先进复合材料研究现状及其在机载武器上的应用展望

材料技术是武器装备更新换代的物质基础,先进复合材料具有轻质、高强、可设计、耐腐蚀、耐高温等优点,将其应用于机载武器的结构中可获得优异的减重效果。本文根据机载武器的服役要求,综述了航空航天用热固性复合材料、热塑性复合材料和陶瓷基复合材料的研究进展及应用现状,并对其在机载武器上的应用前景进行了展望。

高校新型科研机构大型仪器设备管理与共享“1+3”模式探究

学科交叉融合的新型科研机构是高校服务国家重大战略、开展高水平前沿交叉研究、培养高素质复合型人才的重要力量,大型仪器设备是其建设水平和科研实力的重要标志。然而,其大型仪器设备管理尚处于初期探索阶段,维护、共享和激励等方面的机制建设尚不完善。新型科研机构如何统筹管理和高效利用大型仪器设备,对机构自身及学校的科研产出和“双一流”学科建设至关重要。针对新型科研机构大型仪器设备管理与运行中存在的主要问题,通过建立“1+3”(1个核心工作小组+三级平台)的管理模式,并在体制机制、队伍建设、信息化建设等方面积极探索和有益实践,有效提升了开放共享水平,支撑了实验室科学研究。

高性能热塑性复合材料在直升机结构上的应用与展望

高性能热塑性复合材料具有高韧性、优异的抗冲击损伤性能及较佳的抗疲劳性能,特别适用于以起落架、尾段、桨毂中央件及传动轴等为代表的直升机高损伤阻抗、高抗疲劳及弹击损伤容限设计需求特定结构部位。高性能热塑性复合材料在国外直升机上的应用正从实现关键层板结构部位全面应用拓展至复合材料夹层结构部位,并大量采用原位自动纤维铺放(automated fiber placement,AFP)等自动化、低成本制造技术和虚拟实验等低成本验证技术,受限于国产热塑性复合材料技术成熟度较低和新研复合材料体系传统积木式方法应用验证的高昂成本及漫长周期,国内直升机热塑性复合材料应用尚处于起步阶段,未来需要重点解决国产热塑性复合材料的性能稳定性及一致性以及在此基础之上的低成本自动化制造工艺、配套低密度耐高温芯材及高效率高置信度虚拟认证技术。

石墨烯基复合水凝胶的制备及其在海水脱盐净化中的应用

利用一步化学还原法将二硫化钼(MoS_(2))纳米花嵌入石墨烯中,制得一种多孔的光热复合水凝胶,即二硫化钼夹层石墨烯水凝胶,其与人工蒸腾装置相结合用于构筑太阳能驱动的界面水蒸发体系。通过扫描电镜、透射电镜、X射线粉末衍射仪、紫外可见-近红外分光光度计及红外热像仪测试材料的形貌和理化性能,并将复合水凝胶置于模拟太阳光下进行水蒸发及脱盐试验。结果表明:MoS_(2)能稳定分散在石墨烯纳米片中,且二者的结合有助于增强材料的光热性能。结合人工蒸腾装置的特殊热定位和快速补水优势,该光热体系能够实现水的快速蒸发,在3.6 kW/m^(2)光照下水蒸发速率(15.6 kg·m^(2)/h)约为自然蒸发的33倍,并且复合水凝胶具有良好的稳定性和高效的脱盐效果,具有清洁水生产的应用前景。

高性能热塑性复合材料在航空发动机短舱上的应用

高性能热塑性复合材料具有高韧性、高耐温性、良好的抗疲劳和耐腐蚀性,以及可回收再利用的独特优势,近年来在大型民航飞机、直升机、发动机等航空领域均取得广泛的研究和应用。随着航空发动机不断追求更高推重比,对新材料的需求更为迫切,热塑性复合材料以其独特的性能优势成为制造航空发动机短舱结构的理想材料。介绍了国外高性能热塑性复合材料预浸料研发、先进制造工艺的发展现状及其在航空发动机短舱结构上的应用情况。同时,对比了国内热塑性树脂性能、预浸料制备工艺以及复合材料成型工艺方面与国外存在的差距。

内埋FBG传感器复合材料加筋板的固化过程及准静态压缩监测

将布拉格光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感器埋植在纤维增强树脂基复合材料加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板的固化过程与准静态压缩过程。结果表明,埋植FBG传感器的加筋板和未埋值FBG传感器的加筋板,其压缩破坏载荷基本相当。同时,内埋于复合材料加筋板三角填充区的FBG传感器可以有效监测复合材料加筋板固化过程的应变变化,固化后亦可用于实时监测结构中产生的温度和应变变化。在准静态压缩过程中,FBG传感器测得的应变值变化曲线与接触力-压头位移曲线变化趋势基本一致。FBG传感器可在不影响结构性能前提下,准确地响应复合材料加筋板在受载条件下出现的分层、开裂等损伤。

三维角联锁机织铺层复合材料的拉伸性能与失效机制

采用树脂传递模塑(Resin transfer molding,RTM)工艺方法制备了三维角联锁机织铺层复合材料,着重探讨了单层厚度对复合材料拉伸性能以及失效机制的影响。结果表明,复合材料的拉伸强度随着单层厚度的增大而显著增加,纤维体积含量相同时单层厚度对拉伸模量影响较小;在拉伸断裂过程中,各层断裂不同步,单层厚度的增加会加深各单层之间破坏应变的差异;失效试样分层现象显著,单层内未出现明显裂纹,经纱脆性断裂显著,层间伴随着大量基体碎屑,失效模式主要涵盖了纤维断裂和抽拔、界面脱黏、基体开裂以及分层。

高强高模聚酰亚胺纤维/环氧树脂复合材料力学性能与破坏机制

以高强高模聚酰亚胺(PI)纤维为增强体,以航空级环氧树脂(EP)为基体,通过热熔法制备预浸料并采用热压罐成型技术制备了PI/EP复合材料层合板,对其力学性能和破坏形貌进行了分析。结果表明:高强高模PI纤维与EP具有良好的界面结合力,PI/EP复合材料的层间剪切强度为65.2MPa,面内剪切强度为68.6MPa;良好的界面结合状态能充分发挥PI纤维优异的力学性能,PI/EP复合材料的纵向拉伸强度达1 835MPa,弯曲强度为834MPa;PI/EP复合材料纵向拉伸破坏模式为散丝爆炸破坏,同时由于高强高模PI纤维还具有优异的韧性和较高的断裂伸长率,PI/EP复合材料从受力到失效断裂的时间较长;PI/EP复合材料纵向压缩破坏模式为45°折曲带破坏。高强高模PI/EP复合材料为航空航天先进复合材料增加了一个全新的选材方案。

高强高模聚酰亚胺纤维/改性氰酸酯树脂复合材料制备及性能

以4,5-环氧己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯(TDE-85)、苯基缩水甘油醚(PGE)、壬基酚(NP)作为改性剂改性双酚A氰酸酯(BCE)得到改性氰酸酯树脂(TPNCE),通过湿法缠绕制备预浸料,并采用热压罐成型工艺制备S30M型高强高模聚酰亚胺纤维/TPNCE(PI/TPNCE)复合材料,对TPNCE树脂及PI/TPNCE复合材料的介电、力学等性能进行了分析。结果表明,TPNCE树脂冲击强度达到14.2kJ/m2,比BCE提高近一倍,固化温度下降了约43℃,与PI纤维界面结合较好,且保持较低的介电常数和介电损耗;PI/TPNCE复合材料0°拉伸强度达到1 485MPa,弯曲强度达到758MPa,压缩强度达到322MPa,7~18GHz范围内介电常数保持在3.15左右,介电损耗因子在0.005~0.0075之间,玻璃化转变温度为197℃,密度为1.28g/cm3。本研究实现了高强高模PI纤维与氰酸酯树脂复合的重要突破,为轻质高强结构-功能一体化复合材料的设计和选材提供了新思路。

激光炭化制备功能化PI织物及其压阻传感性能研究

以聚酰亚胺(PI)织物为基底,采用激光直写炭化法(DLWc)对织物进行刻画,制备具有不同形状和炭化程度的石墨烯/PI织物,并以石墨烯/PI织物制备不同类型的压阻传感器;探讨了激光功率和激光束扫描速度对石墨烯/PI织物导电性的影响,以及压阻传感器的压阻传感能力。结果表明:在激光功率为7 W、激光束扫描速度为150 mm/s的条件下,石墨烯/PI织物具有良好的导电性,电阻可达5Ω左右,且能够保持PI织物原本的力学性能;制备的应力传感器具有良好的压阻传感性能,应变灵敏系数为4.51×10^(-7) Pa^(-1),响应时间达50 ms,其他类型传感器如肘部弯曲-回复循环传感器、指关节不同角度弯曲传感器和双层梳型交叉结构传感器在循环测试中均表现出良好压阻传感性能,并具有良好的稳定性与重复性,且在100℃高温下仍能维持其良好的传感性能。

基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测

针对碳纤维增强树脂复合材料低速冲击损伤的实时监测,设计将布拉格光纤光栅(FBG)传感器埋植在复合材料T型加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板冲击损伤过程。分别将FBG传感器埋植于复合材料层合板内部和复合材料T型加筋板的三角填充区,对比FBG传感器的埋入对复合材料层合板和复合材料T型加筋板力学性能的影响。结果表明,内埋FBG传感器的复合材料层合板试样的拉伸强度比未埋植传感器的层合板试样降低了约5%,但在FBG传感器的破坏应变范围内,FBG传感器可以准确、实时地监测复合材料的应变信号。将FBG传感器埋入复合材料T型加筋板的三角填充区,内埋FBG传感器的T型加筋板样件压缩破坏载荷与未埋植的样件基本一致。通过对比T型加筋板蒙皮上冲击位置、冲击能量对FBG传感器测得的冲击过程持续时间和最大应变值的影响,表明冲击过程持续时间随着冲击能量增大而延长,最大应变值随着冲击距离的增加呈下降趋势,而最大应变值随着冲击能量的增大呈上升趋势。利用FBG传感器测得的应变信号可初步实现对复合材料T型加筋板蒙皮冲击损伤位置及冲击能量的实时监测。

相对分子质量对含多巴胺氢键薄膜的组装行为和结构的影响

以多巴胺改性的聚丙烯酸(PAA-dopa)和聚乙烯基吡咯烷酮(PVPON)为组装物,在氢键作用下,通过层层组装技术成功制备了PVPON/PAA-dopa薄膜。其中,PAA-dopa和PVPON分别作为氢键给体和受体,PAA-dopa上的羧基和酚羟基均可与PVPON上的羰基形成氢键,并研究了组装物相对分子质量对组装行为的影响。结果表明:具有较低相对分子质量的PAA-dopa以较舒张的链构象参与组装,与PVPON组装可获得较为光滑的薄膜;随着PAA相对分子质量的增大,PAA-dopa分子内氢键作用增强,以紧密的链构象参与组装,形成疏松粗糙的薄膜,薄膜厚度随之增大;而不同相对分子质量的PVPON与PAA-dopa进行层层组装均可获得结构规整且表面光滑的薄膜;随着相对分子质量的增大,PVPON分子链移动性减弱,薄膜的厚度逐渐降低。

静电喷雾法/原位洗脱法结合制备电致变色薄膜

电致变色材料在提倡低碳节能的发展理念下有很好的发展前景,而探索一种高效简单且性能优异的制备工艺尤为重要。利用静电喷雾法结合原位洗脱法制备了聚合物电致变色薄膜。根据电解质盐的颜色适配性和溶解性,选择四丁基高氯酸铵(TBAP)作为模板剂,在易加工的TPA-OMe-PA溶液中添加不同比例的电解质盐,然后利用静电喷雾技术在ITO玻璃表面沉积制备薄膜,再通过原位洗脱法去除其中的模板剂-电解质盐,最终制备出含有多层级孔结构的聚合物薄膜。采用电子扫描显微镜对其形貌进行分析,利用电化学工作站结合紫外/可见/红外光谱仪研究了薄膜的电致变色性能。研究结果表明,利用静电喷雾技术与原位洗脱法制备的聚合物薄膜具备多层级孔结构和良好的电致变色性能。其中电解质含量为33.3%(质量分数)时,多层级孔隙率最高,且电致变色性能最为优异,漂白时间/着色时间缩减至0.6 s/1 s,着色效率达到608.2 cm^(2)·C^(-1),为已报道基于相同材料的电致变色薄膜的最快响应速度。

可交联型两性双亲分子的合成及其溶致液晶相结构的研究

本文报道了一种可交联型的两性双亲分子的设计及合成路线,并进一步探究了其溶致液晶相态。以1,10-二溴代癸烷、丙二酸二乙酯为原料,在液晶分子烷基链末端引入两个可聚合甲基丙烯酸酯基官能团,再通过与1,3-丙烷磺酸内酯的季铵化反应合成了可聚合型两性离子液晶基元。通过核磁共振波谱(NMR)确定合成目标产物的化学结构。运用偏光显微镜(POM)表征并分析了该分子在水中的溶致液晶相行为。根据临界堆积参数(Critical Packing Parameter)推测,该分子临界堆积参数CPP介于1/2~1之间,与水共混自组装易于形成层状相。

基于液晶有序结构的高性能纳滤膜的制备

纳滤膜是一种高效的膜分离技术,在整个膜工业领域占据重要地位。研发拥有高度有序水通道结构的纳滤膜,可以针对特定的分离应用,利用既定的纳米结构性质实现需要的分离效果。然而,传统的纳滤膜的性能受限于膜材料、制膜方法,无法精确构建水通道。利用液晶自组装的有序结构来制备高效的聚合物纳滤膜是一种行之有效的策略。各种不同的液晶相态可以用作精确调节纳米结构的模板,并通过灵活地改变其结构及形态,为下一代纳滤膜的研发提供了一种高度可控的制作平台。目前,基于液晶自组装的分离膜的分离尺度在1~2 nm的范围内。我们从两个方面评述了实现制备基于液晶材料的高性能纳滤膜的基本条件。从不同液晶相态的设计原理开始,首先讨论了不同纳米结构在实际传递作用中的固有性质。随后,对近期以薄膜复合膜的形式制作的液晶纳滤膜的报道进行了总结,分析了这些薄膜的性能局限性,为适应更广泛的分离引用,对目前液晶材料的设计理念提出了合理的改进措施。

PdCu/介孔石墨烯纳米片的制备及电催化性能

铂(Pt)及铂基材料是改善氧还原反应(ORR)和甲醇氧化反应(MOR)中动力学的高效催化剂,但Pt的低储量和高成本限制了其大规模应用,设计新型的无Pt高效电催化剂被认为是开发商业化燃料电池的核心挑战。采用MCM-22分子筛为硬模板,蔗糖为碳源,制备出介孔石墨烯纳米片(MGN),并且采用简单的化学还原法将小尺寸的PdCu合金纳米粒子稳定负载在碳载体MGN上形成Pd3Cu/MGN催化剂。Pd3Cu/MGN具有由超薄纳米片交织而成的3D多孔网络结构,其具有高的比表面积。由于其中分散的小尺寸合金和分子筛模板的多孔碳结构的协同作用,该Pd3Cu/MGN催化剂在MOR中表现出良好的催化活性,其中质量活性为1.19 A/mgPd,是商业Pd/C催化剂的2.76倍。另外,该Pd3Cu/MGN催化剂也表现出优异的ORR活性,其起始电位为-79 mV(vs Ag/AgCl),高于商业Pd/C催化剂(-113 mV vs Ag/AgCl),并且在ORR反应中H2O2产率更低。Pd3Cu/MGN催化剂是一种高效,稳定的双功能催化剂,也为合成具有小尺寸的金属合金纳米晶体提供了一种有价值的策略。

含磷聚芳醚酮-双马来酰亚胺树脂(PAEK-P-BMI)及碳纤维/PAEK-P-BMI复合材料

为提高树脂传递模塑(RTM)复合材料的整体韧性,结合"离位"复合增韧技术和RTM制造技术,应用新型热塑性含磷聚芳醚酮(PAEK-P)对碳纤维/双马来酰亚胺树脂(CF/BMI)复合材料进行增韧改性,研究了PAEK-P-BMI复合树脂的流变性能、分相行为及PAEK-P对CF/BMI复合材料韧性的影响。结果表明,分子链的刚性结构使PAEK-P具有高的耐热性,玻璃化转变温度达到268.8℃,PAEK-P在BMI树脂中的溶解性较差,PAEK-P-BMI复合树脂凝胶时间和黏度急增拐点时间受PAEK-P含量的影响很小;PAEK-P-BMI复合树脂在110℃/300 min条件下未出现相分离,但在后期的高温固化过程形成了分相结构,并在CF/PAEK-PBMI复合材料中保持了分相形貌;与CF/BMI复合材料相比,CF/PAEK-P-BMI复合材料的冲击后损伤投影面积降低了69%,冲击后压缩强度提高了16.6%,冲击凹坑深度减小了34.4%。

湿度对高分子氢键复合物纤维力学行为的影响

高分子复合物具有刺激响应特性,随环境变化表现出结构或性能转变.以聚丙烯酸(PAA)作为氢键给体,分别以聚乙烯吡咯烷酮(PVPON)、聚2-乙基-2-唑啉(PEOX)和聚环氧乙烷(PEO)作为受体,制备了3种氢键复合物纤维. 3种纤维的力学性能都随湿度变化而变化,且对湿度的依赖性与高分子氢键复合强度相关.通过动态力学测试,利用时间-湿度叠加方法构建了高分子氢键复合物纤维的模量-频率主曲线,呈现了较宽时间范围内的力学松弛现象.为湿度响应的高分子复合物材料的开发及应用提供指导与支持.

熔融共混加工过程中的酰胺交换反应

聚酰胺(Polyamide, PA)是应用最广的工程塑料之一。不同类型聚酰胺的加工及耐热吸湿等诸多性能存在较大差异,为进一步改善聚酰胺材料的综合性能并降低成本,熔融共混是最基本的方法。熔融共混时受高温和机械力场的影响,酰胺键打开重新排列发生交换反应,均聚物转化为共聚物,导致高分子链结构、结晶结构和更高层次的聚集态结构发生变化,材料强度、模量、韧性、热变形、吸湿等性能发生变化,从而满足特定应用场景需求。本文对熔融共混加工过程酰胺交换反应的研究进行归纳总结,介绍了酰胺交换反应的分析表征手段、具体的研究体系以及促进和抑制交换反应的方法。此外,对聚酰胺与聚酯、聚氨酯等其他高分子材料的交换反应也简要对比讨论。最后对利用酰胺交换反应及动态化学原理设计和制备高分子材料进行展望分析。

含三苯胺结构聚酰(亚)胺电致变色/电控荧光双功能材料的研究进展

电致变色/电控荧光双功能聚酰(亚)胺作为新兴发展的光学显示材料具有广阔的应用前景,但由于传统的聚酰(亚)胺溶解性较差以及荧光的高度环境敏感性,限制了此类材料的进一步应用。本文结合本课题组的研究工作和国内外其他研究团队具有代表性的工作,分析总结了近几年用于电致变色/电控荧光的含三苯胺结构二胺单体以及对应的聚酰(亚)胺,分析了聚合物分子结构与电致变色/电控荧光性能之间的关系,重点讨论了三苯胺结构在聚合物结构设计中的重要作用。着重讨论了电活性氮原子的数目、电活性氮原子在聚合物链中的位置、荧光团的数目和位置对电致变色/电控荧光双功能材料性能的影响,希望能为制备高性能的电致变色/电控荧光双功能材料提供借鉴。