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  • 材料工程
      2019年, 第47卷, 第2期 刊出日期:2019-02-20 上一期   
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    2019, 47 (2): 0-0.  
    摘要 ( 47 )   PDF (3904KB) ( 108 )   引文文本
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    综述
    碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用需求及挑战
    刘巧沐, 黄顺洲, 何爱杰
    2019, 47 (2): 1-10.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000979
    摘要 ( 389 )   HTML( PDF (4836KB) ( 354 )   引文文本
    随着航空发动机推重比的不断提高,急需发展轻质、高强韧、耐高温、长寿命、抗烧蚀、抗氧化的碳化硅陶瓷基复合材料(SiC matrix ceramic composites,CMC-SiC),以满足航空发动机愈加苛刻的服役要求。本文简要介绍了CMC-SiC复合材料的特点和制备方法,综述了CMC-SiC复合材料在国外先进航空发动机热端部件上的应用进展及国内的研究现状。从工程化角度,指出了国内在高性能纤维、构件设计及制备、环境障涂层、无损检测技术、考核验证方法、修复技术等方面存在的差距及需突破的关键技术,指出了今后国内的研究目标与发展方向。
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    锂离子电池硅基负极界面反应的研究进展
    常增花, 王建涛, 李文进, 武兆辉, 卢世刚
    2019, 47 (2): 11-25.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000450
    摘要 ( 257 )   HTML( PDF (3319KB) ( 168 )   引文文本
    硅作为一种极具潜力的锂离子电池负极材料,已引起研究者的广泛关注。然而硅材料储锂过程中伴随着巨大的体积变化,导致电极/电解液界面不稳定,是限制硅电极商业化的主要因素之一。深入了解硅负极的界面反应机理,有助于改善硅负极的界面性质,进而提高硅负极的电化学性能。本文综述了硅负极界面反应的演化机制,包括Li-Si合金化过程、硅表面氧化硅的反应和表面纯化膜的形成,并讨论了其对硅电化学性能的影响。
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    聚合物共混物增容技术及发展
    马鹏飞, 王鑫, 李栋辉, 游峰, 江学良, 姚楚
    2019, 47 (2): 26-33.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001203
    摘要 ( 124 )   HTML( PDF (2535KB) ( 105 )   引文文本
    不混溶共混物的增容是迄今为止将相容性较差的多相聚合物共混物转化为高性能合金的最通用和最有效的方法。本文主要简述了增容的概念和其必要性以及聚合物在通过共混改性时所采用的各种增容手段:添加嵌段和接枝共聚物;添加反应性聚合物;添加低分子量化合物;添加功能纳米粒子等,并综述了不同增容方法的发展现状及增容作用对共混物的相形貌和最终性能(力学性能、热性能、电学性能等)的影响,并最后提出纳米粒子增容将成为共混物增容领域的热门方法,这种方法不仅起能到增容作用,还可以增加机械强度并且有可能给共混物带来新的性能。
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    研究论文
    立方相碳化钛在锂空电池中的电化学行为
    秦振海, 黄昊, 吴爱民, 陈明珠, 杨影影, 姚曼
    2019, 47 (2): 34-41.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001447
    摘要 ( 126 )   HTML( PDF (5604KB) ( 113 )   引文文本
    采用直流电弧等离子体法在甲烷和氩气混合气氛下原位合成碳化钛(TiC)纳米颗粒。X射线衍射、透射电子显微镜等物理表征结果显示TiC纳米颗粒粒径约为40~90 nm的立方体结构。循环伏安(CV)测试表明,TiC纳米颗粒兼具高效的氧还原和氧析出双效催化活性,可有效弥补炭材料氧析出催化活性较弱的缺陷。恒流充放电测试结果表明,相对于普通炭材料(导电炭黑,Super-P),TiC纳米颗粒催化剂可将锂空电池充电过电势降低280mV;在电流密度(isp)为50mA·g-1时,首次放电比容量达1267mAh·g-1;即使在较高的电流密度150mA·g-1下,比容量仍保持在778mAh·g-1,体现了良好的倍率性能。在电流密度为100mA·g-1、限定比容量为500mAh·g-1下,稳定循环10次。通过XRD、红外、扫描电镜表征可知,在TiC纳米颗粒的双效催化作用下,Li2O2的生成与分解具有良好的可逆性,有效避免了大量反应副产物积累的问题,进而提高锂空电池的电化学性能。
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    微管SOFC复合支撑体NiO/La0.7Ca0.3CrO3-δ的相转化纺丝法制备与性能
    王松林, 徐向棋, 王东生
    2019, 47 (2): 42-48.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000216
    摘要 ( 132 )   HTML( PDF (2535KB) ( 89 )   引文文本
    采用固相反应法合成La0.7Ca0.3CrO3-δ(LCC)粉体,用相转化纺丝法制备NiO/LCC(1:1)中空纤维膜,1400℃空气中烧结作为微管固体氧化物燃料电池的复合支撑体。借助粒度分析仪、热分析仪、X射线衍射仪、扫描电镜、四端子测量仪、热膨胀仪、万能材料试验机等对复合支撑体的粉体粒度、烧结性能、致密度、断面微结构、电导性能、热膨胀性能和抗弯强度进行分析。结果表明:LCC与NiO粉体在1400℃的电池共烧温度下化学性质稳定,烧结性能良好。微管断面总体呈现表面皮层和内部双层径向平行排列且均匀分布的手指状孔隙结构,孔隙率达到60.6%,还原后的孔隙率增加到68.1%。纯H2中的电导率随温度升高而降低,700℃时达到10.8S·cm-1。还原前后的抗弯强度分别为39.6MPa和33.2MPa,热膨胀系数TEC为12.4×10-6K-1,与其他电池材料相匹配。
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    δ-MnO2纳米片的制备、表征及电化学性能
    陈翔, 燕绍九, 王楠, 彭思侃, 王晨, 吴广明, 戴圣龙
    2019, 47 (2): 49-55.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000499
    摘要 ( 183 )   HTML( PDF (3419KB) ( 148 )   引文文本
    分别采用醋酸锰和乙醇还原高锰酸钾,制备2种超薄δ-MnO2纳米片电极材料(δ-MnO2-A与δ-MnO2-B)。通过XRD、XPS、SEM/TEM、比表面积分析等手段研究材料的晶体结构、化学成分、微观形貌和孔径分布特征。电化学性能测试表明:2种材料具有相似的比电容和倍率性能。但是相比于δ-MnO2-A,电极材料δ-MnO2-B具有更高的钾含量和锰空位含量,片层状结构更加清晰、稳定,因而充放电循环稳定性更好。在0.5mol/L Na2SO4电解液中,1mV·s-1扫描速率下δ-MnO2电极材料的比电容可达227F·g-1。100mV·s-1扫描速率、5000次循环后,电容保持率为87.6%。
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    阳离子光敏抗菌型水凝胶的制备及性能表征
    董建成, 葛孝栋, 王清清, 魏取福
    2019, 47 (2): 56-61.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000588
    摘要 ( 133 )   HTML( PDF (9992KB) ( 90 )   引文文本
    利用蒙脱土(MMT)分别吸附3种阳离子光敏剂(meso-四(1-甲基吡啶嗡-4-基)卟吩对甲苯磺酸盐(TMPyP)、meso-四(N-甲基-4-吡啶)卟吩四氯化锌(Zn-TMPyP)、亚甲基蓝(MB)),然后均匀分散在聚乙烯醇-苯乙烯基吡啶盐缩合物(PVA-SbQ)的水溶液中,通过紫外光交联法制备出相应的光敏MMT/PS水凝胶。借助透射电子显微镜(TEM)对MMT和MMT/PS形貌结构进行分析,利用扫描电子显微镜(SEM)、热重分析仪(TGA)对3种光敏水凝胶的内部形貌、热学性能进行分析,研究其溶胀性能及对金黄色葡萄球菌的抗菌效果。结果表明:3种光敏MMT/PS水凝胶均具有良好的溶胀性能。抗菌结果显示,三者对金黄色葡萄球菌均具有一定的杀灭效果,其中负载Zn-TMPyP的水凝胶在光照条件下对金黄色葡萄球菌的杀菌率达到98.49%。
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    炭化纳米Co3O4/硅藻土复合材料制备及其性能
    张博, 付琪智, 林森, 陈廷芳, 孙仕勇, 蒋卉
    2019, 47 (2): 62-67.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000540
    摘要 ( 103 )   HTML( PDF (2496KB) ( 97 )   引文文本
    利用高温热解炭化制备炭化纳米Co3O4与硅藻土复合材料,研究其磁性和吸波性能。采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、振动样品磁强计和矢量网络分析仪等测试分析技术对复合材料进行表征。结果表明:平均粒径为50nm的超顺磁性纳米Co3O4粒子和无定形碳均匀分散于硅藻土表面和孔隙内,形成稳定的复合体。炭化纳米Co3O4/硅藻土复合具有较强的超顺磁性和吸波性能,最大反射率损失为-14.7dB,<-10dB的频率范围大约为14~18GHz,带宽为4GHz。
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    基于镀银纱线的电加热织物温度场模拟与电热性能
    李雅芳, 刘皓, 赵义侠
    2019, 47 (2): 68-75.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001010
    摘要 ( 124 )   HTML( PDF (9119KB) ( 92 )   引文文本
    运用ANSYS有限元模拟软件对镀银纱线在织物中加热过程进行数值模拟,并通过调整镀银纱线之间的距离和施加电压分析不同条件下加热织物内部和周围空气中热场分布情况。根据模拟结果制备镀银纱线加热织物,验证模拟结果并研究电加热织物电热性能。结果表明,随着电压的增加,镀银纱线平衡温度升高,当输出电压为7V时,镀银纱线在织物中实测温度可达109.7℃。设定镀银纱线间距为3mm,使镀银纱线在较低成本下获得较高的表面温度均匀性。加热织物的升温速度和平衡温度随着功率密度的增加而增加,模拟结果与实测结果趋势一致且结果偏差小于4.5%,说明有限元分析结果能够作为镀银纱线加热织物制备的重要参考依据。
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    微量Hf对大角度晶界含Re双晶合金高温持久性能的影响
    赵云松, 郭媛媛, 赵敬轩, 张晓铁, 刘砚飞, 杨岩, 姜华, 张剑, 骆宇时
    2019, 47 (2): 76-83.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000767
    摘要 ( 115 )   HTML( PDF (15983KB) ( 103 )   引文文本
    采用籽晶法制备含有大角度晶界(约20°)的双晶试板,通过分析不同Hf含量(质量分数:0%,0.4%)的含Re合金晶界处析出相、γ/γ'组织、晶界成分及1100℃/100MPa横向持久性能,研究Hf对晶界组织及高温力学性能的影响。结果表明:Hf显著提高了铸态合金大角度晶界处共晶和碳化物体积分数;热处理后,Hf显著抑制了晶界胞状再结晶组织的形成,含Hf合金的1100℃/100MPa横向持久寿命均显著提高。晶界持久性能与晶界析出相种类、形貌、含量和成分密切相关,而Hf元素在晶界未发现显著的偏聚。本研究对先进镍基单晶合金中晶界缺陷的评价及Hf元素晶界强化作用机制的认识具有一定的指导意义。
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    超声波振动对钛箔拉伸性能及位错分布的影响
    蒋少松, 杨天豪, 孙宏宇, 何玉石, 卢振, 王瑞卓
    2019, 47 (2): 84-89.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001262
    摘要 ( 105 )   HTML( PDF (5526KB) ( 75 )   引文文本
    以研究超声波振动条件下钛箔的塑性变形特征和位错分布为目的,通过超声波辅助单向拉伸实验和微观组织分析研究不同超声波振动施加方式对钛箔塑性拉伸变形过程中的应力-应变、伸长率及位错分布的影响规律。结果表明:超声波振动过程中钛箔的流动应力最大降幅可以达到约80%,材料的伸长率从未施加超声时的40.33%最大增加至54.46%。通过TEM可以发现超声波振动条件下位错呈现平行分布的趋势且无大量缠结出现,而未施加超声拉伸的试样中位错的分布则显得杂乱无章且缠结严重。
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    微量Sr及均匀化工艺对Al-Mg-Si-Cu-Mn变形铝合金铸态组织与性能的影响
    李灿, 陈文琳, 雷远
    2019, 47 (2): 90-98.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000570
    摘要 ( 125 )   HTML( PDF (19024KB) ( 95 )   引文文本
    采用光学显微镜、扫描电镜、差热分析、X射线衍射分析及硬度测试、电导率测试、拉伸测试等方法,研究了0%~0.09% Sr(质量分数,下同)含量和均匀化工艺对Al-Mg-Si-Cu-Mn变形铝合金铸态组织及性能的影响,并对合金铸态组织及均匀化退火过程中第二相的演变进行了分析。结果表明:Al-Mg-Si-Cu-Mn铸态合金主要包括AlCuMgSi,Mg2Si,AlSi,Al2Cu,Al(MnFe)Si,AlMnSi和Al(MnCrFe)Si等结晶相,在合金中加入0.06% Sr可使铸锭中针状Si相转变为球状相,并促进球状AlFeSi型结晶相的形成,减小了应力集中,提高了合金铸态的强度及塑性;在均匀化退火过程中,随保温时间的延长,块状相和低熔点共晶组织溶解,Al(MnCrFe)Si相由原来的三角块状和针状相转变成细小的颗粒状相,Al-Mg-Si-Cu-Mn-Sr合金的最佳均匀化热处理工艺为540℃×8h。
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    新型超高强Al-Zn-Mg-Cu合金热压缩变形行为及微观组织特征
    王宇, 熊柏青, 李志辉, 温凯, 黄树晖, 李锡武, 张永安
    2019, 47 (2): 99-106.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000699
    摘要 ( 101 )   HTML( PDF (7970KB) ( 114 )   引文文本
    利用Gleeble-1500热模拟试验机对新型超高强Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc合金进行高温热压缩实验,研究该合金在变形温度370~460℃、应变速率0.001~10s-1条件下的流变应力以及变形过程中的显微组织。结果表明:流变应力在变形初期随着应变的增加迅速增大,出现峰值应力后逐渐下降并达到稳态,流变应力随着应变速率的增大而增大,随着变形温度的升高而下降;流变应力可以采用双曲正弦形式的关系来描述,通过线性拟合计算出该材料的形变激活能等参数,获得流变应力的本构方程。随着变形温度升高和应变速率降低,原始晶粒变形程度显著增加,再结晶分数明显上升。
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    Fe对(Cu-Ni-Fe)-xNiFe2O4复合惰性阳极低温铝电解成膜机制的影响
    刘英, 张永安, 王卫, 李冬生, 王俊伟, 梁玉冬
    2019, 47 (2): 107-114.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001094
    摘要 ( 122 )   HTML( PDF (12179KB) ( 109 )   引文文本
    以高温固相合成的NiFe2O4和Cu,Ni,Fe金属粉为原料,采用冷压烧结法制备不同合金相含量的(Cu-Ni-Fe)-xNiFe2O4x=50,60,70,80,质量分数/%,下同)金属基复合惰性阳极材料,研究合金相中Fe元素对(Cu-Ni-Fe)-xNiFe2O4金属基复合惰性阳极材料烧结和电解过程中基体成分与微观组织的影响,发现合金相中的Ni,Fe及NiFe2O4陶瓷相在烧结和电解过程中发生了可逆的氧化还原反应,使得NiFe2O4相发生解离和再生成。对(Cu-Ni-Fe)-xNiFe2O4金属基复合惰性阳极材料进行了低温电解性能测试,研究其在电解过程中的成膜过程和腐蚀行为。结果表明:(Cu-Ni-Fe)-xNiFe2O4金属基复合惰性阳极材料电解过程中电压稳定,铝液杂质含量低于0.7%(质量分数),有望解决金属陶瓷阳极热稳定性差的问题,是理想的惰性阳极材料。
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    钨含量对WCP/钢基表层复合材料压缩性能及热疲劳行为的影响
    山泉, 张亚峰, 张哲轩, 李祖来, 蒋业华, 王鹏飞
    2019, 47 (2): 115-121.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001445
    摘要 ( 123 )   HTML( PDF (8980KB) ( 124 )   引文文本
    采用梯度结构+粉末冶金的方法制备WCP/钢基表层复合材料。通过扫描电镜、金相显微镜,压缩实验、热震实验等手段分析过渡层钨含量对复合材料力学、热疲劳行为以及微观组织的影响。结果表明:通过在过渡层中添加钨粉,调节复合层和基材层之间的成分和组织,能够有效抑制基材层和复合层在应力、应变及热膨胀系数上的突变,而且随着过渡层钨粉质量分数的提高,W元素会向基材层和复合层中扩散,生成新的相,使得基材层、过渡层以及复合层之间具有较高的结合强度。当钨粉质量分数为30%时,WCP/钢基表层复合材料的抗压强度达到553MPa,且具有较好的抗热疲劳性能。
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    曼尼希碱/钨酸钠复配对N80钢缓蚀的协同作用
    王赟, 胡军, 王甜甜, 郑茂盛
    2019, 47 (2): 122-128.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001084
    摘要 ( 74 )   HTML( PDF (4576KB) ( 89 )   引文文本
    采用电化学方法和扫描电镜研究曼尼希碱与钨酸钠在盐酸溶液中对N80钢的缓蚀作用,探讨其在N80钢表面的吸附行为,并且从腐蚀热力学和动力学角度分析复合缓蚀剂分子的缓蚀机理。结果表明:曼尼希碱加入盐酸溶液中后,增大了电荷转移电阻,降低了金属表面的腐蚀速率;它与钨酸钠复配后,金属表面的饱和吸附量增加,N80钢在盐酸溶液中的抗腐蚀性能显著增加,表现出了良好的协同效应。当曼尼希碱和钨酸钠摩尔比为1:1.5时,缓蚀效率可达99.65%。该缓蚀剂在N80钢表面的吸附服从Langmuir吸附模型,属于以化学吸附为主的吸附,且此过程为吸热反应。
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    聚醚醚酮与髌骨软骨间的生物摩擦学特性
    张欣悦, 张德坤, 陈凯, 徐寒冬
    2019, 47 (2): 129-137.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001520
    摘要 ( 79 )   HTML( PDF (8414KB) ( 98 )   引文文本
    以聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)与天然软骨为研究对象,医用CoCrMo和天然软骨作为PEEK的对比材料,开展往复滑动摩擦磨损实验,研究法向载荷、滑移速率、摩擦配副对其摩擦磨损行为的影响。结果表明:在小牛血清润滑的条件下,天然股骨软骨/髌骨软骨的摩擦因数最小,PEEK/髌骨软骨摩擦因数明显低于CoCrMo/髌骨软骨,PEEK/髌骨软骨配副的软骨表面磨损轻微,CoCrMo/髌骨软骨配副的软骨表面损伤严重;PEEK/髌骨软骨配副间的摩擦因数随法向载荷的增大而减小,在低载荷条件下(10~20N)表现明显,且法向载荷越大,PEEK表面磨痕越深,摩擦副磨损越严重;PEEK/髌骨软骨配副间的摩擦因数随滑移速率的增大而增大,在高滑移动速率条件下(10~20mm/s)明显,且滑移速率越大,PEEK表面磨痕越深,摩擦副磨损越严重;相对于滑移速率,载荷对摩擦因数的影响更大。
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    双向梯形夹芯板柱面弯曲成形回弹分析
    梁晓波, 蔡中义, 张曦
    2019, 47 (2): 138-145.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.001496
    摘要 ( 107 )   HTML( PDF (4194KB) ( 89 )   引文文本
    整体弯曲成形是制造曲面夹芯板高效且经济的方法,其成形特点与回弹预测是重点研究方向。采用结合有限元的半解析法对双向梯形夹芯的力学参数进行推导,获得夹芯等效弹性常数,分析上、下面板不等厚夹芯板柱面弯曲成形时面板与夹芯的变形特点及应力中性层的变化,在此基础上建立夹芯板平面应变弯曲回弹理论计算模型,预测夹芯板弯曲成形的应力分布与回弹,并与数值模拟及多点弯曲成形实验结果进行对比。结果表明:夹芯板回弹量与中厚板十分接近,回弹量较小,易于控制成形精度;理论预测的横截面切向应力与回弹都偏大,其中上面板应力相对误差在2.9%以内,下面板应力相对误差在6.5%以内,下面板纵向中心截面线误差在1.0mm范围内,各项误差均在很小范围内,验证了本工作回弹计算模型的准确性。
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    碳纤维表面物理结构对复合材料界面剪切强度的影响
    何烨, 肖建文, 姚烛威, 符应飘, 徐樑华, 曹维宇
    2019, 47 (2): 146-152.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2017.000775
    摘要 ( 103 )   HTML( PDF (6882KB) ( 102 )   引文文本
    以3种典型碳纤维为研究对象,通过碳纤维断面形貌的扫描电镜分析,采用Photoshop对纤维截面特征进行有效提取并由Matlab编写程序,获得了碳纤维表面沟槽深度、宽度、个数等参数的统计信息,据此进一步计算了圆形度、沟槽深宽比、表面不规整度以及沟槽密集程度等物理量,建立了碳纤维表面物理沟槽结构的定量表征方法。在此基础上研究了原丝制备过程中的凝固环境对碳纤维表面物理结构的影响,并发现:当凝固浴温度由25℃升高至45℃时,碳纤维表面的沟槽深度及宽度均会逐渐减小,深宽比降低,沟槽形状逐渐趋于平缓,同时碳纤维的表面不规整度减小了约7.5%,而沟槽密集程度增加了约50%。采用上述具有不同表面物理结构特征的碳纤维作增强体制备复合材料,微滴脱粘测试结果表明:碳纤维复合材料的界面剪切强度(IFSS)随纤维表面的沟槽尺寸、沟槽深宽比及表面不规整度的增大而逐渐提高。
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    苎麻纤维布和玻璃纤维布混杂铺层复合材料的力学性能
    倪楠楠, 夏璐, 张文宇, 陈旭, 益小苏
    2019, 47 (2): 153-159.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000037
    摘要 ( 96 )   HTML( PDF (4207KB) ( 95 )   引文文本
    利用真空吸注成型(vacuum resin absorbable molding,VRAM)工艺制备苎麻纤维布与玻璃纤维布混杂铺层的环氧树脂基复合材料。测定复合材料的损耗因子、储能模量的温度谱和力学性能;利用单悬臂梁共振实验测量复合材料的共振频率和自由振动衰减曲线并计算出了阻尼因子。用有限元软件对其共振频率和自由振动衰减实验进行仿真分析。结果表明:通过苎麻纤维布/玻璃纤维布的混杂铺层,能够实现材料阻尼性能和力学性能的可控调节,充分发挥复合材料可设计性强的优势。其中RGR铺层的复合材料的损耗因子比纯玻璃纤维板提高了1.4倍,而拉伸强度比纯苎麻纤维板提高了3倍多;自由振动的有限元模拟曲线和实验曲线基本吻合,表明可以通过模拟软件实现复合材料的虚拟振动测试,从而为材料性能预测和设计提供方便。
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