炭黑增强橡胶复合材料的大变形细观力学模型

为考察炭黑对橡胶复合材料超弹性力学行为的影响,首先,利用不同填充体积分数的炭黑增强橡胶复合材料的准静态力学试验数据,对现有的基于均质化方法的"变形放大"细观力学模型的大变形表征能力进行了评估。其次,在此基础上提出了新的"第一不变量放大"关系,并获得了较为合理的预测结果。最后,利用随机序列吸附算法建立了较接近材料真实细观结构的球形颗粒填充数值模型,进行了大变形情况下的三维数值模拟;为考察颗粒聚集效应的影响,还设置了颗粒均匀随机分布和团聚随机分布两种形式。计算结果与试验数据的对照表明:提出的三维细观数值模型已经能在一定程度上预测填充橡胶的大变形宏观力学行为,且颗粒团聚随机分布模型的预测能力更好一些。试验结果验证了该模型的合理性,所建模型为进一步的相关研究提供了参考。     

基于Al/PTFE真实细观特性统计模型的宏观力学性能模拟

通过细观力学有限元方法对Al颗粒增强聚四氟乙烯（Al/PTFE）复合材料的宏观力学性能进行了研究,基于Al颗粒粒径分布统计规律及通过SEM对该复合材料孔洞含量的统计分析,在细观层次上建立了考虑颗粒和孔洞位置和尺寸分布的随机代表性体积单元（RVE）,借助ABAQUS有限元软件,对二维平面应变和三维实体模型在单轴压缩载荷作用下的力学行为进行了数值仿真;并施加了周期性边界条件（PBC）以提高数值计算结果的准确性。此外,分析了不同颗粒含量下复合材料准静态应力-应变关系,重点对细观有限元模型与准静态压缩试验结果进行了对比分析。研究结果表明:二维和三维2种模型均能较好地模拟Al/PTFE的宏观力学性能,且二维模型较三维模型计算效率更高,并进一步证实了PBC的正确性和有效性。      

双随机分布细观分析模型与复合材料性能预报

发展了一种细观力学有限元分析方法——拟真实的参数化双随机分布模型, 该模型综合考虑了纤维增强树脂基复合材料的真实微结构特点和纤维单丝综合力学性能测试结果的离散性特征, 模拟了复合材料中纤维排列和强度分布的随机性。借助移动窗口法研究了该参数化双随机分布模型的可靠性, 确定了其代表性体积单元的尺寸。基于能量法原理推导了单向复合材料的弹性模量预测公式, 结合能量法和渐进失效分析方法, 利用该细观力学有限元方法分别预测了单向纤维增强树脂基复合材料T300/5228的弹性模量和强度性能。数值模拟结果和大部分试验结果吻合良好, 表明发展的细观力学有限元方法能够较好地预测复合材料的力学性能。      

炭黑填充型导电复合材料的压阻计算模型及实验验证

为研究新型传感器材料,在通用有效介质理论的基础上,提出了炭黑填充型导电复合材料的压阻特性数学计算模型,定量地得出炭黑颗粒的基本特征参数、体积分数和聚合物基体的弹性模量在复合材料压阻规律中的影响。分别以硅橡胶和高密度聚乙烯为基体相,三种不同粒径的炭黑为导电相,制备了炭黑填充型复合材料,对计算模型进行了实验验证。在炭黑颗粒分布均匀、炭黑体积分数在渗流阈值附近和外加压力≤2 MPa等三个边界条件下,数学计算模型与实验结果基本吻合,且压力-电阻变化规律一致。      

基于随机分布代表性体积的颗粒增强复合材料拉伸断裂破坏模拟

为研究组分材料性能对材料断裂破坏行为的影响,基于计算细观力学,建立施加周期性边界条件的代表性体积单元,对随机分布颗粒增强复合材料的拉伸断裂破坏进行数值模拟.为选取更具代表性的体积单元,采用径向分布函数和平均近邻距离变异系数两种统计方法对生成的随机分布细观结构进行评估.并在此基础上,对复合材料的有效弹性常数进行分析,以验证所选代表性体积单元的有效性.利用选定的代表性体积单元,运用扩展有限元方法对A l2 O 3/T iB2陶瓷复合材料的拉伸断裂破坏进行了数值模拟,重点讨论了颗粒断裂韧性、界面粘结强度对裂纹萌生及扩展的影响.研究结果表明,不同的颗粒断裂韧性下,复合材料的断裂行为基本一致;界面粘结强度对裂纹的萌生及扩展路径影响较为显著,破坏载荷的变化随界面粘结强度的增加分为三个不同阶段.对于A l2 O 3/T iB2陶瓷复合材料,当界面粘结强度为0.6～60 M Pa时,可兼顾界面的韧性和复合材料的断裂韧性.     

多层次等效的Mori-Tanaka法预测含空腔点阵增强芯层的等效弹性模量

提出了兼具力学和声学性能的夹层吸声复合材料-含空腔点阵增强夹芯结构;为了预测含空腔点阵增强结构芯层的等效弹性模量,建立了包含空腔、点阵增强柱和泡沫基体的三相复合材料的细观力学多层次等效数理模型,结合点阵增强柱和空腔周期性分布的特点建立代表性体积单元,利用Mori-Tanaka方法进行两次单相夹杂等效处理,获取了含空腔点阵增强芯层等效弹性模量的解析解,与试验数据和细观力学有限元法结果对比均吻合较好。采用有限元软件ANSYS建立了含空腔点阵增强夹芯结构的实际模型和等效模型,并将芯层等效模量解析结果作为等效模型芯层的材料参数,计算弯曲变形和固有频率并进行对比分析,弯曲变形位移和中低频固有频率的相对误差不超过2%,满足工程精度要求。进一步利用该等效方法,分别探讨了点阵增强柱和空腔体积比对芯层等效弹性模量的影响规律。结果表明,上述方法能较准确地预测含空腔点阵增强结构芯层的等效弹性模量,且数理模型清晰,公式简单,计算快速。     

TATB填充高聚物复合材料有效热导率数值模拟

在细观层次上将1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯（TATB）/高聚物（TATB/PBX）视为由TATB颗粒、高聚物及微孔隙组成的三相复合材料。采用蒙特卡罗方法,建立了能够反映PBX细观结构的代表体积单元（RVE）模型,该模型可以生成高聚物颗粒和微孔隙随机分布、填充物体积分数和孔隙率任意调整的有限元计算（FEM）模型。研究了TATB填充体积分数、孔隙率和分布对TATB/PBX有效热导率的影响。结果表明：TATB/PBX有效热导率随着TATB体积分数的增加而增大;在相同的TATB填充体积分数下,随着孔隙率的增大,TATB/PBX的有效热导率呈指数减小,但孔隙的空间分布对有效热导率影响不大。模拟值与实验结果具有较好的一致性,证明所建二维RVE三相有限元模型可以用来预测TATB/PBX的有效热导率。     

考虑界面结合的SiCP/6061Al 复合材料时间相关棘轮行为的三维有限元分析

采用多颗粒三维单胞模型和复合材料细观有限元分析方法,借助先进循环黏塑性本构模型的有限元实现,对SiC颗粒增强6061Al复合材料的室温、高温时间相关单轴棘轮行为进行数值模拟。讨论了颗粒排列方式和界面结合状态的变化对复合材料棘轮行为的影响;同时,分析了复合材料中基体和界面的微观变形特征及其演变规律;最后,选取一组合理的微结构参数,对复合材料的时间相关棘轮行为进行了数值模拟,并通过与已有实验结果的比较,检验了有限元分析的合理性。结果表明：多颗粒代表性体积单元能够反映复合材料更多的微观细节;颗粒排列方式的变化显著影响复合材料的整体棘轮行为;界面结合状态越好,产生的棘轮变形越小;具有合理参数值的弱界面模型给出的时间相关棘轮变形预测结果比完好界面模型的结果更接近实验值。     

高体积含量颗粒增强复合材料的一个细观力学模型Ⅰ: 弹性分析与等效模量

提出了一种高体积含量颗粒增强复合材料的细观力学模型。该模型将颗粒简化为同质、同尺寸的弹性圆球, 两颗粒之间的粘接材料(基体) 简化为连接颗粒的一段圆柱体, 假设了圆柱形基体中的细观位移分布形式, 在此基础上分析了一对颗粒之间弹性的细观应力场和细观弹性系数, 将颗粒对的细观弹性系数在空间各个方向上平均, 得到材料的宏观弹性常数, 并建立了宏、细观分析之间的联系。最后用本模型分析了一种实际材料(两种体积含量) , 弹性常数的预测与实验吻合良好, 研究还发现颗粒的空间分布方式对材料宏观弹性常数的影响不大, 而对细观应力的影响显著。      

高温环境下纤维增强复合材料等效参数预测

为提高复合材料热结构动力学建模与动态特性分析效率,从复合材料等效性能物理意义出发,建立了弹性性能与热膨胀系数预测方法:在细观有限元模型基础上,分别施加周期性位移边界条件与温度边界条件,然后根据均匀化方法获得等效力学性能。以复合材料梁、板结构为对象开展仿真研究,通过等效前精细化模型和等效后均质模型热模态分析结果比较,验证预测方法的有效性。此外,研究了不同类型单胞、不同纤维排布方式对复合材料宏观弹性常数、热膨胀系数的影响,结果表明:不同纤维排布方式下,正方形排布纤维束预测结果比六边形排布纤维束预测精度高;同一纤维排布方式下,整个单胞的等效预测精度较缩减后的代表性体积单元(RVE)精度高。     

The mechanical properties of ternary composites of polypropylene with inorganic fillers and elastomer inclusions

The effect of elastomer volume fraction and phase morphology on the elastic modulus of ternary composites polypropylene (PP)/ethylene-propylene rubber (EPR)/inorganic filler containing 30 vol % of either spherical or lamellar filler has been investigated. Phase morphology was controlled using maleated polypropylene (MPP) and/or maleated ethylene-propylene elastomer (MEPR). As revealed by SEM observations, composites of MPP/EPR/filler exhibit separation of the filler and elastomer and good adhesion between MPP and the filler, whereas composites of PP/MEPR/filler exhibit encapsulation of the filler by MEPR. Composite models were utilized to estimate upper and lower bounds for the elastic modulus of these materials, which is strongly dependent on the morphology of the ternary composite. A model based on the Kerner equation for perfect separation of the soft inclusions and rigid fillers gives a good prediction of the upper limit for relative elastic modulus as a function of filler and elastomer volume fractions. The lower limit, achieved in the case of perfect encapsulation, depends significantly on the particle shape. Good agreement was found between experimental data and lower limits predicted using the Halpin-Tsai equation for lamellar filler and the Kerner-Nielsen equation for spherical filler. In order to calculate reinforcing efficiency of the core-shell inclusions, the finite element method (ANSYS 4.4A, GT STRUDL) has been used.     

导电炭黑填充硅橡胶的电阻温度系数

以炭黑(CB3100)为导电相,硅橡胶为基质制备导电复合材料。研究导电橡胶中炭黑质量分数对电阻温度系数的影响,并用填料对电阻温度系数的影响。以隧道效应理论为基础,给出了导电炭黑填充橡胶的电阻温度系数计算模型,结合实验得到温度对导电炭黑/硅橡胶电阻温度系数的影响主要体现在对其电阻率的影响;基体的体积热膨胀提高复合材料的电阻率,提高了正电阻温度系数;炭黑粒子间的隧道效应降低复合材料的电阻率,增强了负电阻温度系数;在炭黑/硅橡胶中加入少量碳纳米管,利用碳纳米管和炭黑的协同补强效应,使复合材料的导电性和稳定性提高。     

不同维数填料对橡胶Payne效应的影响

在变外力作用下,填充橡胶的动态模量会随着应变的增加而急剧下降的现象称为Payne效应。研究填充橡胶的Payne效应可以保证橡胶制品在使用过程中的安全性和可靠性,同时获得具有良好力学性能的橡胶制品。文中通过胶乳-双辊连用法制备了炭黑/天然橡胶复合材料(RCB)、碳纳米管/天然橡胶复合材料(RCNT)和石墨烯/天然橡胶复合材料(RGE)。扫描电镜和透射电镜图像显示,该方法可以将填料均匀分散在橡胶基体中。Mooney-Rivlin曲线和动态力学性能测试显示RGE复合材料的Payne效应最强,RCB复合材料的Payne效应最弱。     

柔性触觉传感器用温度敏感导电橡胶的电阻-温度模型

以通用有效介质理论为基础,得出柔性触觉传感器用温度敏感导电橡胶的电阻-温度计算模型。采用炭黑-硅橡胶导电复合体系(导电/炭黑橡胶)作为实验材料,对该模型进行了实验验证。结果表明,在填料分布均匀、体积分数接近渗流体积分数等边界条件下,电阻-温度计算模型与实验结果吻合,表现出一致的"电阻-正温度系数"(PTCR)变化规律。在温度场的作用下,基体的体积膨胀而导致炭黑浓度被稀释的过程对PTCR效应存在重要影响;基体的体积膨胀导致材料形状的改变对PTCR效应无显著影响。     

Effect of extensional strain on the resistivity of electrically conductive nitrile-rubber composites filled with carbon filler

The resistivity and mechanical properties of nitrile-rubber based conductive composites filled with short carbon fibres (SCFs) and mixed filler system (SCF + carbon black) are studied as functions of the extensional strain and the strain rate. It has been observed that both strain and strain rate have a strong influence on the resistivity of the composites. The sensitivity of the change in resistivity against the strain and strain rate depends on the concentration as well as the type of conductive filler. SCFs impart higher conductivity to the composite than a blend of SCFs and carbon black at the same level of loading parts per hundred of rubber (p.h.r.). Composites filled with a mixed filler system show high mechanical properties in contrast to those of SCF-filled composites. The change in resistivity with the degree of strain is less pronounced in mixed-filler-filled composites than in only carbon-fibre-filled composites. The mechanical properties of the composites are dependent on the polymer-filler interaction whereas change in resistivity is dependent on the transient arrangement of the conducting components in the polymer matrix. A good correlation exists between mechanical and electrical response to the strain sensitivity.     

Effect of soy spent flakes and carbon black co-filler in rubber composites

The rubber composites that are reinforced by a mixture of soy spent flakes (SSF) and carbon black (CB) are investigated in terms of their viscoelastic properties. Soy spent flakes is a plentiful renewable material from the waste stream of commercial soy protein extraction. SSF contains mostly soy carbohydrate and dry SSF increases rubber modulus significantly. The aqueous dispersions of SSF and CB were first mixed and then blended with styrene–butadiene latex to form rubber composites by freeze-drying and compression molding method. The mixtures of SSF and CB at three different ratios are investigated as co-fillers. A 30% co-filler reinforced composite exhibits about 100 times increase in the shear elastic modulus compared with unfilled SB rubber, showing a significant reinforcement effect by the co-filler. Compared with the SSF composites, the recovery behaviors of the co-filler composites after the eight consecutive deformation cycles of dynamic strain are improved and are similar to that of the CB composites. The comparison of viscoelastic properties of the composites prepared by freeze-drying and casting methods indicates the composites prepared by freeze-drying method have a lower elastic modulus, but have a better recovery behavior due to its polymer mediated filler network structure. The co-filler composites with 50–75% substitution of CB by SSF have a greater elastic modulus than the CB reinforced composites.     

无机粒子填充聚丙烯复合材料弹性模量的预测模型及影响因素分析

阐述了预测聚丙烯(PP)/无机粒子复合材料弹性模量的复合法则、 Eistein方程及其修正、Kerner方程、Liang方程.从结构因素方面分析了弹性模量的影响因素.分析表明:无机粒子的粒径越小、分布越合理,其填充PP复合材料的弹性模量越大;与球形、方形等其它粒子相比,长径比较大的薄片状无机粒子具有更强的增强复合材料弹性模量的能力;复合材料的弹性模量随无机粒子含量的增加而提高;提高无机粒子-PP树脂的界面黏结强度以及改善无机粒子在树脂中的分散状态可以提高复合材料的弹性模量.最后指出,影响因素的定量表征和多因素分析是今后的主要研究方向.     

Pitch-matrix composites for electrical,electromagnetic and strain-sensing applications

Pitch-matrix composites for deicing, electromagnetic shielding and strain sensing have been developed by using carbon fiber (discontinuous) and carbon black as electrically conductive fillers. A composite with carbon fiber (5 vol%) as the sole filler is effective for strain sensing, which functions by the electrical resistivity increasing reversibly with tensile strain. A composite with carbon fiber (3.4 vol%) and carbon black (1.5 vol%) is less effective for strain sensing and is lower in tensile strength, modulus and ductility, but it is lower in the electrical resistivity. A composite with carbon black (7 vol%) as the sole filler is very high in resistivity, but exhibits high storage modulus. Either carbon fiber or carbon black as filler increases the storage modulus, decreases the resistivity, renders the ability to provide EMI shielding and increases the softening temperature.     

碳纳米管/天然橡胶复合材料的制备及性能

对碳纳米管/天然橡胶复合材料的制备工艺和材料性能进行了研究。碳纳米管与天然橡胶复合后,橡胶DSC曲线中结晶熔融峰变小,硫化返原现象减轻,焦烧时间略有缩短。经过分散-粘合体系处理,碳纳米管在橡胶中的分散程度及界面粘合状况改善,复合材料的整体力学性能提高,与炭黑增强样品相比,碳纳米管复合材料在回弹及动态压缩性能方面占有优势,动态模量和玻璃化转变温度高,热降解稳定性较好。