功能梯度石墨烯增强自旋圆柱壳的振动特性

目的为了研究旋转状态下功能梯度石墨烯增强复合材料(FG-GPLRC)圆柱壳的振动特性,方法基于改进的Halpin-Tsai微观力学模型与复合材料夹杂理论预测多种分布模式下石墨烯增强结构的等效材料属性。同时,考虑由旋转引起的科氏力与离心力作用,采用一阶剪切变形理论对FG-GPLRC自旋圆柱壳的能量表达式进行推导。之后,选取切比雪夫多项式构造位移容许函数,基于Rayleigh-Ritz法对FG-GPLRC自旋圆柱壳的行波振动特性进行分析,得到壳体的动力学微分方程进而求解出行波振动频率。最后,通过与现有文献数据进行对比,验证本文方法的准确性,并分析分层数、转速、石墨烯片的质量分数与分布模式等因素对旋转壳体振动特性的影响。结果石墨烯片分层数为10层时,即可实现对FG-GPLRC自旋圆柱壳振动特性的预测;石墨烯质量分数小于2%时,每增加0.5%,壳体的前后行波频率明显提高;在不同模态下,GPL-X分布模式的壳体行波频率最高,GPL-O分布模式最低,且行波频率随转速的提高而增大;弹性边界条件下,壳体行波振动频率随轴向半波数的增大而增加。结论石墨烯片在GPL-X分布模式下使得FG-GPLRC自旋圆柱壳的等效弹性模量增大,对壳体结构刚度的增强效果最佳,且前后行波频率与壳体转速同步增大。

功能梯度石墨烯增强多孔复合材料阶梯圆柱壳的振动特性

对功能梯度石墨烯增强多孔复合材料(FG-GPLRPC)阶梯圆柱壳的振动特性进行了研究。首先,采用Halpin-Tsai微观力学模型以及开胞体理论得到FG-GPLRPC阶梯圆柱壳的有效材料属性。其次,基于一阶剪切变形理论和惩罚参数法推导出壳体结构的能量表达式。最后,采用Jacobi-Ritz法建立壳体结构的振动控制方程,并求得结构的无量纲频率,验证了方法的有效性和正确性。结果表明,石墨烯质量分数、孔隙系数和边界弹簧刚度值对振动特性的影响显著,层数对振动特性的影响较小,尺寸参数对振动特性的影响不同,并得到了壳体频率随周向波数先减小后增大的变化规律。

带裂纹石墨烯增强金属泡沫梁的振动特性研究

分析了带裂纹功能梯度石墨烯增强金属泡沫梁的自由振动.采用Timoshenko梁理论进行建模,裂纹由无质量扭转弹簧模拟,利用Halpin-Tsai微观力学模型预测材料的有效性能.通过哈密顿原理,得到了带裂纹功能梯度石墨烯增强金属泡沫(FG-GPLRMF)梁的运动方程及其边界条件.采用微分变换法分析带裂纹FG-GPLRMF梁的自由振动.结果表明,带裂纹FG-GPLRMF梁的振动特性受到石墨烯几何尺寸、孔隙类型和石墨烯分布的影响显著.

石墨烯增强功能梯度梁自由振动的解析解

基于Euler-Bernoulli梁理论,研究了石墨烯片增强功能梯度复合材料梁的自由振动特性.研究中考虑石墨烯片方向随机且均匀地散布在每层基体中,其含量沿厚度按照3种不同方式梯度变化.首先根据Halpin-Tsai力学模型和混合率法则得到该复合材料的等效物性参数,然后由Hamilton原理推导出石墨烯增强功能梯度梁的动力学控制微分方程,对其自由振动方程进行精确解析求解获得固有频率和模态的解析表达式,同时给出该复合材料梁的固有频率与相同边界条件均匀梁的固有频率之间的解析表达式,并且通过参数研究分析了石墨烯片的质量分数、几何形状和分布模式等对梁自由振动固有频率的影响.

石墨烯增强钛基复合材料界面调控及强韧化机理研究进展

高超声速飞行器等航空装备的快速发展对钛合金综合性能及应用水平提出更高要求。采用传统热工艺技术制备钛合金的性能已经接近或达到理论极限。传统技术很难大幅提高钛合金的综合性能,探寻石墨烯技术改性钛合金成为一个重要发展方向。然而,钛合金中石墨烯的界面反应控制难度大,如何获得具有良好结合强度的石墨烯/钛界面是石墨烯增强钛基复合材料性能提升的基础与关键。本文在分析制约石墨烯增强钛基复合材料发展系列问题基础上,重点介绍石墨烯增强钛基复合材料微观组织、界面特征以及静态/动态力学性能、摩擦磨损、抗氧化性能和石墨烯强韧化机理等方面的研究进展,探讨现阶段解决石墨烯增强钛基复合材料分散均匀性、界面结合性和组织致密性的方案和优缺点,最后指出该类型材料在界面调控、大规模制备和性能稳定性等方面技术面临的挑战,并提出该类型材料发展应与理论计算技术、先进制备技术和特种功能应用相结合,深化界面优化设计和可控制备,拓宽应用领域。

功能梯度石墨烯增强复合材料旋转梁强迫振动

研究了功能梯度石墨烯增强复合材料(Functionally Graded-Graphene-Platelets-Reinforced Composite,FG-GPLRC)旋转梁的非线性强迫振动。首先采用修正Halpin-Tsai微观力学模型和混合理论得到FG-GPLRC的有效弹性模量;考虑旋转效应并引入von Kar man几何非线性假设,基于Hamilton原理建立了FG-GPLRC旋转梁的运动控制方程。然后使用Galerkin法和多尺度法求得主共振响应的渐近解析解。最后通过数值分析讨论了石墨烯片(GPLs)含量、分布方式及几何性质对旋转梁强迫振动行为的影响。结果表明:填充GPLs能够同时提高梁的线性刚度和非线性刚度,但两者对共振响应的影响是相反的,在耦合作用下梁的共振响应随着GPLs质量分数的增大而减小;旋转运动造成的离心刚化效应增加了线性刚度但不能改变非线性刚度,从而使共振响应增大。

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.

石墨烯增强铜基复合材料制备工艺及性能的研究进展

作为常用的金属材料,铜因强度较低而应用范围受限,石墨烯具有优异的综合性能,作为极具潜力的增强体而受到广泛关注。石墨烯增强铜基复合材料兼具了铜和石墨烯的优良性能而成为了重要的研究对象。介绍了石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺与综合性能,重点讨论了各种制备工艺的特点、强化机制、构型设计,总结了针对复合界面结合弱与石墨烯分散困难这2类主要技术难点的解决途径,最后对石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺进行了展望。

弹性边界功能梯度石墨烯增强薄壁圆柱壳的振动特性

基于一阶剪切变形理论、Halpin-Tsai微观力学模型和Rayleigh-Ritz法分析FG-GPLRC圆柱壳振动特性。为满足复杂的使役环境,引入人工弹簧技术,分析GPLs质量分数、分布模式和层数等参数对壳体结构振动特性的影响,探究弹性边界条件下周向波数、轴向半波数和固有频率之间的规律。研究结果表明,GPLs作为增强体可以显著提高基体的力学性能;分布模式对薄壁圆柱壳的固有频率有重要影响,GPL-X分布模式的固有频率最高;固有频率随层数的增加变化趋势减小。

海上风电钢管桩石墨烯增强保护层的力学性能

为了改善海上风电浪溅区钢管桩保护层的力学性能,设计了一种石墨烯光敏复合增强纤维高性能树脂复合带作为保护层的中间层,采用损伤理论并考虑冲击荷载和温度荷载的影响,建立了数值模型以研究该保护层的力学性能,并与中间层为环氧玻璃钢的保护层的力学性能进行了对比.结果表明:在相同冲击荷载作用下,石墨烯光敏复合增强纤维高性能树脂复合带发生损伤的临界荷载超过环氧玻璃钢的1.5倍;在相同温度下,石墨烯光敏复合增强纤维高性能树脂复合带中间层下表面的剪切应力不到环氧玻璃钢中间层的1/10.

石墨烯增强铝基SiC复合材料的动态失效机理与抗侵彻性能

研究石墨烯增强铝基复合材料的动态力学性能、失效机理以及抗侵彻性能.通过静、动态压缩测试掌握了材料在0.001～5 200.000 s^(-1)应变率范围内的力学性能,揭示了该材料的应变率效应,结合光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)分析了该材料在静、动态压缩下的断裂机理;通过弹道枪试验掌握了该材料与Q235钢面板层叠构成复合结构及12～18 mm厚Q235A钢板的弹道极限速度及极限比吸收能.试验结果表明,Q235A钢/石墨烯增强铝基复合结构的极限比吸收能是12～14 mm厚度范围Q235A钢板的1.79倍,34.10 mm厚石墨烯增强铝基SiC复合材料的极限比吸收能与16.70 mm厚Q235A钢相当.

石墨烯增强功能梯度材料板条的热弹性响应

研究了石墨烯增强功能梯度复合材料板条的热弹性问题。基于推广后的Mian和Spencer功能梯度板理论,在板厚度方向上考虑热传导引起的稳态温度场,沿板厚方向考虑了三种石墨烯纳米片的分布形式,最终给出了不同边界条件下石墨烯增强功能梯度板条在温度场作用下的解析解。通过算例分析验证了本文方法的有效性,并讨论了边界条件和石墨烯的分布形式等因素对板条热弹性响应的影响。计算结果表明:石墨烯增强功能梯度材料板条在温度场作用下的热响应与在机械力作用下的弹性响应有较大不同。

石墨烯增强铜基复合材料研究进展

为充分利用石墨烯的三维结构和优异的力学、导电及导热性能,推动石墨烯增强铜基复合材料的研究,综述了石墨烯增强铜基复合材料的制备方法,即粉末冶金法、电沉积法、化学合成法、化学气相沉积法。分析了石墨烯/铜复合材料性能的影响机理,以期制备出具有优异综合性能的新型复合材料。

石墨烯增强ZL205A铝合金机械凸轮轴的铸造工艺研究

采用不同浇注温度对石墨烯增强材料ZL205A铝合金凸轮轴进行了铸造,并对试样进行了冲击性能和耐磨损性能的测试与对比分析。结果表明:随浇注温度从660℃升温至780℃,试样的冲击性能和耐磨损性能呈现先增加后减小的变化。石墨烯增强材料机械凸轮轴的最佳浇注温度优选为740℃。

0.5%石墨烯增强铝基复合材料的热变形行为

在变形温度330450℃,应变速率0.0110s^(-1)条件下对0.5%(质量分数,下同)石墨烯增强铝基复合材料进行热压缩模拟试验,研究了该复合材料的热变形行为,基于流变数据建立了考虑应变补偿的本构方程,基于动态材料学模型构建了热加工图,确定了优化参数范围并选择一组优化参数进行了材料热挤压有限元模拟。结果表明:复合材料在不同热变形条件下的真应力-应变曲线均呈先上升再下降最后趋于平缓的特征,峰值应力随变形温度的升高或应变速率的减小而减小;复合材料的较优变形温度为410430℃,应变速率为0.010.016s^(-1),有限元模拟发现,在变形温度为420℃,应变速率为0.01s^(-1)条件下可以挤出质量较好的复合材料型材。

石墨烯增强铝基复合材料的锻造工艺研究

采用不同的锻造温度进行了石墨烯增强铝基复合材料的锻造,并进行了金相组织和耐磨损性能的测试与分析。结果表明:随始锻温度从410℃提高至500℃、终锻温度从340℃提高至400℃,石墨烯增强铝基复合材料内部的团聚现象先减轻后加重,磨损体积先减小后增大,耐磨损性能先提升后下降。当始锻温度470℃、终锻温度370℃时,石墨烯增强铝基复合材料的磨损体积为16×10^(-3)mm^3。当始锻温度为470℃时,其磨损体积较410℃锻造时减小了33%;当终锻温度为370℃时,其磨损体积较340℃锻造时减小了43%。

石墨烯增强铝基复合材料的制备及热变形研究

为了探究石墨烯增强铝基复合材料的制备工艺及其热变形行为,本文采用湿混球磨结合真空热压烧结法制备了0.5wt.%石墨烯增强铝基复合材料,并利用场发射扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪对其进行微观组织观察、成分和物相分析,用Gleeble 3800热模拟机对复合材料进行等温压缩试验,建立了材料的本构方程并分析其热变形机理。试验结果表明,采用粉末冶金法制备的石墨烯增强铝基复合材料,基体和增强相未发生明显的界面反应,在热变形过程中呈现稳态流变特征,其软化机制以动态回复为主。基于Arrhenius双曲正弦模型建立了该材料的本构方程,计算得到应力指数n=5.503765,表明材料的变形机制为位错攀移;热变激活能Q为130.43 kJ/mol,相比其他的碳基增强体(碳纳米管、碳纤维)更低,表明材料在热变形时克服变形抗力所需要的能量越低,则更易于复合材料的塑性成形加工。

撑杆用氧化石墨烯增强环氧树脂复合材料力学性能研究

采用简便的超声分散方法提高了氧化石墨烯(GO)在环氧树脂基体(EP)中的分散性,采用傅里叶红外光谱(FT-IR),X射线衍射仪(Xrd)表征了GO的成分,使用原子力显微镜(AFM)表征了GO的分散性,最后研究了GO含量对GO/EP复合材料力学性能的影响,并利用扫描电子显微镜(SEM)研究了GO的增强机理。结果表明:使用超声波探头可以将GO均匀分散在丙酮溶剂中,浓度可达2mg/mL。当GO含量为0.3wt%时,GO/EP复合材料的力学性能最佳,其中拉伸强度和冲击强度分别为71.24MPa和19.64kJ/m^2,分别提高了108%和151%。主要的增强机理是由于GO与环氧树脂基体中良好的粘结强度,使得GO可以承受更多的作用力,并从EP基体中传导,起到很好的吸收能量和分散力的作用。

石墨烯增强复合材料板的静态分析

将石墨烯片一致或随机地分布到基体中,形成石墨烯增强复合材料。基于考虑横向拉伸的位移场,利用哈密顿原理建立数学模型,对石墨烯增强复合材料板的弯曲行为进行分析。首先通过与已发表文献中板的自由振动频率一致性的比较,验证所建立数学模型与算法的正确性。在此基础上,对石墨烯含量、长宽比、长厚比、板的长宽比等对石墨烯的中心横向位移在厚度方向上变化的影响进行了探讨,并给出了相应的物理解释。

3D打印石墨烯增强复合材料研究进展

近年来,石墨烯优异的力学、热学性能以及大规模量产的可行性,使其成为了研究热点。将石墨烯作为增强相添加到金属、聚合物及陶瓷等材料中,有望提高复合材料的综合性能。针对复合材料性能优化的需求,各种用于制备石墨烯增强复合材料的制造方法应运而生。其中,3D打印技术兼具工艺灵活和制备的产品性能优异的优点,引起了学者的广泛关注。然而,石墨烯自身密度低、比表面积大且易团聚,对复合材料的力学性能会造成不利影响,且其与陶瓷或金属基体的润湿性差,无法形成良好的界面结合。因此,如何将石墨烯均匀分散于复合材料中一直是学者们的研究重点,目前开发的分散方法有溶液混合法、熔体混合法、原位混合法和机械球磨法等。其中,将石墨烯分散于金属基粉体或陶瓷基粉体中的方法主要有溶液混合和机械球磨,石墨烯均匀分散于基体中不仅能提高复合材料的力学性能,还能改善其与基体的界面结合。研究较多的石墨烯增强聚合物复合材料混合方法主要有溶液混合、熔体混合和原位混合等,利用上述方法得到的三维样品力学性能、导热和导电性能均有较大提升,且应用于生物医学或储能领域表现出良好的生物或电学性能。本文从金属基复合材料、聚合物基复合材料及陶瓷基复合材料三个方面综述了3D打印石墨烯增强复合材料的研究进展,从制粉和成形两个角度详细阐述了石墨烯增强复合材料在3D打印方面的应用。期待未来石墨烯增强复合材料可以广泛应用于能源器件、生物支架及航天航空等领域,为材料的研究拓展更广阔的空间。