周期性多孔材料等效杨氏模量的尺度效应研究

随着航空航天与民用技术对多孔材料应用的广泛需求,对于该种轻质材料的研究达到了空前的高度.该文着重研究了周期性多孔材料等效杨氏模量的有效计算方法,在综合分析现有均匀化方法、G-A（Gibson and Ashby）细观力学方法、拉伸能量法无法反映体胞尺寸效应的基础上,提出了弯曲能量新方法,并对4种方法的预测效果进行了系统的研究,揭示了弯曲能量法的通用性、尺寸效应的预测能力以及与4种方法的内在联系与差异.以拉伸和弯曲两种力学加载模型的有限元数值计算结果以及文献给出的六边形蜂窝实测实验结果为基准,比较分析了4种方法在预测拉伸变形和弯曲挠度的计算精度.结果表明,弯曲能量法能很好地预测不同构型蜂窝单胞的等效杨氏模量及其尺寸效应,并能很好反映不同加载模式下结构变形随多孔材料体胞尺寸的变化规律包括六边形蜂窝的非单调变化趋势,而其他3种方法仅能预测体胞无限小时的极限结果.     

蜂窝夹芯结构吸波性能的有限元计算分析

针对周期性蜂窝夹芯结构型吸波材料的非均匀性,提出采用频域有限元数值仿真和散射参数反演法计算不同构型蜂窝夹芯材料的雷达散射截面（RCS）和反射系数,并探讨了周期性蜂窝夹芯结构中胞元的尺寸效应对结构型吸波材料隐身性能的影响．计算结果表明：对于具有相同体分比的不同构型蜂窝夹芯结构型吸波材料,当胞元尺寸大于工作波长时,夹芯材料的不均匀性导致RCS值变化幅度较大;随着尺寸的缩减,RCS值逐渐减小且变化趋于平缓．但在不同入射方向具有明显的散射特性,而且不同构型蜂窝夹芯结构的反射系数也表现出明显的尺寸效应．研究结果为周期蜂窝夹芯结构型吸波材料的多功能设计提供了计算依据．     

正六角形单胞周期性蜂窝板等效刚度研究

利用已提出的一种周期性板等效刚度求解新方法,研究了六角形蜂窝板在壁厚和单胞高度等在相当大的范围内变化时的等效刚度,给出了计算蜂窝板等效刚度的一系列解析近似公式,并对其进行了验证.这种新方法能够精确实现理论上严格的渐近均匀化方法,并具有代表体元法的直观简洁,可以根据单胞的不同尺寸采用不同的单元类型,大大提高了求解效率.最后讨论了文献中已有的近似解析解的精度、经典层合板理论成立的条件及泊松比的影响等.     

基于渐近均匀化方法的波纹结构力学性能等效分析研究

波纹结构广泛地应用于工程实践中,如波纹板与波纹管.由于波纹结构的复杂性,解析方法很难精确表达其基本力学性能参数,同时,数值建模耗时较多,难以提高分析效率.波纹结构呈现典型的周期性,基于渐近均匀化方法可推导得到新格式.其便于在商业有限元软件上二次开发实现快速求解,从而获得波纹结构单胞等效力学性能参数.通过尺寸效应分析获得单胞选取的最佳尺寸;同时,针对某一波纹板建立其等效分析模型,在集中荷载作用下模拟其力学变形,通过与精细数值分析结果对比,发现其误差不到2%.充分验证了该等效方法的可行性,其为工程中波纹结构快速设计提供了一种有效途径.     

超轻多孔类蜂窝夹心结构创新构型及其力学性能

通过优化排列六边形和四边形夹心胞元,以六边形和四边形的组合设计胞元结构,提出了类蜂窝夹层结构的概念并对其进行了创新构型;基于Gibson提出的胞元理论,建立了类蜂窝夹心结构力学等效模型,并推导出了等效模型的等效弹性常数公式。以卫星结构的蜂窝夹层板作为应用实例,对类蜂窝和正六边形蜂窝夹心结构的等效力学常数进行了计算对比,结果表明:两者的等效弹性模量近似相等,然而类蜂窝夹心结构的等效剪切模量却有较大提高,同时等效密度更小,可有效减小结构的质量。对卫星结构类蜂窝夹心结构进行了数值模拟研究,验证了类蜂窝夹心结构力学等效模型的正确性。     

类蜂窝夹芯结构等效力学性能优化设计

为提高新型类蜂窝夹芯结构的等效力学性能,本文在分析夹芯胞元尺寸对其等效力学性能影响的基础上,选取胞元尺寸为设计变量、以等效力学性能参数为目标函数,建立类蜂窝夹芯结构等效力学性能优化数学模型,并采用多目标遗传算法对其进行优化设计.经优化设计分析发现:当夹芯胞元厚度t与六边形短边长l比值为0.0134、正方形边长h与l比值...     

拟膜分析法及应用

将具有周期性微结构的平面网格结构比拟成均匀的连续体一拟膜,通过分析连续体的力学响应预测原网格结构的响应．根据两者在面内力学行为上的等效性,拟膜的弹性本构参数可由网格结构单胞的材料和几何参数解析表示．分析发现：当原网格结构单胞中各个杆件保持材料性质不变,而面内的几何尺寸扩大相同倍数时,拟膜的弹性本构保持不变,称这种性质为网格结构的几何内禀性．数值算例进一步证实这个结论及拟膜分析法的正确性．     

微孔结构对多孔材料细观力学特性的影响

在三维孔隙材料如泡沫材料中，胞孔的形状及大小并非完全均匀，因此借助二维均匀化方法来讨论胞孔形状及大小对多孔材料性能的影响。在线弹性范围内，根据均匀化理论，基于虚位移原理，结合有限元方法推导出二维周期性结构的均匀化的有限元格式。取具有不同孔洞形状的正方形胞元作为周期性结构的代表胞元，将三维孔隙材料简化为截面上具有规则孔洞的二维结构，来计算不同微孔形状及大小下的等效弹性常数；比较分析了微孔结构对多孔材料等效弹性常数的影响。计算结果分析表明，多孔材料的等效弹性参数不仅取决于微孔结构的数量，而且对微孔结构的形状也有一定程度的敏感，同时对基体材料的泊松比的变化敏感与否也与微孔结构有关。     

混合介质低频介电增强效应的等效电容模型

针对油气开采时岩石等混合介质在低频段出现的介电增强现象影响测井数据准确性的问题,提出一种混合介质低频介电增强效应的等效电容(CMEC)模型。首先根据储油层岩石电参数特性建立层状含膜介质模型,并将其等效为集总电路形式进行介电谱分析;同时给出3层含膜介质的电势分布,由此分析膜层电导率及膜层厚度对介电增强特性的影响。分析结果表明:等效介电常数在低频段的增强是电容模型有效厚度在低频段减小引起的,而其增强幅度和薄膜参数之间存在着定量关系;由于CMEC模型计算含膜介质介电谱时引入的模型参数相对较少,运算量约为有限差分算法等数值模拟方法的10%。该模型可为油田地质结构的低频介电测量提供准确依据。     

复合材料弹性性能尺度效应

利用均匀化方法研究了二级层状材料的细观结构尺度与一级层状材料尺度的相对大小对等效弹性性能的影响,讨论了二级层状材料宏观弹性常数的尺度效应。结果表明：(1)按多级复合方法确定的二级层状材料的弹性性质是当层状材料的单层厚度相对于宽度为无限小时的材料性质;(2)当第一级层状材料单胞厚度与宽度相近(单胞的长宽比a／b接近1)时,细观结构的长宽比对二级层状材料的宏观性质有较大影响,但这个影响随厚度与宽度差别的增大迅速衰减;(3)存在一个门槛值,当细观结构长宽比小于该门槛值和大于门槛值的倒数时,长宽比的变化基本不会引起材料弹性性质的变化;(4)两相材料的材料性质相差越大,尺度效应的影响程度越大,数值计算结果给出了尺度效应的影响程度。     

谐振腔内介质的复介电常数求解方法研究

为了建立通用的数学模型求解谐振腔内介质的复介电常数εr，根据时谐电磁场的波动方程和边界条件，导出以εr作为本征值的变分方程，并应用于矩形腔内的介质柱，求解步骤有较大简化．测量结果表明，该方法可求解大尺寸、高介电常数、低损耗的介质样品．     

Si_（83）Ge_（17）/Si压应变衬底上HfAlO_x栅介质薄膜微结构、界面反应和介电性能研究

本文研究了射频磁控溅射沉积在p-Si83Ge17/Si（100）压应变衬底上HfAlOx栅介质薄膜的微结构及其界面反应,表征了其各项电学性能,并与相同制备条件下沉积在p-Si（100）衬底上薄膜的电学性能进行了对比研究.高分辨透射电子显微镜观测与X射线光电子能谱深度剖析表明600°C高温退火处理后,HfAlOx薄膜仍保持非晶态,但HfOx纳米微粒从薄膜中分离析出,并与扩散进入膜内的Ge,Si原子发生界面反应生成了富含Ge原子的HfSiOx和HfSix的混合界面层.相比在相同制备条件下沉积在Si（100）衬底上的薄膜样品,Si83Ge17/Si（100）衬底上薄膜的电学性能大幅提高：薄膜累积态电容增加,有效介电常数增大（～17.1）,平带电压减小,？1V栅电压下漏电流密度J减小至1.96×10？5A/cm2,但电容-电压滞后回线有所增大.Si83Ge17应变层抑制了低介电常数SiO2界面层的形成,从而改善了薄膜大部分电学性能;但混合界面层中的缺陷导致薄膜界面捕获电荷有所增加.     

组分梯度膜的有效介电常数的推导

从静电场的边值关系出发,利用平均场理论和有效媒质理论近似理论,研究组分梯度膜的有效介电常数,推导出组分梯度膜的有效介电常数。     

采用等效介电常数时域差分法分析二维介质型光子晶体色散特性

针对差分法中难以近似处理不同介质分界面处单元差分网格中沿x,y,z轴各方向等效介电常数值的问题,提出了将"电容串并联"的电路概念引入于各方向等效介电常数的近似计算中,并导出几种非匀质单元网格中等效介电常数的计算式.采用等效介电常数的时域有限差分法计算二维介质型光子晶体的色散特性可灵活地剖分网格,既能获得很高的计算精度,又可节省计算时间和计算内存.此等效介电常数公式也可用于其他电磁问题的差分法分析,以提高计算效率.     

Si83Ge17／Si压应变衬底上HfO2栅介质薄膜的电学性能

本文用射频磁控溅射方法在p-si83Ge17／Si压应变衬底上沉积制备Hf02栅介质薄膜,研究其后退火处理前后的电学性能,并与相同条件沉积在无应变p-Si衬底上Hf02薄膜的电学性能进行对比研究．物性测试分析结果表明,沉积Hf02薄膜为单斜相（m-Hf02）多晶薄膜,薄膜介电常数的频率依赖性较小,1MHz时薄膜介电常数k约为23．8．在相同的优化制备条件下,沉积在si83Ge17／si衬底上的Hf02薄膜电学性能明显优于沉积在Si衬底上的薄膜样品：薄膜累积态电容增加;平带电压‰骤减至-0．06V;电容．电压滞后回线明显减小;-1V栅电压下漏电流密度,减小至2．51 x 10-5A·cm-2．实验对比结果表明Si83Ge17应变层能有效地抑制Hf02与si之间的界面反应,改善HfO2／Si界面性质,从而提高薄膜的电学性能．     

一顺一丁砌体墙契合规律及平面解构理论

引入契合理论分析了平面应力假设下一顺一丁砌体墙的内在契合规律.通过对砌体进行周期性平面分割,对组元（契合形单位胞体也即RVE）进行解构,得到骨骼单元（基本组元）,进而获得基本形,为严格匀质化单元几何分割提供理论依据.探索了RVE与基本组元之间契合关系的数学模式,推导了RVE的边界条件与初始条件,解决了国内相关研究在数值模拟阶段采用的RVE边界条件与初始条件与理论推导存在差异的问题.     

掺杂钛酸铋钠对钛酸锶钡陶瓷介电性能的影响

采用固相法制备钛酸铋钠掺杂的钛酸锶钡（Ba0.9Sr0.1TiO3）铁电陶瓷,研究钛酸铋钠的掺杂量对钛酸锶钡陶瓷的微观结构和介电性能的影响,并探讨相关机理．研究结果表明,在讨论的掺杂范围内,随着钛酸铋钠掺杂量的增加,钛酸锶钡的晶粒尺寸先增大,后减小．当掺杂量为0．5％（质量分数,下同）时,介电弥散发生,半导化现象出现．当钛酸铋钠掺杂量介于1．0%-1．5％之间时,钛酸锶钡陶瓷的介电常数均保持在5000,且居里温度向高温移动到120℃,10kHz频率的介电损耗低于0．05．     

碳纳米管的本征微波吸收特性研究

从碳纳米管电磁参数和微波吸收特性的实验结果出发,分析探讨了碳纳米管的本征微波吸收机理,并得出结论:界面极化吸收、多重反射和散射以及螺旋型碳纳米管的手性微波吸收是碳纳米管的主要本征微波吸收机理.碳纳米管的结构缺陷能增强极化效应,从而增加介电损耗;碳纳米管所具有的小尺寸效应、表面效应(比表面积大)、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等有利于其微波吸收.碳纳米管的电容率值远大于磁导率值,碳纳米管是一种介电损耗型吸波介质.     

不同氛围溅射HfO_2栅介质薄膜的电学性能和界面微结构

本文研究了不同沉积氛围(纯Ar,Ar+O2和Ar+N2)中射频磁控溅射制备HfO2薄膜的介电性能和界面微结构.实验结果表明在纯Ar氛围室温制备的HfO2薄膜具有较好的电学性能(有效介电常数ε-r～17.7;平带电压～0.36 V;1 V栅电压下的漏电流密度～4.15×10-3 A cm-2).高分辨透射电子显微镜观测和X射线光电子能谱深度剖析表明,在非晶HfO2薄膜和Si衬底之间生成了非化学配比的HfSixOy和HfSix混合界面层.该界面层的出现降低了薄膜的有效介电常数,而界面层中的电荷捕获陷阱则导致薄膜电容-电压曲线出现顺时针的回线.