不同取向贝壳材料力学性能的压痕法研究

天然生物材料的组织结构特征及其与性能间的关系研究对于材料的仿生设计有重要意义.利用压痕法压研究了贝壳材料的硬度,断裂韧性及脆性指标,并结合SEM技术研究了贝壳珍珠层压痕形貌,探讨了珍珠层的增韧机制.结果表明,无论是珍珠层和还是柱状晶生长纹对其性能影响较小,珍珠层在平行于片层方向上与垂直于片层方向的性能差别较大,珍珠层明显的各向异性主要来自于其独特的组织特征.珍珠层其成分和独特的微观结构特点决定了其在应力场中是一种能量耗散结构,裂纹在扩展过程中,裂纹偏转,有机物桥联,纤维拔出等多种增韧机制在协同作用于材料韧性.     

3D打印仿贝壳珍珠层复合材料的压缩力学性能

为了研究3D打印仿贝壳珍珠层复合材料在准静态压缩情况下的力学性能,探索3D打印贝壳珍珠层复合材料细部尺寸变化对力学性能的影响规律,采用光固化3D打印成型的制备方法,应用刚性不透明塑料Vero Blue作为硬质砖块,软质橡胶Tango Black作为软质胶层,制备了不同砖块长宽比和不同软胶层厚度的仿贝壳珍珠层复合材料试样。运用准静态压缩的力学测试方法,同时结合有限元分析软件ABAQUS的验证,考察了仿贝壳珍珠层复合材料的压缩力学性能。实验和数值分析结果清晰表明,3D打印仿贝壳珍珠层复合材料的主要破坏形式是软质胶层开裂。数据结果显示:当软质胶层厚度不变,增加硬质砖块的长宽比可以提升整体材料的弹性模量22%～48%;而硬质砖块长宽比保持不变时,软质胶层厚度的减少则能提升断裂能量190%～253%.另外分析了试样在压缩应变为0.05时的压缩应力,结果显示有限元分析与实验结果比较吻合。     

绿贻贝贝壳的微结构特征及光谱分析

贻贝贝壳是一种由碳酸钙晶体和少量有机质形成的高度有序的天然纳米复合材料,历来是生物材料、组织工程以及仿生学研究的重要对象。利用扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱分析以及X射线衍射分析等,对绿贻贝贝壳的微观结构、碳酸钙晶体构型以及有机质结构特征进行分析。绿贻贝贝壳主要包含珍珠质(Nacre)层和肌棱柱层;两者的碳酸钙晶体构型均采取了文石构型;在后闭壳肌-贝壳连接部位,肌肉与贝壳碳酸钙晶体之间由一层有机质膜连接且该膜质地明显区别于珍珠质层表面的膜。绿贻贝各层结构中的蛋白质均以β-折叠为优势构象,但是肌棱柱层中蛋白质的β-折叠含量较珍珠质层高。     

基于3D打印的仿生材料

随着3D打印技术的飞速发展和广泛应用,能够模仿和制造的生物仿生结构越来越多样化.简单介绍了现有的3D打印技术,并从结构、功能、医用和智能材料等方面综述了3D打印技术结合仿生领域的研究成果,如贝壳珍珠层、龙虾螯棒、鲨鱼皮、荷叶、血管网络和义肢等;最后讨论了3D打印技术在仿生领域面临的挑战和发展前景.     

贝壳珍珠层动态的文石板片厚度及其新结构模型

利用扫描电镜对大珠母贝、合浦珠母贝及三角帆蚌壳中区珍珠层自然断面微结构进行了系统的研究,首次发现贝壳珍珠层纵向文石板片厚度在不同部位具有明显的差异,大珠母贝、合浦珠母贝及三角帆蚌珍珠层从内层面到外层面文石板片最大厚度差分别达到462、246、26nm;并根据SEM观察结果初步建立了一种新的连续可变厚度型珍珠层结构模型,这对生物矿物学、物理光学及仿生材料学方面的相关研究具有重要指导意义.     

贝壳中文石晶体择优取向的XRD分析

贝壳珍珠层独特的结构是其优异力学性能的重要原因.采用X射线衍射法(XRD)对贝壳珍珠层及柱状晶的晶体结构及择优取向进行了详细的探讨.结果表明:珍珠层中文石晶体在沿珍珠层面上存在两种定向排列,即(002)和(012),具有择优取向性,柱状晶层结构的无序性比珍珠层大.     

褶纹冠蚌贝壳结构特征及其珍珠层呈色机制研究

采用反射光谱仪和扫描电镜(SEM)对淡水褶纹冠蚌贝壳壳层微结构及珍珠层彩虹色成因进行较系统研究,对珍珠层构色机制进行了理论模拟。结果表明:贝壳棱柱层为棒柱结构,且与珍珠层呈近垂直交接;同一贝壳的珍珠层,生长端存在明显的彩虹色,且反射波长位于蓝绿波段,而成熟端无明显颜色和反射波长;构成珍珠层成熟和生长端文石板片厚度存在明显差异,且两者厚度分别约为1 483 nm和426 nm;珍珠层中文石板片与蛋白质周期排列构成一光子带隙结构,该结构与蛋白质色素的共同作用是其颜色产生的直接原因。     

翡翠贻贝贝壳的微结构研究

双壳纲贝壳是一种天然的有机一无机复合材料,具有优异的力学性能.为了解翡翠贻贝贝壳的矿物组成和微结构,利用X射线衍射仪(XRD)对贝壳进行分析,并利用扫描电镜(SEM)对其生长区和成熟区珍珠层微结构进行观察.结果表明,该贝壳珍珠层、棱柱层及其过渡区域均由文石组成;首次发现该贝壳珍珠层由帽状和平板状文石板片构成,其弯曲度和...     

碳化硼陶瓷烧结方法的分析研究

比较了各种碳化硼陶瓷烧结方法的原理、工艺及优缺点,明确了高硬度液相烧结碳化硼陶瓷材料具有高硬度(HV≈2 800)、价格低(由于采用液相烧结温度约为1 800℃,比无压烧结低400～500℃)、性能优异(抗弯强度可达800～900 MPa,特别是它的断裂韧性可达8 MN/m3/2)等特点,指出了高硬度液相烧结碳化硼陶瓷材料是一种极具竞争力的材料.由于它的抗弯强度和断裂韧性高,因而可替代某些工具钢用于承受一定冲击载荷的抗磨件,从而扩大了陶瓷材料的应用领域.提出了高硬度陶瓷材料的耐磨性能的研究是目前亟待解决的问题.     

仿蝠鲼胸鳍推进执行机构水动力特性分析

针对仿生蝠鲼机器人胸鳍推进执行机构的结构特征,文章提出了仿生蝠鲼胸鳍运动学方程和二维水动力学模型,并基于Fluent软件和动网格技术,通过编写UDF程序控制二维截面运动,对仿生蝠鲼胸鳍二维水动力模型进行求解;通过仿真与实验数据的对比,验证了该仿真方法具有很高的可信度,仿真分析得到的仿蝠鲼胸鳍推进执行机构的相关水动力学特性为仿蝠鲼胸鳍摆动机构优化设计提供了参考;研究了波幅包络线函数、急回特性和斯特哈尔数对推进性能的影响,并通过比较各参数对推力和升力的影响,最终得到仿生蝠鲼机器人胸鳍推进执行机构的部分参数选择依据。     

Multifunctional artificial nacre via biomimetic matrix-directed mineralization

Natural nacre, one of the most studied biological structural materials with delicate hierarchical structures and extraordinary performance, has inspired the design and fabrication of artificial structural ceramics with high fracture toughness. However, to meet the diverse requirements of different applications, future structural materials must be multifunctional with superior mechanical properties, such as strength, hardness, and toughness. Herein, based on the matrix-directed mineralization method for producing biomimetic structural materials, we introduce nanoparticles with different inherent functions into the platelets of artificial nacre via the co-mineralization of aragonite and the nanoparticles. Besides their enhanced mechanical properties, the obtained artificial nacre materials also exhibit different functions depending on the type of the nanoparticles. To extend the versatility of this strategy, the effects of nanoparticles of different sizes and zeta potentials on mineralization are also analyzed. This universal strategy can be applied to the fabrication of other types of functionalized biomimetic structural ceramics that have potential applications in various fields, such as biomedical science.     

Al2O3/AlB12/AlN复相陶瓷的制备及其力学性能

以Al和B2O3为原料,采用高频感应加热方法制备出纯的Al2O3/AlB12/Al复合陶瓷粉体,然后在N2保护下1600℃热压烧结2h制备出Al2O3/AlB12/AlN复相陶瓷。采用XRD和SEM技术分别表征了Al2O3/AlB12/Al复合陶瓷粉的相和形貌以及Al2O3/AlB12/AlN复相陶瓷的相和断口形貌。采用三点弯曲法和压痕法分别测试了Al2O3/AlB12/AlN复相陶瓷的抗弯强度和断裂韧性。研究结果表明：由于室温下Al-B2O3体系的绝热温度大于1800K,因此可以采用高频感应加热方法点燃Al-B2O3体系,并制备出纯的Al2O3/AlB12/Al复合陶瓷粉体;Al2O3相和AlB12相是分别通过液-液反应机制和液-固反应机制生成;Al2O3/AlB12/AlN复相陶瓷的抗弯强度和断裂韧性分别为549.48MPa和5.96MPa·m1/2,分别比纯Al2O3陶瓷的350MPa和4MPa·m1/2高56.99%和49%,这可能是原位反应生成的细小AlN颗粒增强增韧了Al2O3基陶瓷。     

Zr含量对大功率0.125PMN 0.875PZT陶瓷压电性能的影响

采用二次合成法制备不同zr含量（x=0.46～0.52）的0.125 Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.875PbZr_xTi_1-xO₃（0.125PMN-0.875PZT）三元压电陶瓷。采用x线衍射仪（XRD）、阻抗分析仪等对陶瓷进行表征和性能测试,考察了Zr含量变化对陶瓷烧结相结构、体积密度、介电和压电性能的影响。结果表明:采用二次合成法,制备了纯钙钛矿相结构的陶瓷;当x=0.48～0.50时,0.125PMN-0.875PZT陶瓷处于四方一三方准同型相界（MPB）.在x=0.49时制备的0.125PMN-0.875PZT陶瓷性能最佳,体积密度为7.84 g/cm³,介电损耗低至0.76%,相对介电常数为2 130,压电常数为:320 pC/N,机电耦合系数达0.61,机械品质因数为76。     

B4C-TiB2-SiC复合陶瓷的SPS制备及组织性能研究

针对B₄C陶瓷烧结性能较差、成本较高的技术问题,提出了一种新型的B₄C基复合陶瓷的制备方法. 该方法以B₄C、Ti₃SiC₂及Si的混合粉作为初始粉体,通过放电等离子烧结技术（SPS）制备第二相（TiB₂+SiC）质量分数为30%的B₄C-TiB₂-SiC复合陶瓷,利用SPS特殊的烧结机制以及烧结过程中的原位放热反应,有效提升了B₄C陶瓷的烧结性能,降低了B₄C陶瓷的制造成本. 研究结果表明,在烧结温度为1650 °C,保温时间为5 min,烧结压力为50 MPa的条件下,制备得到了具有较高致密度（98.5%）的B₄C-TiB₂-SiC复合陶瓷. 随着烧结压力的增加,B₄C-TiB₂-SiC复合陶瓷的硬度逐渐增大,断裂韧性不断减小,而复合陶瓷的弯曲强度则呈现出先缓慢增加后迅速增大的变化趋势.      

液相烧结SiC陶瓷的微观结构

采用Al2O3、Y2O3为助烧剂,液相烧结获得了致密的α－SiC和β－SiC陶瓷,并研究了SiC了烧结体的物相组成和微观结构。实验结果表明,Al2O3,Y2O3原位形成了YAG,材料以液相烧结机制致密化,α－SiC通过溶解和再析出机制,促进晶体生长,并形成“Core/Shell”结构,物相分析表明,β－SiC陶瓷粉末在烧结过程中发生β→a的相变,微观结构观察显示,β-SiC陶瓷中生成了长柱状晶粒。     

Effects of BN content on the mechanical properties of nanocrystalline 3Y-TZP/Al2O3/BN dental ceramics

3Y-TZP/3wt％ Al2O3 powder was coated with varying amounts of BN using the urea and borate reaction sintering method, and then multiphase ceramics were prepared by hot pressing sintering. The micro-topography and the compositional analysis of synthesized ceramics were conducted through scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and X-ray diffraction. A mechanical tester was used to analyze the Vickers hardness, fracture toughness, and bending strength of the synthesized ceramics. The results showed that the ceramic with a BN content of 12wt％ showed the best processability, but had diminished mechanical properties (such as fracture toughness and bending strength). The ceramic with a BN content of 9wt％ showed better processability than those with 3wt％ and 6wt％ BN. However, the fracture toughness was affected by the addition of 9wt％ BN, making this ceramic only usable as a base material for a three-unit fixed bridge. In con-trast, the ceramics with a BN content of 3wt％ or 6wt％ fulfilled the criteria for use in multi-unit restoration, but their low processability made them unsuitable for milling after sintering.     

Effects of BN content on the mechanical properties of nanocrystalline 3Y-TZP/Al_2O_3/BN dental ceramics

3 Y-TZP/3 wt% Al_2O_3 powder was coated with varying amounts of BN using the urea and borate reaction sintering method, and then multiphase ceramics were prepared by hot pressing sintering. The micro-topography and the compositional analysis of synthesized ceramics were conducted through scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and X-ray diffraction. A mechanical tester was used to analyze the Vickers hardness, fracture toughness, and bending strength of the synthesized ceramics. The results showed that the ceramic with a BN content of 12 wt% showed the best processability, but had diminished mechanical properties(such as fracture toughness and bending strength). The ceramic with a BN content of 9 wt% showed better processability than those with 3 wt% and 6 wt% BN. However, the fracture toughness was affected by the addition of 9 wt% BN, making this ceramic only usable as a base material for a three-unit fixed bridge. In contrast, the ceramics with a BN content of 3 wt% or 6 wt% fulfilled the criteria for use in multi-unit restoration, but their low processability made them unsuitable for milling after sintering.     

基于裂纹尖端张开角含轴向穿透裂纹X80管道极限压力预测

准确预测含轴向穿透裂纹管道极限压力对其安全运行具有重要意义,但现有极限压力预测模型已不满足高韧性、高强度X80管道的评定需求。对含轴向穿透裂纹X80管道极限压力进行研究,建立含轴向穿透裂纹X80管道壳单元与三维实体单元数值模型,应用壳单元模型替代三维实体单元模型以简化分析过程并提高计算效率。基于含裂纹管道壳单元模型,选用临界裂纹尖端张开角作为断裂参量,分析初始裂纹长度、检测单元长度、管道壁厚等不同因素对极限压力的影响,提出极限压力预测修正模型。将基于修正模型的管道爆破压力预测结果与试验测试结果进行对比分析。结果表明,初始裂纹长度与极限压力呈负相关关系;而检测单元长度和管道壁厚与极限压力呈正相关关系,且壁厚与极限压力基本呈近线性关系;三者均对极限压力具有较为显著的影响。该模型具有更高的准确性,可用于高韧性、高强度薄壁X80管道的止裂设计。     

CeO2掺杂(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3压电陶瓷的电子性能与微观结构

采用传统陶瓷工艺制备了CeO2掺杂(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3(缩写为 BNBT6)无铅压电陶瓷.研究了CeO2掺杂量(0～1.0wt%)对BNBT6陶瓷的密度、相结构、微观结构及介电与压电性能的影响.XRD表明,CeO2掺杂量在0～1.0%wt之间变化,没有改变BNBT6陶瓷纯的钙钛矿结构.SEM表明,少量的CeO2掺杂,改变了陶瓷的微观结构.介电温谱表明,随着CeO2掺杂量的增加,铁电相向反铁电相转变温度(Td)降低. 室温下,CeO2掺杂量为0.4wt%时,BNBT6陶瓷样品有很好的性能:密度为5.836g/cm3,压电常数为136pC/N,平面机电藕合系数为30.3%, 相对介电常数为891, 介电损耗为0.0185.     

小尺寸铋团簇Bi_n(2≤n≤10)的结构特性

采用广义梯度近似下的密度泛函理论系统研究了小铋Bin(2≤n≤10)团簇的结构及其尺寸演化.对于每一尺寸的团簇构造了大量的结构异构体以寻找最低能量结构,发现了几种结构模式如笼形、层状结构和超团簇等相互竞争,并作为全局极小交替出现.在讨论结构稳定性和电子性质的尺寸效应时,观察到了相似的奇偶振荡行为,表明Bin团簇的稳定性主要是由电子壳层效应决定的.