2022年 第39卷 第2期
2022, 39(2): .
摘要:
2022, 39(2): 431-445.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210828.001
摘要:
纤维增强树脂基复合材料在航空航天航海等领域受到广泛应用，湿热环境下长时间循环载荷的作用是复合材料结构设计必须面对的问题，对复合材料结构的强度和刚度有显著的影响。本文首先简要介绍复合材料的水分扩散机理，阐述湿热环境对其力学性能的退化机制。然后着重介绍了湿热环境下纤维增强树脂基复合材料疲劳性能的研究进展，梳理了影响纤维增强树脂基复合材料疲劳性能的湿热因素，总结归纳了存在的主要问题和挑战，为纤维增强树脂基复合材料未来的发展提供了思路。
纤维增强树脂基复合材料在航空航天航海等领域受到广泛应用，湿热环境下长时间循环载荷的作用是复合材料结构设计必须面对的问题，对复合材料结构的强度和刚度有显著的影响。本文首先简要介绍复合材料的水分扩散机理，阐述湿热环境对其力学性能的退化机制。然后着重介绍了湿热环境下纤维增强树脂基复合材料疲劳性能的研究进展，梳理了影响纤维增强树脂基复合材料疲劳性能的湿热因素，总结归纳了存在的主要问题和挑战，为纤维增强树脂基复合材料未来的发展提供了思路。
2022, 39(2): 446-459.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210824.002
摘要:
碳纤维增强复合材料(CFRP)具有抗热冲击、抗拉强度高、耐腐蚀等优点，已广泛应用在机器人、航空航天、工程装备及其他领域，用CFRP来制备液压缸能够大幅度提升液压系统的轻量化的水平，帮助系统降低能耗。本文从复合材料缸筒、活塞和活塞杆、成型工艺、密封润滑和发展趋势五个方面综述了CFRP液压缸的发展现状，介绍缸筒和活塞中金属与复合材料之间的联接方法及多材料设计的参考准则，并对手糊式、缠绕式、拉挤式、树脂传递模型成型等加工工艺进行介绍，然后讨论了CFRP液压缸存在的密封、摩擦、动态响应等问题，最后从涂层、加工、后处理给出了碳纤维液压缸的发展趋势。
碳纤维增强复合材料(CFRP)具有抗热冲击、抗拉强度高、耐腐蚀等优点，已广泛应用在机器人、航空航天、工程装备及其他领域，用CFRP来制备液压缸能够大幅度提升液压系统的轻量化的水平，帮助系统降低能耗。本文从复合材料缸筒、活塞和活塞杆、成型工艺、密封润滑和发展趋势五个方面综述了CFRP液压缸的发展现状，介绍缸筒和活塞中金属与复合材料之间的联接方法及多材料设计的参考准则，并对手糊式、缠绕式、拉挤式、树脂传递模型成型等加工工艺进行介绍，然后讨论了CFRP液压缸存在的密封、摩擦、动态响应等问题，最后从涂层、加工、后处理给出了碳纤维液压缸的发展趋势。
2022, 39(2): 460-466.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210805.005
摘要:
层状过渡金属碳/氮化物(MXene)是一种新兴的二维纳米材料。由于其独特的纳米结构和优异的电学性能，MXene在电学相关领域的潜在应用受到越来越多的关注。近年来，有众多研究将MXene与各类纤维与纺织材料进行复合，在纤维基柔性电子材料应用中体现出优异的性能。本文首先介绍了MXene纳米片的制备方法及性能，系统分析了MXene材料与不同维度纤维材料进行复合的最新研究，并总结了MXene/纤维复合材料的各种应用性能。最后，对今后MXene与纤维材料复合应用的前沿及所面临的挑战进行了探讨。
层状过渡金属碳/氮化物(MXene)是一种新兴的二维纳米材料。由于其独特的纳米结构和优异的电学性能，MXene在电学相关领域的潜在应用受到越来越多的关注。近年来，有众多研究将MXene与各类纤维与纺织材料进行复合，在纤维基柔性电子材料应用中体现出优异的性能。本文首先介绍了MXene纳米片的制备方法及性能，系统分析了MXene材料与不同维度纤维材料进行复合的最新研究，并总结了MXene/纤维复合材料的各种应用性能。最后，对今后MXene与纤维材料复合应用的前沿及所面临的挑战进行了探讨。
2022, 39(2): 467-477.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210729.001
摘要:
Ti3C2TxMXene是具有高导电性、较好的力学性能及高比电容等特性的新型二维结构过渡金属碳化物，在储能、传感、催化、膜分离、微波吸收及电磁屏蔽等领域具有巨大的应用前景。但单层二维材料在纳米尺度上的性能不易真正被人们所用，因此必须将其组装成宏观材料，如一维纤维、二维薄膜及三维气凝胶。对于Ti3C2Tx的宏观组装及其应用研究也取得了一定的成果与进展。本文综合评述了目前Ti3C2Tx的制备方法、宏观Ti3C2Tx基材料的组装方法及其相关应用进展，介绍了国内外Ti3C2Tx的研究现状和实际应用中的研究成果，总结了Ti3C2Tx在制备、组装及应用过程中的不足，并展望了未来的发展趋势。
Ti3C2TxMXene是具有高导电性、较好的力学性能及高比电容等特性的新型二维结构过渡金属碳化物，在储能、传感、催化、膜分离、微波吸收及电磁屏蔽等领域具有巨大的应用前景。但单层二维材料在纳米尺度上的性能不易真正被人们所用，因此必须将其组装成宏观材料，如一维纤维、二维薄膜及三维气凝胶。对于Ti3C2Tx的宏观组装及其应用研究也取得了一定的成果与进展。本文综合评述了目前Ti3C2Tx的制备方法、宏观Ti3C2Tx基材料的组装方法及其相关应用进展，介绍了国内外Ti3C2Tx的研究现状和实际应用中的研究成果，总结了Ti3C2Tx在制备、组装及应用过程中的不足，并展望了未来的发展趋势。
2022, 39(2): 478-488.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210714.001
摘要:
挥发性有机化合物(Volatile organic compounds，VOCs)检测是环境治理的重要环节，而开发快速、灵敏的检测系统仍然面临挑战。基于智能系统的VOCs传感器能够实时监测空气中污染物浓度，从而严格把控排放标准，减小VOCs对环境和健康的影响。通过调控材料及构筑方法能够制成适用于识别和快速捕获VOCs的敏感元件，从而获得传感性能优越、安全可靠的气敏传感器。本文以敏感机制为出发点，介绍了聚合物、金属氧化物、复合材料及新材料作为敏感膜的研究进展，重点讨论了VOCs与敏感膜的相互作用机制。基于此，分析了提高VOCs检出浓度和响应速度的构筑方法。最后，展望了基于光学效应的光致发光型和手性向列型敏感膜材料在VOCs智能检测领域的前景和面临的挑战。
挥发性有机化合物(Volatile organic compounds，VOCs)检测是环境治理的重要环节，而开发快速、灵敏的检测系统仍然面临挑战。基于智能系统的VOCs传感器能够实时监测空气中污染物浓度，从而严格把控排放标准，减小VOCs对环境和健康的影响。通过调控材料及构筑方法能够制成适用于识别和快速捕获VOCs的敏感元件，从而获得传感性能优越、安全可靠的气敏传感器。本文以敏感机制为出发点，介绍了聚合物、金属氧化物、复合材料及新材料作为敏感膜的研究进展，重点讨论了VOCs与敏感膜的相互作用机制。基于此，分析了提高VOCs检出浓度和响应速度的构筑方法。最后，展望了基于光学效应的光致发光型和手性向列型敏感膜材料在VOCs智能检测领域的前景和面临的挑战。
2022, 39(2): 489-501.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210713.001
摘要:
新型无机纳米材料与传统聚合物分子结合将极大地促进石墨烯的多功能性、高补强性与高分子的良好力学性、成熟工艺得以充分展现。本文简述了功能材料、纳米石墨烯、高分子的发展历程，分别对吸附材料的高分子来源(三种天然高分子、合成高分子)、催化材料在(合成、电)化学反应中的应用、分离材料的孔径特性(低渗透、纳滤、超滤、微滤)、生物医用材料的用途(组织工程、医用卫生、医用药材)进行了剖析，重点详述了多种石墨烯/高分子功能复合材料功能与效能，并对其制备方式与效能提高原因进行了简析，同时对导电材料、智能(或传导)材料及磁性材料和液晶材料等进行了概述，以期为新型石墨烯/高分子功能复合材料的研制与应用提供借鉴。最后，对石墨烯/高分子功能复合材料在普及率和工业化上存在的问题等进行了思考，并做出了展望。
新型无机纳米材料与传统聚合物分子结合将极大地促进石墨烯的多功能性、高补强性与高分子的良好力学性、成熟工艺得以充分展现。本文简述了功能材料、纳米石墨烯、高分子的发展历程，分别对吸附材料的高分子来源(三种天然高分子、合成高分子)、催化材料在(合成、电)化学反应中的应用、分离材料的孔径特性(低渗透、纳滤、超滤、微滤)、生物医用材料的用途(组织工程、医用卫生、医用药材)进行了剖析，重点详述了多种石墨烯/高分子功能复合材料功能与效能，并对其制备方式与效能提高原因进行了简析，同时对导电材料、智能(或传导)材料及磁性材料和液晶材料等进行了概述，以期为新型石墨烯/高分子功能复合材料的研制与应用提供借鉴。最后，对石墨烯/高分子功能复合材料在普及率和工业化上存在的问题等进行了思考，并做出了展望。
2022, 39(2): 502-512.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210621.001
摘要:
碳材料和金属氧化物为常用的多相催化剂载体，其中碳材料具有巨大的比表面积、良好的吸附性能，但力学性能较差。金属氧化物载体则具有较高的机械强度和热稳定性，但常常会与活性金属作用太强使其催化活性降低。碳/金属氧化物复合材料作为一类新型材料受到了科学家的广泛关注，由于碳与金属氧化物(如氧化钛、氧化铝等)之间的协同作用，该复合材料表现出不同于单一组分的独特物理化学性质，重点综述了该类复合材料的制备方法及其在催化领域近年来的研究进展。
碳材料和金属氧化物为常用的多相催化剂载体，其中碳材料具有巨大的比表面积、良好的吸附性能，但力学性能较差。金属氧化物载体则具有较高的机械强度和热稳定性，但常常会与活性金属作用太强使其催化活性降低。碳/金属氧化物复合材料作为一类新型材料受到了科学家的广泛关注，由于碳与金属氧化物(如氧化钛、氧化铝等)之间的协同作用，该复合材料表现出不同于单一组分的独特物理化学性质，重点综述了该类复合材料的制备方法及其在催化领域近年来的研究进展。
2022, 39(2): 513-527.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210708.002
摘要:
锂离子电池(LIB)近年来受到了广泛的关注，与其他可充电电池相比，锂离子电池LIB具有更高的能量密度、功率和效率。正极作为LIB的关键部件，其特性会显著影响LIB的性能。本文分类综述了一些锂离子正极材料，包括一元、二元、三元金属锂氧化物和磷酸亚铁锂正极材料，并对其优缺点进行了介绍。此外，本文还对已商业化的正极材料物性数据和具有商业化应用前景的正极材料进行了系统评价。最后，总结了各类正极材料的优势和缺陷并讨论了未来的发展和挑战。
锂离子电池(LIB)近年来受到了广泛的关注，与其他可充电电池相比，锂离子电池LIB具有更高的能量密度、功率和效率。正极作为LIB的关键部件，其特性会显著影响LIB的性能。本文分类综述了一些锂离子正极材料，包括一元、二元、三元金属锂氧化物和磷酸亚铁锂正极材料，并对其优缺点进行了介绍。此外，本文还对已商业化的正极材料物性数据和具有商业化应用前景的正极材料进行了系统评价。最后，总结了各类正极材料的优势和缺陷并讨论了未来的发展和挑战。
2022, 39(2): 528-543.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210805.006
摘要:
碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/EP)由于其优异的力学性能，被大量应用于工业中，但薄弱的层间性能限制了其优势性能的发挥。层间增韧是有效解决该问题的技术之一。随着材料科学与技术的发展，热塑性树脂、纳米碳材料先后被应用于层间增韧复合材料的研究中。综述了热塑性树脂、纳米碳材料及二者协同层间增韧复合材料的研究进展，分析了热塑/热固双相体系及与纳米碳材料协同增韧复合材料的作用机制，为后续纳米材料/热塑性树脂层间增韧复合材料的研究提供了方向和参考。
碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/EP)由于其优异的力学性能，被大量应用于工业中，但薄弱的层间性能限制了其优势性能的发挥。层间增韧是有效解决该问题的技术之一。随着材料科学与技术的发展，热塑性树脂、纳米碳材料先后被应用于层间增韧复合材料的研究中。综述了热塑性树脂、纳米碳材料及二者协同层间增韧复合材料的研究进展，分析了热塑/热固双相体系及与纳米碳材料协同增韧复合材料的作用机制，为后续纳米材料/热塑性树脂层间增韧复合材料的研究提供了方向和参考。
2022, 39(2): 544-558.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210607.001
摘要:
聚合物/无机纳米粒子复合微球，具有良好的可设计性、流动性、热稳定性、功能基表面特性等优良的综合性能。聚合物/无机纳米粒子复合微球的形貌、粒径及分布、表面结构等可根据制备方法发生显著变化，从而影响其理化性能。本文综述了乳液聚合法、悬浮聚合法、分散聚合法、两步复合法、自组装法、物理诱导和模板辅助法等化学方法在制备聚合物/无机纳米粒子复合微球方面的研究进展，对其中涉及的多层、核-壳、功能化复合微球的制备方法也做了一定总结。最后，提出了当前在化学制备聚合物/无机纳米粒子复合微球时仍面临的问题，并进行了展望。
聚合物/无机纳米粒子复合微球，具有良好的可设计性、流动性、热稳定性、功能基表面特性等优良的综合性能。聚合物/无机纳米粒子复合微球的形貌、粒径及分布、表面结构等可根据制备方法发生显著变化，从而影响其理化性能。本文综述了乳液聚合法、悬浮聚合法、分散聚合法、两步复合法、自组装法、物理诱导和模板辅助法等化学方法在制备聚合物/无机纳米粒子复合微球方面的研究进展，对其中涉及的多层、核-壳、功能化复合微球的制备方法也做了一定总结。最后，提出了当前在化学制备聚合物/无机纳米粒子复合微球时仍面临的问题，并进行了展望。
2022, 39(2): 559-567.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210526.002
摘要:
研究了低密度芳纶短纤维(AF)对碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/EP)-铝蜂窝夹芯结构的界面增韧效果和增韧机制。制备了复合材料夹芯梁，将6 mm长度的AF制成絮状纤维薄层用于夹芯梁界面层的增韧，并采用非对称双悬臂梁实验对增韧和未增韧夹芯梁进行了界面断裂韧性的测量。相比于未增韧夹芯梁试件，增韧试件的平均临界能量释放率提高了91%，平均临界载荷提高了55%，而引入AF增韧层仅使夹芯梁质量提升了0.36%，显示本文方法具有良好的增韧效果与效率。使用SEM观察了夹芯梁界面的断面形貌与特征，微观观测结果显示，在界面裂纹扩展的过程中，AF一方面在面板与芯体之间形成桥联微结构，通过纤维拔出、纤维剥离、纤维断裂等行为，提高界面裂纹扩展的耗散能与临界载荷。另一方面，在蜂窝壁板周围的树脂“圆角”富余区，AF还能提高树脂与蜂窝壁板的粘结性能，避免蜂窝壁板因与面板接触面积过小而发生拔出。本文定量地测量了AF对CF/EP-铝蜂窝界面的宏观增韧效果，并阐释了其微观增韧机制，相关发现可为提高复合材料夹芯结构的安全性和可靠性提供指导。
研究了低密度芳纶短纤维(AF)对碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/EP)-铝蜂窝夹芯结构的界面增韧效果和增韧机制。制备了复合材料夹芯梁，将6 mm长度的AF制成絮状纤维薄层用于夹芯梁界面层的增韧，并采用非对称双悬臂梁实验对增韧和未增韧夹芯梁进行了界面断裂韧性的测量。相比于未增韧夹芯梁试件，增韧试件的平均临界能量释放率提高了91%，平均临界载荷提高了55%，而引入AF增韧层仅使夹芯梁质量提升了0.36%，显示本文方法具有良好的增韧效果与效率。使用SEM观察了夹芯梁界面的断面形貌与特征，微观观测结果显示，在界面裂纹扩展的过程中，AF一方面在面板与芯体之间形成桥联微结构，通过纤维拔出、纤维剥离、纤维断裂等行为，提高界面裂纹扩展的耗散能与临界载荷。另一方面，在蜂窝壁板周围的树脂“圆角”富余区，AF还能提高树脂与蜂窝壁板的粘结性能，避免蜂窝壁板因与面板接触面积过小而发生拔出。本文定量地测量了AF对CF/EP-铝蜂窝界面的宏观增韧效果，并阐释了其微观增韧机制，相关发现可为提高复合材料夹芯结构的安全性和可靠性提供指导。
2022, 39(2): 568-576.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210330.005
摘要:
采用离子交换的方法合成了磷钼酸基离子液体(PMAIL)，并与水滑石(LDH)复配，添加到膨胀阻燃热塑性聚氨酯弹性体(IFR/TPU)复合材料中，研究了PMAIL和LDH对IFR/TPU复合材料阻燃性能、热稳定性和加工流动性的影响。结果表明，PMAIL和LDH复配使用提高了IFR/TPU复合材料的阻燃性能和热稳定性；当PMAIL、LDH和IFR的质量比为0.2∶1.0∶8.8且总添加量为10wt%时，PMAIL-LDH-IFR/TPU复合材料的极限氧指数为30.1%，垂直燃烧测试达到UL-94 V-0级，热释放速率峰值和总热释放量与纯TPU相比分别下降88.06%和45.88%；平衡扭矩、熔融指数和熔融温度等数据变化表明，PMAIL-LDH-IFR/TPU复合材料具有良好的加工流动性。
采用离子交换的方法合成了磷钼酸基离子液体(PMAIL)，并与水滑石(LDH)复配，添加到膨胀阻燃热塑性聚氨酯弹性体(IFR/TPU)复合材料中，研究了PMAIL和LDH对IFR/TPU复合材料阻燃性能、热稳定性和加工流动性的影响。结果表明，PMAIL和LDH复配使用提高了IFR/TPU复合材料的阻燃性能和热稳定性；当PMAIL、LDH和IFR的质量比为0.2∶1.0∶8.8且总添加量为10wt%时，PMAIL-LDH-IFR/TPU复合材料的极限氧指数为30.1%，垂直燃烧测试达到UL-94 V-0级，热释放速率峰值和总热释放量与纯TPU相比分别下降88.06%和45.88%；平衡扭矩、熔融指数和熔融温度等数据变化表明，PMAIL-LDH-IFR/TPU复合材料具有良好的加工流动性。
2022, 39(2): 577-589.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210402.001
摘要:
针对石墨烯片在环氧树脂基体内定向连续和定向非连续分布的复合材料，通过分别构建三明治代表体单元和嵌入式代表体单元，进行了弹性性能预测的研究。代表体单元是三相复合结构，其中石墨烯和环氧树脂基体之间的界面层视为连续介质，其材料属性分别考虑均匀、线性和指数变化等3种情况。在代表体单元的有限元建模过程中，石墨烯和环氧树脂基体分别采用梁单元和实体单元进行离散，而界面层则采用等参梯度单元逼近。采用有限元软件ABAQUS 分析了小应变下的代表体单元的力学变形行为并提取其弹性性能，然后分析了界面层属性对石墨烯/环氧树脂复合材料弹性性能的影响。通过与混合率模型、修正的Halpin-Tsai模型及实验数据对比，验证了本文提出的基于等参梯度单元计算方法的有效性。数值算例表明，在处理界面层材料属性不均匀分布的问题方面，等参梯度单元具有计算量少、收敛快和精度高的优点。石墨烯/环氧树脂复合材料杨氏模量预测结果显示，界面层材料属性采用梯度变化的模型时，杨氏模量计算结果比均匀分布的模型、混合率模型和修正的Halpin-Tsai模型的结果偏大，但是更接近实验值。本文的研究结果说明界面层属性是影响复合材料力学性能的重要因素，并为寻求复合材料力学性能更精确地分析提供有效的途径。
针对石墨烯片在环氧树脂基体内定向连续和定向非连续分布的复合材料，通过分别构建三明治代表体单元和嵌入式代表体单元，进行了弹性性能预测的研究。代表体单元是三相复合结构，其中石墨烯和环氧树脂基体之间的界面层视为连续介质，其材料属性分别考虑均匀、线性和指数变化等3种情况。在代表体单元的有限元建模过程中，石墨烯和环氧树脂基体分别采用梁单元和实体单元进行离散，而界面层则采用等参梯度单元逼近。采用有限元软件ABAQUS 分析了小应变下的代表体单元的力学变形行为并提取其弹性性能，然后分析了界面层属性对石墨烯/环氧树脂复合材料弹性性能的影响。通过与混合率模型、修正的Halpin-Tsai模型及实验数据对比，验证了本文提出的基于等参梯度单元计算方法的有效性。数值算例表明，在处理界面层材料属性不均匀分布的问题方面，等参梯度单元具有计算量少、收敛快和精度高的优点。石墨烯/环氧树脂复合材料杨氏模量预测结果显示，界面层材料属性采用梯度变化的模型时，杨氏模量计算结果比均匀分布的模型、混合率模型和修正的Halpin-Tsai模型的结果偏大，但是更接近实验值。本文的研究结果说明界面层属性是影响复合材料力学性能的重要因素，并为寻求复合材料力学性能更精确地分析提供有效的途径。
2022, 39(2): 590-600.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210506.002
摘要:
设计了一种梯形格构增强泡沫夹芯板，并采用真空辅助树脂灌注(VARI)工艺制备了多种不同结构参数的格构增强泡沫夹芯板。实验研究了夹芯板在平面压缩载荷下的失效模式与力学性能，考察了夹芯板结构参数(试样尺寸、格构腹板角度、格构腹板厚度)对夹芯板比压缩强度、比压缩模量与比吸能的影响规律。结果表明：格构增强泡沫夹芯板主要破坏模式为格构腹板的断裂与屈曲；夹芯板中泡沫芯材与格构腹板协同增强；60°夹角格构增强夹芯板相对于无格构增强夹芯板的比压缩强度、比压缩模量和比吸能分别提高了89.4%、137.9%、45.2%；格构增强泡沫夹芯板压缩性能随着格构腹板角度、格构腹板厚度的增加而提高。这类夹芯板的设计为船舶与海洋工程领域轻质夹芯复合材料的应用提供了指导。
设计了一种梯形格构增强泡沫夹芯板，并采用真空辅助树脂灌注(VARI)工艺制备了多种不同结构参数的格构增强泡沫夹芯板。实验研究了夹芯板在平面压缩载荷下的失效模式与力学性能，考察了夹芯板结构参数(试样尺寸、格构腹板角度、格构腹板厚度)对夹芯板比压缩强度、比压缩模量与比吸能的影响规律。结果表明：格构增强泡沫夹芯板主要破坏模式为格构腹板的断裂与屈曲；夹芯板中泡沫芯材与格构腹板协同增强；60°夹角格构增强夹芯板相对于无格构增强夹芯板的比压缩强度、比压缩模量和比吸能分别提高了89.4%、137.9%、45.2%；格构增强泡沫夹芯板压缩性能随着格构腹板角度、格构腹板厚度的增加而提高。这类夹芯板的设计为船舶与海洋工程领域轻质夹芯复合材料的应用提供了指导。
2022, 39(2): 601-607.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210419.002
摘要:
以少层石墨烯为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，再用马来酸酐(MAH)接枝改性制得MAH-GO。以4,4′-二氨基二苯甲烷型双马来酰亚胺树脂和双酚A环氧树脂(MBMI-E51)为基体、4′4-二氨基二苯甲烷(DDM)为固化剂，MAH-GO为增强体，采用原位聚合法制备MAH-GO/MBMI-E51复合材料，并表征MAH-GO的微观结构及其含量对复合材料力学性能的影响。结果表明：GO微观片层结构清晰完整，MAH通过化学键成功接枝到了GO表面，GO片层出现卷曲现象，选用化学滴定法测得接枝率约为7.26%。MAH-GO/MBMI-E51复合材料的微观形貌显示：随着增强体的增加，复合材料断面形貌由最初平直的“河流状”变为微裂纹发展延伸的“树枝状”再到密集的“韧窝状”，断裂方式实现了由脆性断裂向韧性断裂的转变。当MAH-GO添加量为1.25wt%时，复合材料的冲击强度、弯曲强度与弯曲模量分别为24.18 kJ/m2、209 MPa和14.15 GPa，比基体树脂分别提高了200%、81.7%和524%。复合材料的力学性能得到了极大的改善。
以少层石墨烯为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，再用马来酸酐(MAH)接枝改性制得MAH-GO。以4,4′-二氨基二苯甲烷型双马来酰亚胺树脂和双酚A环氧树脂(MBMI-E51)为基体、4′4-二氨基二苯甲烷(DDM)为固化剂，MAH-GO为增强体，采用原位聚合法制备MAH-GO/MBMI-E51复合材料，并表征MAH-GO的微观结构及其含量对复合材料力学性能的影响。结果表明：GO微观片层结构清晰完整，MAH通过化学键成功接枝到了GO表面，GO片层出现卷曲现象，选用化学滴定法测得接枝率约为7.26%。MAH-GO/MBMI-E51复合材料的微观形貌显示：随着增强体的增加，复合材料断面形貌由最初平直的“河流状”变为微裂纹发展延伸的“树枝状”再到密集的“韧窝状”，断裂方式实现了由脆性断裂向韧性断裂的转变。当MAH-GO添加量为1.25wt%时，复合材料的冲击强度、弯曲强度与弯曲模量分别为24.18 kJ/m2、209 MPa和14.15 GPa，比基体树脂分别提高了200%、81.7%和524%。复合材料的力学性能得到了极大的改善。
2022, 39(2): 608-616.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210526.001
摘要:
为探明亚麻纤维增强树脂复合材料(FFRPs)在长期潮湿环境中的力学性能变化规律，基于真空辅助树脂模塑传递成型(VARTM)手段制备了的干燥状态的单向FFRPs(纤维体积分数为40vol%)。试验研究了 FFRPs在30°C、80%相对湿度(RH)环境中放置5天、35天、86天后拉伸力学性能变化。结果表明，FFRPs在湿热环境中吸水量近似符合一维情况下的Fickian第二定律，饱和吸水量为5.3%左右。FFRPs在垂直于纤维方向上的拉伸强度和模量随吸湿度增加递减，断口微观分析表明吸湿降低了纤维基体界面结合性能。然而，FFRPs在纤维方向上的拉伸强度并未因吸湿降低，反而在吸湿过程呈现出先减小后增加的趋势，此变化规律文献中尚未报道：相比干燥状态，放置5天后拉伸强度下降5.7%；放置35天后拉伸强度增加18.7%；放置86天时样品已处在饱和吸湿状态，拉伸强度略微减小，但仍比干燥状态增加13.7%。FFRPs在纤维取向上拉伸强度变化可解释为多因素共同作用的结果。
为探明亚麻纤维增强树脂复合材料(FFRPs)在长期潮湿环境中的力学性能变化规律，基于真空辅助树脂模塑传递成型(VARTM)手段制备了的干燥状态的单向FFRPs(纤维体积分数为40vol%)。试验研究了 FFRPs在30°C、80%相对湿度(RH)环境中放置5天、35天、86天后拉伸力学性能变化。结果表明，FFRPs在湿热环境中吸水量近似符合一维情况下的Fickian第二定律，饱和吸水量为5.3%左右。FFRPs在垂直于纤维方向上的拉伸强度和模量随吸湿度增加递减，断口微观分析表明吸湿降低了纤维基体界面结合性能。然而，FFRPs在纤维方向上的拉伸强度并未因吸湿降低，反而在吸湿过程呈现出先减小后增加的趋势，此变化规律文献中尚未报道：相比干燥状态，放置5天后拉伸强度下降5.7%；放置35天后拉伸强度增加18.7%；放置86天时样品已处在饱和吸湿状态，拉伸强度略微减小，但仍比干燥状态增加13.7%。FFRPs在纤维取向上拉伸强度变化可解释为多因素共同作用的结果。
2022, 39(2): 617-627.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210407.002
摘要:
以聚苯并噁嗪(PBA)树脂为基底，通过调控Al2O3-ZrO2微纳米填料添加量及其配比，并喷涂在碳钢表面形成了一种三维超疏水涂层。分别采用接触角测量仪、扫描电镜、摩擦磨损实验、三维超景深显微镜，研究了Al2O3-ZrO2/PBA涂层表面水滴接触角与微观表面形貌的构效关系，考察了不同Al2O3-ZrO2微纳米填料添加量对涂层摩擦系数的影响。根据不同载荷下超疏水涂层质量损失与摩擦距离间的关系，建立了一个预测涂层超疏水保持寿命的数学模型。采用不同温度、不同UV光照时间来模拟环境对超疏水涂层的破坏作用，发现当Al2O3∶ZrO2∶PBA三者质量配比为1∶1∶2时，涂层初始水接触角可达154º，即使经过5.66 kPa载荷下总走长180 cm的擦伤，涂层仍表现出超疏水性(150°)。经过300℃下1 h高温烘烤后仍表现出超疏水性。虽然UV光照30 min后涂层失去超疏水性，但表面磨损后随即快速恢复超疏水性。此外，还考察了该复合超疏水涂层的抗蚀能力，电化学测试表明该超疏水涂层具有较高的电化学阻抗，对碳钢基体有良好的保护作用。
以聚苯并噁嗪(PBA)树脂为基底，通过调控Al2O3-ZrO2微纳米填料添加量及其配比，并喷涂在碳钢表面形成了一种三维超疏水涂层。分别采用接触角测量仪、扫描电镜、摩擦磨损实验、三维超景深显微镜，研究了Al2O3-ZrO2/PBA涂层表面水滴接触角与微观表面形貌的构效关系，考察了不同Al2O3-ZrO2微纳米填料添加量对涂层摩擦系数的影响。根据不同载荷下超疏水涂层质量损失与摩擦距离间的关系，建立了一个预测涂层超疏水保持寿命的数学模型。采用不同温度、不同UV光照时间来模拟环境对超疏水涂层的破坏作用，发现当Al2O3∶ZrO2∶PBA三者质量配比为1∶1∶2时，涂层初始水接触角可达154º，即使经过5.66 kPa载荷下总走长180 cm的擦伤，涂层仍表现出超疏水性(150°)。经过300℃下1 h高温烘烤后仍表现出超疏水性。虽然UV光照30 min后涂层失去超疏水性，但表面磨损后随即快速恢复超疏水性。此外，还考察了该复合超疏水涂层的抗蚀能力，电化学测试表明该超疏水涂层具有较高的电化学阻抗，对碳钢基体有良好的保护作用。
2022, 39(2): 628-636.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210426.003
摘要:
将Ag、薄层石墨相氮化碳(g-C3N4)和硅铝胶球(SiO2)通过液相超声剥离-光化学沉积法-浸渍法合成复合光催化材料。设计甲醛降解密闭实验舱，探究g-C3N4、Ag-g-C3N4和g-C3N4-Ag/SiO2材料的光催化特性及其对甲醛的降解效果。结果表明，在可见光源条件下，对于g-C3N4-Ag/SiO2材料，降解甲醛的效率最高可达到65.6%。40%的相对湿度可有效提升降解效果。负载30 mg 4%Ag/g-C3N4的硅铝胶球循环使用16次时，甲醛降解效率仅下降9.71%。结合材料表征结果表明，通过超声剥离和Ag的引入，提升了材料可见光的吸收强度和吸收范围，并且有效促进了光生电子和空穴的分离，有效提升甲醛分子的降解效率。研究结果表明g-C3N4-Ag/SiO2材料具有优异的稳定性和良好的光催化性能，为实际有机污染物治理的应用提供了较好的科学基础。
将Ag、薄层石墨相氮化碳(g-C3N4)和硅铝胶球(SiO2)通过液相超声剥离-光化学沉积法-浸渍法合成复合光催化材料。设计甲醛降解密闭实验舱，探究g-C3N4、Ag-g-C3N4和g-C3N4-Ag/SiO2材料的光催化特性及其对甲醛的降解效果。结果表明，在可见光源条件下，对于g-C3N4-Ag/SiO2材料，降解甲醛的效率最高可达到65.6%。40%的相对湿度可有效提升降解效果。负载30 mg 4%Ag/g-C3N4的硅铝胶球循环使用16次时，甲醛降解效率仅下降9.71%。结合材料表征结果表明，通过超声剥离和Ag的引入，提升了材料可见光的吸收强度和吸收范围，并且有效促进了光生电子和空穴的分离，有效提升甲醛分子的降解效率。研究结果表明g-C3N4-Ag/SiO2材料具有优异的稳定性和良好的光催化性能，为实际有机污染物治理的应用提供了较好的科学基础。
2022, 39(2): 637-644.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210412.001
摘要:
提出采用后填充方式制备兼具稳固性和良好结构色效果的复合光子晶体。通过采用胶体微球自组装法制备图案化聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)(P(St-MAA))光子晶体生色结构，然后利用SiO2溶胶对P(St-MAA)光子晶体进行填充。优化了SiO2的填充条件，并对比了填充前后光子晶体生色结构的结构色效果和稳固性变化情况。结果表明：粒径分别为230 nm、250 nm和287 nm的P(St-MAA)胶体微球可构筑得到排列规整、结构色明亮的光子晶体，但晶体层的稳固性不佳；当SiO2浓度不超过30wt%，填充时间不超过5 min时，可制备得到结构色仍旧较明亮的SiO2-P(St-MAA)复合光子晶体；在相同的稳固性测试条件下，复合光子晶体稳固性明显提升，结构色效果不易消减，这主要归因于SiO2起到了类似“桥梁”的作用，加强了相邻P(St-MAA)胶体微球间的黏连，并增强了光子晶体层与基材间的黏性。本研究将为构筑高质量光子晶体提供新思路，有望推动光子晶体生色结构的实际应用。
提出采用后填充方式制备兼具稳固性和良好结构色效果的复合光子晶体。通过采用胶体微球自组装法制备图案化聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)(P(St-MAA))光子晶体生色结构，然后利用SiO2溶胶对P(St-MAA)光子晶体进行填充。优化了SiO2的填充条件，并对比了填充前后光子晶体生色结构的结构色效果和稳固性变化情况。结果表明：粒径分别为230 nm、250 nm和287 nm的P(St-MAA)胶体微球可构筑得到排列规整、结构色明亮的光子晶体，但晶体层的稳固性不佳；当SiO2浓度不超过30wt%，填充时间不超过5 min时，可制备得到结构色仍旧较明亮的SiO2-P(St-MAA)复合光子晶体；在相同的稳固性测试条件下，复合光子晶体稳固性明显提升，结构色效果不易消减，这主要归因于SiO2起到了类似“桥梁”的作用，加强了相邻P(St-MAA)胶体微球间的黏连，并增强了光子晶体层与基材间的黏性。本研究将为构筑高质量光子晶体提供新思路，有望推动光子晶体生色结构的实际应用。
2022, 39(2): 645-655.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210513.002
摘要:
分别选用粒径分别为1 μm、30 nm和100 nm的SiO2粒子作添加粒子，以低密度聚乙烯(LDPE)为基体，制备三种SiO2/LDPE复合材料。对各复合材料的结晶行为进行分析，分析各材料的结晶度，同时对每种材料在频率影响下的相对介电常数εr和损耗因子tanδ变化情况进行研究，并探究了各材料的电导电流及空间电荷特性。结果表明，添加粒子的尺寸越小，其所形成的复合材料的晶体尺寸与间距就越小。添加30 nm SiO2粒子后，材料结晶度增加显著；添加100 nm SiO2粒子所构成的微观结构能有效限制分子链运动，使复合材料极化建立困难；大尺寸粒子的添加会对原有结晶结构造成破坏，形成的新结晶结构能促进载流子的迁移；这三种SiO2粒子中，30 nm SiO2粒子的添加能有效抑制空间电荷，100 nm SiO2粒子的加入，则会造成电极附近的异极性电荷积聚。
分别选用粒径分别为1 μm、30 nm和100 nm的SiO2粒子作添加粒子，以低密度聚乙烯(LDPE)为基体，制备三种SiO2/LDPE复合材料。对各复合材料的结晶行为进行分析，分析各材料的结晶度，同时对每种材料在频率影响下的相对介电常数εr和损耗因子tanδ变化情况进行研究，并探究了各材料的电导电流及空间电荷特性。结果表明，添加粒子的尺寸越小，其所形成的复合材料的晶体尺寸与间距就越小。添加30 nm SiO2粒子后，材料结晶度增加显著；添加100 nm SiO2粒子所构成的微观结构能有效限制分子链运动，使复合材料极化建立困难；大尺寸粒子的添加会对原有结晶结构造成破坏，形成的新结晶结构能促进载流子的迁移；这三种SiO2粒子中，30 nm SiO2粒子的添加能有效抑制空间电荷，100 nm SiO2粒子的加入，则会造成电极附近的异极性电荷积聚。
2022, 39(2): 656-663.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210518.009
摘要:
以氧化石墨烯(GO)、1, 12-二氨基十二烷(C12H28N2)、TiO2溶胶为原料，通过预插层-离子交换-煅烧法制备TiO2/石墨烯夹层结构纳米复合材料。采用XRD、Raman、FTIR、TEM、TG、UV-Vis和PL对TiO2/石墨烯夹层结构纳米复合材料进行表征，并研究不同TiO2含量的TiO2/石墨烯纳米复合材料对环丙沙星(CIP)的光催化降解性能。在煅烧过程中，TiO2的晶化和GO的还原同时进行。根据XRD和FTIR结果推断，TiO2纳米颗粒在石墨烯层间原位生成，并通过化学键固定在石墨烯上，形成了石墨烯/TiO2/石墨烯夹层结构。当TiO2的质量分数为65.5wt%时，TiO2/石墨烯复合材料表现出对环丙沙星最佳的光催化活性，150 min光照后降解率为90%高于纯TiO2(28%、150 min)。这主要是特殊的夹层结构增强了光生电子-空穴分离。在光催化降解CIP的过程中，光生空穴和超氧自由基是主要的活性物质。此外，TiO2/石墨烯纳米复合材料具有较好的光稳定性和结构稳定性，在环境净化方面具有潜在的应用前景。
以氧化石墨烯(GO)、1, 12-二氨基十二烷(C12H28N2)、TiO2溶胶为原料，通过预插层-离子交换-煅烧法制备TiO2/石墨烯夹层结构纳米复合材料。采用XRD、Raman、FTIR、TEM、TG、UV-Vis和PL对TiO2/石墨烯夹层结构纳米复合材料进行表征，并研究不同TiO2含量的TiO2/石墨烯纳米复合材料对环丙沙星(CIP)的光催化降解性能。在煅烧过程中，TiO2的晶化和GO的还原同时进行。根据XRD和FTIR结果推断，TiO2纳米颗粒在石墨烯层间原位生成，并通过化学键固定在石墨烯上，形成了石墨烯/TiO2/石墨烯夹层结构。当TiO2的质量分数为65.5wt%时，TiO2/石墨烯复合材料表现出对环丙沙星最佳的光催化活性，150 min光照后降解率为90%高于纯TiO2(28%、150 min)。这主要是特殊的夹层结构增强了光生电子-空穴分离。在光催化降解CIP的过程中，光生空穴和超氧自由基是主要的活性物质。此外，TiO2/石墨烯纳米复合材料具有较好的光稳定性和结构稳定性，在环境净化方面具有潜在的应用前景。
2022, 39(2): 664-676.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210513.007
摘要:
采用定向加压过滤技术获得直径约为120 mm、厚度约为10 μm的碳纳米管/聚苯胺(CNT/PANI)自支撑纸基柔性电极。在电极中CNT均匀弥散分布，PANI均匀地嵌入CNT网络中。PANI为纳米至亚微米级球形颗粒，其负载量最高为2.7 mg·cm−2。PANI负载量为2.2 mg·cm−2的电极的孔隙率为70.33%，密度为0.4 g·cm−3，孔面积为67.31 m2·g−1。该电极可紧绕直径为4 mm的玻璃棒数圈而无损伤。该电极在4 mA·cm−2的电流密度条件下，单电极比电容为1.88 F·cm−2；在充放电1200次循环过程中，比电容先下降后增大，至900次循环时比电容达到2.41 F·cm−2，1200次循环时容量保持率为125.78%；经180°弯折500次后，容量保持率为78.43%。该电极所组装的对称三明治结构超级电容器在5 mA·cm−2的电流密度条件下比电容为0.48 F·cm−2，经1000次充放电循环容量保持率为94.3%，能量密度和功率密度分别为213.75 mW·h·cm−3和2163.22 mW·cm−3。
采用定向加压过滤技术获得直径约为120 mm、厚度约为10 μm的碳纳米管/聚苯胺(CNT/PANI)自支撑纸基柔性电极。在电极中CNT均匀弥散分布，PANI均匀地嵌入CNT网络中。PANI为纳米至亚微米级球形颗粒，其负载量最高为2.7 mg·cm−2。PANI负载量为2.2 mg·cm−2的电极的孔隙率为70.33%，密度为0.4 g·cm−3，孔面积为67.31 m2·g−1。该电极可紧绕直径为4 mm的玻璃棒数圈而无损伤。该电极在4 mA·cm−2的电流密度条件下，单电极比电容为1.88 F·cm−2；在充放电1200次循环过程中，比电容先下降后增大，至900次循环时比电容达到2.41 F·cm−2，1200次循环时容量保持率为125.78%；经180°弯折500次后，容量保持率为78.43%。该电极所组装的对称三明治结构超级电容器在5 mA·cm−2的电流密度条件下比电容为0.48 F·cm−2，经1000次充放电循环容量保持率为94.3%，能量密度和功率密度分别为213.75 mW·h·cm−3和2163.22 mW·cm−3。
2022, 39(2): 677-684.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210513.001
摘要:
四环素作为一种广泛使用的抗生素，长期存在于水环境中难以自然降解，对生态环境和人类健康有很大危害。采用简单的室温搅拌法和溶剂热法制备了BiOI和Bi2O3/BiOI光催化剂，通过XRD、SEM、FTIR、UV-Vis DRS、PL和EIS等手段对材料的形貌和结构进行了表征，并考察了不同制备条件对Bi2O3/BiOI复合光催化材料在模拟太阳光下对四环素降解效果的影响。结果表明，当Bi2O3与BiOI的摩尔比为0.8∶1时，在pH=5、180℃下反应20 h得到的Bi2O3/BiOI复合光催化材料对四环素的降解效果最佳，在3 h内对四环素的降解率可达75%，其动力学速率常数分别是单一BiOI、Bi2O3的1.75倍和1.56倍。还提出了一种二元异质结光催化剂的催化机制用于解释提高的光催化活性。
四环素作为一种广泛使用的抗生素，长期存在于水环境中难以自然降解，对生态环境和人类健康有很大危害。采用简单的室温搅拌法和溶剂热法制备了BiOI和Bi2O3/BiOI光催化剂，通过XRD、SEM、FTIR、UV-Vis DRS、PL和EIS等手段对材料的形貌和结构进行了表征，并考察了不同制备条件对Bi2O3/BiOI复合光催化材料在模拟太阳光下对四环素降解效果的影响。结果表明，当Bi2O3与BiOI的摩尔比为0.8∶1时，在pH=5、180℃下反应20 h得到的Bi2O3/BiOI复合光催化材料对四环素的降解效果最佳，在3 h内对四环素的降解率可达75%，其动力学速率常数分别是单一BiOI、Bi2O3的1.75倍和1.56倍。还提出了一种二元异质结光催化剂的催化机制用于解释提高的光催化活性。
2022, 39(2): 685-694.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210517.002
摘要:
为改善装配式结构节点的力学连接性能，对聚丙烯(PP)纤维灌浆料进行材性性能及其钢筋套筒连接接头的力学性能研究。选用不同掺量、长度PP纤维的灌浆料进行力学性能试验，确定PP纤维最佳掺量(占普通(JZ)灌浆料的体积比)和长度分别为0.5%和9 mm。以JZ灌浆料为对照组，设置了4d、6d、8d(d为钢筋直径)3种锚固长度的套筒接头试件并进行单向拉伸试验，采用光纤光栅传感器(FBG)和应变片两种测试方法研究PP纤维灌浆料下的粘结应力分布。结果表明：PP纤维增强灌浆料钢筋套筒的最小锚固长度在6d以上；PP纤维能够有效改善接头韧性，增强了套筒的粘结锚固效果，提高了筋粘结应力分布均匀程度，使其呈“马鞍形”或“斜梯型”分布；FBG传感器与应变片所得结果基本一致，FBG传感器所采集的应变数据精度高于应变片。
为改善装配式结构节点的力学连接性能，对聚丙烯(PP)纤维灌浆料进行材性性能及其钢筋套筒连接接头的力学性能研究。选用不同掺量、长度PP纤维的灌浆料进行力学性能试验，确定PP纤维最佳掺量(占普通(JZ)灌浆料的体积比)和长度分别为0.5%和9 mm。以JZ灌浆料为对照组，设置了4d、6d、8d(d为钢筋直径)3种锚固长度的套筒接头试件并进行单向拉伸试验，采用光纤光栅传感器(FBG)和应变片两种测试方法研究PP纤维灌浆料下的粘结应力分布。结果表明：PP纤维增强灌浆料钢筋套筒的最小锚固长度在6d以上；PP纤维能够有效改善接头韧性，增强了套筒的粘结锚固效果，提高了筋粘结应力分布均匀程度，使其呈“马鞍形”或“斜梯型”分布；FBG传感器与应变片所得结果基本一致，FBG传感器所采集的应变数据精度高于应变片。
2022, 39(2): 695-706.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210420.003
摘要:
为探索建筑固体废弃物再利用的新方式，提出玄武岩纤维平纹织物约束建筑废弃物散体颗粒组合结构，并采用准静态单轴压缩试验对其力学性能、吸能特性等方面进行研究。研究分别讨论了建筑固体废弃物颗粒种类、建筑固体废弃物颗粒的粒径级别、玄武岩平纹织物约束层数对其响应过程、破坏形式、荷载传递、能量吸收的影响，结果表明：单层玄武岩纤维平纹织物约束下建筑废弃砖渣颗粒的峰值荷载(16.54~27.89 kN)和混凝土颗粒的峰值荷载(17.99~32.33 kN)均随着粒径的增大而降低；与建筑废弃混凝土颗粒相比，虽然建筑废弃砖渣颗粒各粒径级别下峰值荷载较低，但其各粒径级别均具有更稳定的平台段(平台应力范围为0.87~1.26 MPa)与明显的压实应变(约为0.3)，是理想的吸能结构；此外，增加玄武岩纤维织物层数可显著提高建筑废弃砖渣颗粒的峰值荷载与比吸能，但由于无平台阶段和明显压实应变，并非理想吸能结构。
为探索建筑固体废弃物再利用的新方式，提出玄武岩纤维平纹织物约束建筑废弃物散体颗粒组合结构，并采用准静态单轴压缩试验对其力学性能、吸能特性等方面进行研究。研究分别讨论了建筑固体废弃物颗粒种类、建筑固体废弃物颗粒的粒径级别、玄武岩平纹织物约束层数对其响应过程、破坏形式、荷载传递、能量吸收的影响，结果表明：单层玄武岩纤维平纹织物约束下建筑废弃砖渣颗粒的峰值荷载(16.54~27.89 kN)和混凝土颗粒的峰值荷载(17.99~32.33 kN)均随着粒径的增大而降低；与建筑废弃混凝土颗粒相比，虽然建筑废弃砖渣颗粒各粒径级别下峰值荷载较低，但其各粒径级别均具有更稳定的平台段(平台应力范围为0.87~1.26 MPa)与明显的压实应变(约为0.3)，是理想的吸能结构；此外，增加玄武岩纤维织物层数可显著提高建筑废弃砖渣颗粒的峰值荷载与比吸能，但由于无平台阶段和明显压实应变，并非理想吸能结构。
2022, 39(2): 707-717.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210316.001
摘要:
为研究超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)无腹筋梁的抗剪性能，本次试验共制作9根体外预应力无腹筋UHPC梁，试验参数包括预应力的大小、剪跨比、纵向配筋率和钢纤维掺量，通过四点加载方法分析试验构件的破坏形态、开裂强度和极限强度。试验结果表明：无预应力无腹筋UHPC梁在剪跨比为1.0加载时发生弯曲破坏，设置钢绞线25%极限强度张拉值使无腹筋UHPC梁的正截面抗弯能力得到强化，弯矩增幅为157%，使试验梁从弯曲破坏转变为剪切破坏。张拉25%和40%控制应力的UHPC梁的开裂荷载分别提高了1.2倍和2.6倍，有效抑制了裂缝的形成。体外预应力张拉40%控制应力，剪跨比为1.0和1.5时UHPC梁均发生剪切破坏，但是剪跨比增大至2.0时，UHPC梁发生弯曲破坏，受压区混凝土压溃。规范中的抗剪公式均低估了体外预应力无腹筋UHPC梁的抗剪承载力，其斜截面抗剪强度的实验值与计算值之比的平均值分别为2.28和3.21。
为研究超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)无腹筋梁的抗剪性能，本次试验共制作9根体外预应力无腹筋UHPC梁，试验参数包括预应力的大小、剪跨比、纵向配筋率和钢纤维掺量，通过四点加载方法分析试验构件的破坏形态、开裂强度和极限强度。试验结果表明：无预应力无腹筋UHPC梁在剪跨比为1.0加载时发生弯曲破坏，设置钢绞线25%极限强度张拉值使无腹筋UHPC梁的正截面抗弯能力得到强化，弯矩增幅为157%，使试验梁从弯曲破坏转变为剪切破坏。张拉25%和40%控制应力的UHPC梁的开裂荷载分别提高了1.2倍和2.6倍，有效抑制了裂缝的形成。体外预应力张拉40%控制应力，剪跨比为1.0和1.5时UHPC梁均发生剪切破坏，但是剪跨比增大至2.0时，UHPC梁发生弯曲破坏，受压区混凝土压溃。规范中的抗剪公式均低估了体外预应力无腹筋UHPC梁的抗剪承载力，其斜截面抗剪强度的实验值与计算值之比的平均值分别为2.28和3.21。
2022, 39(2): 718-725.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210414.001
摘要:
为改善传统纤维素水凝胶材料柔软易碎的性质，拓宽其应用领域，开发出具有优异力学性能的纤维素水凝胶，在LiOH-尿素体系中溶解纤维素后，先加入环氧氯丙烷制备出具有松散化学交联网络结构的纤维素水凝胶，再通过在酸溶液去除碱-尿素包裹体系后形成物理交联，获得具有初步取向的双交联纤维素水凝胶；在此基础上，沿长度方向调控机械力拉伸固定双网络结构水凝胶，获得不同力学性能的各向异性纤维素水凝胶。研究表明：经拉伸后水凝胶最大拉伸强度可达2.96 MPa，纤维素水凝胶在偏振光下出现彩色偏光现象，表现出典型的光学各向异性；通过该方法可构建出具有高强度、光学各向异性的纤维素水凝胶，该类水凝胶在智能软物质等领域具有良好的应用前景。
为改善传统纤维素水凝胶材料柔软易碎的性质，拓宽其应用领域，开发出具有优异力学性能的纤维素水凝胶，在LiOH-尿素体系中溶解纤维素后，先加入环氧氯丙烷制备出具有松散化学交联网络结构的纤维素水凝胶，再通过在酸溶液去除碱-尿素包裹体系后形成物理交联，获得具有初步取向的双交联纤维素水凝胶；在此基础上，沿长度方向调控机械力拉伸固定双网络结构水凝胶，获得不同力学性能的各向异性纤维素水凝胶。研究表明：经拉伸后水凝胶最大拉伸强度可达2.96 MPa，纤维素水凝胶在偏振光下出现彩色偏光现象，表现出典型的光学各向异性；通过该方法可构建出具有高强度、光学各向异性的纤维素水凝胶，该类水凝胶在智能软物质等领域具有良好的应用前景。
2022, 39(2): 726-735.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210514.002
摘要:
利用聚丙烯腈(PAN)和β-环糊精(β-CD)原料，采用盐酸羟胺原位偕胺肟改性和静电纺丝技术，一步合成制备出偕胺肟聚丙烯腈(AOPAN)-β-CD纳米纤维膜。以纤维膜的形貌和对铀的吸附量为评价指标，优化了改性制备工艺条件。通过SEM、FTIR、表面张力仪等对纤维的形貌、组成和性能进行表征。结果表明，当氰基与羟胺摩尔比为1∶1、改性时间为2 h时，AOPAN-β-CD纳米纤维膜的形态及纤维直径分布更均匀，纤维直径约为230 nm，纤维膜的吸附容量最大，达到78.62 mg/g。
利用聚丙烯腈(PAN)和β-环糊精(β-CD)原料，采用盐酸羟胺原位偕胺肟改性和静电纺丝技术，一步合成制备出偕胺肟聚丙烯腈(AOPAN)-β-CD纳米纤维膜。以纤维膜的形貌和对铀的吸附量为评价指标，优化了改性制备工艺条件。通过SEM、FTIR、表面张力仪等对纤维的形貌、组成和性能进行表征。结果表明，当氰基与羟胺摩尔比为1∶1、改性时间为2 h时，AOPAN-β-CD纳米纤维膜的形态及纤维直径分布更均匀，纤维直径约为230 nm，纤维膜的吸附容量最大，达到78.62 mg/g。
2022, 39(2): 736-745.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210506.003
摘要:
以壳聚糖(CTS)和草酸钙-直接枣红B(CaC2O4-DB)杂化材料为原料，采用共混原位固载法制备草酸钙-直接枣红B/壳聚糖(CaC2O4-DB/CTS)复合材料。利用SEM、BET和FTIR对 CTS 和CaC2O4-DB/CTS的形貌及结构等进行表征分析，CaC2O4-DB的固载并未改变CTS的形貌结构，仅增加其比表面积和结合位点。详细考察了吸附时间、乙基紫 (Ethyl violet，EV)初始浓度、溶液pH及温度等因素对CaC2O4-DB/CTS吸附EV的影响，初步探讨了CaC2O4-DB/CTS对EV的吸附动力学和吸附热力学行为。结果表明，CaC2O4-DB/CTS吸附EV在3 h内达到吸附平衡，且pH=8、投加量为6 g/L时，25℃的100 mg/L EV溶液(化学需氧量(COD)为187 mg/L)染料去除率高达95%，COD去除率达90%以上。该吸附过程是自发进行的，符合Langmuir等温线模型和准二级动力学模型，其吸附过程由颗粒内扩散和化学吸附共同控制。
以壳聚糖(CTS)和草酸钙-直接枣红B(CaC2O4-DB)杂化材料为原料，采用共混原位固载法制备草酸钙-直接枣红B/壳聚糖(CaC2O4-DB/CTS)复合材料。利用SEM、BET和FTIR对 CTS 和CaC2O4-DB/CTS的形貌及结构等进行表征分析，CaC2O4-DB的固载并未改变CTS的形貌结构，仅增加其比表面积和结合位点。详细考察了吸附时间、乙基紫 (Ethyl violet，EV)初始浓度、溶液pH及温度等因素对CaC2O4-DB/CTS吸附EV的影响，初步探讨了CaC2O4-DB/CTS对EV的吸附动力学和吸附热力学行为。结果表明，CaC2O4-DB/CTS吸附EV在3 h内达到吸附平衡，且pH=8、投加量为6 g/L时，25℃的100 mg/L EV溶液(化学需氧量(COD)为187 mg/L)染料去除率高达95%，COD去除率达90%以上。该吸附过程是自发进行的，符合Langmuir等温线模型和准二级动力学模型，其吸附过程由颗粒内扩散和化学吸附共同控制。
2022, 39(2): 746-758.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210422.001
摘要:
为研究锈蚀对钢板表面特性及碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板-锈蚀钢板界面黏结性能的影响，开展了6批次锈蚀钢板表面特性测试及22个CFRP板-锈蚀钢板双搭接试件的拉伸试验，揭示了锈蚀对钢板表面形貌与粗糙度、表观接触角与表面自由能以及CFRP板-钢板黏结界面破坏模式、有效黏结长度、极限荷载的影响。研究结果表明：随着腐蚀龄期不断增大，均匀腐蚀与点蚀交替主导钢板表面形貌特征变化，钢板表面粗糙度与表面自由能均出现周期性上下波动；CFRP板-锈蚀钢板黏结界面主要呈钢板/胶层界面剥离与CFRP板/胶层界面剥离混合破坏模式，腐蚀龄期仅对混合破坏类型的面积占比有一定影响；胶层厚度相同时，锈蚀钢板对应界面有效黏结长度明显大于未锈蚀钢板对应界面，腐蚀龄期0~12个月、胶层厚度0.21~0.7 mm的CFRP板-锈蚀钢板界面有效黏结长度为63.75~91.5 mm；随着腐蚀龄期不断增大，CFRP板-锈蚀钢板界面极限荷载呈先增大后稳定趋势，锈蚀引起的钢板表面面积、表面自由能及表面粗糙度增加，对CFRP板-钢板黏结界面极限承载力有利。
为研究锈蚀对钢板表面特性及碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板-锈蚀钢板界面黏结性能的影响，开展了6批次锈蚀钢板表面特性测试及22个CFRP板-锈蚀钢板双搭接试件的拉伸试验，揭示了锈蚀对钢板表面形貌与粗糙度、表观接触角与表面自由能以及CFRP板-钢板黏结界面破坏模式、有效黏结长度、极限荷载的影响。研究结果表明：随着腐蚀龄期不断增大，均匀腐蚀与点蚀交替主导钢板表面形貌特征变化，钢板表面粗糙度与表面自由能均出现周期性上下波动；CFRP板-锈蚀钢板黏结界面主要呈钢板/胶层界面剥离与CFRP板/胶层界面剥离混合破坏模式，腐蚀龄期仅对混合破坏类型的面积占比有一定影响；胶层厚度相同时，锈蚀钢板对应界面有效黏结长度明显大于未锈蚀钢板对应界面，腐蚀龄期0~12个月、胶层厚度0.21~0.7 mm的CFRP板-锈蚀钢板界面有效黏结长度为63.75~91.5 mm；随着腐蚀龄期不断增大，CFRP板-锈蚀钢板界面极限荷载呈先增大后稳定趋势，锈蚀引起的钢板表面面积、表面自由能及表面粗糙度增加，对CFRP板-钢板黏结界面极限承载力有利。
2022, 39(2): 759-768.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210513.006
摘要:
采用真空热压技术制备了石墨鳞片-碳纤维协同增强铜基复合材料，研究了碳纤维含量对复合材料的组织结构、抗弯强度与热导率的影响。结果表明，石墨鳞片-碳纤维/铜基复合材料界面结合良好；当碳纤维体积分数为0.5vol%~1.5vol%时，碳纤维能够均匀分散在基体中，并有效提升复合材料的抗弯强度。当碳纤维体积分数为1.5vol%时，抗弯强度达到最大值126 MPa，相比未添加碳纤维的复合材料提高了46%；但过量加入碳纤维(2vol%及以上)时，碳纤维出现团聚，使抗弯强度下降。碳纤维的加入会使复合材料的热导率小幅下降，复合材料的热导率从549 W/(m·K)降低到527 W/(m·K)。使用声子失配模型(Acoustic mismatch model，AMM)结合Digimat软件的MF模块对多相复合材料的热导率进行有效预测。
采用真空热压技术制备了石墨鳞片-碳纤维协同增强铜基复合材料，研究了碳纤维含量对复合材料的组织结构、抗弯强度与热导率的影响。结果表明，石墨鳞片-碳纤维/铜基复合材料界面结合良好；当碳纤维体积分数为0.5vol%~1.5vol%时，碳纤维能够均匀分散在基体中，并有效提升复合材料的抗弯强度。当碳纤维体积分数为1.5vol%时，抗弯强度达到最大值126 MPa，相比未添加碳纤维的复合材料提高了46%；但过量加入碳纤维(2vol%及以上)时，碳纤维出现团聚，使抗弯强度下降。碳纤维的加入会使复合材料的热导率小幅下降，复合材料的热导率从549 W/(m·K)降低到527 W/(m·K)。使用声子失配模型(Acoustic mismatch model，AMM)结合Digimat软件的MF模块对多相复合材料的热导率进行有效预测。
2022, 39(2): 769-776.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210529.001
摘要:
基于B4C良好的中子吸收性能和碳纤维(CF)慢化中子的性能，采用真空热压烧结方法制备了集结构与功能一体具有不同CF含量的CF-B4C混合增强6061Al基复合材料，并对热轧后的组织形貌和力学性能进行分析。结果表明，大变形量热轧后B4C颗粒和CF分布较均匀，没有出现大面积的聚集现象，但是少量B4C颗粒和CF在轧制压力的作用下发生了断裂。当变形量达到60%时，复合材料的抗拉强度可达(265±3) MPa，与6061Al合金的抗拉强度相比，不同厚度的CF-B4C/Al复合材料的抗拉强度分别提高了80%和112%。随着CF含量的增加，CF-B4C/Al复合材料的强度和延伸率均减小。当CF含量达到5wt%时，断裂的主要原因是有纤维的聚集及纤维沿断裂方向排布。
基于B4C良好的中子吸收性能和碳纤维(CF)慢化中子的性能，采用真空热压烧结方法制备了集结构与功能一体具有不同CF含量的CF-B4C混合增强6061Al基复合材料，并对热轧后的组织形貌和力学性能进行分析。结果表明，大变形量热轧后B4C颗粒和CF分布较均匀，没有出现大面积的聚集现象，但是少量B4C颗粒和CF在轧制压力的作用下发生了断裂。当变形量达到60%时，复合材料的抗拉强度可达(265±3) MPa，与6061Al合金的抗拉强度相比，不同厚度的CF-B4C/Al复合材料的抗拉强度分别提高了80%和112%。随着CF含量的增加，CF-B4C/Al复合材料的强度和延伸率均减小。当CF含量达到5wt%时，断裂的主要原因是有纤维的聚集及纤维沿断裂方向排布。
2022, 39(2): 777-787.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210323.001
摘要:
基于瞬态动力学理论和遗传优化算法，以提高抗冲击损伤能力为优化目标对复合材料气瓶的铺层顺序进行优化。遗传算法利用MATLAB软件实现，复合材料气瓶冲击损伤分析采用ANSYS进行，通过两个软件之间的信息传递，实现优化计算。以铝内胆复合材料气瓶为算例进行优化，结果表明，在同一冲击能量下，优化后的气瓶基体破裂面积和基体破裂层数均大幅减小，剩余爆破压力显著提高。当冲击能量为60 J时，该气瓶表面基体破裂面积减少了8.8%，基体破裂层数减少了14.3%，剩余爆破压力值提高了9.6%。本文建立的优化算法可以用于复合材料气瓶铺层优化设计。
基于瞬态动力学理论和遗传优化算法，以提高抗冲击损伤能力为优化目标对复合材料气瓶的铺层顺序进行优化。遗传算法利用MATLAB软件实现，复合材料气瓶冲击损伤分析采用ANSYS进行，通过两个软件之间的信息传递，实现优化计算。以铝内胆复合材料气瓶为算例进行优化，结果表明，在同一冲击能量下，优化后的气瓶基体破裂面积和基体破裂层数均大幅减小，剩余爆破压力显著提高。当冲击能量为60 J时，该气瓶表面基体破裂面积减少了8.8%，基体破裂层数减少了14.3%，剩余爆破压力值提高了9.6%。本文建立的优化算法可以用于复合材料气瓶铺层优化设计。
2022, 39(2): 788-801.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210328.001
摘要:
对低速冲击 (LVI)载荷下不同冲击位置对T型复合材料加筋板损伤容限的影响进行了试验研究。选取了2个典型冲击位置，即：两筋间蒙皮和筋条长桁边缘，引入目视可检冲击损伤(VID)。借助目视及无损检测手段观察到不同冲击位置处的损伤存在显著差异。相比于蒙皮冲击，长桁边缘冲击处的损伤形式更复杂，表现为：纤维断裂、基体开裂、分层、层剥离及界面脱粘。分别对完好、蒙皮冲击和长桁冲击试件进行冲击后压缩试验(CAI)。结果表明：蒙皮冲击件与完好件失效过程极为相似，由于试验夹具刀口的存在，限制了加筋板的变形，诱发了损伤起始，导致最终的结构破坏；而长桁冲击件展示出截然不同的失效机制，损伤从冲击位置沿试件横向扩展，促使结构整体失效的提前发生，显著降低了加筋板的剩余压缩强度。此外，引入数字图像相关技术(DIC)对压缩过程中试件的变形进行监测，并与传统的接触式测量结果进行对比，验证了该测试方法应用于材料力学性能测试的可行性与优越性。
对低速冲击 (LVI)载荷下不同冲击位置对T型复合材料加筋板损伤容限的影响进行了试验研究。选取了2个典型冲击位置，即：两筋间蒙皮和筋条长桁边缘，引入目视可检冲击损伤(VID)。借助目视及无损检测手段观察到不同冲击位置处的损伤存在显著差异。相比于蒙皮冲击，长桁边缘冲击处的损伤形式更复杂，表现为：纤维断裂、基体开裂、分层、层剥离及界面脱粘。分别对完好、蒙皮冲击和长桁冲击试件进行冲击后压缩试验(CAI)。结果表明：蒙皮冲击件与完好件失效过程极为相似，由于试验夹具刀口的存在，限制了加筋板的变形，诱发了损伤起始，导致最终的结构破坏；而长桁冲击件展示出截然不同的失效机制，损伤从冲击位置沿试件横向扩展，促使结构整体失效的提前发生，显著降低了加筋板的剩余压缩强度。此外，引入数字图像相关技术(DIC)对压缩过程中试件的变形进行监测，并与传统的接触式测量结果进行对比，验证了该测试方法应用于材料力学性能测试的可行性与优越性。
2022, 39(2): 802-811.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210401.001
摘要:
提出了一种任意角度复合材料厚壁管的轴对称问题的分析方法。传统的Lekhnitskii理论能够获得普通缠绕层复合材料厚壁管的精确弹性解，但是，当厚壁管内存在0°缠绕层或者各项同性材料层时，该两种特殊层都会出现奇异参数，从而导致特殊层与普通层界面的连续性条件不能被满足。因此，讨论了特殊层存在奇异参数的原因，并对这类参数进行连续性分析和极限计算，从而解决了参数奇异的问题，使Lekhnitskii理论的应用范围扩展到任意缠绕角的复合材料厚壁管。最后，通过有限元计算软件ABAQUS分析了不同复合材料组合管的力学响应，有限元计算结果与改进理论结果基本一致。
提出了一种任意角度复合材料厚壁管的轴对称问题的分析方法。传统的Lekhnitskii理论能够获得普通缠绕层复合材料厚壁管的精确弹性解，但是，当厚壁管内存在0°缠绕层或者各项同性材料层时，该两种特殊层都会出现奇异参数，从而导致特殊层与普通层界面的连续性条件不能被满足。因此，讨论了特殊层存在奇异参数的原因，并对这类参数进行连续性分析和极限计算，从而解决了参数奇异的问题，使Lekhnitskii理论的应用范围扩展到任意缠绕角的复合材料厚壁管。最后，通过有限元计算软件ABAQUS分析了不同复合材料组合管的力学响应，有限元计算结果与改进理论结果基本一致。
2022, 39(2): 812-822.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210425.002
摘要:
针对复合材料结构螺栓连接，拧紧工况的不同会改变端面和螺纹间的摩擦系数，从而影响到扭矩系数，使夹紧力随拧紧力矩变化的趋势十分复杂。首先对螺栓连接过程进行理论分析，得到了夹紧力和复合应力状态下螺栓屈服夹紧力的表达式。然后以某型号螺栓为对象进行试验研究，在规定的目标预紧力下，分别测得了不同润滑条件、垫圈条件和拧紧速度下的拧紧曲线。试验结果表明，在螺栓整个拧紧过程中，不同的润滑条件、垫圈条件和拧紧速度对夹紧力和拧紧力矩曲线的离散度、达到相同大小夹紧力时需要的拧紧力矩、夹紧力随拧紧力矩的变化趋势都有一定程度的影响。通过上述工况下螺栓拧紧中的夹紧力研究，可为复合材料构件螺栓连接结构及拧紧工艺设计的精准化提供一定参考和依据。
针对复合材料结构螺栓连接，拧紧工况的不同会改变端面和螺纹间的摩擦系数，从而影响到扭矩系数，使夹紧力随拧紧力矩变化的趋势十分复杂。首先对螺栓连接过程进行理论分析，得到了夹紧力和复合应力状态下螺栓屈服夹紧力的表达式。然后以某型号螺栓为对象进行试验研究，在规定的目标预紧力下，分别测得了不同润滑条件、垫圈条件和拧紧速度下的拧紧曲线。试验结果表明，在螺栓整个拧紧过程中，不同的润滑条件、垫圈条件和拧紧速度对夹紧力和拧紧力矩曲线的离散度、达到相同大小夹紧力时需要的拧紧力矩、夹紧力随拧紧力矩的变化趋势都有一定程度的影响。通过上述工况下螺栓拧紧中的夹紧力研究，可为复合材料构件螺栓连接结构及拧紧工艺设计的精准化提供一定参考和依据。
2022, 39(2): 823-833.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210420.002
摘要:
为了研究有机硅凝胶的超弹性性能，在−30~30℃的环境温度范围内采用单轴拉伸(UT)实验，对灌封用硅凝胶的力学性能进行表征，获得了硅凝胶在不同温度下的应力-应变曲线。研究发现，硅凝胶初始弹性模量在−30~0℃的范围内与温度正相关，在0~30℃的范围内与温度负相关。随后，据UT实验数据讨论在有限元模拟中植入超弹性本构方程(Neo Hookean、Mooney-Rivlin、Yeoh、Arruda-Boyce等)的选取策略及参数确定方法，基于优选的Neo Hookean模型建立了一个温度相关超弹性本构模型，以描述硅凝胶在较大温度范围内的应力-应变响应。然后，利用商业有限元分析软件ABAQUS提供的UHYPER子程序描述与温度相关的Neo Hookean超弹性模型，结合布拉格光纤光栅监测技术(Fiber Bragg grating，FBG)，选取观测点，对典型硅凝胶灌封结构在−30~30℃高低温循环进行数值模拟和实验监测。结果表明，应变的实验测试值和数值仿真结果相差7%，验证了本文建立的超弹性本构方程的可靠性和实际应用价值。
为了研究有机硅凝胶的超弹性性能，在−30~30℃的环境温度范围内采用单轴拉伸(UT)实验，对灌封用硅凝胶的力学性能进行表征，获得了硅凝胶在不同温度下的应力-应变曲线。研究发现，硅凝胶初始弹性模量在−30~0℃的范围内与温度正相关，在0~30℃的范围内与温度负相关。随后，据UT实验数据讨论在有限元模拟中植入超弹性本构方程(Neo Hookean、Mooney-Rivlin、Yeoh、Arruda-Boyce等)的选取策略及参数确定方法，基于优选的Neo Hookean模型建立了一个温度相关超弹性本构模型，以描述硅凝胶在较大温度范围内的应力-应变响应。然后，利用商业有限元分析软件ABAQUS提供的UHYPER子程序描述与温度相关的Neo Hookean超弹性模型，结合布拉格光纤光栅监测技术(Fiber Bragg grating，FBG)，选取观测点，对典型硅凝胶灌封结构在−30~30℃高低温循环进行数值模拟和实验监测。结果表明，应变的实验测试值和数值仿真结果相差7%，验证了本文建立的超弹性本构方程的可靠性和实际应用价值。
2022, 39(2): 834-844.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210420.004
摘要:
为研究机床床身用树脂矿物复合材料在典型工况下的损伤演化过程、破坏失效形式，基于颗粒流数值模拟技术(Three-dimensional particle flow code，PFC3D)，考虑级配和随机骨料形状，建立了包含骨料、界面过渡区、树脂基质、孔隙的树脂矿物复合材料四项介质离散元模型。结合机床典型工况下的受力情况，研究了树脂矿物复合材料损伤演化过程及裂纹分布规律，并从细观角度研究了裂纹萌生、扩展、贯穿的形成机制。研究结果表明：(1) 树脂矿物复合材料损伤演化过程可以明显分为四个阶段；(2) 骨料与树脂基质的界面过渡区首先起裂，并在与加载平行且无大骨料支撑的薄弱位置出现试件的压溃现象。该项研究为树脂矿物复合材料作为机床基础件材料的损伤性能细观研究提供参考依据。
为研究机床床身用树脂矿物复合材料在典型工况下的损伤演化过程、破坏失效形式，基于颗粒流数值模拟技术(Three-dimensional particle flow code，PFC3D)，考虑级配和随机骨料形状，建立了包含骨料、界面过渡区、树脂基质、孔隙的树脂矿物复合材料四项介质离散元模型。结合机床典型工况下的受力情况，研究了树脂矿物复合材料损伤演化过程及裂纹分布规律，并从细观角度研究了裂纹萌生、扩展、贯穿的形成机制。研究结果表明：(1) 树脂矿物复合材料损伤演化过程可以明显分为四个阶段；(2) 骨料与树脂基质的界面过渡区首先起裂，并在与加载平行且无大骨料支撑的薄弱位置出现试件的压溃现象。该项研究为树脂矿物复合材料作为机床基础件材料的损伤性能细观研究提供参考依据。
2022, 39(2): 845-853.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210331.002
摘要:
在复合材料飞机结构设计中，由于应力的铺层相关性，工程上通常采用应变进行结构强度预测。另外，复合材料飞机需考虑损伤容限设计，必须对含损伤，尤其是目视几乎不可见损伤(Barely visible impact damages，BVID)结构的适航符合性进行评估。因此，民用飞机结构设计上更需要基于应变的并考虑含损伤的复合材料失效准则来预测结构强度。本文介绍了一种复合应变失效判据，为验证该失效判据的保守性，设计了面内双轴加载试验，对含BVID损伤的准各向同性铺层T800级碳纤增强环氧树脂基复合材料层压板进行了各种工况的面内失效测试。通过设计双轴加载载荷比，实现了不同的拉伸、压缩、剪切复合加载工况。理论分析与试验结果对比显示，理论方法的失效载荷约为试验失效载荷的80%。此方法的保守性和准确度既满足了结构安全性需求又不会引入不必要的结构质量，适合于实际工程应用。
在复合材料飞机结构设计中，由于应力的铺层相关性，工程上通常采用应变进行结构强度预测。另外，复合材料飞机需考虑损伤容限设计，必须对含损伤，尤其是目视几乎不可见损伤(Barely visible impact damages，BVID)结构的适航符合性进行评估。因此，民用飞机结构设计上更需要基于应变的并考虑含损伤的复合材料失效准则来预测结构强度。本文介绍了一种复合应变失效判据，为验证该失效判据的保守性，设计了面内双轴加载试验，对含BVID损伤的准各向同性铺层T800级碳纤增强环氧树脂基复合材料层压板进行了各种工况的面内失效测试。通过设计双轴加载载荷比，实现了不同的拉伸、压缩、剪切复合加载工况。理论分析与试验结果对比显示，理论方法的失效载荷约为试验失效载荷的80%。此方法的保守性和准确度既满足了结构安全性需求又不会引入不必要的结构质量，适合于实际工程应用。
2022, 39(2): 854-862.
doi: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210420.001
摘要:
复合材料由于其较高的比刚度、比强度而成为重要的轻量化材料，推广其在汽车上的应用可有效缓解当前人类面临的环境污染和能源短缺问题。基于某款汽车铝合金前防撞梁，开展了复合材料替代设计，可实现减重27%，并采用碳纤维湿法模压成型工艺进行制备后，进行了RCAR标准下正面40%重叠碰撞实验；同时，利用有限元软件LS-DYNA构建了复合材料前防撞梁数值模型，验证后基于该模型进一步对吸能盒壁厚、复合材料梁铺层厚度、铺层方式等参数进了探讨，发现吸能盒壁厚对于防撞梁的耐撞性较关键，而引入仿生螺旋铺层设计可进一步提升能量吸收特性。此外，同等质量下的复合材料防撞梁综合性能被证明较金属防撞梁更加优异。
复合材料由于其较高的比刚度、比强度而成为重要的轻量化材料，推广其在汽车上的应用可有效缓解当前人类面临的环境污染和能源短缺问题。基于某款汽车铝合金前防撞梁，开展了复合材料替代设计，可实现减重27%，并采用碳纤维湿法模压成型工艺进行制备后，进行了RCAR标准下正面40%重叠碰撞实验；同时，利用有限元软件LS-DYNA构建了复合材料前防撞梁数值模型，验证后基于该模型进一步对吸能盒壁厚、复合材料梁铺层厚度、铺层方式等参数进了探讨，发现吸能盒壁厚对于防撞梁的耐撞性较关键，而引入仿生螺旋铺层设计可进一步提升能量吸收特性。此外，同等质量下的复合材料防撞梁综合性能被证明较金属防撞梁更加优异。
