固化剂混掺对高温下CFRP板-钢板界面黏结性能的影响

针对单一固化剂难以兼顾耐热性和韧性的不足,研究了耐热性能较好的缩胺105和韧性较好的聚醚胺D230两种固化剂混掺对纳米SiO₂环氧胶黏剂玻璃转变温度及高温下基本力学性能的影响。按一定固化条件制作了30个胶黏剂拉伸试件、21个碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板-钢板双搭接试件,进行了高温及常温下的准静态拉伸试验、拉伸剪切试验,测试了相应胶黏剂的动态热机械性能,并与常用商品胶的耐热性能与力学性能进行比较,得到以下结论:随混掺固化剂中聚醚胺D230比重的增加,胶黏剂高温下的拉伸强度及弹性模量逐渐降低,断裂伸长率及应变能先增加后减小,缩胺105与聚醚胺D230两种固化剂混掺的推荐比例为1∶2。随固化温度的升高,具有固化剂混掺较佳比例的胶黏剂的玻璃转变温度有所提升,综合技术与经济因素,推荐(较佳)固化条件为90℃、2 h。推荐比例与推荐固化条件的纳米SiO₂环氧胶黏剂在环境温度20~70℃之间的拉伸强度及韧性均大大优于常用商品胶黏剂。基于推荐比例与推荐固化工艺的纳米SiO₂胶黏剂粘结的CFRP板-钢板搭接接头,在70℃服役温度下的荷载-位移曲线存在屈服段,承载能力(较采用单一缩胺105和单一聚醚胺D230固化剂的搭接试件分别提升了104.03%、64.43%)和延性(为采用单一缩胺105固化剂的搭接试件的2.5倍以上)均大幅提升。高温和常温下的黏结-滑移本构均为三线性四边形。胶黏剂在满足耐热性的同时,需尽可能提升其韧性,才能有效提升CFRP-钢搭接界面的力学性能。相比于常用商品胶黏剂,研制的推荐胶黏剂粘结的CFRP板-钢板搭接接头具有优越得多的承载能力和界面断裂能。      

胶膜连接碳纤维增强树脂复合材料板-钢搭接接头室温条件的力学性能试验

针对碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料板-钢搭接接头连接的糊状胶黏剂粘层厚一致性控制较难、铅垂向成形可能不易等问题,将糊状胶黏剂换成胶膜,制作了胶膜连接的五种粘结长度共15个CFRP板-钢双搭接接头试件,并对该胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头进行了室温条件下的破环模式、有效粘结长度、传力规律、粘结-滑移本构、承载力等的试验研究。结果表明:所用胶膜的连接强度略高于CFRP板层间强度（即碳纤维与树脂基体的黏聚强度）;室温下,所用胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头有效粘结长度约为80 mm;加载初期,剪应力最大值位于接头钢板端;继续加载,其位置向接头CFRP板端移动;加载末期,其位置位于距接头钢板端20 mm （粘结长度不超过80 mm时）或者50 mm （粘结长度不小于120 mm时）处;胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头界面粘结-滑移模型为近似梯形,不同于胶黏剂连接的CFRP板-钢搭接接头的近似三角形,胶膜连接接头的延性大为提升;所用胶膜连接接头界面峰值剪应力、断裂能、界面刚度等代表值（可视为准平均值）分别为四种典型商品胶黏剂连接接头的1.2~3.0倍、1.6~5.7倍和5.4~7.5倍;在粘结长度不小于有效粘结长度条件下,所用胶膜连接接头的抗拉承载力代表值为四种典型商品胶黏剂连接接头的1.25~2.39倍;胶膜连接接头的抗拉承载力、最大位移的变异系数与糊状胶黏剂连接接头相差不大。      

锈蚀对钢板表面特性及CFRP板-锈蚀钢板界面黏结性能的影响

为研究锈蚀对钢板表面特性及碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板-锈蚀钢板界面黏结性能的影响,开展了6批次锈蚀钢板表面特性测试及22个CFRP板-锈蚀钢板双搭接试件的拉伸试验,揭示了锈蚀对钢板表面形貌与粗糙度、表观接触角与表面自由能以及CFRP板-钢板黏结界面破坏模式、有效黏结长度、极限荷载的影响.研究结果表明:随着腐蚀...     

纳米SiO2/有机硅改性水性聚氨酯复合材料的制备及性能

为了改善水性聚氨酯（WPU）耐水性差和表面性能差等缺陷,将有机硅和纳米SiO₂同时引入到WPU中,首先通过自乳化法制备了WPU和有机硅改性水性聚氨酯（SWPU）。然后采用超声共混法将纳米SiO₂粒子加入到SWPU中,制备了纳米SiO₂/SWPU复合材料。最后,采用FTIR和SEM对WPU、SWPU和纳米SiO₂/SWPU的结构进行了表征,通过接触角、吸水率及抗拉力学性能测试分析了WPU、SWPU和纳米SiO₂/SWPU的疏水性能及抗拉力学性能。结果表明：纳米SiO₂已被成功引入到SWPU中;纳米SiO₂含量较小（≤3wt%）时能够较均匀地分散在纳米SiO₂/SWPU胶膜中;当纳米SiO₂含量从0增大至5wt%时,纳米SiO₂/SWPU胶膜的吸水率降低了69%,拉伸强度从16.72 MPa增大至24.22 MPa,断裂伸长率从545%增至731%,表明纳米SiO₂的引入显著提高了SWPU胶膜的耐水性能和力学性能。     

CFRP-钢界面粘结性能试验与数值模拟

碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）与钢板的界面粘结性能为CFRP加固钢结构的关键问题之一。开展了17个CFRP板-钢板单搭接试件的拉伸剪切试验,研究了不同环氧粘结剂与CFRP材料的CFRP-钢界面力学行为和破坏模式;分析了粘结剂类型和CFRP材料对界面粘结滑移本构和界面剪切性能的影响,讨论了其承载力计算方法。结果表明：采用不同的粘结剂或CFRP材料,界面破坏形式和抗剪承载力均差异较大。采用Sika 330、Lica粘结剂的试件为CFRP板或钢板与胶层的界面破坏,采用Araldite粘结剂的试件为CFRP板浅表层离,采用Sika 30粘结剂的试件为胶层内聚破坏,采用SF（Sika S512/80）碳板的试件为CFRP板深层层离;Araldite试件的抗剪承载力为其他试件的1.7~2.9倍。Sika 330、Araldite及Lica试件粘结滑移曲线无明显下降段,属脆性破坏,而Sika 30与SF试件存在缓坡下降段,失效前有一定征兆;SF试件的粘结滑移本构可简化为三折线模型,其余试件则可简化为双线性模型。SF试件抗剪承载力需用Xia-a模型表征,其余试件则可用Xia-b模型表征。基于粘聚力模型对界面力学行为进行了数值模拟,结果表明,粘聚力模型可以较好地模拟界面的非线性力学行为,剥离应力对本单搭接试件的界面粘结强度影响很小。     

超声强化氨基化多壁碳纳米管改性环氧黏接接头性能研究

目的 探究超声处理对氨基化多壁碳纳米管(MWCNTs–NH₂)改性环氧黏接接头黏接性能和热稳定性的影响,为强化MWCNTs–NH₂改性环氧胶黏剂与铝合金的黏接提供参考。方法 通过机械搅拌与声波破碎的方法将质量分数为0.75%的MWCNTs–NH₂添加到环氧胶黏剂基体中,使用MWCNTs–NH₂改性环氧胶黏剂制备铝合金黏接接头,基于超声辅助黏接工艺在铝合金黏接过程中进行超声处理。通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分析MWCNTs–NH₂改性环氧胶黏剂基体官能团的变化情况。采用单搭接剪切强度试验测定黏接接头的拉伸剪切强度。通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)观察黏接接头拉伸失效断面以及铝合金与胶黏剂间的黏接界面。通过热失重分析仪(TGA)测试并记录胶黏剂试样质量随温度变化的曲线。结果 经超声处理后,MWCNTs–NH₂与树脂基体间的化学反应增强。与纯环氧黏接接头相比,超声处理后的MWCNTs–NH_2...     

单分散无溶剂纳米SiO2流体对环氧树脂的改性

以纳米粒子SiO₂为核、表面活性剂N,N-十二基-N-甲基-N-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)氯化铵(SID3392)为颈状层、聚(乙二醇)4-壬基苯基醚3-磺丙基钾盐(PEGS)为冠状层,制备出了无溶剂纳米SiO₂流体。无溶剂纳米SiO₂流体为牛顿流体,在室温下具有较低的黏度,在26.5 ℃时其黏度为4.3 Pa·s,无溶剂纳米SiO₂流体中SiO₂的含量为13.65wt%。将该无溶剂纳米SiO₂流体加入环氧树脂中,制备了无溶剂纳米SiO₂流体/环氧树脂复合材料。TEM结果表明: 无溶剂纳米SiO₂流体在环氧树脂基体中具有良好的分散性。DSC测试表明: 无溶剂纳米SiO₂流体的加入会略微降低环氧树脂的固化温度。当纳米SiO₂流体加入量为2.5wt%时,复合材料的冲击性能提高了164.7%,玻璃化温度提高了15.4 ℃。断面SEM结果显示无溶剂纳米SiO₂流体能够提高环氧树脂的韧性。     

纳米SiO2-氧化石墨烯/环氧涂层的制备及其防腐蚀性能

采用改进Hummers法制备了氧化石墨烯（GO）,并将GO与经硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）改性的纳米SiO₂进行复合,制备出纳米SiO₂-GO。通过FTIR、XRD、SEM、TEM等分析手段对SiO₂-GO进行表征。采用机械搅拌与超声分散的方法将SiO₂-GO添加到环氧树脂（EP）中。对添加不同质量分数纳米SiO₂、GO和纳米SiO₂-GO的EP基复合材料涂层的物理性能和电化学性能进行测试。结果表明,与纯EP涂层相比,SiO₂/EP、GO/EP和纳米SiO₂-GO/EP复合材料涂层的硬度、附着力和耐腐蚀性能得到显著增强,其中加入2wt%纳米SiO₂-GO/EP复合材料涂层硬度达到5 H,附着力等级达到1级,浸泡24 h后涂层保护效率为99.33%。15天浸泡试验结果表明,添加1.5wt%纳米SiO₂-GO/EP复合材料涂层的硬度达到5 H,附着力达到1级,涂层保护效率仍能达到97.12%。     

海洋大气环境对CFRP-钢界面粘结性能的影响

为研究长期海洋大气环境作用对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢界面粘结性能的影响,设计并制作了36个CFRP-钢板双搭接试件,采用盐雾沉降量1～2 mL/80 (cm2·h)的盐雾箱来模拟海洋大气环境。对试件进行了疲劳加载后的静力拉伸试验,分析了环境作用时间(30、180、360天)、长期持续荷载和硅烷表面处理方式对CFRP-钢界面破坏模式和承载力的影响。研究结果表明：随着海洋大气环境作用时间增加,CFRP-钢双面搭接节点由胶层内破坏伴随CFRP层离破坏逐渐向钢-胶界面粘结失效转变。暴露360天后极限承载力最大下降了15.72%。硅烷表面处理对CFRP-钢界面耐久性提升作用较小。持续荷载导致短期环境作用下(30天)极限承载力下降了18.39%,但对长期环境作用影响很小,高应力预加疲劳导致CFRP-钢界面极限承载力最大下降了26.6%。采用Hart-Smith模型对CFRP-钢界面极限承载力进行计算,发现长期环境作用后的承载力预测值和试验值误差超过了30%。在考虑破坏模式变化对界面极限承载力的影响下进行了修正,将误差减小到最大为14.04%。     

纳米SiO2/低密度聚乙烯复合材料的陷阱特性与电击穿机制

以低密度聚乙烯（LDPE）为聚合物基体,通过熔融共混的方式填充不同粒径的纳米SiO₂无机颗粒,制备纳米SiO₂/LDPE复合材料,研究提高聚乙烯电绝缘性能的纳米改性方法和机制。利用SEM表征纳米SiO₂在LDPE基体中的微观形态和分散程度,采用DSC和偏光显微镜（PLM）分析纳米SiO₂对LDPE基体结晶度和结晶形态的影响,通过热刺激电流法（TSC）分析纳米SiO₂/LDPE复合材料的陷阱密度和陷阱能级,并结合电击穿的Weibull分布研究纳米复合材料的击穿机制。研究结果表明:纳米SiO₂填充可以改变复合材料结晶度,进而增加LDPE基体本征结构缺陷和陷阱密度,同时填充纳米SiO₂颗粒可引入比LDPE基体本征陷阱更深的陷阱能级,纳米SiO₂填充颗粒引入的陷阱能级深度随着复合材料结晶度的增加而先增大后减小,填充浓度3wt%时可最有效地通过俘获载流子而抑制电击穿过程,纳米SiO₂/LDPE复合材料的击穿场强达到最高值。与60 nm SiO₂颗粒相比,30 nm SiO₂填充颗粒具有更高的比表面积,界面电极化导致更高的介电常数,更高密度的纳米界面深陷阱态对于提高电击穿场强更有效。当填充浓度为5wt%时,纳米颗粒的团聚作用导致纳米复合材料的击穿强度降低。基于电双层理论提出了电子捕捉模型和界面结构模型,合理阐释了纳米SiO₂/LDPE复合材料的微观陷阱特性及宏观电击穿机制。      

Effect of carbon nanotube modified epoxy adhesive on CFRP-to-steel interface

The effects of carbon nanotube (CNT) modified epoxy adhesive on CFRP-to-steel interfaces were investigated using double strap joints. The bond behaviours studied were failure modes, bond interface at microlevel, bond strength, effective bond length, CFRP strain distribution and bond-slip relationships.For the first time, a novel type of failure in the CFRP-steel joint was discovered, attributable to weak bonding between woven mesh and CFRP fibres. This failure mode prevented exploitation of the full potential of the carbon fibres and the CNT modified epoxy adhesive. Joints bonded with CNT-epoxy adhesive had an effective bond length of about 60 mm, whereas that of joints bonded with pure epoxy was about 70 mm. The CNT-epoxy adhesive can transfer more load from the host structure to the bonded CFRP laminates, consequently modifying bond behaviour. It is therefore expected that CNT-epoxy nanocomposites will assist in the strengthening and rehabilitation of steel infrastructures using CFRP laminates.     

高温下双搭接钢-CFRP板胶粘界面力学性能试验

高温环境下钢-碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)板的胶粘界面是CFRP粘贴加固钢结构的薄弱环节。为掌握温度对钢-CFRP板胶粘界面力学性能的影响,制作了双搭接接头试件,开展了3种胶粘剂在4种温度下(25℃、55℃、70℃和90℃)的静力拉伸试验。探索了接头试件的破坏模式、荷载-位移关系、CFRP板表面应变分布、界面剪应力分布和粘结-滑移关系等。结果表明:当温度低于55℃时,试件的破坏模式与胶粘剂种类相关性更大,当温度高于70℃时,不同胶粘剂的破坏模式具有相似性,且均出现了CFRP板撕裂。温度对不同胶粘试件的承载力影响存在差异,HJY-4105高韧性环氧树脂结构胶粘剂(HJY胶)试件的承载力随温度的升高而增大,LICA-100A/B 环氧树脂结构胶粘剂(LICA胶)试件的温度稳定性较差,Sikadur-30 CN双组份环氧结构加固碳板胶(SIKA30胶)试件在55℃时承载力最高。随着温度升高,胶粘层的剪切强度、界面剪应力峰值和剪切刚度下降,胶粘剂的延性增加,峰值剪应力不影响试件的抗拉强度。温度对粘结-滑移关系的影响显著,HJY胶随着温度的升高,粘结-滑移本构的延性增加,破坏模式由脆性破坏变为延性破坏。研究表明:合理的耐高温胶应用于钢结构加固,能适应自然高温环境的不利影响。      

玻璃纤维表面纳米SiO_2改性对GF/PCBT复合材料力学性能的影响

为研究玻璃纤维(GF)表面纳米SiO2改性对GF增强树脂基复合材料力学性能的影响,利用真空辅助模压(VAMP)工艺制备了不同含量的纳米SiO2表面改性GF增强聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)复合材料。分析了GF表面改性对GF/PCBT复合材料力学性能的影响,研究了纤维表面改性对GF/PCBT复合材料抗湿热老化性能的影响规律。纤维拔出试验结果表明:经表面处理的GF/PCBT复合材料的界面剪切强度提高了1.16倍;采用含量为0.5wt%和2wt%(与树脂质量比)的纳米SiO2处理GF表面后,复合材料的三点弯曲强度分别提高1.5倍和1.67倍,弯曲模量分别提高1.03倍和1.17倍。SEM结果显示:当纳米SiO2用量为2wt%时,破坏后的纤维表面被树脂完全覆盖,树脂与纤维粘结良好。在湿热条件下,由于纳米SiO2颗粒的存在,水分子很难通过界面相扩散到改性后的材料内部,其抗湿热性能提高。     

纳米SiO2改性竹纤维/乙烯基树脂复合材料界面相容性

以乙烯基树脂(VE)为基体,竹纤维(BF)为增强材料,通过偶联剂KH602对纳米SiO₂进行改性处理,并利用改性后纳米SiO₂分别对竹纤维和树脂进行改性处理,采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺(VARTM)制备了BF/VE复合材料。采用FTIR、SEM对改性后纤维和树脂的表面物理化学状态进行表征,结果表明:改性纳米SiO₂成功化学接枝到竹纤维表面且分散到树脂基体中,改性纳米SiO₂在BF1/VE0.5 (用1.0wt%改性纳米SiO₂改性纤维和0.5wt%改性纳米SiO₂改性树脂)复合材料中分散更为均匀;采用力学试验机和SEM对复合材料力学、断口和表面形貌进行分析,考察改性纳米SiO₂的添加量对BF/VE复合材料力学性能、界面性能的影响。结果表明:BF1/VE0.5复合材料的拉伸、弯曲及冲击强度分别达到最大值49.0 MPa、70.6 MPa和150.4 J/m,与未处理的复合材料相比分别提高了18.9%、26.1%、70.7%。此外,还初步探讨了改性纳米SiO₂的界面增强机制。      

耐紫外线老化改性沥青材料的制备与性能研究

制备了环氧树脂改性沥青和掺杂纳米SiO₂的环氧树脂改性沥青,研究了基体沥青、环氧树脂改性沥青、掺杂纳米SiO₂的环氧树脂改性沥青的耐紫外线老化性能。采用物化指标测试、FT-IR和SEM等方法,研究了添加1%,2%和5%(质量分数)纳米SiO₂对环氧树脂改性沥青耐紫外线老化性能的影响。结果表明,加入纳米SiO₂后,改性沥青的软化点和粘度增加;基体沥青、PA-5%EP、PA-EP-1%SiO₂、PA-EP-3%SiO₂和PA-EP-5%SiO₂的FT-IR光谱几乎在所有峰的位置都是相同的,改性沥青与基体沥青相比,结构没有明显变化;当加入纳米SiO₂含量为5%(质量分数)时,改性沥青的粘附力显著提高,此时,纳米SiO₂颗粒较为均匀地分散到基体沥青的宏观分子网络中,形成了稳定的结构;纳米SiO₂的加入能很好地改善沥青的耐紫外线老化效果,PA-EP-5%SiO₂样品的耐紫外线老化性能最优。     

搭接长度和铺层方式对CFRP复合材料层合板胶接结构连接性能和损伤行为的影响

针对不同搭接长度和铺层方式的碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料层合板单搭胶接结构进行了拉伸试验,观察了试件的受力过程和失效形态,获得了载荷-位移曲线;同时基于连续损伤力学模型和三维Hashin失效准则模拟了CFRP复合材料层合板的层内损伤形成和演化,并利用内聚力模型来模拟层间及胶层的失效损伤,对CFRP复合材料层合板单搭胶接结构在拉伸作用下的失效强度和损伤机制进行了预测,通过对比验证了该数值方法的有效性;通过数值试验比较不同搭接长度和铺层方式的单搭胶接结构及双搭胶接结构的连接强度和损伤行为,并提出了一种优化的CFRP复合材料层合板胶接结构。结果表明:CFRP复合材料层合板胶接结构的极限失效载荷随着搭接长度的增大逐渐增加并趋于稳定值,且结构的失效形式逐渐从胶层自身剪切失效过渡到邻近胶层的层合板层间分层失效;CFRP复合材料层合板胶接结构的连接强度和损伤行为随着铺层方式的不同而改变,通过对3种铺层方式的对比和分析,得到性能最好的铺层方式是[0₃/90₃]_2S;在搭接长度为5~20 mm时,通过对搭接长度进行优化,得到单搭胶接结构的最优搭接长度是17 mm,双搭胶接结构的最优搭接长度是19.3 mm,与搭接长度为20 mm相比,单搭胶接结构和双搭胶接结构的连接强度分别提高了13.26%和0.43%。      

Fe/Al异质金属接头界面组织演变、生长动力学及力学性能

采用真空扩散连接方法研究Fe/Al异质金属接头界面组织演变规律、金属间化合物(intermetallic compound,IMC)生长动力学及力学性能。结果表明：焊接温度为550 ℃时,接头界面无IMC生成,当焊接温度超过575 ℃时,界面由Fe₂Al₅及少量FeAl₃ IMC构成,且随焊接温度升高IMC层迅速长大。在120 min保温时间条件下,接头剪切强度随焊接温度的升高先增加后降低,当焊接温度为575 ℃时,接头剪切强度达到最大值37 MPa。在550~625 ℃范围内,基于热力学分析得出Fe₂Al₅的吉布斯自由能ΔG_Fe-Al最低,而FeAl₃的ΔG_Fe-Al次之,在接头界面处IMC生成顺序为Fe₂Al₅→FeAl₃。Fe/Al接头界面IMC的生长随焊接温度呈抛物线规律,其生长激活能为282.6 kJ·mol^-1。在575,600,625 ℃条件下,界面IMC的生长速率分别为1.13×10^-14,3.59×10^-14,1.21×10^-13 m²·s^-1。