3D打印贝壳仿生复合材料的拉伸力学行为

采用硬质和软质双组分材料,通过调控两种基体材料的装配夹角,采用光固化3D打印技术制备了不同装配方式的仿贝壳珍珠层复合材料,开展了准静态拉伸实验,结合扫描电镜观察,分析了其拉伸力学性能、断裂及能量耗散机理。研究结果表明,保持胞元边长不变,随着面内装配角度增加,仿贝壳珍珠层复合材料的强度呈线性增加趋势,断裂应变呈线性减小的趋势;随着面外装配角度增大,断裂应变呈线性减小趋势,而强度在面外装配角小于45°时呈增强趋势,超过45°时趋于稳定;面外装配角度为45°时,材料的强度达到最大值。试样在断裂前主要通过硬质材料的拔出、软/硬相界面处微裂纹的生成及微裂纹在扩展过程中的合并和偏转等方式耗散能量。     

混凝土材料动态压缩强度的应变率强化规律

混凝土材料的动态压缩强度具有明显的应变率效应,而且在低、高应变率下压缩强度的动态强化因子(Dynamic Increase Factor,DIF)与应变率的关系具有明显的区别。参考近30余年相关文献中大量的混凝土动态压缩实验数据,结合理论分析,探讨了在不同应变率阶段混凝土压缩强度DIF的变化规律,分析准静态压缩强度对压缩强度DIF的影响规律。最后对实验结果进行拟合,得到混凝土材料在不同应变率区间内压缩强度DIF的预测表达式。研究表明:混凝土材料的压缩强度DIF随着应变率的增加呈递增趋势,具有相似的线性关系;压缩强度DIF曲线按照斜率变化分为3个阶段,且在高应变率下斜率最大;不同准静态压缩强度的混凝土DIF随应变率变化的规律有少许区别,但它们之间没有明显的界限,DIF随应变率递增的趋势与准静态压缩强度没有明显的联系。     

Ta-10W合金压缩力学性能实验研究

利用MTS材料试验机和分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置对非退火状态Ta-10W合金进行了准静态和动态压缩实验,给出了材料的静态压缩屈服强度和应变率在700~3 100 s-1范围内的动态压缩应力-应变曲线,并获得了不同应变率下材料的动态屈服强度。通过对实验结果的分析可以发现,非退火状态Ta-10W合金具有较好的韧性,在所进行的实验中试件表面均未出现可见裂纹;试件材料具有较高的静、动态屈服强度,静态屈服强度达到930 MPa,动态屈服强度在1 GPa以上,在所进行的700~3 100 s-1应变率范围内,材料的动态屈服强度随应变率的增加略有提高。     

压缩载荷下UHMWPE纤维复合材料层合板的力学性能与失效分析

为获得超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维复合材料层合板在静、动态压缩载荷下的力学性能与失效模式,采用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆对材料进行面外方向的压缩实验,获得了不同应变率下材料的应力-应变关系。通过扫描电子显微镜观察材料微观失效形貌,分析了材料的失效模式。结果表明,UHMWPE纤维复合材料层合板在应变率较低(6.7×10^-3～6.7×10^-2 s^-1)且相差较小时,无应变率效应;在高应变率(2.05×10³～5.27×10³ s^-1)下,材料具有明显的应变率效应。压缩强度随应变率的增加而增大,动态增强因子逐渐增大,具有明显的应变率强化效应。静态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纤维的拉伸、断裂;动态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纵向位错分层。     

冲击载荷下分支交错层状仿生复合材料动态断裂行为的实验研究和数值模拟

通过三点弯动态冲击实验和数值模拟方法,研究了分支交错层状仿生复合材料的动态断裂韧性。首先设计并制备了分支交错层状仿贝壳复合材料试样,即将一种脆性刚性材料和一种橡胶类材料分别作为复合材料的硬质层和软胶层;随后采用改进的分离式Hopkinson压杆装置进行了三点弯冲击实验;接着讨论了初始冲击速度、硬质材料长宽比、软质材料层厚度对复合材料试样动态断裂行为的影响;最后采用ABAQUS有限元数值模拟,研究了不同宽度和不同冲击方向对复合材料试样动态断裂韧性和裂纹扩展的影响。结果表明:随着冲击速度和硬质材料长宽比增加、软胶层厚度减小,裂纹越倾向于沿直线扩展,反之,裂纹越倾向于绕过硬质材料沿着软胶层呈折线扩展;试样的峰值动载荷和起裂时间也随之增大。有限元模拟结果表明:随着结构总宽度的增大,试样断裂韧性增加,裂纹倾向于绕过硬质材料沿着软胶层扩展;采用实验设计的冲击方向时,试样的断裂韧性高于其他方向。     

树脂基碳纤维复合材料各向异性导热系数研究

本文通过实验测试与数值预测结合研究了平纹、斜纹树脂基碳纤维复合材料的各向异性传热性能。实验方面,采用基于电加热膜加热的稳态"三明治"结构进行测试,得到了材料厚度与面内方向导热系数随温度的变化规律。模拟方面,观测复合材料内部微观结构,重构建立了代表性单胞模型,在三维方向分别模拟其一维稳态导热过程来预测材料不同方向的导热系数。研究结果表明,实验获得的树脂基碳纤维复合材料厚度与面内方向导热系数均随材料热面温度升高而近似线性增大,面内方向导热系数约为厚度方向的2.8倍,因密度相近,平纹、斜纹机织结构材料各主轴方向导热系数偏差小于10%。数值预测结果与实验结果基本符合,并对引起实验与数值结果偏差的来源进行分析。     

冲击荷载下植物纤维增强高聚物 复合材料的力学性能

植物纤维代替人造纤维作为填充体的增强高聚物复合材料可用于汽车、航空航天等工业。选用一定含量的植物纤维及其他填充材料增强高聚物复合材料,在万能材料试验机和分离式霍普金森杆实验装置上进行不同应变率下准静态和动态冲击拉伸及压缩实验。结果显示,在植物纤维中加入少量的纳米黏土颗粒和长玻璃纤维能够较大地提高复合材料的力学性能。使用扫描电子显微镜对不同应变率拉伸下的回收试件断口进行微观分析,揭示了植物纤维增强高聚物复合材料在不同应变率下的断裂特性。     

含有断裂缺陷的复合材料壳体的力学行为

利用湿法缠绕制备了玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料壳体,通过拉伸、双悬臂梁和三点端部开口弯曲试验对该复合材料层合板进行基本力学性能评估,得到强度和刚度参数并用于有限元模拟中。同时,在Abaqus中建立了含有不同深度断裂缺陷复合材料壳体的三维渐进损伤有限元模型,预测内压作用下壳体的力学响应。试验和模拟结果表明:复合材料主向拉伸强度为(222.7±18)MPa,弹性模量为39.39 GPa,Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性层间强度分别为(4.67±0.24)和(4.98±0.26)kJ/m~2。随着内压增大,Mises应力也不断增大;当断裂缺陷在最深层(接近内压的第一层,深度为18 mm)时,Mises应力最大;当内压为0.3 MPa时,Mises应力高达28.8 MPa,且周向应变小于纵向应变。     

低密度聚氨酯泡沫压缩行为实验研究

 在室温下,对一种低密度硬质聚氨酯泡沫进行了准静态压缩及应变率在1×10³～5×10³ s^-1范围内的冲击压缩实验。结果表明,所测试的聚氨酯泡沫材料在准静态实验与动态实验之间存在明显的应变率效应,但在纯动态实验中应变率效应不明显。最后,给出了以屈服应力、密度、应变等为参量的动态压缩本构关系,且能较好地与材料的动态压缩曲线吻合。     

单壁碳纳米管膜及其三聚氰胺甲醛树脂复合材料的光电特性

单壁碳纳米管能够强烈吸收光线,尤其是在近红外区域,并能将光能转换成热能.同时,单壁碳纳米管还具有相当大的将热能转换成电能的能力.通过真空过滤方法,将由化学气相沉积生成的单壁碳纳米管阵列制备成单壁碳纳米管膜.根据研究的需要设计了一个简单的单壁碳纳米管膜光伏性质测试实验装置,并在其两端成功地实现了由红外光转换为电压输出.通过功能化步骤,制备了单壁碳纳米管/三聚氰胺甲醛树脂复合材料膜,实验结果表明该复合材料能产生符号相反的输出电压.这预示着单壁碳纳米管及其三聚氰胺甲醛树脂复合材料在光电领域具有良好的应用前景.     

基于原位测量的复合材料冲击损伤定位

针对连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板和玻璃纤维(GF)增强环氧树脂基复合材料层合板两类典型结构,开展了基于原位测量的冲击损伤定位研究。利用碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板自身的导电性,设计了电极阵列,考察了板厚对定位结果的影响;对于不导电玻璃纤维/环氧树脂基复合材料层合板,设计并制备了多壁碳纳米管涂覆的玻璃纤维束(MWCNT@GF)传感器,并将MWCNT@GF嵌入层合板中形成传感网络,考察了不同入射角度对定位结果的影响。对于上述两种方法,编制了冲击损伤成像算法。结果表明:利用冲击前后碳纤维自身电阻和嵌入MWCNT@GF传感器的方法,可准确定位碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板和玻璃纤维/环氧树脂基复合材料层合板的冲击损伤。     

碳纳米管对MC尼龙6结晶行为的影响

通过甲苯二异氰酸酯(TDI)改性多壁羟基碳纳米管并用已内酰胺封端,采用单体浇铸的方法制备MC尼龙6、改性碳纳米管纳米复合材料.红外光谱(FTIR)结果证明TDI改性后碳纳米管上成功接有异氰酸酯基团.X射线衍射(XRD)结果表明,改性碳纳米管的加入没有改变MC尼龙6结晶的品型结构;而未改性碳纳米管的加入则抑制了其α2晶的...     

准等熵压缩下金属钽的屈服强度分析

 为分析固体材料的准等熵压缩实验数据,引入了率相关本构方程和流体弹塑性模型,建立了考虑材料强度效应的反积分数据处理方法。利用CQ-1.5磁压驱动装置中多晶钽的准等熵压缩实验数据,对钽的屈服强度和流应力进行了反积分数值模拟和分析,计算了钽的拉格朗日声速和应变率分布情况。得到了钽在准等熵压缩过程中样品内部及加载面上压力和速度的分布及演变规律,获得了30 GPa压力下钽的准等熵屈服强度约为1.85 GPa,准等熵弹性屈服极限约为2.9 GPa。此外,计算得到了与Sandia实验室数据高度吻合的应力-应变曲线和准等熵p-V参考线。     

陶瓷纤维对普通硅酸盐混凝土的强韧化效应

 采用液压试验机和Φ100 mm分离式霍普金森压杆实验装置,研究了体积分数为0.1%、0.2%和0.3%的陶瓷纤维混凝土的准静态和动态力学性能,分析了陶瓷纤维的增强机理,并将其与相同纤维体积分数的碳纤维混凝土进行对比。结果表明：陶瓷纤维改善了普通硅酸盐混凝土的准静态力学性能;纤维体积分数为0.3%时,抗压强度提高15.0%,劈裂抗拉强度提高8.5%,抗折强度提高12.7%。冲击荷载作用下,陶瓷纤维混凝土的动态抗压强度和比能量吸收随平均应变率的增加近似线性增长;体积分数为0.2%时,陶瓷纤维的增强、增韧效果最佳。陶瓷纤维对普通硅酸盐混凝土的增强、增韧效果总体上优于碳纤维。     

碳纳米片-碳纳米管复合材料的一步合成及其场 发射性质研究

利用等离子体化学气相沉积技术, 在引入Ti过渡层后的Co膜表面一步制备出碳纳米片-碳纳米管复合材料, 研究了Co膜厚度对复合材料形貌及场发射性质的影响. 当Co薄膜厚度为11 nm时, 得到了垂直基片定向生长的碳纳米管和碳纳米片复合物, 此时, 碳纳米片分布在碳纳米管的管壁上和管的顶端, 样品的场发射性能最佳.     

应变率和孔隙率对规则多孔钛压缩力学性能的影响

采用普通材料测试机和分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置对孔隙规则排布的多孔钛试样进行准静态及动态单轴压缩实验,研究了应变率和孔隙率对多孔钛材料弹性模量、屈服强度和能量吸收能力的影响。结果表明:在不同应变率下,规则多孔钛应力-应变曲线在特定区域均可近似为双线性模型;孔隙率对弹性模量、屈服强度和能量吸收能力有直接影响,屈服强度和能量吸收能力均与应变率相关,并给出了同时考虑孔隙率和应变率对屈服强度影响的经验公式。     

聚四氟乙烯和氟化乙丙烯共聚物复合膜的压电性

以多孔PTFE膜为骨架,而以致密（非多孔）FEP膜为储电介质层的孔洞结构复合压电驻极体膜的制备方法.利用正压电效应,测量了复合膜的准静态压电系数d₃₃;研究了压电系数的热稳定性和复合膜中空间电荷的动态特性;并通过介电谐振谱的分析,比较了这类复合膜的准静态和动态压电系数.结果表明：FEP和PTFE复合膜压电驻极体的准静态压电系数d₃₃可以达到300 pC/N.经90℃老化20 h 后的d₃₃仍保持在初 关键词： 压电驻极体 压电性 多孔聚四氟乙烯 致密氟化乙丙烯共聚物     

抗水性光致聚合物的体全息存储研究

提出了基于酞菁染料的全息记录材料,与目前已报道的基于丙烯酞胺基单体光聚合型全息记录介质相比,该聚合体系显示了优良的全息特性：全“干”热后处理,良好的抗水性和环境稳定性,制备过程简单和低毒性,并可制备成较厚的感光膜层。针对存储过程的页间和页内串扰做了理论分析和MTALAB仿真,采用自主研制的抗水性光致聚合物材料记录多幅不同图像的实验方案,分析了本抗水性全息材料的角度复用性能。     

1 μm波段高功率超辐射发光二极管

为提高1μm波段超辐射发光二极管的输出特性,对外延结构及J型波导结构参数进行研究,基于研究结果确定外延结构及波导结构参数并对电极窗口制备工艺及单层氧化铪薄膜成膜条件进行了优化。研究表明,缩小波导与限制层AlGaAs材料中Al组分差值利于改善器件光束特性。此外,增加刻蚀深度、脊宽及曲率半径均会使损耗系数减小以提高器件输出功率。基于仿真结果制备出非均匀阱宽大阱深的三量子阱结构器件,前腔面镀制反射率约为0.5%的单层氧化铪薄膜,后腔面蒸镀高反膜,腔长约2 mm,波导曲率半径为21.8mm,在500 mA连续电流注入下,实现了118.1 mW输出功率和32.5 nm光谱半宽。单层增透膜的设计抑制了器件激射并简化了工艺复杂度,避免了多层增透膜不同材料间的应力问题。     

改进型FCC晶格材料设计与吸能特性

基于金属微观晶体结构,设计了一种改进型面心立方(FCC)晶格材料。利用ABAQUS有限元软件,对体心立方(BCC)及FCC晶格材料进行了准静态与速度为10~100 m/s的动态加载数值模拟,定量分析了两种晶格材料的能量吸收性能,给出了动态加载下晶格材料压缩平台应力及塑性能量耗散的半经验公式。结果表明:在准静态压缩载荷下,相同相对密度的FCC晶格比BCC晶格具有更优异的能量吸收性能,当相对密度为10.5%~10.6%时,FCC晶格材料的归一化比吸能是BCC晶格材料的2.6倍。此外,与常见负泊松比材料及大部分桁架晶格材料相比,相同相对密度的FCC晶格材料具有更高的比刚度、能量吸收效率及压缩力效率。