2021年 第38卷 第1期
2021, (1): 1-5.
摘要:
2021, 38(1): 1-15.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200909.003
摘要:
液相夹杂复合软材料是一类由功能液体或相变材料作为夹杂物的智能材料，由于其具备优异的变形特性和功能可设计性，近年来在柔性电子器件、可穿戴设备、软体机器人等领域得到广泛研究和应用。本文从以下几个方面回顾液相夹杂复合软材料的最新研究进展：首先，重点介绍非相变夹杂和相变夹杂复合软材料的功能设计及制备方法；然后，详细阐述液相夹杂复合软材料等效力学性能研究及尺寸效应；最后，简要探讨液相夹杂复合软材料研究所面临的挑战及值得关注的研究方向。
液相夹杂复合软材料是一类由功能液体或相变材料作为夹杂物的智能材料，由于其具备优异的变形特性和功能可设计性，近年来在柔性电子器件、可穿戴设备、软体机器人等领域得到广泛研究和应用。本文从以下几个方面回顾液相夹杂复合软材料的最新研究进展：首先，重点介绍非相变夹杂和相变夹杂复合软材料的功能设计及制备方法；然后，详细阐述液相夹杂复合软材料等效力学性能研究及尺寸效应；最后，简要探讨液相夹杂复合软材料研究所面临的挑战及值得关注的研究方向。
2021, 38(1): 16-24.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200921.006
摘要:
复合材料化是航空、航天、国防、交通等装备结构升级的重要趋势。碳纤维复合材料的力学性能优异，同时兼具良好的导电特性，可用于存储和释放电能，实现结构的承载和储/放电一体化，从而达到材料多功能化和结构轻量化。结构储电复合材料通常是采用碳纤维织物作为电极材料，采用具有结构承载和离子导电的多功能聚合物基体为固态电解质，玻璃纤维织物等作为隔膜材料。本文主要对典型结构储电复合材料进行综述，包括结构电池、结构介电电容器和结构超级电容器，详细阐述了三种结构储电复合材料的组分材料、器件工作原理及多功能特性等。通过对比三种结构储电复合材料，概括了结构储电复合材料所面临的问题和挑战，提出了结构储电复合材料的发展趋势。
复合材料化是航空、航天、国防、交通等装备结构升级的重要趋势。碳纤维复合材料的力学性能优异，同时兼具良好的导电特性，可用于存储和释放电能，实现结构的承载和储/放电一体化，从而达到材料多功能化和结构轻量化。结构储电复合材料通常是采用碳纤维织物作为电极材料，采用具有结构承载和离子导电的多功能聚合物基体为固态电解质，玻璃纤维织物等作为隔膜材料。本文主要对典型结构储电复合材料进行综述，包括结构电池、结构介电电容器和结构超级电容器，详细阐述了三种结构储电复合材料的组分材料、器件工作原理及多功能特性等。通过对比三种结构储电复合材料，概括了结构储电复合材料所面临的问题和挑战，提出了结构储电复合材料的发展趋势。
2021, 38(1): 25-35.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200921.004
摘要:
吸波超材料由于其独特的电磁特性，在过去十几年内成为吸波功能材料领域的研究热点。本文通过对近些年吸波超材料报道的归纳总结，对吸波超材料的研究进展进行介绍。经过多年来的发展，吸波超材料从最初的单一功能窄频段吸波特性逐渐向宽频带、宽角度入射、可智能调节等多功能方向发展，而在吸波频段的研究也由微波频段扩展至太赫兹、近红外、可见光等频段。对不同类型的吸波超材料分别进行介绍，对于不同特点吸波超材料的制备、设计方法和工作原理进行总结，最后对吸波超材料的发展方向进行了展望。
吸波超材料由于其独特的电磁特性，在过去十几年内成为吸波功能材料领域的研究热点。本文通过对近些年吸波超材料报道的归纳总结，对吸波超材料的研究进展进行介绍。经过多年来的发展，吸波超材料从最初的单一功能窄频段吸波特性逐渐向宽频带、宽角度入射、可智能调节等多功能方向发展，而在吸波频段的研究也由微波频段扩展至太赫兹、近红外、可见光等频段。对不同类型的吸波超材料分别进行介绍，对于不同特点吸波超材料的制备、设计方法和工作原理进行总结，最后对吸波超材料的发展方向进行了展望。
2021, 38(1): 36-44.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200825.004
摘要:
玻璃纤维增强聚合物基复合材料因其成本低、力学性能好等优点被广泛应用，而导电玻璃纤维增强复合材料将进一步拓展玻璃纤维复合材料的应用领域，也是其未来发展的重要方向。本文综述了国内外导电玻璃纤维的种类、构建结构及特征性能等，同时介绍了不同导电玻璃纤维对玻璃纤维功能复合材料的性能影响；最后，结合目前导电玻璃纤维及其复合材料的应用和限制，阐述了聚合物基导电玻璃纤维功能复合材料的发展趋势。
玻璃纤维增强聚合物基复合材料因其成本低、力学性能好等优点被广泛应用，而导电玻璃纤维增强复合材料将进一步拓展玻璃纤维复合材料的应用领域，也是其未来发展的重要方向。本文综述了国内外导电玻璃纤维的种类、构建结构及特征性能等，同时介绍了不同导电玻璃纤维对玻璃纤维功能复合材料的性能影响；最后，结合目前导电玻璃纤维及其复合材料的应用和限制，阐述了聚合物基导电玻璃纤维功能复合材料的发展趋势。
2021, 38(1): 45-54.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200921.005
摘要:
近年来，金属-有机骨架(MOFs)及其衍生物由于具有高孔隙率、可修饰的官能团、可控的化学成分等优点，在改善硅负极体积膨胀和导电性等方面取得了很大进展。通过讨论MOFs及其衍生物在锂离子电池硅负极的最新研究成果，重点阐述了以MOFs为基体的硅负极的结构设计，提出了影响其电化学性能的相关因素。最后，针对MOFs及其衍生物在电化学应用中的研究瓶颈和可能的发展方向提出看法。
近年来，金属-有机骨架(MOFs)及其衍生物由于具有高孔隙率、可修饰的官能团、可控的化学成分等优点，在改善硅负极体积膨胀和导电性等方面取得了很大进展。通过讨论MOFs及其衍生物在锂离子电池硅负极的最新研究成果，重点阐述了以MOFs为基体的硅负极的结构设计，提出了影响其电化学性能的相关因素。最后，针对MOFs及其衍生物在电化学应用中的研究瓶颈和可能的发展方向提出看法。
2021, 38(1): 55-66.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200813.001
摘要:
随着城市化进展的加快和高层建筑的增加，传统材料阻燃处理手段已无法满足消防安全需求，需要额外引入火灾预警系统。当今主流的商业火灾预警系统与建筑材料分离，往往需要较长时间才能实现预警，无法为火灾的及时扑救和人员撤离提供最佳时间，而实现火灾超早期预警的关键在于将火灾传感器与基体紧密结合。智能涂层是一种人造的、能够对外部刺激有选择地提供最佳反应的涂层系统。将智能涂层引入传统建材领域，赋予各种材料阻燃预警响应功能，使其在使用过程中主动对外界“火灾”做出反应，将极大程度提高建筑的可靠性，对保障人员的生命及财产安全具有重大研究意义。本文综述并讨论了近年来阻燃预警涂层的火灾响应机制、构筑策略及目前的研究现状，展望了该领域的发展和应用前景。
随着城市化进展的加快和高层建筑的增加，传统材料阻燃处理手段已无法满足消防安全需求，需要额外引入火灾预警系统。当今主流的商业火灾预警系统与建筑材料分离，往往需要较长时间才能实现预警，无法为火灾的及时扑救和人员撤离提供最佳时间，而实现火灾超早期预警的关键在于将火灾传感器与基体紧密结合。智能涂层是一种人造的、能够对外部刺激有选择地提供最佳反应的涂层系统。将智能涂层引入传统建材领域，赋予各种材料阻燃预警响应功能，使其在使用过程中主动对外界“火灾”做出反应，将极大程度提高建筑的可靠性，对保障人员的生命及财产安全具有重大研究意义。本文综述并讨论了近年来阻燃预警涂层的火灾响应机制、构筑策略及目前的研究现状，展望了该领域的发展和应用前景。
2021, 38(1): 67-83.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200922.002
摘要:
智能可穿戴领域是一个集多学科多门类的交叉研究领域，近年来备受各界学者关注。导电纤维作为智能可穿戴设备的枢纽，因其优异的力学性能、突出的电学和光学等功能特性，在智能可穿戴领域具有广阔的应用前景，并成为研究热点。针对目前研究学者对于可应用在柔性智能可穿戴纺织品中导电纤维的研究进展情况，系统地综述了导电纤维(包括金属导电纤维、导电聚合物纤维、碳系导电纤维)的导电机制、制备方法等。并详细阐述了近三年来研究人员运用不同电极材料制备的复合导电纤维的研究进展和未来的应用发展方向，最后总结并展望了此类柔性导电纤维的发展前景。以期望能够对未来可穿戴智能织物设备和小型化的柔性智能电子产品的科研创新研发有所助益。
智能可穿戴领域是一个集多学科多门类的交叉研究领域，近年来备受各界学者关注。导电纤维作为智能可穿戴设备的枢纽，因其优异的力学性能、突出的电学和光学等功能特性，在智能可穿戴领域具有广阔的应用前景，并成为研究热点。针对目前研究学者对于可应用在柔性智能可穿戴纺织品中导电纤维的研究进展情况，系统地综述了导电纤维(包括金属导电纤维、导电聚合物纤维、碳系导电纤维)的导电机制、制备方法等。并详细阐述了近三年来研究人员运用不同电极材料制备的复合导电纤维的研究进展和未来的应用发展方向，最后总结并展望了此类柔性导电纤维的发展前景。以期望能够对未来可穿戴智能织物设备和小型化的柔性智能电子产品的科研创新研发有所助益。
2021, 38(1): 84-92.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200727.004
摘要:
将三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)和次磷酸铝(AP)阻燃剂添加到木纤维/酚醛树脂(WF/PR)复合材料中，通过人造板热压工艺技术制备阻燃高密度纤维板(MPP-AP-WF/PR)复合材料，探索了MPP和AP组成复配阻燃剂时，MPP-AP-WF/PR复合材料达到最佳阻燃性能时MPP与AP的最佳质量比。采用弯曲强度、吸水厚度膨胀率、吸水率、热失重和极限氧指数(LOI)研究阻燃剂对MPP-AP-WF/PR复合材料的力学性能、耐水性能、耐热性能和阻燃性能的影响，探讨其阻燃机制。结果表明，添加阻燃剂之后，MPP-AP-WF/PR复合材料的力学性能和耐水性能明显降低；而热失重测试结果表明，阻燃剂对MPP-AP-WF/PR复合材料的初始耐热性能没有明显影响，但两者在高温下的协同效应有助于提高残炭量；LOI测试结果表明，单独使用时，MPP比AP具有更好的阻燃效果，当MPP和AP复配使用、MPP与AP的质量比为1∶2时，MPP-AP-WF/PR复合材料具有最好的阻燃效果，这是由于MPP和AP存在协同效用。且SEM和EDS表征发现，MPP-AP-WF/PR复合材料燃烧之后形成致密的含磷酸类物质的炭层，有效阻止了O2和热量进入到炭层的内部，从而提高了MPP-AP-WF/PR复合材料的阻燃性能。
将三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)和次磷酸铝(AP)阻燃剂添加到木纤维/酚醛树脂(WF/PR)复合材料中，通过人造板热压工艺技术制备阻燃高密度纤维板(MPP-AP-WF/PR)复合材料，探索了MPP和AP组成复配阻燃剂时，MPP-AP-WF/PR复合材料达到最佳阻燃性能时MPP与AP的最佳质量比。采用弯曲强度、吸水厚度膨胀率、吸水率、热失重和极限氧指数(LOI)研究阻燃剂对MPP-AP-WF/PR复合材料的力学性能、耐水性能、耐热性能和阻燃性能的影响，探讨其阻燃机制。结果表明，添加阻燃剂之后，MPP-AP-WF/PR复合材料的力学性能和耐水性能明显降低；而热失重测试结果表明，阻燃剂对MPP-AP-WF/PR复合材料的初始耐热性能没有明显影响，但两者在高温下的协同效应有助于提高残炭量；LOI测试结果表明，单独使用时，MPP比AP具有更好的阻燃效果，当MPP和AP复配使用、MPP与AP的质量比为1∶2时，MPP-AP-WF/PR复合材料具有最好的阻燃效果，这是由于MPP和AP存在协同效用。且SEM和EDS表征发现，MPP-AP-WF/PR复合材料燃烧之后形成致密的含磷酸类物质的炭层，有效阻止了O2和热量进入到炭层的内部，从而提高了MPP-AP-WF/PR复合材料的阻燃性能。
2021, 38(1): 93-101.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200720.001
摘要:
本研究将空心玻璃微珠(HGB)引入到全芳香族热固性共聚酯(ATPE)发泡体系中制备了HGB/ATPE复合泡沫，并研究了HGB的含量和泡沫性能对于复合泡沫体系的影响。当玻璃微珠改性后，HGB/ATPE复合泡沫的比强度为26.2 MPa/(g·cm−3)；HGB的加入也使复合体系热性能和阻燃性能有较大提高，HGB/ATPE复合泡沫的热分解温度、玻璃化转变温度及热变形温度分别为494.18℃、230.47℃和191.00℃，极限氧指数可达到35%~37%。
本研究将空心玻璃微珠(HGB)引入到全芳香族热固性共聚酯(ATPE)发泡体系中制备了HGB/ATPE复合泡沫，并研究了HGB的含量和泡沫性能对于复合泡沫体系的影响。当玻璃微珠改性后，HGB/ATPE复合泡沫的比强度为26.2 MPa/(g·cm−3)；HGB的加入也使复合体系热性能和阻燃性能有较大提高，HGB/ATPE复合泡沫的热分解温度、玻璃化转变温度及热变形温度分别为494.18℃、230.47℃和191.00℃，极限氧指数可达到35%~37%。
2021, 38(1): 102-110.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200610.003
摘要:
为改善玻璃纤维/环氧树脂(GF/EP)复合材料的耐摩擦磨损性能，采用真空抽滤法制备柔性MoO3纳米带-氧化碳纳米管膜(m-MoO3-OCNTs)，并结合真空辅助树脂转移模塑(VARTM)工艺制备m-MoO3-OCNTs改性GF/EP (m-MoO3-OCNTs-(GF/EP))复合材料。结果表明，m-MoO3-OCNTs显著提高了GF/EP复合材料的导热系数和自润滑性能，在干摩擦测试条件下，可在m-MoO3-OCNTs-(GF/EP)复合材料与对偶面之间形成有效传递摩擦热的高质量连续转移膜；与GF/EP复合材料相比，m-MoO3-OCNTs-(GF/EP)复合材料的耐摩擦磨损磨性能提高了约4倍。
为改善玻璃纤维/环氧树脂(GF/EP)复合材料的耐摩擦磨损性能，采用真空抽滤法制备柔性MoO3纳米带-氧化碳纳米管膜(m-MoO3-OCNTs)，并结合真空辅助树脂转移模塑(VARTM)工艺制备m-MoO3-OCNTs改性GF/EP (m-MoO3-OCNTs-(GF/EP))复合材料。结果表明，m-MoO3-OCNTs显著提高了GF/EP复合材料的导热系数和自润滑性能，在干摩擦测试条件下，可在m-MoO3-OCNTs-(GF/EP)复合材料与对偶面之间形成有效传递摩擦热的高质量连续转移膜；与GF/EP复合材料相比，m-MoO3-OCNTs-(GF/EP)复合材料的耐摩擦磨损磨性能提高了约4倍。
2021, 38(1): 111-119.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200519.002
摘要:
采用预聚体法制备了三种应用于阳极键合柔性封装的聚合物复合弹性体(PEO-PUEs)阴极材料，并在室温下浇注固化。PEO-PUEs复合材料具有良好的耐热性和柔顺性，5%热分解温度Td,5%高于250℃，玻璃化转变温度Tg低于−40℃，且力学性能良好。当1,4-丁二醇(BDO)含量为50wt%、三羟甲基丙烷(TMP)含量为50wt%、SiO2含量为1wt%时，PEO-PUEs复合材料在阳极键合温度下(65℃)具有较高的离子导电率，PEO-PUEs复合材料的离子导电率最高可达1.50×10−3 S·cm−1，符合阳极键合对阴极材料的要求。设计了专用于聚合物复合材料的热引导动态场阳极键合工艺，并成功应用于PEO-PUEs复合材料与Al箔的阳极键合连接，当BDO含量为50wt%、TMP含量为50wt%、SiO2含量为1wt%时，PEO-PUEs复合材料和Al箔阳极键合的连接性能最好，键合界面拉伸强度达1.26 MPa。通过与传统阳极键合工艺对比，热引导动态场阳极键合具有稳定致密的中间键合层，峰值电流和键合时间明显增大，键合界面强度高。本研究从制备聚合物阴极材料和设计相应的阳极键合工艺两个方面，为阳极键合在柔性封装的实际应用提供一些理论基础和参考经验。
采用预聚体法制备了三种应用于阳极键合柔性封装的聚合物复合弹性体(PEO-PUEs)阴极材料，并在室温下浇注固化。PEO-PUEs复合材料具有良好的耐热性和柔顺性，5%热分解温度Td,5%高于250℃，玻璃化转变温度Tg低于−40℃，且力学性能良好。当1,4-丁二醇(BDO)含量为50wt%、三羟甲基丙烷(TMP)含量为50wt%、SiO2含量为1wt%时，PEO-PUEs复合材料在阳极键合温度下(65℃)具有较高的离子导电率，PEO-PUEs复合材料的离子导电率最高可达1.50×10−3 S·cm−1，符合阳极键合对阴极材料的要求。设计了专用于聚合物复合材料的热引导动态场阳极键合工艺，并成功应用于PEO-PUEs复合材料与Al箔的阳极键合连接，当BDO含量为50wt%、TMP含量为50wt%、SiO2含量为1wt%时，PEO-PUEs复合材料和Al箔阳极键合的连接性能最好，键合界面拉伸强度达1.26 MPa。通过与传统阳极键合工艺对比，热引导动态场阳极键合具有稳定致密的中间键合层，峰值电流和键合时间明显增大，键合界面强度高。本研究从制备聚合物阴极材料和设计相应的阳极键合工艺两个方面，为阳极键合在柔性封装的实际应用提供一些理论基础和参考经验。
2021, 38(1): 120-128.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200603.003
摘要:
将埃洛石纳米管(HNTs)与2-羧乙基苯基次磷酸(CEPPA)复配并用于环氧树脂(EP)阻燃改性，制备了CEPPA-HNTs/EP复合材料。研究了HNTs与CEPPA的配比对CEPPA-HNTs/EP复合材料热稳定性、阻燃性及力学性能的影响。TG分析表明，CEPPA与HNTs复配可提高CEPPA-HNTs/EP复合材料的热稳定性，促进成炭并降低分解速率。锥形量热和极限氧指数分析表明，加入HNTs可降低EP热释放速率，而CEPPA对提高EP的极限氧指数作用更显著。残炭的红外分析及SEM结果表明，燃烧过程中CEPPA与HNTs反应生成硅铝磷酸盐促进凝聚相的脱水交联，形成更致密的炭层。力学性能分析表明，当HNTs与EP和CEPPA与EP的质量比分别为6%和4%时，CEPPA-HNTs/EP复合材料的拉伸强度和冲击强度分别提高了19.4%和17.3%，冲击断面的SEM图像显示CEPPA-HNTs/EP复合材料呈韧性断裂。
将埃洛石纳米管(HNTs)与2-羧乙基苯基次磷酸(CEPPA)复配并用于环氧树脂(EP)阻燃改性，制备了CEPPA-HNTs/EP复合材料。研究了HNTs与CEPPA的配比对CEPPA-HNTs/EP复合材料热稳定性、阻燃性及力学性能的影响。TG分析表明，CEPPA与HNTs复配可提高CEPPA-HNTs/EP复合材料的热稳定性，促进成炭并降低分解速率。锥形量热和极限氧指数分析表明，加入HNTs可降低EP热释放速率，而CEPPA对提高EP的极限氧指数作用更显著。残炭的红外分析及SEM结果表明，燃烧过程中CEPPA与HNTs反应生成硅铝磷酸盐促进凝聚相的脱水交联，形成更致密的炭层。力学性能分析表明，当HNTs与EP和CEPPA与EP的质量比分别为6%和4%时，CEPPA-HNTs/EP复合材料的拉伸强度和冲击强度分别提高了19.4%和17.3%，冲击断面的SEM图像显示CEPPA-HNTs/EP复合材料呈韧性断裂。
2021, 38(1): 129-136.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200619.001
摘要:
以AlB2和SiC颗粒填充酚醛树脂作为基体，高硅氧纤维作为增强体，制备了高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料。研究了不同添加量的AlB2颗粒对高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料常温和1200℃裂解产物性能的影响，并分析了AlB2颗粒对其裂解产物的增强机制。结果表明：随着AlB2颗粒的添加，高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料常温下的弯曲强度逐渐减小，但其1200℃裂解产物的弯曲强度先增大后减小。当AlB2颗粒与酚醛树脂的质量比为12%时，裂解产物的弯曲强度提高最为显著，相比未添加AlB2颗粒的复合材料，其裂解产物的弯曲强度提高了16.4%。AlB2颗粒在1200℃有氧环境中反应生成由B2O3 、Al2O3和Al20B4O36组成的共熔体，填充了树脂基体裂解产生的孔隙，明显减少复合材料裂解产物的结构缺陷，阻止内部材料进一步氧化，提高了裂解产物的力学性能。
以AlB2和SiC颗粒填充酚醛树脂作为基体，高硅氧纤维作为增强体，制备了高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料。研究了不同添加量的AlB2颗粒对高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料常温和1200℃裂解产物性能的影响，并分析了AlB2颗粒对其裂解产物的增强机制。结果表明：随着AlB2颗粒的添加，高硅氧纤维/可瓷化酚醛树脂复合材料常温下的弯曲强度逐渐减小，但其1200℃裂解产物的弯曲强度先增大后减小。当AlB2颗粒与酚醛树脂的质量比为12%时，裂解产物的弯曲强度提高最为显著，相比未添加AlB2颗粒的复合材料，其裂解产物的弯曲强度提高了16.4%。AlB2颗粒在1200℃有氧环境中反应生成由B2O3 、Al2O3和Al20B4O36组成的共熔体，填充了树脂基体裂解产生的孔隙，明显减少复合材料裂解产物的结构缺陷，阻止内部材料进一步氧化，提高了裂解产物的力学性能。
2021, 38(1): 137-144.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200605.001
摘要:
采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO)，并用马来酸酐(MAH)接枝改性制得MAH接枝氧化石墨烯(MAH-GO)。以二烯丙基双酚A (BBA)和双酚A双烯丙基醚(BBE)为活性稀释剂，4,4’-二氨基二苯甲烷型双马来酰亚胺(MBMI)为反应单体合成MBMI-BBA-BBE (MBAE)树脂基体；并以MAH-GO为增强体通过原位聚合制得MAH-GO/MBAE复合材料，表征MAH-GO的微观结构及其对复合材料力学性能的影响。结果表明：MAH成功接枝在GO表面，片层结构清晰，且表面出现褶皱，采用化学滴定法测定接枝率约为11.32%。MAH-GO/MBAE复合材料的微观形貌结果表明，当适量的MAH-GO加入体系中后，MAH-GO/MBAE复合材料断裂纹呈“树枝状”无规则发散，为典型的韧性断裂。当MAH-GO添加量为0.5wt%时，MAH-GO在基体中分散均匀，MAH-GO/MBAE复合材料的冲击强度和弯曲强度分别为15.88 kJ/m2和142.13 MPa，比基体树脂分别提高了67.68%和43.61%，力学性能得到明显改善。
采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO)，并用马来酸酐(MAH)接枝改性制得MAH接枝氧化石墨烯(MAH-GO)。以二烯丙基双酚A (BBA)和双酚A双烯丙基醚(BBE)为活性稀释剂，4,4’-二氨基二苯甲烷型双马来酰亚胺(MBMI)为反应单体合成MBMI-BBA-BBE (MBAE)树脂基体；并以MAH-GO为增强体通过原位聚合制得MAH-GO/MBAE复合材料，表征MAH-GO的微观结构及其对复合材料力学性能的影响。结果表明：MAH成功接枝在GO表面，片层结构清晰，且表面出现褶皱，采用化学滴定法测定接枝率约为11.32%。MAH-GO/MBAE复合材料的微观形貌结果表明，当适量的MAH-GO加入体系中后，MAH-GO/MBAE复合材料断裂纹呈“树枝状”无规则发散，为典型的韧性断裂。当MAH-GO添加量为0.5wt%时，MAH-GO在基体中分散均匀，MAH-GO/MBAE复合材料的冲击强度和弯曲强度分别为15.88 kJ/m2和142.13 MPa，比基体树脂分别提高了67.68%和43.61%，力学性能得到明显改善。
2021, 38(1): 145-154.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200824.003
摘要:
采用真空辅助成型工艺(VARI)制备了四种无纺布(聚酰胺(PA)、聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、共聚酯(PEs))层间改性的玻璃纤维/环氧乙烯基酯树脂(GF/EVER)复合材料层合板。在温度为20℃下进行落锤冲击实验，对比分析了不同层间改性的GF/EVER复合材料层合板的低速冲击响应特性和抗冲击性能；利用超声C扫描和SEM分析了其冲击损伤机制。通过对复合材料层合板的冲击损伤面积、凹坑深度、最大接触力、冲击后剩余压缩强度(CAI)值的对比分析可知，经TPU和PEs无纺布层间改性的GF/EVER复合材料抗冲击性能较佳。不同的无纺布和基体树脂生成的界面相与纤维的结合程度不尽相同。层间改性的GF/EVER复合材料的冲击损伤机制为冲击正面表层基体树脂的开裂，其内部的分层和冲击背面的分层劈裂或纤维断裂；同时，进一步研究了经TPU和PEs改性的GF/EVER复合材料在低温下(−100℃和−45℃)的低速冲击性能，结果表明，随着温度的降低，GF/EVER复合材料的冲击损伤面积随之增大，CAI值随之减小，这可能是GF/EVER复合材料在低温下层间残余热应力和基体树脂脆化效应综合作用的结果。
采用真空辅助成型工艺(VARI)制备了四种无纺布(聚酰胺(PA)、聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、共聚酯(PEs))层间改性的玻璃纤维/环氧乙烯基酯树脂(GF/EVER)复合材料层合板。在温度为20℃下进行落锤冲击实验，对比分析了不同层间改性的GF/EVER复合材料层合板的低速冲击响应特性和抗冲击性能；利用超声C扫描和SEM分析了其冲击损伤机制。通过对复合材料层合板的冲击损伤面积、凹坑深度、最大接触力、冲击后剩余压缩强度(CAI)值的对比分析可知，经TPU和PEs无纺布层间改性的GF/EVER复合材料抗冲击性能较佳。不同的无纺布和基体树脂生成的界面相与纤维的结合程度不尽相同。层间改性的GF/EVER复合材料的冲击损伤机制为冲击正面表层基体树脂的开裂，其内部的分层和冲击背面的分层劈裂或纤维断裂；同时，进一步研究了经TPU和PEs改性的GF/EVER复合材料在低温下(−100℃和−45℃)的低速冲击性能，结果表明，随着温度的降低，GF/EVER复合材料的冲击损伤面积随之增大，CAI值随之减小，这可能是GF/EVER复合材料在低温下层间残余热应力和基体树脂脆化效应综合作用的结果。
2021, 38(1): 155-164.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200511.002
摘要:
制备了不同杨木纤维含量的杨木纤维/聚乙烯复合材料，利用Hirsch模型、Kelly-Tyson模型和Bowyer-Bader模型对杨木纤维/聚乙烯复合材料的微观力学进行建模，通过对杨木纤维/聚乙烯复合材料及塑料基体的拉伸应力-应变曲线和杨木纤维长度分布的研究，计算得到杨木纤维在聚乙烯基体中的取向系数、界面剪切强度和本征抗拉强度，解释了杨木纤维/聚乙烯复合材料拉伸性能的变化规律。此外，利用微观力学模型计算得到了亚临界纤维、超临界纤维、塑料基体对杨木纤维/聚乙烯复合材料拉伸强度的贡献比例。
制备了不同杨木纤维含量的杨木纤维/聚乙烯复合材料，利用Hirsch模型、Kelly-Tyson模型和Bowyer-Bader模型对杨木纤维/聚乙烯复合材料的微观力学进行建模，通过对杨木纤维/聚乙烯复合材料及塑料基体的拉伸应力-应变曲线和杨木纤维长度分布的研究，计算得到杨木纤维在聚乙烯基体中的取向系数、界面剪切强度和本征抗拉强度，解释了杨木纤维/聚乙烯复合材料拉伸性能的变化规律。此外，利用微观力学模型计算得到了亚临界纤维、超临界纤维、塑料基体对杨木纤维/聚乙烯复合材料拉伸强度的贡献比例。
2021, 38(1): 165-176.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200922.003
摘要:
本文基于实验和数值模拟方法研究了碳纤维-玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击性能。采用商业有限元软件ABAQUS建立了层间/层内两类混杂复合材料低速冲击模型，采用基于应变形式的Hashin失效准则模拟面内损伤；零厚度Cohesive内聚力单元预测层间分层；编写VUMAT子程序定义渐进失效过程，并结合C扫和Micro-CT扫描，分析了复合材料内部微观损伤形貌及损伤分布情况。结果表明，层间混杂结构复合材料的抗冲击性能更优，其中铺层形式为I-C的混杂复合材料抗冲击性能最佳，冲击面为玻璃纤维时混杂结构复合材料对冲击响应区别不明显，CN-1层内混杂结构复合材料抗冲击性能优于CN-2层内混杂结构复合材料。低速冲击损伤主要为冲击处纤维断裂、基体破坏及界面分层，混杂结构可有效降低冲击破坏，层间混杂结构中玻璃纤维层损伤较大，层内混杂结构损伤受混杂界面影响，碳纤维束对临近的玻璃纤维束具有保护作用。
本文基于实验和数值模拟方法研究了碳纤维-玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击性能。采用商业有限元软件ABAQUS建立了层间/层内两类混杂复合材料低速冲击模型，采用基于应变形式的Hashin失效准则模拟面内损伤；零厚度Cohesive内聚力单元预测层间分层；编写VUMAT子程序定义渐进失效过程，并结合C扫和Micro-CT扫描，分析了复合材料内部微观损伤形貌及损伤分布情况。结果表明，层间混杂结构复合材料的抗冲击性能更优，其中铺层形式为I-C的混杂复合材料抗冲击性能最佳，冲击面为玻璃纤维时混杂结构复合材料对冲击响应区别不明显，CN-1层内混杂结构复合材料抗冲击性能优于CN-2层内混杂结构复合材料。低速冲击损伤主要为冲击处纤维断裂、基体破坏及界面分层，混杂结构可有效降低冲击破坏，层间混杂结构中玻璃纤维层损伤较大，层内混杂结构损伤受混杂界面影响，碳纤维束对临近的玻璃纤维束具有保护作用。
2021, 38(1): 177-185.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200316.001
摘要:
提出了采用数字图像相关(DIC)方法和有限元模型修正(FEMU)技术相结合，通过短梁剪切(SBS)试验获得碳纤维增强环氧树脂(IM7/8552)正交各向异性复合材料单向带层合板沿厚度方向压缩本构关系参数的试验方法。该方法根据假设材料初始本构，采用3D有限元模型(FEM)计算获得主平面压头下方沿厚度方向的应力和应变分布，以DIC实测应变和有限元计算应变之间的方差建立目标函数，并在FEM中进行迭代更新，收敛后获得材料本构参数。由于选择的试样加载形式近似静定结构，试样表面的应力分布对材料本构关系及参数弱相关，上述迭代过程进一步转化为通过全场有限元计算应力和DIC实测应变之间的最小二乘回归识别假设本构关系及参数。因此，该方法具有以下优点：迭代过程中不需要建立针对识别参数的显式敏感度矩阵，识别效率高；识别过程对初始材料本构参数不敏感。
提出了采用数字图像相关(DIC)方法和有限元模型修正(FEMU)技术相结合，通过短梁剪切(SBS)试验获得碳纤维增强环氧树脂(IM7/8552)正交各向异性复合材料单向带层合板沿厚度方向压缩本构关系参数的试验方法。该方法根据假设材料初始本构，采用3D有限元模型(FEM)计算获得主平面压头下方沿厚度方向的应力和应变分布，以DIC实测应变和有限元计算应变之间的方差建立目标函数，并在FEM中进行迭代更新，收敛后获得材料本构参数。由于选择的试样加载形式近似静定结构，试样表面的应力分布对材料本构关系及参数弱相关，上述迭代过程进一步转化为通过全场有限元计算应力和DIC实测应变之间的最小二乘回归识别假设本构关系及参数。因此，该方法具有以下优点：迭代过程中不需要建立针对识别参数的显式敏感度矩阵，识别效率高；识别过程对初始材料本构参数不敏感。
2021, 38(1): 186-197.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200603.001
摘要:
针对金属基复合材料，添加合金元素是提升其综合性能的有效途径。本文通过高能球磨和填加造孔剂法，制备了添加Si元素的碳纳米管(CNTs)增强铝基(CNTs/Al-Si)复合泡沫，通过准静态压缩实验测试其压缩性能和吸能性能，进一步研究烧结温度和不同Si元素含量对CNTs/Al-Si复合泡沫微观组织、压缩性能和吸能性能的影响，并结合压缩断口形貌分析其断裂失效机制。结果表明：随着烧结温度的升高，CNTs/Al-Si复合泡沫的致密度和结合性提高，当烧结温度为600℃、Si质量分数为7wt%时，CNTs/Al-Si复合泡沫的屈服强度、平台应力和吸能性能，较烧结温度为550℃时分别提高了98.4%、167.7%和166.4%；Si元素的添加可以在球磨过程中细化复合粉末颗粒，经合金化后的CNTs/Al-Si复合泡沫强度和塑性均有所改善。与CNTs/Al复合泡沫相比，Si质量分数为7wt%的CNTs/Al-Si复合泡沫屈服强度和平台应力分别提高了58.5%和117.8%，吸能性能明显提高。
针对金属基复合材料，添加合金元素是提升其综合性能的有效途径。本文通过高能球磨和填加造孔剂法，制备了添加Si元素的碳纳米管(CNTs)增强铝基(CNTs/Al-Si)复合泡沫，通过准静态压缩实验测试其压缩性能和吸能性能，进一步研究烧结温度和不同Si元素含量对CNTs/Al-Si复合泡沫微观组织、压缩性能和吸能性能的影响，并结合压缩断口形貌分析其断裂失效机制。结果表明：随着烧结温度的升高，CNTs/Al-Si复合泡沫的致密度和结合性提高，当烧结温度为600℃、Si质量分数为7wt%时，CNTs/Al-Si复合泡沫的屈服强度、平台应力和吸能性能，较烧结温度为550℃时分别提高了98.4%、167.7%和166.4%；Si元素的添加可以在球磨过程中细化复合粉末颗粒，经合金化后的CNTs/Al-Si复合泡沫强度和塑性均有所改善。与CNTs/Al复合泡沫相比，Si质量分数为7wt%的CNTs/Al-Si复合泡沫屈服强度和平台应力分别提高了58.5%和117.8%，吸能性能明显提高。
2021, 38(1): 198-208.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200603.005
摘要:
纤维缠绕复合材料压力容器(COPV)由于其轻质高强及先漏后爆等特性在航空航天、路面交通和石油化工等领域得到广泛应用。基于纤维缠绕工艺的特点，提出了一种新型无焊缝连接金属内衬COPV结构及其制备工艺。并通过缠绕工艺及在封头直边设置密封槽，解决了内衬的封头与筒体之间的连续性和密封性问题。基于该结构的特点，一种辅助成型工装被发明，成功实现了这种新型内衬结构的缠绕成型问题。之后，通过液压试验验证了该结构的可行性，该新型容器能够承受110 MPa的爆破设计压力。进一步对容器剖面进行宏观分析，获得了该结构的三种损伤模式。最后，基于Chang-Chang失效准则及层间内聚力失效模型，通过编写用户子程序VUMAT建立了该新型结构的有限元计算模型，确定了分层损伤为该结构的主要损伤模式及位于封头与筒身过渡区的纤维拉伸断裂为该结构的主要失效模式。
纤维缠绕复合材料压力容器(COPV)由于其轻质高强及先漏后爆等特性在航空航天、路面交通和石油化工等领域得到广泛应用。基于纤维缠绕工艺的特点，提出了一种新型无焊缝连接金属内衬COPV结构及其制备工艺。并通过缠绕工艺及在封头直边设置密封槽，解决了内衬的封头与筒体之间的连续性和密封性问题。基于该结构的特点，一种辅助成型工装被发明，成功实现了这种新型内衬结构的缠绕成型问题。之后，通过液压试验验证了该结构的可行性，该新型容器能够承受110 MPa的爆破设计压力。进一步对容器剖面进行宏观分析，获得了该结构的三种损伤模式。最后，基于Chang-Chang失效准则及层间内聚力失效模型，通过编写用户子程序VUMAT建立了该新型结构的有限元计算模型，确定了分层损伤为该结构的主要损伤模式及位于封头与筒身过渡区的纤维拉伸断裂为该结构的主要失效模式。
2021, 38(1): 209-220.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200622.004
摘要:
采用水热法合成WO3纳米棒，并通过简单的溶剂蒸发法及光沉积法实现WO3-Ag/石墨相C3N4(g-C3N4)复合光催化剂的合成。采用XRD、SEM、TEM等对材料进行全面表征。结果表明，由于成功构建了Z型异质结，WO3-Ag/g-C3N4复合光催化剂能够拓展可见光响应，有效抑制光生电子与空穴复合。最佳工艺条件下所得WO3-Ag/g-C3N4复合光催化剂在100 min时光催化降解罗丹明B (RhB)的效率可达96.8%，且WO3-Ag/g-C3N4复合光催化剂具有优异的稳定性。光催化机制表明，光催化实验中真正的活性物质为羟基自由基与超氧自由基。
采用水热法合成WO3纳米棒，并通过简单的溶剂蒸发法及光沉积法实现WO3-Ag/石墨相C3N4(g-C3N4)复合光催化剂的合成。采用XRD、SEM、TEM等对材料进行全面表征。结果表明，由于成功构建了Z型异质结，WO3-Ag/g-C3N4复合光催化剂能够拓展可见光响应，有效抑制光生电子与空穴复合。最佳工艺条件下所得WO3-Ag/g-C3N4复合光催化剂在100 min时光催化降解罗丹明B (RhB)的效率可达96.8%，且WO3-Ag/g-C3N4复合光催化剂具有优异的稳定性。光催化机制表明，光催化实验中真正的活性物质为羟基自由基与超氧自由基。
2021, 38(1): 221-231.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200831.005
摘要:
以聚吡咯(PPy)和壳聚糖(CS)为原料，制备PPy/CS复合膜，通过红外、孔径分析、热分析和SEM等手段对其结构进行表征，并研究了PPy/CS复合膜对Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)吸附性能的影响及吸附机制，考察了pH值、吸附时间、溶液起始浓度等因素对吸附率的影响。结果表明，初始浓度对吸附率影响最大；在pH=3.5、温度为333 K及速率为100 r·min−1下震荡吸附50 min，20 mg的PPy/CS复合膜吸附6 mg·L−1的Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)混合液时，PPy/CS复合膜对Cu(Ⅱ)表现出很好的选择性，吸附量达2.715 mg·g−1；通过对PPy/CS复合膜和CS膜的吸附性能比较，PPy/CS复合膜对Cu(Ⅱ)的吸附率增加至94.14%；采用0.1 mol·L−1的NaOH溶液对吸附Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的PPy/CS复合膜进行脱附再生，循环15次后，其吸附量变化很小，可以多次使用。研究表明，PPy/CS复合膜对Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的吸附符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温式。
以聚吡咯(PPy)和壳聚糖(CS)为原料，制备PPy/CS复合膜，通过红外、孔径分析、热分析和SEM等手段对其结构进行表征，并研究了PPy/CS复合膜对Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)吸附性能的影响及吸附机制，考察了pH值、吸附时间、溶液起始浓度等因素对吸附率的影响。结果表明，初始浓度对吸附率影响最大；在pH=3.5、温度为333 K及速率为100 r·min−1下震荡吸附50 min，20 mg的PPy/CS复合膜吸附6 mg·L−1的Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)混合液时，PPy/CS复合膜对Cu(Ⅱ)表现出很好的选择性，吸附量达2.715 mg·g−1；通过对PPy/CS复合膜和CS膜的吸附性能比较，PPy/CS复合膜对Cu(Ⅱ)的吸附率增加至94.14%；采用0.1 mol·L−1的NaOH溶液对吸附Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的PPy/CS复合膜进行脱附再生，循环15次后，其吸附量变化很小，可以多次使用。研究表明，PPy/CS复合膜对Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的吸附符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温式。
2021, 38(1): 232-238.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200513.002
摘要:
以聚脲材料为壳材包覆可膨胀石墨(EG)，并在囊壁上嵌入CuO提高壁材的导热性能，从而获得可膨胀石墨微胶囊(EG@PO)，然后将制备的EG@PO与聚磷酸铵(APP)复合应用于阻燃天然橡胶(NR)。通过SEM、热失重和红外光谱分析等手段对EG@PO进行表征。通过极限氧指数、垂直燃烧测试、热失重测试、锥形量热仪和导热系数测定仪等手段测试不同添加量的EG@PO对NR热稳定性、阻燃性、产烟性和热传导性等的影响。结果表明，成功利用聚脲材料包覆EG，并在囊壁上嵌入CuO。EG@PO和APP协同作用提高了NR的阻燃性能和热稳定性。当EG@PO添加量为6 g时，EG@PO/NR复合材料的极限氧指数为28.3%，垂直燃烧法测试结果达到V-0级，600℃时的残炭量达到27.5%。且热释放速率和总热释放量均出现大幅下降，相比于纯天然橡胶，最大热释速率和总热释放量分别降低了49.8%和25.7%，分别为467.7 kW/m2和48.4 MJ/m2。与此同时，镶嵌在微胶囊囊壁中的CuO有助于热量在NR基体和EG之间的传递，EG@PO/NR复合材料的导热系数最高为0.266 W/(m·K)。
以聚脲材料为壳材包覆可膨胀石墨(EG)，并在囊壁上嵌入CuO提高壁材的导热性能，从而获得可膨胀石墨微胶囊(EG@PO)，然后将制备的EG@PO与聚磷酸铵(APP)复合应用于阻燃天然橡胶(NR)。通过SEM、热失重和红外光谱分析等手段对EG@PO进行表征。通过极限氧指数、垂直燃烧测试、热失重测试、锥形量热仪和导热系数测定仪等手段测试不同添加量的EG@PO对NR热稳定性、阻燃性、产烟性和热传导性等的影响。结果表明，成功利用聚脲材料包覆EG，并在囊壁上嵌入CuO。EG@PO和APP协同作用提高了NR的阻燃性能和热稳定性。当EG@PO添加量为6 g时，EG@PO/NR复合材料的极限氧指数为28.3%，垂直燃烧法测试结果达到V-0级，600℃时的残炭量达到27.5%。且热释放速率和总热释放量均出现大幅下降，相比于纯天然橡胶，最大热释速率和总热释放量分别降低了49.8%和25.7%，分别为467.7 kW/m2和48.4 MJ/m2。与此同时，镶嵌在微胶囊囊壁中的CuO有助于热量在NR基体和EG之间的传递，EG@PO/NR复合材料的导热系数最高为0.266 W/(m·K)。
2021, 38(1): 239-245.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200513.001
摘要:
采用水性和油性石墨烯涂层对复合材料防/除冰组件进行测温及防/除冰实验。针对直升机旋翼对结冰的敏感等特点，提出了旋翼防/除冰组件包铁表面涂覆石墨烯涂层改性传热性能的方法，从而提高旋翼防/除冰组件除冰效率。为验证石墨烯涂层对防/除冰组件传热效率具有显著的提高作用，采用搭建的除冰实验平台并对涂覆的旋翼防/除冰组件进行传热实验及除冰实验。结果表明，石墨烯涂层对提高防/除冰组件的传热性能具有显著作用。同时，采用油性石墨烯涂层和水性石墨烯涂层分别进行传热测试，研究表明油性石墨烯涂层升温速率高于水性石墨烯涂层，且油性石墨烯涂层平均传热速率为0.021℃/s，瞬时最大传热速率为0.083℃/s，均高于水性石墨烯涂层，说明油性石墨烯涂层的防/除冰效果优于水性石墨烯。最后，通过改变喷涂工艺控制石墨烯涂层厚度进行研究，研究发现随着石墨烯涂层厚度的增加，涂层的导热系数逐渐减小，该实验结果验证了Balandin等推导的热导率公式中石墨烯热导率与片层厚度之间的反比例关系。
采用水性和油性石墨烯涂层对复合材料防/除冰组件进行测温及防/除冰实验。针对直升机旋翼对结冰的敏感等特点，提出了旋翼防/除冰组件包铁表面涂覆石墨烯涂层改性传热性能的方法，从而提高旋翼防/除冰组件除冰效率。为验证石墨烯涂层对防/除冰组件传热效率具有显著的提高作用，采用搭建的除冰实验平台并对涂覆的旋翼防/除冰组件进行传热实验及除冰实验。结果表明，石墨烯涂层对提高防/除冰组件的传热性能具有显著作用。同时，采用油性石墨烯涂层和水性石墨烯涂层分别进行传热测试，研究表明油性石墨烯涂层升温速率高于水性石墨烯涂层，且油性石墨烯涂层平均传热速率为0.021℃/s，瞬时最大传热速率为0.083℃/s，均高于水性石墨烯涂层，说明油性石墨烯涂层的防/除冰效果优于水性石墨烯。最后，通过改变喷涂工艺控制石墨烯涂层厚度进行研究，研究发现随着石墨烯涂层厚度的增加，涂层的导热系数逐渐减小，该实验结果验证了Balandin等推导的热导率公式中石墨烯热导率与片层厚度之间的反比例关系。
2021, 38(1): 246-254.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200617.004
摘要:
为研究海洋油气输送用钢带缠绕增强复合管在复杂载荷下的力学响应特性，考虑非线性接触，建立钢带缠绕增强复合管数值计算模型，研究由内外压、弯曲及拉伸载荷组合作用下钢带缠绕增强复合管的变形及承载性能。结果表明，压差(外压大于内压，≤2 MPa)越大钢带缠绕增强复合管的柔性越高。与纯弯曲相比，拉伸载荷和压差的附加联合作用使钢带缠绕增强复合管柔性降低；与纯拉伸相比，弯曲载荷和压差的附加联合作用则使钢带缠绕增强复合管抗拉承载能力降低。与单一载荷相比，复杂载荷下内、外聚乙烯(PE)管的高应力区位置及内层钢带对称应力分布的路径发生改变。钢带螺旋角度及摩擦系数越大，钢带缠绕增强复合管柔性越低；增大摩擦系数，钢带缠绕增强复合管承载能力提高。组合弯曲载荷下随着钢带螺旋角增大，钢带缠绕增强复合管屈曲时的临界弯矩呈非单调变化，存在极大值。研究结果可为钢带缠绕增强复合管的设计、制造及安全评价提供理论依据。
为研究海洋油气输送用钢带缠绕增强复合管在复杂载荷下的力学响应特性，考虑非线性接触，建立钢带缠绕增强复合管数值计算模型，研究由内外压、弯曲及拉伸载荷组合作用下钢带缠绕增强复合管的变形及承载性能。结果表明，压差(外压大于内压，≤2 MPa)越大钢带缠绕增强复合管的柔性越高。与纯弯曲相比，拉伸载荷和压差的附加联合作用使钢带缠绕增强复合管柔性降低；与纯拉伸相比，弯曲载荷和压差的附加联合作用则使钢带缠绕增强复合管抗拉承载能力降低。与单一载荷相比，复杂载荷下内、外聚乙烯(PE)管的高应力区位置及内层钢带对称应力分布的路径发生改变。钢带螺旋角度及摩擦系数越大，钢带缠绕增强复合管柔性越低；增大摩擦系数，钢带缠绕增强复合管承载能力提高。组合弯曲载荷下随着钢带螺旋角增大，钢带缠绕增强复合管屈曲时的临界弯矩呈非单调变化，存在极大值。研究结果可为钢带缠绕增强复合管的设计、制造及安全评价提供理论依据。
2021, 38(1): 255-267.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200518.001
摘要:
纤维增强树脂(FRP)复合材料加固混凝土结构的早期剥离损伤往往趋向于闭合状态，传统线性超声技术对这种剥离损伤不敏感。本文提出了基于连续激光激发窄带超声波技术结合非线性超声二次谐波法检测FRP复合材料加固混凝土剥离损伤的方法，该方法通过强度调制激光技术在加固结构的表面激励窄带超声表面波，在超声波的扰动下，依据弹簧模型的接触非线性理论，结构中的剥离分层损伤在界面处将产生开合效应，利用声学非线性二次谐波响应检测定位出剥离损伤位置。基于仿真和实验研究结果，验证了该方法对FRP复合材料加固混凝土结构早期剥离损伤检测具备可行性，实现FRP复合材料加固混凝土结构的非接触式、高灵敏度损伤检测。
纤维增强树脂(FRP)复合材料加固混凝土结构的早期剥离损伤往往趋向于闭合状态，传统线性超声技术对这种剥离损伤不敏感。本文提出了基于连续激光激发窄带超声波技术结合非线性超声二次谐波法检测FRP复合材料加固混凝土剥离损伤的方法，该方法通过强度调制激光技术在加固结构的表面激励窄带超声表面波，在超声波的扰动下，依据弹簧模型的接触非线性理论，结构中的剥离分层损伤在界面处将产生开合效应，利用声学非线性二次谐波响应检测定位出剥离损伤位置。基于仿真和实验研究结果，验证了该方法对FRP复合材料加固混凝土结构早期剥离损伤检测具备可行性，实现FRP复合材料加固混凝土结构的非接触式、高灵敏度损伤检测。
2021, 38(1): 268-278.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200507.004
摘要:
为探究针刺工艺中针刺密度的持续变化对3D针刺石英复合材料预制体中的机织石英布的损伤程度影响及对石英毡纤维分布取向的影响，采用体式显微镜对不同针刺密度下的机织物形貌的变化进行图像采集，并提出一种基于MATLAB软件可表征不同针刺密度对石英机织物损伤程度的方法。采用岛津AGS-250KNE拉伸试验机对不同针刺密度下的机织物样品进行拉伸性能测试，采用DHU-11非织造纤维取向分析仪对不同针刺密度下0°~180°范围内非织造石英毡的纤维取向分布进行测试。结果表明，当针刺密度分别为210刺/cm2和245刺/cm2时，相应的表征破损程度R值近似相等，即R210=0.518近似等于R245=0.515，可认为当针刺密度达到210刺/cm2时，针刺机织物力学性能损伤达到极限；针刺密度为0时，非织造石英毡的纤维取向分布呈明显正态分布。同一针刺密度下的纤维取向分布在0°~15°和165°~180°范围内，及在90°下的纤维分布量明显大于其他角度下的纤维分布量，且随着针刺密度的增加，同一角度下的纤维取向分布量总体呈逐渐减小趋势。
为探究针刺工艺中针刺密度的持续变化对3D针刺石英复合材料预制体中的机织石英布的损伤程度影响及对石英毡纤维分布取向的影响，采用体式显微镜对不同针刺密度下的机织物形貌的变化进行图像采集，并提出一种基于MATLAB软件可表征不同针刺密度对石英机织物损伤程度的方法。采用岛津AGS-250KNE拉伸试验机对不同针刺密度下的机织物样品进行拉伸性能测试，采用DHU-11非织造纤维取向分析仪对不同针刺密度下0°~180°范围内非织造石英毡的纤维取向分布进行测试。结果表明，当针刺密度分别为210刺/cm2和245刺/cm2时，相应的表征破损程度R值近似相等，即R210=0.518近似等于R245=0.515，可认为当针刺密度达到210刺/cm2时，针刺机织物力学性能损伤达到极限；针刺密度为0时，非织造石英毡的纤维取向分布呈明显正态分布。同一针刺密度下的纤维取向分布在0°~15°和165°~180°范围内，及在90°下的纤维分布量明显大于其他角度下的纤维分布量，且随着针刺密度的增加，同一角度下的纤维取向分布量总体呈逐渐减小趋势。
2021, 38(1): 279-286.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200511.001
摘要:
材料的宏观零热膨胀可以通过两种不同的正热膨胀材料在单胞尺度上的复合实现。该类材料虽然能在较大温度波动环境下保持较高的几何稳定性，但两种材料之间过大的热应力很容易导致材料失效，从而限制其许用温度变化范围(简称许用温变)。为此，提出以单位温升的最大热应力作为零热膨胀材料许用温变的衡量指标，通过解析和有限元数值仿真两种方法，对三种典型弯曲变形机制的零热膨胀材料进行许用温变和刚度特性分析，揭示了单胞可设计参数对其性能的影响规律。结果表明：在满足零热膨胀条件下，通过合理的单胞结构设计和选材设计，可以实现刚度与许用温变双目标共赢。
材料的宏观零热膨胀可以通过两种不同的正热膨胀材料在单胞尺度上的复合实现。该类材料虽然能在较大温度波动环境下保持较高的几何稳定性，但两种材料之间过大的热应力很容易导致材料失效，从而限制其许用温度变化范围(简称许用温变)。为此，提出以单位温升的最大热应力作为零热膨胀材料许用温变的衡量指标，通过解析和有限元数值仿真两种方法，对三种典型弯曲变形机制的零热膨胀材料进行许用温变和刚度特性分析，揭示了单胞可设计参数对其性能的影响规律。结果表明：在满足零热膨胀条件下，通过合理的单胞结构设计和选材设计，可以实现刚度与许用温变双目标共赢。
