关键词： 钛基复合材料   TiC增强体   微观组织   力学性能   高周疲劳  

摘要： 钛基复合材料因其高比强度、耐高温及优异的耐腐蚀性能,在航空发动机叶片、航天器承力结构等领域备受关注。然而,传统熔铸法制备的TiC增强钛基复合材料常因TiC颗粒粗化、枝晶状分布不均等问题,引发界面应力集中,导致材料塑性及疲劳性能显著下降。针对这一挑战,本研究以近β型钛合金Ti-5Al-5Mo-5Zr-6Cr（Ti-5556）为基体,通过真空悬浮感应熔炼结合Cr3C2原位反应制备TiC/Ti-5556复合材料,系统探究不同Cr3C2添加量对复合材料组织、力学性能以及高周疲劳性能的影响规律,揭示其强韧化及抗疲劳机制。本文取得的主要结论如下: （1）研究Cr3C2添加量以及退火温度对TiC/Ti-5556复合材料显微组织的演变规律。当Cr3C2添加量为3 wt.%时,熔体中碳元素通过原位反应生成羽毛状共晶TiC,均匀分布于β-Ti基体;经多向锻造后,枝晶TiC破碎为粒状,晶粒尺寸由铸态936.90μm细化至264.45μm（降幅71.8%）。在700℃的α+β双相区退火诱导针状马氏体α相析出,与粒状TiC形成“硬质颗粒-韧性基体”多尺度强化网络。力学测试表明,该状态下复合材料抗拉强度达980MPa延伸率11.0%,较基体合金抗拉强度906 MPa延伸率7.5%,分别提升7.6%与31.8%。而添加6 wt.%Cr3C2时,初生TiC因碳浓度梯度增大呈现等轴或枝晶状,经800℃的β单相区退火后球化为均匀颗粒,界面结合强度显著增强,抗拉强度进一步提高至988 MPa,延伸率维持在10.0%。断口分析揭示,粒状TiC通过载荷传递效应分担应力,同时α相阻碍位错滑移延缓微孔聚合,实现强度与塑性的协同提升。 （2）研究基体组织与Cr3C2添加量对TiC/Ti-5556复合材料的高周拉压疲劳性能。α+β双相组织中,针状α相通过钉扎位错延缓裂纹萌生,粒状TiC则通过裂纹偏转与桥接效应抑制裂纹扩展。升降法测试表明,其疲劳极限达318.3 MPa,较基体合金298.3 MPa提升6.7%,从而延缓裂纹扩展速率,疲劳断口呈现韧窝与解理混合特征。相比之下,β单相组织因α相缺失及晶粒粗化,疲劳极限降至230 MPa,裂纹优先沿原始β晶界萌生,扩展区呈现沿晶断裂形貌。进一步通过断口剖面分析发现,TiC颗粒团聚区成为疲劳源,而均匀分布的粒状TiC通过界面脱粘耗散能量,凸显组织均匀性对疲劳寿命的显著影响。 （3）研究了TiC/Ti-5556复合材料室温强韧化机制和高周拉压疲劳裂纹扩展机制。TiC颗粒通过Zener钉扎效应抑制晶界迁移,晶粒细化遵循Hall-Petch关系,从而使得强度提升。透射电镜观测显示,TiC/基体界面处位错密度形成高密度缠结网络,Orowan绕过机制使得材料强度提升。此外,TiC与基体的热膨胀系数差异诱导界面压应力场,迫使裂纹扩展路径偏转,能量耗散率提高。α相与β相的变形协调性差异进一步增加裂纹扩展阻力,双相组织疲劳裂纹扩展门槛值较单相组织有明显提高。

关键词： 碳纤维复合材料   多组分刚柔增强层   表面改性   机械性能  

摘要： 碳纤维增强树脂基复合材料具有高强度、质量轻、耐腐蚀和耐高温等优异性能,在汽车工业、军备国防、航天事业、风能发电等领域具有广阔的应用前景。然而,由于碳纤维表面高度石墨化,活性官能团少,与树脂基体结合不好,难以形成应力有效传递的界面。因此,本文通过同时引入小分子、聚合物以及各种纳米材料,采用多种表面改性方法在碳纤维表面构筑多组分刚柔增强层来提高纤维表面的化学反应活性,增加纤维的表面粗糙度,促进纤维与树脂形成强的化学键合和机械互锁作用,增加纤维与基体之间的有效载荷转移,进而提高碳纤维复合材料的整体性能。 本文的研究内容如下: （1）采用聚醚胺（PEA）为柔性分子链,通过层层组装法在碳纤维（CF）表面组装氧化石墨烯/聚醚胺/碳纳米管（GO/PEA/CNT）多组分刚柔增强层以增强复合材料的力学性能和导热性能。通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱和热重分析仪（TGA）等测试手段证明纤维表面均匀沉积了GO和CNT。改性后复合材料的弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度分别提升了33.3%、59.8%和52.3%。GO、PEA和CNT通过协同作用增加了纤维与树脂的化学键合和机械互锁作用,有效实现应力在纤维、增强层和树脂基体之间的传递和分散,从而提高了复合材料的力学性能。改性后复合材料的热导率提升了105.8%,这是由于GO和CNT促进纤维与树脂形成了良好的导热通路,有效降低了导热声子在传输过程中发生散射和碰撞的频率,提高了导热声子的传输效率,从而增强了复合材料的导热性能。 （2）采用聚乙烯亚胺（PEI）活化碳纤维,以接枝的植酸（PA）作为连接桥,通过化学接枝法沉积MXene构筑PEI/PA/MXene多组分刚柔增强层以提高复合材料的界面性能。通过FTIR和X射线衍射（XRD）证明成功合成了Ti3C2Tz MXene,并在其表面成功接枝了硅烷偶联剂KH550。通过SEM、原子力显微镜（AFM）、FTIR和XPS等表征手段探明了PEI、PA和MXene在碳纤维表面均匀沉积的状态。改性后复合材料的弯曲强度、弯曲模量、层间剪切强度和界面剪切强度分别提升了62.6%、63.0%、50.8%和45.8%。这可能是由于PEI/PA/MXene增强层通过氢键和共价键等相互作用提高了纤维的表面反应活性,增强了纤维与树脂的机械互锁作用,从而提高了复合材料的机械性能。 （3）采用单宁酸和3-氨丙基三乙氧基硅烷（TA-APTES）混合物接枝的海藻酸钠（SA）为反应基底,通过水热法在碳纤维表面生长Zn O构建SA/Zn O多组分刚柔增强层来增强复合材料的力学性能。此外,通过Na OH调节反应液的p H制备出棒状和花状的Zn O纳米结构。当Zn O为棒状结构时,复合材料的弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度分别提升了40.8%、58.4%和44.9%。当Zn O为花状结构时,复合材料的弯曲强度、弯曲模量和层间剪切强度分别提升了39.8%、63.6%和47.3%。纳米Zn O正如扎在树脂基体上的“针”,当“针”的数量增加,扩大了纤维与树脂的接触面积,提高了纤维与树脂之间的物理啮合作用,从而增强了复合材料的界面性能。 （4）以聚多巴胺（PDA）为反应模板,通过原位生长法在碳纤维表面生长羟基磷灰石（HAP）制备PDA/HAP多组分刚柔增强层以提高复合材料的力学性能。PDA的儿茶酚为碳纤维表面钙离子和磷酸盐离子共沉淀形成HAP提供了反应条件。结果表明,改性后复合材料的界面剪切强度、层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量分别提升了60.5%、45.2%、46.9%和87.9%。PDA改善了纤维的反应活性和润湿性,促进了纤维与树脂紧密结合,而HAP以高硬度和高模量承担载荷,阻碍裂纹拓展,从而增强了复合材料的机械性能。 （5）以TA-APTES混合物接枝的纤维素纳米纤维（CNF）为前驱体,通过原位合成法在碳纤维表面合成Ni-HHTP型(Ni3（HHTP）2)金属有机框架（MOFs）构建CNF/MOFs多组分刚柔增强层来增强复合材料的界面性能。改性后复合材料的弯曲强度、弯曲模量、层间剪切强度和界面剪切强度分别提升了35.1%、46.7%、57.9%和54.9%。TA-APTES和CNF含有大量的活性官能团,提高了纤维的表面化学反应活性。CNF如“分子绳索”沉积在纤维表面促进了MOFs的生长,扩大了纤维表面粗糙度,促进纤维与树脂形成强的物理咬合作用。高比表面积和多孔结构的MOFs如同应力传递和分散的“节点”,在受力的过程中能够有效吸收和缓冲应力,从而提高复合材料的机械性能。 总之,本文采用不同的表面改性方法,通过在碳纤维表面构筑不同组分的刚柔增强层来提高碳纤维复合材料的机械性能,有利于扩大复合材料在航空航天、汽车工业、风能发电等领域

关键词： 电动汽车   动力电池   负极   硅碳材料   寿命衰减  

摘要： 新能源汽车的发展对锂离子动力电池的能量密度提出了更高的要求。硅碳负极材料具有高比容量，高导电性和高机械强度，是下一代动力电池负极材料的发展方向。本文制备了“珠串状”硅碳负极材料，对其形貌和成分进行了分析，并将其用作锂离子电池负极材料，对其电化学性能进行了测试。基于一维硅碳复合材料的容量衰减特性，对其寿命衰减曲线进行了拟合分析，为长寿命硅碳复合材料的技术发展提供了支撑。

关键词： 碳纤维   电磁屏蔽   抗菌   疏水   红外隐身  

摘要： 随着电子设备的高度普及,电磁环境逐渐变得愈发复杂。因此,研发高性能的电磁屏蔽材料以避免电磁干扰对设备运行影响与人体健康危害成为了当今科技发展亟待解决的问题之一。本研究以碳纤维（CF）为基材,围绕其相关复合材料展开深入探究,旨在通过多级结构改性技术,全方位提升材料的电磁屏蔽性能,并实现多功能集成,以满足多元化场景需求。 本文主要研究内容如下: （1）本研究采用水热合成法,成功地在碳纤维表面修饰了SnO2纳米颗粒,并系统探究SnO2纳米粒子对碳纤维复合材料界面性能以及电磁屏蔽性能的影响及作用机制。通过扫描电镜观察,SnO2纳米粒子均匀且致密地分布在碳纤维表面,显著提升了碳纤维表面粗糙度,增强了与基体材料间的机械啮合作用,同时修饰过的碳纤维表面富含羟基,有效增进了与树脂之间的相容性,极大地增强了二者的界面结合力。通过力学性能测试,结果表明改性后的SnO2/CF/EP复合材料在层间剪切强度（ILSS）、界面剪切强度（IFSS）和弯曲强度分别达到83.2 MPa、81.2 MPa、705.4 MPa,相比较原始CF/EP分别提升了33.1%,48.7%,39.0%。由于SnO2纳米颗粒其作为散射中心,促使电磁波在材料内部发生多次反射,显著延长了电磁波的传播路径,进而有效消耗更多电磁能量。此外,SnO2独特的电子结构特性,使其能够与碳纤维形成良好的电子耦合,进一步强化了材料对电磁波的介电损耗能力。通过矢量网络分析仪测试效能,水热生长SnO2后,碳纤维复合材料在X波段（8.2-12.4 GHz）的电磁屏蔽效能相较于未改性前显著提升,SET值最高可达49.2 dB。 （2）针对当前电磁屏蔽复合材料功能单一、环境适应性不强等问题,且仅依靠单一成分或结构难以满足复杂的性能需求,本研究通过进一步引入Fe3O4/SnO2异质结构,进而提升碳纤维的电磁屏蔽性能,同时为解决当前电磁屏蔽复合织物面临的表面多重反射界面难构建以及表面阻抗失衡等问题提供了解决方案。以碳纤维织物为基材,利用水热和原位聚合水热法,在其表面成功生长出SnO2和Fe3O4磁性纳米粒子,从而制备出具有多级结构的电磁屏蔽复合织物。此外,考虑到实际应用环境的多样性,采用双键交联反应,以双键香草醛和双键季铵盐化合物为原料进行共聚,制备出无氟疏水及抗菌性的绿色环保涂层,经喷涂整理后赋予碳布表面双重功能特性。 通过矢量网络分析仪结合波导法对碳布的电磁屏蔽性能进行测试,结果显示,Fe3O4/SnO2/CF的SET值在整个X波段（8.2-12.4 GHz）内均高于Fe3O4/CF、SnO2/CF以及未改性前的CF。其中,Fe3O4/SnO2/CF在X波段的平均SET值达56.0 dB,最高值可达61.2 dB,完全能够满足日常防护需求。采用红外热成像仪,以手机和手掌为热源对碳布的红外隐身性能进行测试,Fe3O4/SnO2/CF的热辐射温度接近室温,充分表明其具有优异的红外隐身功能。通过测量静态接触角,喷涂共聚物后的碳布静态接触角可达141°,可达到良好的疏水性能。采用平板涂布法计算菌落数量,当共聚物浓度达到2%及以上时,织物对大肠杆菌（***）和金黄色葡萄球菌（***）的抗菌率分别高达88%和94%,表现出优异的抗菌性能。

关键词： 反式聚异戊二烯   分子动力学模拟   力学性能   粘弹性能  

摘要： 杜仲胶是一种反式橡胶材料,由于其独特的性能被广泛应用于绿色节能轮胎等领域。反式-1,4-聚异戊二烯（Trans-1,4-polyisoprene,简称TPI）作为杜仲胶的主要化学组成成分,TPI复合材料的力学性能与粘弹性能是衡量杜仲胶材料性能的重要指标。目前对于TPI复合材料的性能研究主要集中在实验上,还缺少关于TPI分子链及其复合材料的计算机模拟相关研究。 本文采用全原子分子动力学模拟（Molecular dynamics simulation,简称MD）方法,结合一定的理论机制,构建了纯TPI分子以及TPI分子链中分别加入二氧化硅Si O2、石墨烯Graphene、碳纳米管CNTs填料的模型,分析了各个体系的力学性能与粘弹性能,并着重研究了填料种类、填料含量、剪切幅度、体系温度等因素的影响效应。结果发现随着填料质量分数的增加,材料的力学性能与粘弹性能有明显的提升,其中力学性能的提升Si O2>CNTs>Graphene>纯胶,粘弹性能的提升CNTs>Si O2>Graphene>纯胶。随着剪切幅度的增大,体系的储能模量和损耗模量均有所下降,损耗因子有增大的趋势。进一步研究了TPI纯胶与Si O2填料（填料质量分数为31.04%）在不同温度下（200 K～400 K）的复合材料体系,重点研究了温度对力学性能与粘弹性能的影响。结果发现随着温度的升高,体系的拉伸模量明显下降,储能模量和损耗模量也大幅下降,这主要是由于TPI分子链运动能力增强。经过聚合物链结构分析、聚合物链运动分析、相互作用能分析等模拟运算表明了其分子结构的变化与材料性能的变化是相一致的。

关键词： 拓扑优化   液冷散热   多目标优化   复合材料  

摘要： 随着锂离子电池能量密度的不断提高,锂离子电池的散热和安全性被高度关注,为了解决锂离子电池热失控等问题,以电动汽车电池包的轻量化、安全性和散热性为研究重点。针对以上问题,本文提出一种轻质微通道碳纤维复合材料散热板结构,实现轻质-高强度-散热一体化设计,并基于换热性能对其进行微通道结构优化。采用微通道碳纤维复合材料作为液冷散热板,并通过变密度法拓扑优化方法优化其流道结构,提升其散热性能和流动性能。论文主要研究内容如下: 首先,通过树脂传递模塑(RTM)工艺制造了具有平行直线型流道结构的碳纤维复合材料散热板,并搭建了实验台架进行换热性能测试,同时要保证实验结果的准确性。 其次,构建数值仿真模型,对平行直线流道结构散热板进行数值仿真分析,将仿真结果与实验结果进行对比发现:仿真结果与实验结果基本一致,最高温度误差为2.5%,压降误差为5.4%,验证了仿真方法的可靠性。为了研究流道结构对液冷散热板性能的影响,设计了另外三种传统流道结构(螺旋流道、S型流道和双交直线型流道)碳纤维复合材料散热板,并通过数值仿真分析了其换热性能和流动性能。结果表明,螺旋流道结构的换热性能最优,但其入口压力较高,不符合车用散热板的要求;双交直线型流道在换热性能和流动性能之间取得了最佳平衡,最适合车用场景。 最后,采用变密度多目标拓扑优化方法对流道结构进行优化设计,分析了不同权重系数和雷诺数下的优化结果。结果表明,随着权重系数的增加,流道结构更加均匀且复杂,换热量显著提升,但流动耗散也随之增加;雷诺数的增大会导致流道分支增多,换热量进一步提高。通过对优化后的三维流道结构进行数值仿真,验证了其热学性能的优越性。本文研究结果有望为电动汽车电池液冷散热板的结构设计提供理论依据和技术支撑。

关键词： 重量法   二氧化硅   硅酸钠   加标回收   准确度   精密度  

摘要： 本研究旨在探讨一种基于重量分析的方法，用于高效、准确地测定工业液体硅酸钠中的二氧化硅（SiO2）含量。与传统的滴定法相比，该方法通过简化实验步骤和减少人为误差，提高了检测效率和准确性。本文详细描述了实验条件的优化过程，并验证了该方法在灵敏度、准确度、精密度等方面的优越性。