碳纤维/环氧树脂复合材料3.0～6.5 km/s超高速撞击成坑特性研究

为研究碳纤维/环氧树脂复合材料在超高速撞击下的成坑特性,利用二级轻气炮开展了直径为1.00～3.05 mm的铝球以3.0～6.5 km/s的速度正撞击尺寸为100 mm×100 mm×20 mm的碳纤维/环氧树脂复合材料靶板的实验,获得了碳纤维/环氧复合材料靶板的成坑形貌特征,并测量了坑深、成坑表面积、表面损伤面积等尺寸。结合文献数据分析了靶板的无量纲成坑深度p/d_p、无量纲坑径系数D_h/d_p、表面损伤面积等效直径D_e等随撞击速度、撞击能量的变化规律。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的无量纲成坑深度p/d_p和无量纲坑径系数D_h/d_p均与撞击速度呈2/3次幂关系;表面损伤面积等效直径D_e与弹丸撞击能量E呈幂函数关系;成坑深度大于成坑半径。     

Kevlar/环氧树脂层合材料的动静态力学性能及本构关系

利用MTS和SHPB装置开展了Kevlar / 环氧树脂层合材料动静态力学性能实验研究,详细讨论了应变率和纤维铺设方式的不同所引起的材料力学行为的差异。根据实验结果提出了一种经验型本构模型,该模型不仅考虑了材料的应变率硬化、损伤软化效应,还通过增强系数的引入描述了纤维铺设方式对材料力学性能的影响。     

nc-TiC/a-C纳米复合多层薄膜的制备及其摩擦学性能的研究

采用磁过滤阴极弧等离子体沉积技术,在单晶硅片上制备了不同亚层厚度和亚层弹性模量匹配的nc-Ti C/a-C纳米复合多层薄膜,采用X射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对其微观结构进行表征,利用激光扫描仪对其内部应力进行测试,采用微摩擦磨损试验机表征薄膜的摩擦磨损性能,以考察多层结构设计对于薄膜机械性能的影响.结果表明:多层薄膜相对于单层薄膜可以有效降低膜层内应力,同时薄膜的减摩抗磨性能也得到了提高.亚层厚度为40 nm和相邻亚层弹性模量差距较小的nc-Ti C/a-C纳米复合多层薄膜的抗磨性能最佳.     

ZrO_2/rGO多层复合薄膜的构筑及其摩擦学性能研究

将层层自组装(LBL)技术与原位还原过程相结合在单晶硅片表面成功构筑了与基底结合牢固、性能优异的氧化锆/还原氧化石墨烯(ZrO2/rGO)多层纳米复合薄膜.试验中,引入了具有强附着性和还原性的物质-多巴胺,使得氧化石墨烯(GO)片的表面锚固和原位还原可以一步完成.另外,ZrO2粒子的表面组装通过简单、温和的溶液沉积过程来实现.结果证明:复合薄膜中rGO和ZrO2的引入以及多层结构的构筑赋予复合薄膜许多优异的性能.在不进行热处理的情况下,所构筑的ZrO2/rGO多层薄膜表现出优异的力学性能(硬度:11.54 GPa)和摩擦学性能(摩擦系数:0.12~0.17),可作为减摩抗磨涂层被用于微/纳机电系统(MEMS/NEMS)的表面保护和其他领域.     

基体偏压对反应磁控溅射ZrN/α-SiNx纳米多层薄膜结构及性能的影响

采用中频磁控溅射技术在3种偏压条件下(0、-80、-300V)于AISI 440C钢及单晶Si(100)基体表面制备了ZrN/α-SiNx纳米多层薄膜.通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析表征了各纳米多层薄膜微观组织结构,并通过纳米压入仪与真空球-盘摩擦试验机分别测试了各薄膜力学及真空摩擦学性能.重点研究了基体偏压对ZrN/α-SiNx纳米多层薄膜微观组织结构,进而对其力学及摩擦学性能的影响机制.结果表明:较低的基体偏压会导致纳米多层薄膜中ZrN层差的结晶状态,而较高的基体偏压则易于引起ZrN层与SiNx层层间界面的交混.上述两种薄膜组织及结构的变化均不利于该纳米多层薄膜力学及摩擦学性能的改善.在适宜的偏压条件下(-80 V),ZrN/d-SiNx薄膜呈现出具备良好层间界面的晶体/非晶体纳米多层结构,与其他偏压条件制备的纳米多层薄膜相比,该薄膜表现出更好的力学及摩擦学性能.     

微纳米尺度膜/基结构界面性能的实验研究

为了研究铜膜/有机玻璃结构的界面性能,首先对沉积在有机玻璃基底上300nm厚的铜膜进行了单轴压缩实验,部分区域的薄膜因屈曲而脱离基底。选择在膜/基粘接良好区域、膜/基脱粘区域分别进行等位移纳米压痕实验。利用膜/基粘接良好区域处硬度/弹性模量与压痕位移的关系来确定膜/基结构的临界脱粘位移。基于宏观力学中表征界面性能的能量法,利用两个区域等位移的塑性功差值来确定界面能量释放率。研究结果表明:当压痕位移约450nm时,膜/基结构开始出现界面脱粘,实验测得铜膜/有机玻璃结构的界面能量释放率值在6.81~10.32J/m2之间。     

TiSiN/Ag纳米多层涂层的抗菌及摩擦学性能研究

采用多弧离子镀技术,在Ti-6Al-4V合金表面沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层和TiSiN涂层,研究沉积涂层的结构、抗菌及摩擦学性能.利用X射线衍射仪(XRD),X射线光电子能谱仪(XPS)和透射电子显微镜(TEM)表征涂层的成分和结构,用纳米压痕仪测试涂层的硬度.采用Rtec往复式摩擦磨损试验机对涂层在海水环境中的摩擦学性能进行研究,评价了涂层对大肠埃希氏菌和枯草芽孢杆菌的抗菌性能.结果表明:与TiSiN涂层相比,TiSiN/Ag多层涂层表现出较低的摩擦系数;两种涂层在海水中磨损率远小于Ti-6Al-4V基底,其中,TiSiN/Ag多层涂层比TiSiN涂层在海水环境中表现出较低的磨损率;对TiSiN/Ag多层涂层进行24 h抗菌试验后,该涂层对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的抑菌率分别达到99.98%和100%.     

磁控溅射氮化钛/氮化铝纳米多层膜的抗磨性能及其在金属加工刀具中的应用研究

采用新型高速反应真空磁控溅射系统制备了氮化钛/氮化铝纳米多层膜,探讨了周期(λ)对多层膜力学性能及抗磨性能的影响;在微钻针及车刀表面分别制备了上述多层膜,并分别对电路板以及中碳钢棒进行实机加工测试,以验证其实用性.结果表明:通过控制溅射参数可以制备出周期范围为2.4～67.6nm的氮化钛/氮化铝多层膜;当周期λ≤3.6nm时,相应的多层膜具有较高的硬度、良好的粘附性能及优异的抗磨性能.实机测试结果显示,所制备的多层膜可以改善金属车削和微钻削加工条件,改善程度优于单层氮化钛镀膜.     

TIN / Ti 复合膜与多层膜对Ti811 合金高温摩擦性能及微动疲劳抗力的影响

在Ti811钛合金表面分别利用真空阴极电弧沉积技术和磁控溅射技术制备了TiN/Ti复合膜,利用磁控溅射技术制备了TiN/Ti多层膜,测试了膜层的剖面成分分布、膜基结合强度、膜层显微硬度和韧性,对比研究了不同结构膜层对钛合金基材摩擦学性能和高温微动疲劳抗力的影响.结果表明:TiN/Ti复合膜和多层膜均有效提高了钛合金表面的硬度和耐磨性能;电弧沉积TiN/Ti膜层对钛合金高温微动疲劳抗力的改善程度高于磁控溅射TiN/Ti膜层,原因归于电弧沉积TiN/Ti膜层强韧性好、结合强度高,且膜层中的钛颗粒有良好的减摩润滑作用;磁控溅射TiN/Ti多层膜对钛合金高温微动疲劳抗力的改善程度高于磁控溅射TiN/Ti复合膜层,原因是前者韧性高、减摩润滑作用显著.     

氧化铝/钼自润滑结构陶瓷表面三维复合润滑层的制备与摩擦学性能研究

应用先进的激光表面加工技术,在Al_2O_3/Mo层状自润滑结构陶瓷表面制备了微坑型织构.将织构图案作为固体润滑剂的贮存槽,通过在其中引入固体润滑剂形成三维复合润滑层.考察了复配润滑剂对织构化氧化铝/钼复合陶瓷在室温至800℃连续加热过程中的协同润滑作用,并通过磨损表面分析探讨了其在宽温域下的润滑机理.结果表明:通过集成固体润滑剂优异的减摩抗磨性能和微织构特殊的结构特征,可使氧化铝/钼复合陶瓷在室温、中温区域的摩擦学性能得到显著改善,实现了材料在较宽温度范围内的连续润滑.复合Graphite/BaSO_4/CaF_2-BaF_2的表面在室温至800℃温度范围内的摩擦系数均保持在0.45以下.     

碳纤维复合材料动力电池箱体挤压性能研究

通过有限元方法研究碳纤维复合材料箱体挤压性能,以动力电池系统碳纤维复合材料箱体挤压工况为例,基于LS-DYNA仿真有限元应用,重点阐述了碳纤维复合材料有限元仿真材料及夹芯面板铺层设置方法,分析了不同铺层角度对电池包挤压性能的影响。从最大挤压力、平均挤压力水平、能量吸收、比吸能考察碳纤维复合材料箱体电池包挤压性能指标发现,[0°,60°,0°,60°,0°,60°]铺层综合指标占优。有限元仿真技术在碳纤维复合材料上的应用可以有效地指导动力电池碳纤维复合材料箱体性能开发。     

碳纳米管纤维及其传感器力电性能实验研究

基于UTM T150微纳米力学测试系统搭建了纤维力电耦合测试平台,并对碳纳米管纤维进行了多组力电耦合作用下的拉伸性能实验研究。通过观察分析碳纳米管纤维的电阻-应变曲线,发现其电阻变化与应变大小密切相关,随着应变的不断变大,碳纳米管纤维的电阻也在逐渐增加。基于此,设计制作了碳纳米管纤维柔性应变传感器,并将其贴在标准试件上分别进行了弯曲变形测试、单次/循环加载性能测试以及标定实验。结果表明:当对试件进行加载时,碳纳米管纤维柔性应变传感器的电阻会随着载荷的增大而增大;当载荷逐渐消失时,其电阻会逐渐减小直至回归初始电阻值附近。这表明碳纳米管纤维具备优异的电学与力学特性,并且利用它所制作的柔性应变传感器也有着较好的灵敏度与稳定性。     

Immobilization of Ti02 nanoparticles on activated carbon fiber and its photodegradation performance for organic pollutants

The immobilization of titanium dioxide （TiO2） on activated carbon fiber （ACF）, （TiO2/ACF）, was accomplished by sol-gel-adsorption method followed by calcination at temperatures varying from 300 to 600℃ in an argon atmosphere. The material properties were determined by scanning electron microscope （SEM）, X-ray diffraction （XRD） and nitrogen adsorption. The photodegradation behavior of TiO2 /ACF was investigated in aqueous solutions using phenol and methyl orange （MO） as target pollutants. The effects of calcination temperature, photocatalyst dosage, initial solution pH and radiation time on the degradation of organic pollutants were studied. It was found that organic pollutants could be removed rapidly from water by the TiO2/ACF photocatalyst and the sample calcined at 500℃ exhibited the highest removal efficiency. Kinetics analysis showed that the photocatalytic degradation reaction can be described by a first-order rate equation. In addition, the possibility of cyclic usage of the photocatalyst was also confirmed. Moreover, TiO2 is tightly bound to ACF and can be easily handled and recovered from water. It can therefore be potentially applied for the treatment of water contaminated by organic pollutants.     

Immobilization of TiO2 nanoparticles on activated carbon fiber and its photodegradation performance for organic pollutants

The immobilization of titanium dioxide(TiO2) on activated carbon fiber(ACF),(TiO2/ACF),was accomplished by sol-gel-adsorption method followed by calcination at temperatures varying from 300 to 600℃ in an argon atmosphere.The material properties were determined by scanning electron microscope(SEM),X-ray diffraction(XRD) and nitrogen adsorption.The photodegradation behavior of TiO2/ACF was investigated in aqueous solutions using phenol and methyl orange(MO) as target pollutants.The effects of calcination temperature,photocatalyst dosage,initial solution pH and radiation time on the degradation of organic pollutants were studied.It was found that organic pollutants could be removed rapidly from water by the TiO2/ACF photocatalyst and the sample calcined at 500℃ exhibited the highest removal efficiency.Kinetics analysis showed that the photocatalytic degradation reaction can be described by a first-order rate equation.In addition,the possibility of cyclic usage of the photocatalyst was also confirmed.Moreover,TiO2 is tightly bound to ACF and can be easily handled and recovered from water.It can therefore be potentially applied for the treatment of water contaminated by organic pollutants.     

Investigation on the effective conductivities of carbon/carbon fiber composites with inhomogeneous interphase

I.Intr0ducti0nThestudyofeffectivethermalconductivitiesofcompositesisaclassicaltopic.Theearlyresearcheswerec0ncernedmainIycompositesconsistingofisotropicphases,wheretheinterfacebetweentu'oconstituentswasassumedtobeperfect,i.e.,thetemperatureandheatfluxfiel…     

炭纤维织物/环氧树脂基复合材料的摩擦磨损性能研究

研究了炭纤维织物/环氧(CF/EP)复合材料与45#钢在环-环端面干摩擦状态下的摩擦磨损特性,考查了制备工艺和MoS2与石墨不同配比等对CF/EP复合材料干摩擦性能的影响,采用扫描电子显微镜观察复合材料及其偶件磨损表面形貌.结果表明:半干法制备的环氧树脂体积分数为40%的CF/EP复合材料的摩擦系数稳定;纯CF/EP复合材料主要表现为粘着磨损特性;MoS2与石墨改性后复合材料摩擦磨损性能明显改善,质量比为1.5∶1的MoS2与石墨改性CF/EP复合材料具有最佳的摩擦磨损性能,其稳态摩擦系数为0.14～0.15,磨损量3.15×10-5 mg/r.     

Plate/shell structure topology optimization of orthotropic material for buckling problem based on independent continuous topological variables

The purpose of the present work is to study the buckling problem with plate/shell topology optimiza-tion of orthotropic material.A model of buckling topology optimization is established based on the independent,con-tinuous, and mapping method, which considers structural mass as objective and buckling critical loads as constraints. Firstly, composite exponential function (CEF) and power function(PF)as filter functions are introduced to recognize the element mass,the element stiffness matrix,and the ele-ment geometric stiffness matrix.The filter functions of the orthotropic material stiffness are deduced. Then these fil-ter functions are put into buckling topology optimization of a differential equation to analyze the design sensitiv-ity.Furthermore,the buckling constraints are approximately expressed as explicit functions with respect to the design vari-ables based on the first-order Taylor expansion.The objective function is standardized based on the second-order Taylor expansion. Therefore,the optimization model is translated into a quadratic program.Finally,the dual sequence quadratic programming(DSQP)algorithm and the global convergence method of moving asymptotes algorithm with two different filter functions(CEF and PF)are applied to solve the opti-mal model.Three numerical results show that DSQP&CEF has the best performance in the view of structural mass and discretion.     

几种高性能纤维束的冲击动力学性能实验研究

利用直拉式Hopkinson装置研究了碳纤维、无碱E玻璃纤维、Kevlar 4 9/96 4 /96 4c、Twaron2 0 0 0、DyneemaSk6 6等纤维的动态拉伸性能。与准静态加载条件下相比 ,纤维束的拉伸强度基本与应变速率无关(玻璃纤维除外 ) ,而纤维束的弹性模量和失效应变随应变率的升高而明显变大。从高分子物理以及两种无机纤维的内部微观结构特征对纤维的力学性能与加载速率的关系进行了初步的物理阐释。讨论了实验数据的发散原因。     

C/C复合材料微观结构对其制动摩擦磨损性能的影响

采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)等手段研究了基体炭分别为树脂炭和粗糙层热解炭结构的C/C复合材料的微观结构,并探讨了材料的微结构对其制动摩擦磨损性能的影响.结果表明:炭纤维附近的树脂炭被高度石墨化,导致树脂炭样件具有适当、稳定的摩擦系数;树脂炭片层之间存在明显的裂纹,远离炭纤维的树脂炭仍是各向同性结构,容易被剪切力剪断,产生大量碎屑,破坏了摩擦动态平衡,磨损量大是制约其作为优良制动摩擦材料的关键因素.     

Al2O3陶瓷复合靶抗长杆弹侵彻性能和机理实验研究

用DOP(depthofpenetration)实验研究了质量分数为 90 %的Al2 O3 陶瓷复合靶抗长杆弹侵彻性能。实验表明 :随陶瓷厚度的增加 ,以差分效益系数和靶平均阻力表征的陶瓷复合靶的抗长杆弹侵彻性能降低 ;盖板能增强陶瓷复合靶抗侵彻性能。对回收陶瓷和盖板的破坏特征分析表明 :长杆弹对陶瓷复合靶侵彻过程大致可分为初期侵彻和稳定侵彻两个阶段 ,但对薄靶和厚靶 ,两个阶段在整个侵彻过程中所占比重不同。