利用模型预测和优化多相各向异性TiB_2增强钢复合材料的力学性能

基于Mori-Tanaka均匀化方法及Eshelby等效夹杂理论建立了解析计算模型,用以预测多相各向异性TiB_2增强钢复合材料的力学性能,并系统研究了增强体的长径比、体积分数和取向对复合材料横向和纵向弹性模量的影响。结果表明:建立的模型可以准确预测多种不同金属基复合材料的弹性模量;大的长径比可以显著提高TiB_2增强钢复合材料的纵向弹性模量,且只造成横向弹性模量少量损失;增强相体积分数与弹性模量呈正相关;纵向弹性模量随着增强体排列方向与载荷方向之间夹角的增大而先增大后减小。     

短纤维增强橡胶基密封复合材料纵向拉伸模量的研究

依据混合律,建立短纤维增强橡胶基密封复合材料纵向拉伸模量的理论预测模型,研究材料纵向拉伸模量随纤维长径比、体积含量以及温度变化的规律。结果表明:理论模型预测的纵向拉伸模量与试验结果较为一致;材料纵向拉伸模量与材料的诸多组分力学性能参数、细观结构参数以及温度有关;纵向拉伸模量随短纤维平均长径比和体积含量的增加而增加,随着温度的升高而减小。     

通过硝酸镍催化热解酚醛树脂制备碳纳米管

以硝酸镍为催化剂前驱体,通过催化热解酚醛树脂的方法制备了碳纳米管;采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究了热解温度和催化剂用量对碳纳米管合成的影响。结果表明:热解温度为400℃时,添加质量分数为0.75%镍的酚醛树脂热解产物中无碳纳米管生成;温度在600~1 000℃时,碳纳米管的生成量及长径比均随温度的升高先增后降,最佳生长温度为800℃;在800℃热解时,随着镍添加量的增加,碳纳米管的生成量和长径比均先增大后减小,最佳添加量为酚醛树脂质量的0.75%,此时碳纳米管的直径为30~60nm,长度可达几十微米。     

包覆镍CNTs/AM60复合材料铸态显微组织与力学性能

采用机械搅拌铸造法制备了包覆镍碳纳米管(CNTs)/AM60复合材料,研究了包覆镍CNTs加入量对铸态复合材料力学性能的影响规律,并用扫描电子显微镜观察了复合材料的拉伸断口形貌以及显微组织。结果表明:复合材料显微组织为等轴晶,包覆镍的CNTs主要分布在-αMg共晶相内和晶界处,不仅起到细化晶粒的作用,而且还起到搭接晶粒和强化晶界的作用;复合材料的力学性能随CNTs加入量的增多呈现先增大后减小的趋势,当其质量分数为1%时,抗拉强度、显微硬度、伸长率同时达到最大,比AM60镁合金分别提高了46.23%,41.82%,74.52%,弹性模量在其质量分数为1.2%时达到最大。     

玻璃纤维增强空心玻璃微珠/环氧树脂复合泡沫材料弹性常数分析

空心玻璃微珠/环氧树脂复合泡沫材料中添加玻璃纤维可增强复合材料的力学性能。建立了玻璃微珠及玻璃纤维两种排列形式的复合材料有限元模型,并通过改变玻璃微珠的体积分数和壁厚比来研究复合材料的弹性模量和泊松比的变化规律及内部应力分布规律。结果表明:复合材料的弹性模量随玻璃微珠壁厚比增加而增加,随体积分数的变化规律则因壁厚比不同而表现出不同的规律;泊松比随玻璃微珠体积分数增加而降低,随壁厚比增加则出现先增加后降低的规律。采用Voigt模型和混合法则提出了复合材料沿纤维轴向的弹性模量预测公式,当微珠壁厚比小于0.2时,预测结果与数值模拟结果较为吻合。     

碳纳米管增强镁基复合材料的组织与力学性能

在Mg-1.3Mn-1.0Ce-4.0Zn合金熔体中加入质量分数为0~1.5%的碳纳米管(CNTs),采用搅拌铸造法制备了碳纳米管增强镁基复合材料,研究了复合材料的组织和力学性能,并探讨了复合材料的强韧化机制。结果表明:CNTs能细化基体合金的晶粒尺寸,改变晶粒形貌及第二相的分布特征;随着CNTs添加量增大,复合材料的室温强度、断口伸长率和硬度均呈先增大后减小的趋势;当CNTs的质量分数为0.5%时,室温强度、断后伸长率和硬度最高,分别为212.2 MPa,21.1%和55.0HBW,较基体合金的分别增加了8.5%,37.5%和10%;复合材料的强韧化机制包括增强相强化、第二相强化和细晶强化,而晶粒细化、CNTs的润滑作用及对裂纹的阻碍作用是复合材料塑性提高的主要原因。     

考虑气穴影响的径向滑动轴承性能研究

建立计入气穴影响的径向滑动轴承的数学模型,以转速、偏心率和长径比为变量,利用FLUENT软件对径向滑动轴承进行仿真,分析油膜的承载力、偏位角、黏性阻力和温度的变化规律。计算结果表明:随转速、偏心率和长径比的增加,轴承最大压力、承载力、最高温度、气相体积分数和黏性阻力增大,而偏位角减少;气穴起始位置随偏心率的增大而前移,这为在实验中观察气穴位置提供参考;偏心率对油膜最大压力的影响大于转速,偏心率越大,油膜最大压力越大;气穴对轴承油膜承载特性有很大影响,结合实验中的油膜破裂现象,认为考虑气穴更为符合实际情况。     

多壁碳纳米管/聚吡咯导电复合材料的制备及性能

以羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs)和吡咯单体为反应物,通过原位聚合方法成功制备了MWCNTs/聚吡咯(PPy)导电复合材料;通过傅里叶红外光谱仪、扫描电镜、热重分析仪及四探针电导仪对复合材料的结构与性能进行了表征。结果表明:羧基化MWCNTs高的长径比和大的比表面积使得复合材料比纯PPy的电导率和热稳定性能有显著提高;随着MWCNTs含量增加,复合材料的电导率和热稳定型均明显提高;当MWCNTs质量分数为20%时,复合材料的电导率达到11.1S·cm-1。     

复合材料水润滑艉轴承结构设计研究

基于ANSYS CFX流固耦合数值计算方法,对水润滑复合材料艉轴承的润滑性能及结构设计开展研究,阐述了不同水槽结构、间隙比、长径比、直径等对轴承承载力以及水膜压力、轴承变形量、最小水膜厚度、轴承摩擦因数的影响规律。并利用水润滑轴承试验台研究了不同水槽结构对轴承启动摩擦转矩、转变速度以及摩擦因数的影响。研究表明,轴承摩擦因数、水膜最大压强、轴承最大变形随水槽数增多而增大;轴承承载力、最小水膜厚度随间隙比增大而减小,随长径比增大而增大。总结了直径为100~500 mm、长径比为2~3、间隙比为0.1%~0.2%的水润滑艉轴承承载力的变化规律,为水润滑艉轴承设计提供一定的理论依据。     

晶须长径比对树脂基复合材料力学行为影响的数值模拟

在单向晶须增强树脂基复合材料的轴对称模型和已有研究成果基础上,利用有限元分析方法,研究该类复合材料中晶须长径比的变化对材料整体力学行为的影响.结果表明:晶须长径比对晶须应力作用明显大于对基体的影响;晶须的长径比h/r≤30时,随着晶须长径比的增大,发生在晶须端部处的集中应力急剧增加;但当长径比h/r＞30时,长径比的进一步增加对集中应力影响不大;随着晶须长径比的增大,界面剪切应力减小,分布曲线下移;但当长径比h/r＞30时,长径比的进一步增加对剪切应力影响不大;随着晶须长径比的增加,复合材料的拉伸强度逐渐增大.     

CNTs/AZ91复合材料的摩擦磨损性能

采用粉末冶金法和热挤压工艺制备了碳纳米管增强AZ91镁合金(CNTs/AZ91)复合材料,研究了复合材料在干滑动条件下的摩擦磨损性能、磨损形貌及磨损机制,并与AZ91镁合金基体的进行了对比。结果表明:由于CNTs的自润滑和增强作用,复合材料的摩擦磨损性能明显优于基体合金的;随着载荷和CNTs质量分数增加,复合材料的摩擦因数逐渐降低;随着载荷增加,复合材料的磨损量增大;在相同的载荷下,复合材料的磨损量随CNTs质量分数的增大而减小;AZ91镁合金的磨损机制为疲劳磨损和磨粒磨损,复合材料的磨损机制以轻微的粘着磨损和磨粒磨损为主。     

1-3型压电智能建筑材料性能研究

以压电陶瓷PZT为功能相,环氧树脂聚合物为基体,采用切割-浇注的方法制备了1-3型压电智能建筑材料。研究了PZT体积分数和环境温度对复合材料介电性能、机电性能及频率特性的影响。试验结果表明,随PZT体积分数的增加,相对介电常数ε33增大,介电温度稳定性变差,厚度谐振模和平面谐振模强度均变大,谐振频率fs增大;随温度的升高,不同PZT体积分数复合材料的相对介电常数ε33逐渐增大,厚度谐振模增强,平面谐振模减弱,谐振频率fs减小。     

高速剪切对碳纳米管/环氧树脂复合材料导电性能的影响

为提高碳纳米管在复合材料中的分散性,利用高速剪切分散工艺将碳纳米管分散于环氧树脂基体中制备碳纳米管/环氧树脂复合材料,研究了剪切时间和碳纳米管加入量对复合材料导电性能的影响.结果表明:剪切速率一定时,复合材料表面电阻率随剪切时间的增加而降低,但当剪切时间超过10min,对导电性能的影响不再明显;随着碳纳米管加入量的增加,复合材料导电性能提高,当碳纳米管的质量分数高于10%时,导电性能的变化趋于平缓.     

添加聚四氟乙烯微粉后聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能

采用常温机械共混+高温模压方法制备了添加不同含量聚四氟乙烯(PTFE)微粉聚醚醚酮复合材料,研究了其力学性能、摩擦磨损性能及磨损形貌,并探讨了其摩擦磨损机理。结果表明:随PTFE微粉含量的增加,复合材料的洛氏硬度和压缩强度均降低,干摩擦条件下的摩擦因数减小,体积磨损量先降后升,当PTFE微粉质量分数5%时,体积磨损量最低;在油润滑和水润滑条件下复合材料的摩擦因数和体积磨损量均小于干摩擦条件下的,且随PTFE微粉含量的增加,油润滑条件下的体积磨损量下降,而水润滑条件下的增大;在干摩擦条件下复合材料的磨损机制以磨粒磨损为主,并伴有疲劳磨损,在油润滑条件下复合材料表面存在少量片状PTFE磨屑和碳纤维富集,在水润滑条件下复合材料表面被PTFE微片层覆盖,局部存在微裂纹和孔洞。     

槽参数对高温密封汽液固流动特性及性能的影响

以高温动压型机械密封为研究对象,基于Eulerian多相流模型和蒸发冷凝模型,建立涉及高温汽化、固体颗粒、黏温效应及牛顿流体内摩擦效应的动压型机械密封润滑膜汽液固三相流动模型,模拟研究槽深、槽宽比、螺旋角及槽径比对润滑膜汽化、固体颗粒分布规律及密封性能的影响关系。研究表明：润滑膜固体颗粒体积分数随槽深、槽径比的增大而增大,且在槽宽比为0.5时出现最大值,而固体颗粒体积分数随螺旋角的变化规律与转速有关;润滑膜平均汽相体积分数随槽深的增大而减小,随螺旋角的增大而增大,槽宽比为0.7时平均汽相体积分数出现最大值,槽径比在0.3以上时平均汽相体积分数随槽径比的增大而增大;槽深8 μm时润滑膜汽相、固体颗粒相出现突变,槽深低于8 μm时处于气相较高、固体颗粒相较小状态,槽深高于8 μm时则相反;基于汽液固流动的密封性能分析表明,选用9 μm左右的槽深、0.6左右的槽径比、16°～20°的螺旋角、0.3~0.4的槽宽比时对密封性能有利,采用8 μm以上的槽深及小于0.5的槽宽比时,转速较高时选用较小槽径比、转速较低时选用较大槽径比时有利于抑制汽化。     

催化热解三聚氰胺合成竹节状氮掺杂碳纳米管

以三聚氰胺为原料、FeCl_2·6H_2O为催化剂前驱体,应用催化热解法制备竹节状氮掺杂碳纳米管,研究了反应温度和FeCl_2·6H_2O添加量对产物物相组成和显微结构的影响.结果表明:当反应温度为650~800℃时,碳纳米管的生成量及长径比均随反应温度的升高先增后降,其最佳反应温度为750℃;在750℃热解时,随着FeCl_2·6H_2O添加量的增加,碳纳米管的生成量和长径比均先增后减,最佳添加量为三聚氰胺质量的0.50%,在此条件下合成的碳纳米管直径为40~50nm,长度为10~15μm,碳纳米管中氮掺杂量(原子分数)为3.42%,其中石墨型氮的物质的量分数为43.1%.     

挤压铸造SiCp/2A50铝基复合材料的组织和力学性能研究

研究了在常规铸造工艺下使用挤压铸造方法制备SiC颗粒增强2A50的复合材料,分析了复合材料及增强相的微观组织,检测复合材料的室温力学性能,并探讨复合材料中SiC的强韧化机理以及SiC颗粒体积分数对力学性能的影响。研究表明,使用挤压铸造工艺制备的材料力学性能明显高于铝合金基体;SiCp/2A50复合材料力学性能的提高是位错强化、界面强化和时效强化等机制共同作用的结果;SiCp颗粒的体积分数应控制在20%左右,才能提高复合材料的力学性能。     

SiC/Ti55复合材料残余应力的研究

采用ANSYS有限元法计算了SiC/Ti55复合材料中的残余应力,分析了不同纤维体积分数下纤维中径向、轴向和环向残余应力的大小和分布。结果表明,径向和轴向残余压应力均随纤维体积分数的增大而减小;环向残余应力在纤维内部为压应力,表面附近为拉应力,且纤维体积分数越高,表面环向拉应力越大。     

SiC质量分数对SiC_p/6061铝基复合材料组织和性能的影响

采用半固态搅拌方法添加SiC颗料制备了SiCp/6061铝基复合材料,研究了SiC颗粒添加量对复合材料显微组织、力学性能及耐磨性能的影响。结果表明:SiC颗粒在复合材料中分布均匀,其分散性随SiC添加量的增大先提高后下降,当SiC质量分数为20%时达到最佳;随SiC添加量的增大,复合材料的抗拉强度、硬度和耐磨性能增加,伸长率下降,当SiC质量分数为25%时,复合材料的抗拉强度、伸长率和磨损率分别为282 MPa,3.9%,4.563×10-8 mg·mm-1·mm-2,抗拉强度和耐磨性能分别比6061铝合金的提高了64.2%和670%,伸长率则下降了38.1%。     

原位合成层状Ti-(TiB+TiC)/Ti复合材料的组织与力学性能

鉴于颗粒增强钛基复合材料在提高强度的同时会引起塑韧性的下降,借鉴性能优异生物材料的叠层微观结构,利用粉末冶金结合热加工工艺(热锻+退火)的方法,制备了增强体体积分数为5%~15%的原位合成层状Ti-(TiB+TiC)/Ti复合材料,并对其组织和力学性能进行了研究。结果表明:复合材料组织完全致密化,复合层中团聚的增强体被分散,纯钛层α晶粒沿锻造方向排列;复合材料的室温抗拉强度较纯钛的提高近一倍,退火后其伸长率明显提升;随增强体体积分数的增加,复合材料的强度稍有提高,但塑性下降较为明显,增强体体积分数为5%的复合材料具备优异的综合力学性能,与增强体体积分数为15%的复合材料相比,强度仅降低了4%,但伸长率却增加了3.8倍。