GO为基准)为10wt%时,GA-MWCNTs/TPU复合材料的导电性、热稳定性、力学性能均得到改善,相比于GA/TPU,体积电阻率降低了63.0%、热分解温度提高了7℃、30%应变下的应力提高了8.2%。
纳米增韧三维正交玻璃纤维机织物增强环氧树脂复合材料的力学性能
王聪, 竺铝涛, 高晓平
2020, 37(2): 252-259. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190513.001
摘要:
为研究纳米改性对复合材料力学性能的影响,以纳米黏土改性环氧树脂与固化剂混合胶液为基体,以三维正交机织玻璃纤维织物为增强体,利用真空辅助树脂传递模压工艺(Vacuum assisted resin transfer molding,VARTM),制备纳米增韧三维正交玻璃纤维机织物增强环氧树脂复合材料。分别测试不同质量分数(1wt%、2wt%、3wt%、4wt%)纳米黏土改性复合材料沿0°和90°方向的弯曲和拉伸性能。结果表明:当纳米黏土质量分数为1wt%时,复合材料弯曲强度最大,沿0°和90°方向的弯曲强度分别增大了约7.21%和13.71%,弯曲模量分别增大了约5.69%和16.64%。当纳米黏土质量分数为3wt%时,复合材料拉伸强度最大,沿0°和90°方向的拉伸强度分别增大了约24.96%和27.93%,拉伸模量分别增加了约21.35%和13.26%。这是由于纳米黏土呈纳米尺度以片层状分散于环氧树脂中,增加了两相间的接触面积,提高纤维/树脂界面的结合力,进而增强了复合材料的力学性能。
(壳聚糖-聚磷酸铵)/剑麻纤维素微晶层层自组装复合材料的热性能和阻燃性能
黄孝华, 牛红超, 刘婵娟, 韦春
2020, 37(2): 260-266. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190509.002
摘要:
采用层层自组装法(LBL),在剑麻纤维素微晶(SFCM)表面交替吸附壳聚糖(CH)和聚磷酸铵(APP)构筑CH-APP阻燃涂层,成功制备(CH-APP)n/SFCM阻燃复合材料。通过Zeta电位分析仪、FTIR、TGA、POM、垂直燃烧法(VFT)、SEM手段对复合材料的结构和性能进行表征。FTIR、Zeta电位结果表明,CH和APP在SFCM表面电位正负交替变化,CH-APP涂层成功包覆在SFCM表面; POM和SEM结果显示,组装后(CH-APP)n/SFCM复合材料表面变得粗糙,其表面包覆了一层较厚涂层; TGA结果表明,随着吸附CH-APP组装层数的增加,(CH-APP)n/SFCM复合材料的初始分解温度(T5%)由279.4℃降低至243.1℃,残炭率由11.24%提高至32.06%; VFT测试结果表明,随着组装层数的增加,(CH-APP)n/SFCM复合材料阻燃性能明显提高,组装10层的(CH-APP)10/SFCM复合材料甚至可以达到离火自熄的程度。
不同环境下宽径比对碳纤维增强环氧树脂复合材料开孔层压板压缩失效的影响
张武昆, 闫伟, 王会平, 赵丽滨, 刘丰睿
2020, 37(2): 267-275. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190419.001
摘要:
复合材料结构强度的参数影响研究是结构设计的必要内容,然而还缺乏在不同湿热环境条件下结构尺寸对其强度的影响研究。采用数值和试验方法研究了宽径比(W/D)对不同湿度、温度时T800/X850碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/EP)开孔层压板压缩强度的影响。设计了参数影响研究试件,通过试验获得了不同湿热条件下的开孔层压板压缩失效结果;并利用现有的考虑湿热影响的复合材料渐进损伤方法,建立了湿热及几何参数影响的渐进损伤模型,通过将预测结果与试验结果对比验证了模型正确性。进一步结合试验和数值分析,揭示了不同湿热条件下几何参数的影响规律。研究表明:湿热环境对T800/X850 CF/EP开孔板的压缩失效载荷影响显著,相比于室温干态(RTD),室温湿态(RTW)和高温湿态(ETW)压缩失效载荷分别下降了7.75%和14.68%; RTW和RTD失效形式接近,ETW失效形式不同且失效面积更大; RTW和RTD时压缩失效强度随W/D的增大而增大,增大速度相似,ETW增大速度比前两者慢。
玄武岩纤维含量对玄武岩纤维/聚乳酸-铝合金复合材料连接强度的影响
马芳武, 陈实现, 韩露, 王卓君, 沈亮, 蒲永锋
2020, 37(2): 276-283. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190514.002
摘要:
为了提高聚乳酸(PLA)与铝合金的连接强度,采用在PLA中添加玄武岩纤维(BF)获得BF/PLA复合材料的方式对PLA进行增强。利用转矩流变仪对干燥处理后的PLA及BF进行密炼,利用光纤激光器对铝合金表面进行毛化处理。采用平板硫化机对BF/PLA复合材料和处理后铝合金进行连接成型,测试其拉伸强度,对失效后断面进行分析。结果表明:随着BF质量分数的增加,BF/PLA-铝合金连接强度先增强后降低,BF质量分数的增加影响了BF/PLA复合材料的结晶成核。结合试验获得的结果,建立有限元分析模型进行数值模拟,结果显示所建立的模型能够准确还原BF/PLA-铝合金拉伸过程。
碳纤维/环氧树脂复合材料层压板冲击凹坑的回弹特性
管清宇, 严文军, 吴光辉, 夏品奇
2020, 37(2): 284-292. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190510.001
摘要:
冲击凹坑的回弹特性对飞机复合材料结构低速冲击损伤的目视检出概率有至关重要的影响。采用T800碳纤维/M21环氧树脂复合材料单向预浸丝束自动铺贴和热压罐固化工艺制造了层压板试件。试件引入1 mm左右的冲击凹坑后分成4组,分别在室温环境、湿热环境、重复载荷及湿热和重复载荷联合作用的条件下测量冲击凹坑在不同时间的回弹量,以研究湿热环境和重复载荷对冲击凹坑回弹的影响。结果表明:湿热环境可显著提高冲击凹坑的末期回弹量,但其影响过程较缓慢,因而对凹坑初始回弹速率影响不显著;重复载荷也可提高冲击凹坑末期回弹量,但其影响相对较小,其使冲击凹坑的初始回弹速率有明显提高;湿热环境和重复载荷联合作用对冲击凹坑末期回弹量的影响高于重复载荷和湿热环境的单独影响,凹坑初始回弹速率与重复载荷单独影响下几乎相同。
不平衡2.5D碳纤维机织预制体偏轴拉伸性能
关留祥, 李嘉禄, 焦亚男, 杨志, 房倩倩
2020, 37(2): 293-301. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190430.002
摘要:
通过偏轴拉伸实验研究了因纱线细度变化而引起的不平衡2.5D碳纤维机织预制体(2.5D CFWPs)的面内剪切变形性能,实验材料包括4组不平衡2.5D CFWPs试样和1组平衡2.5D CFWPs试样。观察了不平衡2.5D CFWPs试样的典型宏观变形形貌和细观结构变化;对比了不平衡试样和平衡试样的剪切角和拉伸载荷变化;通过归一化处理,详细分析了纱线细度对预制体面内剪切变形的影响。结果表明:不平衡2.5D CFWPs试样典型变形形貌呈左右不对称形态,且纱线呈“S”型或“Z”型抽拔;经纬纱细度组合为792 tex×396 tex (表示经纱细度为792 tex,纬纱细度为396 tex)和396 tex×792 tex的不平衡2.5D CFWPs试样的偏轴拉伸性能基本相同,另两组不平衡试样(经纬纱细度组合为198 tex×792 tex和792 tex×198 tex)的偏轴拉伸性能也基本相同;平衡试样的拉伸载荷明显大于不平衡试样,在达到剪切锁紧后,平衡试样载荷快速上升,不平衡试样载荷上升缓慢;对拉伸载荷归一化处理后,剪切角小于20.81°时,5组2.5D CFWPs试样剪切力基本相同,在20.81°~30.02°时,4组不平衡试样剪切力基本相同。
基于代理模型的复合材料加筋壁板分层损伤定量监测方法
王莉, 刘国强, 肖迎春
2020, 37(2): 302-308. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190408.002
摘要:
通过建立损伤指数与分层损伤参数间的定量关系,对复合材料加筋壁板分层损伤进行准确定量监测,提出了一种基于代理模型的分层损伤定量监测方法。该方法包括代理模型的建立和逆求解两个过程,通过插值拟合方法建立表征分层损伤参数与损伤指数间定量关系的多项式代理模型;采用损伤概率成像算法获得相对距离和损伤指数,将其代入代理模型中,得到所对应的分层损伤面积;实现对分层损伤进行定量评估的目的。通过一个复合材料加筋壁板分层损伤的定量监测实验,对所提方法的有效性进行了验证。结果表明:基于代理模型的复合材料分层损伤定量监测方法可以实现对分层损伤位置的准确定位,定位误差低于6%;且可实现对分层面积的准确定量评估,定量误差不超过5%。
三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料在热环境中的拉压力学性能实验
姜黎黎, 吴日娜, 徐美玲, 李振国, 周新伟
2020, 37(2): 309-317. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190310.001
摘要:
针对不同编织角度的三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料,进行了热环境下的轴向拉伸和压缩力学性能实验研究,讨论了温度对三维四向编织复合材料的轴向拉伸和压缩力学性能的影响,并根据宏观断裂形貌和SEM图像分析了材料的破坏和断裂机制。结果表明,随着测试温度的升高,三维四向编织碳纤维/环氧树脂复合材料的纵向拉伸强度有小幅提高,而纵向压缩强度显著降低。在室温条件下,编织角对材料的纵向拉伸破坏特征没有影响,而对材料的纵向压缩破坏特征有较大影响。随着测试温度的升高,不同编织角度复合材料的纵向拉伸和压缩的损伤破坏形态均与室温条件下明显不同。
胶膜连接碳纤维增强树脂复合材料板-钢搭接接头室温条件的力学性能试验
李传习, 罗南海, 柯璐, 刘宇飞, 郭靖
2020, 37(2): 318-327. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190528.001
摘要:
针对碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料板-钢搭接接头连接的糊状胶黏剂粘层厚一致性控制较难、铅垂向成形可能不易等问题,将糊状胶黏剂换成胶膜,制作了胶膜连接的五种粘结长度共15个CFRP板-钢双搭接接头试件,并对该胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头进行了室温条件下的破环模式、有效粘结长度、传力规律、粘结-滑移本构、承载力等的试验研究。结果表明:所用胶膜的连接强度略高于CFRP板层间强度(即碳纤维与树脂基体的黏聚强度);室温下,所用胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头有效粘结长度约为80 mm;加载初期,剪应力最大值位于接头钢板端;继续加载,其位置向接头CFRP板端移动;加载末期,其位置位于距接头钢板端20 mm (粘结长度不超过80 mm时)或者50 mm (粘结长度不小于120 mm时)处;胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头界面粘结-滑移模型为近似梯形,不同于胶黏剂连接的CFRP板-钢搭接接头的近似三角形,胶膜连接接头的延性大为提升;所用胶膜连接接头界面峰值剪应力、断裂能、界面刚度等代表值(可视为准平均值)分别为四种典型商品胶黏剂连接接头的1.2~3.0倍、1.6~5.7倍和5.4~7.5倍;在粘结长度不小于有效粘结长度条件下,所用胶膜连接接头的抗拉承载力代表值为四种典型商品胶黏剂连接接头的1.25~2.39倍;胶膜连接接头的抗拉承载力、最大位移的变异系数与糊状胶黏剂连接接头相差不大。
明胶鸟弹撞击复合材料蜂窝夹芯板试验
陈琨, 解江, 裴惠, 霍雨佳, 冯振宇, 牟浩蕾, 詹绍正
2020, 37(2): 328-335. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190701.002
摘要:
开展明胶鸟弹撞击复合材料蜂窝夹芯板试验,研究夹芯结构在软体高速冲击下的损伤形式,分析相关因素对结构动态响应结果的影响。通过CT扫描对复合材料蜂窝夹芯板内部进行检测可知,面板出现分层、基体开裂、纤维断裂、凹陷、向胞内屈曲等损伤形式,蜂窝芯出现芯材压溃、与面板脱粘的损伤形式;分析复合材料蜂窝夹芯板后面板的动态变形过程及撞击中心处位移-时间数据可知,复合材料蜂窝夹芯板在撞击过程中出现由全局弯曲变形主导和局部变形主导的两种变形模式;通过对比不同工况下的复合材料蜂窝夹芯板损伤程度可知,复合材料蜂窝夹芯板损伤程度随鸟弹撞击速度的增加而增大;蜂窝芯高度为10 mm的复合材料蜂窝夹芯板较蜂窝芯高度为5 mm的复合材料蜂窝夹芯板的损伤程度大;初始动能较大的球形鸟弹较圆柱形鸟弹对复合材料蜂窝夹芯板造成的冲击损伤程度更大。
多壁碳纳米管界面传感器及其在纤维缠绕压力容器原位监测中的应用
杨斌, 胡超杰, 轩福贞, 万云, 杨康, 肖飚
2020, 37(2): 336-344. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190417.004
摘要:
研发了基于多壁碳纳米管(MWCNT)界面传感器的多功能复合材料,并研究了其在纤维缠绕压力容器健康监测中的应用。首先考察了该界面传感器在复杂环境中的可靠性,分析了MWCNT对纤维/基体界面层间剪切强度的影响,得到了植入MWCNT界面传感器的复合材料在不同水温下吸水特性;随后研究了基于MWCNT界面传感器的纤维/基体界面原位监测和损伤修复,分析了利用该方法原位监测、修复热塑性复合材料界面损伤的可行性;最后将MWCNT界面传感器植入到纤维缠绕压力容器中,并考察了该压力容器在水压疲劳、水压爆破两类载荷下的原位监测效果。研究结果表明:植入MWCNT界面传感器可提高复合材料纤维/基体的界面层间剪切强度,且在一定水温范围内,植入MWCNT的界面强度下降率更低;通过在复合材料中植入MWCNT界面传感器,可实现对纤维增强热塑性树脂复合材料界面的原位监测和修复;利用该方法也能够原位监测纤维缠绕压力容器的工作状态,进而获取其界面损伤信息。
灰色关联及熵权法对碳纤维增强树脂复合材料防撞梁的耐撞性优化设计
王爽, 王登峰
2020, 37(2): 345-355. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190506.001
摘要:
为改善和提升汽车的轻量化和耐撞性,针对碳纤维增强树脂基复合材料特性提出一种基于灰色关联分析与熵权法结合的复合材料防撞梁结构的设计策略。建立了考虑整车实际工况的数值简化模型,并通过碳纤维增强树脂复合材料力学性能试验确定了T300碳纤维/5113环氧树脂复合材料的材料力学性能,为碰撞工况下碳纤维增强树脂保险杠防撞梁模型计算提供真实准确的材料参数。基于正面碰撞仿真模型,采用哈默斯雷试验设计方法确立60组样本点建立了设计变量与响应之间的关系,采用熵权法求出各响应指标的权重值,结合灰色关联分析对碳纤维增强树脂复合材料防撞梁的耐撞性和轻量化进行优化设计,获取防撞梁结构的最优尺寸参数组合,确定优化方案。研究结果显示,与初始防撞梁相比,优化方案吸能量峰值提高了11.4%,峰值力降低了48%,质量减少了56.5%。该方法在满足安全性指标的前提下实现了汽车轻量化优化设计。
含紧固件碳纤维增强树脂复合材料在雷电流A分量下的损伤特性
田向渝, 姚学玲, 孙晋茹, 李亚丰, 陈景亮
2020, 37(2): 356-365. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190515.001
摘要:
为深入分析雷电环境下含紧固件碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料的损伤机制及尺寸对损伤面积的影响规律,对两种不同尺寸含紧固件CFRP进行雷电损伤试验和仿真研究。根据热电耦合理论在ABAQUS中建立含紧固件CFRP的热-电耦合模型,得到单一雷电流A分量作用下CFRP的温度场分布规律;雷电损伤试验中采用超声C扫描方法评估试件损伤特性。试验和仿真结果表明:此雷击条件下,雷电流通过紧固件扩散到CFRP层合板整个厚度,试件在雷电流峰值不太大的情况下损伤面积较小,但随电流峰值的增大,损伤面积剧增、分层损伤严重。电流相近情况下不同尺寸的含紧固件CFRP的损伤分层、损伤形态及面积相近,尺寸对试件的损伤特性影响较小。试验和仿真研究为CFRP的结构设计提供一定的仿真和试验数据支撑。
一种基于Layerwise理论的压电复合材料层合圆柱壳机电耦合有限单元
李伟, 蔺越国, 陈昱晨
2020, 37(2): 366-375. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190529.002
摘要:
基于Reddy的Layerwise理论,对含压电铺层的复合材料层合壳的静力响应特性进行了理论研究。基于Layerwise理论,推导了含压电层的复合材料层合壳的应变分量与电场强度表达式。利用Hamilton原理和变分法,推导了压电智能层合壳的欧拉-拉格朗日方程,并采用有限元解法,建立了相应的有限元控制方程及其机电耦合刚度矩阵。通过算例结果与文献中的精确解和试验值进行了对比,表明相较于传统的经典层合板壳理论,本文理论方法的有效性和优势性;并分析了径厚比等参量对两端简支压电智能层合壳静力响应值的影响规律。
Nomex蜂窝夹层结构弯曲刚度温度相关性的力学建模
王家伟, 朱永祥, 韦成华, 吴丽雄, 刘卫平, 马志亮, 吕玉伟
2020, 37(2): 376-381. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190328.001
摘要:
胶黏剂粘接性能下降导致的面板与蜂窝芯分离是Nomex蜂窝夹层结构在高温下力学性能发生退化的主要原因。为此定义了胶黏剂的等效脱粘系数为温度升高引起蜂窝夹层结构弯曲刚度下降的损伤变量,并引入面板和蜂窝芯弹性模量的温度保持系数,建立了蜂窝夹层结构弯曲刚度温度相关性的力学模型。经外伸梁三点弯曲法试验校验,所建力学模型计算值与试验值的误差在15%内,可以较好地实现蜂窝夹层结构在高温下的弯曲刚度预报。研究成果可以用于软夹心蜂窝夹层结构在高温下弯曲刚度的估算。
热环境下纤维增强树脂复合薄壁圆柱壳的强迫振动响应
李晖, 吕海宇, 李则霖, 周娜, 闻邦椿
2020, 37(2): 382-389. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190611.001
摘要:
研究了热环境下纤维增强树脂复合薄壁圆柱壳强迫振动响应的理论求解方法。考虑了基础激励载荷的影响,并依托板壳理论、复弹性模量等方法,在确立了受热后材料与结构的本构关系、物理方程及能量方程基础上,建立了该类型纤维增强树脂复合薄壁圆柱壳在热环境下的理论模型。利用双向梁函数法表示振型函数,在引入比例阻尼的基础上,通过Ritz法和振型叠加法成功求解获得了频域振动响应。以TC300碳纤维/环氧树脂复合薄壁圆柱壳为研究对象,测试获得前3阶振动响应曲线。研究发现,相对于测试获得的前3阶共振响应结果,理论计算获得的共振响应误差最大不超过14.8%,验证了所提出的分析方法的正确性和有效性。
基于深度信念网络的玄武岩纤维增强树脂复合材料耐久性预测
兰春晏, 贾彬, 杨勇新, 黄辉
2020, 37(2): 390-399. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190506.002
摘要:
采用紫外线老化试验箱模拟大气环境中的紫外线进行加速老化试验,对玄武岩纤维增强树脂复合材料(BFRP)及环氧树脂在紫外线环境中的耐久性进行了研究。通过BFRP及环氧树脂经紫外线老化后的拉伸强度、弹性模量、断裂延伸率的变化,结合深度信念网络(DBN)的方法,预测BFRP及环氧树脂拉伸强度、弹性模量的变化趋势;并提出以同批次非破坏性试件的弹性模量作为BFRP耐久性的评价指标。结果表明,随着老化时间的延长,BFRP及环氧树脂的拉伸强度及断裂延伸率均先提高后下降,但弹性模量趋于平缓下降; DBN得到的预测值与试验值相对误差基本在10%以内,表明DBN进行BFRP及环氧树脂耐久性预测的有效性;以非破坏性试件的弹性模量来评价BFRP的耐久性更具科学性。
Al2O3@Y3Al5O12纳米短纤维对铝合金基复合材料的增强作用
何玲, 刘晨光, 李文生, 孙卫民, 潘莉莉
2020, 37(2): 400-407. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190524.001
摘要:
采用一种具有芯-壳结构的复合纳米纤维增强铝合金复合材料,可以在提高抗拉强度的同时增加塑性。通过真空热压烧结技术制备了Al2O3@Y3Al5O12复合纳米短纤维增强2024铝合金复合材料。研究了纤维添加质量分数对复合材料致密度、硬度、抗拉强度及延伸率的影响;并探究了芯-壳结构在复合材料增韧中的作用。结果表明:Al2O3@Y3Al5O12纳米短纤维具有良好的分散性,在超声分散及机械搅拌混粉后均匀吸附在铝合金颗粒表面,无分层及团聚现象;经热压烧结后,Al2O3@Y3Al5O12纳米短纤维以短纤维形态均匀分散在铝合金基体内,少量添加Al2O3@Y3Al5O12纳米短纤维起到了桥联和孔洞填充作用,使复合材料致密度和硬度提高;添加质量分数为1wt%时,抗拉强度和延伸率取得最大值,由铝合金的249.3 MPa、2.9%增加到299.1 MPa、4.3%。Al2O3@Y3Al5O12纳米短纤维的添加可以细化晶粒,阻碍裂纹扩展,且在拔出/断过程中Al2O3@Y3Al5O12纳米短纤维芯-壳结构的塑性变形起到了增强增韧作用。
基于应力强度因子评估WCP形状对WCP/Fe复合材料热疲劳裂纹扩展行为的影响
张哲轩, 周再峰, 山泉, 李祖来, 蒋业华
2020, 37(2): 408-414. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190426.001
摘要:
应力强度因子在断裂力学中广泛应用于预测由远程载荷或残余应力引起的裂缝尖端附近应力状态。本文基于平面应力条件下应力强度因子建立WCP形状与其尖端应力之间的规律,利用有限元分析软件对含不同形状WCP的WCP/Fe复合材料的热应力进行模拟仿真,研究WCP形状对WCP/Fe复合材料热疲劳裂纹扩展行为的影响。研究结果表明,WCP的形状显著影响应力强度因子,进一步影响WCP/Fe复合材料的热疲劳裂纹扩展行为。含球状和不规则状WCP的WCP/Fe复合材料的极限抗压强度分别约为460 MPa和370 MPa。含不规则状WCP的WCP/Fe复合材料因应力集中而容易产生脆性开裂现象。通过热震实验进行验证,发现实验结果与模拟仿真结果相近,说明有限元法的准确性,同时为WCP/Fe复合材料的热疲劳裂纹扩展行为研究提供科学依据和理论基础。
微晶纤维素辅助制备C-TiO2复合材料及其对Cd2+的吸附性能
王瑞佳, 聂敬恒, 樊源源, 李楠, 闫兴磊, 商旭婷, 张继国, 潘清江, 郭元茹
2020, 37(2): 415-421. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190510.003
摘要:
采用溶胶-凝胶法,利用微晶纤维素(CMC)辅助制备了C-TiO2复合材料,并对其进行了结构、组成和形貌的分析。XRD分析结果表明,所制备的C-TiO2复合材料样品为具有较高的结晶度的锐钛矿相TiO2和石墨碳的复合材料; SEM、TEM和XPS分析表明,CMC在C-TiO2复合材料的制备中起到双重作用:既是复合材料中C的前驱体,同时会增大所制备的TiO2的分散程度。同时,利用Cd2+考察了C-TiO2复合材料样品对重金属离子的吸附能力。实验表明,与未添加CMC的TiO2相比,所制备的C-TiO2复合材料对重金属离子具有很好的吸附性能,吸附量达到37.15 mgg-1,是未添加CMC的平衡吸附量(17.32 mgg-1)的214.5%。C-TiO2优异的吸附性能将使其在Cd2+的污水处理上具有很好的应用前景。
NiS2/三维多孔石墨烯复合材料作为超级电容器电极材料的电化学性能
赵文誉, 王振祥, 郑玉婴, 张祥,
2020, 37(2): 422-431. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190508.001
摘要:
选用合适的软模板,通过简便的一步溶剂热法成功制备了NiS2/三维多孔石墨烯(3D rGO)复合材料。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:制备的NiS2/3D rGO复合材料存在石墨烯三维堆叠的孔道结构,且具备较大的比表面积,为57.51 m2g-1。电化学测试表明,在1 Ag-1的电流密度下NiS2/3D rGO复合材料的比电容高达1 116.7 Fg-1,而且当电流密度增加到5 Ag-1时NiS2/3D rGO复合材料的比电容为832.2 Fg-1,比电容保持率为1 Ag-1时的74.5%。在4 Ag-1电流密度下,经过1 000次循环后,NiS2/3D rGO复合材料的比电容仍能保持91.2%。因此,NiS2/3D rGO复合材料可作为一种理想的超级电容器电极材料。
缝线对缝合增强三明治结构(陶瓷-气凝胶-陶瓷)热防护结构静力特性的影响
林聪, 贾德君, 李范春, 薛涛华
2020, 37(2): 432-441. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190516.001
摘要:
为研究缝线对热防护结构拉伸特性的影响,提出一个缝线缝合增强三明治结构(陶瓷-气凝胶-陶瓷)模型。借助有限元软件程序设计语言建模,用多阶次逐步精确分析法确定缝合增强三明治结构内部应力-应变场。首先对支架和不带缝线的试件整体进行有限元分析;然后考虑缝线等详细结构;最后截取子结构进行详细分析。将三明治结构有限元模型应力变化趋势与试验结果分析对比,验证了有限元模型有效性,并且给出有限元解的变化规律。将缝合增强三明治结构与未缝合三明治结构得到的应力-应变曲线进行对比。结果表明,结构底板受单向拉伸且缝线有预应力时,缝合增强三明治结构沿长度方向(x方向)的应力峰值可有效减小(路径1上的最大应力均减小4.6%左右);沿z方向的整体应力大幅度减小(路径3应力平均减小30%左右)。
Ag纳米线/聚乙烯醇复合材料制备及其电磁脉冲响应特性
王庆国, 卢聘, 曲兆明, 赵敏, 王妍, 成伟, 孙肖宁
2020, 37(2): 442-450. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190527.001
摘要:
为研究非线性导电复合材料在电磁脉冲作用下的响应特性,采用多元醇法合成了具有较高长径比的Ag纳米线(AgNWs),并以聚乙烯醇(PVA)为基体,制备了不同体积分数的AgNWs/PVA复合材料样品。使用功率器件分析仪和脉冲响应测试系统分别测试AgNWs/PVA复合材料的场致非线性导电特性和电磁脉冲响应特性。结果表明,AgNWs/PVA复合材料在一定的体积分数区间内具有优异的非线性导电特性;在阈值电压下,AgNWs/PVA复合材料的电导率迅速增大,电流存在约四个数量级的大幅度的跃变,填充体积分数为1.05vol%的AgNWs/PVA复合材料非线性系数α可达1 959.89。在AgNWs/PVA复合材料的方波脉冲阈值电压附近,脉冲响应测试系统的示波器上输出波形的电压幅值出现了明显的衰减,表明在方波脉冲作用下AgNWs/PVA复合材料的电导率迅速增大。AgNWs/PVA复合材料具有电磁能量的低通特性,在具有信息收发功能的电子设备的强电磁脉冲防护领域具有广阔的应用前景。
配筋聚乙烯醇纤维增强水泥复合材料梁的曲率延性
刘曙光, 白茹, 张菊, 闫长旺
2020, 37(2): 451-460. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190717.002
摘要:
聚乙烯醇纤维增强水泥(Polyvinyl alcohol fiber reinforced cement,PVA/C)复合材料具有优越的受拉应变硬化特性,可显著提高结构的变形能力。本文以PVA纤维体积分数和受拉钢筋配筋率为研究参数,对6根配筋PVA/C梁和2根普通混凝土梁(RC)进行四点弯曲试验,并对其曲率延性进行了试验研究和理论分析。试验研究表明:配筋PVA/C梁的荷载-挠度(P-δ)关系曲线所包围的面积是C梁的1.64~2.43倍,证明配筋PVA/C梁有较好的持荷变形能力;在PVA纤维体积分数一定的情况下,试验梁的曲率延性系数随受拉钢筋配筋率的增大而减小;在受拉钢筋配筋率一定的情况下,配筋PVA/C梁的曲率延性系数是C梁的1.56~2.02倍,证明掺入PVA纤维显著提高了试验梁的延性。建立了配筋PVA/C梁曲率延性系数的计算公式,并分析了PVA纤维体积分数对受压区高度系数和曲率延性系数的影响,试验结果与计算结果吻合较好。
聚乙烯醇纤维改性高延性混凝土双面剪切试验及剪切韧性评价方法
邓明科, 刘华政, 马福栋, 邓灿
2020, 37(2): 461-471. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190528.002
摘要:
为研究高延性混凝土(HDC)的剪切性能并评价其剪切韧性,设计了5组HDC试件、1组HDC基体试件(不含纤维)和1组普通混凝土对比试件,通过双面剪切试验,以纤维体积分数和HDC抗压强度为参数,分析其破坏形态、抗剪强度及峰值变形,根据试验结果提出了HDC的剪切韧性评价方法。结果表明:HDC纤维桥联作用及纤维拔出过程中吸收了大量能量,试件发生具有延性特征的剪切破坏;与基体试件和普通混凝土试件相比,HDC试件的抗剪强度和峰值变形均显著提高,其提高幅度随纤维体积分数的增加而增大;随HDC抗压强度的增大,试件抗剪强度增大,峰值变形降低;采用初始能量密度和残余剪切韧度比评价HDC的剪切韧性,其剪切韧性显著高于基体和普通混凝土。
基于激光热激励红外热成像纤维增强聚合物复合材料加固混凝土结构界面损伤无损检测
许颖, 王青原, 罗聪聪, 郑倩
2020, 37(2): 472-481. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190428.001
摘要:
红外热成像(IRT)检测技术常被用于纤维增强聚合物复合材料(FRP)加固混凝土板的剥离损伤无损检测。但传统热源激励IRT法受加热距离短、热灵敏度低、功耗大等因素影响较大。本文提出了基于光学激发线激光热源的IRT法对FRP加固混凝土的剥离检测方法,该方法通过控制线热束在FRP加固混凝土结构的表面形成移动扫描热激励,通过红外热像仪测量结构中的界面剥离引起的表面局部热分布异常。基于模拟和实验研究结果,证明该方法对FRP加固混凝土结构中界面剥离检测具有如下优势:利用激光扫描热成像技术检测FRP改造混凝土结构中剥离损伤的可行性;实现了FRP加固混凝土结构的远距离、高热灵敏度及低功耗的损伤检测。
基于重复子结构的缝合式夹芯板动态特性计算
聂文伟, 曹芝腑, 姜东, 费庆国, 吴邵庆
2020, 37(2): 482-491. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20190701.003
摘要:
根据复合材料具有可重复单胞的特征,提出一种基于重复子结构的缝合式夹芯板动力学建模方法。利用复合材料精细化单胞有限元模型构造初始子结构和残余结构,通过空间位置关系映射得到重复子结构,将所有子结构组装到残余结构上,实现复合材料重复子结构动力学建模及分析。以缝合式夹芯板为例,对其进行重复子结构建模及动态特性分析,并与精细化实体有限元模型进行对比,验证方法的计算精度和效率。研究了初始子结构外部节点选取、残余结构位置选取、初始子结构尺寸选取对重复子结构建模及分析结果的影响。结果表明:针对具有重复性单胞的缝合式夹芯板结构,利用重复子结构进行动力学建模,残余结构的选取具有不唯一性,且初始子结构外部节点数量越多,重复映射过程越少,计算精度和计算效率越高;当初始子结构外部节点选取比例为50%时,相比较复合材料结构的精细化建模方法,可以提高结构动态分析效率。