基于表面能理论的单晶纤维材料尺度效应研究

实验发现在纳机电系统中纳米结构的力学性能存在尺度效应。本文通过表面能理论研究了纳米结构的尺度效应,建立了单晶纳米纤维在拉伸、弯曲变形条件下的理论模型,并与实验结果进行拟合,对纳米结构所表现出的尺度效应作出了准确的预测,该模型有望为深入理解材料纳米结构的尺度效应提供了很好的理论基础。     

一种基于高阶梯度理论的微构件力学尺度效应模型

实验发现微构件的力学性能存在尺度效应,传统力学模型无法解释这一现象。该论文基于高阶应变梯度理论构建了一种针对微构件在三点弯曲实验中的弹性性能的尺度效应模型,该模型包含一个与材料自身相关的一个参数,可以解释微构件在实验过程中弹性力学性能的尺度效应。通过对比该理论模型与已有模型之间的关系,分析了模型的适用性。     

基于断裂理论的竹纤维复合材料拉伸强度的尺寸效应研究

以重组竹为代表的竹纤维复合材料是具准脆性断裂特征的生物基纤维复合材料,强度值存在尺寸效应问题,影响其构件的设计理论。为研究重组竹的强度尤其是纵向拉伸强度的尺寸效应现象,进行了三点弯曲试验与直接拉伸试验测试材料的尺寸效应行为,并应用基于断裂理论的拉伸强度模型分析材料缺陷尺寸及尺寸效应的计算方法。试验结果表明,重组竹的拉伸强度存在明显的尺寸效应现象,而基于断裂理论的拉伸强度模型可计算不受尺寸效应限制的理论塑性拉伸强度,且该塑性拉伸强度考虑了材料表面的缺陷影响。因此,尺寸效应对重组竹纵向拉伸强度的影响可采用理论塑性拉伸强度与表面缺陷尺寸确定。     

高分子纳米纤维表面压痕及其分形特征研究

采用静电纺丝法制备了纳米级高分子聚己酸内酯(PCL)纤维,通过扫描电子显微镜和原子力显微镜观察了聚己酸内酯纳米纤维的表面结构和微观特征,并通过原子力显微镜对纤维表面进行纳米压痕实验。实验发现随着压痕深度的变小,纤维的弹性模量呈现增大的趋势。利用统计分形理论对高分子纤维表面压痕过程进行建模,通过拟合实验曲线得到了材料的分形参数,该模型可以很好的模拟高分子纤维材料在纳米压痕实验中的尺寸效应。     

高密度聚乙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯原位成纤增强复合材料的形态与力学性能

用挤出-拉伸-注塑法制得了高密度聚乙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(HDPE/PET)原位成纤增强复合材料,研究了PET质量分数对PET成纤性和材料拉伸强度及模量的影响及其作用机制。熔体拉伸时分散相液滴的聚结-形变成纤对PET相形态随PET质量分数的变化起关键作用,分散相对基体增强效应和两相界面缺陷效应相互竞争是决定拉伸强度随PET质量分数变化的重要因素,纤维对基体增刚作用受纤维数量和细度的双重控制是决定材料拉伸模量与PET质量分数关系的支配因素。     

PMMA变温松弛模量获取方法的实验研究

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在不同温度条件下进行拉伸应力松弛实验,获取了恒温条件下的松弛模量曲线,并对其进行温度修正,建立折合模量-时间对数曲线图。利用最小二乘法平移原理计算出时温等效因子,确立WLF方程参数。对其参考温度下的松弛模量进行了基于Prony级数的拟合,建立了材料Wiechert黏弹性参数模型,且实验结果与仿真结果吻合性比较好,为后续的数值仿真和实验研究提供了理论的指导作用。     

短纤维增强橡胶材料的力学模型

在材料剪切滞后分析与随机顺序吸收法的基础上建立了短纤维增强橡胶材料(SFRC)的理论模型与有限元模型。通过简化将SFRC模型中的三维随机取向纤维降为二维取向,对短纤维增强阻尼材料的弹性模型进行计算与拟合。结果表明,随纤维体积分数的增大,SFRC的模量逐渐增加。当纤维体积分数为2.00%时,材料的弹性模量增加了约1倍,与试验值基本相符合。有限元分析结果与试验结果相吻合,表明该模型在进行SFRC的力学行为分析时具有一定的真实性。当材料应变在300%以内时,有限元模型可以对SFRC的力学行为进行比较准确的描述。     

聚合物熔体动态黏弹特性微尺度效应实验研究

针对聚合物熔体在微流道内，因拉伸/压缩作用导致的黏弹特性受物理尺度影响的问题，通过动态剪切流动实验系统研究了四种聚合物材料的黏弹特性，以及黏弹特性随物理尺度的变化规律。结果表明，在角频率1~100 rad/s的范围内，聚酰胺、聚氨酯、聚乳酸均表现出耗能模量大于储能模量的黏性占优特征，聚丙烯在高频区时表现出弹性占优特征。储能模量与耗能模量均随着物理特征尺度的减小而降低。物理特征尺度从1000 μm减小到250 μm的变化过程中，聚氨酯、聚酰胺和聚丙烯三种熔体的弹性效应对微尺度变化的敏感性比黏性效应强烈，储能模量变化率与耗能模量变化率的差值分别为5.8%、4.2%和2.6%。聚乳酸熔体的黏性效应对微尺度变化的敏感性与弹性效应基本一致，其储能模量变化率与耗能模量变化率的差值为-0.3%。材料分子链特征的差异导致储能模量与耗能模量随物理特征尺度减小的变化率不同。熔体黏弹特性对微尺度变化敏感性的强弱依次为聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯和聚乳酸，其黏弹性特征参量的变化率分别为28.6%、22.6%、20.6%和19.45%。     

平纹机织玄武岩纤维/环氧树脂复合材料冲击拉伸行为

以常规机织工艺生产织物增强体,以真空辅助树脂转移模塑法(VARTM)制备成型复合材料,研究单层平纹玄武岩长丝增强环氧树脂复合材料在准静态和高应变率加载下的拉伸性能。准静态和高应变率拉伸试验分别在MTS-810.23试验仪和分离式霍普金森拉杆(SHTB)测试系统上完成。试验结果表明该材料的力学性能具有应变率依赖性:随着应变速率的增加,拉伸模量和拉伸强度单调增加,失效应变单调减小,弹性能先增加后减小。材料的失效破坏特征也呈现明显的应变率效应:准静态拉伸时,材料断口整齐,树脂的破碎少,几乎没有纤维的抽拔和经纬向纤维束间的滑移;高应变率拉伸时,材料断口参差错乱,树脂完全破碎,纤维束抽拔严重、相互崩裂和滑移,织物增强体结构的整体性破坏严重。     

生物可降解山麻杆韧皮纤维增强PBS复合材料的性能研究

以山麻杆韧皮纤维为增强体,其与PBS颗粒按质量比20∶80模压成型制备了4种板材,探讨了表面处理对纤维微观结构与物理性能的影响,分析比较了板材力学性能及生物降解性。结果表明, 采用物理化学相结合方法预处理后,表面依然存留一定量的果胶等物质;预处理纤维进一步碱处理后表面出现“S”形凹槽,预处理纤维进一步偶联剂处理后表面凹槽连续性好、深度深;碱处理、偶联剂处理后纤维拉伸强度分别提高5.08 %和降低3.58 %;相比纯PBS,偶联剂处理后纤维复合材料拉伸强度与弯曲强度各提高48.32 %和25.97 %,拉伸模量与弯曲模量各提高146.45 %和128.30 %;3种纤维复合材料生物可降解性变化趋势一致,但偶联剂处理后的材料失重率变化幅度最小。     

基于Weibull概率分布的纤维增强复合材料损伤演化分析

利用已有的纤维增强复合材料性试验样本,运用统计分析与拟合优度检验方法证明选取二参数Weibull分布函数近似估计纤维增强复合材料拉伸强度与弹性模量分布类型的合理性。通过拉伸强度与损伤变量的关系建立纤维增强复合材料的损伤演化模型,并利用试验数据与线性拟合方法推导不同层数纤维增强复合材料的演化方程。损伤演化分析结果表明,在同等损伤情况下,单层纤维增强复合材料比二、三、四层纤维增强复合材料拉伸强度分别高出10%、20%、25%,拉伸强度随着层数的增加呈逐渐降低趋势,而层数对材料弹性模量的影响可忽略不计。在此基础上,提出考虑粘贴层数的纤维增强复合材料拉伸强度修正系数κlayer,系数建议值可供加固设计参考。     

Mooney-Rivlin模型在硅橡胶应力锥受力分析中的应用

采用Mooney-Rivlin模型作为应力锥硅橡胶的本构模型,计算电缆终端应力锥的变形。MooneyRivlin模型的参数C01和C10通过拟合硅橡胶单轴拉伸试验的数据得到。通过Abaqus软件对应力锥进行数值模拟,得到应力锥的受力变形,同时通过实验对应力锥的变形进行测量,发现数值模拟结果和实验结果相吻合,证实了Mooney-Rivlin模型能在电缆终端应力锥硅橡胶材料数值分析中的准确性。     

高强高模碳纤维技术获得新进展

正宁波材料所特种纤维事业部在高强高模碳纤维国产化制备技术领域取得了重大突破,制备得到的高性能碳纤维拉伸强度为4.86 GPa、拉伸模量为541 GPa,在模量达到国外同类产品性能(540 GPa)的同时,拉伸强度远优于国外产品,从而打破了国外在该领域的垄断并填补了国内技术空白。高强高模碳纤维又称为石墨纤维,与传统高强碳纤维相比,其含碳量高达99%以上,且具有更高的模量。此     

橡胶类超弹性本构模型中材料参数的确定

采用单轴拉伸、等双轴拉伸及平面剪切下橡胶材料试验数据的4种不同组合方式分别对主要用于表述橡胶超弹性的Yeoh模型和Ogden三阶模型进行拟合,并得出两种模型的材料参数。建立单轴拉伸、等双轴拉伸及平面剪切试验的有限元模型,探究1种仅仅借助单轴拉伸试验数据并结合其他2种试验有限元模型预测结果,进行橡胶类本构模型参数拟合的新方法。结果表明:选用Yeoh模型时,利用单轴拉伸和等双轴拉伸组合方式可获得较理想的材料参数;在只具备单轴拉伸试验数据的条件下,利用单轴试验数据和等双轴有限元模型预测数据的组合方式在低应变区用Yeoh模型拟合得到的材料参数较可靠;Ogden三阶模型较Yeoh模型精度高,但计算效率低且不易收敛。     

平纹编织C/SiC复合材料精细RVE的建立

通过对平纹编织C/SiC复合材料经向和纬向截面的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)照片的精确测量,获取了纤维束的几何参数和波动曲线,以四参数正弦函数为拟合函数,得到了纤维束纵、横截面的参数化曲线方程。并通过建立的代表特征体元(representative volume element,RVE)得到纤维体积含量的计算值与试验测定值相比较,来检验模型的精确性。以MSC.PATRAN为平台,采用六面体单元进行分网,得到了RVE的三维有限元模型。通过在RVE模型中预制孔洞的方法,计算了平纹编织C/SiC复合材料的有效弹性模量,其中轴向拉伸模量与轴向剪切模量的计算值与试验值吻合较好,其它3个有效弹性模量还有待试验值的检验。     

玄武岩织物网格-纤维水泥基复合层拉伸性能试验研究

玄武岩织物-纤维水泥基复合材料(BFRP-FRCM)复合层具有拉伸应变硬化、多裂缝破坏、变形能力好等优势,已成为当前结构修复与加固工程的首选材料之一。通过单轴拉伸试验研究不同FRCM配比、不同纤维种类和不同玄武岩网格层数对复合层拉伸力学性能的影响。结果表明:BFRP-FRCM复合层在掺入PVA(聚乙烯醇)纤维、PE(聚乙烯)纤维时具有明显的拉伸应变硬化效应,掺入PP(聚丙烯)纤维的复合层试件呈现拉伸软化效应。掺入PE纤维的BFRP-FRCM复合层最大极限拉应变可达3.95%,远高于普通砂浆材料的极限拉应变。复合层的纤维网格掺入量存在最优值。     

聚丙烯纤维/表面改性黄麻纤维复合膜的制备及性能

以聚丙烯(PP)纤维为基体,经碱、偶联剂表面改性处理后的黄麻纤维为第二组分,采用非织造-模压工艺制备了PP纤维/表面改性黄麻纤维复合膜,探讨了经表面改性处理后的黄麻纤维含量对复合膜的力学性能、吸水性能以及复合膜的断面形貌的影响。结果表明:随着黄麻纤维含量的增加,复合膜的拉伸强度呈先增大后减小趋势,但变化不明显,当黄麻纤维质量分数为10%时,拉伸强度达到最大为60.5MPa,复合膜的拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量也呈先增大后减小趋势,当黄麻纤维质量分数为30%时,复合膜力学性能最优,其拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量分别为6.4 GPa,80.7MPa,5.0 GPa;复合膜的吸水率(W)随黄麻纤维含量的增加而增大,当黄麻纤维质量分数为40%时,复合膜的W最大为6.6%;当复合膜中黄麻纤维质量分数小于等于30%时,PP纤维与黄麻纤维之间界面粘合良好,黄麻纤维与PP纤维紧密相连,相互交叉形成网状结构。     

碳纤维/石英纤维混杂树脂基复合材料力学性能研究

研究了石英纤维与T700级碳纤维层间混杂树脂基复合材料的拉伸、压缩和面内剪切性能。研究结果表明,对于单向铺层的材料,相较纯石英纤维树脂基复合材料,混杂工艺能够使石英纤维树脂基复合材料的拉伸模量,从41.5 GPa增大到86.7 GPa,性能提升约109%,拉伸破坏强度保持相对稳定;压缩模量从40.1 GPa增大到77.1 GPa,压缩破坏强度保持相对稳定;对于材料的面内剪切性能没有明显影响。对于试验设计的多向铺层的材料,拉伸模量也提升了约55%,压缩模量提升了约50%,层合板的剪切模量提升60%。研究表明纤维混杂工艺能够明显改善石英纤维复合材料的刚度性能。     

电纺纳米纤维增强聚合物复合材料的研究进展

与作为填料的普通纤维相比,通过静电纺丝所得纳米纤维(简称电纺纳米纤维)的长径比及比表面积较大,相对于基体材料具有较大的模量和韧性,对聚合物基体有较好的力学增强效果;电纺纳米纤维在复合材料中应力集中程度低、与聚合物基体间界面结合较好。加入电纺纳米纤维可以提高复合材料的性能,如拉伸及弯曲强度、模量,抗冲击性能等都有较大提高。电纺纳米纤维在聚合物基体中的分散及其与基体间的界面黏结等问题有待进一步研究和改善。     

聚酰胺纤维

20051026维德纶聚己内酰胺纤维在拉伸和变形中的一些问题Gankov N.P.…;Fibre Chemistry,2002,34(4),p.2(9英)研究维德纶聚己内酰胺纤维在拉伸中分离出的白粉和变形中积累沉积的本质,可以发现二氧化钛悬浮物和油剂的质量明显影响粉末的分离和纤维在拉伸中的通径。在聚合物中的过氧化、热和机械降解过程确定纤维的结构及其拉伸和变形的行为。分离的白粉量是初生纤维含湿量、卷绕间温度、加工条件和拉伸的函数。聚合物与无机物在纤维表面的交联浓度和白粉量以及在变形机室壁上沉积是与其在拉伸中的加工性能紧密相关的。(汪兴华)聚己内酰胺纤…