炭黑颗粒填充橡胶复合材料界面脱粘数值分析

利用双线性内聚力模型对炭黑颗粒填充橡胶复合材料的界面脱粘现象进行模拟仿真.应用数值分析方法,以基于内聚力模型的界面单元来构建界面相,研究了不同炭黑颗粒形状、炭黑弹性模量、炭黑体积分数和最大界面粘结强度对炭黑颗粒填充橡胶复合材料界面脱粘过程的影响.模拟结果表明:光滑的颗粒表面,较小的弹性模量,减小炭黑体积分数以及增大界面粘结强度,能够避免界面脱粘现象过早发生.     

PBX炸药有效弹性模量的有限元模拟

采用代表体积元法,建立了炸药颗粒圆形随机分布和六边形规则分布细观力学模型,通过ANSYS有限元软件对PBX炸药的有效弹性模量进行了计算,计算结果和实验结果吻合较好.计算分析了炸药颗粒的性质、体积分数、形状和级配以及黏结剂性质等因素对PBX炸药有效弹性模量的影响.结果表明,炸药颗粒形状和分布方式对PBX炸药的有效弹性模量影响较小;颗粒级配对PBX炸药的有效弹性模量影响较大.PBX炸药的有效弹性模量随炸药颗粒体积分数以及弹性模量的增加而增大,在炸药颗粒体积分数较高时,炸药颗粒性质对PBX炸药有效弹性模量的影响较明显.黏结剂的体积分数虽然很少,但黏结剂的弹性模量对PBX炸药有效弹性模量的影响较大.     

HAF/NR复合材料中填料/基体界面相互

采用含有吡啶官能团的分子对高耐磨炭黑粒子(HAF)原位接枝改性调控填料/基体界面相互作用.采用Ayala参数定量计算填料/基体界面相互作用,研究了界面相互作用对天然橡胶(NR)补强性能的影响.复合材料的拉伸应力-应变曲线表明,填充接枝炭黑的复合材料具有更高的力学性能,其原因是炭黑接枝增强了填料-基体界面相互作用,削弱了填料-填料相互作用.     

HAF/NR复合材料中填料/基体界面相互作用的控制及其对橡胶补强的影响

采用含有吡啶官能团的分子对高耐磨炭黑粒子（HAF）原位接枝改性调控填料/基体界面相互作用。采用Ayala参数定量计算填料/基体界面相互作用,研究了界面相互作用对天然橡胶（NR）补强性能的影响。复合材料的拉伸应力-应变曲线表明,填充接枝炭黑的复合材料具有更高的力学性能,其原因是炭黑接枝增强了填料-基体界面相互作用,削弱了填料-填料相互作用。     

柔性触觉传感器用力敏导电橡胶力学灵敏度研究

以炭黑(CB3100)为导电相,硅橡胶为基质制备导电复合材料.研究了基于力敏导电橡胶的柔性触觉传感器灵敏度随复合材料的填料用量,不同种类填料并用而变化的特性.对材料的弹性形变、炭黑和填料并用的网络化进行了分析.通过实验,获得了在不同填料配比下的力敏导电橡胶的横向和纵向力灵敏度,渗流区不同位置下的灵敏度.实验表明,当炭黑(8%)和SiO2(27‰)并用时,复合材料电阻刚好处于渗流区的高阻态端,弹性模量较低,力学灵敏度高.采用体压阻效应与界面压阻效应相结合的方式制作柔性触觉传感器可获得较高力灵敏度.     

芳纶短纤维增强橡胶复合材料界面力学性能表征及有限元模拟

基于Python-ABAQUS二次开发,考虑芳纶纤维与橡胶基体之间的非理想界面,生成了随机芳纶短纤维增强橡胶复合材料的二维代表体积单元.对芳纶短纤维增强橡胶复合材料(aramid fiber-reinforced rubber composite, AFRC)数值模型施加周期性边界条件进行仿真分析,并结合单轴拉伸实验研究了纤维体积分数对AFRC拉伸性能的影响.采用内聚力模型对界面的力学行为进行描述,分析界面性质对AFRC轴向拉伸性能的影响.结果表明,在弱界面刚度区域,AFRC的有效弹性模量随纤维体积分数的增加而降低;在强界面区域,AFRC的有效弹性模量随纤维体积分数的增加而增加.利用不同纤维含量的AFRC测得的宏观有效弹性模量可通过刚度-模量曲线预估非理想界面的内聚力模型参数.     

基于复合材料的橡胶颗粒沥青混合料弹性模量预测

为对橡胶颗粒沥青混合料弹性模量进行预估,分别建立单夹杂复合材料两层嵌入式模型和多步骤多相细观力学模型,得到橡胶颗粒沥青混合料弹性模量预测方法,对橡胶颗粒沥青混合料弹性模量进行预测;将弹性模量预测结果与实测结果进行对比分析,研究橡胶颗粒沥青混合料弹性模量影响因素,并对低温条件下弹性衰减进行分析.研究结果表明:该细观力学模型方法是有效的和可靠的,可用于预先评估橡胶颗粒沥青路面在低温下的力学性能和除冰能力;沥青胶浆的弹性模量对橡胶颗粒沥青混合料弹性模量的影响较大,且随沥青胶浆弹性模量的增大而增大;橡胶颗粒用量变化对混合料弹性模量的影响比较大,随着橡胶颗粒用量的增加,混合料弹性模量逐渐减小;在低温下,混合料的弹性模量显著增大,橡胶颗粒沥青路面的除冰效果将大大减弱.     

原位接枝改性炭黑对天然橡胶性能的影响

采用原位液相接枝技术在炭黑表面接枝聚乙二醇400,研究了接枝前后炭黑补强天然橡胶的性能.结果表明:在相同填料添加量下,填充接枝改性炭黑的胶料焦烧时间和正硫化时间有所缩短,物理机械性能明显改善;当添加50份填料时,相比于添加未改性炭黑的胶料,填充接枝改性炭黑胶料的结合胶含量提高了16.5个百分点,拉伸强度和撕裂强度分别提升了6.1MPa和19.5kN/m,绝对磨耗质量由0.53g下降至0.37g,硫化胶在0、60和80℃时的tanδ分别下降了16.67%、45.23%和45.45%.动态力学测试和SEM分析表明,胶料性能提升的主要原因是接枝改性炭黑在橡胶基体中分散性的改善及炭黑与橡胶间相互作用力的增加.     

纳微米双相颗粒增强陶瓷基复合材料力学性能的数值模拟

以包晶型(纳米颗粒包围微米颗粒)和内晶型(纳米颗粒嵌于微米颗粒中)2种分布状态的特征体积单元为研究对象,利用整体-局部均质化方法从数值分析的角度计算了复相陶瓷材料中纳米颗粒与微米颗粒的排列方式、体积比、粒径比、界面特征等纳微观结构特性对纳微米颗粒增强陶瓷基复合材料有效弹性模量的影响。结果表明纳微米颗粒呈包晶型分布状态时,随体积百分比的增加,有效模量增大较为显著;与矩形特征体积单元相比,六边形情况估算有效弹性模量偏高;纳微米颗粒粒径比越小,颗粒分布越均匀,有效弹性模量越大;微观颗粒与基体间的界面损伤比纳观颗粒与基体的界面损伤更易于导致材料的有效刚度降低。从晶粒细化特征及显微结构等因素解释合理的纳微观复相颗粒分布对陶瓷基复合材料的有效弹性模量的改善效应。     

活性硅酸钙填充丁苯橡胶复合材料性能研究

以活性硅酸钙、炭黑、白炭黑为原材料,使用硅烷偶联剂对其进行改性,采用熔融共混法制备丁苯橡胶复合材料,研究了改性剂种类、添加量、硅酸钙填充量、与炭黑、白炭黑配合比例对丁苯橡胶复合材料硫化性能、力学性能的影响.研究表明：添加硅酸钙后,复合材料的硫化性能得到优化;在与白炭黑或炭黑配合填充时,可明显缩短硫化时间、降低最小扭矩,提高了胶料的压延性能和生产效率;在低拉伸率范围内,硅酸钙表现出优异的补强性能,可替代或部分替代昂贵的炭黑、白炭黑等传统填料,以降低橡胶制品的经济成本.     

铁磁颗粒夹杂软基体复合材料的制备和特性分析

目的制备铁磁颗粒夹杂软基体复合材料,研究其磁学特性和力学特性。方法在室温条件下采用自然固化制备得到铁磁颗粒夹杂软基体复合材料。利用多物理场COMSOL有限元分析软件,研究单向磁场和单轴拉伸下颗粒体积分数对各向异性及各向同性的铁磁颗粒夹杂软基体复合材料特性的影响。结果颗粒体积分数对2种复合材料的相对磁导率及杨氏模量影响很大,且相同颗粒体积分数时,各向异性的铁磁颗粒夹杂软基体复合材料受颗粒体积分数影响更大。结论铁磁颗粒夹杂软基体复合材料的有效性能不仅和材料各组分的比例有关,而且和材料各组分的分布形式有很大关系。     

随机分布纳米颗粒增强陶瓷基复合材料性能数值模拟分析

基于蒙特卡罗方法,利用ANSYS的APDL参数化设计语言,构建随机分布纳米颗粒增强陶瓷基复合材料性能数值分析模型,利用均质化理论计算不同体积比纳米颗粒增强陶瓷基复合材料的热膨胀系数、有效弹性模量和热残余应力。结果表明,所建模型计算的结果与用经典理论方法计算的结果基本吻合,证明所建模型是可靠的,其中三维模型能更准确地分析纳米颗粒体积比较大时微观结构对应力分布状态的影响。     

均匀化方法对单向碳/铝复合材料弹性性能预测

基于均匀化方法,预测单向碳/铝复合材料的等效弹性模量,得到单向碳/铝复合材料等效弹性常数的预测公式.首先,采用均匀化方法对单向玻纤/环氧复合材料等效弹性模量进行预测,得到玻纤/环氧复合材料的等效弹性常数,并与NASA经验公式的计算结果进行比较.结果表明,均匀化方法计算得到的等效弹性常数与NASA经验公式的计算结果相吻合,验证了周期性边界条件以及均匀化方法预测单向复合材料弹性性能的正确性.然后,采用均匀化方法对不同纤维含量的单向碳/铝复合材料等效弹性模量进行预测,并与NASA经验公式和混合法则的计算结果进行比较.结果表明,NASA经验公式和混合法则的计算公式可以预测单向碳/铝复合材料的纵向拉伸模量和纵向泊松比,但无法预测其横向拉伸模量和剪切模量.最后,采用最小二乘法拟合均匀化方法的计算结果对NASA经验公式进行修正,得到了单向碳纤维增强铝基复合材料横向拉伸模量和剪切模量的预测公式.     

颗粒增强复合材料有效模量的Voronoi单元有限元法分析

Voronoi单元有限元法在计算多相复合材料时比普通位移有限元法效率高,并且能够反映夹杂分布的随机性.用考虑界面脱层的Voronoi单元有限元法对代表性体积单元进行模拟得到应力场,再用直接均匀化方法进行平均,得到能够反映界面脱层对材料有效性能影响的平均应力-应变曲线和有效弹性模量.利用编写的可以对含任意夹杂代表性体积单元进行大规模计算的程序,对多个模型进行了数值模拟,分析了夹杂的形状、体积分数、空间分布等因素对材料有效弹性模量的影响,结果表明:具有较大有效弹性模量的模型一般在界面处有较大的应力集中,在加载过程中较早发生界面脱层.     

文冠果壳纤维/高密度聚乙烯复合材料的力学性能

 为了充分拓展文冠果壳在复合材料领域的应用,优化其复合材料的制备工艺,探索力学性能随纤维质量分数的变化规律,采用未处理的纤维作为对比,将文冠果壳纤维表面进行碱、硅烷偶联剂及碱-硅烷偶联剂处理。采用双螺杆挤出机熔融共混与注塑成型的方法,制备文冠果壳纤维/高密度聚乙烯复合材料。考察了制备工艺、纤维质量分数对复合材料拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量和冲击强度的影响。研究表明,经过二次双螺杆熔融共混,复合材料的拉伸强度和断裂伸长率提高。随着纤维质量分数的增加,复合材料的拉伸强度和断裂伸长率降低,弹性模量增加,冲击强度呈波浪状变化。复合材料断面上纤维断裂机制和剥落机制并存。     

Anti-penetration performance of high entropy alloy-ceramic gradient composites

A high-entropy alloy-ceramic gradient composite of TiC-TiB₂/75vol% Al_0.3CoCrFeNi was successfully prepared by combustion synthesis under an ultra-high gravity field, which is a low-cost method with high efficiency. The ceramic particles were gradient distributed in the Al_0.3CoCrFeNi matrix, and the hardness of the composite material gradually decreased along the thickness direction. The anti-penetration performance of the gradient composites was simulated using the ANSYS/LS-DYNA explicit simulation program. The results demonstrate that the distribution of the ceramic particles strongly affected the mechanical properties and the anti-penetration performance of the composites. With the same total ceramic volume fraction, the gradient composites exhibit better anti-penetration performance than the corresponding ceramic-metal interlayer composites. The more uneven the ceramic distribution, the greater the elastic modulus and yield stress of the surface layer and, thus, the better the anti-penetration performance.     

TiB2含量对原位自生TiB2/2219铝基复合材料组织与性能的影响

利用混合盐高温反应法制备了原位自生TiB2/2219铝基复合材料铸锭. 通过光学显微镜、扫描电镜、X射线等显微组织表征方法以及弹性模量、室温拉伸和室温摆锤冲击实验等测试手段,研究了TiB2含量对原位自生TiB2/2219铝基复合材料组织和性能的影响. 研究表明,当TiB2质量分数由0提高到5%时,TiB2颗粒尺寸和TiB2/2219铝基复合材料铸锭的平均晶粒尺寸逐渐减小,固溶时效态的TiB2/2219铝基复合材料板材的弹性模量和强度显著上升,但延伸率和冲击韧性下降. 当质量分数为5%时,TiB2/2219铝基复合材料板材的弹性模量、抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到88.7 GPa、（474.2±2） MPa、（400.6±1） MPa和（4.7±0.1）%.     

两个单位胞体模型数值模拟结果比较

利用三维有限元方法，通过建立立方体、六棱柱单位胞体数值分析模型，对颗粒增强复合材料做模拟计算，在单向外载荷作用下，讨论两模型中正应力、von Mises应力的分布规律。结果显示两模型的应力场分布相近或相似，将在相同的区域里发生材料剪切屈服和界面脱胶破坏。计算了复合材料弹性系数，经过同整体体积平均分析方法和实验测量结果的比较，结果显示六棱柱模型较立方体模型更加符合真实情况。     

单向短纤维增强复合材料纵向弹性模量预测

建立含单纤维和基体的双圆柱复合材料细观力学模型,采用基体剪应力的Lame形式推导得到纤维轴向应力计算方程和纤维长度影响因子λ的表达式。依据纤维长度影响因子和混合定律得到了单向短纤维增强复合材料纵向弹性模量的计算公式,探讨纤维长径比和体积分数等细观结构参数对材料纵向弹性模量的影响。将计算公式得到的材料纵向弹性模量与Halpin-Tsai和Darlnigton方程得到的结果与实验值进行了对比。结果表明,计算公式预测值更接近于实验值。