碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究

评价了用不同含量碳纳米管(CNTs)改性聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的力学性能,利用MM-200型摩擦磨损试验机研究了CNTs含量对PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响,借助于扫描电子显微镜观察分析了试样磨损表面及磨屑形貌,并探讨其磨损机理.结果表明:CNTs能够提高PTFE复合材料的硬度和冲击强度,在本文研究范围内,当CNTs的质量分数为7%时,PTFE复合材料的力学性能最佳;CNTs能够增加PTFE复合材料的摩擦系数、降低其磨损量,当其质量分数为10%时,PTFE复合材料的耐磨损性能最佳.纤维状碳纳米管可以阻止PTFE带状结构的大面积破坏,以及在摩擦过程中于偶件表面能够形成转移膜并隔离复合材料与偶件的直接接触是其减摩耐磨作用的主要原因.     

玻璃微珠增强超高分子量聚乙烯的耐磨耐热性能研究

采用热压成型工艺制备了偶联玻璃微珠填充的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料,通过万能材料试验机、洛氏硬度计考察了玻璃微珠含量对复合材料力学性能、硬度的影响,对复合材料进行了X射线衍射分析(XRD)、差示扫描量热分析(DSC)和静态热机械分析(TMA),通过热变形、维卡温度测定仪考察了玻璃微珠含量对复合材料维卡软化温度的影响,通过高速环块磨损试验机和自制砂浆磨损水浴试验装置考察了玻璃微珠含量对复合材料耐摩擦磨损性能的影响,通过扫描电子显微镜观察复合材料磨损表面形貌并分析了其磨损机理.结果表明:偶联玻璃微珠在UHMWPE体系中起填充增强作用,能有效提高复合材料的硬度、维卡软化温度、熔点和玻璃化转变温度,从而降低材料的摩擦系数与磨耗.维卡软化温度最多能提高12.5%,而磨损质量最多能降低62%,玻璃微珠质量分数在5%~20%之间效果明显,材料的力学性能随玻璃微珠的含量增加而有所下降.     

多壁碳纳米管-高聚物纳米复合材料的抗蠕变性能

通过双螺杆挤出机和模压成型设备制备了两种不同长径比的多壁碳纳米管(MWNT)增强的聚丙烯(PP)纳米复合材料.实验表明,通过添加1%体积含量的MWNT,聚丙烯的抗蠕变性能得到很大提高,即长时间加载后,基体的蠕变变形量和蠕变率均显著降低.同时,在特定载荷下,纳米复合材料的蠕变寿命比纯基体提高了10倍.几种载荷传递机理导致了材料抗蠕变性能的增强:(1)碳纳米管和基体之间较好的界面性能,(2)碳纳米管限制了基体内无定型分子链的活动性,以及(3)碳纳米管的较高的长径比.差分热扫描(DSC)的结果显示了材料蠕变前后结晶的变化和载荷传递机理分析是一致的.这些实验结果显示,在不增加成本的基础上可以大大提高抗蠕变的聚合物纳米复合材料的工程应用.     

碳纳米管的力学性能及碳纳米管复合材料研究

对碳纳米管力学行为和碳纳米管复合材料的研究文献进行了综述.首先介绍了碳纳米管结构稳定性和力学性能的研究进展,包括理论模拟和实验的研究结果.结果表明,碳纳米管有着优异的力学性能,其在复合材料应用方面有着巨大的潜力.然后,系统地总结了碳纳米管在增强高分子材料、金属材料和陶瓷材料方面的应用,指出外场力传递效应是值得关注的课题.最后,对该领域工作做了一些讨论和展望.      

三维编织复合材料模量的双尺度有限元计算

针对三维编织复合材料的力学性能进行了双尺度有限元(TSA)数值计算,给出了计算模型和算法过程,并将数值结果与文献中的实验数据进行了比较,验证了算法的物理准确性。编织复合材料的力学性能不仅依赖于材料的基本组份,也与细观构造相关。双尺度有限元计算可以数值模拟出三维编织复合材料的整体力学性能,从而为材料的研发提供指导。本文的双尺度有限元三维数值计算方法可以推广到其他增强／孔隙等多相复合材料的数值模拟。     

镍涂层对碳纳米管/镁复合材料界面结合强度影响的分子动力学模拟

使用分子动力学模拟方法研究了镍涂覆单壁碳纳米管(SWCNTs)增强镁基复合材料的力学行为.结果表明,镍涂覆SWCNT/Mg复合材料的杨氏模量显著大于未涂覆SWCNT/Mg复合材料的杨氏模量,在碳纳米管表面修饰的Ni涂层可有效传递碳纳米管和Mg基体之间的载荷.此外,还研究了Ni涂层数对SWCNT/Mg复合材料界面结合强度的影响.对于不同Ni涂层数,即无Ni涂层、1层Ni涂层和2层Ni涂层,涂覆1层Ni和2层Ni的SWCNT从Mg基体中完全拔出后的界面结合强度分别约为无Ni涂层SWCNT/Mg复合材料界面结合强度的3.9和11.9倍.     

界面强度对玻璃微珠填充聚丙烯力学性能的影响

本文针对玻璃微珠填充聚丙烯这一刚性粒子填充聚合物复合体系进行了实验研究。通过偶联剂改性对比,研究了该聚合物复合材料在不同界面粘结状态下的宏观拉伸、冲击力学性能。此外,根据冲击破坏断面的电镜观测结果,发现复合体系的断裂和增韧机制随界面粘结强度不同而发生改变,界面改性使得材料抗冲击破坏能力得到增强。本文还采用在位拉伸过程中的细观观测方法,观测到材料在一维应力作用下,刚性粒子和基体界面的脱粘、开裂过程,分析了该复合体系细观结构和宏观力学性能之间的关系,发现界面改性对于材料细观结构的界面脱粘和宏观屈服现象的重要影响,为发展新型复合材料提供了实验依据。     

碳化硼颗粒增强二硅化钼复合材料的摩擦学性能

采用快速热压烧结法制备了 B4 C颗粒增强 Mo Si2 基复合材料 ,研究了填料含量对材料的微观结构、力学性能以及摩擦学性能的影响 .结果表明 ,随 B4 C含量的增加 ,复合材料的硬度增大 ,摩擦系数及磨损率降低 .其原因在于 B4 C抑制 Mo Si2 的氧化、减少颗粒间玻璃相的生成 ,从而提高了颗粒间的界面结合强度 .此外 ,摩擦过程中生成的摩擦化学产物也有助于提高材料的摩擦学性能     

ATP改性UHMWPE水润滑轴承材料的摩擦学特性研究

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)轴承材料在低速重载工况下常发生严重磨损,通过添加改性填料能够显著提升其摩擦学性能. 凹凸棒土(ATP)作为一种改性填料能够增强基体材料的机械性能进而改善其摩擦特性,但是ATP作为填料往往会因为团聚效应而降低材料的补强效果. 通过对ATP进行表面改性处理可克服团聚效应,实现ATP与基体间的均匀共混. 通过表面化学包覆改性法制备由硅烷偶联剂KH570改性处理的ATP与UHMWPE共混制成复合材料,并与纯UHMWPE材料作对照试验. 利用RTEC摩擦试验机研究复合材料在水润滑条件下摩擦系数随载荷和转速的变化,以及材料填充含量对复合材料在低速重载(v=0.55 m/s、F_z=55 N)工况下磨损性能的影响. 利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)与电子万能材料试验机分别对ATP改性效果、熔融结晶行为及复合材料的重要力学性能进行表征测试. 试验结束后,利用表面轮廓仪与激光共聚焦显微镜观察复合材料表面形貌并分析其磨损机理. 结果表明:硅烷偶联剂KH570对ATP的改性效果良好,填充改性ATP能提高材料的邵氏硬度,且材料的拉伸性能随填充含量的提高呈下降趋势;对比纯UHMWP材料,复合材料的摩擦系数更低,适量的ATP填充能改善材料磨损性能,减小体积磨损率;试验中改性ATP质量分数为1%的复合材料其摩擦学性能最优,在低速重载时的摩擦系数及体积磨损率与纯UHMWPE相比分别降低了52.45%和37.58%.      

一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法

界面在颗粒增强复合材料中起到传递载荷的关键作用, 界面性能对复合材料整体力学行为产生重要影响. 然而由于复合材料内部结构较为复杂, 颗粒与基体间的界面强度和界面断裂韧性难以确定, 尤其是法向与切向界面强度的分别预测缺乏有效方法. 本文以氧化锆颗粒增强聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料为研究对象, 提出一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法. 首先, 实验获得纯PDMS基体材料及单颗粒填充PDMS试样的单轴拉伸应力$\!-\!$应变曲线, 标定出PDMS基体材料的单轴拉伸超弹性本构关系; 其次, 建立与单颗粒填充试样一致的有限元模型, 选择特定的黏结区模型描述界面力学行为, 通过样品不同阶段拉伸力学响应的实验与数值结果对比, 分别给出颗粒与基体界面的法向强度、切向强度及界面断裂韧性; 进一步应用标定的界面力学参数, 开展不同尺寸及不同数目颗粒填充试样的实验与数值结果比较, 验证界面性能预测结果的合理性. 本文提出的界面力学性能预测方法简便、易操作、精度高, 对定量预测颗粒增强复合材料的力学性能具有一定帮助, 亦对定量预测纤维增强复合材料的界面性能具有一定参考意义.      

基于非线性弹簧界面的复合材料分层损伤预测

基于功能等效的原理,用自定义本构的非线性弹簧模拟复合材料层间界面,弹簧的刚度随着界面层的牵引力-位移曲线变化,可以表征界面材料性能的线性和非线性退化过程。对复合材料单一型分层和混合型分层损伤演化过程进行了模拟分析,研究了单元尺寸、界面强度等参数对模拟结果的影响机理。结果表明:非线性弹簧界面单元能够准确地模拟分层损伤的起始和扩展过程,使用非线性弹簧模拟界面可以减小计算模型规模,与内聚力单元相比计算效率提高约10倍;裂纹每扩展一个单元长度所需要的能量与单元尺寸成正比,单元尺寸越大,裂纹扩展所需要的能量越大;界面强度越低,初始裂纹尖端张开过程越平缓,模型的收敛性越好,可以通过降低弹簧单元界面强度来减小模型计算规模。     

考虑碳纳米管非均匀分布的复合材料电导率计算

碳纳米管作为导电相在机敏复合材料中广泛应用,但碳纳米管为团簇材料,在基体中很难均匀分散。本文考虑碳纳米管的非均匀分布特性,提出了计算碳纳米管复合材料电导率的数值方法。通过引入随机谐和函数,建立了碳纳米管体积分数的三维随机场模型。基于细观力学的有效介质理论、Mori-Tanaka方法和H-S界限理论,考虑碳纳米管之间的隧穿效应,发展了复合材料微小体积单元的电导率计算方法。在此基础上,构建了考虑碳纳米管非均匀分布的复合材料等效电导率三维有限元计算模型。数值分析结果与试验值能够很好吻合,表明这一方法可以准确计算碳纳米管复合材料的电导率。本文进一步分析了碳纳米管非均匀分布对复合材料电导率的影响。     

功能梯度碳纳米管增强复合材料板弯曲和模态的广义有限差分法

由复合材料构成的板结构一直以来受到很大关注,其中功能梯度碳纳米管增强复合材料(functionally graded carbon nanotube-reinforced composite,FG-CNTRC)具有异常优越的力学性能,使得诸多学者展开了对功能梯度碳纳米管增强复合材料板结构力学行为的研究.本文以FG-CN...     

ATP-TiO2杂化材料形貌对UHMWPE复合材料微动磨损性能的影响

以钛酸四丁酯为前驱体,凹凸棒石(ATP)为载体,分别采用溶胶凝胶法和蒸汽法制备了两种不同形貌的凹凸棒石-二氧化钛(ATP-TiO₂)杂化材料,并以质量分数为5%的含量填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE). 通过对比相同微动摩擦条件下超高分子量聚乙烯、凹凸棒石及凹凸棒石-二氧化钛杂化填料填充超高分子量聚乙烯复合材料的摩擦学性能,探究了凹凸棒石-二氧化钛杂化材料微观形貌影响复合材料微动磨损性能的机理. 结果表明:杂化材料的耐热性能较凹凸棒石有显著提升;蒸汽法制备ATP-TiO₂杂化材料的比表面积更大,在基体中分散更均匀,与基体的界面结合性更好,在摩擦过程中能够有效地承载,并促进转移膜的生成,其改性的复合材料表现出最低的摩擦系数和磨损率.      

多壁碳纳米管-高聚物纳米复合材料的抗蠕变性能

通过双螺杆挤出机和模压成型设备制备了两种不同长径比的多壁碳纳米管（MWNT）增强的聚丙烯（PP）纳米复合材料。实验表明，通过添加1％体积含量的MWNT，聚丙烯的抗蠕变性能得到很大提高，即长时间加栽后，基体的蠕变变形量和蠕变率均显著降低。同时，在特定载荷下，纳米复合材料的蠕变寿命比纯基体提高了10倍。几种栽荷传递机理导致了材料抗蠕变性能的增强：（1）碳纳米管和基体之间较好的界面性能，（2）碳纳米管限制了基体内无定型分子链的活动性，以及（3）碳纳米管的较高的长径比。差分热扫描（DSC）的结果显示了材料蠕变前后结晶的变化和栽荷传递机理分析是一致的。这些实验结果显示，在不增加成本的基础上可以大大提高抗蠕变的聚合物纳米复合材料的工程应用。     

碳纳米管的等价柔性节点空间框架模型

小变形情况下,碳纳米管C-C共价键间的相互作用可以用基于分子力学的宏观力学模型进行模拟.其中,基于分子结构力学的等价结构力学模型是最为有效的碳纳米管弹性参数的预测模型.现有的碳纳米管的等价结构力学模型是用具有刚性节点的空间框架结构模拟碳纳米管的原子晶格受力和变形的关系.根据碳纳米管的原子晶格的变形特点,本文首次提出了一个用柔性节点空间框架模拟碳纳米管原子晶格键角变化的分析模型,再通过应变能等价推导了柔性节点的等价抗弯刚度与分子力学中力常数的关系,从而给出了一个更精确的计算碳纳米管等价弹性参数的分子结构力学模型.文中用ANSYS计算了不同尺寸的锯齿型(zigzag)和扶手型(armchair)单壁碳纳米管的轴向杨氏模量、泊松比、剪切模量及径向杨氏模量,分析了碳纳米管的尺寸效应,并且与其它各种模型所得结果进行了比较.计算结果表明,本文所给碳纳米管的等价柔性节点空间框架模型不仅计算简单、高效,而且准确;并可以直接推广到多壁碳纳米管等价弹性模量的计算及碳纳米管的稳定和动力分析.     

聚合物纳米复合材料蠕变性能研究进展

聚合物在室温甚至低温条件下的蠕变被认为是制约其更广泛应用的主要瓶颈之一.实验研究发现添加很低含量(1{\%}重量或体积含量)的纳米颗粒,在基本上不影响基体其他力学和物理性能的前提下,能够大幅度提高聚合物的耐蠕变性能; 另外和静态性能相比较,蠕变和松弛等特性对于聚合物微观结构的变化和分子链的相互作用更加敏感,能够在新型纳米复合材料(如多层级纳米复合材料)的力学设计中为我们提供更加丰富的微观结构及其相互作用的信息.本文综述了多种形貌纳米颗粒(包括金属氧化物、碳纳米管、层状纳米黏土等)对聚合物耐蠕变性能影响的研究现状和进展.讨论了纳米颗粒的种类、形貌和含量,以及外部应力水平和温度等因素对聚合物基体材料蠕变性能的影响规律;分析了目前一些常用的模拟和预测蠕变行为的模型, 并利用这些模型,结合纳米复合材料特点, 对蠕变实验结果进行了模拟和预测;结合多层级纳米复合材料的实验研究结果,阐述了蠕变条件下纳米复合材料分子链间相互作用的特点;进而探讨了纳米颗粒影响聚合物蠕变性能的机理,展望了该领域研究的发展态势.      

共混/填充高分子复合材料界面力学行为实验研究进展

本文首先介绍了高聚物复合材料界面微观结构的特点和界面破坏的微观形式, 在此基础上,详细回顾了粒子填充高分子复合材料和共混高分子合金两类材料的界面力学性能实验研究的进展,总结了研究粒子/基体界面力学性能的实验方法和用这些方法获得的实验结果。介绍的实验方法从宏观拉伸实验到细观在位拉伸实验, 从定性的断口形貌分析到定量的界面强度和粘结能计算, 从不同层次和角度阐述了研究界面性能各种方法的优缺点。最后, 作者根据综合分析的结果, 指出了实验研究界面力学性能遇到的主要困难来自实验仪器的局限性和实验方法的匮乏性。为了获得可靠的界面性能, 一方面应该设计出利于表征的界面, 另一方面需要在实验技术上有所创新。相信该文对于深入了解和研究共混/填充高分子复合材料的界面问题, 以及其它类型材料的界面问题具有一定的借鉴意义。      

复合材料界面与其力学性能的关系

复合材料是一种具有多相结构的材料。它由基体(高聚物树脂、金属、陶瓷等)和增强剂(纤维或粉粒状填料)组合而成。这种材料的特点,在于它能根据使用的需要采用不同的宏观或微观的组合形式。换言之,可以进行材料设计。同时,复合材料不仅能综合各组成原材料的特色,而且还有可能具备原材料所没有的特性。因此,复合材料在材料科学领域中很有发展前途,目前已经获得广泛的应用。由于复合材料是一种多相结构的材料,因此必然包含着各组分之间构成的界面。这个界面对手复合材料的性质,尤其是力学性能,起了极其重要的作用。      

纤维增强复合材料界面的力学行为

研究材料的界面和表面的力学行为与破坏机理,是当代材料科学、力学、物理学的前沿课题之一,而复合材料界面问题更有其自身的特殊性和复杂性。本文结合笔者的研究工作重点讨论了纤维复合材料界面力学的共性问题,阐述了复合材料界面的性质、复合材料界面的力学模型和理论、界面力学表征的实验研究、界面损伤破坏机理、界面对复合材料力学性能的影响等5个方面。