新型超硬材料理论设计方法简介及展望

对超硬材料的研究,无论从实验上还是从理论上,至今仍是一个热门的课题.最近,基于过渡金属和B,C及N元素来设计超硬材料,引起了人们广泛的研究兴趣.本文在简要介绍超硬材料研究现状和理论研究方法的基础上,以具体实例探讨了运用这个思想设计超硬材料的方法.最后,对这类新型超硬材料设计结果给以评价和总结.     

惯容超材料扭振隔振器理论和试验研究

针对目前超材料结构在低频抑振时质量和体积过大的问题，提出了惯容超材料扭振隔振器.首先设计了惯容超材料隔振器的具体结构，并分析了其相对于传统超材料隔振器的优点.其次分析了中介轮传动机制，在建立惯容超材料隔振器动力学方程的基础上，得出了惯容超材料隔振器能带结构图与超材料隔振系统传输曲线，并进一步探究从动金属盘直径及单胞数对惯容超材料隔振器抑振效果的影响，通过试验对所设计惯容超材料隔振器进行了扭振抑制的效果验证.结果表明，所设计惯容超材料隔振器最大振动衰减可达-60 dB,能够有效地抑制转子系统的低频扭转振动，从而满足实际工程需要.     

基于集总电阻的超宽频带超材料吸波体设计

设计了基于集总电阻的超宽频带微波超材料吸波体,并通过仿真和实验进行了验证.依据等效媒质理论,通过S参数反演法计算了加载集总电阻的超材料吸波体结构等效电磁参数.结果表明:复合结构吸波体超宽频强吸收特性源于良好的阻抗匹配以及电谐振和磁谐振.此外,设计的复合超材料吸波体具有极化不敏感和宽角度吸收特性.最后,通过实验测试得到的复合超材料吸波体吸收率大于85%的相对带宽达到130.2%.设计的超宽频带吸波体将在电磁能量捕获和隐身领域具有广阔的应用前景.     

多稳态力学超构材料研究进展

通过人工设计的微结构,力学超构材料能实现天然材料不具备的超常力学性能,如负泊松比、负热膨胀、多稳态、可调刚度等等。其中,多稳态力学超构材料因具有可重复使用、能量存储与吸收、快速变形和放大输出力等优异性能,激发了研究人员的兴趣。多稳态力学超构材料通常是利用双稳态结构单元的串联和/或并联实现的,在外界载荷作用下展示出多个稳定构型且可以互逆切换,具有广阔的应用前景。该文综述了多稳态力学超构材料主要设计策略及最新的研究进展,阐述了双稳态的概念、稳态转换势垒及相应的力学响应特性,分析了双稳态单元的设计原则;根据研究对象的不同,对双稳态单元及其多稳态超构材料研究进展进行了分析;讨论了多稳态构成的力学超构材料在能量吸收、软驱动、机械计算和波调控等领域的应用前景。最后,对多稳态力学超构材料的研究进行了总结,并对未来可能遇到的挑战和机遇进行了展望。     

二维圆柱超材料隐身罩的设计和测试

基于坐标变换实现隐身的设想,以方形开口谐振环(Split-Ring Resonators,SRRs)为微元主体,设计构造了二维圆柱形隐身超材料罩.利用CST Microwave Studio软件在8.75 GHz下对不同层超材料的结构单元的尺寸进行了优化设计,实现并加工制作了二维圆柱超材料隐身罩样品,通过自行设计的平面波导系统测试了其隐身效果.测试结果表明:利用所设计的超材料制作的隐身罩具有较好的隐身效果.该项研究具有一定的应用价值和实际可行性.     

负泊松比负热膨胀超材料微结构拓扑优化设计

提出一种拓扑优化设计方法,用于设计同时具有负泊松比和负热膨胀系数的超材料.超材料是人工设计的复合材料,由微米或纳米结构的周期性阵列组成,并具有天然材料难以具备的超常物理性质.基于拓扑优化理论,建立了一个表示多材料微观结构的多相边界的水平集模型,并采用数值均匀化方法来计算微观结构的等效性能,然后通过参数化水平集优化方法实现边界形状的演变和拓扑结构的设计.通过两个数值算例,给出超材料微结构材料分布的优化结果,证明了设计方法的可行性,为实现具备特殊性能的人工材料设计提供了一套系统的设计方法.     

仿生学在机械设计中的应用

本文阐述了机械仿生设计的概念与内涵,介绍了机械结构仿生设计、运动机构仿生设计、材料仿生设计和控制仿生设计等主要内容及其进展.归纳了机械仿生理论与机理研究、计算机辅助仿生设计、仿生控制与系统集成、仿生机器人设计等机械仿生设计的主要研究方向,最后指出在机械仿生设计中应注意的问题.     

基于多层陶瓷结构的超材料的制备与性能

最近几年来,超材料以其独特的反常折射现象和在微波系统中的潜在应用得到广泛的关注.大量文献都报道了超材料的理论模拟和试验的研究进展.针对目前这一领域的研究现状我们采用陶瓷流延工艺设计制备了超材料并进行了相关的理论研究.主要工作包括理论设计、样品制备、性能测量和数值模拟.首先在理论上设计相关参数,而后通过丝网印刷流延技术在陶瓷基板内部制备周期性的银线结构.应用Hp8720ES矢量网络分析仪和自制夹具测量不同样品的频谱特性和电磁场分布,验证结构中电感与电容之间谐振的频率范围.作者的另一工作是采用HFSS软件对设计的样品结构进行模拟,并通过数值计算研究超材料的性质.在对实际样品模拟的过程中,设计了多种模型、采用不同的边界条件,得到多组结果并进行了比较,讨论了超材料的性质.     

单晶硅片化学机械抛光材料去除特性

根据化学机械抛光(CMP)过程中硅片表面材料的磨损行为,建立了硅片CMP时的材料去除率模型,设计了不同成分的抛光液并进行了材料去除率实验,得出了机械、化学及其交互作用所引起的材料去除率.结果表明,磨粒的机械作用是化学机械抛光中的主要机械作用,磨粒的机械作用与抛光液的化学作用交互引起的材料去除率是主要的材料去除率.     

基于复杂约束拓扑优化的负泊松比超材料设计

针对现阶段超材料拓扑优化设计在飞行器设计领域存在的微观尺度上难以制造和宏观尺度上不具有周期性的问题，提出了一种宏观尺度下的超材料拓扑优化设计方法，分别应用优化准则法和移动渐近线法进行了指定泊松比约束的超材料拓扑优化设计，得到了在横向、纵向两个方向上的泊松比都满足约束的负泊松比超材料，并对两种优化算法的设计结果进行了对比分析.针对拓扑优化得到的胞元构型，建立了理论模型和有限元模型，对拓扑优化结果的力学性能进行验证.经理论模型和有限元模型计算，拓扑优化设计结果的泊松比满足设计要求，证明了宏观尺度拓扑优化方法设计负泊松比超材料的有效性.     

Solid Freeforming and Combinatorial Research

A view of manufacturing processes is presented in which five distinct categories are defined as casting, deformation, machining, joining, and solid freeforming. Solid freeforming is essentially biomimetic and shares problems of morphogenesis with natural processes. Our team in University of London has been exploring three mechanisms of solid freeforming. In dry powder deposition and direct ink-jet printing, the emphasis has turned to the problem of delivering a complex shape in which the three dimensional spatial arrangement of composition is delivered from the design file. In extrusion freeforming, the aim is to control microstructure at hierarchical levels also from the design file. The quest for 3-D functional gradients is satisfied by acoustic and ultrasonic dispensing and mixing of powders so that each layer can be patterned. These methods could be extended to deliver the complex patterns demanded by left-handed microwave metamaterials. Dry powder deposition and direct ink-jet printing are turning towards combinatorial methods in which multiple sample libraries are used to accelerate discovery. In turn, this paves the way for ‘autonomous research machines’ which steer their own search refinements in response to our requests for new materials. In this way, solid freeforming used for sample preparation can give an ‘arm’ to an intelligent machine so that it can conduct its own experimentation and learning; an idea that originated with Alan Turing in the late 1940s.     

Recent progress in high-resolution tactile sensor array: From sensor fabrication to advanced applications

Tactile sensors can transform the environmental stimuli into electrical signals to perceive and quantify the environmental information, which show huge application prospects. The development of bionic robots and wearable devices towards intelligence has put high demands on the performance of tactile sensor arrays. Herein, the current state-of-the-art tactile sensor arrays over recent years have been summarized, from sensor array fabrication to advanced applications. The main preparation methods of patterned array including screen printing, 3D printing, laser microprocessing, and textile technology are discussed in detail. Strategies to optimize the signal crosstalk caused by flexible high-density sensor arrays are systematically introduced from the perspective of structure design and circuit design. Furthermore, advanced tactile sensors are not limited to a single pressure sensing function, and hence the development of multimodal detection for sensors has been discussed. In order to promote the adaptability in applications, stretchable and self-powered versatile integration scheme for advanced sensing are briefly described. Then, by means of machine learning and neural networks, it is possible to deeply explore the information embedded in the tactile acquisition signal with enriched application scenarios. Finally, the current challenges and the future perspectives for flexible tactile sensor arrays towards practical use are provided.     

Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index

Metamaterials are artificially engineered structures that have properties, such as a negative refractive index, not attainable with naturally occurring materials. Negative-index metamaterials (NIMs) were first demonstrated for microwave frequencies, but it has been challenging to design NIMs for optical frequencies and they have so far been limited to optically thin samples because of significant fabrication challenges and strong energy dissipation in metals. Such thin structures are analogous to a monolayer of atoms, making it difficult to assign bulk properties such as the index of refraction. Negative refraction of surface plasmons was recently demonstrated but was confined to a two-dimensional waveguide. Three-dimensional (3D) optical metamaterials have come into focus recently, including the realization of negative refraction by using layered semiconductor metamaterials and a 3D magnetic metamaterial in the infrared frequencies; however, neither of these had a negative index of refraction. Here we report a 3D optical metamaterial having negative refractive index with a very high figure of merit of 3.5 (that is, low loss). This metamaterial is made of cascaded 'fishnet' structures, with a negative index existing over a broad spectral range. Moreover, it can readily be probed from free space, making it functional for optical devices. We construct a prism made of this optical NIM to demonstrate negative refractive index at optical frequencies, resulting unambiguously from the negative phase evolution of the wave propagating inside the metamaterial. Bulk optical metamaterials open up prospects for studies of 3D optical effects and applications associated with NIMs and zero-index materials such as reversed Doppler effect, superlenses, optical tunnelling devices, compact resonators and highly directional sources.     

3D打印在岩石力学研究中的应用现状与展望

基于增材制造原理的3D打印技术因其打印精度高、周期短、可个性化定制、打印材料多样化等优点,在许多研究领域得到广泛应用。在岩石力学研究中,该技术也展现出超越传统研究方法的优势。本文从文献计量角度简要分析了3D打印的发展趋势及其在岩石力学研究中的应用情况,综述该技术在小尺度力学样品与大尺度物理模型试样中的应用现状,分析影响3D打印岩石样品力学强度的因素,总结3D打印制作岩石样品的应用流程及应用效果,最后展望其在岩石力学研究中的应用前景。     

不同胶体对马铃薯淀粉基材料3D打印特性的影响

为了探讨添加不同食品胶体对马铃薯淀粉凝胶3D打印特性的影响规律,研究了3种胶体的马铃薯淀粉凝胶体系结构和打印特性。以马铃薯淀粉和大豆分离蛋白的糖基化产物作为基础原料,添加明胶、结冷胶和可得然胶作为结构改良剂,采用扫描电镜观察、红外光谱分析、流变仪检测等方法系统分析了不同胶体对马铃薯淀粉凝胶的流变特性、稳定性和质构特性等的影响。研究结果表明:与马铃薯淀粉凝胶相比,马铃薯-明胶、马铃薯-结冷胶和马铃薯-可得然胶复合凝胶硬度分别比马铃薯淀粉凝胶升高了390%、233%、469%,说明胶体的添加可有效提高马铃薯淀粉凝胶的机械强度;3种胶体中,马铃薯-明胶复合凝胶体的储能模量、损耗模量降低最为明显;添加胶体后,3D打印样品的打印直径和高度与贮藏后的直径和高度较为接近,说明胶体的加入显著提升了样品的打印稳定性。通过对比3种不同胶体的添加对马铃薯淀粉凝胶打印特性的影响,发现结冷胶对马铃薯淀粉凝胶的打印特性影响显著,在室温下可长时间存放并保持形状的稳定。研究结果旨在为马铃薯淀粉基材料3D打印的稳定性和精确性的提高,为数字化的食品营养精准设计和调控奠定理论基础。     

一种折射率近零超材料的设计、制作和表征

利用人工结构制成的超材料能够实现天然材料所不具备的特性,电磁超材料作为一个新兴、多学科交叉领域,在理论探究和实验证明上都已成为近年来科学研究的热点之一,除单负和双负材料之外,电磁参数近零的超材料因其在光学隐身、天线雷达、军事等方面的应用也受到科学家的广泛关注。本文利用共振的H分形结构设计制作了在微波频段下折射率分布在[0,1]之间的微波超材料,而且利用微波波导传输线对多种变化尺度的晶胞结构进行电磁参数的测量,得到了每种晶胞结构对应的X波段折射率频谱,通过研究晶胞结构单元的等效电磁参数实现了一种折射率近零超材料,从而为实现近零折射率分布的变换光学器件如Inside-out Eaton Lens的实验研制提供了材料选择。     

3D打印矫形鞋垫研究进展

 相对于传统的矫形鞋垫制作方法,3D打印矫形鞋垫具有集约高效的特点,但目前在设计、打印、材料等方面仍存在一些问题,且缺乏系统的研究综述。以矫形鞋垫的制作方法为切入点,综述了3D打印矫形鞋垫的打印工艺、打印材料及研究现状,分析了目前3D打印矫形鞋垫研究存在的问题,并结合矫形鞋垫性能的提升和现代科学技术的发展,预测了3D打印矫形鞋垫的未来发展趋势。     

矿物掺合料对3D打印水泥基材料力学各向异性的影响

为探究矿物掺合料在3D打印混凝土中的作用机理，研究粉煤灰(FA)、矿粉(S)、硅灰(SF)单掺和复掺对3D打印水泥基材料抗压强度、抗折强度的影响.结果表明：单掺时，打印组和模筑组力学性能的变化规律基本保持一致，粉煤灰和矿粉会降低混凝土的抗压强度和抗折强度，而硅灰则会提高混凝土的力学性能.复掺时，材料力学性能大小顺序为：S+SF>基准组>FA+SF>FA+S.此外，3D打印混凝土的抗压强度无明显各向异性，而抗折强度有明显的各向异性.打印组在x方向的抗折强度比y、z方向低25%～40%,在x、y、z方向的抗折强度比筑模组低10%～30%.     

3D打印技术专利侵权问题研究

3D打印技术对于产品设计、制造和销售方式产生了变革作用,同时可能引发较高的专利侵权风险。根据现有的专利侵权构成要件,3D打印侵权产品和传播3D打印模型文档的行为难以构成直接侵权和间接侵权,专利权人所采用的技术措施也没有明确法律依据对其给予保护,网络经营者也不能在链接侵权产品设计行为中得到侵权豁免。有必要取消专利侵权行为的生产经营目的要件,建立并拓展间接侵权制度,构建专利领域的避风港规则,并对专利权人采取的技术措施给予合理保护。     

工业设计专业《设计素描》课程实践教学探索

阐述了机械类工业设计专业的《设计素描》课程的特殊性,对教学过程中学生的实际情况进行了分析。得出在给学生讲述本课程的同时,一方面要通过观察方法、思维方法、学习方法的训练,来逐步提高学生的专业能力;另一方面要注意与后续专业课程的联系。