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  • 材料工程
      2018年, 第46卷, 第10期 刊出日期:2018-10-20 上一期    下一期
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    2018, 46 (10): 0-0.  
    摘要 ( 90 )   PDF (5928KB) ( 72 )   引文文本
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    综述
    碳化硅陶瓷基复合材料环境障涂层研究进展
    刘巧沐, 黄顺洲, 何爱杰
    2018, 46 (10): 1-8.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000230
    摘要 ( 953 )   HTML( PDF (2165KB) ( 439 )   引文文本
    碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)因具有低密度、抗氧化、耐高温等优点,成为下一代先进航空发动机热端结构部件的潜在材料。然而,CMC-SiC在燃气环境中面临着严重的腐蚀问题,需要在环境障涂层(environmental barrier coatings,EBCs)的保护下才能实现长时应用。本文介绍了EBCs的选材要求、发展历程、涂层制备工艺、涂层考核技术以及表征手段,综述了EBCs体系在服役过程中存在挥发速率高、使用温度低等问题以及在制备过程中存在涂层晶化率低、致密度低等问题,指出了今后国内在EBCs材料优选、制备工艺、评价方法以及考核平台的研究目标与发展方向。
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    光催化降解水体有机污染物的研究进展
    周锋, 任向红, 刘建友, 刘嫔
    2018, 46 (10): 9-19.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000972
    摘要 ( 1116 )   HTML( PDF (1811KB) ( 659 )   引文文本
    全球面临的能源危机和环境污染问题日益严峻,光催化技术的快速发展让人们看到了曙光,而光催化材料作为其基本要素则成了关注重点。本文主要从光催化降解水体有机污染物方面,综述了光催化技术的发展现状,9类光催化材料体系及其属性、作用机理与研究应用,以及对材料体系修饰改性的方法。最后,提出了现阶段材料体系依旧存在太阳能利用率低、量子产率低和光化学稳定性不足的问题,而金属有机骨架(MOF)新型材料体系和微纳米介孔、多级孔复合、Z型复合半导体等修饰改性方法为光催化材料体系的开发探索提供更广阔的空间。
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    零维、一维和二维ZnO纳米材料的应用研究进展
    杨丰, 王飞, 贾若飞, 杨丽丽, 杨慧, 李岚
    2018, 46 (10): 20-29.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000868
    摘要 ( 639 )   HTML( PDF (1759KB) ( 306 )   引文文本
    氧化锌宽禁带半导体不仅具有优异光电性质,而且包含丰富的零维、一维和二维纳米结构。本文主要从零维、一维和二维氧化锌纳米结构的角度出发,分别论述其在光催化器件、气体探测器、太阳能电池、光探测器、发光二极管、激光器、压电转换器件和阻变存储器应用领域的研究进展,并横向对照3种维度氧化锌纳米材料在不同器件领域的应用情况,分析总结不同维度各自物理特性优势发挥的应用器件,最后对氧化锌纳米材料应用面临的难实现p型掺杂等问题进行了展望。
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    研究论文
    单分散铁基Fe60Ni7.5Mo7.5P10C10B5金属玻璃球形粒子的制备及评价
    董伟, 李文畅, 许富民, 韩阳, 张伟
    2018, 46 (10): 30-36.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000106
    摘要 ( 279 )   HTML( PDF (2787KB) ( 92 )   引文文本
    铁基金属玻璃粒子因其特有的性能在微成型领域有着良好的应用前景,本研究利用脉冲微孔喷射法制备粒径可控的单分散Fe60Ni7.5Mo7.5P10C10B5金属玻璃粒子。通过OM,SEM,XRD及DSC等手段对得到的粒子进行检测。结果表明:该方法制备的金属玻璃粒子具有粒径均一、球形度高、热历史一致的优点。随着粒径的增加,粒子的微观结构从完全非晶相向晶体相转变。在本实验条件下,Ar气氛下制备得到完全非晶相的粒子粒径应小于285μm,而在He气氛得到的最大粒径为383μm粒子也依旧保持完全非晶相。通过理论模型对冷却速率进行计算,得到其临界冷却速率应大于1300K/s。
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    钛合金叶片燃烧后冷却过程的三维热流耦合数值模拟
    梁贤烨, 弭光宝, 李培杰, 曹京霞, 黄旭
    2018, 46 (10): 37-46.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000182
    摘要 ( 298 )   HTML( PDF (5411KB) ( 160 )   引文文本
    为了理解航空发动机钛火发生后叶片的冷却过程,采用有限元方法结合ROTOR37转子模型,分别对550℃阻燃钛合金(TF550钛合金)和600℃高温钛合金(TA29钛合金)燃烧后压气机通道内温度场、流场进行数值模拟研究。结果表明:相对马赫数对于压气机通道内叶片散热有一定的影响,其中叶尖燃烧区域在0.7~1的低马赫数区域散热能力最佳;相对于前缘燃烧区域,叶尖燃烧区域的冷却过程更为复杂,且冷却速率比前缘燃烧区域低一个数量级;在叶尖燃烧区域内,TF550钛合金和TA29钛合金的冷却温度差异比较显著,在1000~2500K温度区间内的差别最大,前者比后者低100K以上,在300~500K温度区间内前者比后者低30K以内;叶尖燃烧区域流场的温度畸变会增加喘振的剧烈程度,设计叶片时应充分考虑燃烧对喘振裕度的影响。
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    粉末冶金Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金热变形行为
    马琳, 李伟, 白娇娇, 赵丰停
    2018, 46 (10): 47-54.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000907
    摘要 ( 195 )   HTML( PDF (4732KB) ( 107 )   引文文本
    在Gleeble-1500D热模拟机上对粉末冶金制备的新型医用Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金进行等温热压缩实验,研究该合金在温度为780~960℃,应变速率为0.001~1s-1,变形为60%的条件下的高温变形及动态再结晶行为。采用包含变形激活能Q和温度T的双曲正弦形式修正的Arrhenius关系来描述该合金高温压缩变形时的最大变形抗力方程;并引入参数αε),nε),Qε)和Aε)得到包含σεTε的本构方程。结果表明:由本构方程计算得到的应力值和实验值有较好相关性(R=0.99430),平均相对误差为5.327%;最后采用加工硬化率法通过对θ-σ和lnθ-ε曲线进行三次多项式拟求解拐点的方法,得到了不同变形条件下发生动态再结晶的临界应力和临界应变值,建立了临界应力和Z参数的关系,获得动态再结晶的临界应力方程,而临界应变εc主要集中在0.01~0.04,不同变形条件下该合金发生动态再结晶的临界应变变化极小。
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    6082铝合金搅拌摩擦焊焊接过程中晶粒取向演化
    张亮亮, 王希靖, 刘骁
    2018, 46 (10): 55-59.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001011
    摘要 ( 286 )   HTML( PDF (3915KB) ( 270 )   引文文本
    采用电子背散射衍射(EBSD)技术,研究6082-T6铝合金搅拌摩擦焊焊核区及母材上表面晶粒形貌、晶界特征、织构组分的演化。结果表明:在焊接过程中,母材发生塑性变形以及动态回复再结晶,晶粒被细化;基于搅拌针后方所形成的汤普森四面体,邻近匙孔焊核区首先形成(110)[001]高斯织构和(114)[221]织构,且这两种织构晶粒沿〈110〉晶向旋转一定角度,进一步形成(112)[111]铜织构、(111)[112]织构;距匙孔40mm处焊核区,经历了轴肩的挤压,塑性变形程度更大,使得[110]丝织构占主导地位。
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    7075-T651铝合金薄壁管件多轴低周疲劳行为及寿命预测
    陈亚军, 刘辰辰, 褚玉龙, 宋肖肖
    2018, 46 (10): 60-69.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000152
    摘要 ( 330 )   HTML( PDF (5946KB) ( 155 )   引文文本
    针对航空铝合金多轴疲劳失效问题,对7075-T651铝合金薄壁管件进行不同加载条件下的拉扭复合疲劳实验。结果表明:随等效应力幅的降低,多轴疲劳寿命增加;等效应力恒定时,寿命随应力幅比的升高而增加;拉扭相位差对寿命影响较小。高应力幅下材料在轴向和扭向以软化为主,低应力幅下硬化和软化交替出现。宏观断口平台区随应力幅比的增加而逐渐减小,微观断口呈现管壁外侧的多裂纹源特征,扩展区可以观察到疲劳条带和二次裂纹,瞬断区出现混合型韧窝。提出基于Basquin准则的改进模型,得到较好的寿命预测效果,寿命预测值均位于两倍分散带内。
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    超声冲击处理MB8镁合金十字接头的表层组织及疲劳性能
    何柏林, 江明明, 于影霞, 李力
    2018, 46 (10): 70-76.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001439
    摘要 ( 258 )   HTML( PDF (3329KB) ( 102 )   引文文本
    采用超声冲击方法对MB8镁合金十字接头焊趾处进行超声冲击处理,对比测试焊态及冲击处理态接头的表层组织和疲劳性能。结果表明:超声冲击处理可以在MB8镁合金焊接接头表面获得纳米晶组织。在循环寿命为2×106条件下,焊态试样的条件疲劳强度为32.07MPa,冲击处理态试样的条件疲劳强度为41.88MPa,提高了30.59%。未冲击接头疲劳断裂大多发生在焊缝缺陷处,冲击处理后的接头则发生在热影响区。超声冲击处理不仅可以大幅提高MB8镁合金十字接头的疲劳寿命,还可以改变接头疲劳断裂位置。此外,热影响区也是MB8镁合金十字接头疲劳断裂的薄弱区域,这与热影响区晶粒粗大有很大的关系。
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    K465高温合金短时超温后的显微组织退化及拉伸性能
    郭小童, 郑为为, 肖程波, 郑运荣, 冯强
    2018, 46 (10): 77-86.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000188
    摘要 ( 265 )   HTML( PDF (5539KB) ( 147 )   引文文本
    航空发动机涡轮叶片在非正常工况下服役会发生短时超温的现象,导致叶片严重损伤。本工作利用高温拉伸实验设备,对航空发动机涡轮叶片用K465合金在1180~1270℃短时超温条件下的瞬时拉伸性能进行了测试。利用SEM、XRD和物理化学相分析的方法观察和定量表征拉伸前后的显微组织,研究了短时超温过程中显微组织的演变规律及其对拉伸性能的影响。结果表明:随超温温度增加,K465合金中γ'相、碳化物和晶界γ'膜逐步回溶;γ'相形成元素在枝晶间的富集导致枝晶间γ'相完全溶解温度显著高于枝晶干。在1270℃下,晶界与枝晶间残余共晶处发生初熔。合金的屈服强度随着超温温度的增加显著降低,由1000℃时的439MPa急剧下降至1180℃时的85MPa和1240℃时的26MPa。一次γ'相与晶界γ'膜的回溶及初熔是影响拉伸性能的主要因素。
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    单晶镍基合金的层错能及其对蠕变机制的影响
    闫化锦, 田素贵, 朱新杰, 于慧臣, 舒德龙, 张宝帅
    2018, 46 (10): 87-95.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000711
    摘要 ( 264 )   HTML( PDF (2167KB) ( 140 )   引文文本
    通过对合金进行不同温度层错能的计算、蠕变性能测试及位错组态的衍衬分析,研究温度对单晶镍基合金层错能和蠕变机制的影响。结果表明:合金在760℃具有较低的层错能,其蠕变期间的变形机制是〈110〉超位错剪切进入γ'相,其中,切入γ'相的位错可分解形成(1/3)〈112〉位错+(SISF)层错的位错组态。随温度的提高,合金的层错能增大,合金在1070℃蠕变期间的变形机制是〈110〉螺、刃超位错剪切进入γ'相。在980℃,合金的层错能介于760~1070℃之间,蠕变期间的主要变形机制是〈110〉螺、刃超位错剪切进入γ'相,其中,剪切进入γ'相的螺位错由{111}面交滑移至{100}面,形成(1/2)〈110〉不全位错+反向畴界(APB)的K-W锁位错组态,这种具有面角非平面芯结构的K-W锁可抑制位错的交滑移,提高合金的蠕变抗力。其中,蠕变期间较低的应变速率仅释放较少的形变热,不足以激活K-W锁中的位错在{111}面滑移,是K-W锁在980℃得以保留的主要原因。
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    激光熔覆再制造涂层应力超声无损评价
    闫晓玲, 曹勇, 董世运
    2018, 46 (10): 96-103.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001329
    摘要 ( 244 )   HTML( PDF (2888KB) ( 116 )   引文文本
    基于声弹理论研究激光熔覆再制造涂层应力超声无损评价方法。应用泰勒级数展开法对激光熔覆层中声弹公式进行合理简化,结合静载拉伸实验,标定熔覆层声弹系数。结果表明:随着拉伸应力的增加,瑞利波在Fe314激光熔覆层中的传播速度变化率以线性规律增加,拉伸应力大于495MPa时,瑞利波信号的传播速度不再以线性规律变化。结合超声传播理论及微观组织揭示声弹曲线变化规律及其对应力评价结果的影响机理。结果表明:各向异性熔覆层的非均匀变形是导致高应力阶段声弹曲线波动的主要原因,各向异性组织效应会影响应力检测结果的可靠性,熔覆层间声波的传递对检测结果的影响可以忽略。通过对声弹曲线进行拟合确定了各向异性组织效应影响因子。佐证实验结果表明,采用本研究提出的方法,有效降低了组织效应对检测结果的影响,提高了激光熔覆再制造涂层应力超声无损检测的可靠性(最大相对误差为4.4%)。
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    真空室压力对低压等离子喷涂成形钨靶材显微组织及性能的影响
    王跃明, 唐求豪, 闫志巧, 王芬
    2018, 46 (10): 104-112.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001120
    摘要 ( 214 )   HTML( PDF (6429KB) ( 180 )   引文文本
    采用低压等离子喷涂成形技术制备片状及回转体钨靶材,分析真空室压力对钨靶材致密度、氧质量分数、微观结构、显微硬度及抗拉强度等性能的影响,并对片状钨靶材的磁控溅射镀膜进行研究。结果表明:随着真空室压力由1.3×104Pa增大至3.9×104Pa,钨粉充分熔化铺展,未熔W颗粒减少,钨靶材氧含量稍有提高,致密度,显微硬度和抗拉强度分别增大至97.2%,377.8HV0.025及201.1MPa。然而,当真空室压力进一步增大至6.5×104Pa后,钨靶材层片结合界面形成絮状的W3O夹杂层,氧含量增大至0.71%,其各项性能反而有所降低。低压等离子喷涂成形片状钨靶材(3.9×104Pa真空室压力)可磁控溅射沉积出平整、致密、连续的钨薄膜,镀膜厚度约为300nm。XRD结果表明,钨薄膜为体心立方结构,沿(110)方向择优生长。磁控溅射离子的均匀轰击导致钨靶材表面快速溅射及均匀减薄,溅射表面及截面较为平整、光滑,溅射凹坑接近纳米级。
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    碳纳米管/纤维素复合纸为电极的超级电容器性能
    陈玮, 孙晓刚, 蔡满园, 聂艳艳, 邱治文, 陈珑
    2018, 46 (10): 113-119.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000482
    摘要 ( 321 )   HTML( PDF (4554KB) ( 126 )   引文文本
    采用化学气相沉积法合成晶须状碳纳米管(WMWCNTs)和碳纳米管(MWCNTs)。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)对其进行详细分析。以纸纤维为基体材料,晶须状碳纳米管和碳纳米管为功能材料,通过真空抽滤制得碳(WMWCNTs)/碳(MWCNTs)/纤维素复合纸。采用两电极测试体系,通过循环伏安及恒流充放电方法对其超级电容器性能进行测试。在扫描速率为1mV/s时,碳/碳/纤维素复合纸电极的比容量达到120F/g。在电流密度为0.4A/g时,碳/碳/纤维素复合纸电极比容量值可达51.5F/g。在电流密度为0.4~1.4A/g范围时,最大比能量和比功率分别为63.7Wh/kg和3.99kW/kg,表现出良好的超级电容器性能。
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    聚苯醚纳米纤维锂电隔膜的制备
    李可峰, 尹晓燕
    2018, 46 (10): 120-126.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000464
    摘要 ( 281 )   HTML( PDF (3591KB) ( 98 )   引文文本
    为了改善锂离子电池的高温安全性和充放电性能,以聚苯醚树脂为成膜材料,采用静电纺丝技术制备了纳米纤维锂电隔膜,对隔膜的形貌、结构、电解液亲和性和耐高温性进行了系统测试,并将该纳米纤维膜装配到电池中进行充放电性能测试。结果显示:聚苯醚隔膜的纳米纤维直径约为260nm,纤维交错形成均匀的孔道(平均孔径约500nm),其孔隙率达到74%以上,为聚烯烃隔膜的2倍左右;聚苯醚树脂的电解液亲和性和高孔隙率强化了隔膜的电解液吸收和保持能力,其吸液率约为310%;在150℃,60min的热处理条件下,该隔膜的尺寸收缩率几乎为零。电池性能测试表明,聚苯醚基纳米纤维膜显示出更优的放电倍率性能和循环性能。
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    亚铁盐制备高结晶度MIL-100(Fe)纳米材料及其光降解有机染料性能
    刘湘粤, 张宇, 王晨, 毛会玲, 杜嬛, 程琥, 庄金亮
    2018, 46 (10): 127-134.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000591
    摘要 ( 380 )   HTML( PDF (3143KB) ( 203 )   引文文本
    为了高效、低成本合成光催化性能优异MOFs纳米颗粒,首先将均苯三甲酸与氢氧化钠反应制备均苯三甲酸三钠盐水溶液,之后与亚铁盐(氯化亚铁和醋酸亚铁)水溶液在室温下搅拌24h,合成高结晶度和高稳定性的MIL-100(Fe)纳米颗粒。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、紫外-可见漫反射光谱仪、紫外-可见分光光度计等对MIL-100(Fe)纳米颗粒的晶体结构、形貌、光吸收和光催化性能进行测试表征,结果表明在紫外光照射下,MIL-100(Fe)/H2O2体系具有优异的光催化降解罗丹明B和甲基橙等有机染料性能。
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    树枝状介孔二氧化硅的制备及其负载纳米银的抗菌性
    黄连根, 郑玉婴
    2018, 46 (10): 135-141.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001363
    摘要 ( 368 )   HTML( PDF (2847KB) ( 279 )   引文文本
    以正硅酸乙酯为硅源(TEOS),十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂,采用溶胶-凝胶法在氨水催化下制备树枝状介孔二氧化硅微球。以该微球为载体,原位负载纳米银。探究乙醚、硅烷结构助剂加入量对介孔二氧化硅微球的形貌、结构和粒径的影响,并通过抗菌实验测试其样品的最低抑菌浓度(MIC)和最小杀菌浓度(MBC)。结果表明:硅烷结构助剂和乙醚的加入对树枝状孔道的生成是至关重要的;纳米银负载到该介孔二氧化硅的MIC在3.16~3.95mg·L-1,MBC为6.32mg·L-1,优于纯纳米银。
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    非均相固化体系对复合材料树脂微观力学均匀性的影响
    郭妙才, 洪旭辉, 李亚锋
    2018, 46 (10): 142-148.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000006
    摘要 ( 210 )   HTML( PDF (3577KB) ( 96 )   引文文本
    采用热熔法制备预浸料涉及熔融树脂对纤维层的渗透,对于固化体系为非均相的环氧树脂基体,制备大厚度预浸料可能会受到固化剂分布不均的影响。利用纳米力学方法分别研究采用小厚度玻璃纤维预浸料制备的复合材料和通过树脂真空吸注工艺制备的玻璃纤维复合材料的内部树脂的微观力学均匀性。结果表明:由小厚度预浸料制备的复合材料,其内部树脂各区域具有较好的微观力学均匀性,各区域树脂的纳米硬度和耐磨损性基本相同,各铺层中心和边缘接近;通过树脂真空吸注工艺制备的复合材料则表现出明显的层状分布,固化剂和促进剂颗粒在纤维层外部富集,纤维层外层的树脂具有较高的纳米硬度和耐磨损性,而在纤维层内0.4mm深后的树脂纳米硬度下降,耐磨损性下降,纤维层内部的树脂纳米硬度很低。
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    耐高温聚(间二乙炔基苯-甲基氢硅烷-苯基硅烷)树脂的合成及性能
    葛娟, 赛力克·达尼拜, 周权, 彭峥强, 倪礼忠
    2018, 46 (10): 149-155.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000385
    摘要 ( 237 )   HTML( PDF (2238KB) ( 151 )   引文文本
    以间二乙炔基苯、甲基氢二氯硅烷和苯基三氯硅烷为原料,利用格氏试剂法合成出一种耐高温硅炔树脂聚(间二乙炔基苯-甲基氢硅烷-苯基硅烷)(PDMP)。采用红外光谱分析、核磁共振谱图分析表征树脂的结构、凝胶渗透色谱测量树脂的分子量分布,利用差示扫描量热分析、旋转流变仪研究树脂的固化行为、热重分析表征聚合物的耐热性能。结果表明:随着苯基三氯硅烷与甲基氢二氯硅烷摩尔比的增加,树脂的耐热性先增高后降低。苯基三氯硅烷与甲基氢二氯硅烷摩尔比为4∶7时,合成的PDMP树脂耐热性最佳,氮气氛围中失重5%时的温度(Td5)达654℃,1000℃质量残留率为90.3%,空气氛围中的Td5达574℃,1000℃质量残留率为34.0%。
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    低熔点固化剂对环氧树脂性能的影响
    任志东, 梁晨曦, 郝思嘉, 邢悦, 田俊鹏, 戴圣龙, 杨程
    2018, 46 (10): 156-161.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001181
    摘要 ( 423 )   HTML( PDF (2044KB) ( 280 )   引文文本
    研究低熔点固化剂(MOEA)对环氧树脂性能的影响,并和以4,4'-二氨基二苯甲烷(DDM)为固化剂的环氧树脂的性能进行对比。通过流变仪研究固化剂对环氧树脂体系的黏度-温度特性的影响;采用差示扫描量热法(DSC)研究固化剂对环氧树脂固化行为的影响;并通过万能材料试验机、动态热机械分析仪(DMA)和热失重分析仪(TGA)研究环氧树脂固化物的力学性能和热性能。结果表明,以MOEA为固化剂的环氧树脂(MOEA40)比以DDM为固化剂的环氧树脂(DDM30)具有更好的黏度-温度特性,在宽的温度区间(60~140℃)表现出低的黏度(0.2~3.5Pa·s)。固化工艺处理后,MOEA40的固化物表现出了优异的力学性能,其弯曲强度为147MPa,拉伸强度为89MPa,比DDM30的固化物的弯曲强度(134MPa)和拉伸强度(80MPa)分别提高了9.7%和11.2%。此外,MOEA40的固化物还具有高的玻璃化转变温度(168℃)和初始分解温度,在氮气条件下,其失重5%的温度为367℃。
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