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  • 材料工程
      2019年, 第47卷, 第1期 刊出日期:2019-01-20 上一期   
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    2019, 47 (1): 0-0.  
    摘要 ( 106 )   PDF (6117KB) ( 112 )   引文文本
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    石墨烯专栏
    石墨烯增强金属基航空复合材料研究进展
    张丹丹, 沈洪雷, 曹霞, 叶煜松, 张啸, 叶历, 王梦秋
    2019, 47 (1): 1-10.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000175
    摘要 ( 423 )   HTML( PDF (746KB) ( 262 )   引文文本
    本文综述了石墨烯增强金属基航空复合材料的研究现状,归纳了该种复合材料的制备方法,讨论了石墨烯对其性能的影响及机制。指出目前高含量、排列石墨烯增强金属基航空复合材料的研究还比较缺乏,涉及的工艺参数、组织结构、界面化学及高温物理性能等相关问题仍需进一步研究,并提出未来的研究重点应由制备方法等工艺性探讨向微观复合构型设计的思路转变。
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    石墨烯添加量对铜基复合材料性能的影响
    李秀辉, 燕绍九, 洪起虎, 赵双赞, 陈翔
    2019, 47 (1): 11-17.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001545
    摘要 ( 290 )   HTML( PDF (7819KB) ( 170 )   引文文本
    采用一步化学还原法结合放电等离子烧结工艺制备石墨烯增强铜基复合材料,利用XRD、SEM、拉曼光谱、拉伸试验机、纳米压痕仪、涡流电导率仪等研究石墨烯含量对复合材料微观组织、力学性能和导电性能的影响。结果表明:石墨烯在复合材料基体中均匀分布,石墨烯的添加能显著增强铜基体的力学性能。与纯铜相比,添加0.025%(质量分数)的氧化石墨烯,可使其屈服强度提高219.8%,抗拉强度提高35.9%,弹性模量提高6.9%,此外,其导电率仍有93.1% IACS。随着石墨烯含量的增加,复合材料的屈服强度、抗拉强度及弹性模量均有所下降,这是因为高石墨烯含量复合粉体中部分石墨烯纳米片未能被铜颗粒包覆,其与铜基体界面结合强度低,石墨烯的剪切应力转移强化效果降低。
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    石墨烯负载花球状二氧化锰复合材料制备及其电容性能研究
    陈翔, 燕绍九, 南文争, 王楠, 彭思侃, 王晨, 戴圣龙
    2019, 47 (1): 18-24.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001023
    摘要 ( 193 )   HTML( PDF (5308KB) ( 111 )   引文文本
    利用高锰酸钾与乙醇之间的氧化还原反应,在多孔石墨烯表面沉积纳米二氧化锰花球,获得了一种新型的复合电极材料。通过XRD,TG,SEM,TEM等分析手段确定了材料的晶体结构、化学成分、微观形貌特征。电化学性能测试表明:纳米二氧化锰花球具有优异的比电容,但是倍率性能和循环性能不足。通过在石墨烯表面负载纳米二氧化锰花球,能够显著增加石墨烯的比电容,同时改善纳米二氧化锰花球的倍率性能和循环性能。采用0.5mol/L K2SO4电解液,进行三电极循环伏安测试,复合电极材料在2mV·s-1扫速下的比电容高达295F·g-1,在1000mV·s-1扫速下,比电容仍然可达102F·g-1,同时100mV·s-1,1000次循环后,电容循环保持率可达96.3%。这表明石墨烯负载花球状二氧化锰材料是一种极具潜力的超级电容器电极材料。
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    石墨烯纳米片增韧Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料
    孟祥龙, 衣明东, 肖光春, 陈照强, 许崇海
    2019, 47 (1): 25-31.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001384
    摘要 ( 190 )   HTML( PDF (7560KB) ( 117 )   引文文本
    以石墨烯纳米片作为增强相,采用热压烧结工艺制备石墨烯纳米片增韧Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料。进行石墨烯纳米片分散实验,研究石墨烯纳米片添加量对刀具材料断裂韧度、抗弯强度和硬度的影响,观察其微观结构和形貌。结果表明:聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为石墨烯纳米片的优选分散剂,当PVP添加量为石墨烯纳米片质量的60%时,分散效果最佳;当石墨烯纳米片添加量为0.75%(体积分数)时,刀具材料的断裂韧度和抗弯强度分别达到7.1MPa·m1/2和663MPa,与未添加石墨烯纳米片的组分相比分别提高了31%和15%;石墨烯纳米片呈卷曲状结构弥散分布于基体材料中,其增韧机理为石墨烯纳米片拉断、拔出和裂纹偏转。与未添加石墨烯的刀具相比,添加石墨烯纳米片的刀具的主切削力、切削温度和前刀面摩擦因数明显降低,表现出良好的减摩、耐磨性。
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    综述
    基于纤维素纳米晶体的刺激响应功能材料的研究进展
    丁春香, 潘明珠
    2019, 47 (1): 32-41.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001046
    摘要 ( 155 )   HTML( PDF (8238KB) ( 176 )   引文文本
    纤维素纳米晶体(cellulose nanocrystal,CNC)具备高强度、高模量、结构可控、易于表面修饰、生物相容性、生物可降解性,在刺激响应功能材料的设计组装过程中扮演着越来越重要的角色。作为一类具有"智能"行为的大分子体系,刺激响应功能材料在受到外部环境的刺激时,能够做出灵敏响应,体现出设定的相应功能,CNC的引入不仅能够调控其力学性能,表面存在的羟基、羧基也为丰富材料的刺激响应源提供了便捷途径。本文从CNC的化学结构切入,介绍了CNC的特性及其构建的刺激响应功能材料的合成思路,并以刺激"开关"为主线,重点介绍了基于CNC的水、pH、热、光单一或多重刺激响应功能材料的研究进展,最后指出,提高纤维素纳米晶体表面修饰改性效率,拓宽多重刺激响应性,实现高性能的基于纤维素纳米晶体的多重刺激响应功能材料的制备是未来该领域的研究重点。
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    生物基呋喃衍生物在有机涂层中的应用
    彭晚军, 丁纪恒, 陈浩, 余海斌
    2019, 47 (1): 42-49.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000820
    摘要 ( 140 )   HTML( PDF (3220KB) ( 154 )   引文文本
    随着环境保护意识的增强,减少石油基材料的使用成为社会的共识,生物基呋喃类衍生物因其独特的性质引起了研究人员的极大兴趣,其在生物基涂层、自修复涂层和光固化涂层等领域有着极大的使用潜力,但在我国尚未有成熟的研究。基于此,本文对其在生物基涂层、自修复涂层和其他涂层的应用等方面进行了总结,介绍和分析了国内外呋喃类衍生物在有机涂层方面的最近研究成果,并指出目前呋喃类衍生物的大规模应用所存在的困难:生产成本的居高不下。最后对呋喃衍生物的其他应用,如呋喃甲基缩水甘油醚作为环氧涂层的活性稀释剂取代商业化的石油基活性稀释剂以及利用呋喃环的大π键非共价改性石墨烯再制备石墨烯/有机涂层复合材料等进行了分析和展望。
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    研究论文
    Co3O4中空纳米球的可控制备及气敏性能
    阚侃, 王珏, 付东, Sementsov YURII, 宋美慧, 林雨斐, 史克英
    2019, 47 (1): 50-57.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000114
    摘要 ( 161 )   HTML( PDF (5832KB) ( 130 )   引文文本
    以碳纳米球为模板,采用硬模板法制得多孔Co3O4中空纳米球。分别采用SEM、XRD、FTIR、BET和XPS对Co3O4纳米球的形貌和结构进行表征。通过改变前驱体浓度和陈化反应时间调控Co3O4中空纳米球的空间结构及气敏性能。结果表明:在前驱体浓度为0.1mol/L、陈化时间为48h时,得到的Co3O4中空纳米球的表面呈疏松多孔结构。Co3O4中空纳米球直径约为500nm,由40nm的Co3O4纳米粒子组成。室温下,由该材料组装的气敏传感器对浓度为100×10-6~0.5×10-6的NH3有较好的气敏性能;对浓度为100×10-6的NH3响应灵敏度高达155.8%,响应时间为1.3s。该气体传感器对NH3的最低检测限为0.5×10-6
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    氧化还原法制备超疏水表面及其防覆冰性能
    占彦龙, 李文, 李宏, 胡良云
    2019, 47 (1): 58-63.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000389
    摘要 ( 137 )   HTML( PDF (5668KB) ( 130 )   引文文本
    使用化学氧化还原法制备出疏水性能优异的超疏水表面,使用接触角测量仪、扫描电镜对表面浸润性及形貌进行表征分析。制得的铝基体超疏水表面接触角高达163.31°,滚动角小于5°。探究不同反应时间对表面形貌和浸润性的影响,使用自制的结冰监测系统对制备出的超疏水表面的静态和动态水滴防覆冰性能进行探究,并结合一维传热理论和经典成核理论对实验结果进行分析。结果表明,反应80min时表面疏水效果最好,超疏水表面静态水滴延缓结冰时间约是普通样品的5倍,结冰温度也低了3.3℃,动态水滴撞击表面时,超疏水表面始终无积水和覆冰,表现出优异的静态和动态防覆冰性能。
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    两步法中煅烧温度对Ni0.5Zn0.5Fe2O4电磁性能的影响
    李浩, 毕松, 侯根良, 苏勋家, 李军, 汤进, 林阳阳
    2019, 47 (1): 64-69.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000340
    摘要 ( 107 )   HTML( PDF (2663KB) ( 118 )   引文文本
    采用两步法(共沉淀法联合溶胶-凝胶法)制备Ni0.5Zn0.5Fe2O4纳米吸波材料,探究了溶胶-凝胶法中前驱体的煅烧温度对样品微波吸收性能的影响。利用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)以及矢量网络分析(VNA)等方法对样品的微观结构和电磁性能进行表征。XRD分析结果表明:当煅烧温度大于650℃时,能够得到纯Ni0.5Zn0.5Fe2O4纳米粉体;AFM结果表明:随着煅烧温度的提高,样品颗粒粒径趋于细小化和均匀化;VNA结果表明:在2~12.4GHz范围内,煅烧温度为650℃时,制备的Ni0.5Zn0.5Fe2O4表现出最佳的电磁特性,具有优异的微波吸收性能。样品的有效吸波频宽为4.9GHz,最大吸波强度达到-24.94dB。
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    基于超材料设计的钡铁氧体吸波涂层研究
    高海涛, 王建江, 李泽
    2019, 47 (1): 70-76.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000447
    摘要 ( 128 )   HTML( PDF (2359KB) ( 97 )   引文文本
    本工作设计了一种基于超材料结构的钡铁氧体吸波涂层,分析了超材料的结构设计对钡铁氧体涂层吸波性能的影响,并对涂层的吸波机理进行了研究和讨论。通过仿真发现,钡铁氧体涂层经超材料设计改进后,吸波性能得到大幅增强,改进后的钡铁氧体涂层存在最佳的匹配厚度2.5mm和电阻膜方块电阻值70Ω/□,此时涂层的吸收带宽最大,并存在两个吸收峰,在8~18GHz频段内反射损耗都小于-10dB。钡铁氧体通过超材料设计改进后,吸波性能得到极大改善。
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    热塑性复合材料自动铺放过程中红外加热技术研究
    宋清华, 刘卫平, 肖军, 陈萍, 杨洋, 陈吉平
    2019, 47 (1): 77-83.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000346
    摘要 ( 187 )   HTML( PDF (3308KB) ( 97 )   引文文本
    为保证热塑性预浸料树脂基体在自动铺放(automated fiber placement,AFP)过程中充分熔融,实现热塑性复合材料(thermoplastic composites,TPC)逐层"原位固结"成型,自动铺放成型过程中需精确控制预浸料的加热温度。针对自动铺放过程中铺放速率会在较大范围内变动的特点,本工作提出一种高速率响应的红外线辐射加热技术。通过对红外热源与铺层间能量传输过程的分析,提出红外加热过程中动态恒温控制方程,建立热源辐射强度与铺放速率之间的匹配关系。基于热塑性复合材料自动铺放实验平台,构建红外加热恒温控制系统,该系统采用前馈控制方式,根据动态恒温控制方程,制定相应控制策略,实现对预浸料加热过程中温度的精确控制。实验结果表明自动铺放过程中使用红外加热恒温控制系统满足变速工况下恒温加热要求,且铺放成型实验件的压缩强度及层间剪切强度均接近模压成型实验件。
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    Nano-Sb2O3/BEO/PP复合材料阻燃性能
    徐建林, 刘晓琦, 杨文龙, 牛磊, 赵金强
    2019, 47 (1): 84-90.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001155
    摘要 ( 126 )   HTML( PDF (3672KB) ( 87 )   引文文本
    球磨混入溴化环氧树脂(BEO)和改性nano-Sb2O3以提高聚丙烯(PP)的阻燃性能,采用垂直燃烧(UL94)和极限氧指数(LOI)研究nano-Sb2O3/BEO/PP复合材料的阻燃性能,用扫描电镜(SEM)分析燃烧产物微观形貌,借助傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和热重分析(TGA)研究Sb-Br阻燃体系协同作用机理。结果表明:改性nano-Sb2O3与BEO的反应可延长Br·在燃烧区的时间,从而消耗更多OH·和H·达到阻燃的目的。当改性nano-Sb2O3含量为7%(质量分数,下同),BEO含量为21%时,nano-Sb2O3/BEO/PP复合材料具有优异的阻燃性能,其极限氧指数值为28.6%,垂直燃烧等级UL94为V-0级。
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    六咪唑环三磷腈的合成及其作为环氧树脂固化促进剂的性能
    张博文, 唐禹尧, 崔玉青, 魏玮, 李小杰, 罗静, 刘晓亚
    2019, 47 (1): 91-96.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001451
    摘要 ( 146 )   HTML( PDF (1333KB) ( 107 )   引文文本
    利用六氯环三磷腈与咪唑发生亲核取代反应,合成六咪唑环三磷腈(HImCP);通过红外光谱、核磁共振1H谱和31P谱对其结构进行表征;进一步将其作为固化促进剂,加入双酚A型环氧树脂(E51)/甲基六氢苯酐(MHHPA)固化体系,通过凝胶时间和非等温DSC固化动力学分析研究体系的室温存储稳定性和高温固化反应活性,并考察固化物的力学性能和热性能。结果表明:相较于咪唑,HImCP是一种良好的潜伏性固化促进剂,当其添加量为1%(质量分数)时,E51/MHHPA体系具有较好的室温存储稳定性和高温固化活性;同时,得到的环氧树脂固化物表现出更高的拉伸强度、玻璃化转变温度和热稳定性。
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    CF8611/AC531复合材料性能及与7B04铝合金电偶腐蚀的电化学研究
    陈跃良, 王安东, 卞贵学, 张勇
    2019, 47 (1): 97-105.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001220
    摘要 ( 154 )   HTML( PDF (18020KB) ( 104 )   引文文本
    借助电化学工作站、扫描电镜和能谱仪等设备,测量了CF8611/AC531复合材料的正面(FS)试件和侧面(SS)试件及7B04-T74铝合金在3.5%(质量分数,下同)NaCl或3.5% NaCl+12.5% Cu2SO4电解液中的极化曲线及电偶腐蚀参量,并观测了微观形貌;基于电化学理论、稳态腐蚀场和参数化扫描,建立了复合材料磨损状态下二者的电偶腐蚀动态模型。结果表明:该型复合材料性能稳定,但原始表面存在碳纤维裸露缺陷,缺陷位置常在碳纤维束重叠区,密度均值4.3个/mm2,面积均值0.0184mm2/个;阴极反应速率与缺陷面积密切相关,据此划分了活性阴极区和惰性阴极区;电偶腐蚀中,铝合金的主要腐蚀形式为点蚀,未见复合材料失效;电偶腐蚀有限元模型有效、可用,总电偶电流Ig与缺陷面积S正线性相关;当SFSSSS约为5.53:1时,二者对7B04-T74铝合金的电偶效应相同。
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    Al0.1CoCrFeNi高熵合金的力学性能和变形机理
    陈刚, 王璐, 杨静, 李强, 吕品, 马胜国
    2019, 47 (1): 106-111.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000487
    摘要 ( 190 )   HTML( PDF (10854KB) ( 138 )   引文文本
    Al0.1CoCrFeNi高熵合金由真空磁悬浮熔炼制备而成,利用INSTRON力学试验机进行室温准静态拉伸,采用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和纳米压痕仪对实验前后样品的晶体结构、形貌、成分、组织、硬度和蠕变行为进行了研究。结果表明,经拉伸变形后,合金具有优异的强塑积(约为24GPa·%)、显著的应变硬化效应和更好的抗蠕变行为。试样的断裂模式为典型的微孔聚集型断裂。晶粒内部含有大量的微带组织,其带宽为200~300nm。分析认为,微观组织中的微带诱导塑性效应是合金具有优异的应变硬化能力的一个重要原因。
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    钼铜复合粉末的致密化及性能
    孙翱魁, 刘跃军, 陈晴柔
    2019, 47 (1): 112-118.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000451
    摘要 ( 169 )   HTML( PDF (8837KB) ( 109 )   引文文本
    对微波辅助法制备的钼铜复合粉末进行压制烧结,研究其致密化行为及复合材料性能。结果表明:烧结温度是控制钼铜复合材料成分、微观组织及综合性能的关键因素。1100℃下烧结的钼铜复合材料Cu含量最接近设计含量,过高的烧结温度将引起铜的损耗。在较低的烧结温度下(≤ 1100℃),复合材料的力学性能和物理性能随温度的升高而升高,但是过高的烧结温度(1200℃)会引起铜相的大量损失及颗粒异常长大,从而导致复合材料密度、硬度、导电率及导热率的降低。通过优化实验参数,1100℃下的复合材料具有理想的微观结构,铜相损失较少,复合材料成分接近设计成分,钼铜两相分散较为均匀,力学性能及物理性能优异,复合材料的密度、硬度、抗弯强度、电导率及热导率分别为9.79g/cm3,229.1HV,837.76MPa,24.97×106S·m-1和176.57W·m-1·K-1
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    P92钢奥氏体化后的冷却方式对650℃时效组织及硬度稳定性的影响
    钟蛟, 彭志方, 陈方玉, 彭芳芳, 刘省, 石振斌
    2019, 47 (1): 119-124.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000083
    摘要 ( 107 )   HTML( PDF (12563KB) ( 110 )   引文文本
    采用扫描电镜二次电子/背散射成像模式(SEM-SE/BSE)、能谱分析(EDS)和复相分离技术(MPST)研究P92钢试样于1060℃/1h奥氏体化后以不同方式冷却(空冷/置炉门口冷:缓冷)经760℃/2h回火(空冷)后再经650℃时效后的组织及硬度的稳定性。结果表明:P92钢时效后的显微组织均为基体相与析出相(M23C6相和Laves相);奥氏体化后冷却方式对650℃时效后组织及试样硬度有明显影响:缓冷时效试样的析出总量大而硬度低,且Laves相的体积分数/颗粒粗化倾向明显较大,M23C6相体积分数较小;在650℃时效1000h和3000h期间,空/缓冷时效试样的硬度基本不变/下降;此外,650℃时效试样组织及硬度的稳定性与过冷奥氏体及马氏体的稳定性有关。因此,工业现场管道奥氏体化后应尽快散热。
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    电子束快速成形TC4合金的组织与断裂性能
    童邵辉, 李东, 邓增辉, 方虎
    2019, 47 (1): 125-130.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000882
    摘要 ( 116 )   HTML( PDF (18027KB) ( 103 )   引文文本
    利用超景深显微镜和扫描电镜对电子束选区熔化快速成形的沉积态TC4试样组织与断口形貌进行观察和分析,研究不同几何成形和加载方向对断裂性能的影响。结果表明,断裂性能在垂直试样中受到柱状晶组织的影响,具有各向异性,在沉积方向上的断裂韧度为94.94MPa·m1/2,大于电子束扫描方向的断裂韧度85.33MPa·m1/2,而伸长率很小,仅为3%;α相形态对断裂性能有影响:水平试样片层状的α集束组织伸长率及断裂韧度优于垂直试样相互交错的针状α组织,最大值为14.5%和101.45MPa·m1/2,而抗拉强度和屈服强度较小;电子束选区熔化制备的TC4试样断口由许多不同尺寸的韧窝和弯曲的撕裂棱组成,断裂方式以延性韧窝状沿晶断裂为主,水平试样的断口撕裂棱曲折程度、韧窝尺寸和深度大于垂直试样。
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    2D-C/SiC复合材料面内剪切性能统计及强度B基准值
    王波, 吴亚波, 黄喜鹏, 潘文革, 成来飞
    2019, 47 (1): 131-138.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000260
    摘要 ( 145 )   HTML( PDF (10075KB) ( 111 )   引文文本
    针对2D-C/SiC复合材料进行大子样面内剪切实验,研究材料面内剪切模量和强度的分布规律及强度B基准值。运用线性回归结合假设检验的方法,确定2D-C/SiC复合材料面内剪切力学性能的分布规律及参数,对比两种不同经验失效概率得到统计结果;通过观察试样最窄净截面微CT照片及断口电镜扫描照片,解释材料面内剪切强度分散性微观机制,基于分布规律,最终计算得到2D-C/SiC复合材料面内剪切强度威布尔B基准值。结果表明:强度和模量均同时服从威布尔、正态和对数正态分布,且理论模型与实验结果吻合良好,两种经验失效概率不影响力学性能分布规律;面内剪切强度分散性与最窄净截面致密度和界面脱粘长度有关;2D-C/SiC复合材料面内剪切强度威布尔B基准值为80.41MPa。
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    喷丸强化对Ti6Al4V半椭圆表面裂纹J积分和裂纹扩展速率的影响
    侯帅, 朱有利, 邱骥, 倪永恒
    2019, 47 (1): 139-146.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000545
    摘要 ( 127 )   HTML( PDF (2311KB) ( 108 )   引文文本
    采用修正的J积分计算方法,考虑残余应力、残余应变和残余应变能,定量计算和分析喷丸强化对半椭圆表面裂纹前沿J积分参数的影响规律。对喷丸强化工艺进行有限元建模仿真,通过改变约束条件生成疲劳裂纹并施加远场载荷,计算J积分和裂纹扩展速率。考虑不同深度的半椭圆表面裂纹和不同丸粒速率对断裂参量的影响。结果表明:丸粒速率一定时,与未喷丸相比喷丸后J积分值的降幅随裂纹深度的增加而减小,喷丸强化有益于抑制疲劳浅裂纹的扩展。当裂纹深度为0.3mm时,裂纹最深点的J积分值由4.25N/mm降低到2.99N/mm,降幅约30.1%。裂纹深度一定时,J积分值随丸粒速率的增大而降低,提高丸粒速率对抑制裂纹扩展更有益。
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