簾線增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料的界面力學(xué)特性研究

簾線增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于輪胎及各種緩沖結(jié)構(gòu)中，更好地了解界面性能并進(jìn)行界面優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)改善制品性能具有重要意義。根據(jù)非理想界面條件，利用Kolosov常數(shù)，獲得了橫觀各向同性材料中滿足中性條件的界面參數(shù)。如果界面性能是按照一般不考慮熱殘余應(yīng)力設(shè)計(jì)，當(dāng)熱殘余應(yīng)力存在時(shí)，那么增強(qiáng)相就不再是中性的。研究表明可以通過控制熱殘余應(yīng)力來設(shè)計(jì)界面參數(shù)使增強(qiáng)相保持中性。在最近提出的等剛度桿結(jié)構(gòu)界面研究基礎(chǔ)上本研究發(fā)展了一種非等剛度桿構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu)界面模型。根據(jù)中性夾雜的概念，采用節(jié)點(diǎn)平均化的方法研究了界面剛度方法。研究表明，在等雙軸拉伸特殊載荷條件下所有桿是等剛度的。對(duì)于簾線增強(qiáng)橡膠材料，等效桿的剛度只與橡膠材料模量相關(guān)，而與簾線無關(guān)。與等剛度桿結(jié)構(gòu)界面相比，非等剛度桿構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu)界面模型更適于表征多組分材料界面，而且更易于用于界面性能設(shè)計(jì)。建立了簾線增強(qiáng)橡膠材料三維非線性有限元分析模型，分析了簾線結(jié)構(gòu)對(duì)界面及復(fù)合材料性能的影響規(guī)律。利用簾線H-拔出、掃描電鏡(SEM)分析和表面光電子能譜(XPS)分析等試驗(yàn)方法對(duì)簾線增強(qiáng)橡膠材料界面特性進(jìn)行了表征研究。結(jié)果表明，加載速率對(duì)簾線在橡膠基體中滑移特征有較明顯影響。結(jié)合XPS分析說明了尼龍簾線經(jīng)過偶聯(lián)劑處理后可顯著提高界面粘接強(qiáng)度。本項(xiàng)研究豐富了橡膠復(fù)合材料界面性能研究。

簾線增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于輪胎及各種緩沖結(jié)構(gòu)中，它的界面性能極大地影響橡膠復(fù)合材料制品的使用性和耐久性，開展界面性能研究對(duì)于改善和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。簾線增強(qiáng)橡膠材料不同于傳統(tǒng)的樹脂基復(fù)合材料，橡膠基體具有幾乎不可壓縮性和大變形非線性特性，而簾線又具有拉扭耦合特征，這使得其中的界面力學(xué)問題變得非常復(fù)雜。本申請(qǐng)擬以單向簾線增強(qiáng)橡膠材料為對(duì)象，通過對(duì)界面細(xì)觀結(jié)構(gòu)的表征和分析，建立界面結(jié)構(gòu)的桁架結(jié)構(gòu)分析模型，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)有限變形理論建立非線性邊值問題。采用節(jié)點(diǎn)平均化的方法描述桁架結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)的接觸，數(shù)值計(jì)算確定應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)和位移場(chǎng)?；诙喑叨染鶆蚧椒?，確定材料等效彈性性能，并與試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證。通過簾線增強(qiáng)橡膠材料界面參數(shù)、簾線結(jié)構(gòu)特征等因素與宏觀力學(xué)特性的關(guān)聯(lián)研究，揭示界面細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)柔性復(fù)合材料性能影響規(guī)律，建立界面參數(shù)的優(yōu)化準(zhǔn)則，為界面設(shè)計(jì)與新材料開發(fā)提供理論依據(jù)。

碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是一種重要的復(fù)合材料，因具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、良好的塑性和導(dǎo)熱性，被認(rèn)為是理想的功能材料和結(jié)構(gòu)材料，可廣泛應(yīng)用于航天航空、軍事和汽車工業(yè)等領(lǐng)域。碳纖維與鋁基體的界面結(jié)合問題是碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備過程中最重要也是最難控制的環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目以碳纖維布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為研究對(duì)象，研究碳纖維布與鋁基體凝固過程及塑性變形階段的界面行為。利用同步輻射原位成像、數(shù)值模擬、高分辨透射電鏡等手段表征凝固過程中碳纖維與鋁基體的界面反應(yīng)、界面形貌及反應(yīng)產(chǎn)物，研究電磁場(chǎng)、壓力場(chǎng)及表面處理對(duì)界面行為的影響機(jī)制，研究固態(tài)變形過程中界面結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形機(jī)制。掌握碳纖維與鋁基體結(jié)合過程中界面的形成和演變規(guī)律，并深入闡釋界面形成的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，解決鋁熔體對(duì)碳纖維布的浸滲問題，并實(shí)現(xiàn)控制碳纖維與鋁基體的結(jié)合反應(yīng)過程，為研究碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法提供理論指導(dǎo)。

碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、良好的塑性和導(dǎo)熱性等特點(diǎn)，被認(rèn)為是理想的功能材料和結(jié)構(gòu)材料，有望應(yīng)用于航天航空、軍事和汽車工業(yè)等領(lǐng)域。本項(xiàng)目以碳纖維編制布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為研究對(duì)象，研究碳纖維與基體結(jié)合過程中的界面反應(yīng)行為，以及凝固過程中鍍層工藝和外場(chǎng)對(duì)界面行為的影響，為碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法提供理論指導(dǎo)。本項(xiàng)目經(jīng)過三年研究，取得如下結(jié)果： 1、提出一種半固態(tài)鑄軋法制備碳纖維布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的工藝，利用壓力場(chǎng)促使鋁基體和碳纖維編織布的界面結(jié)合。借助模擬計(jì)算建立了溫度參數(shù)和塑性變形量間的關(guān)系，闡釋變形機(jī)制。通過調(diào)控外加壓力和金屬流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)了鋁熔體對(duì)碳纖維布的完全滲進(jìn)。碳纖維編織布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料板材能夠在彎曲變形中提供良好的強(qiáng)化效果。 2、得到基體和纖維的滲進(jìn)規(guī)律，闡釋電磁誘導(dǎo)的滲浸轉(zhuǎn)變機(jī)制。在液態(tài)復(fù)合過程中引入脈沖磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了金屬熔體對(duì)編織布的滲浸過程由逐層滲浸方式向梯度同步滲浸方式轉(zhuǎn)變。電磁場(chǎng)引入的磁致壓力促進(jìn)增加熔體滲浸深度。以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了電磁鑄造法制備碳纖維布增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。 3、設(shè)計(jì)針對(duì)平紋碳纖維編織布的表面鍍層新工藝。在傳統(tǒng)化學(xué)鍍層的工藝基礎(chǔ)上，優(yōu)化了一種針對(duì)于平紋碳纖維編織布特點(diǎn)的表面化學(xué)鍍鎳方法，將鍍液的穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)至 120min以上，鍍層的含磷量降低至9wt.%。并通過開發(fā)新的氧化劑體系，設(shè)計(jì)了膠態(tài)鈀鍍液化學(xué)鍍鎳工藝和碳纖維表面接枝短鏈羧酸銅的工藝。不僅簡(jiǎn)化了原有的鍍層工藝，大幅降低了成本，更提升了鍍層的均勻性與穩(wěn)定性。

依據(jù)對(duì)鋼筋和FRP筋各自不足的研究，提出FRP包覆筋增強(qiáng)混凝土新結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)研究對(duì)包覆筋從微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到界面強(qiáng)度表征到整體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，提出可用于工程的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及給出相應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)。此項(xiàng)研究充分運(yùn)用復(fù)合材料理論知識(shí)和工藝水平，為使FRP能夠廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 2100433B