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关键词： 纬平针织复合材料   芳纶纤维   多巴胺改性   力学性能   模拟  

摘要： 高性能纤维在安全防护型复合材料领域中的应用广泛,芳纶纤维以其高强高模,耐高温,耐化学腐蚀等优异性能,在复合材料增强体原材料中脱颖而出。纬编针织结构因其特有的线圈结构特点,在作为复合材料增强体的基础结构时,能够赋予复合材料良好的能量吸收性能和抗冲击性能,广泛应用于军用防护,交通运输,民用建筑等领域。但是,芳纶纤维表面光滑,其刚性大分子链结构与芳香环的位阻效应,使得纤维表面呈化学惰性,在复合材料制备过程中与树脂基体的结合强度较弱,从而影响复合材料的整体性能。本课题对芳纶纤维进行表面改性处理,活化纤维表面,提高其与树脂基体的界面粘结力,并制备芳纶纤维纬平针织复合材料,探究改性方法对复合材料整体力学性能的影响。采用多巴胺掺杂碳纳米管对芳纶纤维及其纬平针织物进行改性处理,探究碳纳米管浓度对纤维表面形貌、强力、表面基团以及复合材料性能的影响。结果表明,纤维表面掺杂有碳纳米管的多巴胺涂层牢固度增加,含氧酚羟基增加,改性后的芳纶纤维的强力提高,并且与树脂基体的界面剪切强度增大。通过对比复合材料力学性能发现,改性后的力学性能均有所提高,当碳纳米管浓度为0.03%时,力学性能显著提高,其中复合材料的最大拉伸强度、弯曲载荷和压缩应力分别提高了29.96%,16.19%,17.4%。在第一步改性方案基础上进行二次接枝改性,以硅烷偶联剂为接枝剂,对芳纶纤维及其纬平针织物进行改性,探究硅烷偶联剂浓度对复合材料力学性能的影响。结果表明:硅烷偶联剂浓度为2.5%时,复合材料的最大拉伸强度增加了51.6%,弯曲载荷提高了41.63%,弯曲模量提高了59.64%,压缩应力提高了32.1%。通过对比两种改性方法的最终效果,综合考虑复合材料的整体性能,二次接枝改性方案更为优异,复合材料力学性能提高显著。最后,本文采用Solidworks和ABAQUS有限元分析软件模拟了单层复合材料的拉伸损伤过程。通过对于模型数据输出的应力应变与实验测试结果对比,得到两者结果误差在10%之内,证实了模型的合理性,为复合材料力学性能的进一步模拟计算做了铺垫。

关键词： 材料力学性能实验   工程教育专业认证   研究性实验   考核模式  

摘要： 目前,百色学院金属材料工程专业正进行工程教育专业认证,材料力学性能实验课程是该专业的必修课,但是,材料力学性能实验在教学中存在教学方式传统、实验内容设置不合理和考核方式不能全面反映学生学习成果等问题,不符合工程专业认证标准。对此,百色学院材料力学性能实验课程从增加研究性实验、重构教学模式、优化考核模式等方面改善学生的学习效果和综合素养,进而培养出符合工程教育专业认证要求的人才。

关键词： 竹纤维/聚苯并噁嗪复合材料   碱处理改性   湿热老化   高温环境   高速冲击载荷   嵌入单元法  

摘要： 当今世界由于严重的环境污染和能源短缺问题,可再生的天然纤维资源开发受到研究人员的高度关注。欧美国家一直积极引导和支持天然纤维材料和能源的大力发展。我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中也将农林生物质综合开发利用作为“优先主题”和“战略性新兴产业”重点加以推进。作为玻璃纤维、碳纤维等人造纤维的潜在替代品,天然纤维具有低成本、无污染、可再生、轻质高强等许多优良的特性,因此在制造新一代环保可持续复合材料上具有巨大潜力。然而,与人造纤维增强聚合物复合物材料类似,天然纤维增强聚合物复合材料在实际的工程应用中同样面临着湿热老化、高温环境、高速冲击载荷等一系列的考验。另外,天然纤维一般具有很强的亲水性,其与聚合物基体共混过程中,纤维与基体界面强度相对较弱。因此,本文通过碱处理改性方式改善天然竹纤维与聚合物基体间的界面性能,同时针对复合材料在不同工作环境下的力学行为和失效机理开展了系统的研究。本文工作主要包括以下内容:(1)选取具有极大应用前景的天然竹纤维作为研究对象,通过不同浓度的碱溶液对竹纤维进行预处理。借助单纤维拉伸试验(single fiber tensile test)、单纤维拔出试验(single fiber pull-out test)以及扫描电镜技术(scanning electron microscope,SEM),对比分析了不同浓度碱溶液处理前后竹纤维的表面形貌和力学性能的变化规律,并最终得出了适合于竹纤维预处理的碱溶液浓度。(2)结合热压工艺(hot-pressing method)开发了短切竹纤维增强聚苯并噁嗪(polybenzoxazine)复合材料的制备工艺。研究了碱处理对复合材料拉伸、弯曲性能的影响。为了进一步拓展此类复合材料的应用,开展了复合材料在湿热老化后以及在高温环境下的力学性能研究。结合SEM技术,研究了复合材料在湿热老化后的失效机制以及在不同温度下复合材料失效机理的变化规律。通过热重分析(thermal gravimetric analysis,TGA)以及动态力学分析技术(dynamic mechanical analysis,DMA)对竹纤维及其复合材料的热性能和动态力学性能进行了表征和分析。(3)利用分离式霍普金森压杆装置(split-Hopkinson pressure bar,SHPB)以及高速摄像技术(high-speed camera),对竹纤维增强聚苯并噁嗪复合材料在高速冲击载荷下的压缩行为进行了研究。通过捕捉纯苯并噁嗪基体及其竹纤维增强复合材料在受冲击载荷时的实时图像,分析了在受高速冲击载荷下,竹纤维对复合材料的渐进失效以及能量吸收的影响机制。该研究可以为此类复合材料在冲击工程领域的应用提供理论指导。(4)开展了竹纤维增强聚苯并噁嗪复合材料在不同应变率下拉伸行为的试验研究。通过分离式霍普金森拉杆装置(split-Hopkinson tensile bar,SHTB)、数字图像相关法(digital image correlation,DIC)、高速摄像技术以及扫描电镜技术,研究了在不同应变率下竹纤维对复合材料不同的增强机制。(5)通过Matlab软件编写随机函数并结合Python建立了随机分散的短切竹纤维增强聚苯并噁嗪复合材料的几何模型。借助Abaqus有限元软件,采用一种新型建模方法—“嵌入单元法(embedded element method)”对短切竹纤维增强聚苯并噁嗪复合材料的动态拉伸行为进行了仿真研究。另外,本文给出了短切竹纤维增强聚苯并噁嗪复合材料拉伸强度的预测模型,并将应变率因子考虑在理论模型中。

关键词： 聚碳酸酯   碳纳米管   分子动力学   取向   拉伸   摩擦  

摘要： 聚碳酸酯(PC)被应用在齿轮、蜗轮、轴套等耐磨零件时,常需要进行耐磨处理。而碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)作为一种高长径比、高比表面积的纳米材料,在其轴向表现出优异的力学性能且常作为纳米增强填料与其它基体材料共混,能有效改善基体材料的多项性能。通过分子动力学模拟探究取向碳纳米管/聚碳酸酯复合材料的力学及摩擦性能,并从微观角度解释其作用机理,这是宏观实验往往难以做到的。为了探究碳纳米管在PC基体中的取向性对PC基体的力学及摩擦性能的影响及其微观机理,本文基于分子动力学的方法构建了三种体系模型。第一,拉伸模型:对纯PC体系和取向单壁碳纳米管(SWNT)/PC复合体系分别沿不同方向进行拉伸。第二,碳纳米管拔出模型:不同直径、长度碳纳米管被从PC基体中拔出。第三,摩擦模型:摩擦模型是在笛卡尔坐标系下构建的三层结构,顶层为用于滑动摩擦,中层为被摩擦体系,底层用于吸附固定被摩擦体系。被摩擦体系包括纯PC基体、X取向单壁碳纳米管(X-SWNT)/PC复合材料、Y取向单壁碳纳米管(Y-SWNT)/PC复合材料和Z取向单壁碳纳米管(Z-SWNT)/PC复合材料。模拟结束后,从体系中提取PC分子链与碳纳米管之间的相互作用和势能变化以及PC分子链的迁移行为等数据。研究结果表明:PC分子链在受到外力时可向碳纳米管转移应力,从而增强基体力学性能。因此,取向SWNT/PC复合材料的力学及摩擦性能相对纯PC基体均得到提高,而性能提升程度取决于不同取向碳纳米管转移应力的能力。同时,碳纳米管与PC基体的界面结合强度与碳纳米管长度无关,但随碳纳米管的直径增大而增强。摩擦模拟与力学拉伸模拟不同,摩擦过程中发生了较严重的界面破坏,且该破坏程度越大的体系摩擦性能越差,而该破坏程度与碳纳米管的取向有关。同时,碳纳米管与PC基体之间的界面相互作用主要为范德华(VDW)相互作用。

关键词： 复合材料   双马树脂   温度   力学特性   高速冲击  

摘要： 碳纤维增强树脂基复合材料应用在航空领域时,通常需要满足一定的温度环境,如风扇叶片、风扇机匣、外涵机匣以及战斗机蒙皮等不同位置的材料需要不同程度的耐高温性能和抗冲击性能。因此了解温度对复合材料力学性能和抗冲击性能的影响对飞机发动机的使用安全性至关重要。本文针对航空领域中碳纤维/双马树脂复合材料(CCF300/QY9511)静态及动态力学性能以及抗冲击性能开展研究,主要包括以下三方面的内容:1)利用万能拉伸试验机和高低温试验箱开展了碳纤维/双马树脂复合材料在4种温度下的准静态拉伸、压缩及层间剪切试验。结果表明:抗拉强度、抗压强度以及层间剪切强度都会随着温度的升高而降低,泊松比会随着温度的升高而增大,但温度对拉伸弹性模量及压缩弹性模量的影响很小。2)利用霍普金森压杆装置开展了碳纤维/双马树脂复合材料在4种温度、3种应变率下的动态压缩试验。结果表明:峰值应力和动态压缩弹性模量会随着温度的升高而减小,但动态压缩弹性模量不随着应变率单调变化。3)利用空气炮装置对碳纤维/双马树脂复合材料开展了4种温度下的高速冲击试验。结果表明:150℃之前材料的抗冲击性能稳定,但在200℃时有显著提高;反弹工况下的靶板损伤模式以纤维剪切断裂为主,击穿状态下靶板的损伤模式有纤维拉伸断裂和层间分层;随着冲击速度的增加,靶板的损伤面积减小。总得来说,本文开展了碳纤维/双马树脂复合材料的准静态和动态力学性能试验,对于进一步研究碳纤维/双马树脂复合材料在航空领域的应用具有重要的意义。

关键词： 黏弹性   激光超声   厚度   衰减   弹性常数  

摘要： 碳纤维增强聚合物基由于其密度小、稳定性高以及不易腐蚀等特殊优势,在航空航天、工业设备上被广泛应用。但由于其服役环境的恶劣以及服役时长的限制,复合材料的力学性能受到了影响,因此对复合材料的力学性能进行检测具有重要意义。 本文以碳纤维复合材料为研究对象,采用激光超声有限元仿真与实验验证相结合的方法对黏弹性复合材料力学性能的检测进行了研究,主要研究内容如下: (1)建立了激光超声辐照碳纤维复合材料的力学模型,讨论了激光超声对不同材料力学性能检测的准确度。仿真模拟激光超声在复合材料内部的激发与传播过程;探究复合材料黏弹性对超声声场的影响,以及材料黏弹性对激光超声传播过程中的影响规律。 (2)探究了激光超声在复合材料中的产生、传播以及衰减的过程;讨论研究了黏弹性与衰减对激光超声在碳纤维复合材料中传播的影响;将时域波动方程带入频域方程中求解,得到了激光超声在不同厚度下声速的频域图;探究了复合材料厚度引发的衰减影响因素与超声传播之间的关系。 (3)提出了考虑复合材料黏弹性以及衰减影响因素的弹性常数的改进计算方法。该方法采用遗传算法对黏弹性影响的透射纵波速度进行修正;根据PSO算法,对受衰减影响的视声速进行改正。 (4)搭建激光超声检测平台可视化研究系统与机械拉伸检测平台,对论文中仿真获得的规律和提出的算法进行了实验验证。结果表明,两者最大误差小于10%,验证了对该计算公式优化复合材料弹性常数计算的可行性。

关键词： 氧化石墨烯   水泥   生土基材料   力学性能   微观结构  

摘要： 生土建筑因使用方便、热工性能好、绿色环保等优点而被广泛应用了数千年。但由于其强度低,耐久性差,体积稳定性差等特点使其应用受到一定限制。近年来,纳米材料的兴起为生土材料改性提供了一种新的方向。本文以氧化石墨烯与水泥复合改性的生土基材料为研究对象,研究氧化石墨烯掺量,水泥掺量,水固比等因素对生土基材料工作性能和力学性能的影响,阐释了氧化石墨烯与水泥协同增强生土基材料的作用机理。主要研究内容如下:首先,基于正交试验理论,研究了生土基材料的流动性和收缩性随氧化石墨烯掺量,水泥掺量,水固比的变化规律。结果表明氧化石墨烯掺量增加,生土基材料流动性减小,收缩性增大;水泥掺量增加,生土基材料流动性和收缩性均减小;水固比增加,生土基材料流动性和收缩性均增大。由正交试验极差分析可知,基于流动性的生土基材料最佳配合比为:氧化石墨烯掺量0%,水泥掺量0%,水固比0.5;基于收缩性的生土基材料最佳配合比为:氧化石墨烯掺量0%,水泥掺量15%,水固比0.41。其次,基于三点弯曲试验和无侧限抗压强度试验,测试了氧化石墨烯与水泥协同增强养护龄期分别为3d,7d,14d,28d,60d时生土基材料的力学性能,并分析了力学性能随氧化石墨烯掺量,水泥掺量,水固比的变化规律。研究表明,氧化石墨烯掺量增加,生土基材料抗折强度先增大,后减小,抗压强度增大;水泥掺量增加,生土基材料抗折和抗压强度均增大;水固比增加,抗折和抗压强度均减小。由正交试验极差分析可知,基于抗折强度的生土基材料最佳配合比为:氧化石墨烯掺量0.06%,水泥掺量15%,水固比0.41;基于抗压强度的生土基材料最佳配合比为:氧化石墨烯掺量0.09%,水泥掺量15%,水固比0.41。最后,基于综合平衡法,考虑流动性,收缩性与力学性能提出建议最佳配比为氧化石墨烯掺量0.06%,水泥掺量15%,水胶比0.41。当考虑生土注浆材料流动性为主要影响因素时,建议的最佳配合比为氧化石墨烯掺量0%,水泥掺量10%,水固比0.47。基于扫描电镜(SEM)研究分析了氧化石墨烯和水泥协同增强生土基材料的水化产物和微观形貌;结果表明,与单掺水泥时相比,氧化石墨烯和水泥增强生土基材料的微观结构更加密实。进一步通过氧化石墨烯单掺,水泥单掺,氧化石墨烯与水泥复掺对生土材料的增强效应进行分析。

关键词： 碳纤维复合材料   制备工艺   力学性能   破坏模式   有限元仿真  

摘要： 汽车轻量化技术作为解决高速发展的汽车工业所带来的巨大能源消耗和汽车尾气排放等问题的最有效技术之一,近年来得到了蓬勃的发展。而碳纤维复合材料因为其优良的比强度、比刚度和抗疲劳性等特点,被广泛应用在汽车轻量化设计中。其在实际使用过程中为了适应不同工作环境和量产需求,往往采用不同的成型工艺和铺层方式。因此,了解不同工艺的碳纤维复合材料的力学性能和破坏模式,选用准确地仿真计算方法,可以方便零部件制备工艺的选取,提高整车轻量化设计和优化的效率。本文首先以高压树脂传递模塑、湿法模压和预浸料模压三种车辆常用的碳纤维复合材料量产成型工艺制备的碳纤维复合材料单向板为研究材料,进行大量基础力学性能实验,获得相应的力学参数,对其力学性能进行比较其差异,并结合其金相组织、破坏模式和纤维含量分析其原因。然后基于这些采集到力学参数,使用Ls-Dyna软件中的纤维增强复合材料渐进损伤模型和复合材料层合板连续损伤模型对复合材料在不同载荷条件的力学性能进行模拟。得到模拟的力学响应与破坏模式并与实验结果对比,评价两种模型在碳纤维复合材料力学性能仿真中的适用性。最后形成可用于模拟计算的材料参数,并使用特定铺层结构的多角度碳纤维复合材料层合板拉伸和压缩试验进行仿真验证。结果显示:不同的工艺制备复合材料在纤维含量和组织性能上都存在一定差异,其中纤维含量主要影响其力学性能,而组织性能的差异则表现在失效模式上。预浸料模压工艺制备的碳纤维复合材料纤维含量最高,在1方向上的力学性能最好,但是在2方向上的力学性能较差;高压树脂传递模塑工艺制备的材料则在剪切性能方面有较好的表现;湿法压模工艺表现最为均衡,没有明显的短板。在有限元仿真方面,复合材料层合板连续损伤模型能更好的模拟复合材料在不同载荷下的力学响应,与实验曲线吻合良好,并且在预测多角度铺层结构复合材料层合板方面误差低于10%,有较好的准确性。

关键词： Ni/Cu层状复合材料   爆炸焊接   腐蚀   微观组织   力学性能  

摘要： 海洋开发已成为战略强国的重要目标。无论海洋资源开发、海洋环境监测还是军事舰艇的发展,均需要以海洋装备的发展为支撑。“海洋开发,材料先行”。海洋装备的基础是高性能材料,传统的金属材料仍然是海洋工程中应用最广泛的。为保证海洋装备的结构强度以及功能要求,金属复合材料是首选也是必选。各类材料在海洋应用最大的挑战就是复杂的载荷以及腐蚀问题,研究金属复合材料在载荷与腐蚀协同作用下的失效规律具有重要的科学意义。基于上述问题,本文做了如下研究:1)设计并制备了Ni/Cu系层状复合材料。利用OM、SEM等对复合材料的微观结构进行详细的表征。利用万能试验机、显微硬度计对复合板的硬度分布、拉伸、弯曲性能及抗裂纹扩展能力测试。结果表明Ni/Cu层合材料是结构件的一种可选材料,材料分析不仅验证了该制备工艺的可行性,也为此类复合材料的制备提供了新的思路。2)基于金属层状复合材料电偶腐蚀的特点设计了相应的腐蚀实验,利用OM、SEM等分析腐蚀微观结构随时间的演化过程。并对Ni/Cu层合材料在中性与酸性介质中的腐蚀行为进行了详细的表征。针对材料在不同腐蚀介质中所体现的特点,利用电化学工作站对腐蚀电位、腐蚀电流等关键参数进行测试。结合实验现象与测试数据揭示了Ni/Cu层合材料在两种腐蚀介质中的腐蚀机理,总结了材料的腐蚀规律,丰富了我国金属海洋腐蚀数据库。3)根据腐蚀实验的结果设计了材料的预腐蚀实验,通过拉伸与三点弯曲试验对预腐蚀后的材料整体力学性能分析。通过对比腐蚀前后实验数据与失效后的断口形貌,分析了腐蚀效应对Ni/Cu复合材料静态力学性能的影响,并针对腐蚀前后的材料的失效机制进一步进行了讨论。利用Abaqus软件对材料腐蚀前后整体力学性能进行了仿真,选取J-C本构模型对其断裂行为定性分析,验证了层合材料特有的延迟颈缩的断裂模式。结合实验与仿真手段所建立的腐蚀与力学性能的关系为其在实际工程中的应用提供了必要参数与安全保障。

关键词： 高聚物注浆材料   融雪盐   酸碱   冻融循环   力学特性   微观机理分析  

摘要： 高聚物注浆修复技术作为一种无损修复技术在水利基础设施工程领域得到了广泛应用,然而高聚物材料在使用中会受到酸、碱、盐性环境的影响。虽然高聚物材料具有一定的耐腐蚀性,但融雪盐、酸、碱对高聚物注浆材料的影响尚不明确,因此,开展高聚物材料在融雪盐、酸、碱环境下的力学特性试验对其在实际工程中的应用价值具有重要的参考价值。本文对低放热高聚物材料分别进行了融雪盐溶液浸泡、盐冻和酸碱浸泡试验,测试了浸泡前后高聚物试件的的力学性能、以及质量和体积的变化、并分析微观结构性能变化,并于普通高聚物材料进行了对比,由于试验需要对试件进行去皮切割处理,造成试件表面胞体存在不同程度的破损,与高聚物在实际工程中存在一定的差异,但依然可以为高聚物材料的工程应用提供一定参考。主要研究内容及成果如下:(1)开展了普通高聚物和低放热高聚物材料在融雪盐溶液中浸泡和冻融循环条件下的基本物理性能试验,对不同密度的普通和低放热材料在融雪盐溶液中浸泡和冻融循环条件下的吸水率、质量和体积变化率进行试验分析,得到了两种材料在融雪盐溶液浸泡和冻融循环条件下的吸水率、质量和体积变化规律,并分析了材料的吸水机理。(2)基于高聚物注浆材料单轴压缩和拉伸试验,测量了在融雪盐溶液中浸泡(30天、60天、90天)和冻融循环(50次、100次、150次、200次)条件下试样的抗压强度、抗拉强度及应力-应变曲线,探明两种高聚物材料的抗压强度、抗拉强度随浸泡周期和冻融循环次数的变化规律,并通过SEM电镜试验观察试样微观破坏形态,揭示其损伤机理。(3)在强酸和强碱溶液腐蚀环境下开展了低放热高聚物材料的单轴压缩和拉伸试验,测试不同密度试件的抗压强度、抗拉强度、质量和体积变化率,分析了随浸泡时间的变化规律,并通过SEM电镜试验探明高聚物试件的微观破坏形态。