功能梯度复合材料的制备及隔热性能模拟研究

基于航空航天热防护技术对多功能隔热材料的需求,制备了由力学缓冲层、高温隔热层和核心隔热层构成的功能梯度复合材料,材料应力适应性强、耐温性高、隔热性能优异。通过模拟计算的方法对复合材料的隔热性能进行研究,结果表明,30mm厚的复合材料在1000℃、1000s的热载荷下隔热性能优异,各功能层厚度影响复合材料的传热背温。随着力学缓冲层/高温隔热层相对厚度的增大,复合材料背温和核心隔热层热面温度均增大,由于核心隔热层耐温极限的限制,力学缓冲层厚度最大为12mm,此时复合材料背温为26.10℃。力学缓冲层/核心隔热层、高温隔热层/核心隔热层相对厚度增大时,复合材料背温增大,核心隔热层热面温度减小,力学缓冲层的厚度最小为6mm,此时复合材料背温为20.21℃,高温隔热层的厚度最小为10mm,此时复合材料背温为22.58℃。

四边简支功能梯度石墨烯增强复合材料厚板的自由振动分析

基于准三维板理论,研究了四边简支功能梯度石墨烯增强复合材料(FG-GRC)厚板的自由振动行为.通过改进的Halpin-Tsai模型计算了不同分布模式下FG-GRC厚板的有效性能,利用Hamilton原理构建其控制方程,并根据Navier法求解.通过参数研究部分揭示了石墨烯纳米片(GPLs)的重量分数、FG-GRC板的总层数、GPLs分布模式、宽厚比以及长宽比对四边简支FG-GRC厚板自由振动固有频率的影响.由于准三维板理论考虑了厚度拉伸效应,因此在厚板计算中比经典板理论、一阶板理论和Reddy三阶板理论更为精确.

PDMS/SiC功能梯度复合材料3D打印主动混合喷头结构设计与工艺参数优化

以高黏度材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)和碳化硅(SiC)粉末混合液为例,利用流体动力学仿真模拟,设计并优化主动混合喷头。仿真分析不同螺杆结构对主动混合喷头混合效果的影响,选定双向四螺旋螺杆结构,同时探究了螺杆长度、螺杆与腔体间隙等结构参数对混合效果的影响规律,确定螺杆长度为12 mm、螺杆与腔体间隙为0.2 mm;优化了该结构的转速、入口速度等工艺参数,确定转速为60 r/min、入口速度为1 mm/s。此外分析了该结构在不同材料体积配比下均可进行有效混合。最后,通过打印试样,验证了该主动混合喷头能够实现复合材料的有效混合。

仿生功能梯度结构复合材料的研究现状

当今社会,传统的复合材料已难以满足更多的应用需求,人们开始关注仿生功能梯度结构复合材料。研究者发现,许多生物材料具有明显的跨尺度、分级的复杂梯度结构,具备高强韧性的特点,这为人工制备新型仿生功能梯度材料带来重要启发。本文综述了生物材料的复杂梯度结构和性能特点,总结了采用粉末冶金法、3D打印技术和冷冻铸造法制备仿生功能梯度结构复合材料的研究进展,重点阐述了仿生功能梯度结构复合材料的结构与性能之间的关系,并展望了其发展前景。

功能梯度超高性能水泥基复合材料弯曲性能研究

以超高性能水泥基复合材料(UHPCC)为基础,研究了不同层数的功能梯度超高性能水泥基复合材料(FGUHPCC)的抗弯性能。通过FGUHPCC的四点弯曲试验,研究了单层和双层UHPCC梁的等效抗弯强度和相应的挠曲能力,结合DIC技术讨论了不同试件在不同阶段(LOP、MOR)的弯曲能力。结果表明,功能梯度设计有助于提高试件的抗弯能力和断裂韧性;与单层的UHPCC相比,FGUHPCC具备更优的耗能能力,更复杂的裂纹发展。建议在进行此类构件设计时,在条件允许的情况下可以进行功能梯度设计,以节省成本。

弹性地基上非对称多孔功能梯度材料夹层板的自由振动

基于精细剪切变形理论研究了弹性地基上的非对称孔隙功能梯度材料(functionally graded material, FGM)夹层板的自由振动。结合该理论提出了一种新的非对称多孔FGM夹层板在弹性地基上的自由振动模型,且该模型只包含四个未知变量。控制方程是通过Hamilton原理建立的,并通过Navier法获得了其在四边简支下的固有频率。将模型退化为无弹性地基的非对称FGM夹层板以验证模型的准确性。最后详细讨论了参数变化对弹性地基上的非对称多孔FGM夹层板的自由振动行为的影响。研究发现,在不同的弹性系数下,非对称多孔FGM夹层板的固有频率会随着边厚比的增加而增加,而体积分数指数的增加对于不同弹性系数下的非对称多孔FGM夹层板的固有频率有不一样的变化。

离心铸造法制备Al_3Ti/Al原位自生功能梯度复合材料

采用离心铸造法,用TiO2粉末与纯铝熔液原位反应生成Al3Ti颗粒增强相,获得了组织和性能在径向上呈梯度分布的Al3Ti/Al功能梯度复合材料。考察了材料的显微组织和硬度,Al3Ti颗粒和材料硬度在径向上由外向内呈梯度分布。研究分析了离心和转速、TiO2加入量和激冷强度对复合材料组织和硬度的分布梯度的影响。结果表明,这些因素对复合材料组织和性能分布梯度的影响较大。

电磁分离法制备原位Al/Mg_2Si功能梯度复合材料

用电磁分离技术(EMS)制备了原位Al/Mg2Si功能梯度复合材料(FGMs),并采用复合盐变质剂对初生Mg2Si增强相进行细化和变质.实验结果表明,制备的圆棒状复合材料在近外壁区域形成φ(Mg2Si)=17.5%相偏聚层,提高了表面硬度.电磁力参数、铸型温度场和铸型尺寸是影响增强颗粒分布的主要因素.通过控制外加磁场的电磁力参数和温度场,可实现复合材料中φ(Mg2Si)在径向呈既定的梯度规律变化.相同条件下,铸型内径越大,复合材料内部区域的增强颗粒所占比例就越高,增强颗粒的分布就越分散.

硅含量对喷射沉积SiC_p/Al-Si功能梯度复合材料摩擦磨损性能的影响

对喷射沉积技术制备的不同硅含量铝基功能梯度复合材料进行室温摩擦学性能研究。结果表明：当硅含量分别为7%、17%和20%时,SiCp/Al-Si功能梯度复合材料的摩擦因数随载荷或滑动速度（转速）的增加而减小;随着SiC颗粒含量的增加,摩擦因数呈增大趋势;随基体硅含量增加,摩擦因数越稳定。在转速300~500 r/min、700~900 r/min和载荷10~30 N、40~50 N时,磨损率随转速、载荷的增加而升高,随SiC颗粒含量的增加而降低,梯度变化明显;在转速500~700 r/min和载荷30~40 N时,随转速、载荷的增加,磨损率反而减小;随基体硅含量的增加,磨损率呈降低趋势,材料在摩擦过程中生成的机械混合层（MML）厚度呈减小趋势。

超高韧性水泥基复合材料功能梯度板接触爆炸数值模拟

超高韧性水泥基复合材料(Ultra-High Toughness Cementitious Composites,UHTCC)具有优异的韧性和吸能效果,采用UHTCC和UHPC材料制成的功能梯度板具有优越的抵抗爆炸冲击性能。为了更好地研究UHTCC材料在爆炸荷载下的损伤规律,设计出性能优良的防护结构,该文利用LS-DYNA软件对UHTCC功能梯度板接触爆炸进行了数值模拟。探讨了靶体材料、炸药量、配筋情况、能量吸收层厚度对结构抗爆性能的影响。研究结果表明,UHTCC功能梯度板可以有效减少爆炸荷载下的开坑、震塌以及靶体损伤,同时吸收更多的爆炸冲击波,从而达到优良的抗爆效果。配置拉结筋并合理设置能量吸收层厚度能有效减少靶体损伤。

HA/316L不锈钢对称功能梯度生物复合材料的力学性能

采用干粉叠层法和热压工艺制备HA／316L不锈钢对称功能梯度生物复合材料，使用三点弯曲法测定HA／316L不锈钢对称功能梯度生物复合材料试样的抗弯强度和弹性模量，并借助扫描电子显微镜对试样对表面形貌和微观结构进行观察和表征，利用场发射高分辨扫描电子显微镜对试样进行元素线扫描分析。研究结果表明：通过控制HA粉末的含量（体积分数）在20％-40％之间时，所得复合材料的抗弯强度和弹性模量分别与人体骨的强度和模量相匹配，得到生物力学相容性好的复合材料；HA／316L不锈钢复合材料各梯度层之间过渡自然，没有明显的宏观界面、缺陷和裂纹等，梯度层内部和界面处两相分布均匀，且各成分均呈现连续的梯度分布，界面结合紧密。

功能梯度复合材料板壳结构的弯曲、屈曲和振动

功能梯度材料通常是由两种如金属和陶瓷复合而成的一种新型非均匀复合材料.由于在这种材料中,各组份材料的体积含量在空间位置上是连续变化的,其物理性能没有突变,因而可较好地避免诸如在纤维增强复合材料中经常出现的层间应力问题或降低应力集中现象.功能梯度复合材料目前已被发展用来作高温环境下的结构构件.本文对功能梯度材料板壳结构分析的研究现状进行了评述,集中讨论线性和非线性弯曲、屈曲和后屈曲、振动和动力响应.涉及各种边界条件下薄板壳和中厚板壳受热/机荷载作用的情况,并提出需要进一步研究的方向.

装甲防护材料的新葩——陶瓷-金属功能梯度复合材料

本文重点说明了在陶瓷增强的金属基复合材料的基础上,发展起来的陶瓷增强颗粒连续分布的陶瓷-金属功能梯度复合材料用作防护装甲的优点,介绍了陶瓷-金属功能梯度复合装甲材料的研究现状,并对其未来发展做了阐述。

用于C－A1复合材料的C纤维表面多功能梯度涂层

提出一种用于Ｃ－Ａ１复合材料的Ｃ纤维表面多功能梯度涂层，它具有润湿、减缓热应力、阻挡界面反应、改善复合材料断裂形式、提高纤维抗氧化性等多种功能，可以满足Ｃ－Ａ１复合材料制造工艺与性能的多种要求。并且采用化学气相沉积工艺制备了结构和成分分布与设计相符合的涂层。将其应用于Ｃ－Ａ１复合材料获得以良好的试样抗拉强度。对于该涂层的性能与作用进行了研究。

SiCp/Al功能梯度复合材料的压缩性能研究

采用粉末冶金法制备碳化硅颗粒增强铝基功能梯度复合材料,用扫描电子显微镜观察微观组织形貌,测试抗压强度,对其压缩性能进行分析。研究结果表明,当压力达到85 kN时,SiCp/Al功能梯度复合材料压缩试样的表面出现明显的宏观剪切裂纹,裂纹方向与垂直方向成45°。用有限元方法分析其压缩性能,计算结果与实验结果基本吻合。

功能梯度碳纳米管增强复合材料结构建模与分析研究进展

功能梯度碳纳米管增强复合材料是一种新一代的先进复合材料.在这种材料中,碳纳米管作为增强体在空间位置上梯度排布.功能梯度碳纳米管增强复合材料的力学行为已成为近年来材料科学与工程科学的研究热点.本文对功能梯度碳纳米管增强复合材料结构的建模与分析的研究进展进行评述,集中讨论功能梯度碳纳米管增强复合材料梁、板、壳在各种载荷条件下,边界条件下和环境条件下的线性和非线性弯曲、屈曲和后屈曲、振动和动力响应.文中所列成果可以看作是进一步研究的基石.最后,提出需要进一步研究的方向.

SiCp/Al功能梯度复合材料的压缩性能研究

采用粉末冶金法分别制备了5μm、7μm、10μm的SiC颗粒增强铝基梯度复合材料,用扫描电子显微镜观察了其微观组织形貌,测试了其抗压强度,对其压缩性能进行了分析。研究结果表明:当压力达到80 kN时,SiCp/Al功能梯度材料压缩试样的表面出现明显的宏观剪切裂纹,裂纹方向与垂直方向成45°,材料的压缩性能良好。用有限元理论分析了其压缩性能,其结果与压缩实验结果基本吻合。

带压电层功能梯度复合材料混合层合板的自由振动和动力响应

基于Reddy高阶剪切变形理论和广义Krmn型方程,用双重Fourier级数展开法求得了四边简支带压电层功能梯度复合材料混合层合板的自由振动及动力响应的解析解,分析中考虑了组分材料热物参数对温度变化的依赖性,讨论了材料组分指数、温度变化和控制电压对固有频率及动力响应的影响。

C/C-Al_2O_3梯度功能复合材料改性研究

采用炭纤维表面涂层与基体改性方法相结合,对所制的C/C Al2O3梯度功能复合材料界面性能进行了改进。研究了增强相炭纤维与陶瓷相Al2O3的界面结合强度这一关键技术,进行了热学、烧蚀、力学性能测试和微观结构分析。结果表明,添加ZrO2对基体进行改性,使材料的强度提高了39.1%,热导率降低至0.902W/(m·K)(800℃);采用炭纤维表面SiC涂层处理能有效改善复合材料的界面性能,使材料强度提高了3倍,达到约70MPa。

GH4169/K418B复合及功能梯度材料性能研究

基于激光同轴送粉LENS方式对GH4169/K418B两种材料分别进行了复合材料及功能梯度材料的制备,并通过对其试验样件进行微观组织分析及力学性能测试,研究了不同比例成分复合材料及功能梯度材料的各项性能参数,结果表明:与纯GH4169材料相比,当GH4169/K418B比例为80%/20%时,其弹性模量提高了64.1%,屈服强度提高了22.8%,抗拉强度提高了23.5%,而当比例K418B比例过高时,其力学性能会显著下降;功能梯度材料由于其成分上的梯度特性,在性能上表现出了“取长补短”的选择特性,其弹性模量为80.1GPa、屈服强度为567.67MPa、抗拉强度为790 MPa,各项性能均处于各复合材料的优秀水平,可以适用于航空航天领域中对各项性能均有一定要求的复杂场景。