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关键词： 二次硬化钢   极限学习机   微量元素   材料力学性能  

摘要： 钢铁是当今社会发展必不可少的核心材料,高Co-Ni二次硬化钢是一种新型马氏体钢,具有很高的强度和韧性,目前主要应用在航空航天器械上如飞机的起落架。现如今,高Co-Ni二次硬化钢需要在更恶劣的环境下拥有更高的性能,因此高Co-Ni二次硬化钢的成分和制备工艺越来越复杂。依靠传统的试错法进行研究,实验周期长,消耗资源量大,如今已经不能满足工业对钢铁材料的研发需求。因此使用计算机辅助材料实验和性能分析较为必要。目前在高Co-Ni二次硬化钢的性能分析和预测领域主要是使用BP神经网络,但是高Co-Ni二次硬化钢的热处理过程参数较多,实验数据量较少,因此用BP神经网络进行模型训练存在学习速度缓慢,泛化性能一般,精度不够高的问题。极限学习机(ELM)是一种新型的单隐层前馈神经网络算法,具有学习速度快、模型精度高、有良好的泛化能力等优点,近年来在许多领域得到了发展。实验基于增量型极限学习机(I-ELM)算法,通过训练神经网络,学习了高Co-Ni二次硬化钢的热处理过程,训练出热处理过程中微量元素、热处理工艺与合金力学性能的数学模型,并将训练的网络模型与基于BP神经网络训练的模型从多项指标进行对比和分析。结果表明,基于增量型极限学习机的网络模型在速度、精度和泛化性上都优于BP神经网络模型。使用高Co-Ni二次硬化钢的增量型极限学习机模型,对微量元素C、Co和时效温度与合金的力学性能之间的关系进行了预测研究,结合理论知识从材料的组织结构方面分析了原因,证明了预测结果的正确性。使用极限学习机算法在高Co-Ni二次硬化钢的成分分析和力学性能研究中效果显著,表明极限学习机在高Co-Ni二次硬化钢材料体系有着广阔的研究前景。结论证明,高Co-Ni二次硬化钢这种成分众多、数学模型复杂的材料在样本数量少条件下可以采用现代优化算法进行快速高精度拟合。

关键词： 鱼皮   鱼鳞   数字图像相关法   改进爬山法   力学性能  

摘要： 鱼皮、鱼鳞作为一种优质的天然材料,其中鱼鳞作为一种生物盔甲能够提供一定的保护能力,而鱼皮具有一定的食用和穿戴价值。在我国的一些少数民族中,鱼鳞和鱼皮就有着悠久的使用历史。目前国内对于鱼皮及鱼鳞的研究较少,且主要都是研究其组成成分和营养价值方面,对其力学性能和微观结构的研究很少。本文基于数字图像相关法和一套自行搭建的应变测量系统,对鱼皮、鱼鳞在单轴拉伸过程中表现出的力学性能进行了研究与分析,并借助光学显微镜放大图像观察鱼鳞表面与截面的微观结构。本文研究结果对于未来鱼类仿生材料的开发有一定的参考价值。数字图像相关法可以简单分为整像素部分和亚像素部分。本文整像素部分使用自行编写的一种改进爬山算法,改善了传统爬山法易陷入局部极值的问题,增加了整像素搜索范围至100pixel,并且在精度和速度上相比传统爬山法有较大的提升。研究了搜索步长与测量位移对这种改进爬山法的搜索时间的影响,结果显示在12pixel的搜索步长内,步长越大速度越快,测量位移越大,搜索时间越长。亚像素部分使用反向组合法,使用模拟散斑图测试后应用于实验测量中。搭建了一套应用于鱼皮、鱼鳞试件拉伸应变测量装置,对表面散斑处理后的试件进行拉伸实验并采集数据。结果显示,头部与中部鱼鳞弹性模量、强度等力学性能优于尾部,而对于鱼皮试件的这些力学性能,尾部则要优于头部和中部。并且微观图像显示,鱼鳞的抗拉能力与其内层的胶原纤维层数有关。

关键词： 锂离子电池   力学性能   弹性常数   电极材料   密度泛函理论  

摘要： 高效合理地转化、存储和利用在自然界中存在广泛且供应不断的清洁能源,例如太阳能、水能和风能等,是人类保护和治理当今环境的关键和根本所在,是推动人类社会经济走出发展瓶颈的一条捷径,同样也是必由之路。目前,使用锂离子电池是清洁能源实现高效转化、存储和利用的重要方式。随着对高功率、大容量和长循环寿命锂离子电池需求的不断增加,人们开始寻求新一代电极材料,而电极材料的力学稳定性能对锂电池的安全使用具有至关重要的作用。本文应用第一性原理方法研究了新型锂离子电池电极材料,包括IVA族材料(Si、Ge和Sn)和二维材料(石墨烯、硅烯和2H-MoS)在嵌锂过程中的力学稳定性,并揭示了其力学特性变化的微观机理,主要研究内容及结果如下:1.应用密度泛函理论研究了锂离子嵌入后IVA材料的力学稳定性,发现材料的弹性常数C和C随锂嵌入浓度的增加而减小,并且有明显的体积膨胀和弹性软化现象,材料的力学稳定性也随之减弱。通过进一步研究电子掺杂对IVA材料力学稳定性的影响,我们发现了与锂离子嵌入相同的结果。结果表明,电子掺杂效应是导致IV族材料在锂化过程中力学稳定性降低的机制。2.研究了嵌锂过程中石墨烯、硅烯和2H-MoS的基本结构和力学常数的变化,并揭示了这些变化的微观机理。对于石墨烯,Li掺杂对其力学性能影响不大,进一步证明了石墨烯作为LIBs材料的潜力。对硅烯而言,锂原子的嵌入对硅烯的力学性能没有实质性的影响,即硅烯在吸附锂原子的过程中具有很强的力学稳定性,是锂离子电池的优良电极的潜在替代者。对于2H-MoS,我们发现锂离子嵌入和电子掺杂都能使材料软化。结果表明,2H-MoS力学稳定性降低的机理是电子掺杂效应。

关键词： 大掺量粉煤灰   强度   水化进程   化学结合水量   粉煤灰反应程度  

摘要： 大掺量粉煤灰混凝土具备较优的经济、社会和环境效益,因此除了水利工程外,其在桥梁、道路、房建等工程领域的应用也愈发广泛。然而大掺量粉煤灰的掺入必然使得水泥基材料的强度发展和水化进程存在一定的特殊性。因此,本文研究了不同水胶比(0.4、0.5、0.6)、粉煤灰掺量(0、30%、40%、50%、60%、70%)和养护温度(20℃、35℃)条件下粉煤灰-水泥基材料的抗压强度、抗折强度、化学结合水量和粉煤灰反应程度的发展,探究粉煤灰-水泥基材料的强度发展和水化进程之间的联系。本文的主要结论如下:(1)标准养护条件下,粉煤灰-水泥砂浆的抗压强度和抗折强度均早期发展较快,后期发展缓慢。但是,随着粉煤灰掺量的提高,砂浆强度后期增长相对越快。随着水胶比的增大,粉煤灰掺量的提高,粉煤灰-水泥砂浆的强度降低,抗压强度和粉煤灰掺量之间有较好的线性关系。随着水胶比的降低,粉煤灰掺量对砂浆强度的影响越显著。(2)高温养护(35℃,RH>95%)条件下,粉煤灰-水泥砂浆的抗压强度和抗折强度发展速率依旧是早期发展较快,后期趋缓,且强度相较标准养护条件下有所提升。纯水泥砂浆在高温养护条件下早期强度发展较快,后期强度基本不增长。粉煤灰-水泥砂浆早期强度基本随着粉煤灰掺量的提高而线性降低,而后期强度随着粉煤灰掺量的提高先升高后降低。(3)标准养护条件下,粉煤灰-水泥净浆的化学结合水量和粉煤灰反应程度都随着养护龄期的延长而提高,早期发展速率高于后期发展速率。随着水胶比的提高,化学结合水量和粉煤灰反应程度增大,但是水化早期水胶比的影响较小,后期水胶比的影响更为显著。随着粉煤灰的掺量的增大,体系的化学结合水量和粉煤灰反应程度越低。(4)高温养护条件下,粉煤灰-水泥净浆的化学结合水量早期增长速率依旧高于后期增长速率,且相较于标准养护,体系的早期化学结合水量提高显著,而后期的化学结合水量发展更为平缓。随着水胶比的提高,体系的化学结合水量提高。随着粉煤灰掺量的提高,体系化学结合水量基本呈线性下降。(5)建立并验证了标准养护条件下和高温养护条件下粉煤灰-水泥净浆化学结合水量的定量预测方程。结果表明,本文建立的粉煤灰-水泥基材料化学结合水量预测方程具有较高的准确性。标准养护条件下,水胶比相同时,化学结合水量与抗压强度近似成线性关系,且水胶比越小,拟合直线斜率越大。基于测试结果建立了标准养护条件下基于化学结合水量的粉煤灰-水泥砂浆抗压强度预测方程。

关键词： Al2O3p/Al复合材料   有限元模拟   无压浸渗   力学性能  

摘要： 氧化铝短纤维增强铝基复合材料已成功应用于发动机活塞部件,但氧化铝颗粒增强铝基复合材料的应用却鲜有报道,如何制备出不同性能氧化铝颗粒增强铝基复合材料以拓展其应用范围是一个重要的课题。本文选用市售的1组（4种粒径）球形、1组（4种粒径）多孔以及1种多棱角合计三类形态的氧化铝颗粒,通过超声清洗之后,将其以无压浸渗法制备成对应的Al2O3p/Al复合材料,通过SEM、XRD、三点弯曲试验、有限元模拟等手段研究了不同形态、粒度的氧化铝颗粒对Al2O3p/Al复合材料的力学性能的影响规律及影响机制。三类形态氧化铝颗粒表面普遍吸附有许多微小（<5μm）的氧化铝颗粒,通过超声清洗之后,颗粒表面的微小吸附质得以清除。本文研究的9种氧化铝颗粒中平均粒径（D50）分别为33.224、51.729μm的多孔态、36.960μm球形态以及38.493μm多棱角态共4种氧化铝颗粒含有许多尺寸明显偏离平均粒径的细小（10μm左右）颗粒。SEM分析结果显示,氧化铝颗粒供货状态下颗粒聚集现象及含有细小颗粒的现象均会导致对应的复合材料中缺陷较多。球形态、多孔态氧化铝颗粒对应的复合材料其断裂机制主要为氧化铝颗粒的穿晶解理断裂。多棱角氧化铝颗粒对应的复合材料其断裂机制主要为界面脱粘。XRD分析结果显示,三类形态的氧化铝颗粒均为α-Al2O3,以其作为增强体的铝基复合材料中普遍存在少量界面反应产物Mg Al2O4。球形态、多孔态氧化铝颗粒对应的复合材料均比多棱角态的弹性模量要高,这是因为球形态颗粒对应复合材料致密度高、增强体体份也高。多孔态颗粒对应的复合材料则是由于增强体特有的三维网络构型而提高了复合材料的弹性模量。有限元分析结果与此规律十分吻合,即在同等氧化铝体积分数下,多孔态氧化铝颗粒对应复合材料弹性模量数值模拟结果（140.09 GPa）比多棱角态颗粒对应复合材料的模拟值（106.58 GPa）要高出31.44%。对球形态氧化铝颗粒增强铝基复合材料而言,颗粒粒度对其体份几乎没有影响（均在58%左右）。最小粒径球形态氧化铝颗粒（D50=36.690μm）对应复合材料其致密度、弹性模量均偏低,分别为93.04%、151.54 GPa,而另外三种粒径较大球形态颗粒对应复合材料其致密度、弹性模量分别在97%、204GPa左右。球形态及多孔态氧化铝颗粒其粒度对复合材料强度的影响规律均为先提升后降低。在球形态氧化铝颗粒增强铝基复合材料中,平均粒径（D50）为54.443μm时,复合材料强度最高（396.47MPa）;在多孔态氧化铝颗粒增强铝基复合材料中,平均粒径（D50）为70.936μm时,复合材料强度最高（317.31 MPa）。

关键词： 碳/芳混杂编织复合材料   声发射   数字图像相关   红外热成像   X射线微型计算机断层扫描  

摘要： 碳/芳混杂编织复合材料由于混杂效应,不仅提高了碳纤维的断裂韧性,而且增强了芳纶纤维的刚度。作为一种先进复合材料,其日益受到国内外的重视,对其机械性能的要求也越来越高。然而,混杂编织复合材料的制造过程相对复杂,变形损伤及扩展行为影响因素较多。为提高碳/芳混杂编织复合材料使用的可靠性和安全性,研究其变形损伤中的动态演化规律和破坏行为具有重要意义。首先,本文针对碳/芳混杂编织复合材料,分别进行了碳纤维方向和芳纶纤维方向的幅度衰减测定。综合利用声发射(Acoustic Emission,AE)技术与数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法有效获取复合材料拉伸加载过程中的AE动态信号和散斑图像,分析碳/芳混杂编织复合材料拉伸变形与损伤破坏行为,为碳/芳混杂编织复合材料的结构设计和无损评价提供基础。其次,本文采用AE和红外热成像(Infrared Thermography,IRT)技术对不同纤维取向的厚层碳/芳混杂编织复合材料的准静态三点弯曲实验进行了实时监测。基于AE特征信号和表面温度场,研究了复合材料的损伤演化行为。同时,结合X射线微型计算机断层扫描(X-ray Micro-computed Tomography,Micro-CT)观察试件内部细观结构损伤形貌,探究其破坏机理。再次,本文对碳/芳混杂编织复合材料进行了渐进三点弯曲实验。结合AE技术和DIC方法实时监测复合材料试件的表面变形和渐进损伤萌生/演化过程,利用Micro-CT技术对复合材料试件内部结构的渐进损伤进行识别。进一步研究了不同纤维取向的碳/芳混杂编织复合材料的弯曲变形、渐进损伤演化及破坏行为。最后,本文利用AE技术对某厂大型风电叶片摆振疲劳实验进行了定期监测。基于AE信号特征参数分析,对风电叶片的疲劳损伤进行了评估。结果表明:(1)声波在碳/芳混杂编织复合材料中沿芳纶纤维方向传播时,能量被吸收和散射的效果更为明显。(2)在碳/芳混杂编织复合材料弯曲实验中,纤维取向对试件的力学性能和损伤特性有重要影响。主材料方向(经向)为碳纤维的试件表现出更高的抗弯强度和准脆性行为,而经向为芳纶纤维的试件展现了良好的韧性。(3)Micro-CT是表征试件内部结构的有效手段。弯曲实验中,对于经向为碳纤维的试件,其宏观破坏主要是顶部的剪切破坏,以扭结带为源沿厚度方向传播,在周围引起基体裂纹,然后继续向体内扩展,随后基体开裂和分层成为其主要的失效模式。对于经向为芳纶纤维的试件,损伤的起源被认为是底部的丝束剥离,其主要的失效模式为分层和层板断裂。(4)结合AE、DIC/IRT和Micro-CT技术,能够有效地监测和观察复合材料的变形、损伤演化及破坏行为,为进一步阐明复合材料的损伤破坏机理提供技术支持。

关键词： PMAC   拉伸机   数控系统   状态迁移图  

摘要： 针对小尺度试件材料力学性能测试中如何实现微小试样高分辨率的载荷和位移测量等难题,本文从试样测试的需求出发,设计了一种蜗轮蜗杆丝杠传动式单轴双向拉伸机,以PMAC运动控制卡为核心建立了拉伸机控制系统,结合拉伸机系统中各部件的控制要求完成PMAC端口的合理分配,并设计了拉伸机不同控制模式下的程序流程。在Visual Studio 2013 VC++开发环境下,采用模块化的设计方法,编写了能实现数据实时采集、曲线实时显示、运动程序灵活控制等功能的友好人机交互界面,并考虑程序不同状态之间的跳变过程,利用"状态迁移图"设计操作指令模块,保证系统足够安全。系统稳定工作情况下拉伸机最小拉伸速度为0.07μm/s,应用该拉伸机测试系统完成对铜箔试件的拉伸测试。实验结果表明,本文设计的拉伸机可以用于小尺度试件材料微小试样的力学性能测试。

关键词： 复杂工况   原位测试   力学性能   力学行为   变形损伤   误差分析   功能配置分析  

摘要： 服役状态下的机械零部件通常受到多种工况的同时作用。传统的拉伸、弯曲、扭转等单一工况材料力学性能测试技术手段已难以满足力学性能分析需求,制约了材料研发工艺的改进及装备的优化设计制造。与此同时,利用显微成像技术实现动态监测材料变形损伤的原位测试技术应运而生,为研究材料力学性能提供了崭新的方法。针对复杂工况下材料损伤机理和力学行为规律的研究需求,研制复杂工况材料力学性能测试装备,已成为国际学术界和工程界关注的焦点。在综述分析相关领域国内外现状的基础上,论文开展了拉伸、扭转、弯曲和纳米压痕复杂工况材料力学性能原位测试装备的设计分析。全文搭建了以试验需求为目标的设计架构,以试验理论、结构设计、误差分析与精度校准和试验验证为主线的研究体系,完成了复杂工况材料力学性能的原位试验研究。论文的主要研究内容概括如下:(1)开展了力学性能试验与装备校准理论研究。综述了应用于复杂工况力学性能分析和测试装备校准相关的拉伸、扭转、弯曲和纳米压痕工况试验的基本理论;并在此基础上提出了基于细观力学和原位监测技术的纳米压痕表征材料本构关系的研究方法。总结了工程材料在复杂工况下损伤理论和应力状态分析理论;并且为复杂工况应力状态分析提出了以应力三轴度为分析基础的,拉伸-扭转工况状态分数维量化表征的研究方法。(2)建立了面向试验工况需求和试验方法需求的设计目标。基于上述工况测试理论和提出的研究方法,确定了测试装备的试验工况需求为:拉伸、扭转、弯曲和纳米压痕单一工况,以及两种载荷下复杂工况的原位测试。测试装备期望实现的试验方法需求为:基于细观力学的本构关系纳米压痕分析和复杂工况状态的分数维表征分析。根据功能配置分析理论搭建了测试装备的测试需求的设计质量屋和“需求-结构”的关系矩阵,为测试装备结构的设计提供了总体要求。并且在个结构模块设计中绘制了功能结构树,清晰地阐述了结构原理。详细地分析了测试装备各模块的误差来源及产生原因,建立了误差分析表,为测试装备的精度校准提供依据。(3)开展了测试装备结构设计分析。根据“需求-结构”的关系矩阵分析获得的总体要求,并在借鉴国内外测试仪器/装置的结构特点的基础上,完成了测试装备的结构设计。结合静强度仿真分析和模态分析技术,对数字化样机开展了动静态分析,验证了功能结构分析的合理性和测试装备的可靠性。(4)建立了拉伸、扭转、弯曲和纳米压痕模块的误差分析模型,并开展了精度校准研究。分析了机架柔度、设备同轴度等因素对测试装备精度的影响,通过测试装备误差模型研究,提高了测试装置后处理数据的精度。根据45号钢、Q235钢和6061铝的重复性试验结果可知,修正后的测试装置与商业化试验机数据吻合性较好,验证了修正算法的准确性。不同工况速率下的2024-T351铝的力学性能试验,验证了本测试装备在力学性能分析中的实用性。(5)开展了复杂工况下45号钢原位力学性能的试验研究。交变扭转工况原位试验、不同试验参数下弯曲工况原位试验和拉伸-扭转-弯曲两两工况复合状态下的原位试验。复杂工况力学性能试验较传统的单一工况准静态试验更有效地模拟了服役状态下材料的受力状态。试验结论揭示了材料的力学性能是由材料组织、应力和应变共同作用的结果。预拉伸应力和预扭转应力均能够降低材料的屈服强度;预拉伸应变能够降低材料的抗扭强度,预扭转应变能够提高材料的抗拉强度。同时,细观力学分析与纳米压痕技术相结合的材料本构关系表征的分析,和工况维度的分数维量化分析,为复杂工况的分析提供了新的方法。综上,本测试装备能够为服役状态下结构连接件、焊接件、包含加工残余应力等材料的力学测试和性能模拟分析提供有效的试验平台。因此,论文开展复杂工况材料力学性能原位测试装备的设计分析与集成调试的研究,具有重要的理论意义和应用价值。

关键词： 短碳纤维   聚醚酰亚胺   复合材料   碳纳米管   化学处理  

摘要： 短纤维增强树脂基(SFRP)复合材料具有加工方便、密度低、力学性能优异及耐腐蚀等优点,广泛应用于汽车、船舶及体育用品等领域。聚醚酰亚胺(Polyetherimide,PEI)作为一种特种工程塑料,具有优异的耐热性能、绝缘性能、阻燃性及成型加工特性,但与金属相比,其力学、摩擦磨损等性能较低。因此,为满足航空航天、军工装备等高端领域的应用要求,需要添加短切碳纤维等填料以改善PEI的力学、热学、电学及摩擦磨损等功能特性。而纤维与树脂基体的界面特性与复合材料的性能密切相关,纤维表面的改性处理是制备高性能复合材料的关键。为了提高碳纤维与PEI基体间的界面结合力,本文采用热处理、化学处理及纳米包覆等工艺对短切碳纤维进行了表面改性研究,通过挤出及注塑成型工艺制备了系列短切碳纤维(SCF)增强PEI复合材料,并对其拉伸和弯曲等力学性能进行了测试,探讨了不同改性方法对SCF表面结构、SCF/PEI复合材料界面特性及其力学性能的影响。具体研究内容如下:(1)采用热处理和化学处理改性SCF表面,并研究了SCF表面处理对SCF/PEI复合材料的力学性能的影响。采用高温热处理法、米氏酸氧化法、聚多巴胺浸渍法和聚酰亚胺浸渍法四种工艺对SCF进行了表面改性处理,研究了不同改性方法对SCF/PEI复合材料力学性能的影响。结果表明,经过高温热处理后制备的SCF/PEI的力学性能最佳。红外光谱表明高温热处理法、米氏酸氧化法以及聚多巴胺浸渍法都在碳纤维表面留下一系列极性基团,增加了碳纤维表面的活性,从而提高了复合材料的力学性能。SEM观测结果表明,与原始短碳纤维相比,经过一系列的改性处理,碳纤维表面的粗糙度得到提升,改善了碳纤维与树脂基体的浸润性。(2)碳纳米管(CNT)接枝SCFs(CNT@SCFs)及CNT@SCF/PEI复合材料的力学性能研究。采用SCF表面直接浸渍CNT制备了CNT@SCFs,聚多巴胺(PDA)修饰CNT浸渍SCFs制备了PDA-CNT@SCFs,聚多巴胺(PDA)修饰CNTs浸渍米氏酸氧化SCFs制备了PDA-CNT@MDA-SCFs,聚多巴胺(PDA)修饰CNTs浸渍高温热处理SCFs(HT-SCFs)制备了PDA-CNT@HT-SCFs,并对比研究了CNT@SCF/PEI、PDA-CNT@SCF/PEI、PDA-CNT@MDA-SCF/PEI和PDA-CNT@HT-SCF/PEI四种复合材料的力学性能。结果表明,PDA-CNT@HT-SCF/PEI复合材料的力学性能最佳,拉伸强度与弯曲强度各自提升了16.41%与18.5%,PDA-CNT@SCF/PEI复合材料的力学性能次之,拉伸强度提升了12.4%,弯曲强度基本没有变化。CNT@SCF/PEI复合材料的力学性能最差,与SCF/PEI复合材料力学性能基本一致。本论文研究结果表明:通过碳纤维表面改性处理后,SCF/PEI复合材料的界面破坏机理由较弱的界面脱落变为较强的树脂基体内聚破坏,进而提升复合材料的力学性能。采用高温热处理方法、聚多巴胺修饰以及聚酰亚胺包覆碳纤维不仅能提升复合材料的力学性能,且耗时短,工艺简洁。选用CNT接枝SCF制备复合材料中,添加聚多巴胺能解决CNT的团聚问题,高温热处理SCF则能形成极性基团与聚多巴胺结合,将CNT接枝到碳纤维表面,提高碳纤维的比表面积与活性,因此得到的复合材料力学性能最佳。

关键词： 磷酸镁水泥   混杂纤维   强度   弯曲性能  

摘要： 磷酸镁水泥是一种新型无机胶凝材料,具有快硬、快凝、早期强度高、温度适应性强、体积稳定性好等优点。同普通硅酸盐水泥一样,磷酸镁水泥属于高脆性材料,当受到外部作用力时,易产生裂缝并断裂。向磷酸镁水泥中掺加纤维形成髙延性水泥基复合材料可以提高其力学性能,改善其脆性破坏的特点。目前,国内外对纤维增强磷酸镁水泥的研究主要集中在单掺聚乙烯醇纤维,钢纤维、玻璃纤维或聚丙烯纤维对磷酸镁水泥某一方面性能的改善作用。为了突破单掺纤维增强磷酸镁水泥材料的局限性,本文采用聚乙烯醇(PVA)纤维,微细钢(MS)纤维和聚丙烯(PP)纤维三种纤维,两两混杂掺入磷酸镁水泥中,研究不同的混杂纤维种类、混杂方式与混杂掺量对磷酸镁水泥力学性能的影响。取得的主要结论如下:(1)在纤维总掺量为1.6%,PVA纤维与MS纤维的混杂体系中,MS纤维主要控制磷酸镁水泥基体的强度,PVA纤维主要控制磷酸镁水泥基体的变形能力和后期韧性。混杂掺入1.2%PVA+0.4%MS时,PVA纤维协同MS纤维更好的发挥桥接作用,使得磷酸镁水泥基复合材料不仅具有较高的强度,且变形性能与韧性较好。(2)在纤维总掺量为1.6%,PP纤维与MS纤维的混杂体系中,PP纤维对磷酸镁水泥的增强和增韧作用较弱,MS纤维对磷酸镁水泥的力学性能起主要改善作用;掺入混杂纤维后,磷酸镁水泥基复合材料的强度有一定提升,但弯曲性能整体较差。混杂掺入0.8%PP+0.8%MS时,PP纤维与MS纤维表现出一定的协同作用,磷酸镁水泥基复合材料具有微弱的应变硬化特征。(3)在纤维总掺量为1.6%,PVA纤维与PP纤维的混杂体系中,PVA纤维与PP纤维之间协同作用较差,PVA纤维起到主要的增强增韧作用。单独掺入1.6%PVA纤维时,磷酸镁水泥基复合材料的变形性能与韧性最佳。(4)在固定PP纤维掺量为1.6%,混杂掺入少量MS纤维的混杂体系中,由于PP纤维的憎水性,两种纤维之间的协同作用较差;随着MS纤维掺量的增加,磷酸镁水泥基复合材料的强度小幅度提升,但弯曲性能依旧较差。(5)在固定PVA纤维掺量为1.6%,混杂掺入少量MS纤维的混杂体系中,大量的PVA纤维能够很好的承担微裂缝开展时的应力,提高磷酸镁水泥的变形性能与韧性;少量的MS纤维能够有效增强磷酸镁水泥的强度;随着MS纤维掺量的增加,磷酸镁水泥基复合材料的变形性能虽略微降低,但强度与韧性进一步提高,PVA纤维与MS纤维之间的协同作用优异。混杂掺入1.6%PVA+0.6%MS时,磷酸镁水泥基复合材料不仅具有较高的抗压强度与抗弯强度,变形性能与弯曲韧性也十分优异。