疲劳载荷下C/C复合材料的基体皱褶现象研究

采用专门设计的非常规交替式疲劳试验, 对碳纤维三维整体编织C/C复合材料在拉-拉循环载荷作用下的力学行为进行了探索性研究. 试验中发现, 在C/C复合材料内部热解碳沉积层的某些微区域形成了丝绸状“皱褶”. 进一步对试验过程进行了热力学理论分析, 阐明了产生皱褶现象的原因主要是疲劳振动过程导致热解碳沉积微层之间发生微摩擦, 并进而形成高温微区所致.     

T700／QY8911复合材料圆管轴压下能量吸收研究

采用T700／QY8911预浸料热压成型制作了复合材料圆柱管,对其进行了轴向压缩下能量吸收性能的试验。通过试验得到了峰值载荷、平均压溃载荷和比吸能率等主要能量吸收性能参数。试验结果表明,能量吸收性能及压溃破坏模式不仅与碳纤维材料性能有关,还与成型工艺及端部减薄这一薄弱环节设置密切相关;端部减薄薄弱环节的设置能有效地降低圆柱管在压溃过程中的峰值载荷,渐进地引发圆柱管压溃失效。建立了复合材料圆管轴向渐进损伤压缩有限元模型,通过计算得到了能量吸收性能的重要参数,计算结果与试验结果比较吻合说明了所采用的模拟方法是可行的。     

基于均匀金属微滴喷射的3D打印技术

均匀金属微滴喷射技术是基于喷墨打印的原理,于20世纪90年代初提出并发展起来的一种3D打印技术.它是以均匀金属微滴为基本成型单元,依据零件形状特征逐点、逐层"堆积"而实现三维结构的快速打印技术,具有喷射材料范围广、无约束自由成形和无需昂贵专用设备等优点,在微小复杂金属件制备、电路打印与电子封装以及结构功能一体化制造等领域具有广泛应用前景.由于金属材料具有熔点高、易氧化、粘性和表面张力大等特点,与非金属材料喷射沉积有很大差异.本文分析了金属微滴喷射方式及其机理,概述了此领域国内外研究现状,并结合笔者研究实践,阐述了金属微滴喷射沉积需要解决的关键技术及实例,如微滴喷射装置开发、喷射成型参数优化等,并对该技术的重点研究方向进行了展望.     

材料动态性能对高速切削切屑形成的影响规律

高速切削作为一门先进制造技术已经在工业生产中得到日益广泛的应用,对高速切削过程切屑形成机理的研究有助于进一步发挥高速切削技术的优势和促进高速加工装备的发展,同时可指导优化切削参数、控制切屑形态以改善加工表面质量.高速切削切屑形态变化是工件材料在不同切削载荷下表现出的动态力学性能差异所致.弄清楚高应变率下材料动态力学性能有利于揭示高速切削切屑变形与失效机理,同时高速切削实验的合理设计与应用可以成为材料在高应变率下动态力学性能的新型测试手段.本文以高速切削过程工件材料动态性能变化对切屑形成的影响为主线,结合我们在高速切削切屑形成机理方面多年的研究成果,对高速切削过程中工件材料的强度、塑脆性和微观组织变化等方面进行了综述分析.阐明了高速切削条件下碎断切屑形成的力学条件,指出了传统切削理论在应力状态对切屑变形和失效的影响机理、切屑微观组织演化等方面研究存在的不足,最后对未来的超高速切削切屑形成机理研究进行了展望.     

聚乳酸复合材料研究进展

生物降解材料聚乳酸受其本身的化学结构限制,具有较高的结晶性,从而限制了其广泛应用.而拓宽聚乳酸应用的最重要的途径是聚乳酸复合材料的制备.本文综述了聚乳酸复合改性研究进展,主要侧重于碳纳米管、环糊精、羟基磷灰石及其它物质与生物降解材料-聚乳酸的复合改性最新进展.聚乳酸基复合材料的结晶性、亲水性、生物相容性与纯聚乳酸材料对比,得到了明显的提高.最后对其发展进行了展望.     

基于优势点检测的晶粒轮廓非均匀B样条逼近

进行复合材料三维重构的一个重要步骤是获取晶粒轮廓简洁的、光顺的数学表达. 在利用小波变换技术和Level set技术得到陶瓷复合材料晶粒闭合边缘的基础上, 根据晶粒轮廓的特点, 研究了其特征型值点的合理提取方法: 提取晶粒轮廓上高曲率的点作为候选点, 利用自适应弯曲度来确定曲线上每个点的支撑区间, 计算评价曲率, 依据评价曲率和最大采样间隔确定合理的优势点. 采用周期非均匀3次B样条曲线逼近的方法, 得到控制误差条件下最简洁的晶粒轮廓曲线. 根据所传递的候选节点矢量, 采用柔性间距选择, 获取序列轮廓的共同的节点矢量, 采用蒙皮技术获得陶瓷复合材料晶粒的3次B样条曲面模型.     

高压阻重复性的纳米颗粒复合硅橡胶

将溶剂热还原法制备的金属钌纳米颗粒在空气中热氧化, 得到尺寸小于20 nm的氧化钌颗粒, 用透射电子显微镜、X 射线光电子能谱证明空气热氧化得到的氧化钌大部分为金红石相的二氧化钌, 具有良好的导电性. 用乙烯基硅烷偶联剂对氧化钌表面进行改性, 红外吸收谱证明硅烷分子修饰到氧化物表面, 将其与甲基乙烯基硅橡胶(PVMS)复合, 得到分散性良好的复合材料, 其电导温度关系表明, 室温电导主要为隧道方式, 压阻测量表明, 材料在低压缩应变下具有较高的压阻重复性. 透射电子显微三维重构图像显示, 分散在聚合物中的氧化钌呈现与炭黑很不同的聚积状态, 其颗粒间的间隙分布范围小是导致压阻重复性提高的主要因素.     

FDM三维打印的支撑结构的设计算法

熔融挤压式(FDM)三维打印是由熔化的塑料丝沉积组成物体模型的过程.熔化的塑料丝由喷嘴喷出并与喷嘴正下方的物体模型融合.然而,塑料丝只能沉积在已经存在的物体的上表面上.因此,需要在物体悬空的部位下方添加支撑结构使得物体能够被打印,否则塑料丝将悬在空中无法沉积,不能成型.本文设计并实现了一种保证三维物体模型能够打印的支撑结构方法.能够自动寻找支撑点,并且自动寻找添加支撑结构杆.此外,还调整了支撑杆的具体结构以增加稳定性以及易于剥除性.相比一般切片引擎如Cura,Mesh Mixer的处理方法,文中提出的算法能够在确保可打印性的前提下,有效减少三维打印的材料和时间消耗.     

42CrMo钢的动态力学行为及高应变率效应的本构模型

为研究42CrMo钢的冲击动态力学性能及本构模型,进行了冲击动态压缩实验和金相观察.材料表现出强烈的应变率依赖性,同时还得到不同应变率下力学性能差异的主要原因在于冲击动态载荷下的绝热剪切行为.采用热激活理论,分别考虑热应力和非热应力来解释变形机理,得到了应变率效应的描述.基于此,本文提出含高应变率效应的动态本构模型,通...     

三维离散元方法及其在冲击力学中的应用

离散元方法是近年来国际上出现的几种新概念数值模拟方法之一. 探讨了三维离散元理论模型, 推导了稳定性条件, 参数确定方法等, 并对几种典型的冲击动力学问题进行了三维数值模拟, 模拟结果与实验有较好的一致性. 由于不受连续介质力学3个支配方程的显式限制, 且无网格, 离散元方法在各类非连续材料、多相混合物、非均匀局域以及大变形和结构失效破坏等复杂过程及其机理的研究中将有广泛的用途.     

多壁碳纳米管-氧化铝复合材料的制备及其力学、电学性能研究

研究了热压制备的多壁碳纳米管-氧化铝复合材料的力学、电学性能及与显微结构的关系. 通过添加4%(质量分数)的MWNTs(多壁碳纳米管), 所得材料的断裂韧性KIC达到5.55 MPa·m^1/2, 是相同条件下所得纯氧化铝断裂韧性的1.8倍. 通过SEM观察发现, 其增韧机制主要是碳纳米管对氧化铝晶界的钉扎机制, 碳纳米管的拔出机制也有一定的作用. 添加2%(质量分数)MWNTs, 并采用不同的分散混合方式, 在相同烧结成型条件下所得复合材料的KIC为3.97 MPa·m^1/2, 和纯氧化铝相比有所提高; 而其电阻率达到8.4×10^-3 W·m, 和纯氧化铝相比, 降低了14个数量级. 研究发现, 碳纳米管在复合材料中的增韧和提高导电性能方面的差异和复合材料的显微结构有很大的关系, 而显微结构的差异又和制备工艺之间有直接的联系.     

确定复杂多孔材料有效导热系数的新方法

从Lattice-Boltzmann(LB)方程出发, 推导了二维LB 导热模型(D2Q5),计算了具有复杂结构的多孔材料的有效导热系数, 计算结果与其他文献中的实验结果符合较好. 分析了多孔材料有效导热系数与材料孔隙率、单位面积孔隙数、骨架形状等参数之间的关系并给出了估算公式. 给出的二维LB 导热模型能方便地计算各种小尺度上具有复杂边界或复合材料中的导热问题, 且二维模型能方便地扩充到三维.     

海藻酸-纳米羟基磷灰石构建可降解原位成型水凝胶

可注射原位成型水凝胶支架材料能填充任意形状的缺损, 并在很大程度上降低植入对机体组织的侵入性, 且方便与药物和活性物质复合. 采用原位释放法将海藻酸钠与纳米羟基磷灰石复合构建了可降解的原位成型水凝胶, 体系的凝胶化时间10~15 min, 材料具有多孔结构, 孔径20~300 µm, 孔内及孔壁上有大量羟基磷灰石晶体连续均匀分布. 体内植入试验证明该水凝胶材料可实现原位成型且具有良好的细胞相容性和组织相容性.     

无机固体发光材料的合成及其相关理论研究

无机固体发光材料是功能材料的一个重要分支,在工农业生产、军事、消防和人们生活的许多方面得到广泛应用.本文主要结合本课题组近年来在三维等离子平板显示用真空紫外发光材料、长余辉发光材料及白光LED用发光材料等方向的研究工作,从发光材料的设计、制备、结构表征、性能分析以及发光机理等方面,对其研究进展进行综述,并对今后的发展进行展望.     

土工离心模拟高速滑坡碎屑流冲击过程的科氏效应研究

土工离心模拟是土木工程、地质工程等相关领域的重要技术.但在高速滑坡碎屑流模拟方面的应用仍然受限,主要原因在于科氏效应的影响难以避免且缺乏详细研究.本文特别针对高速滑坡碎屑流冲击效应这一防灾减灾工程重要问题,开展了一系列的物理离心试验与数值试验.相关结果表明,科氏加速度的方向对高速滑坡碎屑流冲击过程的影响更为显著,发散科氏作用强化了滑坡碎屑流与拦挡结构的相互作用,表现在其具有更高的流动性、更强的冲击效应、更大的堆积体高度.离心应力水平对压缩科氏效应作用效果的影响更为显著,且随着离心应力水平的增大,模拟结果向着无科氏条件影响结果的方向发展.因此,高速滑坡碎屑流冲击效应的土工离心模拟建议在发散科氏条件下开展,且不必刻意选取较小的离心应力水平.     

多相材料--值得注意的材料研究的新趋向

在上一世纪，复合材料作为一种新材料得到了极为广泛的应用并对材料科学的研究起到重大的推动作用。从复合材料发展到多相材料是材料研究在复合材料研究的基础上的发展，它模糊各类材料的界限，它应是集各组成相材料的性能长处于一身，从而表现出独特的性能。它要博取各类材料的先进工艺，集中当前材料研究的最新成就。以满足使用上的要求为目标，主张用逆向思维的方式来 考虑材料的研究思路，这将拓宽材料研究的视野。因此，多相材     

形状记忆合金复合材料交互作用能的细观力学分析

交互作用能的确定是形状记忆合金热力学本构理论中非常重要且较为复杂的问题. 本文基于细观力学的方法和热力学原理, 将形状记忆合金复合材料作为三相系统进行分析, 即基体相、奥氏体相和生成相马氏体相, 推导了形状记忆合金复合材料的交互作用能, 该表达式适用于各种形状的夹杂. 着重讨论了基体材料、纤维的含量、形状、尺寸和温度等因素对交互作用能的影响. 通过比较可知, 该方法是可行的, 并得到了一些有价值的结论.     

含分层损伤复合材料层合结构在弯曲载荷作用下的屈曲问题研究

由于制造缺陷和服役过程中的外物冲击,分层损伤是广泛存在于复合材料层合结构中的一种缺陷形式.本文研究含圆形分层损伤碳纤维增强型层合结构在四点弯曲载荷作用下的屈曲力学行为.用三维数字图像相关技术获取屈曲表面的变形场和应变场,并以3自由度的利兹法为基础建立反映含分层损伤层合结构在弯曲载荷作用下屈曲力学行为的一维理论模型.最后,用实验得出的屈曲临界载荷值验证理论模型计算出的屈曲临界载荷值,并得出结论:本文提出的计算分层屈曲临界载荷的简便方法,可以用于屈曲临界载荷的初步估算.     

动态载荷下羟基磷灰石骨替代材料刚度的力学相容性

羟基磷灰石骨替代材料被植入人体后骨组织在其内部生长, 它的强度、刚度会逐渐增加. 其力学相容性是指成为活体骨的一部分后, 其力学性质应与周围骨组织的力学性质一致. 由于骨的力学性质与应变率相关, 骨替代材料的力学相容性既包括静态也包括动态力学性质. 应用分离式霍普金森压杆实验技术(SHPB)研究了羟基磷灰石骨替代材料、不含有机物的牛骨和含有机物的牛骨动态力学性质, 测量了 3 种试样在冲击载荷下的应力-应变曲线, 比较分析了 3 种材料的弹性模量的差别, 以判断胶原纤维的作用. 将羟基磷灰石骨替代材料看作颗粒复合材料, 估计了植入体内后其弹性模量的变化, 判断其动态刚度方面的力学相容性. 确定所研究的羟基磷灰石骨替代材料的孔隙率在0.8左右时有利于刚度方面的相容性.     

超重力熔铸梯度材料制备饲草料收获机械自磨锐切刀

采用Fe_3O_4/Al铝热体系,在超重力场中熔铸出硬度呈梯度分布的复合材料,而后制备出饲草料收获机械的自磨锐切刀并进行了现场试验.结果表明,Fe_3O_4/Al铝热剂体系的绝热温度为3148.2 K(Fe的沸点温度),约2 mol%的产物Fe以气相存在.体系内添加约15 mass%的高硬铁基合金颗粒(钒铁、铬铁、锰铁、钼铁等)稀释剂,可使Fe产物全部以高温(3148 K)低黏度液相存在,这对于超重力场中梯度材料成型十分有利.梯度材料的基体是具有择优取向的柱状晶组织,高硬铁基合金颗粒沿超重力方向呈线性排列且与基体冶金结合,由于密度及熔点不同,不同颗粒在复合材料内的分布状况有较大差异,这是材料硬度呈梯度变化的主要原因.新材料制备的饲草料收获机械切刀刃面硬度呈梯度分布,工作过程中会均匀磨损而形成自磨刃,始终保持锋利的切割性能.现场试验结果表明,该自磨锐切刀具有良好的使用效果.