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关键词： 碳纳米管   分散性   水泥基复合材料   力学性能   作用机理  

摘要： 碳纳米管是一种纳米级纤维,根据碳原子层数的不同分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)两种。1991年日本电镜学家IijimaS在制备C60的过程中发现了单壁碳纳米管,两年之后Iijima又成功制备了多壁碳纳米管,其研究和发现在世界范围内掀起了研究热潮。目前,针对碳纳米管改善复合材料各方面性能的研究己成为一个热点,碳纳米管的各项性能优于传统纤维材料,大量研究表明,其超强的力学性能可以很大程度地提高水泥基复合材料的力学性能；优异的电学和光电特性可以提高聚合物材料的电导率以及制备新型光电聚合物复合材料；其独特的结构可以用来制备金属或金属氧化物填充的一维纳米复合材料。 水泥混凝土是目前世界上应用量最大的建筑材料,它具有成本低,原料丰富,造价低廉,施工方便,工艺简单,可按需成型等优点。然而,普通水泥混凝土同样具有自重大,抗拉、抗折强度低,脆性大,抗裂性差等缺点,为了克服这些问题,目前普遍采用的方法是纤维复合水泥基材料,这种方法克服了普通混凝土材料高脆、低韧的缺点。因此具有高强度、高弹性模量、高耐久性的新型纳米级纤维碳纳米管已经成为当前迫切需要的增强增韧材料。 然而,碳纳米管具有极大的长径比,而且管间存在强的van der Waals吸引力,其一般呈束状缠绕及团聚状态,几乎不溶于水及有机溶剂。对于复合材料而言,添加相在基体中的分散均匀性是影响材料性能的一个相当重要的指标,分散越均匀,作用越明显,材料的整体性能越好。因此如何提高碳纳米管的分散性能,消除其团聚,成为制备碳纳米管复合材料的前提条件。针对碳纳米管的分散性问题,本文做了如下研究： (1)以阿拉伯胶(GA)、曲拉通(Tx100)、十六烷基三甲基溴化铵(TB)、十二烷基磺酸钠(SDS)4种表面活性剂(SAA)为MWCNTs的分散剂,采用SAA超声分散法及酸处理法制备了11种分散液。结合静置离心法研究了不同种类SAA单掺的分散效果,结果表明：单掺GA对MWCNTs分散效果最好,离心170min后才开始分层。采用紫外分光光谱吸光度法评价了不同种类SAA复掺及SAA掺量变化对MWCNTs分散性能的影响,测试结果表明：复掺Tx100与GA效果最好；当GA掺量为0.45g/L时效果最好；比较二者分散效果后知：GA掺量为0.45g/L的悬浮液分散效果最佳。采用傅里叶红外光谱(FTIR)检测混酸氧化后MWCNTs表而的基团,分析可知：经混酸处理后,MWCNTs表面成功引入了羟基和羧基等官能团。 (2)为了探讨MWCNTs在水性体系中的分散性及分散机理,以阿拉伯胶为分散剂,采用SAA超声处理法对MWCNTs进行表面修饰,制备了分散性能良好的MWCNTs悬浮液。采用紫外分光光谱吸光度法(UV-vis)定量分析及TEM测试表征了GA对MWCNTs分散性能的影响,结果表明：当GA浓度为0.45g/L时,悬浮液中MWCNTs浓度达到最大值,为初始浓度的90.67%；且悬浮液相当稳定,静置80h,MWCNTs浓度仅降低11.45%。通过测定等温吸附曲线对GA的吸附分散机理进行了分析和讨论,结果表明：GA在MWCNTs表面为典型的“SL”型两阶段吸附,当GA浓度为0.45g/L时,在MWCNTs表面达到吸附饱和状态。GA能够通过其分子长链的包覆作用改善MWCNTs的亲水性和分散性。 在以上分散性研究的基础上,本文以GA为分散剂,制备了分散性能良好的碳纳米管悬浮液及碳纳米管水泥基复合材料,系统深入研究了碳纳米管水泥基复合材料的力学性能,具体工作及研究成果如下： (1)水泥净浆试件的力学强度随碳纳米管掺量的增加呈现先增大后逐渐减小的趋势,随龄期的变化呈现逐渐增大的趋势；随水灰比的变化,净浆试件的力学强度先增大后减小,且掺加碳纳米管的净浆试件的力学强度均高于空白试件；在养护龄期为28天时,水灰比为0.35,MWCNTs掺量为0.08wt.%的水泥净浆试件的抗折强度提高43.6%,并达到最大值15.8MPa,当MWCNTs掺量为0.10wt.%时,水泥净浆试件的抗压强度达到最大值84.5MPa,与空白试件相比提高了9.2%。 (2)碳纳米管的掺入提高了水泥砂浆试件的抗压强度和抗折强度。当MWCNTs掺量为水泥重量的0.1wt.%时,试件的抗压强度达到最大值89.4MPa,与空白试件相比提高21.6%;当MWCNTs掺量为0.08wt.%时,试件的抗折强度提高38.5%：当MWCNTs的掺量达到最大值0.15wt.%时,试件的抗压强度和抗折强度都没有随之增加反而呈现略微降低的趋势；其力学强度随养护龄期的增加而增大。 (3)采用三点弯曲试验法,用高精度MTS318电液伺服万能试验机对碳纳米管水泥基复合材料的弯曲韧性进行了测试分析。结果表明,掺加碳纳米管后

关键词： 水泥砂浆   可再分散乳胶粉   矿物掺合料   力学性能  

摘要： 目前我国许多钢筋混凝土建筑物常因设计不合理、施工操作不当等人为因素，以及雨水侵蚀、冰冻灾害等自然因素，产生了结构破损等安全隐患[1]。这些建筑物重建不仅耗资大，而且还将导致因建筑物停用造成生活和生产等方面的巨大经济损失。因此，对现有钢筋混凝土建筑物的维修非常迫切，在此基础上开始了修补砂浆的研究。 本文主要对钢筋混凝土结构修补砂浆的力学性能进行了研究。首先通过对修补砂浆中不同胶凝体系性能进行研究，确定了胶凝材料的基准配比，使用可再分散乳胶粉和甲基纤维素作为改性添加剂，选用膨胀剂、聚丙烯纤维抑制砂浆整体收缩，选用粉煤灰、硅灰两种不同矿物外加剂进行单掺和混掺实验，以期得到最佳掺量和配比。 试验研究了改性添加剂（可再分散乳胶粉、纤维素醚）的掺加对砂浆力学性能的影响。单掺可再分散乳胶粉能够明显提高砂浆的和易性和力学性，并且随着其掺量的增加，砂浆试样中水泥石颗粒间的粘结性也得到改善，三种胶粉中以瓦克胶粉对水泥砂浆的影响效果最优；单掺纤维素醚掺量能够改善砂浆的保水性和工作性，并提高其柔韧性，但随着掺量的增加，抗压强度下降明显，抗折和拉伸粘结强度也有小幅下降。胶粉与纤维素醚同掺时，砂浆试样各性能均较单掺胶粉或纤维素醚有一定提高，其中以砂浆密实度、耐磨性、抗冲击性等耐久性指标改善最明显。 探讨了聚丙烯纤维和膨胀剂的掺加对砂浆收缩性能和力学性能的影响。掺入聚丙烯纤维的砂浆试样具有较好的保水性，随着聚丙烯纤维掺量的增加，砂浆试样的收缩率逐渐下降，抗折强度明显增大，但对抗压强度无明显影响，然而当聚丙烯纤维掺量进一步增加时，粘结强度提高的效果反而不明显；随着膨胀剂掺量的增加，砂浆收缩率逐渐降低，砂浆的抗压、抗折、粘结强度亦随着其掺量的增加而下降。掺膨胀剂的砂浆，通过良好的湿养护可以使砂浆干缩推迟，但是对砂浆总的干缩率影响不大。随膨胀剂掺量的增加砂浆粘结强度变化较平缓。未加入纤维素醚的砂浆保水率较差，水分很容易蒸发和水化反应消耗掉，膨胀剂的作用发挥受到限制，粘结抗拉强度没有大幅度提高，而在砂浆中掺入纤维素醚可有效提高砂浆保水性，膨胀剂的作用发挥较为充分。 分析了减水剂对砂浆试样性能的影响。添加减水剂可以提高砂浆流动度，有效改善其工作性能，并在一定程度上提高了粘结强度，但减水剂的掺加会降低其抗压强度。 分别研究了粉煤灰和硅灰对砂浆性能的影响。掺加粉煤灰后的砂浆流动度得到较大幅度提高，且随着掺量的增加，砂浆流动度逐渐增大，砂浆抗剪切强度也明显增加，但粉煤灰掺量的增加也使砂浆抗压强度、抗折强度逐渐减小，砂浆粘结强度明显降低；随着硅灰掺量的增加，水泥砂浆的流动度明显降低。砂浆的抗折强度、抗压强度得到较大幅度的提高，尤其是早期强度的提高非常显著。 通过扫描电子显微镜对砂浆微观结构的分析可知，掺加外加剂既可使水泥水化早期微小晶体大量生长并填充孔隙、气孔细化且分布更加合理，又可使水泥浆体的后期水化更充分、水化产物结构更紧密、后期强度更高，为理论分析提供了依据。

关键词： 纤维增强水泥基复合材料   PVA纤维   爆炸荷载   动力响应特性基金项目   西安市科学计划项目  

摘要： 与普通水泥基复合材料相比，纤维增强水泥基复合材料作为一种新型水泥基材料，具有高韧性、抗冲击性强等优点。其中，高性能的纤维材料能够有效地优化复合材料的受力特性，改善水泥基材料的力学性能，尤其是抗拉性能和变形性能。纤维增强水泥基复合材料构件在爆炸冲击荷载作用下的受力性能的研究还未达到广泛的共识，本文所做的工作是利用正交试验设计方法对PVA纤维增强水泥基复合材料的基本性能和运用ANSYS/LS-DYNA程序进行关于配筋PVA纤维增强水泥基复合材料板在爆炸冲击荷载作用下的动力特性研究。 本文首先对国内外纤维增强水泥基复合材料研究现状和爆炸荷载作用下结构构件的动力特性研究历程进行综述；其次，通过对纤维增强水泥基复合材料的试验研究和现有资料的整理分析，给出材料最佳配合比和基本参数，为下一步的数值模拟提供数据支持；再次，配筋PVA纤维增强水泥基复合材料板在爆炸荷载作用下的数值模拟方法进行确定，并对爆炸荷载进行了确定和简化；最后，根据数值模拟结果，本文对配筋PVA纤维增强水泥基复合材料板的位移、速度时程曲线和等效应力进行了分析，并且考虑了板厚、爆炸荷载峰值与作用时间、比例距离和约束条件等因素对配筋复合材料板动力响应特性的影响。 本文利用正交试验设计方法，重点分析影响纤维增强水泥基复合材料物理力学性能的四个因素。在试验数据的基础上，本文得到了以下结论：（1）纤维增强水泥基复合材料的密度与纤维体积掺量之间的关系为ρ=2.1e0.1344x；（2）在试块进行抗压试验时，试块并没有出现锥体破坏，仅在表面出现了破坏裂缝，试块在峰值荷载时依然能保持较好的完整性。（3）在本文的试验材料的选择和试验条件的范围内，复合材料立方体抗压强度（fcu）与棱柱体抗压强度（fc）之间的比值fcu/fc为0.93～0.98；（4）纤维增强水泥基复合材料的抗折强度（f）与纤维掺量（x）之间的关系为f=2.84x311.91x2+13.94x+5.363；（5）纤维增强水泥基复合材料的折压比为0.19～0.26；（6）与普通混凝土相比，纤维增强水泥基复合材料的弹性模量偏低，其棱柱体试件主要产生斜向剪切破坏。 通过对配筋PVA纤维增强水泥基复合材料板在爆炸冲击荷载作用下的动力响应特性进行重点分析，得出以下几点结论。（1）增加板厚，是减少配筋PVA纤维增强水泥基复合材料板抵抗爆炸冲击荷载下跨中挠度的有效措施。板厚在100mm200mm之间增加50mm，跨中挠度减小幅度为60%左右；（2）影响配筋复合材料板动力特性的因素不仅是爆炸荷载的峰值大小，还与爆炸荷载的持续时间有关系；（3）比例距离越大，复合材料板Z方向位移越小。爆炸荷载的作用效应随比例距离的增加呈减小趋势；（4）在相同的爆炸荷载作用下，配筋复合材料板的边界约束条件发生改变时，板内位移峰值的大小和位置均发生了变化，其位移峰值最大的位置会朝着约束减弱的方向移动。

关键词： 材料力学   教学改革   数字化教学  

摘要： 为了培养应用型本科生,在讲授材料力学课程中应压缩理论推导,重视实际应用以及CAE数字化解题于课堂教学中,在此过程中,应在培养学生基本知识的基础上,使学生加深教学基础内容,学生通过亲自运用数字化解题操作,能够增进学生灵活运用所学知识,提高学生解决实际问题的能力。

关键词： 环氧树脂   玻璃纤维   力学性能   湿态处理   断口分析  

摘要： 环氧/玻纤复合材料由于比强度高、可设计性好、质量轻、抗疲劳性强、耐化学腐蚀、制造成本低等优点,在飞机舱内地板、壁板、隔板、天花板、行李舱、货舱内衬等部件方面得到广泛的应用。但是环氧/玻纤复合材料在使用过程中不可避免地会受到各种复杂气候的影响,因此,开展温度以及温度和湿度相互作用对其力学性能影响规律的研究,对飞机的飞行安全以及新型材料飞机内饰材料的研究具有重大意义。本文主要研究了牌号为Repreg-7020和Repreg-7030两种环氧/玻纤复合材料不同温度下的拉伸、压缩、弯曲、层间剪切、纵横剪切力学性能,得出了如下主要结果：Repreg-7020和Repreg-7030的干湿态拉伸、压缩、弯曲、层间剪切、纵横剪切强度随温度的升高而降低。干态两种材料的拉伸模量和弯曲模量随温度的升高而降低,而压缩模量随温度的升高先增大后减小,在室温时模量最大。两种材料的纵横剪切模量随温度的升高先降低后升高,在71℃模量最小。Repreg-7020和Repreg-7030经湿态处理后,各种力学性能指标均有不同程度下降,并随着温度的升高降低幅度呈增大趋势。相同试验温度下的Repreg-7020拉伸、压缩、纵横剪切强度和模量均高于Repreg-7030; Repreg-7020干态弯曲强度和模量大于Repreg-7030,而两者湿态弯曲强度和模量,在室温Repreg-7020比Repreg-7030大的多,但在71℃和93℃时,两种材料的弯曲强度和模量相差很小；两种材料的层间剪切强度随着温度的升高两种材料的强度相差越来越小,在93℃时几乎相等。拉伸、压缩SEM断口分析表明：低温时树脂与玻纤结合紧密,纤维是以纤维束形式拔出,随着温度的升高以及湿态处理后,拔出纤维表面粘附少量树脂,拉伸断面出现单根纤维拔出孔洞。弯曲、层间剪切、纵横剪切试样断裂宏观形貌分析表明：低温时弯曲破坏发生在试样下表面处,层间剪切破坏发生在试样中间位置,纵横剪切断口较平整,纤维拔出较短,随着温度的升高,弯曲和层间剪切破坏在试样的整个横截面上发生,纵横剪切破坏时发生了明显的颈缩、分层现象,拔出纤维长度明显增加。

关键词： 级配碎石   振动试验方法（VTM）   颗粒流模拟试验方法（PSTM）   力学特性   强嵌挤骨架密实级配   永久变形预测模型   抗剪强度结构系数   回弹模量   设计标准   设计方法   沥青路面   基层  

摘要： 级配碎石柔性基层具有良好的应力分散能力，能够有效地减缓沥青路面裂缝的产生，还有很好的经济性，作为底基层材料在我国应用较广泛，但作为高等级公路基层应用较少，阻碍其推广应用的主要问题为：现行规范采用的级配碎石材料设计的试验方法已落后于生产实际；力学特性室内试验研究方法，难以从细观机制上揭示级配碎石材料非线性的力学性状与破坏机理；级配范围过于宽泛不利于质量控制，无具体的级配碎石材料组成设计方法；设计模量是依据静态模量试验方法测定，与路面实际受力状态不一致，缺乏客观性；材料设计指标不完善且标准偏低，以致无法真实反映级配碎石材料力学特性本质，难以有效地指导材料组成设计和施工。鉴于此，本文展开级配碎石材料力学特性与设计方法研究，具有重要的现实意义。 首先，通过对垂直振动仪（VVTM）振动参数和振动时间进行优化，提出了能最大程度模拟现场实际碾压工况的级配碎石振动试验方法（VTM），并通过现场实际碾压效果对其可靠性进行了验证；基于VTM进行了级配碎石材料组成设计和力学特性研究，探讨了级配碎石组成结构与力学特性的本质规律，归纳了各强度指标间的关系。 其次，以模拟力学特性试验过程为基础，通过反复调试微参数，提出了级配碎石力学特性颗粒流模拟试验方法（PSTM），解决了连续介质力学理论必须面临本构方程的困难，弥补了室内试验的不足，并基于PSTM进行力学特性细观机制和材料组成设计的模拟研究，进而对VTM设计级配进行了验证，最终提出了强嵌挤骨架密实级配。 基于VTM和PSTM，通过级配碎石动态模量试验研究，建立了级配碎石回弹模量预测模型，并结合级配碎石结构层的实际应力水平，提出了级配碎石设计模量推荐值；以累积变形试验为基础，开展了永久变形累积规律和永久变形破坏标准研究，确定了临界破坏应力水平，结合永久变形累积破坏模拟试验研究，建立了永久变形累积破坏预测模型，进而提出了不同路面结构类型、交通等级的级配碎石抗剪强度结构系数KJ推荐值，为剪应力指标的建立和设计标准的制定提供了依据。 以控制剪切破坏为原则，以级配碎石基层力学响应、强度指标之间的关系及抗剪强度系数为基础，提出了以CBR为设计指标、RC为检验指标的级配碎石设计标准，并结合级配优化和原材料技术指标研究结论，提出了完善的级配碎石材料设计方法，并通过实体工程应用对其性能进行了验证。工程应用表明：该方法设计的级配碎石材料增强了级配碎石基层的承载力和抗变形能力，极大地解决了级配碎石剪切破坏问题，具有明显的经济效益和环境效益，为级配碎石推广应用提供了依据。

关键词： 烃类火升温速率   纤维素火升温速率   自然冷却   水喷淋冷却   Q235力学性能  

摘要： 随着我国经济的发展,社会对石化产品的需求量日益增长。在此前提下,石化企业应对火灾灾害,需要提高的不仅仅是钢结构的抗火能力,更需要提高发生火灾后尽快恢复生产的能力。但是我国现阶段钢结构抗火性能研究存在“重抗火,轻修复”的情况,且大量的研究集中在灾中阶段,即主要研究了火灾中钢结构构件/材料的性能变化,而对于火灾后钢结构构件/材料的性能变化缺少相应的研究。 本课题组前期开发设计了一套相对完整的火灾试验装置,该装置采用液化石油气为燃料,可模拟多种火灾升温过程。在此基础上,本文进行了后期开发和完善,真实的模拟了烃类火升温过程和标准火升温过程。通过使用该设备,本文进行了Q235试件在经历石化企业烃类火火灾并冷却后的力学性能变化试验,完善了目前普遍采用的电阻升温试验中无法准确模拟火灾温度荷载的不足。 本文共使用204块试件,分别进行了烃类火火灾自然冷却试验、纤维素火火灾自然冷却试验；烃类火火灾水喷淋冷却试验、纤维素火火灾水喷淋冷却试验,研究了Q235材料在试验前后的力学性能变化。 试验结果表明,不同的火灾(烃类火火灾和纤维素火火灾)对Q235材料的力学性能的影响有较明显的不同；不同的冷却方式对Q235材料的力学性能的影响明显不同。 本文工作对深入研究石油化工企业钢结构材料抗火性能,石化企业火灾后鉴定评估以及石化企业钢结构建筑火灾后的修复使用提供了基础数据。

ISBN: (纸本)9787301211168

关键词： 硬涂层   各向异性   纳米压痕   力学特性参数   振动特性   减振有效性  

摘要： 硬涂层材料通常采用等离子喷涂、气象沉积等制备方法涂敷在基体上,与基体构成涂层-基体复合结构。涂层-基体复合结构的材料力学性能参数与单一涂层材料或基体材料明显不同。由于硬涂层材料的厚度相对基体而言尺度很小,并且硬涂层材料的与基体之间存在弹性差异,其材料力学参数测试及辨识极易受到基体的影响。此外,研究表明,硬涂层的力学特性通常表现为各向异性,这些因素均为硬涂层各向异性材料参数辨识带来了困难。传统的测试方法无法满足硬涂层各向异性材料力学特性参数辨识的需要。本文分别建立了考虑压痕基体效应的硬涂层各向同性力学特性参数辨识方法和硬涂层横观各向同性力学特性参数辨识方法；将辨识结果应用于硬涂层-基体复合结构的振动特性分析中,采用实验测试与数值计算相对照的方式,验证和确认了适用于振动分析的、更合理的硬涂层材料力学特性参数；进一步开展了硬涂层-基体复合材料结构的振动响应分析,对硬涂层减振性能进行了对比分析。具体内容主要包括以下几个方向：(1)将NiCrAlY涂层视为各向同性弹性体,针对基体效应对纳米压痕实验辨识硬涂层力学特性参数结果的影响,采用有限元模拟分析了最大加载力、加载曲线指数与涂层材料的力学特性参数、压痕深度等的关系,结合纳米压痕实验结果,求解得到了NiCrAlY材料的各向同性力学特性参数。(2)以各向异性弹性本构关系为基础,将NiCrAlY涂层视为横观各向同性弹性体,通过有限元模拟建立了压痕最大加载力、加载曲线指数与涂层力学特性参数和压痕深度之间的无量纲方程,结合纳米压痕实验,对无量纲方程进行了求解,获得了NiCrAlY涂层的横观各向同性材料参数。(3)考虑NiCrAlY涂层的各向异性,建立了硬涂层-薄板复合结构的有限元模型,对其固有特性和振动响应进行计算,同时开展振动测试,获得硬涂层-薄板复合结构的固有频率、模态阻尼比和共振响应。对比有限元计算与实验测试的结果,验证了辨识得到力学特性参数的正确性,以及用于预估共振响应的可靠性。(4)在提出了减振效果综合评价指标的基础上,基于有限元计算方法,对涂敷NiCrAlY涂层的悬臂钛板进行了研究,从固有频率、振动位移和应力、振动疲劳寿命等方面对其减振效果进行评价。本文辨识得到的硬涂层材料力学特性参数,对于建立合理的的硬涂层-基体复合结构动力学模型、进行硬涂层振动抑制的有效性评价等具有重要意义,同时,也为进一步实施硬涂层减振的优化设计奠定了基础。

关键词： 泡沫材料   有限元方法   随机模型   相对弹性性能   断裂韧性  

摘要： 泡沫材料，指内部为充满空间的一系列由固体支柱或平板组成多面体形状的胞体的材料，属于典型的多孔材料。泡沫材料一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点，因此在工业上有广泛的应用前景。但独特的多孔结构在带给泡沫材料优异性能的同时，也带来了材料性能难以预测，无法完全掌握的难题。所以对泡沫材料的力学性能的研究显得越发重要。论文中主要利用数学软件完成随机泡沫的模型建立工作，形成一套简单、可重复执行的自动化建模流程，并进一步用有限元方法完成对开孔及闭孔泡沫的弹性性能与断裂韧性研究。通过研究发现，随机泡沫模型的弹性性能将随着模型尺度的增大而收敛;模型的随机程度用随机系数评估，随机系数0.5以上的模型结果基本收敛;闭孔泡沫的相对弹性模量与相对密度接近线性，而开孔泡沫的相对弹性模量则接近相对密度的平方，两种模型的泊松比与相对密度都近似线性关系。关于断裂韧性结果，闭孔泡沫的I、II型断裂韧性均大于开孔泡沫，但两种模型的断裂韧性小于同参数条件的十四面体模型。 论文的主要研究目的在于探讨用随机模型模拟泡沫材料的可行性，将合理的模拟结果作为后续研究工作的基础，为泡沫材料的性能预测、实验工作的提前评估简化工作量。