乙醇热解制备C/C复合材料工艺及组织结构研究

以整体碳毡为预制体,无水乙醇为前躯体,N2做为载气和稀释气,在负压条件下,沉积温度为1050~1200°C,采用压力梯度ICVI工艺制备出C/C复合材料制品,采用偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜分析材料的组织结构和断口形貌,利用三点弯曲测定了材料的弯曲强度.结果表明：制备的C/C复合材料基体组织结构在1050°C条件下为中织构与高织构并存的组织,当沉积温度上升为1100~1200°C时,热解碳为均一的高织构组织.制备试样的弯曲破坏应力应变曲线及断口形貌分析表明：断裂特征受热解碳与基体界面结合强弱的影响,弯曲断口以纤维断裂、纤维拔出为主,材料具有假塑性断裂特征,并且随着沉积温度的提高,热解碳基体与纤维的界面结合逐渐增强,断裂方式由假塑性断裂向脆性断裂逐渐转变.     

局部热载荷诱导热障涂层界面分层断裂问题

以激光辐照对热障涂层面层进行局部加热, 模拟超燃冲压发动机燃烧室热障涂层服役的高热流、高温度梯度载荷环境, 研究热障涂层的可能破坏模式. 首先给出了YAG 激光局部加热试验方法、过程和界面破坏的典型形貌; 然后, 基于理论分析与有限元模型化研究, 计算了表面局部受热时热障涂层体系的温度场、变形场和应力场, 分析了热障涂层破坏的力学机制. 研究结果表明, 在这种局部迅速加热的载荷条件下, 热障涂层将由于陶瓷层-粘接层的界面分层断裂而失效. 参数化模型研究发现热障涂层体系的关键结构参量、性能匹配对界面分层断裂驱动力具有显著影响且存在优化区间.     

颗粒强化氧化铝基复合陶瓷断裂特性的预测

计算了颗粒强化的氧化铝／碳化硅和氧化铝/莫来石复合陶瓷的残余微应力．结果表明，这两种复合陶瓷基体中的微应力与颗粒含量成线性关系．分析了应力状态对裂纹扩展和晶界强化的影响．从微应力作用的角度计算了氧化铝／碳化硅和氧化铝／莫来石复合陶瓷基体晶界与晶粒韧性比，并进一步得到断口的穿晶断裂百分比，从而建立了这两种复合陶瓷微观结构及成分、基体微应力、穿晶断裂百分比三者的对应关系．这样根据颗粒强化复合陶瓷的微观结构、第二相含量及分布可以预测复合陶瓷的断裂特性．     

基于微观分析的质量侵蚀模型研究

采用微观分析实验研究侵彻实验后剩余弹体表面的质量侵蚀痕迹,确定和总结弹体质量侵蚀的物理机制.基于微观分析实验结果,改进Archard模型的形式,获得表征切削弹体头部材料的切削速度,考虑侵彻过程中弹靶间的摩擦生热对切削因子的影响,采用温度项连接摩擦与切削两种机制,采用节点回退法表征弹体头部形状的变化,建立融合摩擦与切削两种机制的质量侵蚀模型,对比数值计算结果与国内外典型的实验数据,证实该弹体质量侵蚀模型有效.     

SnBi／Cu界面Bi偏聚机制与时效脆性抑制

长期时效的SnBi／Cu界面出现的Bi偏聚导致的界面脆性大大限制了Sn．58Bi低温无铅焊料的使用，因此有必要在理解其产生机制的基础上研究抑制界面Bi偏聚及时效脆性的方法．本文首先根据SnBi／Cu焊接界面在液态反应（回流焊接）和固态时效过程中的Bi偏聚行为讨论了偏聚形成的机制，而后阐述了Cu基体合金化和回流温度对Bi偏聚行为的影响，并讨论了合金化抑制Bi偏聚的微观机制．此外还比较了SnBi／Cu和SnBi／Cu．X焊接接头的拉伸、疲劳性能和断裂行为，证明了在消除界面Bi偏聚之后SnBi／Cu界面在拉伸和疲劳载荷下均不会出现脆性断裂，最后基于以上理解提出了消除界面脆性的新工艺方法     

Fe基纳米晶晶化机理的AFM研究

用原子力显微镜(AFM)观测经不同温度退火的Fe基合金薄带(Fe_73.5Cu₁Nb₃Si1_3.5B₉)断口形貌, 结合XRD衍射晶体分析技术和综合他人已有研究结果, 分析了Nb和Cu在Fe基合金薄带退火过程中的作用机制. 提出了包裹晶颗、Nb空位团、Nb-B原子群等新概念, 并利用这些新概念描述了α-Fe(Si)纳米晶形成的机制, 从而建立了Fe基纳米晶合金由分隔相、包裹相和纳米晶相组成的三相互套结构模型.     

冲击载荷下弹体材料断裂破坏的数值模拟研究

高强钢作为弹体结构设计中最常用的一种材料,针对其在冲击载荷下断裂破坏特性的数值模拟研究一直以来都受到研究人员重视.此类问题通常涉及材料在高温、高压、高应变率环境下的动态响应与破坏.因而本文提出了一种Euler网格与Lagrange标志点相耦合的局部标志点映射算法.该算法在Euler网格中添加带正六面体影响域的标志点,根据标志点与网格的拓扑关系,通过影响域加权将网格物理量映射到标志点上.基于MPI标准编写了三维并行程序代码,在程序中引入Johnson-Cook本构关系与等效应变断裂判据,对钢板在爆炸载荷作用下的破坏行为进行了数值模拟.与实验结果的对比表明,本文提出的算法结合了Euler方法和Lagrange方法的优点,能很好地处理材料的大变形及破坏过程,同时保证了计算精度和效率,可以更好地应用于各类冲击问题的数值模拟研究.     

晶粒尺寸对氧化锌非线性电阻片中温度和热应力的影响

微观温度分布不均匀将降低氧化锌(ZnO)非线性电阻片的冲击能量吸收能力. 采用二维Voronoi网络(Voronoi diagram)模型, 从微观角度分析了氧化锌非线性电阻片中的电流、温度和热应力的分布. 结果表明: 在击穿区(中电场区), 流经电阻片的电流集中于少数晶粒连结而成的通道, 导致电阻片吸收冲击能量时内部能量吸收不均匀, 引起局部高温和很大的热应力, 造成电阻片发生穿孔或破裂损坏. 另外讨论了晶粒尺寸对氧化锌非线性电阻片内部温度和热应力的影响.     

常温、常压、常态的大气环境下黏性土微观孔隙的缓慢变异特征

作为建筑材料和地基的土体处于常温、常压、常态的大气环境下,大气氧化过程是缓慢的、不易察觉的,但对土质长期劣化效果不容忽视.本文以此命题为出发点,以大气氧化过程中微观孔隙变化特征为突破口,联合扫描电镜测试、压汞法及氮吸附法研究大气环境作用对湛江黏土的微观结构改造作用及其对土性影响机理.研究表明,大气氧化后土色由青灰色、绿灰色变为淡黄棕、黄棕色,颗粒团聚程度增强,塑性降低,膨胀性与收缩性减弱,灵敏性与结构屈服强度明显降低.大气环境作用对d0.1?m孔隙组产生"缩合"效果,对d1?m孔隙组产生"胀散"效果,表现为氧化土的总孔隙体积减小,但d1?m的孔隙体积明显增大,局部出现断裂孔隙,"墨水瓶"型孔隙减少,开放性孔隙向封闭性孔隙转化.湛江黏土在大气影响下土性发生异变并不是土的矿物本性变化所引起,而是水-土-电解质-大气间的化学反应与运动导致颗粒联结形式更改进而重塑微观结构所导致,土的超微观结构形态变化是发生这一现象的根本因素.鉴于大气氧化过程导致的结构强度的减损效果对土体稳定性的影响是长期的且潜在危害较大,应加强监测环境物化因素变化对岩土工程的影响.     

应力波作用下岩石类孔隙介质变形破坏与能量耗散机制的数值模拟研究

通过CT扫描、X射线衍射和物理实验等方法获取了天然砂岩的孔隙结构参数、矿物组成和物理力学性质，研制了具有与天然砂岩相同的孔隙结构特征和基体性质、但孔隙率不同的岩石类孔隙介质的物理模型．利用孔隙介质物理模型的CT扫描图像和MIMICS构建了具有不同孔隙率的孔隙结构三维有限元模型．通过设定应力波动理论假设的条件模拟了孔隙介质SHPB冲击破坏过程，分析了波动应力作用下岩石类孔隙介质的动力学响应、应力传递模式和变形破坏机制．研究表明：利用孔隙介质三维有限元模型可以直观定量地分析应力波传播过程中岩石类介质内部孔隙和基体的应力、应变状态及变形破坏机制．一定压强和波速的应力波传播过程中，孔隙率低于15％的岩石介质内部的孔隙未发生明显变形，变形主要体现为孔隙周边基体的微塑性（剪切变形）和开裂（横向拉应变），以及孔隙周边开裂区域的相互连通．剪应力使基体单元产生微塑性，拉应力使基体单元开裂．孔隙周边基体单元的破坏及相互贯通主要是由于基体单元的横向拉应力或拉应变超过材料的极限值．模拟得到的孔隙介质的应力波传播规律、变形与破坏模式以及能量耗散性质与物理模型的实验结果相吻合．本文研究为解析岩石类孔隙介质的复杂多变动力学响应的内在机制、应力传递模式、变形破坏与致灾机理提供了参考．     

脉冲电流对Al-Mg合金力学性能和断口的影响

研究了高能量密度0.150 J/mm~3和低能量密度0.105 J/mm~3下,不同脉冲电流参数对铝合金流动应力和伸长率的影响.铝合金在相同的能量密度下产生的温度一致,由此探讨了电辅助成形中的非焦耳热效应.结果表明:脉冲电流的引入能够降低铝合金的最大应力值,提高伸长率.相同能量密度下,随着脉冲电流密度的增加,最大应力值保持不变,但是脉冲电流引起的瞬时应力下降值增加,且伸长率显著增加.通过应力回复模型,准确预测出脉冲电流引起的应力下降值.高能量密度下试样拉伸后的断口韧窝数量变少,并且随着脉冲电流密度的增加,断口韧窝数量减少直至消失,断口伸长率的提高也正是脉冲电流抑制了空洞的形核和长大所致.     

钢筋混凝土断裂全过程声发射特征辨识及相关参量影响

以声发射参量为切入点,通过开展带预制裂缝混凝土三点弯曲梁试件声发射试验,采用振铃计数率-时间曲线、累计振铃计数-时间曲线、能量-时间曲线和累计能量-时间曲线等,研究了不同设计强度等级和不同配筋率混凝土三点弯曲梁试件断裂破坏过程声发射参量基本特性.研究结果表明:通过振铃计数-时间曲线和能量-时间曲线相互结合,可以更加准确地判断三点弯曲梁试件的起裂荷载和失稳荷载;初始设计强度对混凝土和钢筋混凝土断裂过程声发射参量具有一定影响;配筋率不同,钢筋混凝土三点弯曲梁试件断裂破坏过程也不相同,其对应的声发射信号也存在有一定差别.为进一步研究混凝土三点弯曲梁断裂破坏过程提供了一定的试验依据.     

活性粉末混凝土热物理性质的研究

通过高温试验获得了不同钢纤维掺量RPC的热传导、热扩散、比热容和热膨胀等热物理性质,分析了RPC热物理性质随温度和钢纤维掺量变化的规律,并与普通高强和高性能混凝土的热物理性质进行了对比.建立了RPC热物性参数随温度和钢纤维掺量变化的经验关系.利用传热学和固体物理方法分析了RPC传热过程与热传导性质变化的微观物理机制,推导了RPC的比热容和热膨胀系数的理论表达式,利用理论模型定量地分析了温度和钢纤维对RPC比热容和热膨胀性质的不同影响,并给出了判别条件,理论预测与试验观测相一致.     

Fe基合金应力退火感生磁各向异性机理的AFM研究

用原子力显微镜（AFM）观测不同外加张应力下540℃退火的Fe基合金薄（Fe73.5Cu1Nb3Si13．5B9）断口形貌，结合X射线衍射谱和纵向驱动巨磁阻抗效应曲线，研究Fe基合金薄带张应力退火感生横向磁各向异性场过程中的应力作用机制．建立了包裹晶粒方向优势团聚模型，揭示了包裹晶粒方向优势团聚与磁各向异性场的关系．     

钛合金室温和高温三维复合型断裂实验研究

钛合金结构在复杂载荷和工况下的损伤容限对现代飞行器安全十分重要,但至今没有结构三维几何尺寸因素对材料高温断裂性能的影响结果报道.利用新发展的光测断裂试验技术,对航空结构材料TC11高温钛合金制成的紧凑拉伸剪切试样,在3种不同温度条件下进行了多种厚度（1.8～7.1mm）的I/II复合型断裂试验,系统分析了温度、厚度和复合载荷对断裂承载力和裂纹起裂角的影响.结果表明,TC11材料在室温下断裂承载力随厚度增加单调降低;在高温下则呈现与室温下不同的厚度效应：温度明显降低2mm试样的承载能力,而增强7mm试样的承载能力,4mm试样的承载能力则较少变化.I/II复合加载时起裂角在室温和高温条件下都存在一定的厚度效应和温度效应.这些复杂的厚度-温度耦合效应不能用已有断裂理论准确预测,必须发展新的三维复合型断裂理论和评定技术.     

超大厚度钛合金电子束焊接熔合区精细组织表征

对大厚度船用钛合金电子束焊接接头熔合区组织进行了研究,采用金相显微镜观察熔合区在不同厚度的微观组织特点,并通过透射电子显微镜对相形貌进行了分析.结果表明:熔合区晶粒从两端面向90mm处逐渐增大.显微组织从两端面交错生长的细长马氏体,向厚度中部逐步转变成相互平行具有一定方向性的马氏体束域.相形貌在两端面主要是由含有大量位错的初生α'相和相互平行且细小的针状马氏体组成,交界面上有少量β相析出.90 mm处在细长的针状马氏体之间形成短棒状的马氏体.熔合区显微硬度在60 mm处最低,90 mm处最高,上下表面处相当,这与组织有密切关系.由于电子束焊接温度分布和温度梯度的特点,造成熔合区在厚度上晶粒和相形貌尺寸的不均匀,使得界面成为焊缝的薄弱部位.     

混凝土中钢筋腐蚀早期过程宏观腐蚀电池与微观腐蚀电池相互作用

建立一种阵列电极技术,通过测量不同时空的微电极腐蚀电位、电偶电流及其动态变化,研究了在腐蚀介质作用下,混凝土中钢筋腐蚀发生、发展早期过程阳极区和阴极区分布特征,探讨了钢筋腐蚀过程宏观腐蚀电池与微观腐蚀电池的相互作用机制.结果表明,伴随着点腐蚀的发生、发展过程,在钢筋/混凝土界面宏观腐蚀电池的作用明显,宏观腐蚀电池电流分布与腐蚀电位有密切的对应关系.混凝土中钢筋腐蚀过程总是存在着宏观腐蚀电池和微观腐蚀电池,二者密切相关、相互作用,对钢筋局部腐蚀的发生、发展过程有重要影响.     

红荧烯发光器件中电流与温度调控的微观演化过程

有机发光磁效应对有机半导体中激发态的微观过程有指纹式响应,本文采用这一灵敏方法探究了红荧烯(Rubrene)发光器件中微观机制随电流与温度的演化.实验结果表明:室温下,注入较小电流(5~100μA)时,Rubrene中主要发生单重态激子的分裂(singlet fission,SF),且该过程几乎不受电流变化的影响;注入中等电流(100~1000μA)时,除发生SF外,由直接注入的三重态激子还可以发生聚合反应(triplet fusion,TF);注入大电流(1000~4500μA)时,除了SF和TF,还出现了系间窜越过程(inter-system crossing,ISC).从室温到20 K的降温过程中,SF变弱,TF增强,ISC过程也越来越强.本器件中ISC随电流与温度的演化规律均与常规发光器件中的规律相反.我们采用相关微观过程的率常数以及不同电流和温度下激发态的寿命对实验结果进行了较好解释,这对深入理解Rubrene在有机发光中的微观机制有一定的促进作用.     

多维虚内键模型(VMIB)及其在岩体数值模拟中的应用

多维虚内键模型(VMIB, virtual multi-dimensional internal bonds)是在虚内键(VIB, virtual internal bond)理论基础上发展起来的一个多尺度力学模型. VIB理论认为固体材料在微观尺度上由随机分布的材料微粒(material particle)组成, 微粒之间由单一法向键连结; 而VMIB模型则在原VIB模型单一法向键基础上又引入了切向键用以约束微粒点对之间的相对转动自由度. 材料的宏观本构方程则由两种虚内键的刚度系数导出, 并在理论上证明了微观两种虚内键的刚度系数与宏观材料常数之间存在一一对应关系, 表明了在VMIB模型中增加切向键的充分性和必要性. 由于材料的断裂准则直接嵌入到本构方程中, 这使得VIB和VMIB模型在模拟材料断裂破坏方面有着较大的优越性. 岩体由于受到分布裂纹的切割作用, 宏观上表现为各向异性力学特征. 在岩体损伤模型中, 岩体裂纹的分布特征通常由损伤张量描述. 岩体在某一方向上的相对刚度大小决定于该方向上损伤值的大小. 在VMIB模型中, 微观虚内键的空间分布密度决定着材料宏观各方向上相对刚度的大小, 这与岩体损伤对岩体力学性能的影响是一致的. 文中在损伤张量与虚内键分布密度之间建立了定量关系, 将岩体等效为VMIB固体. 理论与试验结果表明, 这种等效的VMIB固体可以再现分布裂纹对岩体力学性能的影响, 这为进一步应用VMIB模型对岩体破坏行为进行数值模拟奠定了基础, 同时也为其他多裂纹体的数值计算提供一种新思路.     

接触热阻预测的研究综述

本文对接触热阻的理论预测研究进行了较全面综述,针对其物理数学模型和模拟方法,及相关的表面几何形貌评价、微观力学变形分析和换热数学建模等方面.通过系统地分析和评述,提出了为实现接触热阻准确预测需解决的关键问题,并指出了进一步的研究方向,也利于人们对接触换热及其交叉学科问题的科学理解和工程应用.