量子隧道效应压敏复合材料

为探讨镍粉-水泥基复合材料的压敏性及其产生机理,首先验证了采用埋入式环状四电极进行镍粉-水泥基复合材料电阻测试的可行性,然后探讨了镍粉-水泥基复合材料的伏安特性,最后研究了一次加载至破坏时和弹性加载阶段镍粉-水泥基复合材料的电阻率变化规律.研究结果表明:基于埋入式环状电极的四电极法适用于镍粉-水泥基复合材料压敏性的测试;在测试电流＜10mA时,镍粉-水泥基复合材料的伏-安特性为线性,隧道导电具有欧姆特性;镍粉-水泥基复合材料一次加载至破坏,电阻率变化率最大达70%,弹性阶段电阻率变化率可达60%以上,量子隧道效应是致使其具有优异压敏性能的原因.     

碳纤维水泥基复合材料的阻-温特性

研究了碳纤维水泥基复合材料的阻-温特性。发现当温度低于某一特定值时，电阻率随温度的升高而单调降低(NTC效应)。超过此值时，则表现为电阻率随温度升高而大幅度单调增加(PTC效应)。普通水泥基材料不具有相应的阻-温特性．     

乙炔炭黑水泥基复合材料的压敏性

为探讨乙炔炭黑水泥基复合材料的压敏性 , 验证了利用基于埋入式环状电极的四电极法测试复合材料电阻的可行性; 研究了一次加载至破坏时乙炔炭黑水泥基复合材料的电阻率变化规律 , 并通过在弹性阶段的加载考察了乙炔炭黑水泥基复合材料压敏性的重现性 ; 分析了测试电流和试件偏压对压敏性的影响。研究结果表明 ,基于埋入式环状电极的四电极法测试压敏水泥基材料的电阻误差小于 10 % , 用于复合材料电阻的测试是可行的。掺量 15 vol %的乙炔炭黑水泥基复合材料一次加载至破坏 , 电阻率变化率最大可达 55 % , 弹性阶段电阻率变化率可达 35 %以上 , 且其压敏性基本不受测试电流和试件偏压的影响。乙炔炭黑是制备具有高感知灵敏度的压敏水泥基材料的一种有效功能组分。     

水泥基纳米复合材料压敏特性研究

研究了添加纳米TiO2粒子砂浆在单调荷载及循环荷载下的压敏特性,及添加碳黑的水泥净浆的单调加载下的压敏特性.实验结果表明在单调单向压力荷载时,添加纳米TiO2砂浆具有良好的压敏性能,其体积电阻率与压应力具有稳定而线性的对应关系;循环加载时,其体积电阻率的变化规律又能反映出材料的疲劳损伤情况.添加纳米碳黑砂浆在单调荷载下也具有较好的压敏特性,但稳定性稍差.在实验的基础上,本文探讨了水泥基纳米复合材料的压敏特性机理,分析了两种不同纳米复合材料压敏性能差异性产生的原因.     

钢渣混凝土压敏性研究及机理分析

为了确定钢渣混凝土是否具有感知应力的功能,研究了钢渣混凝土在不同荷载条件下的电阻变化规律,即压敏性.通过模拟试验测试了不同加载速率、循环加载、突然加载和卸载等加载条件下钢渣混凝土的压敏性.结果表明,随着钢渣掺量的增加,钢渣混凝土的压敏效应更加明显;压力较小时,电阻率随压力增大而迅速降低;压力增大到一定程度后,电阻率下降十分缓慢;压力达到极限荷载时,电阻率迅速升高;在循环加载情况下,第一次加载循环时钢渣混凝土电阻变化率高于第二次加载循环时的变化率.钢渣混凝土成本很低,制备方法简单,与碳纤维增强水泥一样具有良好的压敏性,因此具有较好的应用前景.     

导电功能集料碳纤维水泥基复合材料及其压敏性能

利用石墨粉和粘土基质烧制成导电陶粒,与碳纤维共同组成复合导电相,制备得到导电功能集料碳纤维水泥基复合材料。采用Instron5882材料试验机,动态电阻应变仪和直流稳压电源测试系统研究了其压敏性,发现压应力对其电阻值有显著影响;从开始加载至破坏全过程电阻值变化表现出均匀下降、平衡和迅速上升3阶段;在低加载应力循环下材料电阻变化值与应力有良好相关性,高加载应力循环下因损伤裂纹的不可复原性而使电阻出现不可逆增加;加载速率对电阻变化也有影响,低加载应力时加载速率影响较小,高加载应力时影响较大。     

碳纤维/ 水泥基复合材料微观结构及机敏特性

以普通硅酸盐水泥为基体材料, 以碳纤维为功能组分, 采用压力成型法制备了碳纤维增强水泥基复合材料(CFRC) 。用SEM 和孔结构分析仪对复合材料的微观结构进行了分析, 同时研究了其机敏特性。结果表明:较大成型压力制备的复合材料孔隙率明显低于较小成型压力制备的复合材料。不同成型压力制备的复合材料电阻率均随温度升高而呈先增大后减小的趋势。较小成型压力制备的CFRC , 其临界温度为75～100 ℃; 较大成型压力制备的CFRC , 其临界温度为100～120 ℃。循环载荷下, 碳纤维水泥基复合材料电阻的相对变化与载荷之间呈现明显的一一对应关系, 较大成型压力制备的CFRC 在每个循环过程中电阻相对变化的幅度明显大于较小成型压力制备的CFRC , 更适合应用于结构的实时、动态的健康监测和损伤评估。     

Ni/硅橡胶复合材料的压敏与介电特性

采用硅橡胶(110型)与金属(Ni粉)按质量比1∶2配料，经过特殊的制备工艺，合成金属Ni/硅橡胶高分子复合材料。分别测量样品的压敏效应和介电特性。结果表明：在不同应力作用下，样品的电阻从1 ×1012 Ω降到10Ω, 其变化范围为11个数量级；在恒应力作用下，样品的电阻随时间的增加而减小，表现出“电阻蠕动”现象；室温下，样品的电容和介电损耗都随频率的增加而减小，随应力的增加而增大 , 其原因是在样品中形成了以高分子为绝缘层、金属 Ni粉为导电填料的相互隔离且平行的超电容网络微观结构。在外力作用下，这种微观结构中每一个电容单元的间距逐渐减小而电容逐渐增大，致使样品的电容有大幅度增加；介电损耗是由于样品的电阻率减小，电导增大，使部分电能转化为热能。     

碳纤维硫铝酸盐水泥基机敏复合材料

采用压制成型方法制备了碳纤维硫铝酸盐水泥基复合材料 ( Carbon Fiber Reinforced Sulphoaluminate Cement,简称CFRS ) 。用XRD和孔结构分析仪对复合材料的物相和孔径与孔体积的关系进行了分析,研究了不同碳纤维掺量对复合材料在单调压应力和循环压应力下的机敏性能的影响。XRD和孔结构分析研究结果表明,压制成形的试样水化14天硫铝酸盐水泥水化仍不完全,试样结构致密,孔隙率较小,孔径基本小于0.9μm;单调压应力下机敏测试性能表明,碳纤维掺量为0.3％和0.5％的CFRS试样电容变化率与压应力近似成线性关系,机敏性能较好;循环压应力下碳纤维掺量为0.7％的CFRS试样电容变化率与循环压应力成一一对应关系,表现出较好的机敏特性。     

低温下胶基导电复合材料力敏特性试验研究

对炭黑/硅橡胶导电复合材料进行了低温条件下的力敏特性试验研究。测试结果表明,胶基导电复合材料在低温下仍具有优良的拉伸敏感性(最低温度达到-35℃)及压缩敏感特性。拉伸时,试样电阻随拉伸变形的增大而增大,电阻与应变(最大应变达到20%)之间具有良好的线性关系;压缩时,试样电阻与压缩应力之间也表现出较好的线性关系。研究结果表明,胶基导电复合材料是较低负温下应变及应力测试的理想敏感元件,特别对于大变形测试具有明显优势。     

2D-C/SiC复合材料的宏观拉压特性和失效模式

通过拉伸、压缩实验, 从宏观上研究了平纹编织C/ SiC 复合材料在简单载荷作用下模量、残余应变及泊松比的变化。通过断口观察, 分析了材料在面内拉、压载荷作用下的损伤与失效模式。实验结果表明, 拉伸载荷作用下, 材料在低应力就开始损伤。0°纤维束表面基体开裂和层间裂纹是主要损伤形式。损伤后, 随着应力增加, 拉伸卸载模量、泊松比线性减小, 残余应变增加; 压缩应力-应变基本呈直线关系, 模量、泊松比基本不变。拉伸破坏表现为韧性断裂, 断裂机理为分层后0°纤维束的断裂、携带90°纤维束拔出; 压缩破坏形成一个与加载方向成13°的断裂平面, 破坏机理为层间裂纹、0°/ 90°纤维束之间裂纹和90°纤维束内裂纹的产生和迅速扩展、最后0°纤维束剪切断裂。     

二氧化硅/ 木材复合材料的微观结构与物理性能

为了明确二氧化硅/ 木材复合材料的微观结构与物理性能, 通过EDAX 及XRD 的测定分析了溶胶2凝胶法制备的二氧化硅/ 木材复合材料的微观结构, 通过应力松弛、介电性质、热重、表面显微硬度的测定分析了该材料的物理性能。结果表明: 生成的二氧化硅与增重率呈正相关, 在纤维饱和点以下, 生成的二氧化硅存在于细胞壁中。XRD 衍射峰位置没有改变, 增重率增大, 峰强减弱, 结晶度减小。应力松弛量变小, 材料内部的结合力增强, 分子间产生了交联结合。介电常数值增大, 介电损耗随着频率的增加呈先增加后减小的趋势, 室温下, 出现最大峰值的频率均在log f = 6. 5 Hz 附近。热失重过程中, 快速失重的起始温度提高, 残余质量增加, 表面显微硬度提高。     

高体积分数 SiC P / Al复合材料的拉伸、 压缩与弯曲特性

对高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiC P/ Al)复合材料的拉伸、 压缩和三点弯曲特性进行了实验研究。结果表明 : 高体积分数 SiC P/ Al 复合材料与低体积分数 SiC P/ Al复合材料相比 , 没有明显的线性屈服阶段。进一步的加载2卸载实验表明 , 在外载荷作用下 , 材料宏观上呈现一种类似金属材料的塑性 , 卸载后留有较大的残余应变 , 再次加载时沿上次卸载路线上升 , 而且拉应力导致的残余应变大于压应力。三点弯曲时材料内部产生残余塑性变形的潜力最大 , 切线模量更稳定。宏观断口分析表明 , 金属基体的非均匀分布导致产生局部渐进的微屈服 ,是使材料性能宏观上类似塑性材料的主要原因。制备过程中的残余应力和基体内部的微缺陷是拉应力比压应力产生更大残余应变的主要原因。     

SiCP/ 6061Al 合金复合材料的高温单轴棘轮行为及其时间相关特性

对T6 热处理后的SiC_P / 6061Al 合金复合材料的高温(300 ℃) 单轴应变循环特性和棘轮行为进行了实验研究, 讨论了具有两种颗粒体积分数的复合材料在高温下不同加载条件时的循环软/ 硬化特性和棘轮行为特征。实验研究表明: 颗粒增强金属基复合材料宏观上表现出与金属材料相类似的应变循环特性和棘轮变形规律, 即复合材料在非对称应力循环下也将产生一定的棘轮变形, 并随应力幅值和平均应力的增加而增加; 颗粒的引入使复合材料抵抗棘轮变形的能力增强, 棘轮变形随颗粒体积分数的升高而下降; 在高温下棘轮行为体现出明显的时间相关特性, 即棘轮应变值明显依赖于加载率和峰值保持时间, 并具有明显的蠕变-棘轮交互作用。在对该类复合材料的棘轮行为进行本构描述时必须考虑复合材料的微结构特征、加载条件以及时间效应等的影响。     

2D-SiC/SiC复合材料拉伸加卸载行为

为了研究国产2D-SiC/SiC复合材料的拉伸损伤行为以及低周循环载荷作用下的力学性能,通过试验和建立加卸载细观力学模型,对其拉伸加卸载行为进行了探讨。建立了单向连续纤维增强陶瓷基复合材料加卸载细观力学模型,得到了初始加载、卸载和重新加载时的应力-应变关系;利用断裂统计方法得到了基体裂纹数随应力变化的关系和复合材料失效判断条件。经过应力转化,将该模型应用于国产二维编织SiC/SiC复合材料。对单向加载试件,采用正交试验方法和最小二乘法得到基体Weibull模量和界面剪切阻力,通过控制材料失效强度与试验结果一致,得到纤维Weibull模量。由上述参数确定的2D-SiC/SiC复合材料拉伸循环加卸载应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。通过Matlab编程得到2D-SiC/SiC复合材料单向加载时基体开裂过程图。结果表明,2D-SiC/SiC复合材料失效时,基体裂纹分布相对比较均匀;基体裂纹数随应力单调增加,未出现持平段,表明材料失效时,基体裂纹还没有达到饱和。     

三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的压缩性能及破坏机制

针对不同编织角、 不同纤维体积分数的三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料在不同温度下进行了纵向(编织方向)压缩和横向压缩试验 , 获得了其主要压缩力学性能 , 分析了编织参数、 温度对材料压缩力学性能的影响。对试件断口进行了宏观及扫描电镜观察 , 从宏、 细观角度研究了材料的变形及其破坏机制。结果表明 , 三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的压缩应力2应变曲线呈现明显的非线性特征 , 且温度效应明显; 编织角和纤维体积分数是影响材料压缩性能的主要参数。三维五向炭纤维/酚醛编织复合材料的纵向压缩与横向压缩具有完全不同的破坏机制。     

气相生长碳纤维增强水泥基复合材料的制备及性能

研究了脱油沥青(De-oiled asphalt)基气相生长碳纤维(VGCFs)增强水泥基复合材料的制备方法及其性能。以脱油沥青作原料,采用化学气相沉积法(CVD)制备出气相生长碳纤维,以此纤维制备水泥基功能复合材料。结果表明:低含量VGCFs的碳纤维增强水泥基复合材料具有良好的抗压强度和导电性能,在VGCFs的掺量由0增至0.6 %范围内,随着VGCFs掺量的增加,碳纤维增强水泥基复合材料的电阻率下降,抗压强度提高。当VGCFs为0.4 %时,VGCFs水泥基复合材料电阻率降低2个数量级,从3.25 ×105 Ω·cm 降为1.49 ×103 Ω· cm ,抗压强度提高28.8 %,为最佳掺量。      

Self-monitoring of fracture and strain in titanium carbide reinforced silicon nitride ceramics

Si₃N₄ Ceramic Composites with TiC powder have been fabricated by gas-pressure sintering and their electrical conductivity has been investigated. The ceramic composites with different electrical resistivity consist of Si₃N₄ powder as an insulating matrix, and TiC as electrically conductive additive. Under tensile loading or compressive unloading, the R/R of TiC/Si₃N₄ composites reversibly increased. Under compressive loading, the R/R decreased gradually with the increasing of loading up to fracture. The results suggest the possibility of self-monitoring fractures and strains in the composites under tensile and compressive loading.     

工艺因素对ZrO2( f ) / PMMA PMA复合材料抗折强度的影响

以聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯酸甲酯( PMMA-PMA) 为基体, 钇稳定氧化锆纤维为增强相, 采用悬浮聚合的方法, 制备了氧化锆短纤维增强PMMA-PMA 义齿基托复合材料。分别研究了单体配比、引发剂用量和氧化锆纤维质量分数对复合材料性能的影响。采用万能材料试验机、扫描电子显微镜和X 射线衍射分别对材料的抗折强度和断面的微观形貌等进行了测试和表征。结果表明: 当MMA/ MA = 9∶1 (体积比) 时复合材料抗折强度达到极大值; 随着引发剂过氧化苯甲酰(BPO) 用量的增加, 复合材料的抗折强度呈现先增大后减小的趋势; 随ZrO₂纤维含量增加, 复合材料的断裂面由平整向多层断裂变化, 材料的韧性有所提高。