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力学性能论文:碳纤维超低温力学性能试验方法简述
【摘 要】 本文主要介绍碳纤维超低温力学性能实验所选用的原材料，即碳纤维增强环氧树脂t700/tde-85 预浸料，及其它组成要素的特点；另外，本文着重介绍了在实验环节涉及的实验方法，例如：复合材料超低温处理、复合材料微观形貌观察、复合材料拉伸强度测试等。
【关键词】 碳纤维 低温力学性能 材料性能试验
碳纤维主要是由碳元素组成的一种纤维，其含碳量一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特质，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。
1 试验材料
环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机化合物。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物
碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构树脂基复合材料中较高。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具优势。
正因如此，本文采用的试验原材料是由碳纤维作为增强材料，以改性环氧树脂作为基体组成的t700/tde-85预浸料，其纤维体积含量为58±2%。该预浸料性能优异，由其制备复合材料力学性能优良，且有较好的韧性，适用于超低温下使用。
本项工作针对碳纤维增强环氧树脂基复合材料进行研究，增强纤维型号为12k的t700碳纤维。
2 试验材料
2.1 复合材料试样切割
试验采用syjh-200型手动快速切割机，本机适合各种复合材料、晶体、陶瓷、玻璃、岩石及金相试样等材料的粗加工，该设备可使用金刚石锯片、电镀金刚石锯片和树脂锯片，切割复合材料时采用的是电镀金刚石锯片。
2.2 复合材料超低温处理方法
由于可重复使用复合材料超低温液体燃料贮箱（包括液氧、液氮、液氢等燃料贮箱）在使用过程中，会长期贮存超低温液体燃料，还会经常充卸超低温液体燃料，即长期在超低温环境及多次超低温/室温环境循环使用，因此，研究用于超低温液体燃料贮箱的复合材料，就需要模拟超低温液体燃料贮箱的使用工况，研究复合材料在超低温环境中浸渍及超低温/室温循环的力学性能。
将制备好的碳纤维增强环氧树脂复合材料在经过超低温环境，即液氮中浸渍5天。其中，液氮使用真空罐盛装。将实验材料放入事先注入足量液氮的容器内，使其浸没在液氮中，盖紧容器盖，密封好，记录好开始实验的时间。在随后的5天内，每天均需要进行观测，以保障液氮足量，保障复合材料始终处于超低温环境中。
关于超低温/室温循环实验，我们所用到的实验装置是步进机，该仪器可以按照预先设置的时间间隔，将一端拉伸的实验样本循环放入盛装液氮的容器中，使得实验材料完成浸入—离开--浸入—离开这一循环，直至达到预设次数（时间）。在这个试验中，需要注意根据国家标准来确定样本置于常温中和置于液氮状态中的时间，这样的目的是为了使复合材料充分完成热量传导：在常温和超低温环境中，均能使得复合材料各个部分温度达到统一。
这个实验在实际应用中的工况体现在火箭中的液氧（液氢）贮箱。伴随我国航天事业的发展，对于降低运载火箭发射成本成为非常有实际价值的问题。超低温/室温循环实验的目的是为了检验复合材料在超低温/室温循环的状态下，材料的力学性能变化。
2.3 复合材料微观形貌研究方法
扫描电子显微镜（scanning electron microscope），简称扫描电镜（sem）。是一种利用电子束扫描样品表面从而获得样品信息的电子显微镜。扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统，电子束系统以及成像系统。
在针对复合材料的微观形貌的研究中，我们将对式样在超低温环境下浸渍5天后及超低温/室温循环100次后微观形貌通过扫描电子显微镜观察。通过文献中的介绍，超低温浸渍将会对复合材料（碳纤维增强材料和树脂基材料界面间）产生微裂纹。该实验的目的是为了分析这样微观变化对材料整体强度的影响。
2.4 复合材料超低温拉伸强度测试方法
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测试使用的仪器为100kn电液伺服动静试验机。主机单元主要由负荷机架、伺服作动器、伺服阀、液压夹头、传感器、以及横梁等几部分组成。仪器主要适用于金属及非金属材料的测试，如橡胶、塑料等；有色金属金属线材的拉伸、压缩、弯曲、剪切等多种试验。
电液伺服试验机较大工作载荷为±100kn，作动器行程为±50mm，函数发生器频率为0.001～50hz，控制波形包括正弦波、三角波、方波、斜波、梯形波、组合波、外部输入波等。试验净空间600mm×1500mm。该机能够完成金属材料、非金属材料的拉伸、压缩、断裂试验，可实现负荷、位移、变形三种闭环控制。控制系统为模拟控制和微机控制的综合控制系统。
伺服拉力机主机的操作流程如下：
首先，操作计算机，使伺服作动器移动到中心“零”位。
再根据试验要求选择好位移量程。松开上、下夹头，此时上、下夹头按钮上的指示灯灭，上、下夹头均处于松开状态，然后按横梁上升（下降）按钮，使横梁到达两夹头之间距离为试件长度的1.5～2倍左右的位置，通过软件调节，使伺服作动器中心位置为试验所需位置。
调整完毕后，即可将试件一端送入上夹头钳口内，深约30mm～50mm（具体尺寸取决于试样），按住“下降”按钮，“下降”按钮指示灯亮，横梁向下移动，使试件另一端进入下夹头钳口内，深约30mm，此时应检查一下电箱的设置是否正确，如正确则按下“上夹头”、“下夹头”按钮，使上、下夹头夹紧试件，此时上、下夹头指示灯亮，即可进行试验。
试验结束后卸下试样时，首先将控制状态转到“位移”方式，将负荷值调到零附近，松开下夹头，然后将横梁升起至适当的位置，再将试样取下。关闭电源等。
3 结语
本文主要介绍了碳纤维增强环氧树脂t700/tde-85预浸料组成要素的性质；另外，着重介绍了在实验环节涉及的实验方法、器材、工艺，对一般碳纤维超低温力学性能试验规程及其相关科研工作具有一定参考价值。
力学性能论文:关于冻区盐渍土水热耦合效应及对力学性能的影响
论文关键词 盐渍土 水份迁移 温度场 水热耦合 冻结强度
论文摘要 水份迁移和温度场变化是引起路基冻胀融沉的直接因素。针对冻区高氯盐渍土,经水热场耦合作用后水份迁移和温度场分布规律进行了室内动态试验,研究了水热耦合作用对力学性能的影响。结果表明:单向冻结过程中,水份向温度较低的地方迁移,迁移量随土体深度的增加而增加;水热耦合作用后的土体冻结强度有不同程度上升,提升后的强度随土体深度增加而降低,远离冻区端因盐晶析出导致土冻结强度有所回升。
土的冻结,引起水份向正冻区运动,并试图以冰的形式充填这个区域。由于土体表面温度的降低,未冻结之前的土体中的能量平衡被打破,除引起水分的迁移外,也引起土中温度的重新分布[1]。在盐渍土中,还伴随产生土中盐分的浓度梯度,同时盐分也重新分布,从而导致空间全新的固、液、气组合状态。水热耦合效应变化是冻土工程中引起冻胀融沉最重要的因素之一。
近30年来,国内外冻土学者从单一场影响因素的研究发展到水、热两方面的综合统一研究,去认识冻胀机理。1973年, harlan r·l·提出了土体冻结过程中水-热迁移耦合数学模型[2],从此进入多场耦合问题的研究阶段。harlan ( 1973 )、sheppard(1978)[3]提出冻土中热质迁移与水分迁移相互作用的流体动力学模型。苗天德等(1999 )[4], [5]在连续流体力学混合物理论框架下研究了冻土力学-热学性质,建立起固、液两相介质伴有相变的水、热二场耦合模型。毛雪松[6]对室内小型试件进行了水分迁移过程的水分场和温度场动态观测,并应用水热耦合模型对模型试件温度场、水分场进行数值模拟。考虑到盐渍土尤其是高氯盐渍土土体本身的复杂性,本文通过室内动态试验,分析高氯盐渍土水热耦合规律,并研究水热变化对土体力学性能的影响。
1 试样、试验设备和试验方法
(1)试样取自青藏高原那曲河地区,该区地基土系由洪积、湖积和湖泊化学沉积的盐层及超氯盐渍土组成。土样天然含水量为10·61 %,易溶盐含量为12·01%,主要成分为氯化钠和氯化钾。颗粒分析结果如表1。
(2)试验设备采用西南交大自行研制的封闭式单向冻结特性测试系统(见图1、图2),在土样无破损的条件下,对土柱中的点位进行温度和含水量的动态观测。设备主要由三个系统组成:温度、水份及变形检测系统(温度传感器、水份传感器和百分表等);环境温度场建立系统(制冷压缩机及控制系统);绝热样品室系统(尼龙试样套管、聚氨酯泡沫绝热层和石棉保温套)。土柱高25 cm,直径10 cm。
(3)取适量土样,测其初始含水量(10·61% ),按干密度(1·79 g/cm3)分层装入套管中,将加热器安装在试样套管底部,紧固并确保其表面与试样表面紧密结合;将温度水份传感器插入设定好的测试孔中,在试样上表面敷一层保鲜膜,防止水分散失。接好加热电源及各测试电缆后关闭模拟环境试验箱盖,调整好位移测量系统。开启制冷系统及加热器电源,调整制冷系统温度和加热器电源电压以便得到研究所需的模拟环境温度和温度梯度。试验时间为72小时,前12小时每1小时记录一组数据,其后每3小时记录数据一次。
2 试验结果分析
试验数据整理后见图3、图4。
图3中,在0 mm (表面至下0 mm,后略)处为模拟环境温度,除开始(0~2小时)由室温转变为模拟环境温度外,其曲线一直保持平稳(-10℃左右); 50 mm、100 mm、150 mm和200 mm曲线趋势大致相同,前12小时温度下降趋势较明显,其后曲线较平稳,达到稳态;由表面至底端同一时刻温度变化量逐步减小,说明试样温度梯度是随深度增加而减小的。
图4中,在25 mm处,含水量随时间增加而增加, 12小时左右后,基本保持不变( 13·1 %~13·5% ),较初始含水量(10·61 % )升高23·47% ~27·24%;在75mm处开始阶段(0~5小时)含水量有迅速下降趋势,随后(6~12小时)含水量逐步增加, 12小时后基本稳定(11·3 % ~11·6 % ),较初始含水量升高6·50 % ~9·33 %;在125 mm、175 mm和225 mm处曲线走势比较接近,即开始阶段(0~8小时)含水量逐步减少, 10小时左右后又稍微升高, 15小时后一直保持在9·6 % ~10·5 %之间,较初始含水量降低1·04% ~9·52%。
以上现象初析为:因外界环境温度迅速下降,接近外界环境一端(土样上表面附近)温度变化要先于远离外界环境端,试件会产生较大的温度梯度从而破坏了土体中的水量平衡,使其水份场发生重新分布,水份从土样的暖端向冷端迁移,进而土柱上层的含水量较冻结前有所提高,即为25mm和75mm二曲线所表现。除25 mm曲线外,其他曲线都有先降后升现象,初析为冻结初始阶段土样各层水份要向上迁移同时接受下层水份移入补给,由于水份迁移量与温度梯度有关,随梯度减小而减少[7], [8]。由图3可知温度梯度随土样深度增加而降低,从而导致某层土样在初始时段或出现水份来不及补给的现象(75 mm曲线迅速下降),或迁移量大于补给量,含水量逐步减少的现象。当温度场(见图3) 12小时左右稳定后,水份场在15小时左右达到稳定。
3 水热耦合效应对力学性能的影响
盐渍土的三相与非盐渍土不同,它的液相是盐溶液,固相包括土颗粒和结晶盐[9],冻区盐渍土还会有冰晶产生,因此温度场和水份场的变化盐渍土的工程性质有不确定性。本文以冻结强度为指标,将试验过后的土样分层进行无侧限抗压强度试验,研究水热耦合效应对土样力学性能的影响。
3·1 试验方法
将水热耦合试验的土样分为5层,汇集几次平行试验土样,每层土样放入保鲜袋中防止水份及盐份散失;试样为直径40 mm、高80 mm的圆柱体,每层土样的试样套入保鲜膜并按相应环境温度进行冷冻(见表2),时间24小时,同时另取水热耦合前土样,以作对比;试验采用gb4540 -84应变控制式静三轴剪切仪,将保温瓶内制备好的试样迅速放在加压板上进行试验。
3·2 试验结果分析
试验数据整理后见图5。
从图5看出,经水热耦合作用后,土样强度均有不同程度的提高(10·0% ~84·1% ),增加量随土样深度增加而减小,原因是由于冻结温度对冻结强度影响较大,另外因水份迁移,土层上部含水量较大,会产生更多的冰晶,加强了土颗粒之间的联结;土样最底端强度有所回升(5层较4层提高18·2% ),原因初析:土样为高氯盐渍土,由于水份迁移会伴随产生盐晶的析出,土样内部微观结构发生变化,从而导致土强度增强[10]。
4 结语
(1)高氯盐渍土在单向冻结条件下,产生的温度梯度是随土样深度增加而减小。温度梯度是水份迁移的重要原因,水份会向温度降低的地方迁移,迁移量随温度梯度的增加而增加。
(2)高氯盐渍土冻结后总体强度均有不同程度的提升(10% ~84% ),提升后的强度随其深度增加而降低,其中在最底端因盐晶析出导致土冻结强度有所回升。
(3)温度场、水份场由瞬态转向稳态时间并不一致,本次试验分别为12、15小时。今后很有必要对此进行更深入研究,这对季节性冻区冻土工程的施工有着重要意义。
力学性能论文:人工砂粉煤灰混凝土力学性能研究
【摘 要】本文通过对比试验研究了人工砂粉煤灰混凝土的主要力学性能，主要是水灰比、粉煤灰掺量和养护龄期对混凝土立方体抗压强度的增长特征、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度和弹性模量等性能的影响。
【关键词】人工砂粉煤灰混凝土；力学性能
0.前言
人工砂粉煤灰混凝土是用人工砂替代天然砂并且用粉煤灰部分替代水泥的新型混凝土。开发人工砂粉煤灰混凝土从局部上，因地制宜，就地取材，还可以避免季节及市场供给波动的影响，可以为建设单位节省大量建设资金；从整体上，即可为我国规模宏大的工程建设提供资源化的混凝土原材供应，拓宽了我国基础行业可持续发展的空间，又可以大量消化工业废料，发挥其绿色环保效应，促进人类与大自然的协调发展；从技术上，可以通过等效替代获得与基准混凝土同等甚至优越的性能，可以通过单掺或双掺等方法研制更廉价更高性能的混凝土材料。
人工砂粉煤灰混凝土与普通混凝土的主要区别就是细集料不同和粉煤灰掺入的协同作用。细骨料的粒形、级配、表面特性、石粉等物理特性会显著影响混凝土内部过渡区的特征；而粉煤灰会发挥不同程度的形态效应、微集料效应和活性效应，从而极大地影响混凝土的综合特性，所以研究人工砂粉煤灰混凝土的力学性能是必要的，本文主要从宏观的角度来研究水灰比、粉煤灰掺量和龄期对各项力学性能的影响。
1.立方体抗压强度
本试验研究人工砂粉煤灰混凝土的立方体抗压性能，目的是为了得出常用粉煤灰掺量和水灰比对各龄期强度的影响规律，以及与基准混凝土的对比。减水剂取常用量，为胶凝材料用量的1％，新拌混凝土假定容重为2400kg/m3，将粉煤灰掺量取0％、20％、40％三个水平，水灰比变化考虑0.3（高强）、0.4（中强）、0.5（低强）三个等级，立方体抗压强度测试龄期分别为1.5d、3d、7d、14d、28d、46d、56d、90d，试验配合比方案见表1：
按照上表中的配合比进行试验可得表2：
上表中的试验结果，显示出了通过双掺配制的人工砂粉煤灰混凝土的立方体抗压强度的变化规律，我们将1.5天至14天龄期的强度称之为早期强度，将28天至90天之间的强度中期强度，则可以得到以下结论：
1、水灰比对混凝土强度的影响（见下图）
可以看出，直接根据实测的数据做散点图，由于试验误差的作用，所得强度发展曲线并不十分平滑，但从强度随龄期发展的趋势可以看出：
（1）水胶比越小，则混凝土各龄期强度越大。对于未掺粉煤灰的基准混凝土来说，虽然水灰比不同，但各龄期强度的增长函数从形态上来说基本相似，可见人工砂混凝土各龄期强度可由龄期表示。而且，人工砂混凝土由于减水剂的作用，早期强度增长地很快，3天强度即达28天强度的57％～75％，7天强度可达28天强度的80％以上，但是28天以后的增长速度明显放慢，到46天时仅增长了2％～5％。而且，水胶比较小时，其3天强度增长较快，水灰比从0.3到0.5的r3/r28分别是75％、71％、57％，但7天强度增长速度向差不多，r7/r28分别是83％、79.5％、77％。
（2）随着粉煤灰掺量的提高，混凝土的3天、7天强度明显比基准混凝土降低，粉煤灰掺量20％时，3天强度平均下降了13％，7天强度平均下降了8.4％，28天强度达到或接近基准混凝土的强度，56天强度基本上达到或超过基准混凝土的28天强度。对于粉煤灰掺量为40％时，各龄期强度降低较多，3天强度平均下降了41％，7天强度平均下降37％，28天时强度平均下降了28％，可见强度的增长速度超过了基准混凝土，但28天强度仍然降低很多。
由此可见，虽然可以通过双掺法提高人工砂粉煤灰混凝土的早期强度，但如果粉煤灰等量取代水泥率较大（40％左右），强度降低也是很明显的。不过随着龄期的增长，粉煤灰混凝土的后期强度有赶上基准混凝土的趋势，如果粉煤灰掺量不大（20％左右），甚至会超过基准混凝土。这为我们设计人工砂粉煤灰混凝土的配和比提供了一种观念：如果设计大掺量的人工砂粉煤灰混凝土，即使掺加减水剂也很难让混凝土的28天强度与基准混凝土等效，这时应该考虑将混凝土的设计龄期延长；如果设计中等掺量的粉煤灰混凝土，掺减水剂是个提高强度很有效的方法，或者通过超量取代粉煤灰来设计配合比，都是可能达到28天强度等效的。
2.劈裂抗拉强度
根据《混凝土力学
能试验方法》采用劈裂抗拉试验进行人工砂粉煤灰混凝土的抗拉性能试验，采用150mm*150mm*150mm的立方体作为标准试件，制作标准试件的较大粒径不大于40mm，本试验满足要求。
试验用配合比与立方体抗压试验的相同，试验结果列于表3。
说明：上表中fts7为7天劈拉强度， fcu7为7天抗压强度，fts28为28天劈拉强度， fcu28为28天抗压强度，单位均为mpa。试验编号pl-x对应着立方体抗压试验中的ky-x。
可见，从上表中我们可以得到以下结论：
（1）对于立方体抗压强度从c20-c50的范围内，人工砂粉煤灰混凝土的劈裂抗拉强度和立方体抗压强度之比大致在1/10到1/14之间，与普通混凝土相当。其中，根据粉煤灰掺量的不同同强度等级下的拉压比也有所不同，见表4和表5。
如果用式来预测28天劈裂抗拉强度的话，那么当混凝土强度在c30到c50之间时，k值应该取0.19-0.22之间，其平均取值为0.207。
当混凝土强度在c25到c40之间时，k值应该取0.22-0.23之间，其平均取值为0.227。
由k值的取值范围可以看出，人工砂粉煤灰混凝土在立方体抗压强度一样时，粉煤灰掺量增加可能会提高混凝土的劈裂抗拉强度。
（2）对于人工砂粉煤灰混凝土劈裂抗拉强度随时间的变化，尽管28天劈裂抗拉强度值在7天劈裂值的基础上有所增长，但显然没有抗压值增长的快，同一配比7天时的拉压比要比28天时大。所以，同普通混凝土一样，人工砂粉煤灰混凝土的劈裂抗压强度在早期增长较快，后期增长较慢。
由此可以看出，人工砂粉煤灰混凝土由于粉煤灰的掺入，拉压比相比普通混凝土有所提高，抗拉性能可以得到改善，延性得以提高。
3.轴心抗压强度
根据《混凝土力学性能标准试验方法》进行，使用100mm*100mm*300mm试件，轴心抗压试验结果列于表6。
注：表6中fc7代表7天轴心抗压强度；fcu7代表7天150mm*150mm*150mm试件抗压强度；f’cu7= fcu7/0.95，代表由150mm*150mm*150mm抗压强度换算而成的100mm*100mm*100mm7天抗压值；fc28代表28天轴心抗压强度，fcu28代表28天150mm*150mm*150mm试件抗压强度；f’cu28= fcu28/0.95，代表150mm* 150mm*150mm抗压强度换算而成的100mm*100mm*100mm28天抗压值；试验编号zy-x对应着立方体抗压试验中的ky-x。
虽然不管是7天还是28天的轴心抗压值都比较离散，试验并没有反映出粉煤灰掺量对轴心抗压影响的规律，但可以看出，人工砂粉煤灰混凝土的轴心抗压值与立方体抗压值之比基本在0.70上下浮动，大致在0.6-0.76之间，这也与普通混凝土相当。
4.弹性模量
用100mm*100mm*300mm试件做人工砂粉煤灰混凝土的弹性模量试验，试验结果见表7。
注：表7中e/f的数量级为1×104。试验编号zy-x的配合比对应着立方体抗压试验中的ky-x。
可见，与普通混凝土相比，同等强度下人工砂粉煤灰混凝土的弹性模量较大；弹性模量值随着粉煤灰掺量的增加而略有减小；28天的弹性模量值比7天值略高；但是弹模与抗压强度比值随着龄期增长而降低，这是因为弹模主要跟骨料强度、水泥浆基体强度有关，与养护时间关系不很大。
5.结论
本文通过试验研究了人工砂粉煤灰混凝土在水灰比和粉煤灰掺量变化影响下的主要力学性能。水灰比、龄期和粉煤灰替代水泥率对混凝土的力学性能都有较大影响，犹应注意当粉煤灰掺量过高时，混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性膜量都会显著降低。人工砂粉煤灰混凝土的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之比、轴心抗压强度与立方体抗压强度之比与普通混凝土类似，但弹性膜量要比普通混凝土略高。
力学性能论文:钢渣粉混凝土力学性能研究
【摘要】本文进行了钢渣粉混凝土的抗压、抗折强度试验，研究了掺入钢渣粉含量不同的钢渣粉混凝土的抗压、抗折强度。结合试验数据分析得出：当掺入量为0% 到10%时抗折抗压强度呈明显的上升趋势，当掺入量为10%到30%的时抗折抗压强度却呈下降趋势，但也能满足强度要求。
【关键词】钢渣粉；混凝土；抗压强度；抗折强度
1.引言
钢渣粉属于工业生产中的副产物，是不可避免的，我国钢铁产业每年排放大量的固体废渣，其中钢渣粉的排放量达到3000 多万吨，钢渣粉的资源化循环利用课题越来越受到重视，所以对其进行回收再利用是好的的处理方法。钢渣粉经过磨细加工处理后用于水泥混凝土中可以提高混凝土的工作性、力学性能和耐久性能等，这些正是路用混凝土需要的性能。利用工业废弃物来改善混凝土性能，达到变废为宝，绿色环保的效果。
2. 试验研究
2.1试验用原材料。
（1）水泥：中联p.0 42.5r硅酸盐水泥。
（2）粗细集料：细度模数为2.45的天然中砂，5～20mm连续级配的碎石。
（3）钢渣粉：ρ gz=2.83 g/cm3（哈尔滨钢渣粉水泥厂）。
（4）水：自来水。
2.2试验方法。建筑用砂gb/t14684-2001，建筑用碎石gb/t14685-2001，水泥gb175-2007，混凝土中的钢渣yb/t022。不同粉煤灰掺量混凝土分别做18个试件，分为两组，一组养护7天，另一组养护28天，每组各有3个抗压试件（150×150×150mm）和3个抗折试件（100×100×400mm）。
3. 试验配合比设计与试验结果
本试验采用等量取代法进行试验，取水胶比为0.5，钢渣粉掺量分别为0、10%、20%、30%、40%、50%。试验试验结果见表1和表2。
4. 试验结果分析
（1）7d龄期时，掺量为10%的钢渣粉混凝土抗压强度有很大程度的上升，当掺量分别为20%，30%和40%时的钢渣粉混凝土的抗压强度有一定程度的下降，基本上呈线性降低。当掺量为50%时的钢渣粉混凝土的抗压强度有一个突变，会降的比较多。掺量为10%的钢渣粉混凝土抗折强度有很大程度的上升，当掺量分别为20%，30%和40%时的钢渣粉混凝土的抗折强度有一定程度的下降，基本上呈线性降低，不过掺20%和30%时仍然比普通的混凝土高，掺量为40%时比普通的混凝土抗折强度低。当掺量为50%的粉煤灰混凝土有很大程度下降，相对与其他掺量值的强度比较小。
（2）28d龄期时，掺量为10%的钢渣粉混凝土抗压强度有很大程度的上升，当掺量分别为20%，30%和40%时的钢渣粉混凝土的抗压强度有一定程度的下降，基本上呈线性降低。当掺量为50%时的钢渣粉混凝土的抗压强度有一个突变，下降较多。掺量为10%的钢渣粉混凝土抗折强度有很大程度的上升，当掺量分别为20%，30%和40%时的钢渣粉混凝土的抗折强度有一定程度的下降，基本上呈线性降低，不过掺20%和30%时依旧比普通的混凝土高，掺量为40%时比普通的混凝土抗折强度低，但是当掺量为50%的钢渣粉混凝土抗折强度有很大程度下降，相对与其他掺量值的强度比较小。
5. 结论
由以上分析结果我们可以看出，混凝土的抗压强度和抗折强度都随着钢渣粉掺量的增加，而逐渐的下降，但是钢渣粉掺量在10%以后对混凝土的抗折强度影响逐渐减小，并且会在50%之后出现突变。
力学性能论文:汽车动力学性能的计算机仿真探究
【摘要】每一批汽车在投入市场前，必须对所有车辆的动力性能进行检测，这是对汽车用户用车安全的负责，也是制造商制造工作的职业道德。和汽车车检系统一样，目前针对汽车动力性能的检测，主要以计算机仿真模拟检测方式最为先进。本文以汽车动力性能的概念介绍入手，解释了汽车动力性能计算机仿真检测系统的工作原理，提出优势和展望。希望能对相关人员有所启发。
【关键词】汽车动力学；计算机仿真；研究
引言
汽车本身就是一种动力工具。一辆汽车的好坏，更多取决于该车的动力性。检测汽车的动力性，不可能将车开上公路检测，同一批出厂的汽车数量也不允许使用这种检测方式。早在20世纪50年代，西方先进国家就发明了汽车动力性能仿真检测模型，70年代借助工程学的知识，提出了系统的检测方法论。但是传统的检测方法，必须要等到一批汽车生产出来后，才能选用实体样本检测。简而言之，就是抽查。实际上还是采用使用汽车的检测办法，只不过检测地点是在汽车建造工厂内部而不是实际行驶公路。新型的计算机仿真技术，并不需要等到汽车实体制造出来才能进行检测。因为计算机检测，是在建立了特定的检测程序基础上，通过录入汽车各种组件的具体数值，在电脑上建立汽车模型。然后利用虚拟现实技术，让一堆数据组成的虚拟的“数字车”，在同样是电脑模拟出的虚拟行驶环境下，完成动力系统的检测，其实质就是一种计算机模拟程序。检测工作的重点是计算机虚拟检测环境的建构。
1汽车动力性能的内容
汽车动能简而言之就是汽车作为动力工具的使用效果，也是判断一辆汽车市值的重要参考标准。汽车动力性能组成内容如下：1.1较高车速较高车速，是在水平地面行驶的状态下，汽车能达到的行驶速度的较大值。该数值仅仅代表了汽车的行驶极限，并不能说明汽车本身的质量好坏。因为我们实际的生活场景，并不是电影《速度与激情》中描绘的频频飙车，汽车的较高车速一般是用不到的。1.2加速性能加速性能，一般按照欧美国家的评价标准来检测。汽车的加速性能，和汽车加速行驶的距离以及行驶耗时有关，一般情况下，同样的加速距离，所用时间越短，说明汽车的加速性能更好。但是因为实际使用中汽车的加速情况复杂多变，所以汽车加速性能的检测分为多种形式。油门全开时的加速情况以及油门半开状态下的加速情况是不同的，并且汽车的行驶速度处于何种档位也会对加速效果产生影响。1.3爬坡性能爬坡性能也是汽车动能的检测内容之一。在汽车承载力处于饱和状态的情况下，测试汽车能行驶过去的较大坡度。此时汽车的行驶速度一般以一档为标准。和汽车的加速性能一样，爬坡性能也和发动机质量，汽车轮胎的摩擦度以及驾驶员自身的驾驶技术有关，所以检测程序较为复杂。上述三种性能是汽车动力性能主要的检测项目。但是检测标准并不一定，随汽车品牌、用途、发动机型号、汽车车身质量变化而改变具体参考标准。例如军用越野车，其对于爬坡性能的要求特别高，但是对于加速性能，就会相对低一点。利用计算机仿真系统能够在汽车模型设计出来之后就进行检测，检测不合格可以继续修改。避免了传统检测方式中，会出现生产了一批汽车但是由于检测不合格造成资源浪费的情况。
2仿真软件系统设计
目前国内的计算机检测汽车动力性能的仿真系统，主要借助M语言和Simulink模块建立。利用汽车发动机相关的数学模型，加入一定的检测程序代码，设计出实用的仿真系统。
2.1检测系统内容
仿真系统包括四部分。①输入汽车各种参数，从而建立一个仿真的电子汽车模型的部分。②计算机检测系统设定的具体的检测标准数值，检测单元包括较高车速，加速项目以及爬坡性能三个单元，根据不同的车型不同的发动机标准，这三个标准数值会做相应改变。③汽车行驶环境的模拟部分，包括发动，加速，爬坡三种具体的行驶动态的承载环境，这种环境能够代表汽车在具体行驶中会遇到的实地环境，即“虚拟行驶环境”。④针对模拟汽车在模拟环境中行驶状态的分析部分，这个部分借助于强大的算法结构，是计算机仿真检测系统最主要设计复杂度较高的部分。
2.2系统设计原则和要求
仿真系统设计的原则有以下几点。①高度还原汽车实地行驶环境，“虚拟环境”之所以具有真实行驶环境的代表性，就是因为其与真实的行驶环境在坡度、风速、地表等方面相差无几，是对真实环境“镜子”式的反映。②在具体单元中，应当涵盖多种行驶可能，例如，实际使用中汽车的加速情况复杂多变，油门全开时的加速情况以及油门半开状态下的加速情况是不同的，并且汽车的行驶速度处于何种档位也会对加速效果产生影响。所以汽车加速性能检测单元，应当具体细分为不同的加速情况。将行驶中可能出现的各种情况，反映到计算机仿真模型系统中，才能使检测结果更加接近实地操作结果，更具说服力。③检测人员，必须具备良好的职业道德，能够认真细致地完成检测工作。目前的汽车行业发展的如火如荼，一批汽车的生产量会多达万辆，如果生产前的检测结果有失误，那么造成的资源浪费会是传统检测失误的数万倍。并且动力性能不过关的汽车流入市场后，产生的危害是不可估计的。汽车动力性能计算机仿真检测系统，虽然比传统的检测技术先进，但是也背负了更多的风险和责任。
3汽车动力性能计算机仿真检测的优势
（1）计算机新型的计算机仿真技术，并不需要等到汽车实体制造出来才能进行检测，这是计算机仿真检测系统和传统汽车动力性能检测方式的较大区别也是较大优势。对汽车模型的检测，由于借助了强大的计算机检测算法，检测人员只需要在检测程序中输入汽车各部分组件的具体数值即可，计算机能自动计算出该款汽车在不同路况下的动力性能的表现。省去了传统检测中人力手动模拟各种路况的麻烦，节约了检测时间的同时，也避免了传统检测有可能出现的人身安全问题。（2）节约汽车制造资源。传统的检测方法，必须要等到一批汽车生产出来后，才能选用实体样本检测。生产汽车检测样本肯定不会只生产一辆，如果实体汽车检测样本合格，那么等待这批汽车样品的只能是废物回收的命运。汽车组件可以被回收，但是生产汽车检测样品所花费的人力物力财力，却是白白浪费。（3）在电子信息技术发展的大社会背景下，人力必然要被机器取代。信息化、智能化是当今社会发展不可更改的方向。建立汽车动能计算机仿真系统，只是机器取代人力的滚滚浪潮中一朵小小的浪花。
4对汽车动能计算机仿真系统未来发展的展望
计算机仿真系统的实质，依然是借助于庞大的计算机运算能力的一种特殊程序，难以再现实际生活中的汽车行驶过程，所以并不能百分百代表汽车实际使用过程中的动力性能。笔者对此提出几点展望，希望能对该系统开发人员有所启发。（1）完善现有的仿真系统，加入更多的模拟行驶场景，并在具体场景中对坡度，马力、地表形态、汽车发动机性能、燃油效率等具体指标拆分组合，建立强大的虚拟现实系统。（2）将动能仿真系统和汽车的导航系统相结合，在每一辆汽车的制造中，就加入计算机动能仿真系统。设想一个场景，野外行驶中，驾驶人不确定汽车能否顺利通过眼前的高坡，在冒险和人身安全之间犹豫时，可以启动计算机动能仿真系统，在汽车显示仪上实时模拟出爬坡的场景。从而使司机对接下来的具体行驶情况有所了解，提前做好应对措施。
5结束语
目前我国并没有成熟的自我研发的汽车动力性能计算机仿真检测系统。希望中国该行业的技术人员能够学习西方先进技术，严格按照汽车动力性能检测要求，研发出中国的更安全的汽车动能计算机仿真检测系统。
力学性能论文:工程力学性能课改分析
一、“工程材料力学性能”课程特点及教学现状
1“.工程材料力学性能”课程特点
材料的力学性能是指材料在外加载荷作用下或外加载荷与环境因素共同作用下所表现出来的力学行为与机理，是各类材料在实际应用中必须涉及的共性问题。[1]“工程材料力学性能”课程最早是“金属材料力学性能”，后来改名为“材料力学性能”，现在部分教材又改名为“工程材料力学性能”，是许多工程类本科生重要的专业基础课，其教学效果好坏对学生能否打下一个良好的专业基础起着重要的作用。该课程内容涉及面广、工程应用背景强，在材料科学与工程、土木工程、机械工程等专业领域有着重要的应用。本课程的学习，对提高工程类专业学生整体素质及工程实践能力起着至关重要的作用，使得学生能够从各种机器零件或构件在常温、高温以及腐蚀环境的服役条件下的失效现象出发，了解失效现象的机理，从而为他们毕业后从事材料的检测和性能评定、材料的正确选用和安全应用，以及对机械零件的失效分析等工作奠定良好的基础，为企业乃至国民经济的发展提供有力的后备军。
2“.工程材料力学性能”课程教学现状
安徽工业大学（以下简称“我校”）材料学院共分金属材料工程、材料成型及控制、无机非金属材料、材料物理四个本科专业，目前，四个专业使用的《工程材料力学性能》是合肥工业大学主编的同一本教材，该教材的内容包含金属材料的力学性能和新型材料的力学性能两大部分，侧重点是金属材料的力学性能部分，主要包含“高分子材料的力学性能”、“陶瓷材料的力学性能”和“复合材料的力学性能”三章的内容。[2]金属材料力学性能的研究时间较长，主要的原理、定律和结论已比较成熟，新型材料力学性能的内容相对较少，它的研究主要借鉴于金属材料力学性能的研究经验和方法。本教材比较适合金属材料工程、材料成型及控制两个专业的学生，对其他专业的学生则显得内容相对较少，不太适合。而且，本课程的内容多、涉及面广，课程学时有限，书中许多抽象的内容很难通过语言的表述来讲清楚，在课堂上教师生硬的照本宣科会使学生感到枯燥乏味，课堂的气氛很难被充分地调动起来，教学效果不佳。针对目前的教学现状，如果不对课程的教学进行改革，授课教师很难在有限的学时内保质保量地完成本课程的教学任务。笔者在“工程材料力学性能”课程的教学实践中体会到：授课教师需要根据专业特点来组织教学内容，才能在规定的学时内完成课程的教学任务。根据专业特点来组织教学内容，使得学生学习和教师授课的侧重点都突出，学生能在有限的学时内提炼出与专业学习有密切联系的知识，加以掌握和应用。[3]本课程的教学目标是使学生能运用所学的理论知识分析材料实际的使用情况，对材料的失效现象的机理进行分析。
二、依据材料物理专业特点，优化教学内容
在“工程材料力学性能”课程教学实践中，笔者结合材料物理专业特点，在保障课程基本内容和结构的前提下，对整本教材进行整合，提炼出一般了解和必须掌握的内容，使学生能在规定的学时内有效地掌握最基本的教学内容。[3]近年来，随着科学技术的发展，材料的种类越来越多，新型材料应用日新月异，纳米材料、薄膜材料和微机电材料快速发展，材料的特征尺寸越来越小，传统的材料力学性能测试手段已无法实施，微区材料的力学性能测试手段应运而生。新材料力学性能测试的标准不断颁布，已有材料的国内标准需与国际标准接轨而不断修改，迫切需要材料力学性能的教学与生产力发展水平一致。鉴于以上几个方面内容，该课程讲授内容主要从以下四个部分来展开：及时部分（及时至第四章）阐述材料在一次加载条件下的形变和断裂过程，所测定的力学性能指标用于评价零件在服役过程中抗过载失效的能力或安全性；第二部分（第五至第八章）论述疲劳、蠕变、磨损和环境效应四种常见的与时间相关的失效形式，材料对这四种形式失效的抗力将决定零件的寿命；第三部分（第九至第十一章）（纳米材料/复合纳米材料）依据材料物理专业的特点，重点讲解纳米材料的力学性能，这其中包括纳米金属材料的力学性能、纳米非金属材料的力学性能、碳纳米材料的力学性能、纳米复合材料的力学性能等；第四部分实验教学中引入国家标准的学习。
三、优化教学方法与手段，锻炼学生能力
任何教学过程的开展都离不开一定的方式或方法。传统的教学方法是以教师讲授为主，学生处于被动的接受地位。教学方法的优化倡导以学生为主，强调学生是学习的主人，培养他们自己查阅资料，自己释疑，自己总结，最终具备自我学习的能力。[4]在这个过程中，教师要充分发挥引导作用，充分调动学生的积极主动性。下面以“纳米材料的力学性能”为例来说明教学方法的优化，笔者采用“三步式”教学方法，取得了良好的教学效果。及时步：教师指导学生上网查阅“纳米发动机”的相关资料，并就“纳米发动机”的提出、原理及当前的发展现状写一篇综述性报告，在下一堂课让学生讲解；第二步：根据自己的备课内容及结合自身的科研经历，进一步给学生讲解“纳米发动机”相关材料的制备方法及工艺技术特点；第三步：学生根据教师授课内容和自己查阅的相关资料，完善自己的综述报告。“三步式”教学法组织实施教学，不但可以提高学生学习本门课程的积极性，使学生掌握的知识更加牢固，而且有利于拓展学生的视野，培养了学生的科研兴趣，进一步增强了学生自我获取知识的能力。教学手段是指教师用以运载知识、传递教学信息的物质媒体或物质条件，是现代的教师进行教学活动必不可少的辅助用具。随着计算机应用技术的普及，学校和教师越来越关注用计算机网络技术来提高教学效率和教学质量。[4]“工程材料力学性能”课程特点是内容多、知识点零散、概念定义多，书中许多抽象的内容很难通过语言的表述来讲清楚，理解起来相对困难。教师在教学过程中运用现代多媒体教学手段，自己动手制作多媒体课件，针对专业特点选择教学内容和教学方法；另外，通过演示一些动画图片和视频，使得原来抽象的、枯燥的知识形象化，使学生易于理解和掌握，同时还增大了教学信息量，在有限的学时内给学生尽可能多地传达了信息量。
四、优化实验教学，培养学生的创新能力
工科专业的实验教学是理论联系实际的重要环节，与课程体系、学科结构和教学改革等有着密切的关系，对培养大学生的工程意识和创新思维，以及动手能力和分析解决问题能力具有十分重要的意义。我校“工程材料力学性能”课程基本实验包括碳钢静拉伸，不同成分、热处理工艺对钢材力学性能的影响，金属的冲击韧性，金属的硬度，金属材料平面应变断裂韧性KIC的测定五个实验。这些实验比较适合金属材料、材料加工专业的学生，对于材料物理专业的学生来说，难以感受本专业特点。[2]因此，结合不同的专业特点，将“工程材料力学性能”课程的实验内容涵盖多个专业，分为必修、选修两部分。优化后的实验内容，不但可以增强学生的动手能力，还可以使不同专业的学生加深对自身专业的理解。比如，针对材料物理专业的本科生，可以开设纳米材料力学性能测试综合选修实验课。笔者结合自身的科研内容，制备一系列的纳米线及纳米薄膜材料，同时，材料科学与工程学院新引进的AgilentG200纳米压痕仪，可用来测量纳米材料的硬度、模量、应力—应变曲线等传统力学仪器不能测量的纳米材料的力学性能。该试验的开设，既使学生巩固了前期所修的“工程材料力学性能”课程，提高学生综合运用知识的能力，又拓宽了学生的视野，对纳米材料的力学性能有了更深层次的理解，为其后续的工作和科研奠定了良好的理论和实践基础。材料力学性能实验方法大都有国家标准，在实验教学过程中，教师除了传授最基本的操作方法外，还指导学生如何查找相关标准，对标准进行阅读，引导学生根据标准文件设计、实施相关实验，使实验操作真正做到有据可依，以期培养学生的工程规范意识。另外，针对教材标准滞后实际标准的现象，还介绍目前国内外近期标准，以其让学生了解近期的测试标准技术信息，同时还使学生对相关测试技术的发展有完整的认识，这对于他们将来的事业发展是非常有利的。[5]
五、优化考核方法，评价学生素质
传统的一张试卷定终身的考试形式早已不能满足现代素质教育、创新教育的需要。对此，老师采取了综合考核方法，从终结性教学评价模式向形成性教学评价方式转变。[6]综合考核方法中除了学生的期末笔试成绩外，还包括课堂提问、课后作业、实验成绩、小论文等多种评价手段。新的考核方式既锻炼了学生自主创新、知识综合运用的能力，又培养了学生查阅分析信息资料、收集分析数据和撰写科技论文的能力。此外，为了提高学生综合运用知识的能力，卷面考试有必要增加一些主观题。比如笔者在出考卷时，增加了一道综合应用题，内容是结合具体技术和方法，论述材料磨损的控制和防磨措施，从而要求学生将材料磨损的相关知识融会贯通，灵活运用。通过考核方式的改革，学生学习的积极性和主动性都大大提高。上述几个方面的改革探索，使学生能有效地掌握本门课程的知识，为后续课程和科研工作奠定良好的理论基础，同时为大学毕业生在将来实际工程中正确地选择和使用材料、改进材料性能以及分析材料失效行为等问题打下坚实的基础。
力学性能论文:工程材料力学性能教育革新
一、“工程材料力学性能”课程特点及教学现状
1“.工程材料力学性能”课程特点材料的力学性能是指材料在外加载荷作用下或外加载荷与环境因素共同作用下所表现出来的力学行为与机理，是各类材料在实际应用中必须涉及的共性问题。[1]“工程材料力学性能”课程最早是“金属材料力学性能”，后来改名为“材料力学性能”，现在部分教材又改名为“工程材料力学性能”，是许多工程类本科生重要的专业基础课，其教学效果好坏对学生能否打下一个良好的专业基础起着重要的作用。该课程内容涉及面广、工程应用背景强，在材料科学与工程、土木工程、机械工程等专业领域有着重要的应用。本课程的学习，对提高工程类专业学生整体素质及工程实践能力起着至关重要的作用，使得学生能够从各种机器零件或构件在常温、高温以及腐蚀环境的服役条件下的失效现象出发，了解失效现象的机理，从而为他们毕业后从事材料的检测和性能评定、材料的正确选用和安全应用，以及对机械零件的失效分析等工作奠定良好的基础，为企业乃至国民经济的发展提供有力的后备军。
2“.工程材料力学性能”课程教学现状安徽工业大学（以下简称“我校”）材料学院共分金属材料工程、材料成型及控制、无机非金属材料、材料物理四个本科专业，目前，四个专业使用的《工程材料力学性能》是合肥工业大学主编的同一本教材，该教材的内容包含金属材料的力学性能和新型材料的力学性能两大部分，侧重点是金属材料的力学性能部分，主要包含“高分子材料的力学性能”、“陶瓷材料的力学性能”和“复合材料的力学性能”三章的内容。[2]金属材料力学性能的研究时间较长，主要的原理、定律和结论已比较成熟，新型材料力学性能的内容相对较少，它的研究主要借鉴于金属材料力学性能的研究经验和方法。本教材比较适合金属材料工程、材料成型及控制两个专业的学生，对其他专业的学生则显得内容相对较少，不太适合。而且，本课程的内容多、涉及面广，课程学时有限，书中许多抽象的内容很难通过语言的表述来讲清楚，在课堂上教师生硬的照本宣科会使学生感到枯燥乏味，课堂的气氛很难被充分地调动起来，教学效果不佳。针对目前的教学现状，如果不对课程的教学进行改革，授课教师很难在有限的学时内保质保量地完成本课程的教学任务。笔者在“工程材料力学性能”课程的教学实践中体会到：授课教师需要根据专业特点来组织教学内容，才能在规定的学时内完成课程的教学任务。根据专业特点来组织教学内容，使得学生学习和教师授课的侧重点都突出，学生能在有限的学时内提炼出与专业学习有密切联系的知识，加以掌握和应用。[3]本课程的教学目标是使学生能运用所学的理论知识分析材料实际的使用情况，对材料的失效现象的机理进行分析。
二、依据材料物理专业特点，优化教学内容
在“工程材料力学性能”课程教学实践中，笔者结合材料物理专业特点，在保障课程基本内容和结构的前提下，对整本教材进行整合，提炼出一般了解和必须掌握的内容，使学生能在规定的学时内有效地掌握最基本的教学内容。[3]近年来，随着科学技术的发展，材料的种类越来越多，新型材料应用日新月异，纳米材料、薄膜材料和微机电材料快速发展，材料的特征尺寸越来越小，传统的材料力学性能测试手段已无法实施，微区材料的力学性能测试手段应运而生。新材料力学性能测试的标准不断颁布，已有材料的国内标准需与国际标准接轨而不断修改，迫切需要材料力学性能的教学与生产力发展水平一致。鉴于以上几个方面内容，该课程讲授内容主要从以下四个部分来展开：及时部分（及时至第四章）阐述材料在一次加载条件下的形变和断裂过程，所测定的力学性能指标用于评价零件在服役过程中抗过载失效的能力或安全性；第二部分（第五至第八章）论述疲劳、蠕变、磨损和环境效应四种常见的与时间相关的失效形式，材料对这四种形式失效的抗力将决定零件的寿命；第三部分（第九至第十一章）（纳米材料/复合纳米材料）依据材料物理专业的特点，重点讲解纳米材料的力学性能，这其中包括纳米金属材料的力学性能、纳米非金属材料的力学性能、碳纳米材料的力学性能、纳米复合材料的力学性能等；第四部分实验教学中引入国家标准的学习。
三、优化教学方法与手段，锻炼学生能力
任何教学过程的开展都离不开一定的方式或方法。传统的教学方法是以教师讲授为主，学生处于被动的接受地位。教学方法的优化倡导以学生为主，强调学生是学习的主人，培养他们自己查阅资料，自己释疑，自己总结，最终具备自我学习的能力。[4]在这个过程中，教师要充分发挥引导作用，充分调动学生的积极主动性。下面以“纳米材料的力学性能”为例来说明教学方法的优化，笔者采用“三步式”教学方法，取得了良好的教学效果。及时步：教师指导学生上网查阅“纳米发动机”的相关资料，并就“纳米发动机”的提出、原理及当前的发展现状写一篇综述性报告，在下一堂课让学生讲解；第二步：根据自己的备课内容及结合自身的科研经历，进一步给学生讲解“纳米发动机”相关材料的制备方法及工艺技术特点；第三步：学生根据教师授课内容和自己查阅的相关资料，完善自己的综述报告。“三步式”教学法组织实施教学，不但可以提高学生学习本门课程的积极性，使学生掌握的知识更加牢固，而且有利于拓展学生的视野，培养了学生的科研兴趣，进一步增强了学生自我获取知识的能力。教学手段是指教师用以运载知识、传递教学信息的物质媒体或物质条件，是现代的教师进行教学活动必不可少的辅助用具。随着计算机应用技术的普及，学校和教师越来越关注用计算机网络技术来提高教学效率和教学质量。[4]“工程材料力学性能”课程特点是内容多、知识点零散、概念定义多，书中许多抽象的内容很难通过语言的表述来讲清楚，理解起来相对困难。教师在教学过程中运用现代多媒体教学手段，自己动手制作多媒体课件，针对专业特点选择教学内容和教学方法；另外，通过演示一些动画图片和视频，使得原来抽象的、枯燥的知识形象化，使学生易于理解和掌握，同时还增大了教学信息量，在有限的学时内给学生尽可能多地传达了信息量。
四、优化实验教学，培养学生的创新能力
工科专业的实验教学是理论联系实际的重要环节，与课程体系、学科结构和教学改革等有着密切的关系，对培养大学生的工程意识和创新思维，以及动手能力和分析解决问题能力具有十分重要的意义。我校“工程材料力学性能”课程基本实验包括碳钢静拉伸，不同成分、热处理工艺对钢材力学性能的影响，金属的冲击韧性，金属的硬度，金属材料平面应变断裂韧性KIC的测定五个实验。这些实验比较适合金属材料、材料加工专业的学生，对于材料物理专业的学生来说，难以感受本专业特点。[2]因此，结合不同的专业特点，将“工程材料力学性能”课程的实验内容涵盖多个专业，分为必修、选修两部分。优化后的实验内容，不但可以增强学生的动手能力，还可以使不同专业的学生加深对自身专业的理解。比如，针对材料物理专业的本科生，可以开设纳米材料力学性能测试综合选修实验课。笔者结合自身的科研内容，制备一系列的纳米线及纳米薄膜材料，同时，材料科学与工程学院新引进的AgilentG200纳米压痕仪，可用来测量纳米材料的硬度、模量、应力—应变曲线等传统力学仪器不能测量的纳米材料的力学性能。该试验的开设，既使学生巩固了前期所修的“工程材料力学性能”课程，提高学生综合运用知识的能力，又拓宽了学生的视野，对纳米材料的力学性能有了更深层次的理解，为其后续的工作和科研奠定了良好的理论和实践基础。材料力学性能实验方法大都有国家标准，在实验教学过程中，教师除了传授最基本的操作方法外，还指导学生如何查找相关标准，对标准进行阅读，引导学生根据标准文件设计、实施相关实验，使实验操作真正做到有据可依，以期培养学生的工程规范意识。另外，针对教材标准滞后实际标准的现象，还介绍目前国内外近期标准，以其让学生了解近期的测试标准技术信息，同时还使学生对相关测试技术的发展有完整的认识，这对于他们将来的事业发展是非常有利的。[5]
五、优化考核方法，评价学生素质
传统的一张试卷定终身的考试形式早已不能满足现代素质教育、创新教育的需要。对此，老师采取了综合考核方法，从终结性教学评价模式向形成性教学评价方式转变。[6]综合考核方法中除了学生的期末笔试成绩外，还包括课堂提问、课后作业、实验成绩、小论文等多种评价手段。新的考核方式既锻炼了学生自主创新、知识综合运用的能力，又培养了学生查阅分析信息资料、收集分析数据和撰写科技论文的能力。此外，为了提高学生综合运用知识的能力，卷面考试有必要增加一些主观题。比如笔者在出考卷时，增加了一道综合应用题，内容是结合具体技术和方法，论述材料磨损的控制和防磨措施，从而要求学生将材料磨损的相关知识融会贯通，灵活运用。通过考核方式的改革，学生学习的积极性和主动性都大大提高。上述几个方面的改革探索，使学生能有效地掌握本门课程的知识，为后续课程和科研工作奠定良好的理论基础，同时为大学毕业生在将来实际工程中正确地选择和使用材料、改进材料性能以及分析材料失效行为等问题打下坚实的基础。
力学性能论文:秸秆纤维在干混砂浆力学性能的影响
摘要：本文首先总结了秸秆和干混砂浆的应用现状和基本特点，提出在干混砂浆中使用秸秆纤维可以提高砂浆的力学性能，并通过试验进行了分析验证，得出了在试验范围内干混砂浆的抗压、抗拉、拉伸粘接强度会随着秸秆纤维含量的增加而增强的结论。
关键词：秸秆纤维；干混砂浆；力学性能
1秸秆应用的现状及基本特点
我国作为世界人口大国，粮食产量为世界及时，相应农作物秸秆量也居于世界首位。据相关数据显示：近年，每年我国的秸秆产量已经突破9亿t，并以每年0.12亿t的数量逐步增加。很长一段时间内，我国的秸秆资源的利用效率不高，处理相对简单：用于农村生活中的烧火做饭，饲料喂养家畜等。近年，随着科学水平的提高，秸秆还田施肥，秸秆气化制成沼气等技术正在被推广开来。但是，作为此类用途的秸秆的使用量仅仅为其总量的50%左右，大量秸秆资源被浪费，特别是在我国一些相对落后的地区，秸秆焚烧现象仍然十分普遍。如何提高秸秆的使用效率，利用其优点，创造更大的经济价值越来越收到人们的重视。秸秆密度为0.316g/cm3。秸秆和大多数植物细胞一样是由细胞壁和细胞内部的各种物质组成的，其细胞壁占到细胞总量的80%以上。秸秆细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素主要起骨架作用，支撑起整个细胞，木质素起硬化固化作用，而半纤维素则起到内部粘接作用。秸秆纤维抵抗破坏断裂的性能和抵抗拉伸变形的能力很高。
2干混砂浆的现状及基本特点
总理在2016年9月的国务院常务会议中表示：我国将深化政府改革，大力发展装配式建筑，从而调整产业结构升级。所谓装配式建筑是指在建筑材料工厂预制建筑构件，然后运输到施工现场进行装配而得到的建筑物。现场装配建筑物构件离不开干混砂浆的粘合作用，近年来，我国干混砂浆产量已成为世界及时，每年已超过1亿t，预计到2020年全国范围内，干混砂浆使用率将超过50%相对于普通的湿拌砂浆，干混砂浆具备和易性好，干缩变形小，质量稳定等特点。在干混砂浆中加入秸秆纤维，不仅可以提高干混砂浆的理化性能，更能提高秸秆的利用效率是农业和建筑的结合，本文将通过试验，对秸秆纤维对干混砂浆的力学性能的影响进行研究。
3试验部分
3.1试验目的
检验秸秆纤维对干混砂浆力学性能的基本影响，希望找出秸秆纤维掺量对干混砂浆抗压强度、抗折强度、拉伸粘接强度的一般规律。
3.2试验材料
水泥：采用天水P•O42.5级普通硅酸盐水泥；砂：采用细度为70目的水洗河砂；纤维素醚HPMC：采用赫达15万粘度值；粉煤灰：上海石洞口发电厂，一级粉煤灰；矿粉：山东康晶S95；秸秆纤维：本试验室自制，纤维长度为8mm。
3.3试验设备
本试验所使用的仪器设备主要包括：砂浆搅拌机：采用无锡建仪JJ-5型水泥砂浆搅拌机；抗折试验机：隆辉KZJ-500型水泥电动抗折试验机；压力试验机：无锡建仪TYE-2000B压力试验机；其他器材：烧杯、天平、搅拌棒、三联模、养护箱，振实台等。
3.4试验设计
本干混砂浆采用的灰砂比，即胶凝材料掺量与砂质量比为1：2.5，水灰比采用固定值0.5，用一级粉煤灰和矿粉分别代替10%的水泥作为胶凝材料，外掺羟丙基甲基纤维素HPMC的量也固定为胶凝材料的0.5%，秸秆纤维掺量占胶凝材料总质量的百分比用P表示，若胶凝材料总质量为300g，则得试验用砂浆各成分比例如表1所示。P=0%，0.05%，0.1%，0.15%，0.2%。本试验中，为保障试验结果的说服力，除秸秆纤维掺量为变量外，其他成分均为定值，根据加入不同质量比例的秸秆纤维，判断秸秆纤维与干混砂浆力学性能之间的基本联系。
3.5试验过程概述
试验过程结合《干混砂浆物理性能试验方法》（GB/T29756-2013）、《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T17671-1999）及《建筑砂浆基性能试验方法》（JGJ70-2009）的规定。按照上表配比分别进行搅拌，搅拌完成后将拌制好的砂浆浇筑在三联模中，表面刮平，经24h后脱模，标准试验条件下养护28d，使用抗折试验机和压力试验机检查28d抗折、抗压强度拉伸粘接强度。
3.6试验结果及分析
3.6.128d抗折强度试验结果显示秸秆纤维掺量比例P分别为0%；0.05%；0.1%；0.15%；0.2%时，28抗折强分别为6.5MPa；7.1MPa；7.6MPa；8.2MPa；8.7MPa。不同比例秸秆纤维掺量下的砂浆抗折强度值，可见，相对于P=0%时，含有秸秆纤维的砂浆试块的28d抗折强度均有所提高，且随着P值的增加，砂浆的28d抗折强度逐渐增强，当P取本试验较大值0.2%时，砂浆28d的抗折强度也达到峰值8.7MPa，总量约增加了34%。3.6.228d抗压强度试验结果显示秸秆纤维掺量比例P分别为0%；0.05%；0.1%；0.15%；0.2%时，28抗压强分别为24.2MPa；24.7MPa；25.3MPa；26.5MPa；27.2MPa。不同比例秸秆纤维掺量下的砂浆抗压强度值，可见，相对于P=0%时，含有秸秆纤维的砂浆试块的28d抗压强度均有所提高，且随着P值的增加，砂浆的28d抗压强度逐渐增强，当P取本试验较大值0.2%时，砂浆28d的抗压强度也达到峰值27.2MPa，总量约增加了12%。3.6.328d拉伸粘接强度试验结果显示秸秆纤维掺量比例P分别为0%；0.05%；0.1%；0.15%；0.2%时，28抗压强分别为0.66MPa；0.71MPa；0.74MPa；0.79MPa；0.85MPa。不同比例秸秆纤维掺量下的砂浆拉伸粘接强度值，可见，相对于P=0%时，含有秸秆纤维的砂浆试块的28d拉伸粘接强度均有所提高，且随着P值的增加，砂浆的28d拉伸粘接强度逐渐增强，当P取本试验较大值0.2%时，砂浆28d的拉伸粘接强度也达到峰值0.85MPa，总量约增加了29%。
4结语
综上可见在干混砂浆此类水泥基脆性材料中加入一定量的秸秆纤维，可起到纤维增强作用。秸秆纤维在砂浆试块中均匀分散，形成了微小的“细筋”结构，在试块受外力作用时，减少了砂浆试块中微裂纹的产生。同时，通过对比观察，随着秸秆纤维的掺量增加，砂浆试块的抗折抗压强度均有所提高，但抗折强度增幅更大，压折比减小，韧性增加。
作者：韩晓冬 单位：天津城市建设管理职业技术学院
力学性能论文:胶粒混凝土力学性能与耐久性性能研究
［摘要］混凝土中加入胶粒，可有效改善混凝土的某些性能。文中采用三因素三水平的正交试验，分析了胶粒混凝土的力学性及耐久性能发展规律，并与基准混凝土进行对比。试验结果表明：掺入胶粒后，混凝土的抗压强度及抗折强度均降低，弹性模量降低，但抗渗性、抗冻性和抗冲磨性显著提高。考虑胶粒混凝土的力学性能与耐久性，胶粒混凝土的胶粒掺入量应控制在15±5%左右。
［关键词］胶粒混凝土；力学性能；耐久性能
引言
根据国内大量学者的研究，将橡胶粉掺入混凝土中，可显著改善混凝土的某些性能[1，2]。王琦[3]采用正交试验法得出：胶粒粒径是胶粒混凝土抗渗性能的显著影响因素，相对于基准混凝土来说，加入胶粒后明显降低了其质量损失率。高凤[4]采用正交试验得出：胶粒混凝土的弹性模量与胶粒掺量、胶粒粒径、水灰比三因素之间存在良好的线性关系。张迎雪[5]采用混合正交试验胶粒混凝土的抗冲磨性能，结果表明，胶粒混凝土的磨损率降低。以上关于胶粒混凝土性能的研究已较为成熟，但并未给出胶粒混凝土力学性能与耐久性能的综合研究。本研究在其基础上，进一步分析了胶粒混凝土力学性能与耐久性能受胶粒掺量、胶粒粒径、水灰比的影响。
1试验设计
1.1试验原材料
水泥为42.5R型硅酸盐水泥；粗骨料为卵石，粒径为5~31.5mm，表观密度为2650kg/m3，为连续级配；细骨料为河砂，表观密度为2700kg/m3，细度模数为2.43，级配合格；胶粒为橡胶颗粒，粒径在0.6~4.75mm之间；水为试验室自来水。原材料各种指标均满足国家标准规定。
1.2试验设计
根据三因素三水平正交组合设计，安排9组试验点用于测定胶粒混凝土的力学性能和耐久性，每组3个试件，共162个试件。试验因素水平见表1。胶粒的掺入选用等体积代砂法。
1.3试验方法
试验按照《水工混凝土试验规程》的规定，采用水下钢球法进行胶粒混凝土的抗冲磨性试验；抗渗性采用一次性加压法；抗冻性采用冻融循环法；抗折强度采用劈裂法；弹性模量采用千分表法。
2试验结果及分析
表2所示胶粒混凝土的力学性能和耐久性试验结果。
2.1胶粒混凝土力学性能
2.1.1抗压强度及抗折强度表3所示为胶粒混凝土抗折强度及抗压强度的极差分析结果。表3胶粒混凝土抗折强度及抗压强度的极差分析1）实验中所选三个因素对胶粒混凝土抗压强度及抗折强度影响的主次顺序依次为：胶粒掺量、水灰比、胶粒粒径。2）灰比在0.4~0.6之间变化时，抗压强度及抗折强度都在降低。水灰比平均每增加0.1，抗压强度降低13%，抗折强度降低15%。3）与基准混凝土相比，平均每增加15%的胶粒掺量，抗压强度降低22%。胶粒掺量在0~15%之间变化时，混凝土的抗折强度降低25%，随着胶粒掺量的继续增加，抗折强度的降幅减小。2.1.2弹性模量参考相关文献［4］关于胶粒混凝土弹性模量的研究可知：与基准混凝土相比，胶粒混凝土的弹性模量降低约60%~70%；影响胶粒混凝土弹性模量的主次顺序依次为胶粒掺量、胶粒粒径、水灰比；胶粒平均每增加15%，弹性模量降低21%。并且胶粒混凝土的弹性模量与胶粒掺量、胶粒粒径、水灰比之间存在良好的线性关系。
2.2胶粒混凝土耐久性
2.2.1抗冲磨性图3为抗冲磨强度单因素分析图，由图可得：1）掺入胶粒从0增加到15%时，抗冲磨强度由5.08h/（g/cm2）增加到12.58h/（g/cm2），是基准试件2.47倍。但随着胶粒从15%增加到30%，抗冲磨强度由12.58降低到1.85h/（g/cm2），降低幅度较大。2）从图（c）中可以看出：抗冲磨强度随胶粒粒径的变化基本为一条直线，即抗冲磨强度基本不受胶粒粒径的影响。2.2.2抗渗性与抗冻性参考相关文献［3］胶粒混凝土抗渗性、抗冻性的分析，绘制相关曲线图4、图5，得：数先降低后升高。受掺入胶粒的影响，相对渗透系数先增大后减小，但胶粒掺量在0%~30%变化时，相对渗透系数受胶粒掺入的影响比较小。胶粒粒径在1.18~2.36mm变化时，相对渗透系数低，即抗渗性好。2）胶粒混凝土的抗冻性受胶粒掺量的影响最为显著，掺入胶粒后，混凝土的抗冻性明显升高。掺入胶粒15%的混凝土质量损失率仅为0.6%，相对于普通混凝土的6.6%，降低了90%。但胶粒掺量增加到30%以后，出现了反弹。
3结论
1）受掺入胶粒的影响，胶粒混凝土的抗压抗折强度降低，弹性模量降低。2）胶粒掺量是影响胶粒混凝土耐久性的主要因素，相比于基准混凝土，胶粒混凝土的抗渗性、抗冻性和抗冲磨性都有所提高。3）综合考虑胶粒混凝土的力学性能及耐久性性能，掺入胶粒应当在15±5%左右，此时，混凝土的各项性能均较为良好。
力学性能论文:碳纤维如何增强复合材料的力学性能
摘要：碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的应用范围进一步扩大，不难看出，这种材料因其较好的综合性能远远超越了单一组合的材料模式。本文试图对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能进行深入的研究。本文使用了简单概述，也采用了重点分析的研究策略，梳理了对研究对象的概述和主要的性能特点。
关键词：碳纤维；复合材料；力学性能
本文以碳纤维增强热塑性树脂基复合材料为研究对象，对相关的概念和内容进行了梳理和总结。其中概括了碳纤维的性质性能，对复合材料的概念进行了阐述，对碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能作了详尽的分析说明。
1.关于碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的概述
⑴复合材料的概念：面对传统、单一组分的材料已经难以满足现在应用需要的现实状况，开发研制新材料，是解决这个问题的根本途径。运用对材料改性的方法，来改善材料的性能是可取的。而材料改性的方法中，复合是最为常见的一种。国际标准化组织对于复合材料的概念有明确的界定：复合材料是指由两种或两种以上不同化学性质和物理性质的物质组成的混合固体材料。它的突出之处在于此复合材料的特定性能优于任一单独组分的性能。⑵复合材料的分类简介：复合材料的有几种分类，这里不作一一介绍。只介绍两种与本论文相关的类别划分。如果以基体材料分类，复合材料有金属基复合材料；陶瓷基复合材料；碳基复合材料；高分子基复合材料。本文讨论的是一种高分子基复合材料，它是以有机化合物包括热塑性树脂、热固性树脂、橡胶为基体制备的复合材料。第二，如果按增强纤维的类别划分，就存在有机纤维复合材料、无机纤维复合材料、其他纤维复合材料。其中本文讨论的对象属于无机纤维复合材料这一类别，因为碳纤维就是无机纤维复合材料的其中一种。特别值得注意的是，当两种或两种以上的纤维同时增强一个基体，制备成的复合材料叫做混杂纤维复合材料。实质上是两种或两种以上的单一纤维材料的互相复合，就成了复合材料的“复合材料”。
2.纤维增强树脂基复合材料的性能特点
纤维增强树脂基复合材料是指以高分子聚合物为基体材料，用纤维作增强材料复合制备而成的。基体材料和增强材料必然各自发挥自己的优势作用。之所以用纤维作增强材料是因为纤维具有高强度和高模量的优点，所以是承载体的“不二人选”。而采用高分子聚合物作基体材料，是考虑其良好的粘接性能，可以将纤维和基体牢固的粘连起来。不仅仅如此，基体还需发挥均匀分散载荷的作用，通过界面层，将载荷传递到纤维，从而使纤维承受剪切和压缩的载荷。当两者存在良好的复合状态，并且使结构设计趋于化，就能较大程度上发挥复合材料的综合性能。⑴抗疲劳性能好：所谓疲劳破坏指的是材料在承受交变负荷时，形成裂缝继续扩大而引起的低应力破坏。纤维增强树脂基复合材料的疲劳破坏的发生过程是，首先出现裂缝，继而裂纹向进一步扩大的趋势发展，直到被基体和纤维的界面拦阻。在此过程中，纤维的薄弱部位被破坏，随之逐渐扩延到结合面。因此，纤维增强树脂基复合材料在疲劳破坏前存在明显的征兆，这与金属材料的疲劳发生截然不同。这也是它的抗疲劳性能好的具体表现。⑵高温性能好：纤维增强树脂基复合材料具有很好的耐热性能。将材料置于高温中，表面分解、气化，在吸热的同时又冷却下来。材料在高温下逐渐消失的同时，表面又有很高的吸热效率。这些都是材料高温性能的物理特征。⑶高比强度和比模量：纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和高比模量的特征。甚至在和钢、铝、钛等金属材料相比，它的力学性能也十分出色。这种材料在宇航工业中，受到极大的应用。⑷安全性能好：纤维增强树脂基复合材料中分布的纤维数量巨大，并且密度强，用数据来说明的话，每平方厘米的复合材料上的纤维数量少则几千根，多则达到上万根。即便材料超负荷，发生少量纤维的断裂情况，载荷也会进行重新分配，着力在尚未断裂的纤维部分。因此，短时间内，不会影响到整个构件的承载能力。⑸设计的可操作性强：当复合材料需要符合性能和结构的设计需求时，可以通过很多方法来实现。包括改变基体和纤维的品种，调整它们的含量比例，也可以通过调整纤维的层铺结构和排列方式来实现。因此，可以说，纤维增强树脂基复合材料有很强的设计可操作性。⑹成型工艺简单易成：成型工艺过程十分简单易成，因其制品大多都是整体成型，无需使用到焊接、切割等二次加工，工艺流程简单好操作。一次性成型不仅可以减少加工的时间，同时减少了零部件、紧固件、接头的损耗，使结构更趋于轻量化。⑺减震性能好：高的自振频率可以对工作状态下的早期破坏起到规避和防范的作用。自振频率和材料比模量的平方根成正比，和材料结构也息息相关。纤维增强树脂基复合材料的基体界面和纤维因为具有吸振能力，所以能够起到很好的减震效果。
3.碳纤维增强热塑料树脂基复合材料中碳纤维的性质
⑴对纤维的分类：纤维存在有机纤维和无机纤维之分。增强纤维共有五大类别，分别是：硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及芳纶纤维。除一种芳纶纤维以外，其他四种都属于无机纤维。碳纤维是五大纤维之冠，是增强纤维中最有活力的一种。碳纤维复合材料种类很多，但是应用最广泛的还要属碳纤维增强树脂基复合材料。⑵碳纤维的性质和性能：碳纤维是纤维状的碳素材料，它的性质包括导热、导电、耐温、耐磨、比重小且耐腐蚀性等。除此之外，它的性能也相当突出，具有热膨胀系数小、抗震动衰减、自润滑性以及防原子辐射等。因为碳纤维的纤维属性，因此可以对其编制加工，缠绕成型。利用纤维状直径细的特点，是制成复合材料杂曲面构件部件的绝佳材料。碳纤维能够成为最有活力的增强纤维，它密度低，抗拉伸强度可以和玻璃纤维比肩，而碳纤维的弹性模量却是后者的4到5倍。在惰性气氛中，碳纤维的抗拉强度随温度的升高而攀升，表现出极佳的性能。因此，不得不说碳纤维是复合材料增强纤维的。⑶碳纤维的力学性质：碳纤维的力学性质主要通过轴向抗拉模量来体现。当热处理温度上升，碳纤维的模量随之攀升。细直径纤维在预氧化过程中，发生碳化，产生很多排列整齐的饿表皮结构。这些结构对碳纤维模量的增加又起到推波助澜的作用，促使它的模量进一步提高。碳纤维模量的变化趋势以施加负荷的方式作为判别标准，不是随应变的增加而增加，就是随应变的增加而下降，无非是这两种情况。
4.纤维增强热塑性树脂基复合材料的力学性能研究
⑴纤维增强树脂基复合材料的力学性能①拉伸性能：单向增强树脂基复合材料，沿纤维方向的拉伸模量跟纤维体积含量的增大成正比增加。但是如果采用的是短切纤维和玻璃布增强的材料层合板，拉升强度和拉升模量就不与纤维体积成正比增加，但是仍然保持随纤维体积增加而提升。通常情况下，复合材料的纤维方向的主弹性模量，双向是单向的0.5-0.55倍。而混杂纤维增强树脂基复合材料的弹性模量是拉伸模量的0.35-0.4倍。②压缩性能：树脂基复合材料的压缩性能由基体材料的质量决定，拉伸性能由纤维增强材料的质量决定。因此，要想提高树脂基复合材料的压缩性能，就得立足于选用抗压强度较高的树脂基体。纤维树脂基复合材料的压缩特性和拉伸特性存在相似性，在应力小，纤维未压弯的条件下，压缩弹性的模量接近。③弯曲性能：增强树脂基复合材料的弯曲性能受几个因素的影响，具体包括纤维增强材料的种类、铺层方式和纤维织物种类。如果这三点不同，弯曲性能就不尽相同。当纤维增强树脂基复合材料的破坏发生时，破坏首先出现在增强纤维与基体材料的界面上，其次是基体材料的破坏，出现在增强材料。④剪切性能：纤维增强树脂基复合材料的剪切强度主要和三个因素密切相关。其中包括：及时，纤维树脂界面粘接强度；第二，基体树脂强度；第三，纤维的含量。通过实验可以证明，复合材料的剪切弹性模量随着纤维含量的增大而呈上升趋势。⑵纤维增强树脂基复合材料的力学性能的特点纤维增强树脂基复合材料的力学性能特点可以简单归纳为四点。及时，比强度高；第二，其力学性能呈现明显的方向差异性；第三，弹性模量和层间剪切强度低；第四，性能分散性大。⑶界面对复合材料的力学影响界面将基体和纤维连接成一个整体，并成为应力传递的桥梁。纤维与基体的相容性会影响到界面的完整性。如果相容不好，形成界面不完整，就会影响到应力的传递。因此，完整的界面层是保障复合材料界面层均匀应力传递，凸显优异性能的前提。对于复合材料的性能呈现，界面发挥着不可替代的作用，直接影响着复合材料的力学性能。牢固而完好的界面结合层，是可以大大提高复合材料横向拉伸程度和层间拉伸程度的。同样的，它也可以恰如其分地提高复合材料的横向及层间拉剪切模量和伸模量。碳纤维实际上是一种韧性较差的纤维，当连接基体和纤维的界面是脆性的，断裂应变小，强度大的情况下，纤维很脆，断裂了，就直接导致裂纹顺着纤维的方向持续扩展，周边的纤维受到影响也相继断裂。由此可以推断，纤维增强复合材料的韧性不好。如果在此情况下，如果界面的结合强度不高，那么纤维断裂就会引起裂纹断裂的走向，沿界面扩展，在扩展路径中，凡是遇到纤维的缺陷部位和薄弱地段，裂纹自然的越过纤维，仍然沿界面扩展，就形成了曲曲折折的断裂途径。通过以上分析，不难看出，如果遇到基体、界面的断裂应变低值的情况，采取改善断裂韧性的措施，减弱界面强度，提高纤维延伸率是十分有效的办法。关于碳纤维增强复合材料的研究目前主要集中在几点上。包括有：不同基体的成型工艺、碳纤维、力学性能、界面层设计、界面层性能等。由于碳纤维增强复合材料有很高的综合性能优势，因此，目前该课题的研究仍然是活跃而兴兴向荣的。它吸引了很多对该课题感兴趣的学者的目光，国内外一些学者也投入其中，作了大量的研究，其中不乏有一些值得借鉴的思路和火花。就现在的情况而言，碳纤维增强热塑料树脂基复合材料的研究大多指向电性能，而在成型工艺、力学性能的关注和研究颇少。探索是永无止境的，而探索精神永远引领人们寻找真理。
作者：张豫坤 牛宏校 邓晨兴 单位：辽宁科技大学
力学性能论文:混凝土基本力学性能试验研究
摘要：本文针对混凝土在硫酸盐与荷载耦合作用下，对相对动弹性模量、抗压强度与侵蚀龄期的关系进行研究。分别测出侵蚀90天、180天、360天、540天，混凝土的相对动弹性模量、抗压强度。在matlab中依据所得数据绘制图像分析。结果表明，硫酸盐腐蚀与荷载作用都会损伤混凝土的力学性能。
关键词：混凝土；硫酸盐腐蚀；长期荷载作用；拟合
引言
硫酸根离子广泛存在于各种环境，通过扩散、渗透等作用侵入到混凝土内部，并与混凝土中水泥水化产物发生化学反应生成膨胀产物，使混凝土开裂，强度出现大幅度缩减。与此同时，考虑到混凝土自重较大，特别是道路、桥梁等结构还要承受一定的交通荷载，所以混凝土在实际使用期间需要承受荷载和硫酸盐腐蚀的双重作用。以往的混凝土硫酸盐侵蚀研究基本是集于在硫酸盐单一因素环境下开展的，忽视了混凝土在现实环境中需要承受荷载这一要素。最近几年间，已有部分学者开始关注这个问题，并通过大量试验来分析混凝土长期承受荷载和硫酸盐腐蚀的过程中性能的变化趋势。本文主要研究荷载-硫酸盐侵蚀双因素耦合作用对混凝土材料力学性能的影响，以及混凝土的损伤演化规律。
1试验方法
本文的试验是将受轴向压应力的混凝土构件放置于硫酸盐溶液中。也就是在硫酸盐溶液侵蚀混凝土的同时，加载轴向压应力。加载装置利用预应力后张法原理，通过拧紧螺母压缩弹簧对混凝土施加荷载。测出90天、180天、360天、540天，混凝土的动弹性相对模量、抗压强度。
2硫酸盐侵蚀与载荷作用后混凝土基本力学性能
2.1相对动弹性模量
随着侵蚀龄期的变化情况混凝土在1%浓度的硫酸盐溶液，在0%与15%的应力水平下相对动弹性模量随着侵蚀龄期的增加而增加，而在30%的应力水平下，相对动弹性模量随着侵蚀龄期的增加先增加后减小。混凝土在5%和10%浓度的硫酸盐溶液，在0%与15%的应力水平下相对动弹性模量随着侵蚀龄期的增加先增加后减小，在30%的应力水平下直接减小。混凝土在0%的应力水平下侵蚀至540天时所有浓度下的混凝土的动弹性模量都没有小于初始值；在15%的应力水平下，侵蚀至540天时只有10%浓度的硫酸盐溶液中混凝土的相对动弹性模量小于初始值；在30%应力水平下，侵蚀至540天时，所有浓度的硫酸盐溶液中混凝土的相对动弹性模量都小于初始值。（图1-3）
2.2不同硫酸盐溶液浓度下，抗压强度随着侵蚀龄期的变化
混凝土在1%浓度的硫酸盐溶液中，在0%和30%的应力水平下抗压强度随着侵蚀龄期的增加，先增加后减小，而在15%应力水平下抗压强度随着侵蚀龄期的增加而增加。混凝土在5%浓度的硫酸盐溶液中，抗压强度均随着侵蚀龄期的增加先增加后减小。混凝土在10%浓度的硫酸盐溶液中，在0%和15%应力水平下，抗压强度随着侵蚀龄期的增加先增加后减小，在30%的应力水平下，抗压强度随着侵蚀龄期的增加不断减小。
3结论
本文针对硫酸盐侵蚀与荷载共同作用下，混凝土的基本力学性能进行了研究，主要结论如下：①硫酸盐侵蚀对混凝土的动弹性模量与抗压强度有削弱作用，并且硫酸盐浓度越大削弱作用越明显。②低荷载作用下，混凝土的动弹性模量与抗压强度会出现一段加强阶段但是随着荷载的逐步增加，加强阶段逐渐变短当荷载达到30%应力水平加强阶段开始消失。
作者：任逸飞 左志远 姜孟杰 王中原 单位：徐州工程学院
力学性能论文:高强混凝土短柱力学性能试验研究
【摘要】在随着科技的不断发展，混凝土的强度不断提高，此外建筑方案的复杂化也使得在许多建筑当中必须要设置短柱。而短柱的抗震性能相对较低，利用高强混凝土浇筑的短柱的力学性能一直以来都没有引起学术界的关注，在本文当中，笔者利用12根高强混凝土短柱进行了实验，研究了高强混凝土短柱在反复荷载作用下的力学性能进行了研究，主要研究了高强混凝土的延性以及抗剪强度等力学能力。
【关键词】高强混凝土短柱；力学能力；实验研究
1前言
自从改革开放之后，我国的经济持续高速发展，许多高层以及超高层建筑不断出现，这部分建筑由于底层轴压比的限制，必须要采用强度较高的混凝土，特别是在超高层建筑当中，往往底层竖向构建的混凝土强度等级都需要达到C60。同时由于建筑抗侧移刚度的影响，许多底层的柱子都必须要加大截面才能保障建筑的整体稳定，这就必然导致短柱的产生。我国现阶段使用的《混凝土结构设计规范》、《高层建筑混凝土设计规程》以及《建筑抗震设计规范》等规范与规程往往都是基于低等级的混凝土研究而得出的结果，因此，这些规范对于高强度的混凝土结构设计存在着一定的缺陷，采用高强混凝土建造的框架柱，其延性以及抗剪强度能否得到有效的保障对于建筑的抗震性能具有非常严重的影响。在本文当中笔者对不同轴压比以及配箍率的高强混凝土短柱的延性以及抗剪性能进行了必要的研究。
2实验概况
2．1加载装置及加载制度在本文的实验研究当中，笔者采用的是一种搭接了混凝土简支梁的框架柱，荷载的加载模式如图1中所示。首先用电液伺服作动器施加轴向荷载并保持为定值，之后再反复施加横向荷载，加载制度采用变幅变位移制度，每一控制位移下横向荷载循环2次，加载制度如图2所示。在屈服位移以前先在一个方向施加横向荷载至试件产生横向裂缝，尔后再向另一方向加载至开裂。2．2相关的试验参数在本文的实验当中，柱截面尺寸为200mm×200mm，柱子的剪跨比分别为1．65、1．5与1．35，柱子的纵向配筋率为1．78%。柱子的混凝土强度等级为C60，轴压比分别为0．8、0．7、0．6、0．5、0.4，柱子的箍筋采用直径为6和8的一级钢。
3实验结果
3．1破坏特征在实验开始的最初阶段，短柱还是处于弹性变形阶段，在卸载之后几乎没有残余变形，随着荷载的不断增加，最初在柱子的底端出现了斜裂缝，斜裂缝不断增加，最终形成较大的斜裂缝，大斜裂缝出现之后，与斜裂缝斜交的箍筋的应力不断增长，与混凝土共同承担剪力，在这个过程当中箍筋逐渐屈服，发生突然性的剪切破坏。3．2影响高强混凝土短柱延性的因素在本次实验当中，采用能量等效法求解屈服位移Δy，再根据实验所观察到的极限位移Δu，将延性比定义为:uΔ=Δu/Δy轴压比对高强混凝土短柱延性的影响:如图3中所示为不同试件在相同的体积配箍率下的位移延性比，从中我们可以看出，随着轴压比的增加，刚开始柱子的延性会不断增加，但是在增加到一定程度之后，柱子的延性明显降低，柱子出出现明显的脆性破坏特征。3．3影响高强混凝土短柱抗剪性能的因素(1)混凝土的强度根据近期的研究表明，随着混凝土强度的不断提高，混凝土柱子的抗剪性能会不断提高，但是二者之间并不是完成成正比提高。(2)剪跨比高强混凝土柱在轴压比与混凝土强度相同的情况下，构件的抗剪强度随剪跨比增大而降低。
4结语
随着高强混凝土在工程当中的运用越来越广泛，对高强混凝土柱的力学性能进行研究对于提高结构的抗震性能具有非常重要的意义，在本文当中，笔者设计了实验对高强混凝土的力学性能进行了研究。
作者：冯兆奇 单位：成都理工大学环境与土木工程学院
力学性能论文:铝锂合金自冲铆接头静力学性能研究
文摘以1420铝锂合金(AL1420)为载体制备其同质及其与H62铜合金(H62)、Q215镀锌钢(Q215)和TA1工业纯钛(TA1)异质单搭自冲铆接头。通过静力学试验分析各种接头的静失效载荷及能量吸收性能;就其失效模式分析推断其宏观失效机理。结果表明:TA1－AL1420接头静失效载荷较高，Q215－AL1420接头能量吸收性能最强;除TA1－AL1420接头外，其余各组接头失效位移呈现出的大小规律与能量吸收值的高低规律一致。当上下板材屈服强度相差不大时，接头的失效模式均为下板与铆钉分离;相差较大时，主要以屈服强度较低板断裂失效。
关键词自冲铆，铝锂合金，静失效载荷，能量吸收
引言
近年来，对结构轻量化的需求日益提高，铝锂合金等新轻型材料逐渐被应用于汽车、船舶及航空等工业中。铝锂合金是高比强度及比模量的合金;采用铝锂合金替代传统结构材料，可使构件结构质量减轻15%，刚度提高15%～20%［1］。且较先进复合材料而言，铝锂合金有明显的价格优势。但是采用传统电阻电焊等技术很难甚至不能对其实现连接;而搅拌摩擦焊、激光焊接、自冲铆接、压印连接及结构粘接等薄板材料连接新技术可以对其实现有效连接［2－3］。作为其中之一的自冲铆接是一种快速机械冷连接技术，其连接主要依靠铆接过程中上下板材及铆钉的塑性变形和回弹所形成的机械内锁来实现［4］。目前国内外学者已经对自冲铆接技术进行了一系列研究。FU等［5］研究了铆接参数变化对铝合金自冲铆接头机械性能的影响及其疲劳失效机理，发现疲劳循环至总数的75%时，接头强度逐渐降低，而至90%时强度突然下降，此外还指出刺穿力在一定范围内变化会影响接头静失效载荷，而对疲劳性能几乎没有影响。ATZENI等［6］通过试验和数值模拟的方法分析了不同铆接压力对接头成形性的影响。王医峰等［7－8］利用自冲铆连接系统、材料试验机和电子扫描显微镜等设备研究了TA1钛合金、8090铝锂合金及5052铝合金自冲铆接接头的力学性能和静态失效机理。LI等［9－10］研究了铆钉到板材边缘距离对铝合金自冲铆接头机械性能的影响;发现在板宽一定的情况下，边缘距离在一定范围内增加，接头的剪切和剥离强度也随之增加，且采用11．5mm的边缘距离可获得机械性能。然而自冲铆领域对铝锂合金自冲铆接头的研究还相对较少。本文以1420铝锂合金为载体制备其同质及其与H62铜合金、Q215镀锌钢和TA1工业纯钛异质单搭自冲铆接头;以静力学试验为基础分析接头静失效载荷、能量吸收性能及宏观失效机理。以期为后续对铝锂合金自冲铆接头的研究及铝锂合金应用于工程实际提供相关数据支撑。
1实验过程
1．1自冲铆接试验
被铆接板材为1420铝锂合金板(AL1420)、铜合金板(H62)、镀锌钢板(Q215)和工业纯钛板(TA1)，尺寸均为110mm×20mm×1．5mm，其力学性能参数如表1所示。铆接试验在德国Bllhoff公司生产的自冲铆接设备［RIVSETVARIO－FC(MTF)］上进行。本研究采用接头剖面直观检测法［11］来评价铝锂合金自冲铆接头的成形质量，接头剖面示意图及其评价标准如图1所示。通过多次对比试验获得剖面铆接参数，并以之制备AL1420－AL1420(AA)、H62－AL1420(HA)、AL1420－H62(AH)、Q215－AL1420(QA)、AL1420－Q215(AQ)、TA1－AL1420(TA)和AL1420－TA1(AT)单搭接头各10个。
1．2静力学试验
静力学试验在美国MTS公司生产的Land-mark100电液伺服材料试验机上进行。具体方法如下:在试件两端分别夹持尺寸为25mm×20mm×1．5mm的垫片，以减小试件受力不对中附加扭矩导致的影响;拉伸速率设定为5mm/min，失效判据为99%，对各组接头分别进行10次重复拉伸—剪切试验。
2结果及分析
2．1静失效载荷及能量吸收
经过静力学试验，获得各组接头的载荷位移曲线，以便比较从中各选取一条典型载荷位移曲线绘制图2。对于试验结果，依据GB/T4883—2008选用格拉布斯(Grubbs)检验法剔除离群值。经检验，所有静失效载荷数据中无离群值，数据有效;而失效位移数据中，AQ接头的第7个数据、TA接头的第3和第4个数据以及AT接头的第3个数据均为离群值，故将其剔除。以其余有效数据计算静失效载荷均值和能量吸收均值并绘制图3。可见，AA接头的静失效载荷为6．02kN，明显低于TA接头，但也明显高于其余5组接头;其能量吸收值为16．8J。TA接头的静失效载荷为6．434kN，是7组接头中的较高值，其能量吸收值为17．5J，仅次于QA接头;而AT接头的静失效载荷为4．818kN，明显低于其余接头，同时AT接头的能量吸收值也低，仅有12．3J。对于HA、AH、QA及AQ接头，其静失效载荷相差不大，分别为5．304、5．229、5．386和5．448kN;但就能量吸收值而言，QA接头(21．6J)较高，AH接头(16．8J)次之，AQ接头(15．3J)稍高于HA接头(15．1J)，QA接头明显优于其余接头。图3接头静失效载荷及能量吸收Fig．3Staticfailureloadsandenergyabsorptionsofdifferentjoints结合图2可发现，除TA接头外，其余各组接头失效位移呈现出的大小规律与能量吸收值的高低规律一致;因为能量吸收值同时受载荷与失效位移的影响，TA接头载荷上的优势弥补了其失效位移的劣势。接头能量吸收值的大小直接反映接头缓冲吸震性能的优劣，结合以上分析便可依据工程实际需求选取相应接头。综上所述可知，就静失效载荷与能量吸收而言，对于上下板屈服强度相差较大的接头，以屈服强度较低板作为下板的接头综合性能明显优于以其作为上板的接头;而对于上下板屈服强度差距相对较小的接头(如HA、AH、QA及AQ接头)，并未呈现出一定的规律性;且由AA接头可以推断，板材的延展性对接头性能存在一定的影响。
2．2失效模式
各组接头的失效模式见图4。总体来讲，除TA和AT接头外，其余5组接头的失效模式均为下板与铆钉分离;然而由于板材性能的差距以及搭接方式的不同，该5组接头的失效模式也存在一定的差异。图4中AA与AH接头上板靠近铆钉附近均出现撕裂;这是因为AL1420延展性较差，在拉伸失效过程中，板材通过塑性变形无法承受持续增加的载荷，故出现板材撕裂。而对于同样以AL1420作为上板的AQ接头，由于下板Q215延展性较好且表面镀锌，降低了铆钉与板间的摩擦力，拉伸失效过程中，下板内锁区域的损坏变形相对于AA和AH接头更为严重。HA接头由于上板延展性较好且材质较硬，失效过程中并没有出现严重的损伤;然而QA接头因上板延展性较好且材质偏软，上板铆钉孔区域出现了严重的变形。对于TA和AT接头，多数试样因AL1420断裂而失效;仅有3个TA接头试样由于下板与铆钉分离而失效，且该3个接头下板内锁区域变形均非常严重(如图4f左图);这是由TA1强度远高于AL1420且其材质硬度很高所致。结合表1可发现，当上下板材屈服强度相差不大时，接头的失效模式均为下板与铆钉分离;而相差较大时，接头的失效模式主要为屈服强度较低的板断裂失效。
3结论
(1)TA接头的静失效载荷较高，AA接头次之，AT接头低，其余4组试样差距不大;对于能量吸收值，QA接头较高，TA接头次之，AA与AH接头优于AQ和HA接头，AT接头明显低于其余6组接头。(2)除TA接头外，其余各组接头失效位移呈现出的大小规律与能量吸收值的高低规律一致;对于上下板屈服强度相差较大的接头，以屈服强度较低板作为下板的接头综合性能明显优于以其作为上板的接头;由AA接头可以推断，板材的延展性对接头性能存在一定的影响。(3)多数TA和AT接头试样因AL1420断裂而失效，仅有3个TA接头试样由于下板与铆钉分离而失效;其余5组接头的失效模式均为下板与铆钉分离。当上下板材屈服强度相差不大时，接头的失效模式均为下板与铆钉分离;而相差较大时，接头主要以屈服强度较低板断裂失效。
作者：张先炼 何晓聪 程强 卢毅 单位：昆明理工大学机电工程学院
力学性能论文:冷轧板力学性能研究
1实验材料与方法
以厚度为1mm的08Al冷轧薄板为实验材料，在实验室箱式电阻炉中进行真空退火。具体的工艺制度为将实验样品从室温加热到不同的退火温度:600、640、680和720℃，保温1h，然后随炉冷却到室温。采用光学显微镜(ZeissAcovert40MAT，OM)和扫描电子显微镜(SHIMADZUSSX-550，SEM)进行显微组织观察。采用维氏显微硬度计对试样进行硬度测试，测定载荷为50g，加载时间为10s，每个试样测试5个硬度值，然后求取平均值。冷轧板切割成标准拉伸试样(L0=25mm)，在每个测试温度下进行3组拉伸实验。拉伸速率为6mm/min。常温单向拉伸试验在微型控制电子实验机上进行。
2结果与讨论
2.1退火温度对显微组织的影响
图1为不同退火温度下的显微组织照片。由图1可知，退火温度为600℃时，晶粒较细(图1a)。随退火温度升高，晶粒尺寸逐渐增大(图1b～1d)。当退火温度达到720℃时，出现了比较明显的大晶粒(图1d)，出现这种现象的原因是退火温度过高导致了部分晶粒的异常长大。对不同退火温度下对08Al冷轧板的晶粒面积进行了统计，结果如图2所示。由图2可知，随退火温度升高，晶粒逐渐长大，在680℃以下时，增大速率较小，当退火温度超过680℃时，晶粒急剧长大。通过各退火温度下晶粒面积的误差棒长短可以知道，晶粒均匀度先降低在升高，在680℃时，晶粒更加均匀，而在720℃时晶粒尺寸分布变得非常不均匀。潘欣等［10］发现08Al钢板的再结晶温度范围在520～580℃，因此在本实验的退火温度下，08Al冷轧板需要经历再结晶形核以及长大过程。在退火温度为600～680℃时，退火温度越高，再结晶越充分，小晶粒有条件长大，组织也越均匀。而在720℃时，局部超过共析相变点，再结晶长大速率变大，导致部分晶粒急剧长大。图3为不同退火温度下08Al冷轧板的扫描电镜照片。由图3可知，退火组织均由铁素体和渗碳体组成。在600、640和680℃等退火温度下的渗碳体为游离渗碳体(图3a～3c)。在720℃的退火组织中出现了明显的半网状和网状的渗碳体(图3d中箭头位置)。在退火温度为720℃的样品中，由于退火温度的不均匀，导致样品局部温度过高，超过共析相变点，析出少量奥氏体，缓慢冷却时导致网状渗碳体离异析出。
2.2退火温度对力学性能的影响
2.2.1退火温度对硬度的影响
图4为08Al冷轧板在不同退火温度下的维氏硬度。由图4可知，随退火温度升高，08Al冷轧板维氏硬度逐渐降低。当退火温度从600℃升高到640℃时，硬度值下降幅度不大;当退火温度从640℃升高到720℃时，硬度值下降的幅度明显增大。其原因可能为:(1)随退火温度升高，渗碳体析出增多，而在晶粒内部的渗碳体逐渐减少。渗碳体的硬度远远大于铁素体，因此硬度逐渐降低［11］。(2)随退火温度升高，晶粒逐渐长大，晶界密度降低，晶界对位错运动起到阻碍作用，所以晶粒越大，位错被阻滞的部位越少，因而硬度下降［12］。
2.2.2退火温度对拉伸性能的影响
为不同退火温度下08Al冷轧板力学性能的变化关系。由图5可知，随退火温度升高，08Al冷轧板的屈服强度和抗拉强度均有不同程度降低。当退火温度从600℃升高到640℃时，08Al冷轧板的断裂伸长率升高;当退火温度从640℃升高到680℃时，断裂伸长率出现降低趋势，但640℃和680℃的数据相差不大。屈服强度和抗拉强度随温度升高而降低的原因主要是退火消除了冷轧后的加工硬化现象，冷轧钢的性能得到明显改善。从晶粒尺寸方面分析屈服强度随退火温度的变化情况，当退火温度上升时，试样的晶粒尺寸逐渐变大。断裂伸长率变化的原因可能为随退火温度的升高晶粒逐渐均匀化，出现升高的现象，但随温度的升高晶粒也逐渐变大，伸长率出现短暂下降，在720℃退火温度时，组织中出现网状和半网状渗碳体，使试验样品的力学性能降低。图5(b)为08Al冷轧板的屈强比与退火温度的关系曲线。由图5(b)可知，屈强比随退火温度升高表现出先降低后升高的变化趋势，在680℃时达到低值。屈强比是表征材料由塑性变形到断裂过程的形变容量，衡量冷轧板的重要指标［5］。为保障结构设计的安全性，要求钢材在断裂之前具有足够的塑性变形，所以要求钢材具有低的屈强比。
3结论
1)08Al冷轧板在退火温度为680℃时获得较为均匀的组织结构，当退火温度超过720℃时会出现晶粒异常长大和半网状、网状渗碳体;2)随退火温度升高，08Al冷轧板的硬度逐渐下降。08Al冷轧板的屈强比呈现先降低再升高的趋势，在680℃时相对较低。
作者：王鸣 单位：辽宁工程技术大学材料科学与工程学院
力学性能论文:点焊焊接力学性能探析
1实验方法
实验材料为Si-Mn系超高强度淬火钢和DC04低碳钢板，钢板厚度均为1.5mm。Si-Mn淬火钢的化学成分w(%)为：0.28C、1.71Si、1.02Mn、0.012P、0.006S、1.01Cr、0.02Al，余量为Fe。DC04钢的化学成分w(%)为：0.09C、0.36Mn、0.020P、0.003S、0.020Al，余量为Fe。采用线切割将Si-Mn淬火钢加工为200mm×300mm的试样，并在热成形模具(U型)上进行淬火试验，沿长度方向将淬火后的试样加工成点焊样品，且要求点焊接头适合进行拉伸疲劳试验。拉伸试样如图1所示，其中，L=160mm，B=H=40mm，δ1=δ2=1.5mm。表1为不同点焊试验工艺参数。球面平头电极直径为16.0mm，电极头平面直径为5.0mm。两异种钢板进行双面单点焊，在拉伸试验机上对焊接后样品进行单向拉伸试验，获得焊接接头的抗剪强度。采用线沿焊接厚度方向切割对点焊压痕中心处刨切，经过研磨和抛光后进行腐蚀处理，对腐蚀后试件的宏观和微观组织进行观察。
2实验结果及分析
2.1焊接接头力学性能
抗剪强度是衡量焊接接头力学性能的重要指标，而影响焊接接头抗剪强度的重要因素为焊点处的熔核直径[4]。图2为熔核直径和抗剪强度与焊接电流、焊接时间的关系。表2为熔核直径与抗剪强度的RWMA标准(美国)。可以看出，熔核直径随着焊接电流的增大逐渐增大，同时焊接接头处抗剪强度也逐渐增大，且抗剪强度与熔核直径呈线性关系。焊接电流过大，会引起飞溅使得抗剪强度减小。依据RWMA标准可以计算厚度为1.5mm时的熔核直径和焊接接头抗剪强度。可见，焊接电流超过12kA时，熔核直径达到C类标准，若继续增加焊接电流至13.5kA，达到B类标准，但是未能达到A类标准。这是因为淬火后超高强度钢组织中存在马氏体，屈服强度较高，进行点焊时塑性变形较为困难，容易出现飞溅，使熔核直径变小。此外，焊接时间对焊接接头的熔核直径和抗剪强度也有一定的影响。熔核直径与抗剪强度随着焊接时间的增大而逐渐增大。但是焊接时间过久，焊接接头的抗剪强度反而下降，这是因为延长焊接时间，热输入量增大，会使钢板热影响区的组织变粗大，降低焊接接头的力学性能。
2.2焊接接头微观组织
可以看出，焊接接头中无裂纹、缩孔等缺陷，内部质量较好，且熔核区域内金属和超高强度淬火钢板相近。此外，熔核和热影响区域存在明显界限。超强度淬火钢与普通低碳钢板进行焊接时，低碳钢板减薄明显，且随焊接电流增大而愈发明显。由于超强度淬火钢的强度远高于DC04钢，故拉伸试验时点焊接头从DC04侧破裂。图4为焊接接头不同部位的金相组织。Si-Mn系钢板冷轧并经球化退火后，主要为球化渗碳体和铁素体，经淬火处理后的组织主要为马氏体，还存在少量贝氏体和铁素体。DC04低碳钢板含碳量较低，冷轧组织主要为铁素体。熔核部分组织主要为马氏体，呈柱状枝晶[5]。这主要是由于点焊过程中，熔核中心的加热温度过高，超过熔化温度，冷却时形成粗大马氏体。超高强度淬火钢板热影响区HAZ-1靠近母材一侧为回火马氏体，而靠近熔核部分为细化马氏体。热影响区HAZ-2处为粗大的铁素体，且沿熔核方向逐渐伸长。
2.3焊接接头硬度分布
可以看出，焊接接头熔核处硬度明显低于母材-超高强度淬火钢板硬度，高于母材-DC04低碳钢板硬度。同时，熔核区域硬度随着焊接时间、焊接电流的增加而逐渐降低，且焊接电流影响较为明显。在超高强度淬火钢板的热影响区域HAZ-1具有明显的硬度波峰和硬度波谷，在靠近母材区域软化现象明显，硬度约为360HV，靠近熔核部位硬化明显，硬度为530~570HV。进行淬火处理时，受到模具的冷却速率影响，除获得淬火马氏体之外，还获得少许的铁素体和贝氏体，使得母材-超高强度淬火钢板硬度较低；因为熔核边缘处的热影响区进行点焊时处于高温环境，同时冷却速率较快易获得细小的马氏体，故而提高了材料硬度，而高于母材。
3结论
（1）焊接接头处抗剪强度随焊接电流和焊接时间的增大而逐渐增大，且焊接电流的影响较为明显。但是，焊接电流过大或焊接时间过长，会引起飞溅，从而导致抗剪强度降低。（2）超高强度淬火钢板处的热影响区存在硬度波峰和波谷，波峰处为细小马氏体组织，波谷处为回火马氏体。在普通低碳钢板处热影响区存在粗大的铁素体组织。焊接接头熔核处为粗大的马氏体。
作者：刘鹰 单位：广西农业职业技术学院机电工程系
力学性能论文:监测设备稳定性力学性能研究
1标样应用情况和效果
1.1硬度标样的应用情况和效果
冷轧板硬度标样自2003年8月投入使用，有这些测量项目的各子试验室每月测量比对1次。连续10多年多个试验室每月测量的洛氏硬度平均值趋势如图1所示：这种标样经过一段时间自然时效后，硬度指标不会随着年份发生规律性的上升或下降，呈现没有时效性的特征。冷轧薄板硬度标样的一个特殊作用：能够反映出硬度计砧座的状况。普通硬度标样因为厚度大于5mm，通常不能有效反映硬度计砧座的状况，而硬度计砧座可能是影响薄板试样测量结果的一个重要因素。根据这个发现可以推论：要想保障测量薄板试样硬度的性，试验室必须用厚度接近或小于待测试样厚度的硬度标样监测硬度计，而常规的硬度标样不能满足监测用于测量薄板的硬度计砧座的需要。统计多个子试验室多年的实际测量数据，发现这种标样经过一段时间的时效后，不同标准块之间的硬度值相差很小，可以采用相同的标称值，用来比较分析不同硬度计及不同年月测量值之间的系统偏差和变化趋势。采用这种有相同标称值的硬度标样，可以很方便地进行不同子试验室不同硬度计的日常数据分析和质量控制。借鉴冷轧硬度标样的经验，宝钢检化验中心采用与无时效冷轧硬度标样相同的材料制作了无时效的热轧硬度标样，用这种标样可以测量HRB、HV10、HV1、HBW2.5/187.5、HBW10/1000等不同的硬度指标，不同的子试验室根据实际需要测量的项目，在测量试样前先用这种标样确认硬度计测量结果与历史数据没有发生异常变化。多个子试验室采用这种标样监测硬度计后，反映出不同硬度计存在的系统偏差，而在采用这种标样之前各个子试验室采用不同标称值的标样，难以利用日常的监测数据分析评估系统偏差。
1.2拉伸标样的应用情况和效果
冷轧板无时效拉伸标样自2004年1月投入使用，2009年获得了国家标样证书（国家标准样品编号和批号：GSB03―2526―2009），宝钢厂内5个做拉伸项目的子试验室每月测量比对1次。连续10多年多个试验室每月测量屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率趋势如图2所示：这种拉伸标样没有时效性，屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm、均匀延伸率Agt、断后伸长率A、r值（塑性应变比）、n值（应变硬化指数）等指标不会随着年份发生规律性的上升或下降。拉伸试验是最常用也是最重要的力学试验方法。虽然对于拉伸机测力系统、引伸仪和测量试样横截面积的量具有直接校验方法，由于拉伸试验的测量结果受拉伸试验的控制方式、速率、试样对中精度、试验机软件等多种因素影响，直接计量都合格的拉伸机测量屈服强度、r值的结果常会存在显著差异。这种现象显示在出现这种矛盾的结果时，需要借助拉伸标样验证相应的拉伸机整机系统测量结果的性。自从宝钢检化验中心多个子试验室每月进行拉伸比对工作并结合各子试验室每天采用控样进行监控测量后，有效提高了拉伸试验结果的性。也多次发现了参加比对子试验室测量出现的异常偏差并查明了原因。另一方面，拉伸标样也是查明拉伸试验质量异议中哪个试验室测量结果偏差大的有效工具。近几年为了验证GB/T228.1―2010中存在的问题，采用无时效拉伸标样和有上下屈服点的拉伸标样进行各种验证试验，发现了欧盟资助的TEN-STAND研究报告和GB/T228.1―2010标准及实施该标准的指南、对该标准进行解读的文章等材料中存在诸多错误[9-11]。为了监测大吨位的拉伸机，借鉴冷轧无时效拉伸标样的方法，宝钢检化验中心采用与无时效冷轧拉伸标样相同的材料制作了无时效的热轧拉伸标样。这种标样除了不测量r值外，可以提供屈服强度、抗拉强度、均匀延伸率、断后伸长率、n值（应变硬化指数）等指标。用这种标样可以监测大吨位拉伸机的长期稳定性，也可在发生质量异议时用来验证相关拉伸机测量结果的偏差程度。
1.3V形缺口冲击标样的应用情况
宝钢检化验中心自20世纪90年代开始研制V形缺口冲击标样用于监测不同冲击机测量结果系统偏差。2000年中国试验室国家认可委员会金属专业能力验证工作组筹划开展中国首次冲击试验能力验证工作，调查了解到中国批量制作V形缺口冲击标样的只有宝钢检化验中心，故决定采用宝钢检化验中心提供的两种能量等级的V形缺口冲击标样开展第1次冲击试验能力验证。根据能力验证的数据[12]分析发现，按照ISO148―2（等同GB/T3808）中规定的与标称值偏差超出10%判断为不合格，无论以中位数还是平均值作为标称值（相对真值），都有将近1/3的校验结果不合格，以中位值为标称值，90组数据中27组不合格；以平均值为标称值，90组数据中有29组不合格。对比第2次冲击试验能力验证的数据（216组校验数据只有1组不合格）[13]，第1次中国冲击试验能力验证的不合格率比第2次中国冲击试验能力验证不合格率高出几十倍。对比结果显示出V形缺口冲击标样与“弧形缺口”冲击标样校验冲击机的有效性存在显著性差异，文献[14]也表明了“弧形缺口”冲击标样不能反映冲击机刚度和对中性等方面存在的问题，同一台冲击机用NIST标样校验严重不合格而用“弧形缺口”冲击标样校验却得出“很好”（偏差小于2%）的错误结论。2000年中国第1次夏比冲击能力验证所用的V形缺口冲击标样虽然可以有效反映冲击机的测量偏差，但是存在轻微时效的缺陷。为了解决冲击标样轻微时效的缺陷，宝钢检化验中心2006年用与热轧无时效拉伸标样相同的材料制作无时效V形缺口冲击标样，分析2007至2014年的测量数据，证明用这种材料制作的V形缺口冲击标样确实没有时效的倾向。
2分析与讨论
力学试验是破坏性试验，如何监测力学试验设备整机系统的长期稳定性是困扰力学试验室的一个难题。研制系列无时效力学标样，尤其是制作出大批量有相同标称值的无时效力学标样，为破解此难题提供了一个有效工具。校验1台设备采用1种标样是否能反映设备的状况也是长期存在争论的问题。如果按照与实测试样相似性的角度去看，因为实际测量的试样千差万别，1种标样似乎不够。但是需要多少种标样，依据什么理论或数据来判断等问题都难以给出有说服力的回答。如果不是按照与实测试样相似性的角度去看，而从监测力学试验设备整机测量系统影响测量结果的相关因素思考，可以得出合理的结论。以校验硬度计为例，影响硬度计测量结果的有硬度计砧座、载荷、压头、压痕尺寸测量系统、保荷时间及加载与卸载速率、计算和显示软件诸因素，用一种合适的标准硬度块能够反映测量过程中涉及到的各种因素。过去拉伸机测量不同载荷范围不是用同一个传感器而是用不同的砝码，如果说这种拉伸机需要采用不同的标样校验似乎有道理；现在拉伸机不同载荷采用同一个传感器，这种设备在一种设定载荷下能正确测控载荷而在另一种设定载荷下不能正确测控载荷的可能性很小，从工业试验室实际应用的角度看采用一种标样监测设备长期稳定性基本能满足实际需要。按照现行标准的要求，冲击机应该采用2个能量等级或3个能量等级的V形缺口冲击标样校验，但是从文献[14]报道的实测数据看，高能量和超高能量V形缺口冲击标样校验严重不合格的冲击机，测低能量V形缺口冲击标样却没发现问题，由此看来似乎没必要采用低能量V形缺口冲击标样校验（过去冲击机采用指针显示结果，测量分辨力低，可能需要校验低能量以验证分辨力；现在冲击机采用角度传感器分辨力大幅度提高，能够保障冲击机的分辨力）；从文献[6]报道的两种能量等级V形缺口冲击标样测量结果的相关性看，高能量和超高能量两种V形缺口冲击标样校验结果基本一致，采用一种高能量或超高能量等级的V形缺口冲击标样校验，应该能够基本反映冲击机的问题，也就是说采用一种高能量或超高能量的V形缺口冲击标样校验冲击机是经济有效的方法。目前涉及力学标样的标准，如洛氏硬度标样、维氏硬度标样、布氏硬度标样和V形缺口冲击标样的标准都强调标样定值的溯源性。专业校验机构用来对测量设备进行间接校验的标样，溯源性确实是至关重要的；而一般工业试验室每年都会请专业计量机构对测量设备进行一次校验保障溯源性，除此之外，试验室如果能够用有相同标称值无时效的力学标样监测设备的长期稳定性，即使这种无时效标样定值过程没有严格符合有证标样定值溯源性的要求，实际上只要监测时间内包含了至少1次专业计量机构的保障溯源性的校验，设备状态的长期稳定性也就间接地保障了设备的溯源性。采用大批量制作的并有相同标称值的无时效力学标样，不仅便于监测设备长期稳定性，还便于测算不同设备的系统偏差，尤其有利于测算大量设备的系统偏差并监测它们的长期稳定性。
3结语
大批量有相同标称值的无时效力学标样的研制成功，不仅可用于测算力学测量设备的系统偏差，监测设备状态的稳定性，而且为力学检测试验室的质量控制提供了一个有效工具。已制作出大批量有相同标称值的无时效力学标样，可用于测算大量力学测量设备的系统偏差，监测设备的稳定性，可用于解决有效进行质量控制的难题，弥补了直接校验方法的不足。
作者：李和平 单位：上海宝钢工业技术服务有限公司检化验中心技术室
力学性能论文:负压泵工作下泵膜片力学性能综述
1负压泵工作时相应数学模型
1.1泵容器压强计算数学模型
假定初始状态时进出气口和泵膜片空腔处于标准大气压P0下，且连杆上轴承的轴线与电机回转线重合。设泵膜片与底板所围成的空间为V1，进气口相连的容器容积为V2，假定泵膜片的等效横截面为s，偏心轴的小端圆柱的偏心量为h。根据气体的特性，压强与密度成正比关系，质量一定时，压强与体积的乘积恒定。在从进气口抽气开始到结束的过程中，泵膜片所在空腔内与抽气口空腔内气体的总质量恒定，按照质量守恒定律，计算出及时次抽气后的容器V2、压强P1如下式：（V1＋V2＋hs）×P1=（V1+V2）×P0。
1.2泵真空度数学模型
真空度的计算可以通过两种方式进行，一种是按照进气口两端压强差；另一种是按照给泵膜片提供的驱动来计算真空度。（1）抽气口的真空度取决于泵膜片体积空间的压强，在泵膜片空间抽气过程中，若该空间体积较大时的压强等于V2内压强时，停止抽气，该状态下即达到真空值。（V1-hs）×P0+V2Pn-1≤（V1+V2+hs）×Pm。（2）根据给泵膜片提供动力的电机来计算，根据结构特点，泵膜片的运动是通过膜片挡板来传递的，而膜片挡板的运动是通过连杆绕心轴回转实现，所以泵膜片运动由膜片挡板驱动。整个膜片挡板和连杆的运动则由电机提供，很显然，根据力学原理有：Pm×S*×h×K＝M×η。式中，S*为泵膜片当量横截面面积，Pm为达到真空度时变动空间的压强，h为偏心量，M为电机输出轴承受的负载，K为与摩擦、密封性阻尼等相关的系数，η为传递效率。考虑到在V2内达到真空值时，V2+hs空间内的压强和V2内一致，否则V2还没有达到稳定的真空度值。因此上式Pm就是真空度值，体现了电机承载能力与真空度之间的关系。从上两种分析真空度值来看，及时种分析方式计算麻烦。即必须要把每一次V2内压强计算出来与V1+hs内的压强做一个比较。这不仅会增加很多的工作量，而且还存在计算误差问题，通过多级迭代后误差会被放大，很可能严重影响到结果的性。采用第二种方式计算比较，只需要计量膜片挡板的面积与芯轴的偏心量。本产品的泵膜片在实际工作过程中由于存在弹性和塑性的变形，以至于其当量横截面面积无法计算，因此只能通过试验得到其真空度的值。通过对该产品试验考核，得到本批次产品在当前工况下的真空度满足用户指定的指标30kPa。后续仿真计算所使用的真空度都是用该试验值进行。
1.3泵力学本构方程模型
由于泵体除阀膜片和泵膜片外都是各向同性材料，泵膜片和阀膜片属超弹塑性材料，因而属于瞬态动力学计算范畴。由弹塑性力学有限元法，分析在笛卡尔坐标系下的力学平衡方程：［M］｛u咬｝+［K］｛u｝=｛F｝。式中，［M］为系统质量矩阵，［K］为系统刚度矩阵，｛u咬｝为各节点加速度向量，｛u｝为各节点位移向量，F为载荷向量。由于该负压泵的材料除泵膜片外皆为弹塑性各向同性，它的本构方程在线弹性条件满足下叠加原理，在弹性区内应用经典弹性理论的广义Hooke定律有［1］：
2负压泵物理模型及计算结果
根据上述分析的工作原理，电机给偏心轴A提供旋转速度与一定的力矩，本文关心的是泵膜片在工作时的承载情况，因此只需将电机的输出转速和负载作为负压泵与电机接口处偏心轴的输入即可，要分析的模型如图3所示。泵体工作时体积变化关键在泵膜片（红色）的形状改变，泵膜片的A、B平面被泵膜片压板D和底板B固定，C、D平面固定在泵膜片挡板与连杆E上，随着连杆的运动而运动，进而实现泵膜片和底板之间空腔的体积变化。按照上述分析，在有限元计算强度过程中需将轴承G内部建立动摩擦接触对，对通过紧固件连接的地方设置为绑定接触，以简化过程和降低计算时间。对轴承和连杆的轴承室接触处，由于其处间隙配合公差不到一道，故可以简化计算成绑定接触。对减震垫施加全约束，偏心轴施加电机的输出转速，然后计算出该状态下的泵膜片应力与位移的分布情况。根据实际工作情况，对泵膜片单独分析，对泵膜片的A、B、D共3个面及4个圆孔内表面进行固定，计算其前6阶振型，如图5～图10所示。经试验验证，该泵膜片的前6阶振型与如上仿真振型趋势是一致的，因此模态仿真结果是可信的。当前状况下，初始位置时泵膜片不受到内腔和表面所处的气压差，电机输出端的偏心轴偏心量为3mm，经Workbench仿真计算，得到泵膜片在不考虑腔体内真空度的影响时，该膜片的位移大小分布和应力分布分别如图11与图12所示。在不考虑真空度影响条件下，泵膜片的较大位移为3.0096mm，泵与偏心量3.0mm，因此，从位移角度来分析，变形是合理的，泵膜片的位移比偏心量略大一些（0.01mm），这是由于泵膜片在拉伸压缩后会产生微小的挤压变形且存在一个离心作用，使得泵膜片的位移量略大于偏心量。膜片运动到垂向较大位置时应力分布极值为30.2kPa，处于泵膜片与膜片底板凸台结合处。而泵膜片材质为氟橡胶，其用于压缩空气的橡胶材料能承载不小于60MPa的工作压力，因此，当前工况下膜片承载能力能满足使用。在当前工况条件下，泵膜片的外表面承受一个标准大气压，内表面受到30kPa的真空度压力作用，泵膜片凹槽在气压和拉伸变形共同作用下受到垂直向下的位移为2.8mm，较大应力为0.08MPa。由于泵膜片几何尺寸相对偏心量比较大，泵膜片产生的变形范围很小，几乎处于弹性变形区。因此，当偏心量为较大值3mm时，槽内的较大变形为真空度环境下的位移与偏心时的位移进行矢量叠加。按照等比计算，偏心量为3mm时其较大应力为0.28MPa，其值也远远小于该材料的较大工作压力60MPa。
3结论
通过上述计算结果可知，材料为氟橡胶的泵膜片在偏心量为3mm的偏心轴带动下，使得气体经过单向阀指定空间产生预定的真空度。其泵膜片承受的较大应力为280kPa，弹性足够，不会出现破坏现象，能满足实际工作需求，泵膜片设计尺寸。
作者：杨胜林 张露 杨涛 赵三星 单位：林泉航天电机有限公司 中铁五局集团建筑公司 武汉科技大学
力学性能论文:弹性气凝胶的制备及力学性能研究
1宏观形貌及微观结构
实验制备的MTMS气凝胶为圆片状,透明度较好。对于厚度为1cm的样品,其可见光透过率较高可达到58.2%,比Kanamori等[5]制备的弹性气凝胶略低(其好透过率在40%~85%之间)。究其原因是由于在第二步中直接加入氨水导致MTMS分子质量的原位增长与结构的不均匀性,缩聚物分子质量分布较宽,从而使气凝胶的透明度下降。此外,高温酒精超临界干燥会在干燥过程中发生表面活性基团的反应而改变其微结构,这同样会引起透明度下降。因为MTMS三官能团结构,气凝胶骨架表面具有更少的OH和更多的CH3,所以制备的MTMS弹性气凝胶具有良好的疏水性能,样品MTMS4与水的接触角为154°。弹性气凝胶密度在101~226mg/cm3之间,直径在3.5~5.6cm之间。制备的传统SiO2气凝胶透明度稍低。图1为样品的实物照片。表2为样品的部分物理性能。由SEM照片(图2a)可以看到,样品MTMS4具有较均匀的纤维状纳米多孔网络结构,孔径大多在50nm以下。而TMOS4为球状聚合结构(图2(b))[5]。由比表面积与孔径分析仪测量样品的比表面积、孔径分布和N2吸附脱附曲线,得到样品MTMS4的比表面积为609m2/g,比样品TMOS4稍低(样品TMOS4的比表面积为673m2/g)。图3(a)为样品MTMS4的N2吸附脱附等温线,图中吸附回线与C类回线较吻合。此类回线表明,气凝胶孔结构主要是锥形或双锥形管状毛细孔。孔径分布图(图3(b))显示,样品MTMS4的孔径主要分布在5~40nm之间,平均孔径为18.7nm,同时也存在3nm以内的微孔。SEM照片和孔径分布图都验证了MTMS气凝胶具有纳米级孔洞结构。图4为样品的红外图谱,曲线a为MTMS4的红外图谱。1632cm-1和3441cm-1处的吸收峰分别源自HOH和OH的振动。两峰都较小,说明样品MTMS4的羟基数量较少。处的吸收峰源自SiC的振动。这两个较大的峰说明样品MTMS4中含有较多的甲基。由图4曲线b可知,样品TMOS4对应的甲基吸收峰相对较小,这说明样品TMOS4的甲基相对较少。由图4曲线c可知,MTMS4经过500℃处理1h后其甲基已基本去除,红外图谱变得与TMOS4基本相同。而400℃处理4h后MTMS4的红外图谱基本不变。由此可知,MTMS气凝胶保持甲基基本不变的耐热温度在400℃与500℃之间。
2力学性能
由于孔隙率高及胶粒间交联度低,传统的SiO2气凝胶脆性很大,所能承受的压力非常小。而由MTMS制备出的气凝胶对压力的承受力得到很大改善,具有良好的弹性性能。样品的应力应变曲线如图5所示。样品的压缩测试参数如表3所示。样品TMOS4出现了脆性断裂的现象,应变为20%左右时样品产生了局部开裂;应变达到48%时样品大部分已经开裂,未开裂的部分被压实。而MTMS气凝胶的应力应变曲线没有出现脆性断裂的现象,表现出更好的韧性。实验中测试的四个MTMS气凝胶样品能压缩到60%左右而均未开裂,且压力释放后样品都可以部分回复。100℃左右热处理一段时间后样品会继续回复。其中,密度较大的MTMS3与MTMS2两个样品的弹性性能好,热处理后几乎反弹。由样品的应力–应变曲线及压力实物图(图6)可知,样品MTMS3表现出良好的弹性性能,其压缩量为60%,压力释放后尺寸能够回复到压缩前的70%,100℃热处理30min后回复到压缩前的93%。MTMS气凝胶之所以有较好的弹性性能是因为[6]:(1)每个硅原子上最多只有三个硅氧键,交联度低,使得MTMS气凝胶比传统的SiO2气凝胶有更大的韧性。(2)低浓度的硅羟基减少了不可逆的收缩。而传统的SiO2气凝胶硅羟基数量较多,当凝胶在常压干燥过程中收缩时,会进一步形成硅氧键,这样就导致了长期性不可逆收缩,甚至产生不均匀或过大的应力而导致开裂。(3)大量的甲基均匀分布在MSQ气凝胶的网络结构中,当受压发生收缩时甲基会相互排斥,有利于气凝胶的回复。热处理后凝胶能够继续反弹的原因是:当凝胶被压缩时,其柔软而连续的骨架经受大的变形而向孔内折叠,热处理后骨架将会膨胀,有利于骨架的舒展进而使凝胶反弹图7为压缩模式下MTMS气凝胶的DMA测试曲线,由图可知,在相同温度下密度越大储能模量越大。在常温下(35℃),在测试的四个样品中,MTMS5的储能模量最小(0.71MPa),MTMS2较大(2.1MPa)。在常温到230℃之间,气凝胶材料中物理吸附的水分子逐渐脱去,网络结构基本保持不变,样品的弹性模量变化幅度较小。其中,温度低于150℃时有小幅增加,在150~230℃之间略有下降。这与Tanδ在180℃附近有一较大的峰相吻合,该峰表明在这个温度附近材料经历了软化的过程[8]。温度高于230℃时,材料内相邻的残余硅羟基和硅烷氧基会进一步缩合,生成新的硅氧键,增强了气凝胶的网络结构,使样品的储能模量都有大幅度的增加,刚性增强。所测样品在温度达到350℃时,储能模量变为常温下的2~3.5倍。其中,MTMS3常温下的储能模量为1.5MPa,而350℃下的储能模量增加到4MPa。
3热学性能
图8为样品MTMS2与TMOS4的DSC/TGA曲线。对于样品TMOS4,150℃之前有一个较大的失重(大约6%),这主要是由材料内水分子的脱附引起的[9]。第二个显著失重发生在250~325℃之间,失重约为3%,这是由于材料内骨架上残留的烷氧基被氧化并替代为质量更轻的羟基[10]。温度高于325℃时,由于烷氧基继续氧化及硅羟基之间的缩合[11],样品继续失重约5%。温度达到600℃后,样品质量趋于稳定。对于样品MTMS2,温度低于250℃时,热失重很小。在250~325℃之间,失重约为1.5%,小于TMOS4在这温度区间的失重。这是由于MTMS三官能团的结构使残留的烷氧基更少。样品MTMS4最显著的失重发生在437~575℃之间,失重约7%。对应的热流曲线在这温度区间连续出现了七个尖锐的峰。从前面的红外分析中已经得出,MTMS气凝胶保持甲基基本不变的耐热温度在400℃与500℃之间。由红外图谱并对照MTMS2与TMOS4热失重曲线,可以得出,437~575℃之间较大的失重源自MTMS材料内骨架上大量甲基由外层到内层的逐步分解。并可以进一步确定,MTMS气凝胶保持甲基基本不变的耐热温度在440℃左右。实验测得样品的热导率如表2所示。当密度大于100mg/cm3左右时,MTMS气凝胶常温下的热导率随着密度的降低而减小。其中MTMS4的热导率为0.028W/mK,同TMOS4的热导率相差不大(TMOS4的热导率为0.027W/(mK))。这说明MTMS气凝胶同传统的SiO2气凝胶一样,具有良好的保温隔热性能。气凝胶总热导率为固态热导率、气态热导率、辐射热导率和固体与气体间耦合热导率之和[12]。制备的MTMS气凝胶之所以有低的热导率是因为:(1)骨架颗粒较小,由纤细的纳米网络结构组成,因此其固态热导率非常小。(2)其孔径主要分布在10~30nm之间,小于空气中主要分子的平均自由程(空气中主要成分N2、O2等分子的平均自由程都在70nm左右)。这样孔隙内的气体分子很难发生碰撞,因此当热量传递时产生的气态热传导很小。(3)在常温常压下辐射热导率对总热导率的贡献很小。综合以上三个因素可知,该气凝胶的总热导率较低。
4结论
以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为硅源、水为溶剂,采用酸碱两步法和酒精超临界干燥法制备出了接触角为154°的透明、块体气凝胶。其热导率低(可达到0.028W/(mK)),具有良好的保温隔热性能。均匀分布着大量甲基的纳米网络结构具有良好的机械性能,可使MTMS气凝胶在常温下具有较大的弹性和抗压能力(压缩60%后可回复到原长的78%,经热处理后反弹到原长的94%),而这正是传统的SiO2气凝胶所不具备的。其储能模量在常温到230℃之间比较稳定,在230~350℃之间随着温度的升高而显著增加。该凝胶在空气中的耐热温度为440℃左右,继续升温时材料中的甲基将逐步氧化分解。利用方法能较简单地制备出力学性能较好的气凝胶,有利于气凝胶的工业化生产应用。
作者：祖国庆 沈军 邹丽萍 王文琴 连娅 张志华 单位：同济大学 上海市人工微结构材料与技术重点实验室
