材料力学-文献订阅-三峡大学图书馆

吴涛

湘潭大学

摘要： 在风机叶片大型化、轻质化以及海洋化的发展趋势下，要求更高强度和刚度的叶片复合材料。具有优异性能的碳纳米管的发现为风机叶片复合材料的发展带来了新的契机。利用化学气相沉积法使碳纳米管原位生长在碳纤维上形成多尺度增强体，不仅能有效地改善碳纳米管在基体中的团聚缺陷，还由于碳纳米管的径向分布使多尺度复合材料的横向增强效果加强，并改善碳纤维与基体的界面粘结性能。本文采用均匀化理论，利用ANSYS/APDL语言编写计算程序，建立复合材料多尺度模型，运用二次均匀化方法，预测了碳纳米管/碳纤多尺度风机叶片复合材料的等效性能，为碳纳米管在叶片材料中的应用提供依据。首先建立了预测碳纳米管/碳纤多尺度风机叶片复合材料等效力学性能的二维模型。利用ANSYS/APDL语言编写计算程序，通过二次均匀化方法，预测了碳纳米管参数（生长长度、生长直径、弹性模量）、碳纤维参数（直径、弹性模量）和碳纤维不同排布（正方形排布、正三角形排布以及正方形对角排布）、基体特性（弹性模量、泊松比）及碳纳米管与基体界面层的特性（厚度、体积分数、弹性模量、泊松比）等对多尺度风机叶片复合材料等效性能的影响规律。结果表明，碳纳米管的原位生长提高了多尺度复合材料的等效性能；作为主要的承载体，合理的碳纤维尺寸与排布也能大大改善其等效性能；选择合适的基体能改善复合材料的等效性能；碳纳米管与基体界面层的存在对复合材料的等效性能影响不大。其次建立了预测波形碳纳米管/碳纤多尺度风机叶片复合材料等效力学性能的二维模型。预测了波形碳纳米管的参数（振幅、波长、生长直径、体积分数）对多尺度风机叶片复合材料等效性能的影响规律。结果表明，波形碳纳米管对多尺度风机叶片复合材料的等效性能有一定影响。本文研究为多尺度复合材料在风机叶片中的应用提供一定的指导作用。

Effect of Aerogel Particle Concentration on Mechanical Behavior of Impregnated RTV 655 Compound Material for Aerospace Applications

Sabri, Firouzeh Marchetta, Jeffrey G. Faysal, K. M. Rifat Brock, Andrew Roan, Esra

Univ Memphis Dept Phys Memphis TN 38152 USAUniv Memphis Dept Mech Engn Memphis TN 38152 USA

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关键词： AEROGELS PARTICLE concentration (Atmospheric chemistry) TEMPERATURE ATMOSPHERIC chemistry COLLOIDS

摘要： Aerogels are a unique class of materials with superior thermal and mechanical properties particularly suitable for insulating and cryogenic storage applications. It is possible to overcome geometrical restrictions imposed by the rigidity of monolithic polyurea cross-linked silica aerogels by encapsulating micrometer-sized particles in a chemically resistant thermally insulating elastomeric "sleeve." The ultimate limiting factor for the compound material's performance is the effect of aerogel particles on the mechanical behavior of the compound material which needs to be fully characterized. The effect of size and concentration of aerogel microparticles on the tensile behavior of aerogel impregnated RTV655 samples was explored both at room temperature and at 77 K. Aerogel microparticles were created using a step-pulse pulverizing technique resulting in particle diameters between 425 mu m and 90 mu m and subsequently embedded in an RTV 655 elastomeric matrix. Aerogel particle concentrations of 25, 50, and 75 wt% were subjected to tensile tests and behavior of the compound material was investigated. Room temperature and cryogenic temperature studies revealed a compound material with rupture load values dependent on (1) microparticle size and (2) microparticle concentration. Results presented show how the stress elongation behavior depends on each parameter.

低碳MgO-C耐火材料基质显微结构的演化及其对材料力学性能的影响

魏国平

武汉科技大学

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关键词： 低碳 MgO-C耐火材料基质次生碳显微结构演化力学性能

摘要： 随着低碳钢和超低碳钢冶炼新技术的引入以及对节能降耗的新要求，传统的MgO-C耐火材料必然向低碳、超低碳化方向发展。但碳含量降低后，MgO-C耐火材料的热震稳定性会急剧下降。MgO-C耐火材料的结合剂一般为酚醛树脂，其经高温炭化后所形成的次生碳为各向同性的玻璃状结构，该结构呈脆性，经高温处理也难以石墨化，所以，对材料的高温强度和热震稳定性不利。针对上述问题，本论文从次生碳结构优化研究的角度出发，借助于X射线衍射分析、扫描电子显微分析、透射电子显微分析和能谱分析等分析技术，系统地研究了热处理温度、催化剂的种类、催化剂的掺杂量、保温时间、炭化气氛和升温速率等工艺因素对过渡金属催化剂掺杂酚醛树脂热解炭结构的影响，分析了各工艺因素对热解炭中原位碳纳米管生长的影响机理；阐明了影响低碳MgO-C耐火材料基质中原位碳纳米管生长动力学的关键因素，建立了高温下次生碳中碳纳米管的生长模型；探索了基质相与原位碳纳米管的反应程度和影响反应的因素，并且阐明了基质相与原位碳纳米管的界面反应机理；研究了次生碳结构对材料热震稳定性的影响机理，揭示了其与低碳MgO-C耐火材料热震稳定性的相关性。主要研究结果如下： (1) Fe，Co，Ni催化剂在酚醛树脂中的催化活性依次为Ni>Co>Fe，其中Ni元素掺杂酚醛树脂经1000℃炭化后的热解炭中可形成大量具有较高长径比的碳纳米管，碳纳米管的直径为50-100nm，长度可达几十个微米；对Fe催化剂进行机械活化或在Fe催化剂中引入第二元素Ni均可提高Fe催化剂的催化活性，其中采用机械活化法制备的Fe纳米片掺杂酚醛树脂经1000℃炭化后的热解炭中可形成大量具有较高石墨化度的碳纳米管；热解炭中石墨化碳的形成显著地提高了热解炭的抗氧化性，热解炭的氧化峰值温度提高了约80℃。 (2)掺杂酚醛树脂中的催化剂以金属单质的形式参与气相沉积反应，碳氢气体裂解产生的碳原子在金属催化剂中通过溶解-扩散-沉淀机制生成碳纳米管，碳纳米管的生长符合顶部生长模型；在Fe催化剂作用下，热处理温度对碳纳米管形貌有显著地影响，随着热处理温度的升高，碳纳米管的直径显著增加，碳纳米管的长径比和产量逐渐下降。不同热处理温度下碳纳米管的生长机理分析表明：当热处理温度低于1200℃时，碳纳米管遵循气-固(V-S)生长机理，热处理温度高于1200℃时，其遵循气-液-固(V-L-S)生长机理。 (3)在1000℃的埋炭条件下，金属Al主要以Al(g)的形式与原位碳纳米管的表面发生反应生成碳化铝，且Al(g)与原位碳纳米管的反应具有选择性，其仅与结晶度较差的碳纳米管表面通过V-S反应机理发生反应，反应程度与反应体系中Al(g)的分压密切相关，随着Al(g)分压的增加，Al(g)与原位碳纳米管的界面反应更加剧烈，反应生成碳化铝的量显著增加；经1400℃热处理后，Al(g)与原位碳纳米管反应生成的碳化铝逐渐转化为刚玉，并包覆在碳纳米管的表面。 (4)低碳MgO-C耐火材料基质气孔中碳氢气体分压显著地影响原位碳纳米管的形成，在催化剂作用下，材料中碳氢气体分压较高时，碳氢气体沉积为碳纳米管，而碳氢气体分压较低时，碳氢气体沉积为碳微球；材料中引入适量的酚醛树脂粉或金属Al粉可增加基质气孔中碳氢气体分压，有利于原位碳纳米管的形成。 (5)在无催化剂作用下，MgO-C耐火材料经1000-1400℃热处理后，在基质中原位生成八面体状的镁铝尖晶石；添加纳米Ni催化剂后，在1200℃下，纳米Ni催化剂能够促进MgO与C之间的反应，使系统中产生一定含量的Mg(g)。Mg(g)与Al(g)，CO(g)以纳米Ni催化剂为成核点，通过溶解-扩散-析出机制生长为MgAl2O4晶须，随着热处理温度升高，MgAl2O4晶须产量增加，MgAl2O4晶须的生长过程符合V-L-S生长机理。 (6) Fe纳米片改性酚醛树脂结合的低碳MgO-C耐火材料试样经1000℃埋炭热处理后，在材料内部可原位形成大量结晶较好的碳纳米管，碳纳米管的直径为50-100nm，长度约为几个微米。原位碳纳米管的形成可在材料基质中产生晶须桥接和微裂纹偏转机制，抑制微裂纹的扩展，显著地提高了材料经1000-1400℃热处理后的力学性能和热震稳定性能。 (7)原位碳纳米管的平均直径和平均长径比与低碳MgO-C耐火材料热震稳定性能之间具有明确的相关性：随着碳纳米管平均直径的减小或平均长径比的增加，材料的热震稳定性逐渐增加；碳纳米管的不同直径分布区间和不同长径比分布区间与热震稳定性的灰色关联分析表明：直径小于80nm或长径比大于35的碳纳米管与热震稳定性能的关联度最大。

从案例探讨到项目实施——浅议材料力学课程教学方法

李梅

绍兴文理学院工学院

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导电夹杂填充高聚物材料力学-电学关联关系研究

张明华

宁波大学

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关键词： 导电高聚物复合材料界面强度模型压阻效应应变率效应损伤

摘要： 研究导电高聚物复合材料的力学与电学性能的关联关系，能更深入了解材料的导电机理以及载荷作用下的导电性能的变化规律，为导电高分子的应用提供合理、可靠的依据。本论文开展了如下的研究工作：首先，为研究复合材料在载荷作用下变形过程中由于导电短纤维与高聚物基体脱粘而产生的损伤对电学性能的影响，以及由于载荷作用而导致填料间距缩小引起电学性能变化的机理，本文采用细观力学的方法，从能量守恒原理出发，根据Eshelby等效夹杂理论，研究了基于内聚力模型线性粘弹性基体材料内单根纤维以及单个球形粒子在横向载荷作用下的界面强度模型，导出了界面脱粘临界应力，即界面强度的表达式。其次，对不锈钢短纤维/碳纳米管/聚酰胺(SSFs/CNTs/PA6)导电复合材料体系载荷作用下导电性能的变化开展了实验研究。由于高聚物的粘性效应，使得其具有明显的率敏感特性。该率敏感性将明显影响材料的导电性能。本文探索了应变率对材料压阻性能的影响规律，并建议了一个应变率耦合的SSF/CNTs/PA6复合材料体系的应变－电阻效应的理论模型。研究结果表明，载荷作用下复合材料电阻率变化由两种竞争机制所决定。一种机制是：在载荷作用下引起导电填料之间间隙宽度的减小从而引起电阻率减小；另一种机制是：由材料内部的微损伤演化而引起势垒高度增加而导致电阻率增大。第三，本论文实验研究了导电短纤维含量对导电性的影响，不锈钢短纤维含量为0%、2%、4%、6%、8%、10%和12%，碳纳米管含量为0%、1%、3%和5%，研究结果表明高聚物导电率与填料含量呈三阶段变化特征，确定了所研究导电高聚物的渗滤阈值。第四，研究了该体系导电高聚物热学性能。通过动态力学分析(DMA)研究了不同纤维质量分数复合材料的储能模量和损耗因子随温度的变化，讨论了材料粘性对实验结果的影响，采用热重分析(TGA)方法研究了复合材料体系的热分解过程。为研究材料的结晶过程并分析导电填料对结晶度、熔化和结晶温度的影响，进行了差示扫描量热计(DSC)分析。第五，研究了SSFs/CNTs/PA6体系的介电性能。材料体系在外电场作用下会发生极化，而极化率与频率有关。因此，研究了介电常数和介电损耗随电场频率变化的特性，讨论了填料含量对介电常数和介电损耗的影响。最后，对全文的工作及其意义进行了总结。对研究的创新点进行了归纳，对未来需要进一步开展的研究进行了展望。

材料力学解题指导 1

马红艳

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