关键词： 桥梁工程   复合材料   黏结性能   开槽外贴加固   CFRP   开槽尺寸  

摘要： 为研究混凝土开槽后在凹槽区域外贴碳纤维增强聚合物(CFRP)材料的界面黏结性能，以开槽宽度和深度、混凝土强度等级为主要参数，进行16组开槽外贴CFRP布混凝土试件单剪试验，设置4组未开槽混凝土表面外贴CFRP布试件为对照组；通过分析试验荷载-位移曲线、应力分布特点及试件破坏现象，探究试件的极限荷载、黏结强度、最大剪应力、最大滑移量等参数的变化趋势，讨论开槽尺寸和加固方法对试件破坏模式的影响，分析试件的破坏原因及机理；基于试验数据拟合结果建立混凝土开槽外贴CFRP布试件的黏结-滑移模型及最大剪应力计算模型，并将最大剪应力预测结果与文献数据进行对比。研究结果表明：相比于未开槽的加固方法，开槽外贴CFRP布的加固方法能够有效提高混凝土试件黏结界面的极限荷载，试件的破坏模式主要表现为黏结破坏、CFRP布断裂破坏和复合破坏；采用开槽外贴加固(EBROG)方法的试件在凹槽处黏结界面的最大剪应力和峰值滑移随凹槽尺寸的增大而提高，且存在最佳凹槽宽度和深度的组合；提出的最大剪应力计算模型的预测结果与现有文献试验结果的误差在16%之内，该模型可用于预测开槽区域最大剪应力。

关键词： 碳纳米管   石墨复合材料   锂离子电池负极  

摘要： 在新时代背景下，面对日益严峻的世界能源危机与环保问题，发展高效环保的储能技术迫在眉睫。锂离子电池具有能量密度高、长循环性能好、自放电速率小等特点，在电动汽车、便携式电子设备以及大型能源存储等方面具有广阔的潜在发展前景。然而，目前的锂离子电池在能量密度、充放电速度及循环稳定性上还有待提高，制约了其在高性能领域的发展。对此，本文对碳纳米管/石墨复合材料在锂离子电池负极中的应用作出研究。

关键词： 公路桥梁项目   复合材料   钢板-GFRP组合桥面板   界面剪应力分析  

摘要： 玻璃纤维增强复合板作为一种新型材料，具有重量轻、强度高、施工简便等优点，在钢桥面铺装中应用广泛。为有效探究玻璃纤维复合板（GFRP）黏结性能，保证桥面铺装层施工质量，延长使用寿命，该文章通过四点弯曲试验，对三种常规荷载作用下钢板-GFRP组合桥面板剪应力实施检测分析，并通过数值模拟计算对理论分析结果实施检验，结果显示：（1）理论值和模拟分析结果基本相同，各部位剪切强度均未超过树脂胶强度，因此判定采用树脂胶对钢板、GFRP板实施黏结完全可行；（2）GFRP板和钢板厚度比ɑ越大，结合面处的剪切应力呈先增后减变化；并且当中性轴由钢板中间部位转移至GFRP板中间部位时，厚度比ɑ、弹模比β越大，二者结合面处的最大剪切应力越小。

关键词： 复合材料   冲击损伤   无损检测   反问题   层析成像  

摘要： 复合材料的低速冲击往往引起表面目视不可见损伤，影响服役安全性。实现在线、原位的材料损伤检测方法，对结构进行实时健康监测和管理具有重要意义。基于损伤会导致复合材料板电阻发生变化的特性，建立了损伤的电阻层析成像方法，研究了不同测量模式对成像效果的影响，并开展了该方法在复合材料冲击损伤中的应用与验证。共提出了相邻激励与相对激励、相邻测量与相对测量4种测量方式。通过数值试验研究优选了最佳测量模式，并进一步开展了最优测量模式对多种复合材料板损伤检测能力的分析。结果表明：相邻激励相对测量模式具有最好的成像效果，采用该模式能够准确定位复合材料板不同冲击水平与位置下的冲击损伤，定位平均误差不超过6.72%。所建立的电阻层析成像方法具有图像对比度高、缺陷定位清晰等优点，可推广用于复合材料壁板的损伤检测。

关键词： Ti6Al4V合金   选区激光熔化成形   力学性能   热处理   TiB2颗粒  

摘要： 钛基复合材料由于具有低密度、高比强度、耐高温等优点,被广泛应用在航空航天、汽车制造、生物医学等领域。陶瓷颗粒增强钛基复合材料因其拥有较高的强度和硬度、优异的耐磨性以及性能可定制等特点而引起人们的极大兴趣。选区激光熔化（Selective laser melting,SLM）是一种发展迅速的增材制造技术。在SLM成形陶瓷颗粒增强钛基复合材料过程中,液态熔池内的马兰戈尼对流有助于纳米增强相在基体中的均匀分布。添加适量陶瓷颗粒能有效实现钛合金组织重构和细化晶粒。然而,陶瓷增强相含量超过一定限度时,对组织和性能将会带来不利影响。 本文选择以低含量的TiB2颗粒和Ti6Al4V粉末为原料,采用SLM技术制备原位自生TiB增强TiB/Ti6Al4V复合材料,通过优化SLM工艺参数,系统研究了TiB2含量对SLM成形TiB/Ti6Al4V复合材料微观组织和力学性能的影响,并分析了强化机制。在此基础上,研究了退火和固溶时效处理对TiB/Ti6Al4V复合材料组织和性能演变的影响。主要研究成果如下: （1）探索了激光功率和扫描速度对SLM成形1 wt.%TiB2添加的TiB/Ti6Al4V复合材料致密度、组织形貌和力学性能的影响规律。研究表明,在激光功率200 W,扫描速度800 mm/s,扫描间距100μm,层厚30μm,体积能量密度83.33 J/mm3的工艺参数组合下,实现了SLM成形1 wt.%TiB2添加的TiB/Ti6Al4V复合材料的工艺参数最优化,此时样品的致密度最高,达到99.71%,其抗拉强度和硬度也最高,呈现出优异的力学性能。 （2）随着TiB2添加量增加,纳米TiB由晶须状转变为短棒状,长径比由12.39减小至3.57,同时TiB/Ti6Al4V复合材料的基体组织细化,α片层尺寸由1.55μm（添加TiB2）减小至1.27μm（添加1 wt.%TiB2）。当TiB2含量为0.5 wt.%时,TiB/Ti6Al4V复合材料具有良好的综合力学性能,屈服强度和抗拉强度分别达到1138.43 MPa和1460.21 MPa,与SLM成形Ti6Al4V合金相比,强度分别提高了13.3%和21.57%。SLM成形TiB/Ti6Al4V复合材料强度的显著提升归因于位错强化、细晶强化以及TiB的载荷转移强化的协同作用。其中,位错强化机制对屈服强度提升效果最大,其次为细晶强化,TiB的载荷转移强化效果最低。随着TiB含量增加,细晶强化效果提升,但是TiB的载荷转移强化效果减弱。 （3）研究了退火处理对TiB/Ti6Al4V复合材料微观组织和力学性能的影响。经退火处理后,针状α'马氏体分解形成α+β双相片层组织。随着退火温度的升高,α+β片层发生粗化,β相含量增加;当退火温度为950℃时,出现等轴α相。在相同退火温度下,随着TiB2含量增加,TiB/Ti6Al4V复合材料基体晶粒显著细化,位错密度增加,β相含量降低。退火处理使TiB/Ti6Al4V复合材料中TiB尺度特征参数发生变化。随着退火温度提升,TiB晶须发生粗化。通过合适的退火处理,可以在不明显降低强度和硬度的同时,显著改善材料的延伸率。经850℃退火处理后,0.5 wt.%TiB2添加的TiB/Ti6Al4V复合材料具有良好的综合力学性能,屈服强度、抗拉强度和硬度分别为1006.3 MPa、1222.8 MPa和390.9 HV,延伸率保持在12.3%。 （4）研究了固溶时效处理对TiB/Ti6Al4V复合材料微观组织和力学性能的影响。在相变温度以下进行固溶处理,针状α'马氏体分解,转变为精细α板条和晶间β相均匀分布的双相组织。再经550℃时效处理,α板条和初生β晶粒发生粗化,形成（α+β）片层,位错密度降低,大角度晶界数量增加,β相含量显著降低。通过固溶时效处理,TiB/Ti6Al4V复合材料的抗拉强度和硬度降低,但延伸率显著提升。随着固溶处理温度升高,经550℃时效后材料的抗拉强度和硬度有所提升,但延伸率呈降低趋势。综合来看,经880℃固溶和550℃时效处理后,TiB/Ti6Al4V复合材料具有良好的综合力学性能,即在保持较高强度（屈服强度1202.5 MP、抗拉强度1293.1 MP）和硬度（391.7 HV）的同时,仍具有良好的塑性（10.7%）。

关键词： 钴颗粒   钴/环氧树脂复合材料   埋嵌电感   钴互连  

摘要： 钴基材料在印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)领域展现出良好的应用潜力。本文系统研究了钴基材料的可控合成及其在PCB领域的应用。首先,通过溶剂热法合成具有特定形状的钴颗粒,并分析了反应时间、温度、溶剂种类及反应物起始浓度对钴颗粒形貌的影响。随后,将钴颗粒与环氧树脂共混制备复合材料,用作埋嵌电感的磁芯。最后,在钴互连应用方面,探讨了两种有机小分子对钴盲孔填充性能的影响,并结合电化学分析与数值模拟对其填充机制进行了验证与阐释。以下是主要研究内容: 1.采用溶剂热法,在水与乙二胺的协同作用下合成了松树叶状钴颗粒。系统研究了反应时间、反应物起始浓度、溶剂类型和反应温度等因素对钴颗粒的影响,揭示了其成核与生长机制。实验结果表明,乙二胺与钴离子结合形成配位离子,限制钴离子在纵向生长。此外,在较低温度下进行合成可以得到形貌良好的松树叶状钴颗粒。 2.采用多巴胺对松树叶状钴颗粒进行表面改性,并将其与环氧树脂物理共混,制备出钴@多巴胺/环氧树脂(Co@PDA/EP)磁性复合材料,可用于PCB埋嵌电感的磁芯的制备。多巴胺的加入有效改善了钴颗粒在环氧树脂基体中的分散性。此外,虽然钴颗粒的加入使复合材料的热稳定性略有下降,但其介电常数和介电损耗均随填料含量的增加而提高。同时,Co@PDA颗粒赋予复合材料良好的磁学性能,饱和磁化强度和磁导率随着填料含量的增加而提高。将复合材料作为PCB埋嵌电感的磁芯,能有效提升电感值和品质因子,电感值提高了17%,验证了其在高性能电感器件中的应用潜力。 3.选用6-氯鸟嘌呤核苷和2,9-二乙酰鸟嘌呤两种有机分子作为添加剂,调控钴的电化学沉积过程,从而实现对PCB盲孔的高效填充。电化学测试结果表明,2,9-二乙酰鸟嘌呤能够提高钴的沉积电位,抑制电沉积,从而有利于盲孔自下至上的填充。其分子中的羰基能够吸附于电极表面,有效阻碍物质的迁移,降低电沉积效率。相比之下,6-氯鸟嘌呤核苷对钴电沉积过程的影响较小。在2,9-二乙酰鸟嘌呤的作用下,经过8小时的电化学沉积,可以实现对PCB盲孔的有效填充。

关键词： 凝胶电解质   二氧化硅   羧甲基纤维素钠   聚丙烯酸钠   水系钠离子电池  

摘要： 凝胶电解质由聚合物凝结而成,其高分子的网络结构使得凝胶电解质吸入了水分也能保持原来的结构不变,性能较稳定。聚合物间隙能够吸收大量水以保证凝胶电解质是湿润柔软的状态,通常表现为液态和固态之间的半固态电解质特征,其往往有较高的离子迁移率,因此具有优异的电化学性能,同时还具备机械柔韧性、质地轻等特点,因此开发凝胶电解质有实际应用价值和重要意义。本文研究了不同基底的凝胶电解质以及在全电池应用等方法,将制备好的凝胶电解质应用于水系钠离子电池中,以期达到更好的效果。本论文围绕上述内容开展了以下工作。 采用物理方法制备SiO2-Na凝胶电解质,以Na0.44MnO2为正极,NaTi2（PO4）3为负极,组装成全电池进行电化学性能测试,其中纳米二氧化硅拥有大量硅羟基能和水分子形成氢键,而且二氧化硅形成的网络框架能固定电解液,降低分解速率,并且大大提高了电化学稳定性,从而提高了电化学窗口。通过傅里叶变换红外吸收光谱验证了SiO2-Na复合结构的形成,对冷冻干燥后的凝胶态电解质进行微观型貌表征、对比,发现凝胶态电解质中电解质盐的析晶被抑制了,一些介孔的出现也为离子传输增加了通道。此外通过循环伏安法,分析了电化学过程,研究表明以二氧化硅作为凝胶基底,优化后的电解液为电解质盐,所构成的SiO2-Na凝胶电解质在水系钠离子电池体系中500圈循环后容量保持率还有90%以上。 在SiO2-Na的基础上,以物理方法制备CMC/SiO2复合凝胶电解质,以Na0.44MnO2为正极,NaTi2（PO4）3为负极,组装成全电池进行电化学性能测试,其中羧甲基纤维素钠中的羧基与水分子形成氢键,扩宽了CMC/SiO2电化学窗口,并且与二氧化硅构成了复合的网络结构从而固定了水分子,抑制了它的挥发,在拥有更好的循环性能的同时具备高保水性。通过傅里叶变换红外吸收光谱验证了CMC/SiO2复合结构的形成,对冷冻干燥后的凝胶态电解质进行微观型貌表征、对比,发现凝胶态电解质中电解质盐的析晶被抑制了,一些介孔的出现也为离子传输增加了通道。通过循环伏安法,分析了电化学过程,研究表明SiO2、CMC-Na和电解质盐相互交联,形成的CMC/SiO2凝胶电解质在水系钠离子电池体系中1200圈循环后容量保持率仍有90%以上,在-10℃全电池也能进行正常运行,全电池比容量能达到室温比容量的60%以上。 在CMC/SiO2的基础上,以物理方法制备PAA-CMC/SiO2复合凝胶电解质,以Na0.44MnO2为正极,NaTi2（PO4）3为负极,组装成全电池进行电化学性能测试,其中聚丙烯酸钠的羧酸根与水分子形成氢键,扩宽PAA-CMC/SiO2电化学窗口,并且与CMC/SiO2构成的复合网络结构固定了水分子,抑制了它的挥发从而具有更好的循环性能。通过傅里叶变换红外吸收光谱验证了PAA-CMC/SiO2复合结构的形成,对冷冻干燥后的凝胶态电解质进行微观型貌表征、对比,发现凝胶态电解质中电解质盐的析晶被抑制了,一些介孔的出现也为离子传输增加了通道,并且在机械强度上也因为复合的网络结构得到提升。通过循环伏安法,分析了电化学过程,研究表明SiO2、CMC-Na、PAA-Na和电解质盐相互交联,形成的PAA-CMC/SiO2凝胶电解质在水系钠离子体系中500圈循环后容量保持率还有90%以上,在-30℃全电池也能进行正常运行,全电池比容量能达到室温比容量的60%以上。

关键词： COFs衍生材料   磁电复合   核壳结构   电磁特性   微波吸收性能  

摘要： 随着雷达系统和无线通信技术的发展,电磁波污染逐渐加剧,急需开发出薄厚度、宽吸收的电磁波吸收材料。共价有机框架材料（COFs）具有比表面积大、孔隙率高、密度小等优点,其衍生的碳基材料可以与磁性成分形成具有较高磁损耗和介电损耗的多孔结构磁电复合材料,能够增强对电磁波的反射和散射。COFs衍生磁电复合材料可以实现磁电协同以优化阻抗匹配,并存在多种损耗机制,具有实现宽带微波吸收的潜力。因此,研究COFs衍生磁电复合材料的电磁特性和微波吸收性能具有非常重要的意义。 本论文采用COFs衍生法分别构建了核壳结构COFs衍生磁电复合材料Fe3O4@C、CoFe2O4@C和FeNi3@C,并使用同轴法研究其电磁特性。这三种核壳结构复合材料具有独特的多级层状碳壳,而且碳壳中存在丰富的缺陷,可以产生界面极化和缺陷偶极极化。当材料填充比例相同时,在介电常数方面,CoFe2O4@C最高,Fe3O4@C与FeNi3@C次之,且二者相近;在磁导率方面,FeNi3@C最高,Fe3O4@C次之,CoFe2O4@C最低。结果表明,FeNi3@C具有更合适的电磁参数,实现了最优异的阻抗匹配。 Fe3O4@C、CoFe2O4@C和FeNi3@C磁电复合材料均具有优异的吸波性能。尤其是FeNi3@C复合材料由于具有最佳阻抗匹配特性,在厚度仅仅为1.6 mm下实现了7.4 GHz的有效吸收带宽,与已报道的FeNi基材料相比,在2 mm厚度内具有最宽的有效吸收带宽。基于超结构设计,得到了宽频吸波器。其中,FeNi3@C复合材料经过超结构设计后,在9.8 mm厚度下实现了2-18 GHz的全频段有效吸收带宽,具有极为广阔的实际应用前景。由此可见,COFs衍生磁电复合材料在微波吸收领域有巨大的发展潜力。