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  • 材料工程
      2018年, 第46卷, 第4期 刊出日期:2018-04-20 上一期    下一期
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    2018, 46 (4): 0-0.  
    摘要 ( 137 )   PDF (1874KB) ( 79 )   引文文本
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    综述
    先进热管理材料研究进展
    何鹏, 耿慧远
    2018, 46 (4): 1-11.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001194
    摘要 ( 1704 )   HTML( PDF (3434KB) ( 748 )   引文文本
    热管理系统广泛应用于国民经济以及国防等各个领域,控制着系统中热的分散、存储与转换。先进的热管理材料构成了热管理系统的物质基础,而热传导率则是所有热管理材料的核心技术指标。本文针对先进热管理材料的应用、种类以及其中热传导的物理机制等关键问题进行了综述。重点介绍了热界面材料、高导热封装材料、蓄热材料以及热电材料等的研究进展及存在的问题。对均质及复合材料中的热传导机制进行归纳,并指出分子动力学、密度泛函理论及大规模并行计算技术将在揭示多尺度的热传输机制方面发挥越来越重要的作用。
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    石墨烯纳米复合材料光驱动技术的研究进展
    王飞, 贾书海, 唐振华, 汪永林
    2018, 46 (4): 12-22.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000465
    摘要 ( 564 )   HTML( PDF (5379KB) ( 323 )   引文文本
    石墨烯纳米复合材料在光驱动中的应用引起了研究人员的关注。石墨烯具有优异的物理化学性质,尤其是它的高比表面积、热传导性和机械强度,促进了光驱动智能化、远程控制技术的发展。基于石墨烯复合材料的光驱动器为精密机械、光学等领域提供了一种前途光明的先进驱动技术。本文通过述评基于石墨烯复合材料光驱动技术研究的最新进展,展望了石墨烯复合材料的合成方法、石墨烯材料作为光驱动复合材料填料等研究热点,及其在仿生物研究、微型机器人、生物医疗等领域的应用前景。
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    硅酸盐黏土矿物在抗菌方面研究进展
    舒展, 张毅, 谢虹忆, 欧阳静, 杨华明
    2018, 46 (4): 23-30.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000986
    摘要 ( 314 )   HTML( PDF (2750KB) ( 287 )   引文文本
    硅酸盐黏土矿物独特的化学组成成分、微观形貌结构以及物理化学特性影响其在抗菌方面的应用。化学组成成分中部分抗菌元素可通过化学渗透作用于细菌细胞内及细胞质产生抗菌效果,表面电荷调节可增强硅酸盐黏土矿物与细菌表界面作用且达到抗菌药剂控释要求,特殊形貌特征可用于装载纳米抗菌剂提高抗菌稳定性并降低生物毒副作用,构建稳定、优异且长效的抗菌复合材料。本文综述探究了硅酸盐黏土矿物的化学渗透及物理吸附两种抗菌机理,硅酸盐黏土矿物基复合抗菌材料的协同作用机制及其抗菌制品示例,探讨硅酸盐黏土矿物在抗菌复合材料工业化应用中的可行性。
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    研究论文
    温度对CVD法在纤维表面制备BN涂层的影响
    马良来, 高乐, 胡建宝, 乔振杰, 董绍明
    2018, 46 (4): 31-37.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001069
    摘要 ( 288 )   HTML( PDF (3201KB) ( 166 )   引文文本
    采用BCl3-NH3-H2体系,在不同温度下通过化学气相沉积法在SiC纤维表面沉积BN涂层。研究温度对BN涂层的沉积速率、形貌、组成以及结构的影响。结果表明:在低温阶段(700~900℃),生长速率随着温度的增加而增大,该结果与阿仑尼乌斯定律相一致,计算得出该反应表观活化能为57.2kJ/mol。涂层表面光滑致密,沉积均匀,沉积速率受表面反应控制。在900℃时,反应速率达到最大值(174nm/h),此时,反应速率由表面反应控制转变为物质运输控制。在高于900℃时,由于气相成核的缘故,沉积速率随着温度的增加而减小,涂层变得疏松粗糙。BN涂层为化学计量比1:1的乱层结构,有序度随着制备温度的升高而增大。
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    合成条件对纳米锌铁氧体形貌与性能的影响
    赵晖, 马瑞廷, 赵海涛
    2018, 46 (4): 38-42.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001300
    摘要 ( 300 )   HTML( PDF (2832KB) ( 113 )   引文文本
    采用多元醇法制备ZnFe2O4纳米颗粒,研究回流时间、升温速率和回流温度对产物尺寸、形貌和磁性能的影响。通过X射线衍射仪(XRD),透射电子显微镜(TEM),傅里叶红外光谱和振动样品磁强计对样品的结构、形貌和磁性能进行表征。结果表明:制备的ZnFe2O4纳米颗粒分散性较好,尺寸较均一。随着回流时间的延长和回流温度的升高,ZnFe2O4颗粒粒径增大。回流温度为270℃时,制备的ZnFe2O4饱和磁化强度为35.09A·m2/kg,剩磁较小,矫顽力为4.2kA/m,表现出亚铁磁性。
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    磷酸铁锂/石墨烯复合材料的合成及电化学性能
    南文争, 燕绍九, 彭思侃, 张晓艳, 刘大博, 戴圣龙
    2018, 46 (4): 43-50.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000826
    摘要 ( 398 )   HTML( PDF (3596KB) ( 211 )   引文文本
    采用研磨、超声分散与搅拌干燥的工艺方法制备磷酸铁锂/石墨烯复合材料。利用TEM,SEM,XRD和Raman对材料组织结构进行表征,并组装成扣式电池进行电化学性能测试。SEM图像表明,在该工艺所制备的磷酸铁锂/石墨烯复合材料中,石墨烯贴附在磷酸铁锂颗粒表面,并且均匀地分散在复合材料中形成良好的导电网络。电化学测试结果显示,添加2%(质量分数)石墨烯后,磷酸铁锂的倍率性能和循环性能都得到明显提高。具体表现为:倍率性能方面,在5C充放电条件下,放电比容量提高到94.2mAh·g-1,是添加前的2.53倍;循环性能方面,100次循环(1C充放电)后容量衰减由添加前的43.5%下降到添加后的9.6%。这种简便的工艺能够实现石墨烯在电极材料中的均匀分散,充分发挥石墨烯优异的导电性,进而提升磷酸铁锂正极材料电化学性能。
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    钨酸钠对取向硅钢绝缘涂层性能的影响
    王晨, 王魁, 肖小波, 丁浩, 汪炳叔, 毛朝武, 张维林, 金钢南
    2018, 46 (4): 51-57.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000773
    摘要 ( 225 )   HTML( PDF (2522KB) ( 86 )   引文文本
    采用扫描电镜、爱波斯坦方圈、绝缘电阻测试仪、红外光谱仪和热分析仪等手段研究取向硅钢绝缘涂液中钨酸钠对制备的磷酸盐绝缘涂层微结构和性能的影响。结果表明:随着钨酸钠含量的逐渐增加,涂液与取向硅钢基底的润湿角先减小后增大;取向硅钢的层间电阻、叠装系数和磁感应强度均先增大后减小,铁损先减小后增大。当钨酸钠含量为2.0%(质量分数)时,涂液与硅钢基底的润湿性能最好,润湿角为39.3°;涂层致密、平整,绝缘涂层与硅酸镁底层之间存在0.8μm左右的过渡层,而且涂层的耐吸湿性能并不产生显著变化;取向硅钢的层间电阻、叠装系数、磁感应强度和铁损均达到最佳值,分别为14073Ω·mm2,97.0%,1.893T和1.051W·kg-1
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    电流密度对水热电化学沉积HA涂层性能的影响
    王朴, 杜继涛
    2018, 46 (4): 58-65.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000787
    摘要 ( 242 )   HTML( PDF (2881KB) ( 94 )   引文文本
    在含0.15mol/L HF,2mol/L H3PO4的水溶液中对Ti6Al4V基体进行阳极氧化处理,然后在0.02mol/L CaCl2,0.012mol/L K2HPO4·3H2O,0.139mol/L NaCl的电解液中采用水热电化学沉积方法在预处理的Ti6Al4V基体表面制备羟基磷灰石(HA)涂层。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、台阶仪和万能材料试验机等研究沉积过程中电流密度大小对HA涂层物相、微观形貌、厚度、生物活性及结合强度的影响。结果表明:采用水热电化学沉积方法在不同电流密度下均制备出了HA涂层,涂层表现为分层生长,部分晶体呈花簇状。HA的厚度随电流密度的增加先增大后减小,在1.25mA/cm2时达到最大为26.4μm,此时涂层最为致密,与基体的结合强度最高,约为20.0MPa。模拟体液(SBF)浸泡实验能较快诱导类骨磷灰石(CHA)的生成,最大直径达到7~8μm,表明涂层具有较好的生物活性。
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    2219高强铝合金活性TIG焊工艺
    栗慧, 邹家生, 姚君山, 彭浩平
    2018, 46 (4): 66-73.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001169
    摘要 ( 281 )   HTML( PDF (7654KB) ( 197 )   引文文本
    采用单组分活性剂(AlF3和LiF)、3组分(AlF3+30% LiF+10% KF-AlF3)和4组分(AlF3+30% LiF+10% KF-AlF3+10% K2SiF6)混合组分活性剂进行2219高强铝合金直流正极性活性TIG焊(DCSP A-TIG),研究4种类型活性剂对焊缝表面成型、焊缝内部质量(气孔)、焊缝熔深、电弧形态、接头组织与力学性能的影响。结果表明:涂覆活性剂有助于去除2219铝合金表面的氧化膜,提高焊缝表面成型质量,涂覆4组分活性剂的DCSP A-TIG焊缝表面成型质量最佳;与变极性TIG焊(VPTIG)焊缝内部质量相比,DCSP A-TIG焊接方法可显著降低2219铝合金焊缝内部气孔的产生;AlF3单组分活性剂可显著增大焊缝熔深,其电弧形态具有明显的拖弧现象;DCSP A-TIG焊焊缝组织具有与母材相同的组织组成物,电流对A-TIG焊缝组织影响较大,增大焊接电流,会造成接头晶粒组织粗大;涂覆4组分活性剂的DCSP A-TIG接头强度和伸长率最高,与VPTIG焊接头力学性能具有相近的技术指标。2219高强铝合金的DCSP A-TIG焊接方法具有很大的工程应用价值。
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    7A04铝合金应力腐蚀敏感性及裂纹萌生与扩展行为
    杜娟, 田辉, 陈亚军, 王付胜, 陈翘楚, 褚弘
    2018, 46 (4): 74-81.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000655
    摘要 ( 316 )   HTML( PDF (6781KB) ( 188 )   引文文本
    采用相移和电化学阻抗谱相结合的方法研究慢应变速率拉伸过程中7A04铝合金在pH=1,4,7,12的3.5% NaCl溶液中应力腐蚀裂纹的萌生和扩展规律,并利用电化学噪声法验证该方法的可行性。结果表明:溶液腐蚀性越强,7A04铝合金的应力腐蚀开裂敏感性越大;pH=1条件下,相移法测得裂纹在1h时开始萌生,在4.5h明显扩展,由电化学阻抗谱分析得到裂纹的萌生和扩展不是连续的,而是分阶段进行;电化学噪声法的测试结果为裂纹在3000~5000s时开始萌生,在13500~22500s扩展明显,伴随出现明显周期性的电流和电位噪声峰。
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    800MPa级Al-Zn-Mg-Cu系合金
    杨守杰, 邢清源, 于海军, 王玉灵, 戴圣龙
    2018, 46 (4): 82-90.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000277
    摘要 ( 475 )   HTML( PDF (5268KB) ( 252 )   引文文本
    通过采用在线精炼、在线细化、热顶铸造等技术手段,成功在直接水冷半连续铸造设备上制备出了合金化元素总量达20%的Al-Zn-Mg-Cu系合金,打破了7000系铝合金合金化元素总量不高于14%的极限。利用金相显微镜、透射电镜进行微观组织观察,采用差热分析仪测试相转变温度,测试了硬度、拉伸性能并利用扫描电镜进行断口分析。该合金经过挤压、RRA热处理后,其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到810.3,799.3MPa和3.4%。通过对单级时效动力学和三级时效动力学进行研究,确定了合金的最佳时效温度为120℃,而时效时间的可选择范围较大。Zn含量高达16.1%的铝合金中主要由未溶第二相和时效析出相η'相共同强化,未发现其他新析出相。
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    WCp/高锰钢基复合材料及复合结构的冲击磨损性能
    包昂, 卢德宏
    2018, 46 (4): 91-98.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001288
    摘要 ( 299 )   HTML( PDF (6450KB) ( 119 )   引文文本
    采用挤压铸造法制备出WCp/高锰钢基复合材料和复合材料-钢复合结构,研究复合材料和复合结构的冲击磨料磨损性能。在复合结构的WC预制体中及周围添加还原Fe粉,以控制复合结构中复合材料-钢的界面结构。结果表明:复合结构中复合材料-钢的界面在还原Fe粉吸热熔化的作用下,并没有出现复合材料中WC的熔解和形成过渡层的现象。复合材料磨损表面发生材料的崩落,耐磨性低于高锰钢,而复合结构耐磨性比高锰钢提高了1.34倍。通过对磨损形貌及组织的分析,讨论了复合材料崩落的原因及复合结构对冲击磨料磨损改善的机理。
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    添加Ge元素对CsF-AlF3钎剂熔化特性、物相结构及铺展性能的影响
    何培龙, 程方杰, 肖兵, 赵欢
    2018, 46 (4): 99-103.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000911
    摘要 ( 278 )   HTML( PDF (1704KB) ( 86 )   引文文本
    在CsF-AlF3二元共晶钎剂基础上利用湿法合成工艺制备不同锗(Ge)元素添加量的含锗铯盐钎剂,对新制备钎剂的熔化特性、物相结构以及微观组织进行观察与分析,并在含Ge 4%(质量分数,下同)的钎剂作用下480℃成功钎焊2024铝合金。结果表明:当含Ge超过4%时,钎剂液相线温度从477℃下降到440℃左右,并以CsAlF4,Cs2GeF6为主相成分;同时新相Cs2GeF6的存在使得钎剂微观形貌中的絮状物减少,而块体变得更为规则有序。含Ge 4%的钎剂在480℃范围内显著促进了Zn-15Al钎料在2024铝合金上的铺展,同时该温度下的2024铝合金钎焊接头抗剪强度达到110MPa,接头组织均匀,未发现明显宏观缺陷。
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    含Ni夹杂的纳米晶Cu基体力学性能分子动力学模拟
    张岩, 肖万伸
    2018, 46 (4): 104-110.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000050
    摘要 ( 259 )   HTML( PDF (7999KB) ( 144 )   引文文本
    通过拉伸加载的方式研究以Cu为基体、Ni为夹杂的Cu/Ni纳米晶薄膜的力学性能,以及夹杂尺寸、形状对薄膜屈服强度的影响。基于原子嵌入势函数,运用分子动力学方法分析夹杂与位错的相互作用。结果表明:Ni夹杂的引入降低了材料的屈服强度;而在塑性变形阶段依靠界面及Ni原子间较强的相互作用力,夹杂能够阻碍位错的传播,起到强化作用。对于正方形、横置矩形、圆形和竖置矩形的夹杂,当横截面积为6.9nm2时,薄膜的屈服强度接近;当横截面积为15.7nm2时,含横置矩形夹杂的薄膜具有最大屈服强度,为7.41MPa;当横截面积为3.1nm2时,含圆形夹杂的薄膜具有最大屈服强度,为6.93MPa。
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    长玻纤增强复合材料注塑成型构件强度分析
    丁智平, 黄达勇, 荣继刚, 黄友剑, 曾家兴
    2018, 46 (4): 111-119.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001370
    摘要 ( 342 )   HTML( PDF (6382KB) ( 198 )   引文文本
    基于广义牛顿流体本构方程,采用ARD-RSC纤维取向模型,考虑纤维间相互作用,仿真预测长玻纤增强复合材料注塑构件的纤维取向分布;应用复合材料细观力学Eshelby夹杂理论和Mean Field均匀化方法,建立长玻纤增强复合材料均质化RVE模型;综合运用复合材料细观建模、离散RVE模型场、注塑成型和结构有限元分析技术,提出了长玻纤增强复合材料注塑构件强度分析方法。对推力杆注塑构件进行强度分析,显示仿真危险位置与实际破坏位置较为吻合。在此基础上对推力杆进行结构改进,结果表明杆体中间部分在拉伸载荷下的最大主应力降低了57.18%,在压缩载荷下的最大主应力降低了71.25%。
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    自动铺放成型热塑性复合材料的非等温结晶动力学研究
    宋清华, 肖军, 文立伟, 王显峰, 赵聪, 褚奇奕
    2018, 46 (4): 120-126.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000411
    摘要 ( 391 )   HTML( PDF (2603KB) ( 168 )   引文文本
    利用差示扫描量热仪结合Avrami方程研究玻璃纤维增强聚丙烯复合材料自动铺放成型过程非等温结晶动力学,推导非等温结晶动力学模型,并通过构建冷压辊下方铺层的冷却模型,将结晶动力学模型和传热模型相结合,设定自动铺放成型过程中的冷却条件,探讨冷却速率及冷却时间对基体材料结晶行为的影响,求解出不同冷却速率下的最大铺放速率。研究结果表明:铺层树脂基体的结晶度随冷却速率的增大而依次减小;随着冷却速率的提高,树脂结晶起始温度和结晶完成温度均向低温方向移动,且树脂相对结晶度随温度变化规律接近反S形曲线;自动铺放成型实验件的压缩强度及层间剪切强度随着铺层结晶度的增大基本呈增大趋势,而冲击强度与铺层结晶度的变化趋势完全相反,随着结晶度的增大,材料韧性越差。
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    注射压缩成型与常规注射成型的模腔压力对比分析
    王韬, 葛勇, 郎建林, 孙琦伟, 厉蕾, 颜悦
    2018, 46 (4): 127-133.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000644
    摘要 ( 430 )   HTML( PDF (3593KB) ( 184 )   引文文本
    在自主开发的注射压缩模具上安装模腔压力传感器,从工艺角度出发,对常规注射成型和注射压缩成型的模腔压力进行了工艺相关性的对比与分析。结果表明,注射压缩可有效降低注射压力和模腔压力,使模腔压力场更加均匀。常规注射成型中模腔压力受模具温度的影响最大,其次为熔体温度、保压时间和保压压力,而注射压缩成型中压缩速率对模腔压力的影响最大,其次为熔体温度和模具温度,压缩行程最弱。低残余应力与低翘曲变形进一步验证了注射压缩的技术优势和压力场特征,表明了模腔压力具有重要的工艺性能指导作用。
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    二次注射成型工艺参数对PMMA-PC复合平板翘曲的影响
    孙琦伟, 陈宇宏, 颜悦, 郎建林, 王韬, 葛勇
    2018, 46 (4): 134-139.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000869
    摘要 ( 343 )   HTML( PDF (2337KB) ( 125 )   引文文本
    研究了基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)两种材料的二次注射成型中不同工艺参数,包括保压压力、保压时间、熔体温度、模具温度及注射速率等对PMMA-PC复合平板制件翘曲量的影响。结果表明:随保压压力的增大,翘曲量呈现先减小后增大趋势;保压时间的延长则有利于减少复合平板的翘曲量,增加熔体温度和注射速率会增大复合平板的翘曲量。模具温度的升高会使复合平板的翘曲变形方向朝PMMA侧逐渐增大,模内不对称冷却引起复合平板内部的残余热应力成为翘曲量增大的主要原因,当模具温度为90℃时,复合平板基本无翘曲。所研究的工艺参数中,模具温度和保压时间对复合平板的翘曲影响最为显著。
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    国产T700级碳纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料界面性能
    王迎芬, 刘刚, 彭公秋, 李韶亮, 谢富原
    2018, 46 (4): 140-145.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000749
    摘要 ( 415 )   HTML( PDF (1659KB) ( 164 )   引文文本
    分别以日本东丽T700S和国产T700级碳纤维作为增强体,采用热压罐成型工艺制备了双马来酰亚胺树脂基复合材料。对比研究了两种碳纤维表面物理、化学状态以及复合材料的微观界面性能、层间剪切性能。结果表明,国产T700级碳纤维表面沟槽结构分布较多,表面粗糙度较高,有利于与树脂基体形成更好的物理结合作用。虽然两种碳纤维的含氧官能团相当,但国产T700级碳纤维表面元素氧碳比较高,有利于与基体树脂形成更好的化学结合作用,其界面剪切强度较T700S碳纤维复合材料高约14%,复合材料的层间剪切强度高约19%。
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    玻纤增强聚丙烯复合材料的应变率敏感特性
    鲁雄, 杨旭静, 段书用, 郑娟
    2018, 46 (4): 146-151.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000282
    摘要 ( 314 )   HTML( PDF (1878KB) ( 133 )   引文文本
    采用层合热压实验法将玻璃纤维基毡与聚丙烯薄膜复合制成不同玻纤含量的玻纤增强聚丙烯(GF/PP)复合板材,在不同的加载速率下进行拉伸测试,研究GF/PP复合材料的应变率敏感特性,分析Burgers模型对该材料本构关系拟合预测的可行性。结果表明:GF/PP复合材料在低应变率范围内对应变率是敏感的,随应变率的增加,其断裂应力和抗拉强度增大;随玻璃纤维含量的增加,其所对应的应变率效应反而有所下降。同时,Burgers模型能够有效地拟合预测出该材料的拉伸应力-应变曲线,与实验曲线相比,进一步验证了GF/PP复合材料的应变率敏感特性及其变化趋势。
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    成型工艺对复合材料帽型加筋板轴压特性的影响
    徐荣章, 凌晓涛, 贾利勇
    2018, 46 (4): 152-157.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000378
    摘要 ( 292 )   HTML( PDF (5265KB) ( 127 )   引文文本
    对受到边界约束的不同工艺成型复合材料帽型加筋板进行轴压实验,研究二次胶接和共固化工艺对复合材料帽型加筋板压缩稳定性与承载能力的影响,同时分析蒙皮厚度及填充泡沫对加筋板轴压特性的影响。实验使用应变计监测加筋板局部失稳特性,并记录声响和断面观测以分析结构破坏机理。结果表明:蒙皮厚度显著影响结构压缩性能;聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)填充泡沫能小幅度提高结构失稳载荷,但对结构破坏载荷无显著影响;相比二次胶接加筋板,共固化加筋板失稳载荷和破坏载荷均降低约18%;共固化加筋板损伤出现较早,且破坏是由分层引起,而二次胶接加筋板主要是脱粘破坏。
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