4D打印形状记忆聚合物及其复合材料的研究现状和应用进展

形状记忆聚合物材料是一种在外界环境刺激下可发生形状变化的智能材料,基于这种智能材料的可变形结构在生物医疗、航空航天等诸多领域显示出巨大的应用潜力.4D打印技术的问世为智能材料的进一步发展带来新的机遇,同时为微创医疗、智能机器人、柔性电子等高科技产业开创了全新的和智能化的发展方向.本文首先介绍4D打印技术的兴起和发展,以及5种新兴聚合物打印技术（光辅助打印、磁辅助打印、连续纤维打印、容积3D打印、多材料多喷头打印）的研发;其次从热、电、磁、光驱动4个方面综述了近几年4D打印形状记忆聚合物及其复合材料的研究进展及潜在应用,总结了适用于4D打印的形状记忆聚合物及其复合材料的制备方式及性能;然后介绍了基于形状记忆聚合物复合材料的4D打印结构在生物医疗、航空航天、智能器件及仿生领域的应用研究;最后指出4D打印在打印技术、打印材料、驱动方式和应用验证4个方面存在的问题及未来发展方向.     

超高温陶瓷材料抗热冲击性能及抗氧化性能研究

研究了多种强韧化方法以提高超高温陶瓷材料抗热冲击性能,包括碳化硅晶须增强增韧、石墨软相增韧和氧化锆相变增韧。同时,还研究了碳化硅含量对超高温陶瓷材料的抗氧化性能影响。研究结果表明：碳化硅晶须和氧化锆的添加显著提高了材料的抗热冲击临界温差,而石豢软相的引入对抗冲击临界温差的影响不大,但显著提高了裂纹扩展阻力和强度保持率。高SiC含量超高温陶瓷材料在1800℃以下具有的优异的抗氧化性能,在更高的温度下,高与低的SiC含量对超高温陶瓷材料的抗氧化性能均不利,通过优化材料的组分以降低材料表面温度是提高超高温陶瓷材料的抗氧化性能的一个非常有效的途径。     

伪弹性合金内衬复合材料压力容器的强度分析

具有伪弹性合金内衬的纤维缠绕复合材料压力容器的承载能力很大程度上取决于内衬的伪弹性特性，合理地设计合金的伪弹性范围，可使容器具有最佳的承载能力。根据伪弹性合金的相变理论和复合材料弹性力学，并结合强度理论，给出了具有伪弹性合金内衬的复合材料压力容器的强度分析方法以及承载能力的确定方法。研究结果表明：伪弹性合金内衬改变了复合材料压力容器的受力状态，将铝合金的内衬主宰变成了外壳主宰，使复合材料的功能可以得到更充分地发挥; 同时可以确保内衬工作在线弹性范围内，卸载时也不会发生受压屈曲现象。所以，具有伪弹性合金内衬的复合材料压力容器能够增加极限承载能力，延长内衬的工作寿命。     

AlN-TiN-TiB_2复相陶瓷的显微结构和力学性能

以Al、TiN、B_4C、Si为原材料,采用自蔓延高温合成热等静压(SHS/HIP)技术制备了AlN-TiN-TiB_2复相导电陶瓷,测定其相对密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧度等力学性能,并确定了最佳原料比.利用XRD、SEM分析了AlN-TiN-TiB_2复相导电陶瓷的物相和显微组织,材料的断裂模式主要是沿晶断裂.并且研究了不同比例复相陶瓷在不同温度下的电阻率.     

形状记忆合金混杂复合材料弯曲变形的设计

为了预报形状记忆合金混杂复合材料的物理性能与弯曲变形能力,提出了兼顾常规力学性能和主动变形能力的系统的设计方法.以形状记忆合金体积含量为主要设计变量,分析了丝状、带状及板状形状记忆合金埋入复合材料层合板后,这种混杂复合材料力学性能的变化.经过某种特殊加工的板状NiTi合金,不但增大了NiTi合金的体积含量,还增大了形状记忆合金电阻值,以此来提高NiTi合金的响应速度.采用有限元方法进行设计计算及分析,验证了该设计方法的正确性.     

最小能量函数法求解碳基复合材料超高温烧蚀产物

采用最小能量函数法对碳基复合材料超高温烧蚀气态产物进行了计算。并用“星形”等离子发生器和等离子体火炬对碳基复合材料进行了高温烧蚀实验, 获得了不同温度、压力下的高温烧蚀气态产物光谱。光谱检测的烧蚀气态产物与采用最小能量函数法计算的气态产物完全一致, 表明采用最小能量函数法计算碳基复合材料超高温烧蚀气态产物, 求解方法正确、合理、有效。该方法不仅能够计算不同温度、压力下的碳基复合材料超高温烧蚀气态产物, 还可用来计算混杂碳基复合材料这种更加复杂的烧蚀体系。     

多向细编碳／碳复合材料界面力学性能测试与表征

本文用自制装置研究了多向细编Ｃ／Ｃ复合材料纤维束性能，分析了工艺过程的影响。同时用界面微脱粘实验技术研究了Ｃ／Ｃ复合材料界面性能，给出了相应的理论模型和界面应力分布，提出了由界面脱粘力，纤维、基体和复合材料性能表征界面剪切强度的方法，为Ｃ／Ｃ复合材料优化设计提供了定量参数。结果表明：织物结构、织物编织工艺以及织物／基体复合对纤维的强度影响很大，降为原始纤维的２０％左右，对模量影响小。不同界面层次，纤维／基体的界面结合情况和界面剪切强度不同，Ｚ向纤维束中纤维／基体结合好，具有最高的结合强度，ＳＥＭ观察证实有大量基体碳在纤维上枝联。     

碳短纤维-ZrB2陶瓷基复合材料的制备与性能研究

对ZrB2-Sic（ZS）材料和碳短纤维，ZrB2-SiC（ZSC）材料的断裂韧性、室温至900℃弯曲强度进行了测试和研究。结果表明：短纤维的加入可以显著提高材料的断裂韧性、从4．25MPa．m^1/2提高到6．56MPa．m^1/2，纤维拔出和脱粘以及裂纹的桥接和偏转是材料断裂韧性提高的原因；ZS和ZSC材料弯曲强度从室温到900℃经历了不同的过程，但都是两种因素共同作用的结果，即温度升高，晶界软化所带来的对裂纹的愈合作用与温度升高所带来的界面结合强度下降的作用。     

碳短纤维-ZrB2陶瓷基复合材料的制备与性能研究

对ZrB2-SiC(ZS)材料和碳短纤维/ZrB2-SiC(ZSC)材料的断裂韧性、室温至900℃弯曲强度进行了测试和研究.结果表明:短纤维的加入可以显著提高材料的断裂韧性、从4.25 MPa·m1/2提高到6.56 MPa·m1/2,纤维拔出和脱粘以及裂纹的桥接和偏转是材料断裂韧性提高的原因;ZS和ZSC材料弯曲强度从室温到900℃经历了不同的过程,但都是两种因素共同作用的结果,即温度升高,晶界软化所带来的对裂纹的愈合作用与温度升高所带来的界面结合强度下降的作用.     

Residual strength model for composite laminates

To research the approach of predicting composites fatigue life,the cumulative fatigue damage of fiber-reinforced plastic laminates(FRP) was investigated,and based on the complex exponential function,the residual strength model was obtained. This model can accurately describe the propagation of cumulative fatigue damage of FRP in three stages,especially in the initial stage and the ceasing stage. Applying this model in the experiment with two loading cycles,it can be found that the prediction result has good coincidence with experimental data. So a reliable residual strength model can be provided for studying the cumulative fatigue damage of FRP.