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2021年  第38卷  第4期

薄层化碳布缝合碳/碳复合材料制备与性能
刘宇峰, 李同起, 冯志海, 王金明, 张莹, 王雅雷, 熊翔
2021, 38(4): 1210-1222. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200713.005
摘要:
为获得高性能、低成本碳/碳复合材料,以商用级T700大丝束薄层化碳纤维展宽平纹布和航空航天级T300小丝束碳纤维缎纹布为原材料制备缝合预制体,采用化学气相沉积工艺方法制备了一系列缝合碳/碳复合材料,对材料的气相致密化特征、微观结构特征和力学性能进行了测试与分析。研究结果表明,碳布规格和缝合间距对材料气相致密化效果和力学性能有较大影响。当选用T700-12 K、展宽16 mm大丝束纤维编织的面密度100 g/m2的平纹布为原材料且预制体缝合间距为5 mm×5 mm时,制备的密度为1.781 g/cm3薄层化碳布缝合碳/碳复合材料表现出良好的气相沉积工艺适应性和优异的力学性能,材料拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和层间剪切强度高达342.9 MPa、285.5 MPa、328.4 MPa和15.2 MPa。通过商用级大丝束薄层化碳纤维的应用,大幅降低了高性能碳/碳复合材料的原材料成本,且制备的碳/碳复合材料性能达到了国际先进水平。
高强度聚苯胺-聚丙烯酸/聚丙烯酰胺导电水凝胶的制备与性能
佘小红, 杜娟, 朱雯莉
2021, 38(4): 1223-1230. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200806.004
摘要:
将导电聚合物引入到水凝胶网络中的导电高分子基导电水凝胶,因结合了水凝胶的三维网络结构、良好的生物相容性、优异的力学性能等和导电高分子良好电学性能等优点而被广泛研究,特别是以聚苯胺(PANI)为导电高分子的导电水凝胶。但PANI不溶于水,因此很难制备PANI基导电水凝胶。本文以制备高强度PANI基导电水凝胶为目的,尝试将PANI接枝在亲水性聚合物聚丙烯酸(PAA)上,获得能在水中均匀分散的PANI-PAA导电复合物,再使其与丙烯酰胺(AM)聚合得到高强度的PANI-PAA/PAM导电水凝胶。通过力学性能及电化学性能测试,发现该导电水凝胶具有良好的力学性能和电化学性能。当以十二烷基硫酸钠(SDS)为分散剂时,其电导率可达4.63 S·m−1,可承受压缩应力1.33 MPa (压缩耗散能为85.50 kJ·m−3),拉伸断裂伸长率达964%,相应的断裂强度为0.25 MPa;而以NaOH为分散剂时,凝胶的电导率可达4.19 S·m−1,可承受压缩应力1.13 MPa (压缩耗散能为73.45 kJ·m−3),拉伸断裂伸长率达896%;相应的断裂强度为 0.14 MPa。该研究为高强度聚苯胺基导电水凝胶的制备提供了思路。
聚酯-聚酰胺6中空桔瓣超细纤维/Lyocell纤维非织造复合材料的制备与性能
朵永超, 钱晓明, 赵宝宝, 吕淑扬
2021, 38(4): 1231-1241. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200806.002
摘要:
采用纺粘技术制备聚酯-聚酰胺6(PET-PA6)双组份中空桔瓣纤维,并与Lyocell纤维网复合,经高压水刺制备双层复合结构的PET-PA6/Lyocell非织造材料,研究了纤维复合比例及面密度对复合非织造材料性能的影响。结果表明:PET-PA6/Lyocell复合非织造材料具有明显的三维立体结构和双层复合结构,PET-PA6纤维裂离后纤维等效直径介于3.60~6.50 μm之间,Lyocell纤维的直径介于9.30~11.50 μm之间,且有部分原纤化的微原纤维。面密度一定时,PET-PA6/Lyocell非织造材料相比于PET-PA6非织造材料,亲水性能有明显的提升,当PET-PA6与Lyocell纤维含量比值为1∶1时(面密度为160 g/m2),透气率为249.47 L/(cm2·s),提升117.83%;透湿率为4 035 g/(m2·24 h),提升36.01%;柔软度为4.39 mm,提升67.56%;同时力学性能有所增加,纵横强力比由1.5降至1.2,相差幅度明显降低;但热稳定性有略微的下降。随着的面密度增加,复合非织造材料的透气透湿性能逐渐降低,柔软度降低,力学性能有所增强。Lyocell纤维的复合使非织造材料的综合性能有了明显的提升,非织造布的三维立体结构和双层复合结构与天然皮革的微观结构相似,有望在超细纤维合成革基布领域得到应用。
聚苯胺/(蒙脱土-纳米纤维素)三元复合电极材料的制备及电化学性能
王宝霞, 李大纲, 汪钟凯
2021, 38(4): 1242-1251. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200807.001
摘要:
采用冷冻干燥法制备蒙脱土-纳米纤维素(MTM-CNFs)复合基底材料,再通过原位聚合,无模版法构建有序纳米阵列线结构,合成了聚苯胺(PANi)三元复合电极材料。对其微观结构、合成机制、电导率及电化学性质进行了分析,研究了一维线性材料、二维片状材料与导电聚合物的复合机制及无模版法制备PANi阵列储能材料的方法。结果表明,二维MTM纳米片的加入有利于聚苯胺在基底材料上进行原位生长,形成排列有序的阵列线结构,有效提高了电极材料的比电容量。当复合基底材料中MTM和CNFs质量比为1∶9时,合成的PANi/(MTM-CNFs)三元电极材料比电容量最高,达到596 F/g,相比PANi/CNFs二元材料提高了11.5倍。随着基底材料中MTM纳米片的进一步增加和堆叠,活性物质的减少导致材料比电容量的下降,但相比二元材料,仍有明显提高。另外,MTM纳米片的加入有助于稳定复合电极材料的库伦效率,在1 000次充放电循环过程中始终保持在100%左右。
胶合板表面层层自组装聚磷酸铵-壳聚糖/氮化硼及其阻燃性能
陈博, 房轶群, 司月月, 王奉强, 邵博, 宋永明, 王清文
2021, 38(4): 1252-1261. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200824.002
摘要:
以杨木胶合板为研究对象,以聚磷酸铵-壳聚糖/氮化硼(APP-CS/BN)为阻燃涂层,通过层层自组装的方法将涂层整理到杨木胶合板上,以赋予胶合板一定的阻燃性能。FTIR和SEM结果显示,APP-CS/BN涂层在胶合板表面组装形成膜结构,组装膜均匀分布在材料表面。锥型量热仪(CONE)燃烧测试表明,与未经处理的胶合板相比,APP-CS/BN自组装涂层能有效延长胶合板点燃时间(TTI),降低胶合板的热释放速率(HRR)和总热释放量(THR),同时增加材料燃烧后成炭量。随着自组装涂层层数的增加,15层处理材、20层处理材、25层处理材的点燃时间较未处理材分别提升了100%、105%和125%;热释放速率峰值(Pk-HRR)较未处理材分别降低10.15%、22.34%和31.82%;阻燃处理杨木胶合板的THR,较未处理材分别降低2.89%、13.68%和15.32%;未处理材、15层处理材、20层处理材、25层处理材燃烧后成炭率依次为18.55%、24.07%、26.04%和27.65%。随着自组装层数的增加,杨木胶合板的阻燃性能随之增加,但当自组装层数由20层至25层时,胶合板阻燃能力提升的幅度变缓慢。本研究中,阻燃胶合板适宜自组装涂层数为20-25层。
壳聚糖功能化磁性氧化石墨烯复合材料的制备及对甲基橙的吸附
黄文涛, 邓呈逊, 吉宇尘, 张典雅, 俞志敏
2021, 38(4): 1262-1271. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200723.003
摘要:
用改进Hummers方法和水热法制备壳聚糖功能化磁性氧化石墨烯(CS/MGO)复合材料,通过SEM、FTIR、XRD、BET和振动样品磁强计(VSM)对材料结构和性能进行表征和测试,并对水中甲基橙(Methyl orange,MO)吸附研究。结果表明:氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)与壳聚糖(Chitosan,CS)成功键合,热稳定性好,被壳聚糖修饰后比表面积为36.873 m2·g−1,磁性粒子均匀分布在GO表面,磁性响应明显。考察pH值、MO初始浓度、CS/MGO复合材料添加量及再生性能对MO去除率的影响,结果表明:在pH=3、MO初使浓度为20 mg·L−1、吸附材料为0.12 g·L−1时,210 min后达到吸附平衡,经5次循环后为初使吸附容量的83.7%。吸附过程符合拟二级动力学模型,吸附等温线符合Langmuir模型,在298.15、303.15、308.15 K温度下最大吸附量分别为129.96、138.94、145.03 mg·g−1;吸附热力学表明,吸附过程为吸热、熵增自发的吸附过程。
一步法合成具有优异循环性能的聚苯胺纳米线/自支撑石墨烯复合材料
辛国祥, 王蒙蒙, 翟耀, 王艳辉, 张邦文, 宋金玲, 刘晓旭
2021, 38(4): 1272-1282. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200730.001
摘要:
研究采用一步电化学剥离和电沉积法,在含Na2SO4、HCl与苯胺(An)单体的混合溶液中,以柔性石墨纸为原料,利用电场条件下电解液离子定向迁移和苯胺单体的电聚合制备聚苯胺纳米线/自支撑石墨烯(PANI/SGr)复合材料。更具活性的新生SGr与PANI结合,显著提高了PANI/SGr复合材料的稳定性。PANI呈纳米线状均匀分布在SGr上,形成的三维网络结构所呈现出的孔隙促进了电解液离子扩散到复合材料的内部结构中。将PANI/SGr复合材料作为超级电容器电极材料进行电化学测试,2 mV·s−1的扫速下获得的比电容为453 F·g−1。在0.5~10 A·g−1的电流密度范围内,PANI/SGr复合材料倍率性能达73.1%。在1 A·g−1的电流密度下PANI/SGr复合材料经10000次充放电之后的循环稳定性仍高达87.3%。这表明PANI/SGr复合材料具有良好的电容性能和优异的循环稳定性,有望作为超级电容器电极材料。
聚丙烯酰胺对石灰稳定土早期强度和破坏形式的影响
薛艳华, 高明星, 袁飞龙, 李航天
2021, 38(4): 1283-1291. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200730.002
摘要:
为了研究聚丙烯酰胺(PAM)对石灰稳定土早期强度和破坏形式的影响,通过承载比(CBR)试验、三轴不固结不排水剪试验及超景深三维显微镜分析不同PAM掺量的PAM-石灰稳定土的早期强度,探索PAM对石灰稳定土的固化机制。研究结果表明:PAM能有效提高石灰稳定土的早期强度,随PAM掺量的增加呈先增后减的趋势;PAM能改善石灰稳定土的脆性破坏特点,出现弱应变硬化现象,但PAM掺量超过0.36wt%时,在50 kPa低围压下,PAM-石灰稳定土又呈现脆性破坏的特点;石灰掺量为8wt%、PAM掺量为0.36wt%时,对土体的改良效果较好,该掺量条件下PAM和石灰共同作用能更好地促进土颗粒团聚,增强土体结构及增加土体表面粗糙度,内摩擦角和黏聚力均提高,抗剪强度也增强。
高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料弯曲性能试验
王新玲, 陈永杰, 钱文文, 李可, 朱俊涛
2021, 38(4): 1292-1301. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200805.001
摘要:
为了研究高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,ECC)的受弯性能,考虑纵向高强不锈钢绞线配筋率、ECC抗压和抗拉强度等影响因素,对设计的8个高强不锈钢绞线网增强ECC试件进行四点弯曲试验。结果表明,随着纵向高强不锈钢绞线配筋率增大,其开裂荷载基本不变,峰值荷载明显增大,但峰值位移减小,即延性降低;纵向高强不锈钢绞线配筋率小于0.48%比较合理。随着ECC强度提高,高强不锈钢绞线网增强ECC受弯试件开裂和峰值荷载均增大。ECC开裂后,受拉区的钢绞线和ECC共同受拉,施加荷载达到峰值荷载的80%时,底部最大裂缝宽度仅0.08 mm;达到峰值荷载时,最大裂缝宽度不超过0.55 mm;受压区ECC的压应变达到0.01;ECC完全压碎时,跨中最大挠度达到跨度的1/15。说明本文研究的高强不锈钢绞线网增强ECC具有良好的抗裂性能和延性性能。
仿竹结构单丝玻璃纤维增强多孔聚醚砜基复合材料
许培俊, 王临江, 张毅, 吴帆, 高尚林
2021, 38(4): 1302-1312. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200826.005
摘要:
竹子是一种以竹纤维为增强体、多孔木质素为基体而组成的天然复合材料。本文借鉴竹子的结构特征,采用高性能热塑性聚合物浸没沉淀相转化法在玻璃纤维(GF)表面沉积梯度孔径分布的多孔聚醚砜(PES)基体,制备仿竹结构单丝玻璃纤维增强多孔聚醚砜基复合材料(GF/PES),并对其微观形貌、拉伸力学性能和“温度-模量”智能响应性进行了研究。结果表明,基于梯度多孔PES基体良好的吸能作用及其对玻璃纤维表面微小缺陷的修复作用,GF/PES的拉伸强度和断裂伸长率最高可分别比GF提高39.11%和58.1%。此外,多孔聚合物基体还可作为各类功能材料的载体,例如在其多孔结构中填充水,当水随着温度变化发生相变时,可赋予GF/PES显著的模量变化,从而制备出“温度-模量”智能响应复合材料。
综述
纤维增强聚合物基复合材料熔融堆积成型技术的研究进展及产品的力学性能
胡艺伟, 李亚智, 李彪, 申思雨
2021, 38(4): 979-996. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210118.003
摘要:
增材制造(Additive manufacturing,AM)技术,又称3D打印技术,是一种新兴的顺序叠层制造工艺。近几年来,大量关于引入连续碳纤维增强相以改善打印结构力学性能的研究为打印高性能聚合物基复合材料开辟了新的途径。本文首先简要介绍聚合物材料增材制造工艺发展史,阐述技术革新和材料革新(引入增强相)对打印聚合物基材料产品性能优化的积极作用。随后着重描述了熔融堆积成型(Fused deposition modelling,FDM)技术制造连续纤维增强聚合物复合材料的工艺原理,并介绍了打印连续纤维增强聚合物基复合材料的力学性能优势及存在的问题。最后,从材料、工艺参数及复合材料细观/微观结构等方面分析了影响打印纤维增强聚合物基复合材料力学性能的主要因素,为读者了解分析FDM技术的优势和存在的问题提供参考。
聚偏氟乙烯及其共聚物基压电复合材料的研究进展
张小芳, 夏卫民, 邢俊红, 冯焱, 逯丹凤
2021, 38(4): 997-1019. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201210.004
摘要:
聚合物压电材料聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物P(VDF-TrFE)、P(VDF-HFP)是一类典型的具有压电性的有机高分子材料,它们由于具有良好的力学性能、耐腐蚀性、生物相容性以及易于加工等特点而受到研究人员的广泛关注。但相对于传统无机类压电陶瓷材料来说,聚合物压电材料的压电常数仍相对较低,因此提升这类聚合物压电材料的压电性能已成为目前国内外的研究热点之一。本文对近年来国内外利用PVDF及其共聚物与不同功能材料进行复合来改善其压电性能的方法进行了概述,并对不同类型填料掺杂不同聚合物压电材料的利弊及发展趋势进行了展望。
MXene的功能化改性及其应用研究进展
刘超, 李茜, 郝丽芬, 邓燕平, 殷青, 鲍艳
2021, 38(4): 1020-1028. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201218.003
摘要:
MXene是一类新型的具有类石墨烯结构的二维材料,由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。MXene具有优异的物理化学性质,如较大的比表面积、良好的导电性、优异的催化性、优良的自润滑性能、丰富的表面官能团等,在多个领域展现出广阔的潜在应用前景。本文针对MXene片层易叠加及其与聚合物基体相容性较差等问题,对MXene表面功能化改性的研究进展进行了综述,包括有机物、无机物、有机-无机杂化改性等,并总结了其在储能、催化和摩擦学等领域的应用研究,展望了其未来的研究方向和发展前景。
纺织复合材料预制体成型过程无损检测技术研究进展
项赫, 姜亚明, 齐业雄, 林温妮, 王秀娟, 戚晓玲, 田慧
2021, 38(4): 1029-1042. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201021.002
摘要:
纺织复合材料多为各向异性材料,其力学性能很大程度上取决于成型后预制体内纤维的取向。为确保预制体成型后纤维的取向符合产品设计的要求,目前已有多种无损检测技术为纺织复合材料预制体成型过程及质量的检测提供服务。本文结合纺织复合材料预制体织造技术的发展趋势及预制体成型过程对无损检测的需求,就目前广泛用于科研和产业化生产当中的多种无损检测技术(包括接触式测量技术、光学检测技术、热成像检测技术、涡流检测技术、射线检测技术)进行了综述,总结各方法所具有的技术特点、应用情况与存在问题。最后,讨论了纺织复合材料预制体成型过程无损检测技术的发展趋势和面临的挑战。
基于氧化石墨烯及其复合材料的纺织品抗菌整理研究进展
张思雨, 赵立环, 刘斯璐, 巩继贤, 陈磊
2021, 38(4): 1043-1053. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201202.002
摘要:
作为石墨烯的含氧衍生物,氧化石墨烯(GO)因其优异的物理、化学性能而受到广泛关注。本文首先分析了GO的抗菌机制,其次总结了GO与金属粒子、金属氧化物和有机物的抗菌复合材料的研究进展,然后探讨了基于GO及其复合材料的纺织品抗菌整理方法及其优缺点,最后提出了GO及其复合材料在纺织品抗菌整理方面的研究方向。
聚合物基绝缘导热复合材料中碳系填料的研究进展
田恐虎, 吴阳, 盛绍顶, 潘成岭, 程国君, 丁国新
2021, 38(4): 1054-1065. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201224.001
摘要:
集成电路产业的高质量发展对其产业链中配套材料的绝缘导热性能提出了更高的要求。具有高导热、低密度、活性表界面等优异特性的碳系材料在聚合物基复合材料中的基础研究,对于高性能绝缘导热材料的性能提升及应用发展至关重要。基于此,本文系统地综述了聚合物基绝缘导热复合材料中碳系填料的研究进展。首先,介绍了聚合物基复合材料的导热机制、绝缘机制及绝缘导热兼容机制。其次,对碳系填料的表面处理和空间结构及分布控制方法进行了综述,研究其绝缘导热性能控制机制。最后,对聚合物基绝缘导热复合材料研究工作中尚未解决的科学问题、技术难点及未来发展方向进行了总结和展望。
可穿戴石墨烯复合材料压阻传感性能计算方法及其参数分析
李正, 尚军军, 刘夏, 杨庆生
2021, 38(4): 1066-1075. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201229.002
摘要:
随机堆叠石墨烯制成的石墨烯复合材料(GC)的不均匀性,使得GC的压阻传感性能与其细观单元的尺寸密切相关。根据GC的微观结构特点,发展了一种GC压阻传感性能计算方法,依次计算了GC的电子渗流概率、初始方阻和相对电阻-应变关系。结果表明:GC的电子渗流概率随着石墨烯面分比的增大而增大,大长宽比石墨烯组成的GC的渗流阈值更低,电子迁移网络连通的最小面分比是0.5;GC代表单元的最小边长可由它的初始方阻确定,大面分比GC拥有更小的代表单元,当石墨烯面分比分别为1.2、1.4、1.6、1.8、2.0时,GC代表单元的最小边长与石墨烯边长的比值为35、30、25、20、15。最后,不同石墨烯面分比、长宽比的GC代表单元的计算结果证实,增大石墨烯的面分比与长宽比能够延长GC的线性感知阶段,提高GC的总感知范围。
复合材料层合板分层损伤数值模拟方法研究现状
李西宁, 王悦舜, 周新房
2021, 38(4): 1076-1086. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210302.006
摘要:
复合材料层合板在航空航天等领域受到广泛应用,分层损伤作为复合材料层合板主要的损伤形式,对复合材料结构的强度和刚度有显著的影响,是限制其重大工程应用的热点问题之一。通过实验的方法对复合材料结构进行研究,往往需要耗费大量的时间和成本,成熟的有限元数值模拟技术可以较低成本实现复合材料结构的分层行为模拟,成为分层损伤研究的重要手段。本文从数值模拟角度总结了国内外在纤维增强复合材料分层损伤取得的研究成果,并对目前主要的方法虚拟裂纹闭合技术(VCCT)、内聚力模型(CZM)及扩展有限元法(XFEM)进行阐述。最后,对其发展方向进行了展望。
树脂基复合材料
纳米BaTiO3-SiCw/聚偏氟乙烯三元复合薄膜的制备及其介电性能
于婷, 许静, 关晓琳, 雷西萍
2021, 38(4): 1087-1097. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200721.001
摘要:
以15wt%十六烷基三甲基溴化铵改性碳化硅晶须(CTAB-SiCw)和KH550改性纳米BaTiO3(BT)为填料,聚偏氟乙烯(PVDF)为成膜物质,通过溶液流延法制备了BT-SiCw/PVDF三元复合薄膜,利用FTIR、XRD、SEM和LCR介电温谱仪-高温测试系统联用装置对产物进行结构表征和介电性能测试。结果表明:KH550可以成功改性BT粒子且不会改变BT晶体结构,SiCw和BT能够较好地分散在PVDF基体中;随着BT引入量的增加,复合薄膜的介电常数先增加后减小,其中当引入10wt%BT时介电性能最优,即频率f=500 Hz、介电常数εrmax=33、介电损耗tanδmax=0.154。随着温度的升高,该试样的介电常数和介电损耗也逐渐增加,并在120℃达到最大值(f=500 Hz、εrmax=110、tanδmax=1.3)。结果对于研究具有高介电常数的三元复合电介质材料为在埋入式电容器中获得应用提供了一种策略。
三维网笼状聚N-羟甲基丙烯酰胺/聚乙二醇半互穿网络复合相变微球的制备及热性能
刘玲伟, 邹新全, 张鸿, 叶泳铭, 赵云鹤, 石军峰, 闫铭, 朱浩彤, 周炜东, 于跃
2021, 38(4): 1098-1106. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200831.004
摘要:
以N-羟甲基丙烯酰胺(N-MA)和聚乙二醇(PEG)共晶为原料,通过乳液聚合制得聚N-羟甲基丙烯酰胺(PN-MA)/PEG半互穿网络(SIPN)复合相变材料(CPCM)。利用FTIR、XRD、差示扫描量热仪(DSC)、SEM、EDS等方法对PN-MA/PEG SIPN型CPCM的结构与性能进行了研究。结果表明:所得PN-MA/PEG SIPN型CPCM结晶焓和熔融焓达到78.38 J/g和82.31 J/g,结晶温度和熔融温度分别为36.88℃和32.05℃;CPCM中PN-MA和PEG之间是物理作用,并未发生其它的化学反应;得到的CPCM呈球形,尺寸比较均匀,由粒径200 nm左右的小球聚集形成10~15 μm左右的大球,球内呈现细密的三维网笼状结构;PEG在交联PN-MA网络的限制下被很好地固载,且仍有良好的结晶性能。
复合材料负泊松比格栅结构设计及力学性能评价
于雅琳, 李健芳, 黄智彬, 莫申忠, 王乐辰, 黄玉清
2021, 38(4): 1107-1114. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200623.002
摘要:
对复合材料负泊松比格栅新结构的设计、制备与评价进行了研究,采用有限元方法模拟了负泊松比结构单元在轴压载荷作用下的力学行为,通过热压罐成型制备复合材料负泊松比格栅结构,并评估其成型质量、蒙皮及筋条的力学性能、结构抗轴压性能。数值模拟结果表明,负泊松比格栅结构与正交格栅结构相比,变形形式从马鞍形变为波纹形,横向膨胀量降低,应力分布均匀性提升,筋条-轴线夹角θ=30°时,负泊松比格栅结构达到最优。采用热压罐成型的MT300/603碳纤维/环氧树脂负泊松比格栅试件成型质量良好,蒙皮及筋条的力学性能优异。力学测试结果表明,筋条-轴线夹角θ=30°时,MT300/603负泊松比格栅结构轴压模量为65.92 GPa,轴压失效载荷为64.65 kN。轴压失效模式为筋条节点处的蒙皮-筋条开裂。筋条-轴线夹角θ=30°的MT300/603负泊松比格栅结构抗压强度高于正交格栅结构,且力学行为呈现明显的负泊松比特征,是一种具备优异综合力学性能的新格栅结构,在航天飞行器蒙皮结构等领域具有潜在的应用价值。
碳纤维增强环氧树脂复合材料-铝合金短柱力学性能
郭小农, 王丽, 罗永峰, 徐航, 邹家敏
2021, 38(4): 1115-1127. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200806.001
摘要:
碳纤维增强环氧树脂复合材料-铝合金 (CFRP-Al)短柱轻质高强,具有良好延性,在大跨空间结构中具有广阔的应用前景,然而国内外对其受力性能的研究目前几乎处于空白状态。为此,本文对CFRP-Al短柱进行了理论分析、试验研究和数值模拟。推导得到了CFRP-Al短柱的等效工程弹性常数;进行了6根短柱轴压试验,得到了其轴压承载力和破坏模式;根据弹性力学推导得到了试件的荷载-压缩变形曲线,理论曲线与试验曲线吻合良好;建立了两种有限元模型—逐层精细化模型和整体等效简化模型,并将两种数值模型结果与试验结果对比,结果表明,两种数值模型均能很好地模拟CFRP-Al短柱的轴压性能。
氨基磷酸螯合树脂(D418)高效去除Cu(II)的性能与机制
李海斌, 张克华, 陈庆典, 董伟伟, 李国莲, 杨雨婷, 谢发之
2021, 38(4): 1128-1138. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200805.003
摘要:
为阐明氨基磷酸螯合树脂(D418)在水体中高效去除Cu(II)的作用机制,通过吸附实验系统考察了pH、离子强度、接触时间、温度等因素对D418树脂去除Cu(II)的影响,并通过吸附动力学模型、等温吸附模型和位点能量分布理论分析其去除机制。研究结果表明:Cu(II)溶液初始pH=9.00时,Cu(II)最大去除率达到97.20%,且Zeta电位变化对Cu(II)去除率影响符合Boltzmann模型。离子强度在0~0.10 mol/L增加,有利于促进D418树脂去除Cu(II)。根据线性相关系数大小比较,D418树脂吸附Cu(II)过程最符合颗粒内扩散模型和Sips模型。以Sips模型计算热力学参数和吸附位点能量分布,D418树脂对Cu(II)的去除为自发进行的吸热过程。Cu(II)先占据D418树脂高能量位点,再占据低能量位点。基于XPS和FTIR数据分析,D418树脂去除Cu(II)的机制主要是静电吸引、化学沉淀和内层络合作用。
HCl浓度对水合氧化铁复合吸附剂P吸附效能的影响
赵继旭, 胡建龙, 邵立南, 郑曦, 梁存珍
2021, 38(4): 1139-1146. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200624.001
摘要:
为避免传统水合氧化铁(HFO)负载树脂复合吸附剂制备过程中大量使用HCl对设备防腐、安全及环保带来的问题,优化HFO复合吸附剂的制备工艺方法,改变负载液中HCl浓度制备得到多种HFO复合吸附剂,考察制备得到的HFO复合吸附剂对P的吸附动力学、吸附等温线、初始pH、共存离子影响、解吸再生方法等,评价负载液中HCl浓度对吸附剂吸附效能的影响。结果表明,负载液中HCl浓度由2 mol·L−1降低至0.5 mol·L−1,并不会显著降低HFO复合吸附剂的P吸附容量。HCl浓度为0.5 mol·L−1时制备得到的HFO复合吸附剂对P的最大吸附容量为29.67 mg·g−1,显著高于D201树脂载体(16.39 mg·g−1),其吸附动力学曲线更符合准一级吸附动力学模型,最佳的P吸附pH为6~8,在共存离子Cl、NO3、SO42−、CO32−浓度为1.0 g·L−1的条件下,吸附剂对P的吸附容量降低31.1%~53.0%。采用5wt%的NaOH溶液能有效实现吸附剂中P的解吸再生。
纳米BN与ZnO协效阻燃木粉-聚氯乙烯复合材料
段聪, 房轶群, 王奉强, 于云鹏, 权大通, 张显权, 王清文
2021, 38(4): 1147-1154. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200812.001
摘要:
为提高木粉-聚氯乙烯(WF-PVC)木塑复合材料的阻燃抑烟性能,本文将纳米BN与ZnO加入到WF-PVC木塑复合材料中,通过热压成型方法制备了阻燃WF-PVC木塑复合材料,研究了复合材料热分解、燃烧性能和力学性能。热重分析(TG)测试表明,BN和ZnO的加入一定程度上降低了复合材料的初始热分解温度,但明显提高了复合材料的热解残余物质量,BN和ZnO的质量比为1∶2时,复合材料的残炭量增加了21.7%。锥形量热仪燃烧测试表明,纳米BN和ZnO的加入能够显著提高复合材料的阻燃性能,与纯WF-PVC相比,BN与ZnO的加入能有效降低WF-PVC复合材料燃烧时的热释放和烟释放,复合材料的总热释放量和总烟气释放量最高分别降低18.2%和48.9%。通过万能力学试验机对材料进行力学性能测试,结果表明阻燃剂的加入一定程度上降低了复合材料的力学性能,对阻燃剂进行一定比例的复配,可有效减少对复合材料力学性能的损害,单独添加ZnO时,复合材料弯曲强度降低了29.5%,而BN和ZnO以2∶1的质量比复配时,复合材料的弯曲强度降低了9.9%。
基于压缩感知的复合材料板Lamb波场重构及损伤成像
李鹏飞, 骆英, 徐晨光
2021, 38(4): 1155-1166. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200722.004
摘要:
为了解决全波场数据获取耗时的问题,引入压缩感知算法对波场进行稀疏表示。然而受限于导波在复合材料中复杂的传播特性,压缩感知在复合材料板中的应用成为难题。为此通过考虑导波在复合材料板中传播的各向异性波数特性,构建计算频带内不同角度下的波数库用于波场重构。同时在损伤分析阶段,提出了一种无需基准信号的复合材料损伤散射波场分离技术,精准实现入射波场的去除,提升损伤定位的精度。单损伤的实验和仿真结果表明,所提方法能够在低于90%的奈奎斯特采样点情况下实现波场的重构,且损伤定位误差均小于最小波长的2/3。双损伤的实验结果表明,所提方法可有效定位双损伤,相关成果可为复合材料损伤检测的实际运用提供理论和方法基础。
三维机织复合材料残余应力/应变多尺度分析及工艺参数优化
王琦, 蒋秋梅, 杨旭锋, 任明法
2021, 38(4): 1167-1176. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20200720.002
摘要:
为预测三维机织复合材料工艺引入的残余应力/应变,提出工艺制度优化方案,建立了一种工艺过程分析的多尺度模型。通过建立纤维尺度及纱线尺度代表体元(RVE),计算了成型过程中纤维纱线及三维机织复合材料的模量演化历程。考虑固化过程中树脂的化学收缩效应,在纱线尺度上开展热-化学-力学耦合分析,预测了细观残余应力-应变及其演化规律。采用三维机织技术,实现了光纤布拉格光栅传感器(FBG)在三维机织预制体中的预埋,并对其树脂传递模塑(RTM)成型过程中的温度、应变历程进行监测,试验结果验证了有限元模型的准确性。采用基于空间信息、误差信息和优化结果的三种序列采样方法,建立了工艺过程分析代理模型,并开展工艺参数优化设计,结果显示采用优化后的工艺参数,残余应变降低了15.4%,工艺周期缩短了10.6%。
形状记忆合金在复合材料损伤监测中的应用
张亚楠, 刘亚冬, 刘兵飞
2021, 38(4): 1177-1191. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201111.001
摘要:
复合材料的损伤会对结构的可靠性和安全性造成威胁,近年来引起国内外专家和学者的广泛关注。本文将形状记忆合金(SMA)埋入复合材料试件中,通过对SMA电阻变化与复合材料应变之间的关系进行讨论,建立不同监测条件下复合材料的损伤监测理论模型。基于该模型讨论了不同初始状态下SMA材料的损伤监测行为。研究结果表明:复合材料的损伤与SMA电阻变化呈线性关系,温度荷载在SMA未发生相变时对损伤监测影响较小,在SMA发生相变时对损伤监测影响较大。本研究可为基于SMA的复合材料损伤监测理论的进一步工程应用提供理论指导。
金属和陶瓷基复合材料
热循环对片层石墨/铝复合材料的强度和热导率的影响
刘晓云, 王文广, 陈礼清, 王东, 姜月秋, 肖伯律, 马宗义
2021, 38(4): 1192-1199. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201110.001
摘要:
采用粉末冶金法制备片层石墨增强Al基复合材料(50vol%Gf/6061Al),Gf与Al基体结合紧密,界面处无裂纹、孔洞等缺陷。复合材料在−50~120℃温度范围内分别循环10次、50次、100次和200次,研究不同的循环次数对材料组织和性能的影响。结果表明,循环不同次数时材料的密度没有明显的变化,但随着循环次数的增加,在热应力的作用下Gf发生破裂,材料的强度和热导率均有所下降,当循环次数达到100次时,性能下降速度最快,与未循环样品相比,抗弯强度降低27.4%,热导率下降11.5%。进一步增加循环次数,破碎的Gf和开裂的界面可以有效缓解冷热循环导致的热应力,Gf破坏程度减缓,当循环次数为200次时,与未循环样品相比抗弯强度降低32%,热导率下降13.1%,性能降低趋于平缓。
反应器长径比对化学气相沉积SiC沉积动力学的影响
贾林涛, 王梦千, 李爱军, 彭雨晴
2021, 38(4): 1200-1209. doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20201011.002
摘要:
以三氯甲基硅烷(MTS)和H2为前驱体,在沉积温度900~1 050℃,H2和MTS摩尔比为4~20和滞留时间0.4~1 s下,采用化学气相沉积(CVD)工艺研究沉积反应器长径比分别为7∶6和7∶2时的碳化硅(SiC)沉积动力学。结果发现,不同尺寸反应器中SiC沉积速率随工艺参数变化的规律性差异明显。长径比7∶6的反应器中SiC平均沉积速率随着温度的增加而增加,而长径比7∶2的反应器中SiC平均沉积速率随着温度先增加后降低,且长径比7∶6的沉积反应器中沿程SiC沉积存在多重稳态的特征。不同H2/MTS摩尔比下SiC沉积速率变化规律在两种反应器中基本一致,尽管长径比7∶6的反应器中出现了SiC沿程的多重择优沉积位置,但整体来说H2对SiC沉积的抑制作用远大于反应器尺寸效应所带来的影响。长径比7∶6反应器中SiC平均沉积速率随滞留时间的增加而降低,但沿程沉积速率受反应器尺寸效应并没有出现单调降低的规律;长径比7∶2反应器中SiC平均沉积速率和沿程沉积速率均随滞留时间增加而降低后趋于稳定。利用COMSOL软件对两种长径比反应器的流场和温度场进行了数值模拟分析发现,长径比7∶6的反应器产生明显的径向流速差,而且轴向和径向流速差和温差较大,而长径比7∶2的沉积反应器流场和温度场较为均匀,这种反应器尺寸效应引起的实际工艺参数和理论工艺参数之间的偏差,正是实验中不同长径比反应器中SiC沉积动力学规律差异的原因。