复合材料层板损伤过程的刚度分析

本文对典型铺设的[0₂/±45₂/90₂]_s碳/环氧复合材料层板中的典型损伤状态进行了实验观察,测定出损伤对层板刚度引起的下降率.建立了横向裂纹扩展、分层伴以横向裂纹扩展的三维有限元分析模型,计算出对层板刚度引起的下降率,并与实验值进行了比较.结果表明,横向裂纹和分层是层板的主要损伤型式,分层损伤扩展是一个主导性的稳定的损伤扩展过程,是导致刚度下降的主要因素.     

环氧玻璃钢层合板冲击破坏及其断口微观特征的研究

S-GF/Ep648复合材料层合板[0₉°/θ]_s冲击抗力试验的结果表明其冲击抗力值与铺层角θ无关,只受浸水时间的影响;而另一种铺层形式[+θ₈/-θ₈]的复合材料层合板,在落重冲击试验中却发现:在相同的冲击能量下,θ越大,分层破坏越严重,损伤区面积也越大。利用SEM-505扫描电子显微镜对发生穿透性断裂、层间分层断裂或仅出现冲击损伤等破坏形式的断口表面进行了观察和分析,讨论了影响该复合材料冲击断裂和冲击损伤性能的因素。     

碳纤维/环氧树脂复合材料动态拉伸试验研究与损伤分析

利用MTS试验机和分离式Hopkinson拉杆对2种碳纤维/环氧树脂(T300/epoxy)层合板试件[(45/-45)₄]_S和[(0/45/90/-45)₂]_S进行了准静态(应变率10-5~10-4 s-1)、中速(应变率10-1~101 s-1)和高速(应变率102~104 s-1)冲击拉伸试验。在热力学框架内建立了基于损伤能释放率的弹塑性动力损伤本构模型,用该损伤模型来分析试件的动态拉伸失效过程。模型中提出了3种基本损伤机制(纤维断裂、基体开裂及面内剪切)的演化规律,通过对损伤阈值黏性归一化的方法考虑了应变率对损伤演化的影响。编写了该模型有限元用户材料子程序,并模拟了拉伸试验过程,计算结果表明该模型能够较好地模拟碳纤维/环氧树脂层合板动态拉伸失效过程。     

碳-铝正交层板疲劳行为研究

本研究用真空热压法制备了两种铺层的C/AI正交层板(0/90/0)_s及(90/0/90)_s.在MTS NEW810上进行了一系列疲劳损伤及破坏试验.疲劳损伤的行为研究工作包括:以刚度下降为损伤参数对C/AI正交层板进行了降级应力分析,并由此来预计在△S_h以下,正交层板不会发生疲劳损伤累积.研究了C/Al正交层板在同一应力水平而不同应力范围作用下的疲劳响应,发现试样在疲劳损伤时其刚度下降值相近似,即疲劳破坏的门槛值依赖于所施加的应力水平.依据MMC对各种循环载荷的不同响应,基体的疲劳损伤状态在S-N平面上可分为三种不同的区域:无损伤区,损伤累积区和断裂区.利用扫描电镜及金相显微镜分别对其疲劳断口形貌、基体裂纹进行观察,对该正交层板的疲劳破坏行为进行分析及讨论.结果表明:C/Al正交层板的疲劳断口呈脆断型,其中主承力层(0°铺层)断口平齐,偏轴层(90°铺层)断口平齐最差,层间损伤形式有局部分层、界面连续开裂及复合丝之间基体开裂等三种形式;其疲劳破坏主导因素是层间局部严重损伤及主承力层中复合丝大量断裂由于其疲劳裂纹沿垂直于载荷方向迅速扩展,寻找适中的界面结合强度对改善C/Al层板的疲劳性能有很大影响.     

纤维增强复合材料层合板分层破坏的研究

本文对纤维增强复合材料层合板的分层破坏进行了大量的试验,同时用三维有限元进行应力分析。试验和分析结果表明此类层合板的分层总是发生在θ/90界面上,该界面上不仅层间剪应力大而且层间正应力也大。通过对不同θ/90界面的临界能量释放率的测定表明,对层合板不同的θ/90分层界面的G_ⅠC和G_ⅡC是随θ角的变化而变化。文中对一个Ⅰ型,Ⅱ型耦合型能量释放率分层判据的应用作了改进,试验结果表明此改进是有效的。     

任意铺层开裂复合材料层板本构关系探讨及特例分析

本文作者对含非正交各向异性铺层的约束开裂复合材料层板,提出用分解刚度的方法建立本构关系;给出分解后耦合问题的控制微分方程;作为特例,研究了(-θ_m/90_n/θ_m)_s开裂层板的刚度衰减.     

各向异性损伤理论与复合材料层板损伤测量的实验研究(二)-复合材料层板损伤测量的实验研究

鉴于传统的断裂力学无法用于受损复合材料层板,本文探索了损伤力学在复合材料层板中的应用.文内介绍了复合材料层板损伤试验的概况及损伤测试方法,文中三种层板单向拉伸损伤试验结果的分析表明在单向拉伸载荷下基于J.Lemaitre应变等效性假设的损伤能释放率Y₂可用于描述受损复合材料层板的力学状态,它的演变方程通常可用Y₂=α(σ/σ_c)β的简单函数形式来描述.对特定的层板,α、β是与初始缺陷无关的常数,可由层板损伤试验确定.试验数据表明在单向拉伸载荷下,临界损伤能释放率对特定的层板也是与初始缺陷无关的常数,反应了材料抗损伤扩展的能力.所有这些结论都为进一步建立完整损伤破坏判据奠定了基础.     

热处理对Bi2O3-B2O3-SiO2凝胶玻璃粉体结构与性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备了一种Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂系玻璃粉体,在200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃温度下分别对凝胶玻璃粉体进行热处理,借助SEM、TEM、XRD、FT-IR、Raman、XPS、DSC、热膨胀仪及“纽扣”烧结实验分别测定了经不同温度热处理后玻璃粉体的结构与性能,分析了其结构变化对玻璃粉体转变温度T_g和烧结特性的影响。结果显示,在实验温度范围内,随热处理温度升高,Bi³⁺逐渐进入玻璃网络中,[BiO₆]八面体和[BiO₃]三角体、[BO₄]四面体和[BO₃]三角体分别与[SiO₄]四面体以顶角相连的方式构建玻璃网络结构。O1s和Bi4f的电子结合能逐渐增大,B1s的电子结合能减小,玻璃网络结构稳定性增强,导致玻璃转变温度T_g及玻璃膨胀软化点温度T_d升高、 润湿性降低且热膨胀系数略有降低。经600 ℃热处理后,玻璃粉体具有较优的烧结性能,T_g、T_d分别约为485 ℃及542 ℃,热膨胀系数α约为7.067×10-6/℃。     

复合材料开孔层板压缩渐进损伤试验

为研究碳纤维增强树脂基复合材料开孔层板在压缩加载过程中的损伤起始、演化方式和损伤特点,采用微距拍摄、逐级加载超声C扫描、X光扫描和扫描电子显微镜观测4种观测手段对国产CCF300/5228A[45/0/-45/90]4s、[452/02/-452/902]2s、[454/04/-454/904]s3种铺层方式的开孔层板进行了压缩试验研究。对压缩载荷作用下开孔层板的损伤起始和损伤演化进行了观察和对比。对试验中观测到的纤维微屈曲、纤维挤出、孔边开裂和分层扩展等现象之间的关系进行了分析和说明。试验结果表明:压缩载荷下45°和90°铺层相邻位置为层板易分层位置,含45°和90°铺层相邻位置的开孔层板渐进损伤过程较为明显:开孔层板在压缩载荷下较早出现损伤,损伤的起始和演化缓解了孔边应力集中,促使压缩应变能在孔边逐步释放,推迟开孔层板压缩破坏的发生,提高层板压缩承载能力。研究结果可为材料结构损伤容限设计提供依据。     

团簇NiCo2S4的磁学性能

为探究团簇NiCo₂S₄的磁学性能,本文依据密度泛函理论(DFT)在B3LYP/Lan12dz水平下对团簇NiCo₂S₄进行优化计算,确定了三重态下的6种优化构型,并从轨道成单电子数、自旋布居数、磁矩、自旋密度差、轨道态密度图多个角度对构型进行分析。研究表明:团簇NiCo₂S₄的6种构型中,构型2^{(3)性能最优异,而热力学稳定性最好的构型1(3)在磁学性能方面表现一般,其余构型磁学性能相近。对于团簇NiCo₂S₄的磁性强度,在原子轨道上,s、p轨道对团簇NiCo₂S₄整体的磁性强度贡献较小,d轨道对整体的磁性强度贡献最大;Ni原子和自旋向上的α成单电子是团簇整体磁性强度的主要贡献者,其中,s轨道成单电子数的主要贡献者是S原子,p、d轨道主要是金属原子,Ni原子d轨道主要受α成单电子影响,Co、S原子既受α成单电子的影响又受β成单电子的影响。团簇NiCo₂S₄作为磁性材料时采用构型2(3)}作为模型基础,可以通过增大金属Ni比例来增强磁性。     

复合材料层板+θ/-θ层间断裂韧性研究

本文讨论了纤维增强复合材料层板沿+θ/-θ层间断裂韧性的研究方法;提出在满足一定力学条件时,可沿用机械载荷实验方法测得G_C中“纯机械部分”G_m;结合数值方法计算得出“纯温度部分”G_T,从而得到G_C.给出一个针对DCB试验的充分条件,据此设计铺层并对T300/648和T300/QY8911进行试验和分析(θ=0～30°)、讨论了大变形的影响并提出一个新的修正系数.结合θ对G_C的影响及断口微观形貌作了进一步讨论.     

S2O2-3对DP980高强钢在NaCl水溶液中的点蚀行为的影响

钢是一种冷轧双相高强度结构钢,成本低且具备良好的强度和塑性,在海工领域有巨大的潜在应用价值,但其在苛刻海水环境下的耐腐蚀性能,尤其是耐点蚀等局部腐蚀的能力有待深入研究.本文采用动电位极化法对DP980高强钢在含S₂O₃^2-离子的NaCl水溶液中的点蚀行为进行了研究,结果发现：在纯硫代硫酸钠水溶液中,DP980高强钢不发生点蚀;在不同质量分数的NaCl水溶液中,DP980高强钢发生点蚀,且随着Cl^-离子浓度的增大,DP980高强钢试样的耐点蚀性能下降明显;向NaCl溶液中加入浓度为0.001、0.01、0.1、1 mol/L的Na₂S₂O₃时,DP980高强钢试样的点蚀敏感性降低,点蚀受到明显抑制;随着Na₂S₂O₃浓度的升高,DP980高强钢的腐蚀主要以均匀腐蚀的形式发生;当试样浸泡在不同质量分数(0.1%、1%、10%)NaCl的1 mol/L Na₂S₂O₃溶液后,对试样表面腐蚀产物及腐蚀形貌进行扫描电镜观察及能谱分析,显示试样均发生均匀腐蚀,腐蚀产物为铁的硫化物,且未发现明显的点蚀.     

Al与γ－Al2O3润湿角的计算

本文应用金属的形核理论对目前无法用实验进行准确测定的易氧化金属Al与γ-Al₂O₃的润湿角进行了计算。计算结果发现Al与γ-Al₂O₃的润湿角在30°到50°这一范围之间,即30°<θ≤50°。     

短纤维增强透气性莫来石/铁(A3S2/Fe)复合材料烧结特性的研究

本文研究了A₃S₂/Fe复合材料的烧结特性、透气性和纤维增强效果,分析了烧结过程中材料宏观结构和微观组织的形成机理.实验结果表明:纤维增强A₃S₂/Fe复合材料在900～1000℃具有良好的烧结性能,烧成后表层存在一定厚度的硬化层;纤维增强效果显着.材料抗压强度达17～23MPa,相对透气系数为4.30～9.69cm3/(cm2·s·atm).已能满足实际应用的需要.     

纤维取向对TC4/PEEK/Cf层板抗高速冲击性能的影响

为研究高速冲击条件下TC4/PEEK/Cf层板破坏失效行为和机理,采用空气炮高速冲击试验探索了纤维取向对层板抗高速冲击性能的影响,并建立了误差有效控制的有限元模型。使用验证后的模型对不同变量下层板冲击试验进行算例丰富。试验和模拟结果表明：TC4/PEEK/Cf层板高速冲击下损伤模式主要是金属/复合材料界面分层、复合材料内部层间分层、金属塑性变形、复合材料撕裂断开等。通过对比不同纤维取向层板高速冲击破坏特征发现,TC4/PEEK/Cf层板抗高速冲击性能与纤维铺放角度有关。层板整体耗散冲击能量的性能随纤维交叉角度增大而提高,纤维单向铺放层板的弹道极限和能量耗散率最低,0°/90°纤维取向层板的弹道极限和能量耗散率最高,抗冲击性能最优。     

锌电积用钛基掺聚苯胺热解碳氮SnO2-Sb2O3/PbO2电极

为了得到成本低、电催化活性高和稳定性强的锌电积用钛基二氧化铅电极,本文以聚苯胺热解碳氮(CN)作为钛基锡锑氧化物中间层的掺杂剂,继而沉积制备得到Ti/CN-SnO₂-Sb₂O₃/α-PbO₂-ZrO₂/β-PbO₂-TiO₂(Ti/CN-PbO₂)电极.用SEM、EDS对掺杂碳氮的锡锑氧化物层和Ti/CN-PbO₂电极进行表面形貌观测和元素分析,采用循环伏安,阳极极化曲线和交流阻抗分析掺杂CN的锡锑氧化物层对Ti/CN-PbO₂活性层电化学性能的影响,在30 ℃,150 g/L硫酸,50 g/L Zn²⁺电解液中进行电极强化寿命实验.结果表明,在锡锑氧化物的烧结过程中掺杂一定量的聚苯胺后,能够减轻氧化物层的龟裂现象,同时使得Ti/CN-PbO₂电极表现出更好的电催化活性,Ti/CN-PbO₂电极的加速寿命为925 h,为未掺杂CN的Ti/SnO₂-Sb₂O₃/α-PbO₂-ZrO₂/β-PbO₂-TiO₂(Ti/PbO₂)电极的2.5倍.     

GLARE层板挤压渐进损伤分析

对GLARE36/5层板进行挤压性能试验研究,采用超声C扫描、断口微距拍摄和扫描电子显微镜等方法观测GLARE层板挤压渐进损伤过程和最终破坏模式。结果表明:GLARE层板挤压起始损伤为铝合金塑性变形;损伤扩展阶段,0°纤维主要承受挤压正应力,铝合金塑性变形增大,铺层间分层起始并扩展;0°纤维屈曲折断后层内纤维基体损伤和分层损伤急剧扩展,层板最终发生挤压破坏。将GLARE层板挤压失效分为层内失效和层间失效,采用应变描述的Hashin准则和界面单元方法并引入金属塑性建立GLARE层板挤压渐进损伤数值模型,数值模型对层板损伤起始位置、分层产生位置、损伤演化过程、最终破坏模式及破坏载荷进行了预测,计算结果与试验结果吻合较好,说明该计算方法能够有效模拟GLARE层板挤压渐进损伤性能。      

复合材料对称层合板特征值问题的灵敏度分析

由于复合材料层合板的横向剪切模量较低,因此基于克希霍夫理论而计算的层合板特征值及其灵敏度与实际情况相差较大。本文采用层合板的一阶剪切变形理论,将纤维铺设角、材料参数和从层合板的中面到第K层板上表面的距离Z_K视为设计变量,研究了对称层合板特征值的灵敏度计算问题。     

(Al2O3)f/Al复合材料在强界面结合下的疲劳损伤模式

在拉-拉载荷下测定了(Al₂O₃)_f/Al复合材料的疲劳寿命(S-N)曲线。通过夭折试验以及SEM疲劳断口和纵截面组织结构分析,研究了复合材料的疲劳损伤模式。研究结果表明,(Al₂O₃)_f/Al复合材料的疲劳极限为750MPa,远高于SCS-6碳化硅纤维增强钛基复合材料。该复合材料兼有钛基和树脂基纤维复合材料疲劳损伤的特点,高应力下由单个裂纹的起源和生长导致复合材料的失效;低应力下,疲劳损伤模式包括纤维劈裂、众多基体裂纹和单个基体裂纹的横向扩展。其中纤维劈裂是主控机制。其更高的疲劳极限可归因于低应力下纤维的纵向劈裂。     

NiCo2O4/氧化石墨烯复合材料制备与电化学性能研究

为了研究NiCo₂O₄/氧化石墨烯(NiCo₂O₄/GO)复合材料的电化学性能,本文通过先水热合成前驱体再煅烧的方法制备了一系列NiCo₂O₄/GO复合材料.利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学方法对其进行物理表征,其中以GO质量浓度为1 mg/mL悬浊液制备出的NiCo₂O₄ /GO-3复合材料呈类海胆状结构.在1 M KOH水溶液中使用循环伏安法、恒电流充/放电法和交流阻抗法研究了NiCo₂O₄/GO复合材料电化学性能.研究表明,与纯NiCo₂O₄相比,制备的NiCo₂O₄ /GO复合材料的比容量和赝电容性能均有明显提高,这主要是由于NiCo₂O₄ /GO复合材料中NiCo₂O₄与GO纳米片的相互作用形成的高孔隙率复合结构;NiCo₂O₄ /GO-3复合材料在电流密度为0.5~3.0 A/g时,比电容超过650 F/g,具有良好的倍率性能和高比容量.采用本文方法合成的NiCo₂O₄/GO复合材料,既提高了其倍率性能又保证了高比容量,是一种良好的超级电容器电极材料.