复合材料学报杂志

复合材料学报杂志2019年第6期

• 碳纤维和SiO₂纳米颗粒增强环氧树脂复合材料的压缩性能

  方奕欣, 陈蔚, 蒋震宇, 汤立群, 刘逸平, 刘泽佳, 周立成,

  纤维增强聚合物复合材料的压缩性能与聚合物基体力学性质密切相关。本文利用连续碳纤维（CF）和含有均匀分散的SiO₂纳米颗粒改性的环氧树脂基体，制备了CF-nano SiO₂/Epoxy微纳米多相复合材料单向层合板，并对其轴向压缩性能进行了系统的研究。试验表明，将纳米颗粒引入基体能够有效提高纤维增强聚合物基复合材料的压缩强度，占nano SiO₂/Epoxy体积为8.7%的纳米颗粒可将复合材料的压缩强度提升约62.7%。基于单向层合板的弹塑性微屈曲模型对纳米颗粒的增强效应进行了理论分析。根据含纳米颗粒的环氧树脂在压缩过程中的损伤行为，提出了一套基于加卸载试验建立纳米复合材料基体压缩本构关系的方法。将模型获得的基体本构关系与经典复合材料弹塑性微屈曲模型耦合，能够较为准确地预测本研究制备的微纳米多相复合材料的压缩强度。经试验检验，预测结果与实测数值达到很好的一致性。

• 接头尺寸对玻璃纤维/热塑性树脂复合材料机械连接性能的影响接头尺寸对玻璃纤维/热塑性树脂复合材料机械连接性能的影响

  初明越, 阳玉球, 赵德方, 马岩, 王永利, 董玉莹, 滨田泰以,

  对玻璃纤维/聚酰胺（GF/PA）、玻璃纤维/聚甲醛（GF/POM）、玻璃纤维/聚丙烯（GF/PP）这三种玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料进行机械连接试样的常规拉伸试验，以及低周疲劳拉伸试验，并对疲劳前后的试样断裂面进行SEM观察，研究了接头尺寸（宽径比w/d （试样宽度/开孔直径）和端径比e/d （试样端距/开孔直径））对机械连接件破坏载荷和破坏模式的影响。实验结果表明：玻璃纤维增强纤热塑性树脂复合材料机械连接件的承载能力在一定的宽径比时会随着e/d的增加而增加，当w/d≥3、e/d≥2时趋于稳定；破坏模式以拉伸破坏为主；低周疲劳拉伸对GF/POM和GF/PA机械连接试样拉伸强度产生一定的影响，而对GF/PP的拉伸强度无明显影响，低周疲劳拉伸对玻璃纤维增强热塑性树脂复合材料机械连接试样的破坏模式没有影响。SEM观察显示，随着疲劳载荷水平的增加，GF/POM和GF/PA的断裂面上被抽拔纤维数量增加，而GF/PP断裂面纤维与基体的存在状态无明显变化。

• 2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测2.5D机织石英纤维增强树脂复合材料不同方向力学性能测试与模量预测

  王雅娜, 曾安民, 陈新文, 王翔,

  石英纤维增强树脂复合材料常用于多物理场耦合环境下，为保证足够的层间性能，常采用2.5D机织的结构形式。本文对一种浅交弯联2.5D机织石英纤维增强双马树脂复合材料的三维力学性能进行全面测试，对比分析了材料在不同方向的拉伸性能和压缩性能，以及面内、面外剪切性能。测试结果表明，该复合材料的纬向拉伸、压缩模量略高于经向，而拉伸、压缩强度远高于经向，导致经向和纬向拉、压破坏模式差异显著，拉伸时弯曲的经向纤维被拉断，平直的纬向纤维劈裂，压缩时平直的纬向纤维压断，弯曲的经向纤维屈曲。同时，该种材料具有较高的面内、面外剪切变形能力。此外，本文基于混合定律，提出了一个2.5D机织复合材料经、纬向模量估算公式。基于材料微观结构特征，以包含经纱和纬纱的一个单胞作为代表性体积单元，建立有限元模型，预测该2.5D机织复合材料经向模量，预测结果与试验结果吻合很好。本文的研究对2.5D机织石英纤维/双马树脂复合材料的研发具有一定的指导意义。

• 超声波辅助制备癸酸-棕榈酸@改性SiO₂调温调湿复合材料超声波辅助制备癸酸-棕榈酸@改性SiO₂调温调湿复合材料

  朱大有, 张浩,

  以硅烷偶联剂改性SiO₂为壁材，癸酸（DA）-棕榈酸（PA）为芯材，利用超声波辅助溶胶-凝胶法制备DA-PA@改性SiO₂调温调湿复合材料，分析了硅烷偶联剂用量、超声波功率、超声波时间和超声波温度对DA-PA@改性SiO₂调温调湿复合材料粒径的影响，以及相关性能。结果表明，利用超声波辅助溶胶-凝胶法制备DA-PA@改性SiO₂调温调湿复合材料，可以显著降低粒径尺寸和减小粒径分布。当硅烷偶联剂用量为4.0 g、超声波功率为120 W、超声波时间为100 min和超声波温度为60℃时，DA-PA@改性SiO₂调温调湿复合材料的粒径较小且粒径分布较窄，即d₉₀=87.36 nm、d₅₀=63.34 nm、d₁₀=44.02 nm和d₉₀-d₁₀=43.34 nm，在相对湿度40.0%~65.0%范围内的平衡含湿量为0.1864~0.2379 g/g，相变温度为20.23~23.59℃，相变潜热为40.91~46.72 J/g，稳定性能良好。

• 电热作用对碳纤维/树脂复合材料界面应力的影响电热作用对碳纤维/树脂复合材料界面应力的影响

  王志平, 孙凌丰, 路鹏程, 李娜, 王宏洋,

  碳纤维/树脂复合材料广泛应用于民用航空器结构中，在服役期间会受到复杂环境（湿热、腐蚀、复杂应力和电热作用等）的作用，低强度电流对碳纤维/树脂复合材料的影响受到的关注较少。以碳纤维/树脂复合材料为研究对象，根据碳纤维的温敏效应和通电时的电阻变化规律，计算出碳纤维单丝/环氧树脂复合试样的界面温度范围，之后采用拉曼光谱测试和单丝断裂实验研究了低强度电流对单丝复合体系界面应力和界面剪切强度的影响。结果表明：随着电流强度的提高，单丝复合体系的界面温度随之升高，电流为8 mA时，界面温度高达约200℃。随着电流强度的增大，单丝复合体系的界面压缩应力表现为先增大后减小的趋势，电流高于7 mA后，界面处树脂出现烧蚀降解破坏；单丝断裂实验结果表明随着电流强度增大，单丝复合体系的界面剪切强度呈现先升后降的趋势，在6 mA时界面剪切强度达到最大值62.39 MPa，而8 mA时界面剪切强度仅为34.95 MPa。

• 基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型

  周龙伟, 赵丽滨,

  基于复合材料力学理论和失效机制，建立了一种新的适用于单向纤维增强树脂基复合材料的突降退化模型，用于描述复合材料基本材料性能在不同模式失效发生后的衰减行为。在模型中不仅考虑了复合材料拉伸和压缩弹性模量的差别，还考虑了损伤后材料拉伸和压缩性能退化的不同，以及裂纹闭合效应和侧向约束对压缩失效后性能的影响。另外，该模型只需要基本材料参数作为输入，便于应用。为了验证所提出的模型，建立了T800碳纤维增强X850环氧树脂基复合材料的退化模型，并对典型复合材料螺栓连接结构的拉伸失效行为进行渐进损伤分析。数值模拟获得的结构破坏载荷、破坏形式及载荷位移曲线与试验结果有较好的一致性，验证了所提出模型的计算精度和有效性。

• 单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏

  薛康, 肖毅, 王杰, 薛元德,

  复合材料结构在承压时破坏如何演化，是其强度破坏分析的基础和核心任务。本文提出了基于连续介质损伤力学（CDM）的单向纤维增强聚合物复合材料压缩破坏渐进损伤分析（PDA）模型。建模中考虑了材料非线性行为、失效判断及损伤演化中材料性能退化等基本问题，分别对应于拉压不对称弹塑性本构关系、Puck准则、LaRC05准则及考虑破坏面方向的刚度退化方法。该模型通过用户材料子程序接口VUMAT引入到有限元软件ABAQUS中实现了有限元求解。对文献中提供的纵向、横向及偏轴压缩案例进行了数值计算并与试验数据对比。数值分析结果与试验数据吻合较好，证明了该方法的合理性和有效性，对开展多向层合板压缩破坏分析富有参考价值。

• 基于深度学习的短纤维增强聚氨酯复合材料性能预测基于深度学习的短纤维增强聚氨酯复合材料性能预测

  闫海, 邓忠民,

  结合深度学习在图像识别领域的优势，将卷积神经网络（CNN）应用于有限元代理模型，预测了平面随机分布短纤维增强聚氨酯复合材料的有效弹性参数，并针对训练过程出现的过拟合，提出了一种数据增强的方法。为验证该代理模型的有效性，比较了其与传统代理模型在预测有效杨氏模量和剪切模量上的精度差异。在此基础上结合蒙特卡洛法利用卷积神经网络代理模型研究了材料微几何参数不确定性的误差正向传递。结果表明：相对于传统代理模型，卷积神经网络模型能更好地学习图像样本的内部特征，得到更加精确的预测结果，并在训练样本空间外的一定范围内可以保持较好的鲁棒性；随着纤维长宽比的增大，微几何参数的不确定性对材料有效性能预测结果会传递较大的误差。

• 双斜接修补复合材料层合板的拉伸行为及影响因素双斜接修补复合材料层合板的拉伸行为及影响因素

  冯威, 徐绯, 袁佳雷,

  基于试验和有限元数值方法对双斜接修补碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料层合板在拉伸载荷作用下的力学行为开展研究。通过试验分析了两种不同厚度的双斜接修补复合材料结构的承载能力和失效形式。结果表明，对于不同厚度的双斜接修补复合材料结构，失效强度接近，主要破坏形式均以胶层内聚破坏为主，伴随局部的90°基体开裂。利用连续介质损伤力学模型和内聚力模型分别对复合材料和胶层失效进行描述，通过数值方法开展双斜接修补结构的强度预测和损伤演化分析。数值结果与试验吻合较好，并且指出复合材料基体开裂起始早于胶层失效。通过有限元模型讨论了附加层、双斜接内部尖端所处位置和修补胶层参数对修补性能的影响。

• 液体模塑成型工艺用纤维织物厚度方向饱和渗透率的预测模型液体模塑成型工艺用纤维织物厚度方向饱和渗透率的预测模型

  李香林, 王继辉, 倪爱清, 杨斌, 张浩,

  树脂在复合材料预成型体厚度方向的渗透能力对复合材料液体模塑成型工艺（LCM）的成功实施至关重要。本文采用连续加载的方式，研究了玻璃纤维增强树脂基复合材料液体成型过程中多轴向无屈曲织物（NCF）和斜纹织物（WF）的压缩响应行为，并建立描述该行为的数学模型。采用自制测试装置对预成型体在重力等不同注射压力驱动下的厚度方向渗透率进行测试，考察了预成型体纤维体积分数、测试流体注射压力等对预成型体厚度方向渗透率K_z的影响。基于预成型体压缩响应数学模型和厚度方向渗透率与注射压力的关系，对Kozeny-Carman公式进行修正，提出了变注射压力条件下的厚度方向渗透率预测模型。结果表明：预成型体厚度方向渗透率随着纤维体积分数的增大而减小，与Kozeny-Carman方程结果相符合。当纤维体积分数为0.42≤V_f≤0.58时，注射压力对厚度方向渗透率影响较大，实验结果验证了本文提出的预测模型；当纤维体积分数V_f≥0.58时，注射压力对厚度方向渗透率影响较小，厚度方向渗透率趋于恒定。

• 碳纤维增强形状记忆聚合物复合材料的热-力学行为建模与影响因素碳纤维增强形状记忆聚合物复合材料的热-力学行为建模与影响因素

  顾建平, 方常青, 孙慧玉, 曾好, 蔡中兵,

  采用变形梯度分解的方法，基于热力学内变量理论，构建了适用于描述碳纤维增强形状记忆聚合物（CF/SMP）复合材料热-力学行为的热黏弹性本构模型。模型中考虑了材料的结构松弛效应和应力松弛效应，且适用于有限变形条件。依据该模型研究了一种CF/SMP薄板在受到单向均布载荷作用且处于平面应力状态时的碳纤维有效应变影响因素。理论上证实了虽然碳纤维的容许应变很小，但合理取向的纤维分布形式能使其应用于有限变形条件下而不被破坏。此外，分析了该CF/SMP形状记忆热-力学循环过程中形状记忆效应（SME）的影响因素。结果表明，碳纤维含量的增大和纤维倾斜角的减小会导致CF/SMP刚度增大，从而降低其形状固定率。此外，碳纤维体积含量和温度变化率对升温回复阶段也存在一定影响。上述研究方法和结果能对单向连续CF/SMP的设计与应用提供一定理论指导。

• 基于细观力学的大开孔层合板缝合补强力学性能计算的新方法基于细观力学的大开孔层合板缝合补强力学性能计算的新方法

  潘斌, 张桂明, 孙子恒, 郭万涛, 王继辉, 肖雪瑞,

  从细观力学的角度出发，考虑了面内纤维弯曲及富树脂缺陷，建立了大开孔层合板缝合补强孔边针脚损伤的单胞模型。建立了纤维弯曲函数，推导了纤维弯曲区域的纤维体积分数及纤维弯曲角度。基于复合材料力学分析方法，计算得出了单胞的材料弹性常数。研究表明：缝合导致单胞面内纤维最大弯曲角不超过20°，单层板纵向杨氏模量减小，横向杨氏模量、剪切模量及泊松比均增大，变化幅度均在-8%~20%之间；且对于大开孔层合板缝合补强而言，针距变化引起的材料性能变化相对边距大许多。由上述计算结果，建立了一种缝合补强大开孔层合板力学性能计算的新方法，同时引入针孔模拟针脚处的应力集中现象，结果表明：缝合会造成层合板面内力学性能降低，并且对面内的压缩性能影响大于对面内拉伸性能的影响。

• 玻璃纤维/酚醛树脂复合材料热响应预报方法玻璃纤维/酚醛树脂复合材料热响应预报方法

  李翰, 樊茂华, 冯振宇, 解江,

  为研究航空复合材料在火灾环境下的热响应，考虑材料热解过程，建立了复合材料热响应方程组，推导了显式有限差分格式，研究了玻璃纤维/酚醛树脂复合材料内部瞬态热响应与碳化规律。结果表明：建立的非线性热响应方程组与计算方法能够预测玻璃纤维/酚醛树脂复合材料的温度-时间历程，800 s时的受热表面温度达到了1048℃，背面温度为226℃，与实验值吻合较好；随着材料深度增加，材料达到热解温度所需的时间更长，材料密度下降速率随之降低，碳化过程变慢；热解反应区中不同深度位置的材料剩余质量分数在同一温度下略有不同，位置越深，剩余质量分数越小，碳化程度越高；随着时间推移，发生热解的材料比重增大，碳化范围逐步扩大，热解层厚度范围也逐渐扩大。

• 静力试验中C/SiC构件集成式热结构的声发射特性及与材料测试的对比静力试验中C/SiC构件集成式热结构的声发射特性及与材料测试的对比

  谭志勇, 姚磊江, 王淑玉, 张健,

  在对C/SiC复合材料常温拉伸试验的损伤表征和声发射演化特性进行简要分析的基础上，针对构件集成式设计带来的复杂性特点，对某C/SiC热结构在常温静力试验中的声发射特性进行了分析。给出了试验中声发射特征参数的分类特点。根据试验加载中声发射信号规律，给出了结构的损伤演化模式。通过与材料级声发射信号的对比，判断了试验加载与热结构极限破坏载荷之间的裕度。由此将声发射测试从材料级别的研究延伸到大型C/SiC热结构。

• ZrO₂增韧Al₂O₃颗粒增强Fe45复合材料拉伸断裂的有限元-离散元耦合方法仿真ZrO₂增韧Al₂O₃颗粒增强Fe45复合材料拉伸断裂的有限元-离散元耦合方法仿真

  信振洋, 苗文成, 王悦, 陈华辉,

  采用有限元-离散元耦合方法（FEM-DEM方法），进行了氧化锆增韧氧化铝颗粒增强Fe45复合材料（ZrO₂-Al₂O₃/Fe45）轴对称代表体元模型的拉伸断裂仿真分析。分析了FEM-DEM模型对单元尺寸的敏感性，结果表明采用，二阶实体单元加双零厚度内聚力单元的FEM-DEM模型降低了计算结果对单元尺寸的敏感性。ZrO₂-Al₂O₃/Fe45复合材料拉伸断裂的模拟结果表明，颗粒形状对裂纹的扩展会产生较大影响，复合材料的开裂首先在垂直于拉力方向的界面处发生，界面裂纹扩展至基体应力集中处之后基体发生开裂，裂纹由开裂的界面和基体裂纹共同组成。

• 纤维对短切碳纤维/AZ91D复合材料热变形行为和加工性能的影响纤维对短切碳纤维/AZ91D复合材料热变形行为和加工性能的影响

  方怀青, 王振军, 周金秋, 邱旭东, 蔡长春, 余欢,

  采用等温压缩试验研究了不同碳纤维体积分数的镁基复合材料（CFs/AZ91D）和镁合金（AZ91D）在变形温度310~430℃、应变速率10^-3~10^-1 s^-1范围内的塑性变形行为。根据实验结果建立了CFs/AZ91D和AZ91D的热加工图，分析了纤维对CFs/AZ91D塑性加工性能与变形机制的影响。结果表明：相比ZA91D，纤维在提高复合材料流动应力的同时促进了基体动态再结晶和应变软化，但纤维体积分数对流动应力与应变软化程度影响较小，CFs/AZ91D热变形时表现出比ZA91D更高的应变速率敏感指数和变形激活能；ZA91D热加工图不存在变形失稳区且其高温低速率区变形时的能量耗散效率大于30%，CFs/AZ91D高温低应变速率区变形时的能量耗散效率大于50%，此时纤维激励了基体合金动态再结晶而使复合材料表现出极高的能量耗散效率，但在低温高应变速率变形时，基体合金与纤维之间的界面开裂极易导致CFs/AZ91D出现塑性流变失稳行为。

• 宏观尺寸大孔-介孔TiO₂-SiO₂光催化剂的制备及其在染料降解中的应用宏观尺寸大孔-介孔TiO₂-SiO₂光催化剂的制备及其在染料降解中的应用

  俞丽萍, 沈衍, 庞乾辉, 张志宇, 梁云霄,

  以柱撑式环氧树脂大孔聚合物为模板，制备宏观尺寸的大孔-介孔SiO₂；以其为载体，通过钛酸四丁酯原位水解和高温焙烧制得大孔-介孔TiO₂纳米晶-SiO₂复合材料。应用SEM、TEM、XRD、FTIR和N₂吸附-脱附法对材料进行表征。以偶氮荧光桃红为模拟污染物，用氙灯模拟日光光源，考察了不同条件下大孔-介孔TiO₂-SiO₂的光催化性能。结果表明，大孔-介孔SiO₂具有三维连续贯通的大孔孔道，孔壁为连续的纳米SiO₂薄膜；TiO₂纳米晶以纳米薄膜的形式均匀地原位生长在SiO₂纳米薄膜的两侧，得到的复合材料孔壁上存在丰富的介孔。当焙烧温度为600℃、TiO₂的负载量为15.7wt%、染料溶液浓度为10 mgL^-1且pH为3时，大孔-介孔TiO₂-SiO₂光催化剂对污染物的光催化降解效率最高，而且具有良好的重复使用性。

• 碳纤维负载NaTaO₃光催化复合材料的制备及其性能碳纤维负载NaTaO₃光催化复合材料的制备及其性能

  胡海霞, 廖金龙, 朱曜峰, 董余兵, 傅雅琴,

  以聚丙烯腈基碳纤维（CF）为基体，TaCl₅和乙酸钠为原料，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为表面活性剂，通过溶胶-凝胶法和浸渍提拉法将纳米NaTaO₃薄膜负载于CF上，制备得到高效光催化特性的复合材料。采用SEM、TEM、XRD等表征了NaTaO₃-CF的形貌和结构，以罗丹明B （RhB）溶液为目标降解物，测试了NaTaO₃-CF复合材料的光催化性能。结果表明：所制备的NaTaO₃-CF复合材料具备良好光催化活性和重复使用稳定性，暗中吸附30 min、光照80 min时，对RhB的去除率为99.35%，5次循环使用后，去除率为89.17%，其光催化反应过程符合伪一级反应动力学模型。

• 天然纤维/环氧树脂-混凝土的力学性能及老化规律天然纤维/环氧树脂-混凝土的力学性能及老化规律

  潘志伟, 马东鹏, 廖雨田, 刘逸平, 蒋震宇, 汤立群,

  环氧树脂-混凝土是由混合树脂、固化剂和砂石骨料等原料固化成型的一种复合材料，因其优异的性能已成为土木与建筑应用中富有潜力的新型工程材料。本文将高性能的天然纤维（剑麻和苎麻）引入环氧树脂-混凝土中，以进一步增强其力学性能。实验结果表明，极少含量的天然纤维便能够提升环氧树脂-混凝土的抗弯拉强度，体积分数为0.36vol%的剑麻纤维和苎麻纤维可以将混凝土的抗弯拉强度分别提高10.5%和8.4%。天然纤维对环氧树脂-混凝土抗弯拉强度的增强效应可以用基于混合率的并联模型描述，模型预测结果与实测结果相比，相对误差低于5.1%。利用紫外光耐气候试验箱模拟华南地区自然环境的日照辐射和湿热条件，研究了天然纤维/环氧树脂-混凝土抗弯拉性能随老化时间的衰减。当等效老化时间为6年时，天然纤维/环氧树脂-混凝土的抗弯拉强度分别下降了14.3%（剑麻纤维）和15.9%（苎麻纤维）。实验观察到的衰减规律可采用复合材料湿热老化的剩余强度模型描述。

• 低温硫酸盐侵蚀下水泥砂浆抗折强度预测模型低温硫酸盐侵蚀下水泥砂浆抗折强度预测模型

  谢超, 王起才, 于本田, 李盛, 张戎令, 王云天,

  为了进一步揭示低温硫酸盐侵蚀条件下水泥砂浆抗折强度的发展规律，本文以不同配合比砂浆试件为研究对象，进行了20℃、10℃、5℃条件下的硫酸盐侵蚀试验，并对不同龄期的抗折强度进行了测试。试验结果表明：侵蚀过程中砂浆试件抗折强度呈现出先上升后下降的变化趋势，且明显受到温度影响，温度越低，侵蚀情况越严重，主要表现为整体强度下降，上升段可达到的最大值减小，劣化开始的时间提前。为考虑温度的影响，在Irassar模型的基础上，引入温度修正系数，提出了低温硫酸盐侵蚀过程中抗折强度的预测模型。模型的计算值与实测值吻合度更高，最大误差为9%，平均误差为2.3%，故该模型可较为准确的预测水泥砂浆在5~20℃硫酸盐腐蚀环境下抗折强度的发展规律。

• 碳纳米管增强水泥基复合材料的自收缩及抗裂性能碳纳米管增强水泥基复合材料的自收缩及抗裂性能

  施韬, 李泽鑫, 李闪闪,

  水泥基材料的收缩开裂已经成为其破坏的一个主要原因，受到国内外关注，碳纳米管（CNTs）作为一种纳米纤维状材料，可能可以抑制水泥基材料收缩。本文将CNTs放入水中，经过超声处理分散后，形成CNTs分散液，设置不同的CNTs掺量将其掺入到水泥基材料中，通过波纹管实验及圆环试验对该种新型复合材料的自收缩及抗裂性能进行研究。结果表明：CNTs的掺入可以很大程度上抑制水泥基材料的自收缩，最高降低率可到40%以上，且明显提高了水泥基材料的抗裂性能。水灰比的增加会提高CNTs对水泥基材料收缩的抑制效果。当CNTs的掺量为0.1wt%时，可以获得最优效果。同时，CNTs的掺入不仅对水泥基材料自收缩有抑制作用，一定程度上也会抑制水泥基材料的干燥收缩。通过将CNTs掺入到建筑结构关键部分的水泥基材料中，可以提高建筑安全系数。

• 凝水膨胀充填复合材料的配比优化与形成机制凝水膨胀充填复合材料的配比优化与形成机制

  兰文涛, 吴爱祥, 王贻明,

  针对磷石膏堆存所产生的环境污染问题和目前矿山充填材料存在充填成本高、水泥等固体物料耗量大、充填体无法结顶等问题，本文通过正交试验极差分析、方差分析、多元非线性回归分析及数据可视化手段进行配比优化，制备了一种新型凝水膨胀充填复合材料，并采用XRD、SEM等微观分析手段对其形成机制进行了研究。发现该材料主要由半水磷石膏（HPG）、非晶相凝水剂（SAP）、气相引入剂（GPA）、表面疏水剂（HA）四种物料构成，形成的充填体为固、液、气三相，突出特点是在非固相体积率87.6%条件下可凝固，3天抗压强度可达1.6 MPa、膨胀率可达11%以上、在水中浸泡90天其抗压强度基本稳定。微观分析结果表明：SAP在其中的作用是形成凝水膨胀充填复合材料非晶相凝水颗粒，GPA的主要作用是在充填体内引入气相空腔，HA主要用于在充填体表面形成疏水效应，使充填体具备长期耐水性能。

• 基于遗传算法的飞机复合材料结构装配压紧力大小与布局的优化基于遗传算法的飞机复合材料结构装配压紧力大小与布局的优化

  张秋月, 安鲁陵, 岳德, 李志辉, 国佳,

  针对飞机复合材料结构装配时出现间隙的问题，考虑用压紧力消除间隙可能引起层合板产生损伤，提出了基于遗传算法的压紧力大小和布局的优化算法。结合有限元分析方法，考虑压紧机构之间的干涉问题，以复合材料分层损伤为约束条件，以间隙消除率为优化目标，建立了压紧力大小和布局的优化模型。以复合材料翼盒为例，建立基于内聚力单元的有限元模型，使用上述方法优化复合材料壁板上的压紧力大小和布局。将优化后得到的压紧力方案在有限元模型上进行验算，计算间隙消除率并分析应力应变状态和分层损伤情况。结果表明，优化后的方案能够在不使壁板产生分层损伤的前提下提高间隙消除率，并且能够使壁板的应力和应变分布趋于均匀。当装配间隙的初始值为0.2~0.8 mm时，优化后的方案使间隙消除率提高至77.4%~100%，比优化前的方案提高了19.2%~177.8%。

• 正交各向异性材料结构热变形和热应力分析的无网格法计算模型及应用正交各向异性材料结构热变形和热应力分析的无网格法计算模型及应用

  张建平, 王树森, 龚曙光, 申欣, 胡慧瑶,

  利用无网格伽辽金法（Element-free Galerkin，EFG）建立了正交各向异性材料结构热变形和热应力分析的计算模型，并推导了正交各向异性材料结构热弹性问题的EFG法离散控制方程。选择复合材料冷却栅管算例验证了计算模型和程序的正确性，利用该计算模型分析了具有不同材料方向角及热导率因子、热膨胀系数因子和主次泊松比因子的汽轮机叶轮，得到了其热变形总位移和Mises应力，讨论了材料方向角和上述正交各向异性材料因子对其热变形总位移和Mises应力的影响规律，给出了这些参数的合理取值范围，并选取一组参数与各向同性材料结构进行了热变形和热应力对比分析。结果表明，基于EFG法的热变形总位移和Mises应力的计算精度比有限元法高，材料方向角同时影响热变形总位移和Mises应力的大小和方向，而正交各向异性材料因子只影响热变形总位移和Mises应力的大小，不影响其方向。在复合材料结构设计过程中，合理选取材料方向角和正交各向异性材料因子可有效减小结构热变形和热应力。

• 沥青基软碳材料对硅负极锂离子电池性能的影响沥青基软碳材料对硅负极锂离子电池性能的影响

  刘振源, 刘烈凯, 金鑫, 汤昊, 孙润光,

  以沥青为软碳原料（质量分数为10%、20%、30%、50%），通过高温热解法成功合成了不同软碳含量的碳/硅（C/Si）复合材料。实验结果表明，软碳材料的引入能有效抑制Si基材料的体积效应和提高其电子电导率，从而在极大的改善负极材料循环性能的同时，还提高了其比容量。其次，通过系统研究不同C含量的C/Si复合材料性能，发现最佳的沥青加入量为20%。该条件所合成样品具有高达2356.7 mAhg^-1的首次充电比容量和86.6%的库伦效率。经过50次循环后依然有726.4 mAhg^-1的充电比容量，远高于工业化石墨负极材料，应用前景广阔。本研究还详细研究和讨论了软碳材料的形成机制以及不同软碳含量对材料形貌的影响。