碳纤维增强羟基磷灰石/聚乳酸复合生物材料的制备和力学性能

为了提高羟基磷灰石粒子和碳纤维与聚乳酸之间的粘接力和相互作用力，对羟基磷灰石和碳纤维分别进行表面改性。羟基磷灰石采用表面接枝聚乳酸的方法，结果在红外谱图中1740cm^-1处出现了羰基的吸收峰，经热失重分析接枝率达到5％。碳纤维则用硝酸进行氧化处理后表面变粗糙，有效地提高了与聚乳酸基体的界面结合力。采用溶液共混-热压方法制备了碳纤维增强羟基磷灰石／聚乳酸三元复合生物材料，研究了其剪切强度随羟基磷灰石含量和体外降解时间的变化关系。复合材料的剪切强度随HA含量的增加存在一个峰值，最大剪切强度为340MPa。在37℃PBS模拟体液中体外降解16周后，剪切强度维持在190MPa左右，有很好的强度保持性，观察复合材料的微观结构发现，聚乳酸降解后碳纤维和基体之间的界面出现空隙。     

压入实验界面端奇异性研究

纤维压入实验是复合材料界面剪切强度细观实验方法之一,其试件通常由复合材料中切割下来制备而成,从中选取单根纤维,进行压入试验,所以被选中的纤维可看成是被纤维和纯基本材料构成的横观各向同性复合材料所包裹。本文以此为依据,建立了横观各向同性复合材料基体包裹各向同性纤维的轴对称模型,采用逐次渐近等求解方法,得到了求解该模型界面端应力奇异性指数的特征方程,并计算了碳纤维／环氧树脂、碳纤维／铝和碳纤维／Al2O3压入试件界面端奇异性随碳纤维体积百分含量的变化情况。     

埋入式光纤传感器界面剪切强度实验

采用实验方法对光纤与基体间界面性能进行研究.用临界断裂长度法直接测定界面的剪切强度,由于光纤拉伸强度高于树脂基的拉伸强度,出现试验时基体破坏而光纤完整地从树脂基中拔脱的现象.用单丝拔出法测量光纤与基体之间界面剪切强度,试验结果表明,光纤单丝拔出时,总是出现光纤涂层在锚入端断裂,而纤芯从涂层中拔脱的现象,说明当光纤埋入复合材料中,涂层和基体材料结合为一体,光纤涂层与纤芯之间界面剪切强度最低.承载时,若光纤所受正应力超过σ_(max),会出现光纤涂层与纤芯之间界面脱离,产生裂纹,降低整体结构力学性能.     

横观各向同性轴对称界面端奇异性研究

套筒模型是复合材料中常用的进行纤维、基体间应力传递分析的轴对称模型.在套筒模型中,中心为纤维,纤维外包裹的"套筒"有假设为各向同性基体材料的,也有假设为横观各向同性复合材料的.不失一般性,本文将纤维和基体均视作横观各向同性材料,建立了任意楔形角的横观各向同性复合材料基体包裹横观各向同性纤维的轴对称模型,采用两次坐标变换、逐次渐近等求解方法,得到了求解该模型界面端应力奇异性指数的特征方程.考虑常见的碳纤维/环氧树脂复合材料制成的压入和拔出试件,根据得到的特征方程计算了两种试件的界面端奇异性指数随碳纤维体积百分含量的变化情况,结果发现,随纤维体积百分含量的增加,两种试件界端的奇异性均呈减弱趋势.     

钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与皮质骨界面的切向微动损伤研究

通过体外模拟切向微动行为,探究两种生物固定材料-钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与皮质骨界面之间的微动摩擦磨损机理,建立钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与骨组织生物固定界面的微动-松动-骨损伤的关系.结果表明,界面处于部分滑移区时,弹塑性协调作用起主导,固定界面不易产生松动,皮质骨表面损伤以剥落为主,表面损伤较小.增大微动位移幅值,界面摩擦系数增大,皮质骨的损伤增大.同时,划分出了钛珠涂层和羟基磷灰石涂层部分滑移区的工况分界线.通过对比两种材料的摩擦磨损机理,钛珠涂层与皮质骨界面固定效果较好,羟基磷灰石涂层与皮质骨界面损伤较小.结果对人工关节生物固定起到一定的参考作用.     

二氧化硅纳米颗粒对碳纤维与环氧树脂基体粘合强度的增强

纤维与基体的粘合强度是决定纤维增强高分子复合材料性能的关键因素.本文采用横向纤维束拉伸实验的方法研究了碳纤维与经过纳米颗粒改性的环氧树脂基体间的粘合强度.平均直径为25纳米的二氧化硅纳米颗粒用特殊的溶胶-凝胶法引入环氧基体(由Hanse Chemie AG提供),可以达到很高的含量,同时保持较为理想的分散状态.实验结果表明,二氧化硅纳米颗粒对于碳纤维与改性环氧基体的粘合强度有显著的增强效应.当纳米颗粒含量为14 vol.%时,横向纤维束拉伸的断裂强度相比纯环氧基体提高了104%.通过对横向纤维束拉伸样品断裂面的扫描电镜观察,以及二氧化硅纳米颗粒改性环氧树脂基体材料的力学性质的测量,可以发现横向纤维束拉伸的断裂强度与改性环氧基体本身的断裂韧性之间存在良好的相关性.由此可推测纳米颗粒对环氧树脂基体材料的增韧是碳纤维与基体间界面增强的一个重要原因.     

稀土改性对碳纤维增强聚酰亚胺复合材料在不同温度下摩擦学性能的影响

采用CSEM THT07-135高温摩擦试验机,研究了不同温度下碳纤维增强聚酰亚胺复合材料的摩擦磨损行为,重点考察了稀土改性对复合材料摩擦学性能的影响.结果表明;稀土改性处理可以提高复合材料在测试温度范围内的减摩耐磨性能.通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)对纤维改性前后的形貌进行分析,发现稀土溶液对纤维表面具有一定的刻蚀作用,进而提高了其比表面积;通过XPS测试分析,发现改性后的碳纤维表面的O、N含量增加,从而提高了纤维表面的极性,最终提高了纤维与树脂间的界面结合强度和材料的耐磨性能.     

热循环对碳纤维/双马来酰亚胺复合材料的影响

碳纤维/双马来酰亚胺复合材料比强度和比模量高,热稳定性良好,因此在航空航天飞行器中广泛应用。在低地球轨道空间,卫星和航天飞机穿梭于地球阴影内外,会受到外界温度的周期性影响。本文研究了高温环境(200℃)中和受到热循环老化(-120℃~200℃)的复合材料力学性能和微观形貌的变化。经过热循环处理之后,试样层间剪切强度降低;通过将横截面和侧面打磨抛光并使用扫描电镜进行观测,在横截面和侧面上均发现了细观微裂纹。大部分微裂纹萌生于基体及界面上,界面脱粘和碎屑明显可见,基体与界面处产生微裂纹是层间剪切强度下降的主要原因。因此,在复合材料的应用中应该关注热循环诱发微裂纹的现象。     

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.     

纤维－基体界面剪切强度与断裂韧性的表征和测定

根据单向复合材料纤维分布、剪切变形与裂纹扩展的细观分析,提出纤维－基体界面剪切强度和断裂韧性的简易细观表征与测定方法.     

二氧化硅纳米颗粒对碳纤维与环氧树脂基体粘合强度的增强

纤维与基体的粘合强度是决定纤维增强高分子复合材料性能的关键因素。本文采用横向纤维柬拉伸实验的方法研究了碳纤维与经过纳米颗粒改性的环氧树脂基体间的粘合强度。平均直径为25纳米的二氧化硅纳米颗粒用特殊的溶胶-凝胶法引入环氧基体（由 Hanse ChemieAG提供），可以达到很高的含量，同时保持较为理想的分散状态。实验结果表明，二氧化硅纳米颗粒对于碳纤维与改性环氧基体的粘合强度有显著的增强效应。当纳米颗粒含量为14v01．％时，横向纤维柬拉伸的断裂强度相比纯环氧基体提高了104％。通过对横向纤维柬拉伸样品断裂面的扫描电镜观察，以及二氧化硅纳米颗粒改性环氧树脂基体材料的力学性质的测量，可以发现横向纤维柬拉伸的断裂强度与改性环氧基体本身的断裂韧性之间存在良好的相关性。由此可推测纳米颗粒对环氧树脂基体材料的增韧是碳纤维与基体间界面增强的一个重要原因。     

聚乙烯醇/羟基磷灰石复合材料的摩擦磨损性能研究

分别利用超声共混法和溶胶凝胶原位复合法制备出聚乙烯醇/羟基磷灰石(PVA-H/HA)复合材料,测定了其拉伸强度和抗剪切强度,并对不同HA含量下的试样进行了摩擦磨损性能研究.结果表明:少量HA的加入能提高复合材料的机械强度和抗磨损性能,利用原位复合法制备的试样机械性能较好,而且当HA含量为3%时复合材料的机械性能最佳;试样的磨损量随着接触载荷的增加而显著上升;在相同HA含量下,原位复合法制备的试样抗磨损性能更佳,当HA含量为4%时,原位复合法制备的复合材料试样的摩擦磨损性能最佳,其磨损量仅为纯PVA-H的29.8%.     

聚合物／无机纳米复合材料润滑油添加剂的摩擦学功能设计

选择3种具有不同抗磨性能的纳米组分,制备了具有不同界面特性的聚合物／无机纳米复合材料;考察了纳米复合材料的减摩抗磨性能和机理,探讨了关于纳米复合材料润滑油添加剂的摩擦学功能设计准则。结果表明：对聚合物与无机纳米组分界面进行设计优化后能明显提高纳米复合材料的摩擦学性能。实现聚合物与无机纳米组分界面的优化设计后,聚合物与无机纳米组分之间具有更好的相容性,无机纳米组分在聚合物基体中分布更均匀;当聚合物基体在摩擦热和剪切作用下熔融分解后,裸露出来的具有高活性的无机纳米组分可在摩擦副接触表面形成具有良好摩擦学性能的表面膜。     

纤维复合材料界面横向拉伸分析

以单纤维十字型横向拉伸试验为研究对象,对纤维/基体界面采用弹性-软化双线性内聚力模型,建立了纤维复合材料在横向拉伸作用下界面法向失效过程的解析模型。得到了沿纤维/基体圆周界面的法向应力分布,纤维/基体界面的状态与界面承载力和单纤维复合材料承载力的关系,以及内聚力参数和试件几何尺寸对它们的影响。结果表明:纤维/基体圆周界面在脱粘前经历全部弹性及弹性+软化两种状态;当界面为弹性状态时,界面法向应力随界面强度线性增加;当界面为弹性+软化状态时,界面软化范围随界面裂纹萌生位移的增加而增大;界面初始脱粘位置与拉伸荷载方向重合;界面初始脱粘时的界面承载力随界面强度及界面裂纹萌生位移的增加而增加,随界面裂纹生成位移的增加而降低;单纤维复合材料的脱粘荷载受基体截面尺寸的影响,当纤维体积含量相同时,沿荷载方向截面尺寸的增大对提高脱粘荷载更显著。     

压力对煤在典型基体材料上冻粘强度的影响分析

为分析压力对煤在典型基体材料上冻粘强度的影响规律与原因,对不同压力下煤样在亲水性Q235基体材料和疏水性UHMWPE基体材料上的冻粘强度进行实验。实验数据表明:在两基体上煤样冻粘强度均随压力的增加而逐渐增加,Q235基体材料上冻粘强度大小约为UHMWPE基体冻粘强度的10倍;在Q235材料上,当煤样压力从0MPa增至0.75MPa时,冻粘界面处的煤泥冰大量增多,使其自身强度迅速增加,同时界面直接接触部位变得紧密,导致冻粘强度迅速增加,当压力从0.75MPa增至5MPa时,煤泥冰自身强度缓慢增加,导致冻粘强度缓慢增加;在UHMWPE材料上,当煤样压力从0MPa增至1.5MPa时,煤泥冰增多使其与材料表面接触面积迅速增加,直接接触部位也变得紧密,导致冻粘强度迅速增加;当压力从1.5MPa增至5MPa时,冻粘界面水分与材料表面接触更加充分,导致冻粘强度缓慢增加。实际使用中为减少冻粘时矿车或皮带输送机滚筒损伤,应尽量避免在冻粘强度随压力迅速增加阶段提高运煤量或运输功率。     

碳纳米管网格对碳纤维复合材料层间剪切性能的影响

采用正压过滤法制备了不同厚度的多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes,MWNTs)网格,并将制得的MWNTs网格并入碳纤维层合板的层间界面,研究了网格对层合板II型层间断裂韧性(G_(IIC))和层间剪切强度(ILSS)的影响.结果表明,约20!m厚的多孔MWNTs网格使复合材料的G_(IIC)和ILSS分别提高了约69%和24%.微观断面表明,连续的纳米网格显著提高了碳纤维和树脂基体的界面粘接性能,在剪力作用下,从典型的树脂脆性断裂以及纤维-树脂界面脱粘过渡到MWNTs增强树脂区域内的韧性断裂,一定厚度的MWNTs网格对层间区域起到了良好的增韧效应.     

纤维─基体界面剪切强度与断裂韧性的表征和测定

根据单向复合材料纤维分布、剪切变形与裂纹扩展的细观分析,提出纤维一基体界面剪切强度和断裂韧性的简易细观表征与测定方法．     

纤维─基体界面剪切强度与断裂韧性的表征和测定

根据单向复合材料纤维分布、剪切变形与裂纹扩展的细观分析,提出纤维一基体界面剪切强度和断裂韧性的简易细观表征与测定方法．     

纳米碳酸钙对聚丙烯/碳纤维复合材料力学性能的影响

通过熔融共混的方法分别制备了聚丙烯/碳纤维、聚丙烯/纳米碳酸钙及聚丙烯/纳米碳酸钙/碳纤维复合材料,并研究了碳纤维及纳米碳酸钙对聚丙烯材料增韧增刚的效果。结果表明,少量的碳纤维能够大幅提高聚丙烯材料的弯曲模量,并有一定的增韧效果;表面改性后的纳米碳酸钙能在聚丙烯基体中均匀分散,并大幅提高聚丙烯的缺口冲击韧性,在30%添加量下(重量比)提高幅度达到5.6倍,同时模量也有一定程度提高。将改性后的纳米碳酸钙和碳纤维同时加入聚丙烯基体中,结果显示:在保证纳米碳酸钙均匀分散的前提下,复合材料的缺口冲击强度和弯曲模量可以同时得到大幅度地提升,实现了聚丙烯基复合材料的高刚高韧改性。     

纤维树脂界面剪切强度及纤维强度分布参数的实验测定

界面剪切强度及纤维强度分布参数是复合材料设计及应用研究中的重要参数，本文采用单纤维段埋入法测定了上述两个参数。通过实验研究说明了单纤维段埋入法是一种测定界面剪切强度及纤维强度分布参数的有效的实验方法；同时证实了基体的力学性能对界面剪切强度有着重要的影响。全部实验在自制的实验系统上完成