黄争鸣 复合材料力学专家

您在复合材料力学、计算结构力学、流与结构的相互作用、纳米纤维材料与风力发电机叶片中的力学问题等领域进行了深入的研究,请您具体谈谈近年来的主要研究成果.

纤维增强复合材料强度理论的研究现状与发展趋势——“破坏分析奥运会”评估综述

复合材料强度涉及许多力学问题,计算分析复杂．由于分析问题的角度和解决问题的方法不同,迄今为止已经产生了许许多多不同的强度理论．那么,究竟这些理论的效果如何?为此,在英国的工程与自然科学研究委员会和机械工程师协会支持下,一个堪称为复合材料“破坏分析奥运会”的评估于1991年启动并在2004年完成．本文根据参赛理论和评比结果,对复合材料破坏与强度理论的研究现状进行了简要综述,并指出了今后发展所需解决的一些问题．

药物和蛋白质与聚己内酯分层复合纳米纤维的微观结构与力学特性

应用同轴共纺技术制得芯质和表层为两种不同材料的分层复合纳米纤维.分别以乙酰螺旋酶素片剂和明胶蛋白质为芯质材料,以可生物降解的聚己内酯作为表层材料,研究了这种分层复合纳米纤维的微观结构与力学特性.结果表明,尽管药物与表层聚合物材料的溶解溶剂互不相同,但仍可以将药物包覆在壁厚小于100nm的超细纤维中.这种纤维可用作体内手术伤口缝合线或大面积创伤如烧伤伤口的敷布.在实验范围内,纤维膜的力学性能随芯质内溶质含量的提高而降低.

复合材料结构受横向载荷作用的强度问题

众所周知, 各向同性材料结构的极限分析与设计只需一个应力强度条件(如采用第一或者第四强度理论)。但是在复合材料的情况下, 问题要复杂得多。本文中提出除了一个应力强度条件之外, 还须补充一个临界变形条件或者称为临界刚度条件才可以确定复合材料结构在横向载荷作用下的极限破坏状态的观点。对本文作者近期在这方面的研究工作作了介绍, 尤其侧重介绍如何确定复合材料结构的极限承载能力, 并指出复合材料结构受有横向载荷作用的一些有待研究解决的紧迫问题。

将源药包覆到聚己内酯超细纤维的芯部

采用同轴共纺技术,分别将白藜芦醇(Resveratrol,RT)和硫酸庆大霉素(Gentamycin Sulfate,GS)源药包覆在生物可降解的聚己内酯(PCL)超细(直径为几百纳米)纤维芯部.研究了这种纤维的制备过程以及它们的微观结构.这种复合纳米纤维可在医疗新产品开发中发挥作用,如用于制备新的羊肠线(体内手术伤口缝合线)或伤口敷布.

桥联理论研究的最新进展

欲根据组分材料——纤维和基体性能参数预报复合材料的强度,必须解决3个方面的问题.首先,必须准确计算出纤维和基体中的内应力;其次,必须基于这些内应力,建立起复合材料的有效破坏判据,即细观力学强度理论;最后,必须根据独立测试的基体性能,准确定义其现场强度输入数据,因为后者无法测量.复合材料强度预报之所以困难,在于所涉及的每一个问题都极具挑战.由黄争鸣创建和发展的桥联理论,系统给出了这3方面问题的有效解决方案.该文简要介绍这些解决方案,包括桥联理论的最新进展及有待进一步研究的课题.

加大农村公共产品的政府供给

我国农村公共产品供给呈总体不足的状况。改革农村公共产品供给体制,必须加大农村公共产品的政府供给。按照公共财政原则改变重城市、轻乡村的支出政策,加大财政对农业的投入;改革农村公共产品供给体制,规范政府提供农村公共产品的责任和方式。

由组份材料性能计算复合材料强度的理论与实践

强度是结构材料最重要的一项性能指标,但如何预报纤维增强复合材料的极限承载能力却依然还是一个世界性难题.经作者及其团队多年来的不懈努力,使得实现由原始组份性能计算复合材料强度的目标不再遥不可及.本文围绕如何达到这一目标进行简要介绍.也许不久之后,一旦纤维和基体材料的性能数据库建立起来,任何一个复合材料结构的设计与开发将不再依赖于甚至无需任何实验.这不仅能节省大笔实验费用,而且能大幅缩短复合材料新产品的问世周期,促进复合材料更加广泛和更为有效地应用.

玻璃钢用增强纤维布方向角与克重设计

纤维布是玻璃钢(玻璃纤维增强塑料)增强体的主要结构形式。在纤维和基体性能及纤维体积含量固定之后,玻璃钢产品的机械性能完全取决于纤维布的结构特性,即纤维方向角和相应克重。通过试验确定这些参数难度高,不仅花费巨大,而且难以达到最优。介绍了如何根据纤维和基体性能参数,对任意多轴纤维布的方向角与克重进行设计。经典层合板理论确定每一层玻璃钢分担的载荷后,桥联模型计算出纤维和基体的均值应力,再将这些均值量转换成真实值,进而与纤维和基体的强度对比,判定单层是否破坏。若破坏源自纤维或源自基体但整体应变中的最大值超过临界值,对应的外载定义为纤维布浸胶后所能承受的极限载荷。设计公式皆为显式,设计结果与试验吻合良好,为工程应用提供了一条有效途径。

同轴射流技术制备纳米复合材料研究进展

简要介绍了基于电流体动力学射流技术的静电纺丝和静电喷涂的基本原理和发展过程,重点讨论了两种同轴射流技术———同轴静电纺丝和同轴静电喷涂技术的研究现状,包括纳/微米包囊、壳-芯结构的纳米纤维和中空纳米纤维或纳米管的制备。介绍了该技术在药物释放体系、组织工程支架、载药医用敷料和缝合线等方面的潜在应用前景,并对其未来发展进行了展望。

静电纺丝法制备组织工程纳/微米纤维支架

静电纺丝是一种简便易行的新型组织工程多孔支架制备方法,电纺支架具有独特的微观结构和适当的力学性能。由于具有与天然细胞外基质相近的纳米级结构,电纺支架能够仿生细胞外基质的结构特点,使之有望成为理想的组织工程支架。文中介绍了静电纺丝和同轴静电纺丝的基本原理和发展过程、电纺支架的加工方法和结构特点以及电纺纤维的定向收集技术,阐述了各种天然和合成聚合物纳/微米电纺支架在软骨、骨、血管、心脏、神经等组织工程领域的应用,并展望其应用前景。

层间环氧纳米纤维薄膜对层合板力学性能的影响

应用静电纺丝技术制备环氧纳米纤维,将收集的纳米纤维无纺布薄膜插入层合板的层间界面并固化成型,研究其对层合板力学性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析了纳米纤维的形貌和尺寸,并测试了纳米纤维薄膜的拉伸性能;应用三点弯曲和短梁剪切方法测试了层合板的力学性能。结果表明,一定厚度的纳米纤维无纺布薄膜对层合板的力学性能无显著影响。因此,应用该方法可以制备一种新型的功能复合材料。

静电纺丝原理研究进展

纳米纤维具有直径小、比表面积大以及易于实现表面功能化的优点,受到广泛的关注。在众多制备纳米纤维的方法中,静电纺丝是一种高效的技术,其中同轴共纺技术由于能制备芯-壳(core-shell)结构的纳米纤维,也越来越引起人们的关注。本文介绍了基于电流体动力学的静电纺丝原理,讨论了静电纺丝相关原理研究进展,包括Taylor锥与喷射,纳米纤维的弯曲非稳定性,高聚物溶液/熔融体流动非稳定性,两相流流型及其转换,高聚物两相流流型及其转换,非牛顿流体流动非稳定性以及两种非牛顿流体分层流动等,最后指出了尚待解决的一些问题。

超细纤维增强复合材料Ⅰ型层间断裂韧性分析

采用静电纺丝技术制备了厚度约0.1 mm的超细纤维无纺布薄膜,并入层合板中间界面,固化成型后加工为双悬臂梁(DCB)试样。根据ASTM D5528标准测试了Ⅰ型层间断裂韧性。实验结果表明,增强试样比空白试样的Ⅰ型临界应变能释放率(GⅠC)提高了约35%。同时采用有限元分析方法研究了含无纺布薄膜试样和空白试样的裂纹扩展过程,数值结果与实验结果吻合较好,更好地解释了含无纺布薄膜层合板的层间断裂机理。

基于非线性本构关系的复合材料风机叶片有限元极限分析与设计

为了研究具有三维复杂构形的复合材料风机叶片的逐次破坏过程和极限承载能力,将复合材料细观力学非线性本构理论桥联模型与有限元软件ABAQUS通过用户子程序UGENS结合起来对风力发电机叶片结构进行极限强度分析。只需提供纤维和基体的材料性能参数、纤维体积含量以及蒙皮和增强筋的铺层数据包括铺设角、层厚和铺层数,就可预报出复合材料复杂叶片结构的整体承载能力以及叶片破坏所处的位置,为正确评估和合理设计风机叶片结构提供了一种简便有效的分析方法。以一种20 kW风机叶片为例,用此方法实现了新型复合材料叶片结构的极限分析和合理设计,提高了叶片的强度和刚度,有效降低了叶片的重量。本文中的方法同样适用于其它复合材料复杂结构的极限分析与强度设计。

含环氧-SiC复合微/纳米纤维的层合板制备及其力学性能

应用同轴静电纺丝技术制备环氧包覆纳米SiC复合微/纳米纤维,将该复合微/纳米纤维收集成无纺布薄膜引入层合板层间界面并固化成型,研究其对层合板力学性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析了微/纳米纤维的形貌和结构,并测试了微/纳米纤维薄膜的拉伸性能。应用三点弯曲、短梁剪切和简支式冲击实验测定了层合板的弯曲性能、层间剪切强度和冲击韧性。结果表明,一定厚度及一定SiC含量的微/纳米纤维无纺布薄膜对层合板的力学性能无显著影响。

TiO_2改性PC纳米纤维增强PMMA透光复合材料

利用同轴共纺技术制备出壳(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA)-芯(聚碳酸酯,PC)复合纳米纤维,再通过热压将壳层熔融后得到PC纳米纤维增强PMMA透光复合材料.分别在复合纳米纤维的壳层或芯层中添加不同含量的纳米二氧化钛(TiO2)粒子,观察纳米颗粒在复合纤维不同结构中的分布,并分析其含量及分布状态对透光复合材料的可见光透过率、紫外光透过率以及力学性能的影响.研究结果表明,分布在壳层的纳米TiO2可明显提高复合材料的紫外光屏蔽性,拉伸性能得到增强,但是透光率有所下降;分布在芯层的纳米TiO2对复合材料的透光率影响较小,而对拉伸性能的提高较引入壳层的效果更为显著.

聚碳酸酯／TiO_2超细纤维的制备与表征

静电纺丝是一种有效制备超细纤维的重要方法．以钛酸丁酯作为TiO2前驱体实现了聚碳酸酯(PC)／TiO2的制备,采用TEM、SEM、红外光谱、X射线衍射等方法进行理化性能表征,并测试了材料的抗菌性能．结果表明:当PC与钛酸丁酯质量比为9:1时电纺纤维尺寸较均匀,珠状物最少;7:3时纤维膜对大肠杆菌的抗菌率达到87％左右,以期用于过滤膜、防护服及医疗纺织材料等领域．

PMMA透光纳米复合材料的制备

利用同轴共纺技术制备出具有壳-芯结构的复合纳米纤维,再通过热压成型工艺将壳层的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)熔融,留下芯层的尼龙6(PA-6)纳米纤维作为增强材料,由此制备得到纳米纤维增强透光复合材料。实验结果表明,该复合材料较之纯PMMA板在力学性能上有明显改善,透光率则基本不受影响。应用SEM、TEM以及FTIR研究了复合纳米纤维的形貌和结构,并根据复合材料力学试验断口的SEM照片,分析了PA-6纳米纤维含量对复合材料力学性能和透光性能的影响。

壳-芯电纺超细纤维作为药物释放载体的研究

应用同轴共纺技术制备了以L-型聚乳酸为壳层材料,盐酸四环素为主要芯质材料的壳-芯超细纤维膜,研究了这种超细纤维膜的微观结构、力学性能与药物释放特性.结果表明,药物能够包覆在一层很薄的可降解聚合物壳层中,形成一种储库型药物释放系统.纤维的直径大小对纤维膜的各项理化性能有较大影响.随壳层聚合物浓度升高,纤维的平均直径增大,力学强度降低.药物能够从纤维膜中持续释放出来.这种壳-芯超细纤维有望用于药物释放、载药缝合线和医用敷料等生物医学领域.