复掺氧化石墨烯与矿渣粉的水泥基材料力学性能研究

由于氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)的氧化程度、矿渣粉(Slag Powder,SP)的等级不同,对水泥基材料的协同效应尚未达成广泛共识.本文制备了复掺氧化石墨烯(GO)和矿渣粉(SP)的水泥基材料,研究了GO掺量、SP掺量以及水胶比等对其流动性及力学性能的影响,分析了其水化产物及微观形貌.结果表明:水...     

基于分子动力学的氧化石墨烯拉伸断裂行为与力学性能研究

与石墨烯相比,氧化石墨烯(graphene oxide, GO)的亲水性、分散性和反应活性更好,更易于作为增强材料而研发生成性能超常的复合材料,但另一方面,由于其电子结构较为复杂,致使目前有关力学方面的研究存在一定差异.本文利用分子动力学方法,建立了羟基、羧基和环氧基等官能团随机分布的GO原子模型;通过单向拉伸模拟,分析了其断裂行为,结果表明,远离羟基和羧基的环氧基对断裂具有"诱导"作用,并从化学成键、体系能量和应力分布三个角度对其机理进行了阐释;此外,进一步研究了拉伸应力$\!$-$\!$-$\!$应变曲线、极限强度、极限应变等力学性能与含氧官能团覆盖度间的关系,结果表明,极限强度、极限应变均随含氧官能团覆盖度的增大而呈减小趋势.分析认为,主要原因是官能团的出现对石墨烯面内的sp$^{2}$杂化形式造成了破坏,进而使得原子间键合能弱化,随着含氧官能团的覆盖度的增大,被弱化的键合能的数量和程度将越大,从而使得GO的极限强度、极限应变等越低. 研究结果可为GO的基础研究和工程应用提供参考.      

多层氧化石墨烯的三维弹性常数及氧化度对力学性能的影响

宏观氧化石墨烯膜由多层石墨烯组成,其法向拉伸和层间剪切性能远比面内性能低。本文视多层氧化石墨烯为一种特殊的三维正交各向异性材料——横观各向同性材料,通过建立羟基和环氧基在石墨烯表面随机分布的多层氧化石墨烯三维模型,采用分子动力学方法模拟多层氧化石墨烯的面内拉伸、法向拉伸和层间剪切行为,分别得到了多层氧化石墨烯材料的全部五个独立弹性常数E2、E3、μ12、μ32和G23,进而确定了三维弹性矩阵（柔度矩阵和刚度矩阵）,并进一步分析了氧化度对弹性常数和强度的影响规律。结果表明：随着氧化度R逐步增大,多层氧化石墨烯面内杨氏模量E2和拉伸强度σ2max逐步降低,法向杨氏模量E3和拉伸强度σ3max、层间剪切模量G23和剪切强度τ23max均逐步增大,而对泊松比的影响较小;拉伸和剪切断裂破坏位置由氧化基团(羟基和羧基)与碳原子结合键能大小所决定。     

聚丙烯酸酯改性水泥注浆材料力学性能与微观结构研究

注浆材料的力学性能对注浆加固效果至关重要。为探究聚丙烯酸酯乳液改性水泥浆液是否可以作为一种修复破碎岩体的注浆材料,文章开展了不同配比的单轴抗压强度试验,并与实际工程中应用过的注浆材料进行了对比测试,最后对几种注浆材料的微观结构进行了表征。结果表明,聚丙烯酸酯乳液改性水泥浆液结石体和注浆加固体具有突出的单轴抗压强度和韧性,这与聚丙烯酸酯乳液可以改善结石体孔隙结构,以及使浆液与岩体之间紧密胶结有关。

     

石墨烯润滑添加剂合成与结构调控

石墨烯的微观结构在其摩擦学性能中起到重要作用,而微观结构又与其合成方法密切相关. 因此,梳理石墨烯的合成方法、微观结构调控策略、摩擦学性能以及润滑机理之间的关系对于开发高性能的石墨烯润滑添加剂具有重要意义. 本文作者从石墨烯润滑添加剂的合成与结构调控出发,综述了多种调控石墨烯微观结构的合成方法,归纳了石墨烯稳定分散的合成策略,阐述了石墨烯润滑添加剂的微观结构对其摩擦学性能的影响,探讨了石墨烯的微观结构演变与润滑机理,最后总结并指出石墨烯作为高性能润滑添加剂仍需研究的问题及未来的发展趋势.      

混掺精细钢纤维/PVA水泥基复合材料单轴抗压试验及本构模型研究

通过进行10组30个精细钢纤维-PVA纤维混杂水泥基棱柱体的单轴抗压试验,测得其应力-应变曲线和抗压强度,分析了单掺与混掺情况下纤维掺量对材料抗压性能的影响.试验结果表明:混掺精细钢纤维对提高材料抗压性能有利,包含0.4%精细钢纤维的混掺试件轴心抗压强度较单掺对比组提高了7.5%,峰值应变提高了58%.基于试验数据,建立了适用于精细钢纤维-PVA纤维混杂水泥基材料的轴心受压应力-应变本构模型,模型结果与试验曲线吻合良好.     

纺织结构复合材料的力学性能研究

从纺织几何学入手,通过对纺织结构复合材料细胞构型的分析,建立其刚度矩阵和本构关系,并结合纺织结构复合材料的损伤和演化规律分析,完整地描述纺织结构复合材料的力学特点.着重讨论物理概念和研究方法,以促进了解纺织复合材料的分析理论和它的工程应用.      

PP/CF增强珊瑚砂水泥基复合材料冲击压缩力学性能研究

在人工海水制备珊瑚砂水泥基复合材料中混杂加入碳纤维和聚丙烯纤维,得到4种不同纤维掺量的碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料。采用直径100 mm的分离式Hopkinson压杆,对材料进行5种应变率下的冲击压缩试验,采用LS-DYNA进行相应的冲击压缩数值模拟。结果表明：(1) 试验应变率临界值为200 s⁻¹,当试验应变率大于200 s⁻¹时,混杂碳纤维和聚丙烯纤维所形成的纤维网络对试块的增韧效果加强;(2) 碳-聚丙烯混杂纤维增强珊瑚砂水泥基复合材料峰值应力具有明显的应变率效应,且动态增强因子对应变率的敏感程度较高;(3) 使用珊瑚砂细骨料导致试块内微裂纹和微空洞等缺陷较多,在珊瑚砂水泥基复合材料内混杂掺加碳纤维和聚丙烯纤维后,试块冲击抗压强度的提升有限,但珊瑚砂水泥基复合材料的抗冲击韧性显著提升;(4) 通过试验数据和参数调试确定了HJC模型的参数,试块峰值应力的模拟结果与试验结果的误差在5.97 %以内。

     

氧化石墨烯纳米片层增强水泥基复合材料的巴西圆盘劈裂试验研究

采用巴西圆盘劈裂试验研究了氧化石墨烯纳米片层对水泥基复合材料力学行为的影响。制备了普通水泥砂浆和含0.03%(按水泥质量分数计算)氧化石墨烯水泥砂浆两种材料,并分别制成了中心直裂纹和不同倾角裂纹形式的巴西圆盘试件。对其进行了准静态加载下的劈裂试验,给出了试件的间接抗拉强度和纯I型、纯II型、I-II混合型断裂韧性。研究结果表明:氧化石墨烯纳米片层对水泥砂浆具有明显的增强作用,添加掺量为0.03%氧化石墨烯水泥砂浆其抗压强度提高了34.12%,间接抗拉强度提高了18.96%;纯I型断裂韧性提高了20.09%,纯II型断裂韧性提高了12.07%,I-II混合型断裂韧性提高了12.27%。     

面内随机堆叠石墨烯复合材料压阻传感机理与压阻性能

面内随机堆叠石墨烯复合材料(graphene composites, GC)是可穿戴柔性传感器的基础材料之一, 但是其压阻传感机理与压阻性能仍然有待深入研究. 本文基于GC的微观结构特征, 利用0 $\sim$ 1间均匀分布随机数获得石墨烯在复合材料中的位置和方向, 建立了二维GC压阻传感器模型. 根据GC均匀变形的特点和有限单元法发展了GC压阻性能的计算方法, 计算得到了相对电阻、灵敏度系数、石墨烯片的微观形态与电流密度云图. 研究结果表明, GC中的压阻效应是由于在变形过程中石墨烯形态的改变, 包括GC中石墨烯片的密度随应变变化、石墨烯片滑移、分离导致电子迁移路径和无效片数量的改变, 而GC中石墨烯片密度随应变的变化是影响压阻效应的主要因素. 石墨烯片间的相对滑移产生线性传感特征, 分离反之. 高面分比GC与大尺寸石墨烯的GC拥有较大的感知范围, 低面分比GC和小尺寸石墨烯的GC具有更高的灵敏度系数. 最后将接触面的面内电阻率设为应变的函数, 研究了石墨烯片的接触效应对GC压阻性能影响, 解释了GC压阻性能的接触效应和影响机理. 研究结论可为GC生产方法的改进与创新、以及GC压阻传感器件的制备提供理论依据和技术参考.      

石墨烯及其复合材料纳米力学研究进展

石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体,是目前已知最薄但却有着极高强度的纳米材料.由于在强度、导热性、电子输运和光学上显示出不同寻常的特性,石墨烯迅速成为材料科学、物理、化学和力学等学科的研究热点.与此同时,石墨烯复合材料的研究也迅速兴起.论文综述了近年来石墨烯及其复合材料的力学特性的研究进展.根据力学行为的差异,我们主要阐述了石墨烯面内力学特性、离面力学特性、原子尺度修饰和石墨烯复合材料力学特性的研究进展:石墨烯的面内拉伸力学特性通过纳米压痕等技术得到了测量,其断裂行为在微纳尺度下不能完全使用连续介质力学模型进行解释,在多层石墨烯情况下会出现超润滑现象;石墨烯的可控离面位移对于改变其物理特性有重要的意义,石墨烯上的屈曲受到手性和尺度的影响,在高频器件中存在着非连续性的离面响应;适当的原子尺度修饰可以改善石墨烯的拉伸和扭转力学特性;石墨烯可以改善复合材料的力学特性,如提高强度、韧性等,其主要强化效应是通过与基体材料的离面、面内力学行为结合产生的.最后,论文对石墨烯及其复合材料的力学研究进行了总结和展望.     

石墨烯热学性能及表征技术

2004 年石墨烯的发现立刻引起了全球科技界的高度关注, 掀起了从碳纳米管问世以来对于碳族材料的又一个研究高潮, 人们迅速开展了针对石墨烯的制备、性能表征、甚至应用的研究工作. 从石墨烯问世到目前, 主要研究工作集中在石墨烯电学性能的研究, 特别是集中在用石墨烯制备超级电容器方面. 相比之下, 人们对于石墨烯热学性能的研究还比较少. 然而, 鉴于石墨烯具有极高的热导率和负的热膨胀系数, 以及作为热界面材料的工程应用价值, 对其热学性能的研究正逐渐成为研究的一个重要分支. 以石墨烯热学性能如热导率到热膨胀系数为研究对象, 全面总结国际上的发展现状. 内容涉及单层石墨烯、多层石墨烯和石墨烯泡沫. 研究手段包括理论研究、数值模拟和实验测定3 个方面. 在综合研究成果的基础上, 最后对于存在的问题和可能的发展方向给出了合理的建议.      

Mechanical properties of lattice grid composites

An equivalent continuum method only considering the stretching deformation of struts was used to study the in-plane stiffness and strength of planar lattice grid com- posite materials. The initial yield equations of lattices were deduced. Initial yield surfaces were depicted separately in different 3D and 2D stress spaces. The failure envelope is a polyhedron in 3D spaces and a polygon in 2D spaces. Each plane or line of the failure envelope is corresponding to the yield or buckling of a typical bar row. For lattices with more than three bar rows, subsequent yield of the other bar row after initial yield made the lattice achieve greater limit strength. The importance of the buckling strength of the grids was strengthened while the grids were relative sparse. The integration model of the method was used to study the nonlinear mechanical properties of strain hardening grids. It was shown that the integration equation could accurately model the complete stress-strain curves of the grids within small deformations.     

青鱼鳍骨、肋骨和鳃盖骨微观结构与力学性能的比较研究

本文从材料学角度定量分析了青鱼鳍骨、肋骨、鳃盖骨的微观结构、成分及力学特性。利用电子显微镜观察了鳍骨、肋骨、鳃盖骨的微观结构;通过X射线衍射、电镜能谱以及煅烧的骨灰综合分析,探讨了青鱼鳍骨、肋骨、鳃盖骨的有机、无机成分之间的密切联系;进行了青鱼鳍骨、肋骨、鳃盖骨的拉伸实验;利用显微硬度计对干、湿状态下的鳍骨、肋骨、鳃盖骨进行了硬度测试。结果显示,鳍骨无机物含量较多,鳃盖骨有机物较多,肋骨介于两者之间;矿化胶原蛋白束在鳍骨中的排列非常规则,在鳃盖骨中排列不是很规则,在肋骨中排列较规则;鳍骨中矿化胶原纤维束间孔洞非常少,骨质密实,而在腮盖骨中孔洞很多,骨质稀疏;干的鱼骨显微硬度均大于湿的鱼骨。结论是,鳍骨、肋骨、鳃盖骨的微观结构、成分及力学特性存在差异,其中鳍骨的力学性能明显强于鳃盖骨,肋骨介于二者之间,水份对青鱼鳍骨、肋骨、鳃盖骨的硬度有明显的影响。     

铜和石墨对铁基含油自润滑复合材料机械及摩擦学性能的影响

采用粉末冶金工艺制备了铁基含油自润滑复合材料,考察了Cu与石墨的含量对铁基含油自润滑复合材料的机模样性能、摩擦学性能及组织结构的影响,并利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜及光学显微镜等对材料的组分、显微组织形态和结构以及磨损表面形貌等进行了系统的观察和分析,结果表明：添加适量Cu的Fe-Cu二元系材料的机械性能和摩擦学性能明显优于Fe系材料,这主要是因为Cu的加入改变了材料的微观结构。添加适量石墨的Fe-Cu-石墨三元系材料比Fe-Cu二元系材料具有更优异的摩擦学性能,但机械性能有所下降,这主要是由于石墨与油的协同润滑效应和石墨的加入改变了材料的微观结构所致。     

Al0.2Co1.5CrFe1.2Ni1.5TiC0.4高熵合金的微观组织、力学与高温摩擦学性能

通过引入碳元素,设计了一种以原位形成的碳化物为增强相的高熵合金Al_(0.2)Co_(1.5)CrFe_(1.2)Ni_(1.5)TiC_(0.4),并采用放电等离子烧结(SPS)技术成功制备了这种高熵合金.采用XRD、SEM、EDS、万能材料试验机和高温摩擦磨损试验机等研究了微观组织、力学性能和室温至800℃下的摩擦学性能.结果表明:Al_(0.2)Co_(1.5)CrFe_(1.2)Ni_(1.5)TiC_(0.4)高熵合金由面心立方(FCC)结构的高熵固溶体基体相和弥散分布的TiC陶瓷相组成.FCC相使高熵合金具有良好的塑性和韧性,而TiC增强相赋予了高熵合金高的硬度和强度.随着温度的升高,高熵合金的摩擦系数和磨损率均具有逐渐减小的趋势.在800℃时,鉴于摩擦氧化作用,在磨损表面形成了致密的氧化物釉质层,起到了良好的减摩抗磨作用,使高熵合金表现出了优异的高温摩擦学性能.     

Hill condition and overall properties of composites

Summary We discuss the Hill principle's role and applications in modern micromechanics of industrial composite materials. Uniform boundary conditions, fundamental in micromechanics, are introduced as a class of Hill solutions. Mixed uniform conditions, basic for experimental testing, are analysed. Domains of application of the Hill principle are reviewed, like homogeneization of heterogeneous media, definition of effective properties and size effect in heterogeneous materials. Generalization of the Hill condition is realized for arbitrary materials, in particular for nonlinear inelastic composites with imperfect interfaces. Received 9 September 1997; accepted for publication 23 December 1997     

Structure-property relationships in polymer composites with micrometer and submicrometer graphite platelets

The objectives of this work were (a) to investigate the influence of micrometer and submicrometer scale graphite platelets of different aspect ratios and volume fractions on the effective and local quasi-static and dynamic properties of composites with micrometer and submicrometer scale reinforcement, and (b) to compare and evaluate mechanical property measurements of inhomogeneous materials via local (microscale) and bulk (macroscale) experimental methods. Small platelet volume fractions (0.5%) provided proportionally larger increase of the elastic and storage moduli compared to large volume fractions (3.0%). Randomly distributed 15 μm platelets provided marginally higher composite stiffness compared to 1 μm platelets while small volume fractions (0.5%) of 15 μm platelets had a pronounced effect on the effective Poisson's ratio. It was found that local property measurements of inhomogeneous materials conducted by nanoindentation are not representative of the bulk behavior even when the characteristic length of the inhomogeneity is an order of magnitude smaller than the indentation contact area. In this case, statistical averaging of data from a large number of indentations does not result in agreement with bulk measurements. On the other hand, for small aspect ratio platelets with dimensions two orders of magnitude smaller than the nanoindentation contact area, the nanoindenter-obtained properties agreed well with the effective material behavior. It was found that platelets residing at the specimen surface contribute the most to nanoindentation data, which implies that this technique is only valid for well-distributed nanoparticulate and microparticulate systems, and that nanoindentation cannot be used for depth profiling of microstructured composites.     

Effective magnetoelastic properties of laminated composites

Effective physical parameters of a fine-layered medium whose layers exhibit linearized magnetostriction as ferrites are determined. Ferromagnetic materials of cubic system with ferromagnetic resonance are considered __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 42, No. 8, pp. 36–43, August 2006.