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关键词： PVA纤维   钢纤维   水泥基材料   抗压强度   弯曲   非线性回归  

摘要： 纤维增强水泥基材料是将纤维掺入水泥基材料中的一种复合材料,以ECC（Engineered Cementitious Composite）工程复合水泥基材料为首要代表,其具有普通水泥基材料所不具备的应变硬化特性,在承受弯曲应力时展现多缝开裂的性质,克服了普通水泥基材料质脆、开裂、拉伸弯曲性能较差等问题,本文旨在ECC的基础上,将PVA纤维和钢纤维以一定比例混杂掺入对水泥基材料进行复合增强增韧,实现复合水泥基材料高强度与高弯曲韧性相匹配的目的。本文主要研究PVA纤维与钢纤维通过单掺、复掺对复合增强的水泥基材料弯曲和压缩性能,进行立方体试件压缩试验与薄板三分点处双点加载弯曲试验,之后对得到的抗压和抗弯试验结果进行非线性回归分析,建立纤维掺量对抗压强度、极限抗弯强度、极限跨中挠度的预测模型,并对复掺的水泥基材料建立压应力-应变曲线的本构模型。PVA-钢纤维增强水泥基材料压缩性能研究表明,当钢纤维体积掺量大于0.6%时,钢纤维对水泥基材料的抗压强度有较大程度提高,钢纤维体积掺量0.8%时抗压强度提高了24%,掺PVA纤维对立方体试件的抗压强度也有一定的提升,当PVA纤维体积掺量1.6%时抗压强度提高了13%,相较于单掺钢纤维提升较小,复掺两种纤维时,最大抗压强度相较于素水泥基材料提高了45%,PVA纤维与钢纤维对水泥基材料的抗压强度发挥正协同作用。PVA-钢纤维增强水泥基材料弯曲性能研究表明,PVA纤维与钢纤维复掺时,初裂挠度增加,有了较好的变形能力,最大变形率达6%,且极限抗弯强度相较于素水泥基材料最大增加了1.2倍。对试验得到的抗压强度值、极限抗弯强度值和极限跨中挠度值进行非线性回归分析,建立PVA纤维与钢纤维掺量对抗压强度值、极限抗弯强度值和极限跨中挠度值的预测模型,根据实测的PVA-钢纤维增强水泥基材料立方体抗压试验应力-应变曲线,建立了其压应力-应变曲线本构模型,为PVA-钢纤维复合增强水泥基材料实际工程应用中的结构设计和应力计算提供参考。

关键词： 水化硅酸钙   石墨烯   分子动力学   力学性能   缺陷  

摘要： 当前,水泥是世界上使用量最大的工程材料,水泥基材料被广泛用于工程实际中。为了更充分的了解水泥材料的特性,使其更好地被应用于生产生活中,需要对水泥基材料的主要强度成分—水化硅酸钙(C-S-H)进行深入探究。然而,水泥材料的抗拉能力较弱,制约了水泥在很多方面的应用。石墨烯、碳纳米管(CNTs)等新型碳纳米材料可以作为水泥基复合材料的理想增强材料,因为其抗拉性能很强。石墨烯的厚度薄,杨氏模量高,拉伸强度高,断裂韧性和抗疲劳性能好,被认为是目前综合性能最好的一种纳米材料。本论文在前人研究的基础上,通过分子动力学方法,主要对水化硅酸钙/石墨烯(C-S-H/G)复合材料的力学性能进行了数值模拟计算。重点研究缺陷石墨烯对C-S-H力学性能的影响,因为在石墨烯的生产过程中,缺陷是不可避免的。本论文首先总结了前人建模的方法,在此基础上重新构建了无定型C-S-H原子结构模型,并在里面分别加入完整的和缺陷(以某一特定大小的缺口为例)的单层石墨烯片,合成C-S-H/G复合材料。首先,对C-S-H/G在不同温度和应变率条件下的单向拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟,重点对比缺陷石墨烯和完整石墨烯对C-S-H的强化作用。结果表明:由于完整石墨烯和C-S-H之间的相互作用很弱,完整石墨烯对C-S-H的强化作用并不明显,而缺陷石墨烯由于同C-S-H之间的相互作用较强,其强化效果更显著。通过对比分析得出,缺陷C-S-H/G的拉伸强度高于完整C-S-H/G。其次,改变石墨烯片的缺口大小,对不同缺陷尺寸的C-S-H/G进行单向拉伸,研究了不同温度和应变率下缺陷尺寸对C-S-H/G力学性能的影响。通过分子动力学模拟得出,当缺口不足以大到使石墨烯原子数太少而削弱石墨烯的强化作用时,缺口越大导致C-S-H和石墨烯在缺陷部位的相互作用越强,促使石墨烯同整个复合材料协同变形,石墨烯更能发挥出它的强抗拉性能,进而导致C-S-H/G的拉伸强度增大。最后,对比研究了不同缺陷尺寸C-S-H/G的温度效应和应变率效应。研究得出,不同缺陷尺寸的C-S-H/G,在同一应变率下,它们的拉伸强度均随着温度的升高而降低。随着缺陷尺寸的增大,C-S-H/G的温度效应更显著。在同一温度下,不同缺陷尺寸的C-S-H/G的拉伸强度均随着应变率的增大而增大,它们的应变率效应是相似的。这些结果为从原子尺度深入了解C-S-H/G的力学性能提供了重要的基础。通过本文的研究得出,有些缺陷的材料比完整的材料有着更好的强化作用。利用缺陷材料来制备复合材料,可以减少工业生产中材料的浪费,节约生产成本。

关键词： 复合材料   环氧树脂   力学性能   粘接性能   电磁性能  

摘要： 由于具有超高的机械强度、优异的热稳定性、巨大的比表面积以及良好的导电性能,石墨烯在环氧树脂复合材料的制备和应用领域具有广阔的发展前景。将石墨烯及其衍生物均匀、稳定地分散于环氧树脂中,并提高两者之间界面结合作用,可以使石墨烯的增强、增韧作用在环氧树脂基复合材料中充分发挥;将石墨烯与磁性材料相结合制备具有特殊结构的电磁波吸收材料,则可借助石墨烯的优良电性能对环氧树脂复合材料的电磁性能和吸波性能进行改善。本文以环氧树脂为基体树脂,以氧化石墨烯为切入点,开展了氧化石墨烯水分散液直接应用于环氧树脂复合材料的制备研究、原位功能化氧化石墨烯增强环氧树脂的制备研究、石墨烯基高效增韧剂和石墨烯基轻质吸波剂以及相应复合材料的制备研究等工作,考察了石墨烯材料的引入对环氧树脂的力学性能、粘接性能、热稳定性、韧性和电磁性能的影响。本文首先将氧化石墨烯水分散液直接与液态环氧树脂混合,通过湿法转移-三辊研磨的方式将氧化石墨烯转移并分散于环氧树脂中制备了氧化石墨烯/环氧树脂复合材料。由于避免了干燥过程引起的团聚和堆叠,氧化石墨烯可在环氧树脂中充分剥离和分散,复合材料具有良好透光性。对复合材料微观形态和力学性能的考察结果表明,氧化石墨烯无规则的分散在环氧树脂中,褶皱状的氧化石墨烯片层与环氧树脂良好相容,并且通过机械互锁的方式与树脂基体相互作用。复合材料的拉伸和高温剪切性能得到增强,玻璃化转变温度有所提高。与纯环氧树脂相比,氧化石墨烯加入量为1 wt%时复合材料的拉伸模量提高了10.3%、拉伸强度提高了9.0%、玻璃化转变温度提高了4.2℃、120℃剪切强度提高了56.3%。为了进一步提高石墨烯材料与树脂基体的相互作用力,本文以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为辅助溶剂通过溶剂挥发法制备了原位功能化氧化石墨烯/环氧树脂复合材料。DMF的使用可以使氧化石墨烯水分散液与环氧树脂完全混溶。氧化石墨烯与环氧树脂在挥发溶剂的过程中发生原位接枝反应,实现了氧化石墨烯的原位功能化和均匀分散。分析结果表明环氧树脂2021P成功接枝于氧化石墨烯上,功能化的氧化石墨烯不再具有类似石墨的有序结构,热稳定性和在有机溶剂中的分散性也发生很大变化。功能化的氧化石墨烯高度分散于环氧基体中,对固化过程有明显的促进作用。除了物理上的机械互锁,功能化氧化石墨烯还会通过表面的环氧官能团参与树脂的固化反应,进一步加强石墨烯片层间与基体间的相互作用和应力传递。复合材料的玻璃化转变温度在GO-2021P的加入量为1 wt%时提高了4.9℃,复合材料的拉伸强度、拉伸模量、常温剪切强度和100℃剪切强度则较纯环氧树脂分别提高了34.0%、25.9%、27.1%和76.0%。本文还以异氰酸酯为偶联剂、利用大分子橡胶对氧化石墨烯进行了功能化改性。制得的石墨烯基增韧剂以高强度的氧化石墨烯为中心,发挥增强与增韧作用;以橡胶分子长链为柔性组分,发挥桥连和能量吸收的作用,与氧化石墨烯协同增韧;通过增韧剂末端异氰酸酯基与环氧基体的反应改善两者的界面作用力。向环氧树脂中添加少量的石墨烯基增韧剂即可达到良好的增韧效果,EP-4的常温剪切强度、剥离强度和冲击强度分别提高了88.1%、458.1%和144.4%。EP-4的拉伸强度较纯环氧树脂提高了25.1%,杨氏模量则有所下降。体系的玻璃化转变温度不降反升,EP-3和EP-4的玻璃化转变温度较纯环氧树脂分别提高了11.7℃和23.6℃。制得的复合材料具有优异的综合性能。通过多种手段对增韧剂的结构、分散状态、复合材料断面形态进行表征和分析,分析了其增韧机理。石墨烯材料除了可以改善环氧复合材料的力学性能和粘接性能,还可以用于改善环氧复合材料的电磁性能,赋予其吸波性能。本文通过化学接枝和化学共沉淀法在空心玻璃微球表面先后包覆一层还原氧化石墨烯和Fe3O4,制备出一种轻质吸波材料HGS@RGO@Fe3O4微球。通过外观形态、XRD、SEM和磁性吸引实验等手段证实了氧化石墨烯和Fe3O4包覆层的生成。对HGS@RGO@Fe3O4微球的磁性能的测试结果表明微球呈现出典型的软磁特性。利用矢量网络分析仪对HGS@RGO@Fe3O4/环氧树脂复合材料的电磁性能和电磁波吸收性能进行测试,结果表明HGS@RGO@Fe3O4可改善环氧树脂的介电性能,赋予环氧树脂一定的磁性能,所制得的复合材料具有较好的吸波能力,当HGS@RGO@Fe3O4微球复合材料厚度为5 mm时,材料的反射率曲线出现两个损耗峰,反射率低于-10 d B的有效吸波频段宽度为3.4 GHz,最低反射率为-17.8 d B。最后对其吸波机制进行了分析。

关键词： Ti/Al3Ti   界面   裂纹扩展   断裂韧性   增韧机理   数值仿真  

摘要： 随着科技的创新,航空航天、武器装备等领域对材料的要求越来越高,开发出兼具轻质、耐高温、强度高等优异性能的材料是众多领域材料研究人员都研究的热点。近年来,在贝壳结构的启发下研究人员研制出金属间化合物基层状复合材料,其中Ti/Al3Ti层状复合材料由于其低密度、高强度及耐冲击等性能在防护领域具有广阔的应用前景。本课题采用热压烧结技术制备Ti/Al3Ti层状复合材料。采用金相显微镜、电子显微镜、X射线衍射仪等,对材料的微结构进行表征并对组织成分进行分析。结果表明制备的Ti/Al3Ti层状复合材料组织均匀,结构致密。通过显微硬度仪测试材料硬度及其微观断裂韧性,结果显示界面处的断裂韧性值是Al3Ti基体的两倍多。通过显微镜观察微观裂纹,探讨界面对于裂纹扩展行为的影响,分析材料的增韧机理。采用Instron万能试验机研究Ti/Al3Ti在压缩和弯曲载荷下的力学性能和失效机理。为研究Ti层对于金属间化合物Al3Ti的增强效果,在相同实验条件下,对单相Al3Ti进行了三点弯曲试验。结果显示引入韧性Ti层后,金属间化合物Al3Ti的弯曲强度提高了1.74倍。在对材料界面特性实验研究的基础上,根据界面层物理特性,基于传统的强度失效理论,建立零厚度界面模型,弥补现有Ti/Al3Ti数值模型忽略界面而带来的计算误差。并利用LS-Dyna有限元仿真软件,建立了Ti/Al3Ti弹道冲击实验模型,模拟子弹冲击Ti/Al3Ti层状复合材料的过程,分析在冲击载荷的作用下Ti/Al3Ti层状复合材料界面失效对于材料失效形式的影响。

关键词： 中高速拉伸   DIC图像处理   数据处理   泡沫铝  

摘要： 泡沫金属中高应变率(0.02～100s;)的拉伸试验多由伺服液压控制的高速拉伸试验机来完成,然而,对伺服液压高速试验机进行数据处理时,存在两个问题使得测量结果不可靠:一是荷载较小,使得拉伸荷载信号与若干噪声信号量级相同,难以确定拉伸的起始点;二是夹具滑移等现象使得测量位移数值明显大于试件变形产生的真实位移。为了克服荷载和位移在测量方面的困难,本文结合高速摄像机测量及数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术,分析了泡沫铝拉伸行为,提出用DIC技术测量得到的加载端加速度峰值来确定材料破坏应变的观点,从而可以综合DIC技术获得的加速度数据和荷载数据,确定荷载的起始点,有效地得到泡沫金属拉伸应力应变关系以及弹性模量和破坏强度等参数。

关键词： 材料力学   四种基本变形   比较法  

摘要： 拉压、剪切、扭转和弯曲这四种基本变形既是材料力学的基石,又是学生学习时最容易混淆的内容。准确熟练掌握相关知识点,可为进一步学习材料力学甚至其他专业课奠定良好基础。本文通过详细比较四种基本变形之间的相同与不同之处,以帮助学生克服学习这部分知识时遇到的困难,激发学生的学习兴趣,提高教学质量。

关键词： 镁合金   复合材料   力学性能   阻尼性能   强化机制   阻尼机制  

摘要： 多内耗镁基阻尼复合材料具有高力学性能和高阻尼性能,同时兼具密度小、比强度高及散热性能好等优点,是近几年来镁合金领域的研究热点。多内耗镁基复合材料指的是在镁或者镁合金中添加陶瓷增强相或者中间化合物制备而成的金属复合材料,它能够将材料之间的优缺点进行互补,扩大了材料进一步的应用领域和使用范围。其中颗粒增强制备金属复合材料因其制备工艺简单、成本低,易于控制等特点而成为最受关注的制备方法。在陶瓷颗粒中,Si C颗粒具备高熔点、化学性质稳定并且与镁具有相同的晶体结构等特点,非常适合作为增强镁基复合材料的增强体。基于此,在本文中,分别选取含有长周期特殊结构相（LPSO相）和准晶相的Mg-Zn-Y合金为镁基体,Si C陶瓷颗粒为增强体,通过搅拌铸造制备多内耗镁基阻尼复合材料,通过OM、SEM、TEM、XRD及DMA等技术手段,研究合金中第二相和外加增强相对复合材料力学性能和阻尼性能的影响,分析讨论强化机制和阻尼机制。研究结果如下:（1）通过对Si C/Mg97Zn1Y2复合材料研究发现,随着Si C含量的增加,复合材料的力学性能呈现先上升后下降的趋势,当Si C颗粒添加量为0.5wt.%时,力学性能最优,抗压强度最高达到319MPa,较铸态合金增加了6.3%。通过断口分析可知,复合材料与基体合金一样均属于脆性断裂,并且裂纹源从试样边缘向内部扩展。对于复合材料阻尼性能而言,在应变振幅较低时,随着Si C含量的增加,复合材料的阻尼性能随之增大,Si C添加量为0.5wt.%表现出最好的阻尼性能;在应变振幅较高时,阻尼性能相差不大。（2）通过对Si C/Mg94Zn5Y1复合材料研究发现,Si C颗粒的加入对基体合金的显微组织以及准晶相影响不大,并且Si C颗粒分布较为均匀。复合材料的力学性能随着Si C含量的增加先升高后降低,抗压强度最高达到350MPa,较铸态合金增加了13.8%。对于该材料阻尼性能而言,在应变振幅较低时,Si C/Mg94Zn5Y1复合材料的阻尼性能随着Si C含量的增加变化不大,但是临界应变振幅值要比Mg94Zn5Y1合金要小,说明复合材料中的位错受弱钉扎点的影响越小,位错可动性较好,故而阻尼性能较好;在应变振幅较高时,复合材料的阻尼性能均高于铸态Mg94Zn5Y1合金,并且阻尼性能随着Si C含量的增加而降低。（3）通过对多孔Mg97Zn1Y2材料研究发现,孔隙率随着发泡剂Mg CO3含量的增加而增大。孔隙率增大,降低了多孔材料的致密度,降低了多孔Mg97Zn1Y2材料的力学性能,但复合材料的阻尼性能得到大幅度的提升;在应变振幅较低时,阻尼性能随着孔隙率的增大而增加。（4）通过对Si C/Mg97Zn1Y2、Si C/Mg94Zn5Y1和多孔Mg97Zn1Y2材料阻尼-应变振幅相关性研究发现,当复合材料处于滞弹性阶段时,利用G-L理论计算出了复合材料的1、2值,由此推出各复合材料中强弱钉扎点的数量。当复合材料处于微塑性变形阶段时,阻尼与应变振幅不再是线性关系,因此不能用G-L理论来解释,我们引入新的位错阻尼理论成功求解出位错滑移的激活体积大小,并解释了阻尼性能的影响因素。

关键词： 碳纳米管   复合材料   分散   力学性能   流变行为  

摘要： 聚碳酸酯(PC)由于其尺寸稳定性好、成型加工性能优良、耐候性以及良好的抗冲击性,可以用于制造各类复杂塑料组件。然而在薄壁微结构制品的生产中发现,其强度、性能等方面往往满足不了需求。碳纳米管(CNTs)由于其优异的力学性能、导电导热性能,在许多领域都有潜在的应用价值,尤其是作为填料改善聚合物性能,提高聚合物的应用范围。因此,由聚合物基体和CNTs组成的纳米复合材料有着广泛研究。CNTs的含量以及在聚合物基体的分散效果对产品的使用性能有很大影响。针对企业的实际需求,确定合适的制备方式以及研究碳纳米管对复合材料力学性能以及加工性能的影响十分必要。本文通过稀释母料方式制备了 CNTs含量为1wt%、2wt%、3wt%和5wt%的复合材料。将制备的复合材料进行注塑成型加工出测试所用的试样。通过扫描电镜观察复合材料试样拉伸和冲击实验后的试样断面形貌,分析CNTs在PC基体的分散情况。通过万能试验机和纳米压痕实验分析复合材料的力学性能,联系不同含量CNTs分散性与其对复合材料性能的改善,得到CNTs对复合材料的增强机理以及CNTs含量对复合材料力学性能的影响规律。采用旋转流变仪分析复合材料的流变行为,通过动态频率扫描研究复合材料的流变渗流信息和结构转变。稳态剪切性能的分析可以为碳纳米管复合材料在实际生产加工方面提供更有价值的信息。根据分析结果,选择适当CNTs含量的复合材料通过注塑成型加工出具有微结构特征的面板。研究结果表明:当CNTs含量低于2wt%时,在PC基体上分散性较好,并未出现明显团聚现象。CNTs可以提高复合材料的拉伸强度、弹性模量以及表面硬度。当CNTs含量为5wt%时,弹性模量可以提高近22.3%,拉伸强度可以提高13.2%左右,表面硬度提高了 11.6%。但是其变化趋势随着CNTs的提高逐渐变缓。CNTs含量大于1wt%时会降低PC的非结晶峰强度,提高结晶衍射强度。随着CNTs的不断提高,临界应变幅值减小,线性黏弹区的范围不断减小。CNTs含量增加和温度升高都会降低复合材料的交叉频率,提高复合材料的储能模量G'和损耗模量G"。随着CNTs的加入,低频处储能模量和损耗模量都显著增加,频率依赖性逐渐减弱。当CNTs含量大于2wt%时出现G'平台,这表明熔体由液态转变为固态或假固态。CNTs/PC复合材料在CNTs含量为2wt%时出现渗流阈值,升高温度可以降低渗流阈值。随CNTs含量的增加,复合材料阻尼因子tanδ逐渐降低,在低频时变化显著,曲线弧度也随CNTs含量增加逐渐变大。储能模量G'、损耗模量G"和复数黏度都随温度的升高呈先上升后下降的趋势。当温度为220℃时,曲线发生转折,且随着温度升高,不同CNTs含量之间的差值越大。CNTs/PC复合材料的复数黏度随着剪切速率的增大逐渐减小,呈现出典型的剪切变稀特征。剪切速率低于5 s-1时,复数黏度显著降低。当剪切速率大于10 s-1时,复数黏度对剪切速率的依赖性降低。随着剪切速率的增大,剪切应力呈先增大后较小的变化趋势。

关键词： 聚甲基丙烯酸甲酯   纳米二氧化硅   复合材料   力学性能   分子动力学  

摘要： 聚合物基纳米复合材料综合了聚合物与无机纳米粒子各自的优点,有着优良的力学性能、光学性能、热力学性能等特点,复合材料的功能化、定制化是现代材料科学的发展趋势和当今研究的热点内容。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是聚合物中应用范围最广的材料之一,有着优异的透光率,低密度等优点,但是其表面硬度不够、易划伤等缺点却也限制了它应用的广泛性。随着计算材料科学的不断发展,利用计算机进行分子动力学模拟成为了目前探索复合材料设计的主要方式。本文提出使用纳米二氧化硅粒子添加至PMMA中,来改善PMMA力学性能不良的缺点;并对纳米二氧化硅进行表面改性,增强与聚合物的相容性,以此进一步提高力学性能。使用分子动力学模拟的研究方法,将纳米二氧化硅粒子作为聚合物的增强体,对纯PMMA和PMMA/SiO2复合材料进行动力学模拟和力学性能仿真。研究内容包括以下四个方面:(1)根据PMMA的分子结构建立分子链模型,构造纯PMMA动力学仿真模型,使用NPT、NVT系综对晶胞进行分子动力学驰豫,然后进行了不同温度下的力学性能计算,得出不同温度条件下的弹性模量、泊松比、剪切模量、体模量和柯西压等力学参数,并对比已有实验数据和结果,有效验证了仿真方法的正确性与合理性。(2)根据二氧化硅的晶体类型,建立不同直径的球形纳米二氧化硅粒子模型,使用NPT、NVT系综进行动力学模拟,通过分析在特定时间内的均方位移来计算不同直径球形纳米二氧化硅粒子的扩散系数,并且研究不同温度下的扩散系数,使用阿伦尼乌斯理论进行分析,总结出扩散系数随温度和粒径的变化规律。(3)针对PMMA/SiO2和PMMA/改性SiO2两种复合材料,采用相同的方法进行了动力学模拟,对比改性前后复合材料晶胞的密度和边长,判断出聚合物和纳米粒子的结合程度。随后计算了不同温度下两种复合材料的力学性能,结果表明复合材料的力学性能相较于纯PMMA有较大幅度的提升。并且随着温度的升高,两种复合材料与纯PMMA的柯西压呈现了一样的变化趋势,阐明了随温度升高,上述材料的脆性下降、韧性上升。(4)采用实验方法,利用硅烷偶联剂KH-570对纳米二氧化硅粒子改性,并且制备了 PMMA/SiO2和PMMA/改性SiO2两种复合材料;对上述两种复合材料及纯PMMA进行力学拉伸实验。实验结果表明,对比纯PMMA,未改性的纳米粒子复合材料和改性后复合材料拉伸强度和断裂伸长率均有升高。

摘要： 我国经历了20年的高速公路基础设施建设期,随着大规模养护的陆续开展,精准、合理、高效的沥青路面材料力学行为评估及性能预测,成为提高路面服役耐久性和养护管理智能化的关键。沥青路面材料的多组分组成、多尺度特征及多物理场依赖性等导致其力学行为极为复杂,基于经验性试验的现象学方法是认识和评价路面材料的重要手段,但其低效性、高消耗性难以满足高性能沥青材料的设计需求。而近年来随着大容量计算和高效图像处理技术的发展,数值模拟与仿真逐步成为研究和认识路面材料力学行为的重要工具。