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关键词： 超混杂复合材料   三维编织   碳纤维   芳纶纤维   钛丝   力学性能  

摘要： 含有金属纤维或金属层并与非金属纤维共同增强同一基体的复合材料称为超混杂复合材料。为提高碳纤维复合材料韧性,本文同时选用碳纤维、芳纶纤维和钛丝,设计并制备了轴纱为碳纤维,编织纱分别为碳-钛束内混杂和芳纶-钛束内混杂以及轴纱采用碳-钛束内混杂,编织纱为芳纶纤维的4种超混杂三维五向编织复合材料（简称超混杂复合材料）。首先,通过拉伸性能和润湿性能对3种钛丝及钛合金丝进行选型,选取TA2-0.05-W和TA2-0.05-B型号钛丝。其次,对超混杂复合材料进行截面形貌观测,发现,混编纤维对轴纱影响较为显著,碳-芳纶-钛超混杂复合材料轴纱呈等腰三角形或扇形,碳纤维复合材料轴纱近似扇形。最后,对超混杂复合材料分别进行轴向拉伸性能、轴向弯曲性能、横向短梁剪切性能和轴向悬臂梁冲击性能测试,通过分析试样破坏形貌,讨论不同混编纤维和混编方式对超混杂复合材料力学性能的影响。超混杂复合材料的轴向拉伸性能主要与轴纱有关,编织纱为芳纶纤维,轴纱为碳-钛束内混杂较编织纱为芳纶-钛束内混杂,轴纱为碳纤维的拉伸强度和拉伸模量分别高15.2%和-1.3%,破坏形貌表明,超混杂复合材料中芳纶纤维呈现韧性断裂特征。轴向弯曲性能测试表明,编织纱为芳纶-钛束内混杂和芳纶纤维的超混杂复合材料最大载荷处挠度较碳纤维复合材料分别增加60.9%和47.8%,破坏形貌显示,钛丝明显阻挡了裂纹的扩展,破坏程度较碳纤维复合材料低。加入TA2-0.05-W和TA2-0.05-B钛丝后,短梁剪切强度分别比碳纤维复合材料降低5.4%和10.7%,反映纤维束与环氧树脂的界面性能降低。编织纱为芳纶-钛束内混杂和芳纶纤维的超混杂复合材料轴向悬臂梁冲击强度比碳纤维复合材料分别高7.8%和0.7%。此外,针对钛丝与环氧树脂界面性能弱的问题,提供了一种提高钛丝与环氧树脂界面剪切强度的方法-常压等离子体处理。当常压等离子体设置处理时间为40s,喷射速度为2mm/s,工作气体流量为15 L/min Ar/0.30 L/min 02时,钛丝与环氧树脂的界面剪切强度比未处理提高189%。综上,通过力学性能指标和破坏形貌观测,可以看出,芳纶纤维和钛丝的加入显著提高了碳纤维复合材料的断裂韧性和使用安全性。

关键词： 材料力学课程   混合式教学模式   教学改革  

摘要： 西昌学院材料专业的材料力学课程使用线上线下混合式教学模式进行教学改革,主要从教学组织形式、考核模式、实验教学等方面来进行教学改革。教学过程中学生进行小组分组开展学习,教师使用线上线下混合式教学模式开展教学,让学生使用泛雅网络教学平台进行线上学习,线下用雨课堂进行课堂教学,实验课程利用线上学习资源增加学生的线下实验操作时间,并使用"334"考核方式让学生重视实验操作及线上课程学习。通过线上线下混合式教学,西昌学院理学院2019级材料专业学生的材料力学课程综评成绩达到100%及格率,并且学生反馈对这种教学模式较为满意,希望教师能继续使用该模式进行教学。

关键词： 钢渣粉   水泥基复合材料   抗压强度   拉伸性能   耐久性  

摘要： 钢渣是炼钢过程中排出的废弃物,是目前钢铁行业中排放量最大的固体废弃物,也是目前综合利用率最低的固体废弃物之一,钢渣的大量堆弃,既对环境造成了污染也是对资源的一种浪费。本文利用钢渣粉作为辅助胶凝材料配制超高韧性水泥基复合材料,以期为钢渣的合理利用开拓新的途径。试验设计了两种水胶比0.25和0.35,五种钢渣粉掺量(按梯度依次为0、20%、40%、60%、80%),通过立方体抗压强度试验、直接拉伸试验、硫酸盐侵蚀试验来研究掺钢渣粉PVA纤维增强水泥基复合材料的力学性能、拉伸性能和耐久性能。主要研究结论如下:(1)利用钢渣粉配制超高韧性水泥基复合材料是合理可行的。掺钢渣粉PVA纤维增强水泥基复合材料为钢渣大量堆积问题提供了新的解决途径,扩展了钢渣在建筑行业的应用空间,从而保护了环境,实现生态友好、绿色环保。(2)对掺钢渣粉PVA纤维增强水泥基复合材料进行立方体抗压强度试验,结果发现适量钢渣粉的掺入会增强水泥基复合材料的抗压强度,随着钢渣粉掺量的增加,水泥基复合材料立方体抗压强度逐渐降低。当钢渣粉掺量不超过60%时,掺钢渣粉PVA纤维增强水泥基复合材料抗压强度仍能满足一般工程的需要,试验中钢渣粉掺量为20%、水胶比为0.25时,掺钢渣粉水泥基复合材料抗压强度达到最佳。低水胶比更有利于掺钢渣粉PVA纤维增强水泥基复合材料抗压强度的增长。(3)对掺钢渣粉PVA纤维增强水泥基复合材料进行拉伸试验,结果发现钢渣粉的掺入能明显提高水泥基复合材料的拉伸性能,并且钢渣粉掺量越高,掺钢渣粉PVA纤维增强水泥基复合材料拉伸性能更优异,在拉伸荷载下应变硬化特征更明显。试验中m25ss80组试件拉伸性能最优,28d极限拉伸应变最高达到5%,是基准组的9.06倍,180d极限拉伸应变达到4.744%,是基准组的7.87倍。高水胶比更有利于掺钢渣粉PVA纤维增强水泥基复合材料极限拉伸应变的增长。(4)对掺钢渣粉PVA纤维增强水泥基复合材料进行硫酸盐侵蚀试验,结果发现适量钢渣粉的掺入能改善水泥基复合材料的耐腐蚀性能,抗压强度耐腐蚀系数随着钢渣粉掺量的增加逐渐减小。试验中m25ss20组抗硫酸盐侵蚀能力最优,侵蚀龄期到90d时试件仍能保持较好的完整性,耐腐蚀系数在所有组中达到最高为1.06。

关键词： 夯土材料   青稞秸秆   聚乙烯醇   力学性能   耐久性能  

摘要： 青海传统庒廓建筑有着现代砖混建筑无法比拟的绿色生态环保性能，功耗低、源于自然、热工性能好，在青海东部资源相对匮乏、经济相对落后的山区村镇地区仍然被广泛使用，并且具有就地取材、施工方便、成本低廉等优势，可称为绿色建筑的典范，是一种非常适合在“高原美丽乡村”建设中推广使用的夯土建筑技术。但是传统夯土材料在力学性能、耐久性性能上存在天然的缺陷，使得庄廓建筑的安全使用能力受到影响，限制了传统庄廓建筑的发展。因此如何改善夯土材料的性能是庄廓建筑传承保护和发展研究的重点。　　为了寻求一种绿色低成本高性能的改性夯土方式，进行了以下的试验研究。本文以青海东部地区的黄土为原材料，以青藏高原独有的青稞秸秆、石子为掺和料，制作17组共计102个边长为100mm立方体试件进行无侧限抗压强度试验，研究单掺和复掺不同含量的青稞秸秆及石子对改性生土的力学性能和变形性能的影响，对比分析不同试件的破坏现象、抗压强度、变形性能、荷载—位移曲线，论述了青稞秸秆、石子对夯土的改性机理。结果表明：（1）单掺青稞秸秆可提高试件的抗压强度及变形性能，掺入1%青稞秸秆的改性生土试件抗压强度较素土试件可提高1.17倍，峰值荷载对应的位移可提高0.4倍;（2）单掺石子仅可提高试件的抗压强度，但对土体的变形性能提升不大，掺入10%石子的改性生土试件抗压强度较素土体可提高1.38倍;（3）复合掺入0.25%的青稞秸秆+20%的石子可作为青稞秸秆及石子改性生土方法的最佳配合比使用，试件成型较好表面光滑无干缩裂缝，抗压强度和变形性能较素土试件分别提高了2.1倍和0.3倍。　　由于传统的夯土材料耐久性弱，在经历风雨、盐碱、冻融等恶劣自然作用后，夯土墙体表面的土体结构极易破坏剥离，从而影响整个庒廓建筑的使用安全性。在获得青稞秸秆及石子最佳配合比的基础上，进一步添加聚乙烯醇、固化剂、防水剂等材料改良改性夯土试件。首先进行抗压强度试验研究改良后的力学性能，然后进行浸水试验、盐蚀试验、冻融循环试验,研究改良试件的耐久性能，当使用0.8%固含量的聚乙烯醇改良最佳配合比试件时，试件的抗压强度平均值为4.267MPa，比素土试件抗压强度的平均值提高了6.89倍，峰值荷载时对应的峰值位移较素土试件增加了1.88mm，同时防水耐盐防冻等耐久性能也得到了改善。使用防水剂的试件对水分的隔绝效果在所有试件中最好，阻断了水分传播。

摘要： 案例驱动教学是《材料力学》等工科专业的一种重要教学方法。基于华东理工大学在气流床煤气化工程技术领域的科研和工程技术优势,提出结合专业特色的材料力学案例驱动教学方法,探讨了能源与动力工程专业材料力学课程的案例选择。通过案例驱动教学方法的实施,结合自身专业特色充分发挥特色案例在工程类专业人才培养中的关键作用,进一步提升材料力学课程的授课质量。

关键词： 铝基复合材料   有限元模拟   纳米压痕   力学性能   多道次变温热轧  

摘要： 具有良好力学性的金属基复合材料被广泛应用于航空航天等国防军工领域。为了表征铝基复合材料力学性能,维氏硬度和单轴拉伸测试时会对铝基复合材料试样产生损坏,且无法测量出铝基复合材料中铝基体的力学性能,进而无法精确实现铝基复合材料力学性能预测与调控。本文选取2024Al/AlBOw复合材料作为研究对象,通过对纳米压痕试测试获得基体的行程-载荷曲线。通过纳米压痕测试得到了基体材料的弹性模量E和纳米硬度H分别为84.09GPa和0.927GPa。利用量纲法和反演分析法,研究了铝基体应变强化指数、初始特征应力和初始特征应变,确定铝基体屈服强度和幂函数型弹塑性应力-应变关系,获得铝基复合材料中基体屈服强度σ和应变强度指数n分别为226.47MPa和0.224。基于获得的基体力学性能参数,建立单胞模型,开展有限元模拟,探究了不同增强体形状、体积分数和尺寸对铝基复合材料力学性能的影响。采用修正的Eshelsy等效夹杂理论,引入割线模量和切线模量,考虑失效增强体的体积分数,分别对铝基复合材料应力应变曲线进行预测。通过预测曲线与实验拉伸曲线进行比较,最终切线模量法得到屈服强度为212.65MPa比试验所得屈服强度低了12.8%,修正的割线模量法获得的铝基复合材料的屈服强度约为249.23MPa比实验曲线高了约4.8%,弹性模量为131.98GPa。采用Deform有限元软件,分析研究了铝基复合材料合板材多道次变温热轧过程。探究最佳的热轧工艺为:第一道次温度为450℃,下压量为0.5mm;第二道次温度为500℃,下压量为0.3mm;第三道次温度为450℃,下压量为0.4mm。

关键词： 生物质灰   砂浆   力学强度   养护制度  

摘要： 党的十九大以来,我国坚持节约资源和保护环境的基本国策,致力于建立健全绿色低碳循环发展的经济体系,促使我国能源转型快速发展。生物质能作为一种可再生、低污染、分布广泛的清洁能源已然进入了世界各国的视野。目前,我国以生物质为燃料的发电厂迅速崛起,逐渐取代传统燃煤发电,将能源转型推到了一个新高度,同时也解决了农业燃烧废弃秸秆产生的雾霾等环境问题。然而与此同时又出现了新的问题与挑战,在发电的过程中产生大量的生物质电厂灰,大量的电厂灰被废弃,常常被加湿填埋,这不仅对生物质能是一种浪费,更造成土壤和大气的污染。电厂灰渣中含有大量的活性二氧化硅,具有一定的火山灰活性,常常用于水泥基材料的掺合料,这既有利于变废为宝,又符合我国绿色发展理念。本课题使用循环流化床式生物质中心热电有限公司产生的生物质灰渣,采用多种复合活化预处理方法,获得活性较高的生物质灰,进而掺入一定配合比的水泥砂浆中,并采用不同的组合养护制度,分别对砂浆进行抗折、抗压强度试验、X射线衍射检测(XRD)、电镜扫描检测(SEM),对其力学性能、矿物组成及微观形貌进行详尽分析,探究掺入活化生物质灰后的水泥砂浆具有的优良性能,进而分析经活化后的生物质电厂灰用于水泥基材料中的可行性与应用前景,从而实现生物质电厂灰的再利用,为寻找水泥的替代品,研究在基建行业中减少水泥用量提供一个新的想法。试验结果表明:(1)在标准养护条件下,生物质灰对养护前期的砂浆力学性能影响较大,通常大大低于未掺入的砂浆强度,但在养护后期时,对砂浆的强度提升明显。(2)在生物质灰掺量为10%～30%范围内,掺量为10%的砂浆表现出的性能较优,当掺量大于10%时,砂浆抗折、抗压强度随着掺量的增加逐渐降低,且会低于标准。(3)在3种活化生物质灰水泥砂浆中,掺入GFA4S灰样的砂浆所展现的力学强度性能高于掺入其他处理灰样的砂浆强度,具有较高的火山灰活性。(4)组合养护可以有效地提高生物质灰砂浆的力学强度,但相比较而言,标准-干热养护条件对水泥砂浆的强度提升更为明显。

关键词： 3D打印   填充结构   工艺参数   缺陷机理   力学性能  

摘要： 传统注塑工艺对制品力学性能取向设计不足，对缺陷机理的研究不深入，从而导致制品各种质量瑕疵和使用局限。而熔融沉积3D打印的制品内部结构中空，易获得较强的力学性能取向。为将制品较强的力学取向即各向异性有效的运用在各种功能材料与实际场合中，减小打印制品受外力导致的变形与破坏。我们必须了解并研究影响3D打印材料取向力学特性的打印工艺参数。　　(1)研究填充结构、填充度、材料属性对制品拉伸力学性能和刚度特性的影响。首先选择仿真与实验的材料种类，并对对象工艺参数进行设计规划，确定研究抗拉性能的模型与实验方案;之后进行基于ABAQUS的有限元结构强度仿真建模与计算;整理数据分析得到结构、填充度和材料种类对模型抗拉性能及取向影响的规律;根据方案及国标打印拉伸样条，最后通过特征样品拉力实验对比分析，获得工艺参数相关的制品力学性能，对仿真得到的结论进行了验证。　　(2)在拉伸性能测试结果的基础上，设计合理的弯曲和扭转模型，研究填充结构、填充度、材料属性对其弯曲、扭转性能和强度特性的影响。通过分析弯曲、扭转模型的仿真数据，总结弯曲和扭转性能对填充结构、填充度、材料属性的敏感程度规律。　　(3)提出了基于强度需求的3D打印构型优化设计方法，以达到提高制件质量，降低成本，减少材料浪费的目的。通过整合实验与仿真数据，总结重要工艺参数对制件力学性能的影响规律，建立起不同工况下多种使用需求的模型打印优化方案及应对策略。

关键词： Ti55531合金   多孔材料   显微组织   力学性能   热处理  

摘要： 轻质高强材料是结构件的理想材料,汽车、飞机、轮船等一系列工业产品若采用轻质高强材料,可大幅度降低能量的损耗,降低污染物的排放量,提升产品的综合性能。金属多孔材料可以结合多孔材料的轻质与金属的高强特性,是一种极具发展前景的轻质高强材料。Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr(Ti55531)合金是一种新型高强钛合金,具有良好的综合性能。因此,本文采用激光选区熔化(Selected Laser Melting,SLM)技术,制备了单元结构为菱形十二面体结构(Rhombic Dodecahedron,RD)、拓扑优化结构(Optimized Topology,OPT)和简单立方结构(Simple Cubic,SC)的 Ti55531合金多孔材料,通过光学显微镜(Optical microscopy,OM)分析、X射线衍射技术(X-ray diffraction,XRD)分析、有限元分析、准静态压缩和疲劳测试等实验方法,研究了孔型结构对Ti55531合金多孔材料相组成和力学性能的影响。然后,针对OPT结构Ti55531合金多孔材料,通过光学显微镜(Optical microscopy,OM)分析、X射线衍射技术(X-ray diffraction,XRD)分析、扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)分析、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy,TEM)分析、显微硬度测试、准静态压缩和疲劳测试等实验方法,系统探究了热处理工艺对Ti55531合金多孔材料孔梁母材及Ti55531合金多孔材料组织与力学性能的影响规律。得到的主要结论如下:(1)孔型结构对SLM成形Ti55531合金多孔材料的相组成并未产生影响。(2)孔型结构对Ti55531合金多孔材料的表面形貌和力学性能产生影响。RD结构和OPT结构多孔材料的表面形貌为蛤蟆背状,SC结构的表面形貌为波浪状。OPT结构和SC结构的多孔材料具有较高的抗压强度,但压缩过程中呈现出脆性多孔材料断裂特征,而RD结构多孔材料的抗压强度较低,压缩过程中呈现出了韧性多孔材料断裂特征。此外,与OPT结构相比,SC结构的多孔材料具有更高的疲劳应力水平,在同一应力水平下,SC结构多孔材料具有更高的疲劳寿命。(3)热处理对Ti55531合金多孔材料孔梁母材的组织产生较大影响。Ti55531合金原始打印态显微组织为单β相,直接时效处理和相变点以上固溶时效处理后的组织则由β相和次生α相(αs)构成,而相变点以下固溶时效处理后的组织则由初生α相(αp)、β相和αs相构成。随着固溶温度的升高,αp相含量减少,αs相含量增加,随着时效温度的升高,αp含量不变,而αs相含量减少,尺寸增加。(4)热处理对Ti55531合金多孔材料及其孔梁母材的力学性能有着较大的影响。随着固溶温度的升高,Ti55531合金多孔材料孔梁母材的抗压强度增加,塑性降低,压缩断裂能降低,韧性变差,多孔材料的抗压强度降低。随着时效温度的升高,Ti55531合金多孔材料孔梁母材的抗压强度降低,塑性增加,压缩断裂能增加,韧性变好,多孔材料的抗压强度升高。

关键词： 玄武岩网格   纤维复合水泥基材料   变形应变硬化   弯曲韧性指标   数值模拟  

摘要： 纤维复合水泥基材料(Fiber Reinforced Cementitious Matrix,as referred FRCM)与玄武岩编织网(Basalt fabric reinforced polymer,as referred BFRP)复合加固层目前主要用于既有建筑加固改造工程。但该复合层整体拉伸、弯曲性能研究较为稀少。本文将玄武岩网格加固纤维复合水泥基材料(简称BFRP-FRCM)复合层力学性能作为研究目标,分别对玄武岩网格、FRCM基体的基本力学性能、BFRP-FRCM复合层整体单轴拉伸力学性能,以及BFRP-FRCM复合层整体弯曲力学性能进行了试验探究和理论分析。探讨了掺入玄武岩网格层数(以下简称配网率)、不同基体强度、聚丙烯(PP)纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维、聚乙烯(PE)纤维对该复合层的拉伸、弯曲力学性能的影响规律,获得了复合层单轴拉伸应力-应变本构模型,为BFRP-FRCM复合层加固砌体填充墙的配比设计与确定最佳配网率提供参考依据。具体研究成果如下:(1)通过BFRP-FRCM复合层拉伸试验可以发现,开裂应变是FRCM基质材料的物理力学特性。PVA、PE纤维试件具有明显拉伸应变硬化效应,PP纤维试件呈现拉伸软化现象。网格的加入可显著提高BFRP-FRCM试件的极限抗拉强度。配网率达到一定数值后,继续增大配网率会降低复合层极限拉应变,存在最优配网率。(2)增大配网率可明显改善BFRP-FRCM弯曲试件底部裂缝扩展形式。PP试件的荷载挠度曲线仅在掺入2、3层纤维网格时呈现弯曲-硬化趋势。PVA试件在所有工况中均呈现良好弯曲-硬化趋势。改变配网率、基体强度、纤维种类对复合层的开裂挠度影响较小,仅跟基体材料力学性能有关。水胶比的改变会削弱复合层的极限抗弯强度,网格的加入可明显增大试件的极限抗弯强度。对复合层的弯曲力学性能而言存在最优配网率。对于PVA试件,其水胶比为0.30且掺入2层纤维网格时,弯曲性能最佳,其韧性指标可达49.10。对于PP试件,其水胶比为0.35且掺入2层纤维网格时,试件的增韧效果最好。(3)通过对Kanda T.提出的双线性模型公式进行修正,获得了适合本试验中玄武岩网格-纤维增强水泥基材料复合层拉伸应力-应变本构模型,该模型能较好的拟合出试验结果。利用修正本构模型进行复合层拉伸、弯曲试验模拟验证可发现,得到的拉伸试验模拟结果与试验值接近,模拟弯曲试验得到的结果小于实际试验结果。