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考虑温度效应的复合材料紧固结构面外拉脱性能和失效机制

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复合材料学报 2024年第9期41卷 4778-4790页

作者：刘鸿森黄凯黄金钊韩晓剑逯浩骆杨张莉果立成哈尔滨工业大学航天学院航天科学与力学系

高低温交变是航空航天领域复合材料紧固件的典型服役环境，而紧固件的力学性能与服役环境温度密切相关。为了研究温度环境对不同紧固件拉脱力学性能的影响，设计了一种适用于高低温环境的新型拉脱试验夹具，并开展了碳纤维增强双马来酰... 详细信息

高低温交变是航空航天领域复合材料紧固件的典型服役环境，而紧固件的力学性能与服役环境温度密切相关。为了研究温度环境对不同紧固件拉脱力学性能的影响，设计了一种适用于高低温环境的新型拉脱试验夹具，并开展了碳纤维增强双马来酰亚胺树脂复合材料面外拉脱试验。通过声发射(AE)技术、光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)对拉脱失效机制进行多维度表征，揭示了服役温度对两种典型复合材料紧固件面外拉脱失效机制的影响规律。研究表明，随着温度升高，凸头紧固件的拉脱强度会逐步降低，而沉头紧固件的拉脱强度先升高后降低。温度会影响紧固件拉脱过程中的损伤模式，并在高温环境下观测到基体失效呈现“河流”模式，证实了高温环境中层间裂纹扩展过程存在基体塑性变形，这为沉头紧固件拉脱强度随温度上升的现象提供了合理的解释。

关键词：新型试验夹具斜纹织物层合板拉脱失效失效分析声发射

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碳纳米管材料的制备及其应用研究进展

稀有金属材料与工程 2024年第6期53卷 1781-1796页

作者：张迎晓周帆赖陈郑铮辉王滢周文元王金淑北京工业大学材料与制造学部北京100124

碳纳米管是由高度石墨化碳原子组成的管状结构,它的sp2轨道杂化结构使其具有独特的物理及化学性能,如机械强度高、吸附性能好、化学性能稳定、导电性好,在力学、电学和能源存储等方面都具有广泛的应用前景。然而,碳纳米管生长是一个非... 详细信息

碳纳米管是由高度石墨化碳原子组成的管状结构,它的sp2轨道杂化结构使其具有独特的物理及化学性能,如机械强度高、吸附性能好、化学性能稳定、导电性好,在力学、电学和能源存储等方面都具有广泛的应用前景。然而,碳纳米管生长是一个非常复杂的过程,原料组成、制备方法和环境条件都会对碳纳米管的生长速度、形貌和性能产生重要影响。通过调控碳纳米管生长过程可以获得形状不一、性能不同的碳纳米管。本文综述了制备方法、衬底材料、催化剂、生长气氛对碳纳米管形貌和性能的影响,讨论了碳纳米管的生长机理,总结了碳纳米管在能源存储、材料增韧、催化产氢等领域的应用,分析了碳纳米管的制备和可控生长面临的问题及未来发展方向,以期为碳纳米管的可控生长、大规模制备提供参考。

关键词：碳纳米管制备方法衬底材料催化剂生长机制

3D打印连续纤维复合材料工艺、结构优化研究进展

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力学进展 2024年第2期54卷 391-425页

作者：叶红玲董永佳毛鹏琪肖扬解佳琳北京工业大学力学系北京100124

连续纤维增强复合材料由于优异的比强度、比刚度、可设计性和轻量化特质,日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐.3D打印技术的发展改变了连续纤维复合材料结构的生产制造流程,使复杂结构的自由成型成为可能,为先进结构材料提供了巨... 详细信息

连续纤维增强复合材料由于优异的比强度、比刚度、可设计性和轻量化特质,日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐.3D打印技术的发展改变了连续纤维复合材料结构的生产制造流程,使复杂结构的自由成型成为可能,为先进结构材料提供了巨大的设计空间.为充分发挥先进材料性能优势和3D打印成型灵活性,研究人员分别从材料性能和结构设计出发,探索与3D打印连续纤维复合材料相适应的设计制造一体化解决方案,实现产品创新设计和性能提升.本文系统性地回顾了面向连续纤维复合材料性能分析、工艺改进和结构优化的研究工作,结合研究实践对连续纤维复合材料的结构多尺度优化方法进行总结分析,并对未来先进材料结构设计实时化、功能化、智能化的发展趋势进行探讨和展望.

关键词：连续纤维复合材料 3D打印力学性能工艺优化多尺度优化

O相对Ti2AlNb合金B2基体相拉伸性能影响的分子动力学模拟

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稀有金属材料与工程 2024年第6期53卷 1701-1708页

作者：李萍丁瑞东张勇强石成峰郅强薛克敏合肥工业大学材料科学与工程学院安徽合肥230009

本研究基于分子动力学研究了Ti2AlNb合金中不同数密度的O相对基体B2相力学性能的影响。结果表明:B2相中含有O相时材料的屈服强度和塑性均得到了提升。这是因为在拉伸变形过程中析出相阻碍了基体中滑移系的开动,从而提高了基体B2相的塑... 详细信息

本研究基于分子动力学研究了Ti2AlNb合金中不同数密度的O相对基体B2相力学性能的影响。结果表明:B2相中含有O相时材料的屈服强度和塑性均得到了提升。这是因为在拉伸变形过程中析出相阻碍了基体中滑移系的开动,从而提高了基体B2相的塑性变形抗力。研究发现材料塑性的提升主要与内应力的释放有关,其中B2相通过马氏体相变释放内应力占主导作用,位错释放内应力为次要作用。当基体B2相中含有O相时,O相对位错阻碍作用会导致应力集中,从而诱导大量bcc结构发生马氏体相变,在此过程中应力集中的程度降低,延缓了孔洞形核长大;另一方面由于O相为韧性相,因此孔洞在O相和B2相边界生长受到抑制,从而使Ti2AlNb合金的塑性和韧性大大提高。并且随着析出相数密度的增加,材料的屈服强度和屈服应变下降,但其强度和塑性相比不含O相时仍有提升。这是因为随着O相数密度的增加,导致变形过程中基体原子发生马氏体相变的比例降低,因此相变对应力集中的释放程度降低,孔洞的产生与扩大速度提高,从而使材料更容易发生断裂失效。

关键词：分子动力学 Ti2AlNb O相数密度马氏体相变

颗粒负载氧化石墨烯复合水泥基材料的微观结构及自修复性能

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复合材料学报 2024年第6期41卷 3079-3091页

作者：胡德鑫单玉玺王海亮李东旭张毅安徽工业大学材料科学与工程学院马鞍山243002 南京工业大学材料科学与工程学院南京210009

以纳米SiO_(2)、CaCO_(3)粉体为氧化石墨烯(GO)载体得到SiO_(2)-GO(SG)、SiO_(2)-CaCO_(3)-GO(SCG),并将其掺入水泥基材料中,实现GO在水泥基材料中的分散,并研究其掺入对水泥基材料力学和自修复性能、水化产物和微观结构等方面的影响。... 详细信息

以纳米SiO_(2)、CaCO_(3)粉体为氧化石墨烯(GO)载体得到SiO_(2)-GO(SG)、SiO_(2)-CaCO_(3)-GO(SCG),并将其掺入水泥基材料中,实现GO在水泥基材料中的分散,并研究其掺入对水泥基材料力学和自修复性能、水化产物和微观结构等方面的影响。研究表明:SG和SCG掺入进一步提高了水泥基材料的力学性能,SCG掺入水泥28天抗折和抗压强度较空白试样分别提高了7.3%和18.7%,高于掺入SiO_(2)和SG试样。SCG掺入使水泥石具有良好的自修复性能,其中抗压强度修复率达到110.6%,28天抗渗性能修复率达到100%,裂缝面积测试表明SCG对于水泥基材料裂缝具有更明显的修复效果。XRD分析显示SiO_(2)、SG和SCG掺入均有助于促进水泥早期水化。TG分析表明,随着水化龄期的延长,SCG复合水泥试样中Ca(OH)_(2)和SiO_(2)之间的反应程度较高,与早期水化3天相比,SCG复合水泥基材料28天Ca(OH)_(2)含量降低至14.90%。微观结构分析表明SCG与水泥石界面具有更好的相容性,能够促进水泥水化后期生成较多水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,有效填充水泥石微观裂缝,SCG复合水泥基材料具有优良的自修复性能。

关键词：氧化石墨烯纳米SiO_(2) 力学性能微观结构自修复

PVDF/PPy柔性直流纳米发电机的制备与性能

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复合材料学报 2024年第6期41卷 2980-2990页

作者：李金徽刘晓东金欣史善静王闻宇天津工业大学材料科学与工程学院天津300387 天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387

针对传统纳米发电机为交流输出,仍需采用外部整流器进行直流转化而导致的难以高度集成、柔性化和较低的功率密度问题,本文将聚偏氟乙烯(PVDF)静电纺膜作为基底,在其表面气相聚合聚吡咯(PPy),制得PVDF/PPy复合纳米纤维膜,并依据肖特基整... 详细信息

针对传统纳米发电机为交流输出,仍需采用外部整流器进行直流转化而导致的难以高度集成、柔性化和较低的功率密度问题,本文将聚偏氟乙烯(PVDF)静电纺膜作为基底,在其表面气相聚合聚吡咯(PPy),制得PVDF/PPy复合纳米纤维膜,并依据肖特基整流原理,以该复合纳米纤维膜构建直流纳米发电机。研究了不同聚合时间下氧化剂浓度对PVDF/PPy复合纳米纤维膜形貌和直流纳米发电机机电性能的影响。结果表明:当氧化剂浓度为2.0 mol/L,聚合时间为90 min时,电输出性能最优,对应峰值电压输出为1.23 V,峰值电流输出为210.55μA,理论功率密度达到28.77μW/cm^(2)。本项研究展示的PVDF/PPy直流纳米发电机,其能源转换机制源于压电高分子的压电效应和肖特基结的整流效应。该类直流纳米发电机具备柔韧、集成式和自整流的特征,可灵活用于各种场所,直接为电子设备提供电能。

关键词：纳米发电机压电聚合物肖特基结 PVDF PPy

2D-SiC_(f)/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂试验及表征

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无机材料学报 2024年第1期39卷 45-50页

作者：师维刚张超李玫王晶张程煜西北工业大学材料学院NPU-SAS联合研究中心西安710072 西北工业大学极端力学研究院西安710072 西北工业大学材料学院西安710072 西安科技大学理学院力学系西安710600

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC... 详细信息

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC_(f)/SiC的层间裂纹驱动的加载数据,得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程,通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程,探究了2D-SiC_(f)/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiC_(f)/SiC的层间断面特征,揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明:W-DCB方法测量的2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型初始能量释放率与DCB方法等效;2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型断裂过程中,裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征,反映了2D-SiC_(f)/SiC层间约束关系的复杂性;层间断面为结构性非完全损伤,发生了局部纤维桥连现象。

关键词： 2D-SiC_(f)/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂表征分析纤维桥连

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变翼尖机翼技术的研究现状与发展趋势

航空学报 2024年

作者：李斌张泽南贾飞孙健刘彦菊冷劲松哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨工业大学航天科学与力学系

机翼翼尖对飞行器的气动性能和操控性能有重要影响，在起飞、爬升、巡航、下降等不同飞行阶段，飞行器对机翼翼尖几何参数有不同需求。变翼尖机翼技术是一种多功能、局部变体技术，可用于提升机翼气动性能、提高燃油效率、减轻阵风载荷... 详细信息

机翼翼尖对飞行器的气动性能和操控性能有重要影响，在起飞、爬升、巡航、下降等不同飞行阶段，飞行器对机翼翼尖几何参数有不同需求。变翼尖机翼技术是一种多功能、局部变体技术，可用于提升机翼气动性能、提高燃油效率、减轻阵风载荷、强化操控性能等用途。从气动特性、结构响应和操控特性三方面，对变翼尖机翼技术效益进行梳理，从翼尖变形形式、材料与结构组成两个角度，展开对变翼尖机翼技术研究现状的讨论，指出变翼尖机翼技术正在向多功能集成、组合变形和智能化方向发展。提出变翼尖机翼技术亟需解决的四项关键技术，即全局气动优化、变形/承载一体化蒙皮技术、高效驱动系统设计、智能控制技术，分析了各项关键技术的技术特点和研究难点。

关键词：变体飞行器变翼尖机翼气动特性结构响应操控特性智能材料与结构

基于超声透射特性的复合材料粘接结构粘接质量预测

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机械工程学报 2024年第4期60卷 230-238页

作者：宋国荣宋协宏吕炎刘兵何存富吴斌北京工业大学材料与制造学部北京100124

以非接触式超声检测方法为基础,对复合材料粘接结构的粘接质量进行仿真与试验探究。首先,建立复合材料粘接结构的超声透射特性时域仿真模型,提取其频域透射系数谱,并着重分析界面弱化及内聚弱化对粘接结构中超声透射特性的影响规律。同... 详细信息

以非接触式超声检测方法为基础,对复合材料粘接结构的粘接质量进行仿真与试验探究。首先,建立复合材料粘接结构的超声透射特性时域仿真模型,提取其频域透射系数谱,并着重分析界面弱化及内聚弱化对粘接结构中超声透射特性的影响规律。同时,仿真所得不同粘接状态的超声透射系数频谱与平面波理论的计算结果吻合良好。此外,制备具有不同粘接界面状态及胶层内聚弱化状态特征的纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer,FRP)粘接结构。基于水浸超声测量系统,试验探究不同粘接界面状态及内聚弱化状态对超声透射系数谱的影响,分析粘接结构中超声透射特性随其粘接质量的变化关系,并与仿真结果一致。此外,根据复合材料粘接结构中粘接质量与超声透射特性之间的映射关系,亦为复合材料粘接结构的无损表征与评价奠定了坚实基础。

关键词：粘接结构复合材料弱粘接超声透射水浸试验