簾線增強橡膠復合材料的界面力學特性研究結題摘要

簾線增強橡膠復合材料廣泛應用于輪胎及各種緩沖結構中，更好地了解界面性能并進行界面優(yōu)化設計對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力設計，當熱殘余應力存在時，那么增強相就不再是中性的。研究表明可以通過控制熱殘余應力來設計界面參數(shù)使增強相保持中性。在最近提出的等剛度桿結構界面研究基礎上本研究發(fā)展了一種非等剛度桿構成的桁架結構界面模型。根據(jù)中性夾雜的概念，采用節(jié)點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。對于簾線增強橡膠材料，等效桿的剛度只與橡膠材料模量相關，而與簾線無關。與等剛度桿結構界面相比，非等剛度桿構成的桁架結構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計。建立了簾線增強橡膠材料三維非線性有限元分析模型，分析了簾線結構對界面及復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)分析等試驗方法對簾線增強橡膠材料界面特性進行了表征研究。結果表明，加載速率對簾線在橡膠基體中滑移特征有較明顯影響。結合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度。本項研究豐富了橡膠復合材料界面性能研究。

簾線增強橡膠復合材料廣泛應用于輪胎及各種緩沖結構中，它的界面性能極大地影響橡膠復合材料制品的使用性和耐久性，開展界面性能研究對于改善和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。簾線增強橡膠材料不同于傳統(tǒng)的樹脂基復合材料，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問題變得非常復雜。本申請擬以單向簾線增強橡膠材料為對象，通過對界面細觀結構的表征和分析，建立界面結構的桁架結構分析模型，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學有限變形理論建立非線性邊值問題。采用節(jié)點平均化的方法描述桁架結構與周圍介質(zhì)的接觸，數(shù)值計算確定應力、應變場和位移場?；诙喑叨染鶆蚧椒?，確定材料等效彈性性能，并與試驗結果相互驗證。通過簾線增強橡膠材料界面參數(shù)、簾線結構特征等因素與宏觀力學特性的關聯(lián)研究，揭示界面細觀結構對柔性復合材料性能影響規(guī)律，建立界面參數(shù)的優(yōu)化準則，為界面設計與新材料開發(fā)提供理論依據(jù)。

碳纖維增強鋁基復合材料是一種重要的復合材料，因具有輕質(zhì)、高強、良好的塑性和導熱性，被認為是理想的功能材料和結構材料，可廣泛應用于航天航空、軍事和汽車工業(yè)等領域。碳纖維與鋁基體的界面結合問題是碳纖維增強鋁基復合材料制備過程中最重要也是最難控制的環(huán)節(jié)。本項目以碳纖維布增強鋁基復合材料為研究對象，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、界面形貌及反應產(chǎn)物，研究電磁場、壓力場及表面處理對界面行為的影響機制，研究固態(tài)變形過程中界面結構的協(xié)同變形機制。掌握碳纖維與鋁基體結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和動力學機制。在此基礎上，解決鋁熔體對碳纖維布的浸滲問題，并實現(xiàn)控制碳纖維與鋁基體的結合反應過程，為研究碳纖維增強鋁基復合材料的制備方法提供理論指導。

碳纖維增強鋁基復合材料因具有輕質(zhì)、高強、良好的塑性和導熱性等特點，被認為是理想的功能材料和結構材料，有望應用于航天航空、軍事和汽車工業(yè)等領域。本項目以碳纖維編制布增強鋁基復合材料為研究對象，研究碳纖維與基體結合過程中的界面反應行為，以及凝固過程中鍍層工藝和外場對界面行為的影響，為碳纖維增強鋁基復合材料的制備方法提供理論指導。本項目經(jīng)過三年研究，取得如下結果： 1、提出一種半固態(tài)鑄軋法制備碳纖維布增強鋁基復合材料的工藝，利用壓力場促使鋁基體和碳纖維編織布的界面結合。借助模擬計算建立了溫度參數(shù)和塑性變形量間的關系，闡釋變形機制。通過調(diào)控外加壓力和金屬流動性，實現(xiàn)了鋁熔體對碳纖維布的完全滲進。碳纖維編織布增強鋁基復合材料板材能夠在彎曲變形中提供良好的強化效果。 2、得到基體和纖維的滲進規(guī)律，闡釋電磁誘導的滲浸轉變機制。在液態(tài)復合過程中引入脈沖磁場，實現(xiàn)了金屬熔體對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變。電磁場引入的磁致壓力促進增加熔體滲浸深度。以此為基礎實現(xiàn)了電磁鑄造法制備碳纖維布增強鋁基復合材料。 3、設計針對平紋碳纖維編織布的表面鍍層新工藝。在傳統(tǒng)化學鍍層的工藝基礎上，優(yōu)化了一種針對于平紋碳纖維編織布特點的表面化學鍍鎳方法，將鍍液的穩(wěn)定時間延長至 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，設計了膠態(tài)鈀鍍液化學鍍鎳工藝和碳纖維表面接枝短鏈羧酸銅的工藝。不僅簡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)對鋼筋和FRP筋各自不足的研究，提出FRP包覆筋增強混凝土新結構。本項研究對包覆筋從微結構設計到界面強度表征到整體結構力學特性，進行系統(tǒng)的理論分析、數(shù)值計算和實驗測試，提出可用于工程的設計準則以及給出相應的力學性能參數(shù)。此項研究充分運用復合材料理論知識和工藝水平，為使FRP能夠廣泛應用于工程結構提供理論和技術基礎。 2100433B