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  • 材料工程
      2021年, 第49卷, 第2期 刊出日期:2021-02-20 上一期    下一期
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    2021, 49 (2): 0-0.  
    摘要 ( 88 )   HTML( PDF (2513KB) ( 41 )   引文文本
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    综述
    含BCC/B2共格结构多主元合金研究进展
    董亚光, 陈尚, 王俊升, 靳柯
    2021, 49 (2): 1-9.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000351
    摘要 ( 532 )   HTML( PDF (17073KB) ( 244 )   引文文本
    引入共格析出相是强化合金的重要方式。近年来发现在BCC结构多主元合金中引入共格B2相可有效提升其力学性能,形成了一类重要的合金体系。本文综述了含BCC/B2共格结构多主元合金的研究现状,重点讨论这一系列新型合金在成分、组织形貌、结构稳定性以及力学性能等方面的特征,并指出此类合金在宽温域下强度较高、塑性因成分差异而不同的变化特点。目前,这类合金在高于500℃时的结构稳定性较差,无法满足工程应用的需求,而成分设计是解决此问题较为简单易行的方法。本文旨在为含BCC/B2共格结构多主元合金的设计提供参考。
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    镁电池正极材料性能提升策略的研究进展
    曾静, 武东政, 庄奕超, 赵金保
    2021, 49 (2): 10-20.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000357
    摘要 ( 409 )   HTML( PDF (13396KB) ( 100 )   引文文本
    低成本、高能量密度、高安全性的镁电池有望应用在未来大规模储能和动力汽车等领域。然而,镁电池目前仍处于初步发展的阶段,正极是限制电池性能的关键原因。由于Mg2+电荷密度高,在正极材料中扩散缓慢,因此如何提高正极材料的电化学性能是镁电池研究的重点与难点。本文通过分析正极材料的相关研究,总结出提升正极材料电化学性能的6种策略,分别为减小粒径、借助溶剂的屏蔽效应、增大层间距、调控阴离子、开发新结构和发展双离子电池。通过明确策略有效的根本原因、分析策略的优势与局限性,为高性能镁电池正极材料的开发提供有价值的指导。最后,对镁电池正极的发展现状进行总结,并对镁电池的正极及整个电池体系的未来发展趋势进行展望。
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    PAA类黏结剂在锂电池中电化学性能研究进展
    刘梦如, 叶诚曦, 彭黎波, 翁景峥
    2021, 49 (2): 21-31.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000532
    摘要 ( 501 )   HTML( PDF (3241KB) ( 125 )   引文文本
    黏结剂是维持极片完整性必不可少的部分,对电池比容量、循环稳定等性能的提高非常重要。聚丙烯酸(PAA)因含有较多极性官能团,可溶于水,而被用作锂电池正负极黏结剂。PAA黏附性好,但极性基团使得分子链间形成的氢键导致PAA链刚性较大,不利于维持充放电过程中极片的完整性,因此,控制PAA官能团数量、改变官能团种类及PAA分子链结构,对锂电池电性能的提高势在必行。本文综述了近几年锂电池用PAA黏结剂的研究进展,重点介绍了PAA黏结剂的结构特性、改性及应用方式及其对不同种锂电池首次库伦效率、循环稳定性和阻抗性能的影响,并对PAA黏结剂的未来改性研究热点做了展望,探索PAA引入不同结构的弹性或导电聚合物后,对于黏结剂本身性能的影响,改善界面性能,以适用于不同活性材料正负极,提高锂离子传输速率,更好地提高锂电池的使用性能。
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    氧化石墨烯在金属表面的应用及其机理研究进展
    杜娟, 曹翔宇, 宋海鹏, 魏子明, 李香云, 杨涵清, 杨梓铭, 李伯阳, 李海龙
    2021, 49 (2): 32-41.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000488
    摘要 ( 370 )   HTML( PDF (8690KB) ( 97 )   引文文本
    氧化石墨烯(GO)由于具有大的比表面积、优异的抗穿透性以及表面分布有大量官能团等特性,已成为防腐、渗透分离、涂层力学性能等领域的研究热点。本文综述了近年来GO应用在金属表面的研究进展,在综合国内外文献基础上,分别阐述了GO在金属表面用于防腐、渗透分离、涂层力学性能等方面的研究进展,并对其机理进行了总结与分析。防腐的作用机理主要为GO的物理屏障作用和具有对电活性介质的化学惰性;渗透分离的作用机理主要为GO的多层孔道结构和官能团的作用;涂层力学性能的作用机理主要为GO与涂层的相容性好及其表面官能团与金属基体可形成化学键。最后指出目前满足绿色环保、成本低廉且适合大规模工业化的GO复合材料制备工艺仍比较缺乏,其涉及的工艺参数、复合相体系设计等方面仍需进一步研究,并提出将其应用到金属防腐、油水分离、涂层力学性能等领域,以解决金属表面耐蚀性、油水渗透分离性能、涂层与金属基体间的黏结力等关键问题。
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    纤维增强热塑性树脂预浸料的制备工艺及研究进展
    滕凌虹, 曹伟伟, 朱波, 秦溶蔓
    2021, 49 (2): 42-53.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000358
    摘要 ( 400 )   HTML( PDF (4799KB) ( 86 )   引文文本
    热塑性复合材料因冲击韧性高、环境适应性强、可回收利用等优点,被广泛应用于汽车制造、航空航天、国防军工等领域。但因热塑性树脂加热熔融后较高的黏度使其很难与纤维充分浸渍。预浸料作为制造复合材料的中间材料,现阶段制备工艺已相对成熟,预浸料中纤维已被树脂浸润,因此通过预浸料制备的复合材料孔隙率较低。本文介绍了现阶段常用的热塑性预浸料制备方法及各自的优缺点,包括溶液浸渍法、熔融浸渍法、粉末浸渍法、薄膜叠层法、纤维混杂法以及反应链增长浸渍法。阐述了热塑性树脂熔体浸润纤维的浸渍机理,对浸渍机理的部分研究成果进行了概括。概述了浸渍温度、浸渍压力和牵引速率对预浸带性能的影响。最后指出了国内预浸料生产中存在的主要问题,未来可采用多学科结合、纤维树脂改性、对浸渍过程进行计算机模拟等方法促进热塑性预浸带的产业化发展。
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    钠钙/铝硅酸盐玻璃疲劳行为研究进展
    王敏博, 姜良宝, 李晓宇, 刘家希, 李佳明, 付子怡, 颜悦
    2021, 49 (2): 54-65.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000459
    摘要 ( 232 )   HTML( PDF (6231KB) ( 89 )   引文文本
    钠钙硅酸盐玻璃和铝硅酸盐玻璃因高强度和高硬度等优异的物理性能被广泛用于民用和国防军工等领域。疲劳断裂是钠钙/铝硅酸盐玻璃失效的主要形式之一。研究钠钙/铝硅酸盐玻璃的疲劳行为对指导其加工工艺、预测寿命与防止失效具有重要意义。本文综述了硅酸盐玻璃疲劳行为的基本原理、实验方法以及钠钙硅酸盐玻璃和铝硅酸盐玻璃静态疲劳与动态疲劳行为的国内外研究进展,通过对比钠钙硅酸盐玻璃与铝硅酸盐玻璃的疲劳行为发现:钠钙硅酸盐玻璃原片的裂纹萌生门槛值远低于铝硅酸盐原片玻璃的裂纹萌生门槛值,且化学强化钠钙硅酸盐玻璃与铝硅酸盐玻璃的裂纹萌生门槛值均随表面压应力的增大而增大;钠钙硅酸盐玻璃与铝硅酸盐玻璃的裂纹扩展速率均随假想温度的升高而增加,且铝硅酸盐玻璃的裂纹扩展速率随假想温度的变化更大;钠钙硅酸盐原片玻璃与铝硅酸盐原片玻璃的断裂应力均具有加载速率依赖性,而化学强化铝硅酸盐玻璃的动态疲劳断裂应力不具有加载速率依赖性。因此,应力状态和环境因素对化学强化钠钙/铝硅酸盐玻璃静态疲劳与动态疲劳行为的影响将成为未来研究方向。
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    研究论文
    Ar-O2气体去除硅铁合金中金属杂质研究
    张彦辉, 李亚琼, 雷勋惠, 张立峰
    2021, 49 (2): 66-72.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000468
    摘要 ( 309 )   HTML( PDF (12148KB) ( 63 )   引文文本
    硅铁合金在炼钢过程中被广泛用作合金剂和脱氧剂,其中含有的金属杂质Al,Ca,Ti会直接影响钢液的洁净度,因此采用顶吹Ar-O2气体的方法去除硅铁合金中的金属杂质。借助自动扫描电镜统计精炼前后硅铁合金中杂质相的形貌、成分、面积分数,通过ICP-AES测试金属杂质的含量变化。结果表明:硅铁合金原料中含有大量的金属杂质相,Al,Ca,Ti杂质含量分别为1.11%(质量分数,下同),0.31%,0.11%;吹气精炼5 min时,Al和Ca的含量分别急剧降低至0.66%和0.13%;吹气精炼45 min后,杂质元素去除速率变缓,精炼反应趋于平衡;吹气精炼120 min时,Al,Ca,Ti含量分别降低至0.42%,0.014%,0.094%,去除率分别为62.16%,95.48%,14.54%。吹气精炼方法能有效去除硅铁合金中Al和Ca杂质,Ti杂质去除效果不明显。
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    玻璃纤维增强KNO3基水溶性盐芯的组织与性能
    龚小龙, 樊自田, 胡胜利, 杨致远, 刘富初, 蒋文明
    2021, 49 (2): 73-78.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000354
    摘要 ( 320 )   HTML( PDF (9226KB) ( 73 )   引文文本
    以70% KNO3-30% KCl (摩尔分数)为水溶性盐芯的基体材料,采用搅拌法制备了玻璃纤维增强的KNO3基水溶性盐芯。对比分析了不同含量的玻璃纤维对盐芯的抗弯强度、冲击韧性、水溶速率和吸湿率的影响,采用扫面电镜和能谱仪分析了玻璃纤维增强KNO3基水溶性盐芯的微观组织特征。结果表明:随着玻璃纤维含量的增加,盐芯的抗弯强度和冲击韧性不断增大,水溶速率和吸湿率逐渐减小。当玻璃纤维质量分数为30%时,盐芯具有最大的抗弯强度和冲击韧性,分别为(38.85±0.61) MPa和(2.13±0.1) kJ/m2,水溶速率仍高达(476.5±12.0) g/(min·m2),吸湿率为(0.085±0.007)%。微观分析表明:玻璃纤维均匀地分布于盐芯基体中,显著细化了KCl初生相,其平均晶粒尺寸从57.89 μm降低到24.13 μm,这是盐芯主要的强化机制。裂纹在盐芯内部扩展过程中遇到玻璃纤维发生偏转,断口有纤维拔出现象出现,这是盐芯主要的韧化机制。
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    形变热处理工艺对2519A铝合金动态变形行为的影响
    孙大翔, 董宇, 叶凌英, 唐建国
    2021, 49 (2): 79-87.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000085
    摘要 ( 294 )   HTML( PDF (16321KB) ( 117 )   引文文本
    通过霍普金森压杆实验研究2519A铝合金T87,T8,T9和T9I6 4种形变热处理状态在1040~5900 s-1应变率范围的动态冲击变形行为,并利用金相、透射电镜等手段分析在动态变形中合金微观组织的演变规律,研究不同形变热处理工艺对2519A铝合金动态变形行为的影响。结果表明:与T87态合金相比,强冷变形的T8和T9态合金高速冲击的动态屈服强度大幅提升,但是合金的绝热剪切敏感性也显著增加,更容易发生绝热剪切开裂。断续时效T9I6工艺可以提高2519A合金强化析出相的密度,使θ'相(Al2Cu)更细小弥散分布。这样降低了θ'析出相在高应变率下被位错切割分解的速率,提高合金在高速变形过程中的稳定性。2519A-T9I6铝合金在高应变率下拥有较高的动态屈服强度和较低的绝热剪切敏感性,在高速变形过程中表现最佳。
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    Mg-9Al-3Si-0.375Sr-0.78Y合金的热变形行为及本构模型
    张连腾, 陈乐平, 徐勇, 袁源平
    2021, 49 (2): 88-96.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000205
    摘要 ( 261 )   HTML( PDF (16932KB) ( 51 )   引文文本
    利用Gleeble-3500热模拟试验机对Mg-9Al-3Si-0.375Sr-0.78Y合金试样进行等温恒应变速率压缩实验,研究其在温度250~400℃、应变速率0.001~10 s-1条件下的热变形行为。结果表明:在热变形过程中,峰值应力随着应变速率的降低和温度的升高而减小,且峰值应力对应变速率的敏感性随着变形温度的下降而增强。建立了考虑应变的热变形Arrhenius本构模型,模型精度良好,在300,350℃及0.001~10 s-1范围内,模型的平均绝对误差分别为1.57%和1.76%;合金的平均变形激活能为183.58 kJ/mol,平均应变速率敏感指数为0.1616。热变形过程中,α-Mg相呈现明显的动态再结晶特征,β-Mg17Al12相尺寸减小且分布均匀,初生Mg2Si相较小。在低温(250~300℃)变形时,动态再结晶仅发生在晶界处。在高温(350~400℃)变形时,初生α-Mg晶粒发生了明显的动态再结晶。随着温度的增加和应变速率的降低,再结晶程度提高,再结晶晶粒逐渐长大。
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    原位自生TiB2/Al-4.5Cu复合材料微观组织和力学性能
    薛彦庆, 郝启堂, 魏典, 李博
    2021, 49 (2): 97-104.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000290
    摘要 ( 300 )   HTML( PDF (17453KB) ( 75 )   引文文本
    采用混合盐反应法制备TiB2含量分别为0%,2%,5%,8%(质量分数,下同)的TiB2/Al-4.5Cu复合材料,T6热处理后,采用XRD,ICP,OM,SEM,EDS等测试手段和室温拉伸实验进行微观组织观察和力学性能测试。XRD和ICP测试证实,合金体系中仅含α-Al,Al2Cu及TiB2,无Al3Ti,Al2B等反应中间产物。OM和SEM发现,基体材料中α-Al平均晶粒尺寸为167.5 μm,而在2%,5%,8%的TiB2/Al-4.5Cu中,其平均晶粒尺寸依次为110.4,87.2,75.2 μm,晶粒细化效果显著。TEM观察发现,TiB2颗粒主要分布在晶界处,呈四方和六方结构。室温拉伸实验表明,随着TiB2含量的增加,强度、显微硬度值均呈增加趋势,但伸长率不断下降。当加入8% TiB2时,屈服强度、抗拉强度、弹性模量和显微硬度分别达到356 MPa,416 MPa,92.5 GPa和96.5HV,但其伸长率从10.3%降低到4.3%。载荷传递强化、细晶强化、位错增殖强化是TiB2/Al-4.5Cu复合材料力学性能得以大幅提升的影响因素,尤其是在位错增殖强化作用下,TiB2颗粒周边致密分布的位错胞、位错环对强度的提升起到了决定性作用。
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    模具钢表面激光沉积316L不锈钢的组织转变及差异性
    王志国, 何振丰, 赵吉宾, 赵宇辉, 聂长武, 张宏伟
    2021, 49 (2): 105-113.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000186
    摘要 ( 301 )   HTML( PDF (28981KB) ( 60 )   引文文本
    为了揭示Cr系注塑模具钢表面采用异种材料沉积过程的组织演变机制,在两种模具钢表面沉积316L不锈钢,利用扫描电镜、电子探针、X射线衍射仪等表征微观组织及硬度特征,并结合熔凝动态过程及Schaeffler相图分析界面及沉积层区组织转变机理。结果表明:由于基体元素组成及组成相分布的差异,导致在沉积层界面的组织转变呈现明显差异性。高Cr莱氏体钢组织过渡区厚度为200 μm,过渡区组织形态和组成相明显区别于沉积层其他区域,碳化物在过渡区经历了先局部聚集性长大、之后枝晶间均匀分布等复杂变化;而P20钢沉积层的组织过渡区厚度小于20 μm,组织以枝晶方式生长且与沉积层非过渡区连通,同时枝晶内发现了弥散分布的颗粒状碳化物。在熔池中C,Cr,Ni等元素的动态变化作用下,两种钢沉积层的非过渡区组成相也呈现明显差异,高Cr莱氏体钢和P20钢沉积层的基体相分别为奥氏体相与马氏体相,由此导致其硬度值变化范围分别为295~325HV0.2和500~575HV0.2
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    液相制备石墨烯/硫复合材料及其在锂硫电池正极中的应用
    吴旭, 唐晓宁, 黄鑫威, 刘美丽, 周文华, 欧阳全胜
    2021, 49 (2): 114-120.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000379
    摘要 ( 342 )   HTML( PDF (12038KB) ( 89 )   引文文本
    采用氧化石墨烯(graphene oxide,GO)作为制备石墨烯的前驱体,通过液相还原自组装过程与硫纳米颗粒进行复合,获得了高性能的还原氧化石墨烯/硫(rGO/S)复合正极材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱分析(XPS)等对材料微观形貌与结构进行表征。结果表明:硫纳米颗粒均匀分布在石墨烯片层间,并且硫纳米颗粒被石墨烯片层有效地封装,硫在35-rGO/S复合物中的质量分数高达83.6%。该35-rGO/S复合正极在0.2 C电流密度下初始放电容量可达1197.3 mAh·g-1,经过200次循环后容量仍保持在730 mAh·g-1左右,表现出优异的循环性能。
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    热电材料β-Cu2-xSe热传导性能模拟研究
    虞兮凡, 赵伶玲
    2021, 49 (2): 121-126.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000077
    摘要 ( 344 )   HTML( PDF (6246KB) ( 70 )   引文文本
    “声子液体”热电材料β-Cu2-xSe具有优异的热电转换效率,采用分子动力学模拟的方法研究其热传导性能,分析了类“液态”离子的扩散能力和材料导热性能的相关性,并探究了材料加工处理手段(掺杂和空位)对材料热传导性能的影响。结果表明:类“液态”离子扩散能力和导热系数存在极强的相关性,β-Cu2-xSe中Cu+移动能力的增强会增加晶格的非简谐振动,从而强化了声子散射,导致材料导热系数的降低。掺杂和空位对“声子液体”热传导性能有不同的影响:材料内部存在空位时,Cu+倾向于在晶格缺陷中移动,降低了与Se构成的固定亚晶格碰撞概率,造成声学支声子频率的下降,有效地降低了导热系数,提高了材料的热电转换效率;相比空位,掺杂对导热系数的影响不明显。
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    植酸-金属离子螯合物改性层状黏土及其在聚己内酯中的增强与抗菌效应研究
    毛龙, 刘小超, 谢斌, 吴慧青, 刘跃军
    2021, 49 (2): 127-135.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000750
    摘要 ( 309 )   HTML( PDF (15710KB) ( 70 )   引文文本
    基于植酸(PA)优异的螯合能力,利用Ag+,Cu2+,Fe3+和Zn2+4种金属离子与PA发生螯合作用并沉积吸附在层状双羟基复合金属氧化物(LDHs)表面,形成核-壳结构,以达到改善层状黏土与聚合物基体之间界面相容性的目的。制备出不同金属离子负载的表面包覆改性LDHs (LDHs@PA-M),深入研究LDHs@PA-M在不同金属离子负载下的微观形貌,并将其应用在聚己内酯(PCL)的增强改性中。结果表明,PA能够与Ag+和Cu2+在LDHs表面形成稳定、均匀的纳米包覆层。利用金属Ag+和Cu2+优异的抗菌活性,LDHs@PA-Ag+和LDHs@PA-Cu2+对大肠杆菌(E.coli)的抗菌率均超过99.99%。相比于纯的PCL,LDHs@PA-Cu2+/PCL纳米复合材料(LDHs@PA-Cu2+的质量分数为1%)的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了30.7%和33.3%,达到了40.9 MPa和816%,力学性能增强效果最为显著。LDHs@PA-Cu2+/PCL和LDHs@PA-Ag+/PCL纳米复合材料对E.coli的抗菌率均达到99.99%,表现出优异的抗菌活性,拓展了层状黏土/生物基高分子复合材料在活性包装领域的应用。
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    空心柱状CuS的制备及其降解染料性能
    鲍艳, 高璐, 史秀娟, 贾顺田
    2021, 49 (2): 136-142.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000084
    摘要 ( 286 )   HTML( PDF (6067KB) ( 127 )   引文文本
    以硝酸铜、硫代硫酸钠为原料,采用沉淀法制备空心柱状CuS。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)和傅里叶红外光谱测定仪(FT-IR)对所制备的空心柱状CuS的形貌及物相进行表征。同时,以甲基橙染料(MO)为目标污染物,研究空心柱状CuS的降解性能。结果表明:所制备的空心柱状CuS由CuS纳米片组装而成,其直径在400 nm,长度为2.0 μm左右。空心柱状CuS与H2O2组成的类芬顿体系对染料具有优异的降解能力,110 min后甲基橙的降解率可高达86.6%,远优于实心结构CuS对染料的降解能力。
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    纳米G/Fe3O4复合材料的制备及其摩擦学性能
    杨礼河, 陈绪望, 张建国, 孙玉德
    2021, 49 (2): 143-148.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2019.000746
    摘要 ( 275 )   HTML( PDF (3532KB) ( 85 )   引文文本
    以石墨烯和纳米Fe3O4为原料,采用化学修饰的方法制备石墨烯负载四氧化三铁(G/Fe3O4)复合材料。通过透射电镜、X射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪对复合材料进行表征;在SN 5W-30润滑油中添加G/Fe3O4复合材料,利用等离子体光谱仪和四球摩擦试验机研究复合材料在润滑油中的分散稳定性和摩擦学性能。结果表明:使用油酸和硅烷偶联剂KH570共同修饰生成的G/Fe3O4复合材料在石墨烯表面分散效果比单独使用油酸修饰的好;沉淀稳定性实验表明:放置10 d后,未添加复合材料的润滑油铁元素含量下降了48.3%,添加采用油酸修饰的复合材料铁元素含量下降了39%,添加采用油酸和KH570共同修饰的复合材料铁元素含量下降了31.1%;四球摩擦实验表明G/Fe3O4复合材料作为润滑油添加剂具有良好的摩擦学性能,使用油酸和KH570共同修饰的效果要比单独使用油酸修饰的好,最大无卡咬负荷PB增大了6.5%,摩斑直径减小了4.4%,摩擦因数降低了4.8%。
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    复合材料层压板分层缺陷超声相控阵检测与评估
    曹弘毅, 马蒙源, 丁国强, 姜明顺, 孙琳, 张雷, 贾磊, 田爱琴, 梁建英
    2021, 49 (2): 149-157.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000405
    摘要 ( 346 )   HTML( PDF (19319KB) ( 109 )   引文文本
    针对碳纤维增强树脂基复合材料分层缺陷的无损检测与评估问题,通过制备预埋分层缺陷的标准试样,利用超声相控阵技术对缺陷进行无损检测与定量评估,并对测量误差进行分析。首先,在层压板铺层中间埋入聚酰亚胺薄膜制备分层缺陷试样;然后,对试样进行超声相控阵检测,通过超声S扫和C扫图像对缺陷进行定性分析与定量测量,并结合声场仿真对检测误差进行分析。结果表明:所制备试样内分层缺陷形状规则、埋深及大小与预设一致;超声相控阵步进方向检测尺寸比较准确,而扫查方向尺寸误差较大;超声相控阵技术能够准确识别分层缺陷的形状、尺寸及位置,具有很高的检测精度,对较小缺陷具有很好的检测效果。
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