关键词： 高分子复合材料   轨道交通   工程应用  

摘要： 高分子复合材料以其质量轻、强度高、可塑性强以及优异的耐候性和耐腐蚀性等特点,在轨道交通中应用广泛。文章从轨道交通基础设施建设、轨道车辆和轨道电气系统三个方面对高分子复合材料的应用展开研究,总结了不同高分子复合材料的性能表现及应用场景。研究表明:高分子复合材料可有效增强基础设施结构承载能力,增加其使用寿命;高分子材料制造的轨道车辆能有效提高车辆的能效和安全性能;在轨道电气系统中,高分子复合材料的绝缘性和隔热阻燃性能也使得电力电缆和信号线路得到有效的保护。随着更多优异高分子复合材料的出现,其在轨道交通工程中应用潜力巨大,为轨道交通工程的创新和发展将带来更多可能。

关键词： 可重复使用高超声速飞行器   陶瓷基复合材料   能量释放率   大温度梯度   高温瞬态效应  

摘要： 新一代空天往返飞行器在全寿命周期内经历多次飞行-再入过程,在此过程中经受严苛的气动热/力/振动等多物理耦合载荷作用,在此类极端瞬态热力耦合载荷作用下纤维增强陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMC)热结构的力学行为及损伤失效机制亟需明晰.本文从多物理场耦合视角揭示了CMC热结构在循环服役环境中的损伤演化机理,辨识出瞬态热机械载荷是材料结构在重复使用条件下性能退化的主控因素之一,构建了一套完整的高温瞬态大温度温度梯度下热机械诱导裂纹的预测与分析框架.通过建立热传导-力学响应耦合模型,实现了材料内部温度场、应力场及裂纹能量释放率(ERR)时空演化的定量表征.研究表明,瞬态热载荷导致的非均匀温度梯度是诱发亚表层应力状态反转(拉压转换)的核心诱因,其与材料微结构相互作用使得最大ERR出现于迎风面侧的亚表面区域,且弯曲约束条件可使ERR峰值提升至无约束工况的2倍.基于参数化分析,提出了以低ERR为指标的可重复设计准则,明确了梯度模量化、高导热、低热膨胀和薄壁化为CMC热结构的优化方向.通过自主搭建的1500°C/1.5 kN级力热联合试验平台,验证了C/SiC机翼前缘热结构在10次以上的循环加载后仍保持结构完整性,无损检测未发现界面脱黏或基体裂纹.本研究为可重复使用CMC热结构的材料/结构协同优化设计和损伤容限设计提供了理论-实验协同的创新方法论,对突破高超声速飞行器热防护系统设计瓶颈具有重要工程意义.

关键词： 氨基酸(赖氨酸、组氨酸、苯丙氨酸)   SiO_(2)   吸附   动力学   热力学  

摘要： 采用合成的纳米孔二氧化硅作为模拟纳米孔矿物,对3种不同等电点的氨基酸(赖氨酸、组氨酸、苯丙氨酸)进行吸附,并考察了溶液pH、温度、初始浓度、离子强度的影响,同时结合红外光谱表征对吸附机制进行了探讨。结果表明:3种氨基酸在纳米孔二氧化硅上的吸附量顺序为赖氨酸>组氨酸>苯丙氨酸,且均在等电点附近达到最大吸附量;随NaCl浓度的升高,3种氨基酸的吸附量均呈现降低的趋势。动力学拟合表明赖氨酸和组氨酸的吸附符合准二级动力学模型,苯丙氨酸的吸附符合准一级动力学模型。Sips吸附等温模型能较好对3种氨基酸进行拟合,热力学参数的计算结果表明吸附是自发、放热和熵增的过程。

关键词： 纳米二氧化硅   腐殖酸   聚集动力学   天然水体  

摘要： 天然水体中存在多种纳米颗粒,由于粒径效应,其易与水中其他污染物相结合,从而对水质产生影响。腐殖酸是水体中常见的天然有机物,为了明确腐殖酸存在条件下纳米颗粒物在水环境中的迁移转化过程,分析了腐殖酸存在时不同pH和离子强度下纳米颗粒物的聚集特征,探讨了腐殖酸在纳米颗粒表面的吸附过程及对纳米颗粒物表面性质和聚集行为等产生的影响。结果表明,在单独腐殖酸与纳米颗粒物混合体系中,腐殖酸抑制了纳米颗粒的聚集,增加了溶液中纳米二氧化硅的稳定性;然而当阳离子存在时,酸性条件下促进了腐殖酸分子氢键的产生从而诱导颗粒物聚集,或在碱性条件下由于腐殖酸分子结构伸展为链状从而与阳离子结合发挥架桥作用,因此提高了纳米颗粒物的聚集速率;同时发现,阳离子与腐殖酸及纳米二氧化硅结合具有选择性,阳离子优先与纳米二氧化硅发生反应,而当纳米二氧化硅与腐殖酸进行预先混合时,由于纳米二氧化硅对腐殖酸的预吸附作用,提高了纳米颗粒物与有机物的协同去除效率。因此,在实际水体中,当有机物与纳米颗粒物具有足够的反应时间时,两者在阳离子存在条件下更容易发挥共团聚效应,可提高两者的协同去除效果。

关键词： 凹凸棒土   聚对苯二甲酸丁二醇酯   复合材料   力学性能   界面相容性  

摘要： 以凹凸棒土(ATP)为研究对象,采用硅烷偶联剂KH550对ATP进行表面改性,以聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)为基体,采用球磨分散、熔融共混的方法制备ATP/PBT复合材料。研究了ATP的含量对ATP/PBT复合材料的结晶性能、力学性能及界面相容性的影响。结果表明,ATP具有异相成核作用,添加后,促进了PBT的结晶,与未改性ATP/PBT复合材料相比,改性ATP/PBT复合材料的结晶度提高了1.5%。随着ATP含量的增加,复合材料的拉伸强度和弹性模量均呈现先增大后降低的趋势,与纯PBT相比,未改性ATP/PBT复合材料的拉伸强度和弹性模量分别提高了8%和2.9%,改性ATP/PBT复合材料的分别提高了10.7%和5.5%。通过理论分析发现,ATP的宽长比越小,界面剪切强度越大,界面相容性越好,并且,改性ATP/PBT复合材料具有更高的界面相容性,对复合材料的力学性能改善更显著。

关键词： SiC_(f)/SiC   中温脆化   纤维推入   界面强结合   蠕变   失效机制  

摘要： 连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_(f)/SiC)在中温(500~1000℃)范围内会发生蠕变断裂时间显著缩短的脆化现象,其机制主要与界面的微观结构和力学性能有关。为此,本文开展了国产二代平纹编织SiC_(f)/SiC(2D-SiC_(f)/SiC)复合材料在中温范围的蠕变脆化失效机制研究。采用TEM分析了中温下不同蠕变条件后2D-SiC_(f)/SiC的界面微观结构,进一步利用微纳力学测试技术表征界面力学性能。结果表明:纤维/界面侧在500℃下出现多孔隙的富碳层;800℃时,界面出现自发氧化,同时SiO2填充了部分氮化硼(BN)界面因氧化消耗后产生的空隙。当温度进一步升高至1000℃后,氧元素主要分布于纤维/基体一侧。2D-SiC_(f)/SiC的中温脆化机制与界面结合状态高度相关,蠕变断裂时间与界面结合的强弱呈现明显的反比关系,表明过强的界面结合不能发挥界面脱粘、纤维拔出等相关增韧机制,此时裂纹直接贯穿纤维,显著缩短其中温蠕变断裂时间。

关键词： 孔隙演变   在线监测   断点实验   孔隙率  

摘要： 孔隙是复合材料的主要缺陷之一,成型过程中孔隙演变的研究对低孔隙率成型T800/802双马树脂碳纤维复合材料制件起到积极作用。采用扫描电镜(SEM)表征了未固化预浸料的断面形貌;自主搭建了在线监测平台,原位观测802双马树脂145℃恒温加热过程中不同时刻气泡的形成与生长;设计了层压板成型断点实验,采用金相表征方法统计5个不同时刻点孔隙率。结果表明:成型前预浸料初始孔隙率为7.81%,成型过程中树脂反应生成气体,气体成核形成孔隙并长大,在压力和树脂状态共同作用下,孔隙经历形成-生长-缩小-稳定过程,孔隙率、孔隙数目和尺寸均先增大后减小。

关键词： 黄河砂   高延性水泥基复合材料   取代率   抗冻性能   冻融模型  

摘要： 为了研究黄河砂高延性水泥基复合材料(ECC)的抗冻耐久性能,开展快速冻融循环试验,研究分析不同黄河砂取代率下ECC材料的质量损失率、相对动弹性模量、立方体抗压强度及劈裂抗拉强度变化规律,基于黄河砂取代率的多维评估,得到了最优黄河砂取代率;借助扫描电子显微镜和X射线计算机断层成像试验,进一步分析了最优取代率下ECC材料的微观特征和抗冻机理。研究表明:经历150次冻融循环后,5组ECC试件的相对动弹性模量均不低于97%,且抗压强度和劈裂抗拉强度随着黄河砂取代率的增加而增大。多维评估分析结果表明,100%取代率下黄河砂ECC抗冻性能最佳。微观分析表明,黄河砂ECC孔隙分布均匀、小孔比例较高,内部水化程度较高,纤维黏结性良好。基于Weibull概率分布的冻融损伤模型可较好地预测黄河砂ECC的冻融损伤状态。

关键词： 复合材料   飞机结构件   优化   模具材料   模具加工  

摘要： 本文选择航空航天领域常见的弯曲蒙皮面板作为研究对象,采用复合材料模具进行制造,结合树脂传递模塑工艺(resin transfer molding, RTM)优化设计与生产流程。首先,分析了产品需求并选定了适合的模具材料,设计了阴模和主模。然后,按照设计进行模具加工、表面处理和真空袋层压,使用优化工艺参数进行树脂注入并固化。最后,进行铝合金模具与复合材料模具的性能对比实验。结果表明,采用LTC410复合模具设计的零件在强度、韧性及表面质量上均优于传统铝合金模具。同时,复合模具在制造过程中展现了显著的优势,效率提高、成本降低,在模具制造领域具有广阔的应用前景。

关键词： 热塑性复合材料   层间剪切   高温效应   多尺度有限元仿真  

摘要： 层间剪切破坏是层压复合材料的主要失效模式之一,温度是影响热塑性复合材料力学性能的重要因素。为了探讨平纹碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)热塑性层压复合材料在高温条件下的层间剪切特性,分别进行了25、120℃和295℃下的准静态短梁剪切试验和多尺度有限元仿真,在热空气加热条件下使用万能试验机进行短梁剪切试验,同时使用相机观察和数字图像相关法(DIC)表征复合材料短梁剪切的损伤渐进过程。通过参数层级传递的方法从微观、介观和宏观尺度,建立了一种可由组分材料性能预测宏观力学行为的多尺度有限元模型。结果表明:温度升高使平纹CF/PEEK热塑性复合材料的层间剪切力学性能不同程度地减弱,复合材料在温度从25℃上升到120℃时,层间剪切强度降低了19.24%,剪切模量下降了27.72%;在温度从120℃上升到295℃时,层间剪切强度降低了40.90%,剪切模量下降了57.98%。在25℃和120℃时,复合材料短梁剪切过程中均发生了断裂,而在295℃时,仅为明显的弯曲。多尺度有限元仿真结果表明,该模型的仿真结果与试验结果吻合,同时节约了计算成本。该文为了解CF/PEEK复合材料的短梁剪切失效机理提供试验和仿真支撑,进而为平纹CF/PEEK复合材料结构设计和工程应用提供数据依据和试验基础。