非晶合金纤维和钢纤维单/混掺增强混凝土开裂及断裂性能研究

为探索纤维混凝土抗裂性能,本文研究了不同类型纤维(平直型钢纤维、平直型非晶合金纤维、钢纤维+非晶合金纤维)和不同纤维体积掺量(1.0%,1.5%和2.0%)混凝土的早期开裂性能和硬化后的断裂性能。首先通过平板法试验并借助数字图像对混凝土的早期裂缝特征进行量化分析,评估了纤维混凝土的早期开裂性能;再通过带切口棱柱体试件的三点弯曲试验,基于双K断裂参数,分析并评估了混凝土硬化后的断裂性能。结果表明,钢纤维单掺和混掺纤维混凝土的早期抗裂性能最好;纤维掺量由1.0%增加至2.0%时,钢纤维、合金纤维和混掺纤维混凝土失稳韧度分别增加了58.9%、44.3%和55.5%,且掺量为2.0%的混掺混凝土断裂能是普通混凝土的11.8倍。钢纤维和非晶合金纤维可在混凝土硬化过程的不同时期发挥协同作用,两种纤维混掺不仅能阻止混凝土早期的塑性开裂,还可有效控制硬化后受拉裂缝的形成和发展,达到分阶段抗裂的目的。综合考虑混凝土的早期开裂性能、硬化后受拉性能以及断裂性能,体积掺量相同情况下混掺纤维混凝土整体性能更优。

Ni-Mn-Ga-Fe合金纤维的马氏体相变与超弹性

通过高真空电弧熔炼炉和熔体抽拉液态成形设备制备Ni-Mn-Ga和Ni-Mn-Ga-Fe纤维,并对纤维进行阶梯式有序化热处理。利用场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、射线衍射仪(XRD)对其微结构和相结构进行表征;利用差示扫描量热仪(DSC)对纤维的马氏体相变过程进行分析;利用动态机械分析仪对纤维的超弹性进行测试。结果表明:有序化热处理后纤维内部原子排列有序性提高,相邻孪晶间沿近90°大角度晶界方向生长,晶界处平直。Fe掺杂使得纤维内部晶粒细化,晶格体积缩小,纤维整体致密性提高。Fe掺杂使得晶格内自由电子数量增多,电子浓度升高,致使马氏体相变(martensitic transformation,MT)的相变温度(M s)明显提高;通过有序化热处理,高温下的自由电子自由排列,形成有差异性的新布里渊区,构成新的孪晶界,进一步提高晶格内部的致密程度。同时Fe具备耐高温、抗拉强度高的特性,Fe掺杂的Ni-Mn-Ga纤维降低了其本征脆性。超弹性曲线显示了热弹性马氏体相变的两个基本特征:完全超弹性(superelasticity,SE)和低温恢复特性。在超弹性实验中,Ni_(50)Mn_(25)Ga_(20)Fe 5纤维在355 K测试温度时达到完全SE;在测试温度T test>M_(s)+8 K时,达到100%的应变恢复率(strain recovery rate),较Ni-Mn-Ga纤维(≈90%)有所提高。与其他合金(如Ti-Ni和Cu-Al-Ni合金)相比,Ni-Mn-Ga-Fe纤维显示出更大的临界应力值和更宽的SE温度空间。

钛合金纤维多孔材料制备及压缩性能

为降低钛及钛合金制品的成本,以钛锭表面切削下来的钛屑(切削纤维)为原料,经过清洗、剪切、压制、高温约束烧结等工序制备成钛合金纤维多孔材料,观察材料微观结构,分析压制压力和孔隙率之间的关系,并研究烧结温度、纤维宽度、孔隙率对钛合金纤维多孔材料压缩性能的影响规律。结果表明,钛合金纤维多孔材料内部均为通孔,随着压制压力的增加,钛合金纤维多孔材料的孔隙率随之降低。纤维宽度为2 mm,孔隙率为56.0%,烧结温度为1200℃条件下制得的钛合金纤维多孔材料平台应力达17.34 MPa。本文实现了原材料零成本制备钛合金纤维多孔材料,可用于阻尼减振、冲击防护等领域。

形状记忆合金纤维与高延性水泥基复合材料基体的界面粘结性能的影响

针对形状记忆合金(SMA)纤维端部形式、直径、深径比(粘结长度/纤维直径)3个因素设计制作了5组试件,通过位移控制加载进行拉拔试验,分析了破坏形态、拉拔应力-应变曲线、平均粘结强度以及纤维利用率等性能,并比较了各因素对其与高延性水泥基复合材料(ECC)粘结力学性能的影响。基于试验结果,对SMA纤维在ECC中的破坏模式和粘结-滑移机理进行分析。结果表明,SMA纤维拉拔应力-位移曲线分为弹性阶段、脱粘阶段、马氏体相变阶段以及马氏体硬化阶段,直型端部SMA纤维直径和深径比的增大均会降低界面间粘结力,而N型端部SMA纤维端部锚固力能够有效改善界面间粘结性能和提高纤维利用率。

循环拉伸下形状记忆合金纤维增强ECC的闭缝性能研究

将不同掺量和不同直径的形状记忆合金(SMA)纤维埋入工程水泥基复合材料(ECC)制得形状记忆合金纤维增强工程水泥基复合材料(SMAF-ECC),通过单轴循环拉伸试验研究SMA纤维直径和纤维掺量对SMAF-ECC试件拉伸应力-应变关系、残余应变、裂缝宽度和裂缝恢复率的影响。结果表明:打结形SMA纤维的加入提高了ECC的极限应变和极限抗拉强度;提高纤维掺量可有效提高SMAF-ECC试件的应变和裂缝恢复率,试验所得试件的最大应变恢复率和裂缝恢复率分别达到69%和77%;纤维直径在一定范围内增长,可以提高应变和裂缝恢复率,纤维直径过小会导致恢复率减小。研究成果为新型SMAF-ECC试件的推广应用提供了理论依据。

NiTi形状记忆合金纤维与工程水泥基复合材料界面粘结-滑移的本构关系

通过循环拉拔试验研究了形状记忆合金(SMA)纤维与工程水泥基复合材料(ECC)的粘结性能及其粘结滑移本构模型。在位移控制循环加载过程中,考虑SMA纤维直径、纤维末端形状和粘结长度的影响,获得拉伸应力位移曲线及粘结应力滑移曲线,结果表明:打结型端头可以为SMA纤维提供充足锚固力,其最大拉伸应力可达1039.7 MPa,分别为弯钩型端头、直型端头的2.69、6.97倍;增加SMA纤维与ECC的粘结长度会降低纤维最大拉伸应力,提高SMA纤维的延性;增大SMA纤维直径可使纤维最大拉伸应力增加,且延性也会增加,纤维更不易断裂;将SMA纤维与ECC的本构模型分为不充分锚固及充分锚固2类分别提出本构关系,试验曲线与拟合曲线基本吻合。

形状记忆合金纤维对混凝土力学性能的影响

形状记忆合金作为一种智能材料,在土木工程领域引起广泛关注。随着形状记忆合金(SMA)在土木工程领域内的研究与应用日益增多,众多学者将目光投向建筑材料,将SMA纤维加入水泥基材料中,该文设计形状记忆合金纤维增强混凝土(SMAFRC),纤维体积分数分别为0、0.3%、0.6%、0.9%,对所设计的SMAFRC进行立方体抗压、劈裂抗拉以及抗折试验。试验结果表明,在20℃时,SMAFRC基本力学性能随纤维体积分数的提升而提升,S-0.9试件对混凝土基本力学性能提升最大,在立方体抗压、劈裂抗拉以及抗弯强度较S-0试件分别增幅12.0%、32.5%、33.2%。在100℃时,S-0.6试件对混凝土基本力学性能提升最大,在立方体抗压、抗弯强度较S-0试件分别增幅7.1%、33.2%。

高导磁非晶合金纤维的研制

在充分研究了现有制造非晶合金条带的工艺设备以及市场发展前景的基础上,改造了现有条带设备,成功地研制出高导磁非晶合金纤维.用熔融拉丝法(MeltExtraction)制成直径在10～100μm范围内的合金纤维,研究表明此种材料具有典型的非晶特性,优越的软磁特性,更具有体积小、隐蔽性强、成本低等特点,是一种值得推广、并具有广泛市场潜力的材料.

PP/PET共混体系及其合金纤维的研究

用增容剂PP-g-AA增容PP/PET共混体系。研究了增容剂含量、共混物组成、共混时间、共混温度以及螺杆转速对PP/PET相形态的影响。结果表明:增容剂的加入大大改善了PP/PET两相间的相容性,并且增容剂的添加量有一最佳值,为PET质量的50%。随着PET含量的增加,分散相的尺寸有所增加。共混温度和共混时间均有一最佳值。随着螺杆转速的提高,分散相的尺寸减小,分布趋于均一,相容性也得到改善。另外,还制备了PP/PET合金纤维,对其表面处理后以及断面SEM观察均表明分散相PET原位成纤,这些微纤提高了合金纤维的力学性能。测试了合金纤维的力学性能,发现组分比为90/10/5时,合金纤维具有最好的力学性能。

形状记忆合金纤维复合材料梁非线性变形、热屈曲和振动

研究具有形状记忆合金(SMA)纤维的复合材料梁非线性静变形、热屈曲和振动。采用Euler-Bernoulli梁理论、Timoshenko梁理论和Reddy高阶理论进行结构建模;根据Von-Kármán应变场理论描述梁的几何非线性;采用Brinson热力学本构方程计算SMA纤维的受限回复特性;基于Hamilton原理导出梁的非线性偏微分控制方程;采用Galerkin法导出两端简支对称铺层SMA纤维复合材料梁的非线性静变形、热屈曲和振动近似解。通过数值计算揭示SMA纤维含量、激励温度和初始应变对非线性静变形、热屈曲和振动的影响规律。研究表明,当长厚比较大时,剪切变形的影响很小,上述理论均可适用;但长厚比较小时,Euler-Bernoulli和Timoshenko梁理论的结果与Reddy高阶理论的结果相差较大,剪切变形的影响是显著的。

形状记忆合金纤维在变轴力作用下的力学性能研究

对形状记忆合金纤维拔出的力学模型进行了探讨和简化。以一维的Liang-Rogers本构模型和Tanaka给出的指数型马氏体含量关系为基础,给定界面摩擦力的取值范围,并考虑其对纤维的作用,给出了恒温条件下加载和卸载过程中脱胶区纤维的伸长量与外载荷、摩擦力的关系式,及相关的系列曲线图,得到了界面摩擦力对形状记忆合金纤维力学特性的一些影响。由于余弦和指数模型得到的结果吻合良好,该文的变轴力模型具有一定的合理性。

镍钛合金纤维/有机硅-聚氨酯固相微萃取头的制备及其在水中7种取代苯化合物检测中的应用

以2,4-甲苯二异氰酸酯、聚酯多元醇、羟基硅油为原料,辛酸亚锡为催化剂,环己酮为溶剂,合成有机硅-聚酯型聚氨酯。将此聚合物涂于经氢氧化钾水热处理的镍钛合金纤维丝表面作为固相微萃取涂层,制得固相微萃取头。利用红外光谱法分析了聚合物结构;热重分析法确定了涂层最高使用温度;扫描电子显微镜观察了萃取头的表面形貌。以顶空萃取-固相微萃取-气相色谱法(HS-SPME-GC)测定了水中甲苯、二甲苯、间二氯苯、邻二氯苯、苯甲酸乙酯、硝基苯、苯甲醇7种取代苯化合物的含量。各被测物的色谱峰面积与其质量浓度呈良好的线性关系,相关系数(R2)为0. 992 6～0. 999 8,方法的检出限为0. 08～0. 24μg/L。实际样品测定的加标回收率为95. 9%～105. 4%,相对标准偏差为1. 4%～5. 0%。通过对实际样品的分析,说明制备的固相微萃取头涂层不易脱落、性质稳定,对于水中取代苯类化合物具有很强的吸附能力。

非晶合金纤维特性及其增强混凝土研究综述

在混凝土中掺入纤维是提高基体韧性,抑制其收缩开裂,获得高性能混凝土的有效途径之一。新型非晶合金纤维（或称金属玻璃带）具有优良的力学性能和抗腐蚀特性,制备的混凝土复合材料比强度高、比模量大、柔韧性和耐腐蚀性能好。介绍了非晶合金纤维材料的发展概况和主要特性,重点阐述了非晶合金纤维增强混凝土的力学性能和抗腐蚀性能研究现状,并指出非晶合金纤维在增强混凝土领域的应用前景及存在主要问题。

PP／PET合金纤维的制备及其力学性能研究

在聚丙烯(PP)与聚苯对二甲酸乙二酯(PET)共混体系中添加增容剂PP-g-AA,用扫描电镜对共混挤出物的断面进行观察,结果发现:增容剂的加入大大改善了PP与PET两相的相容性,增容剂的最佳添加量为PET质量的50％。用PP／PET共混物制备了合金纤维,观察了纤维断面形貌,并测试了这种合金纤维的力学性能,发现PP／PET／PP-g-AA质量比为90:10:5时,合金纤维的力学性能最好。

PP／PET合金纤维的形态和热性能研究

用聚丙烯接枝丙烯酸(PP-g-AA)作增容剂,制备了PP／PET共混合金纤维。对合金纤维碱处理后的表面以及拉伸断裂后的断面形态进行SEM观察,结果表明分散相PET原位形成微纤。DSC研究结果显示,PET在复合体系中起到了异相成核的作用,使PP的结晶速率加快,同时发现加有增容剂PP-g-AA的结晶性能稍有下降,说明增容剂起到了良好的增容效果。

铁基非晶及纳米晶合金纤维的研制

通过自主开发的熔融快淬炉制备出了铁基非晶合金纤维，研究了制备工艺参数对纤维几何尺寸、微观形貌的影响，结果表明：转轮线速度、线圈功率（熔体温度）及气氛等对其微观形貌和几何尺寸的影响较大，通过调整优化工艺参数可稳定地制备直径为10～40μm可调的非晶磁性纤维。通过适当挚处理可得到双相纳米晶磁性合金纤维。

镍钛合金纤维基体表面纳米多孔复合氧化物的可控生长及其对多环芳烃的选择性固相微萃取

采用水热氧化法制备镍钛合金(Ni Ti)固相微萃取纤维。实验结果表明,在80℃的H2O2溶液中,直接氧化Ni Ti纤维基体可在其表面原位生长纳米多孔氧化镍/氧化钛复合涂层,其中氧化镍含量显著高于氧化钛含量。与高效液相色谱-紫外检测器(HPLC-UV)检测技术联用,考察了所制备Ni Ti纤维对典型芳香族化合物的萃取性能。结果表明,富Ni复合氧化物涂层对多环芳烃(PAHs)表现出良好的萃取选择性。在优化实验条件下,方法的线性范围为0.1~400.0 ng/m L,相关系数大于0.999,PAHs的检出限为0.026~0.056 ng/m L。对于50 ng/m L加标水样,单支Ni Ti纤维日内和日间测量的相对标准偏差(RSDs)分别为4.8%~6.2%和5.4%~6.5%(n=5),使用5支不同批纤维测量的RSDs为6.4%~8.4%。本方法适用于环境水样中PAHs的富集和测定,相对回收率为89.9%~108.5%,RSDs<8.1%。而且,Ni Ti纤维机械强度高,化学稳定性好,制备过程精密可控。

非晶合金纤维增强水泥砂浆性能试验研究

以钢纤维为对比,研究了不同掺量的非晶合金纤维对水泥砂浆流动性、抗压和抗折强度的影响,提出了预测非晶合金纤维混凝土抗折强度的经验公式,并采用扫描电子显微镜观察纤维与基体的粘结状态。结果表明:与钢纤维相比,非晶合金纤维显著提高了砂浆的力学性能。1.0%掺量下非晶合金纤维增强砂浆28 d抗压强度和抗折强度与未掺纤维试样相比分别增加了28.6%和51.9%,与相同掺量下钢纤维增强砂浆相比分别增加了9.9%和14.5%。非晶合金纤维抗拉强度高,抗腐蚀性能强,在砂浆中分散均匀,与砂浆基体粘结良好,在较低掺量下即可有效提高砂浆的抗压和抗折强度,增加砂浆的韧性。

NiTi合金纤维表面处理对树脂基复合材料界面剪切性能的影响

采用表面涂层和低温冷等离子体技术等多种方法对NiTi合金纤维表面进行预处理,改善纤维表面的浸润性,达到纤维与树脂界面很好的粘结,对样品进行界面剪切强度的测定,并用电镜观察纤维表面形貌的变化。实验结果表明:NiTi合金纤维经不同方法处理后,纤维的浸润性和界面的粘结强度有不同程度的改变,而经过列克纳涂层处理的样品剪切强度有很大的提高,通过电镜的扫描图片可以看到纤维的表面粘有大量的树脂,达到了很好的粘合。

SO_(2)气氛下316L合金纤维滤袋的气固腐蚀特性

高温除尘领域,316L合金纤维滤袋由于可重复利用性引起广泛关注,但316L合金纤维材料的气固腐蚀特性及机理尚不明确,成为实际应用中的风险因素。基于316L合金纤维滤袋的气固腐蚀特性,采用固定床模拟腐蚀试验,研究SO_(2)气氛下316L合金滤料的腐蚀行为,分析腐蚀后滤料的过滤性能及力学性能变化,探究SO_(2)浓度和烟气组分(O_(2)、H_(2)O)对其腐蚀特性的影响,并结合腐蚀前后滤料微观形貌以及元素分布,研究腐蚀机理。结果表明,316L合金纤维滤料的整体腐蚀程度低,腐蚀周期内腐蚀增重率最大为2.30 mg/g,主要体现为局部腐蚀,表面点蚀坑内观察到Mn、S元素的富集,局部质量分数达21.28%、13.08%;SO_(2)浓度变化对腐蚀反应的影响较弱,O_(2)对腐蚀过程的影响主要体现在腐蚀初期的氧化反应,对整体腐蚀进程的促进作用很小,H_(2)O对于腐蚀反应具有显著的抑制作用;腐蚀后滤料透气度和孔结构稳定性保持良好,开孔隙率降至小于5%,而材料屈强比显著提高,抗振性能显著下降。