关键词： 复合材料   通用单胞模型   多尺度仿真   数据驱动   神经网络  

摘要： 为实现纤维增强复合材料的损伤分析，建立了一种高效多尺度损伤分析方法。首先，基于通用单胞理论，分别针对层合板和平纹编织复合材料构建了多尺度损伤分析框架，研究了这类复合材料在单轴拉伸载荷下细、微观尺度的损伤过程。结果表明：平纹编织复合材料复杂的编织结构导致其细、微观损伤演化过程较为复杂，同层合板的损伤过程具有显著差异。在此基础上，引入神经网络，提出了一种基于数据驱动的多尺度损伤分析策略，进一步实现了平纹编织复合材料的高效损伤模拟。模拟与试验结果相比，建立的高效多尺度损伤分析方法预测拉伸强度误差小于7%；且与传统多尺度损伤分析方法相比，宏观尺度计算效率提升12.47倍。

关键词： 先进金属基复合材料   功能梯度材料   铝基复合材料   电子封装   研究应用进展  

摘要： 电子信息系统小型化、轻量化、无人化、一体化的发展趋势要求电子封装持续减小尺寸、降低重量和减少功耗（SWaP，即Size,Weight and Power）。传统的基于可伐合金、铝合金和高硅铝的微电子封装材料难以同时满足大跨度热匹配、良好的钎焊与激光熔焊性能、高导热、高比刚度、高比强度和良好的可制造性，无法适应SWaP要求。功能梯度铝基复合材料综合了铝合金与铝硅、碳化硅铝等先进复合材料的优点，既具备大跨度热匹配、高导热率的特点，又具备精细加工和良好的激光熔焊等工艺性能，是新一代微电子封装材料的研究热点。本文综述了功能梯度铝基复合材料的优势、制备方法和封装应用情况，并对该材料制备与应用中存在的问题进行了总结，最后对其未来研究方向进行了展望。

关键词： 钠离子电池   硬碳   生物质   掺杂改性   复合材料  

摘要： 硬碳由于具有较低的电压平台、较大的层间距和较高的平台容量,成为钠离子电池中最具有前途的负极材料之一。生物质衍生的硬碳具有原料来源丰富、价格低廉等优点,但是其较差的储钠性能和较低的初始库仑效率（ICE）限制了其商业化进程。针对上述问题,本论文以价格低廉的生物质酒糟为前驱体,通过调控碳化温度,掺杂改性以及复合材料设计对酒糟衍生的硬碳进行了优化,并探究了其成分组成、形貌与电化学性能之间的关系。主要研究内容包含以下几个方面: 1.酒糟衍生硬碳材料的制备和储钠性能研究。对酒糟水洗、酸洗、预碳化、碱洗、碳化等步骤得到硬碳材料,通过调控碳化温度,成功制备一系列酒糟衍生的硬碳材料。结果表明,酒糟衍生的硬碳可以保持前驱体良好的三维结构,同时具有较大的层间距,较高的比表面积以及丰富的微孔结构。1100℃下合成的硬碳材料（HC-1100）具有最佳的电化学性能,在20 mA·g-1时具有206.6 mAh·g-1的可逆比容量,在循环100圈后容量保持率为101.1%。 2.银掺杂硬碳材料的制备和电化学性能研究。采用硝酸银为银源,合成了一系列银掺杂的硬碳材料。结果表明,掺杂3%Ag的硬碳材料（HCAg-3）具有较大的层间距以及更为无序的结构,表现出较为优异的电化学性能,在20 mA·g-1时具有265.0 mAh·g-1的可逆比容量和43.4%的首圈库仑效率,均高于未掺杂的硬碳材料。 3.硅掺杂策略改善硬碳材料的电化学性能研究。以正硅酸四乙酯为硅源,合成了一系列硅掺杂的硬碳材料。硅掺杂后的硬碳材料具有较大的层间距和更小的比表面积,掺杂1%硅的硬碳材料（HCSi-1）在20 mA·g-1时可逆比容量达到280.7mAh·g-1,首圈库仑效率为41.3%,在循环100圈后容量保持率为102.6%,表现出较为优异的储钠性能和循环稳定性。同时HCSi-1表现出良好的长期循环稳定性,在400 mA·g-1电流密度下经过400次循环仍能保持91.57 mAh·g-1的较高比容量。 4.硅掺杂硬碳复合NaFe5O8材料的制备和电化学性能研究。通过将硅掺杂硬碳材料和NaFe5O8材料混合研磨均匀后共烧,得到HCSi-1@NaFe5O8复合材料,掺硅硬碳和NaFe5O8之间可以形成紧密的界面结合,缓解了充放电过程中的体积膨胀。HCSi-1@NaFe5O8表现出335.3 mAh·g-1的可逆比容量,49.8%的首圈库仑效率,循环100圈后仍能保持269.6 mAh·g-1的容量,显著优于单一组分。

关键词： 石墨烯   环氧树脂   导热性能   热膨胀性能   吸波性能  

摘要： 在5G通信时代,电子元件(如微处理器和射频芯片)正朝着微型化、集成化和高频化方向发展,微电子器件的主要失效原因是高的工作温度和强的电磁干扰,因此对高性能电子封装材料提出迫切需求。环氧树脂广泛用于电子封装材料,然而环氧树脂的热导率低,热膨胀系数高,并且无法吸收电磁波,单靠环氧树脂已经难以应对日益复杂的应用环境,需要开发兼具导热和吸波性能的环氧树脂基复合材料。本文以石墨烯为导热填料和吸波填料,通过调控石墨烯/环氧树脂复合材料的微观结构(石墨烯化学结构)和宏观结构(石墨烯在环氧树脂基体空间排布),兼顾复合材料的导热、热膨胀和吸波性能。利用冰模板法制备了孔隙定向排列的石墨烯气凝胶,在制备复合材料前将气凝胶进行高温退火,通过实验测量系统研究了石墨烯含氧量和缺陷数量对复合材料导热、热膨胀和吸波性能的影响机制。主要研究结果如下: (1)通过改变石墨烯水凝胶的定向冷冻温度调控气凝胶的孔隙结构,明确了孔隙结构与冷冻速率的关系。在-20℃下对石墨烯水凝胶进行定向冷冻,得到的石墨烯气凝胶具有适宜的孔径和壁厚,能够承受3000℃高温退火而不发生结构收缩和坍塌,并且不影响后续的环氧树脂浸渗。 (2)通过拉曼光谱、X射线衍射、红外光谱、光电子能谱、透射电镜和元素分析等技术手段,明确了气凝胶中石墨烯的含氧官能团和缺陷随退火温度(600～3000℃)的演变机制,实现了在3000℃退火恢复石墨烯的固有晶体结构。采用分子动力学计算验证了石墨烯的热导率与化学结构之间的关系,为开发高导热石墨烯/环氧树脂复合材料提供理论依据。3000℃退火后,复合材料的热导率达到69.74 W m-1 K-1,石墨烯含量为11.22 wt.%,实现了在较低的石墨烯填充量下有效提高了复合材料的热导率。作为对比,如果气凝胶没有经过3000℃退火,所制备的复合材料的热导率仅为0.18 W m-1 K-1。 (3)通过改变冷冻温度调控石墨烯气凝胶的孔径和壁厚,通过改变退火温度调控石墨烯气凝胶的含氧官能团数量和缺陷数量,阐明了气凝胶孔隙结构和石墨烯化学结构对石墨烯/环氧树脂复合材料的热膨胀系数的影响规律。三维石墨烯网络结构和石墨烯负热膨胀特性,使得所制备的石墨烯/环氧树脂复合材料的热膨胀系数显著小于环氧树脂,明确了高导热复合材料的热膨胀系数具有各向异性,这有利于保护电子器件。 (4)揭示了石墨烯的含氧官能团和缺陷数量对石墨烯/环氧树脂复合材料的吸波性能的影响机制,明确了石墨烯/环氧树脂复合材料的损耗机制主要为极化损耗、电导损耗和结构损耗。通过石墨烯的微观结构和宏观结构设计,实现了添加单一石墨烯填料,制备综合性能优异的石墨烯/环氧树脂复合材料。所制备的石墨烯/环氧树脂复合材料具有导热和吸波双重功能,适用于微电子器件日益复杂的工作环境,为开发其它体系的石墨烯/聚合物复合材料的设计制备提供了理论参考。

关键词： 蒙脱土   金属氧化物   改性   复合材料   吸附  

摘要： 随着工业化和城市化的快速发展,重金属引起的水污染正在对环境和人类造成严重影响。处理水中重金属污染最常用的方法是化学沉淀法、电解法、吸附法、膜分离法和生物处理法。迄今为止,吸附法是处理重金属中最常用、最有效的方法。吸附去除重金属离子主要基于两种原理:物理吸附和化学吸附。蒙脱土是一种层状硅酸盐矿物,其晶体结构中含有大量可交换阳离子,阳离子可与重金属离子交换,实现对重金属离子的吸附。在本研究中,蒙脱土与无机金属氧化物进行复合,改变了蒙脱土的表面性质和结构,提高了对重金属离子的吸附能力。具体内容如下: （1）采用蒙脱土、高锰酸钾、盐酸为主要原材料,通过一步溶剂热法制备二氧化锰修饰改性蒙脱土复合材料（MnO2@MMT）。通过XRD、SEM、XPS、BET、FT-IR等表征手段对材料进行分析,分析证明成功合成了MnO2@MMT复合材料。本文研究了MnO2@MMT对Cr（Ⅵ）的吸附能力,通过改变单因素变量如:所制备材料的不同投料比例、不同投加量、Cr（Ⅵ）溶液的初始浓度、Cr（Ⅵ）溶液的pH值以及不同的反应温度等,从而确立最佳的吸附条件。由实验数据得知,将0.20 g的复合材料投入50 mL、pH=3浓度为20 mg/L的Cr（Ⅵ）溶液中,在吸附300 min后吸附效率可以达到99.63%,远远高于未经改性的单一蒙脱土。这是由于通过金属氧化物MnO2对蒙脱土改性后,使其比表面积增大,更多的吸附活性位点被暴露,从而提升了吸附Cr（Ⅵ）的能力。MnO2@MMT复合材料在进行5次循环试验后,仍然保持着较高的吸附效率,说明其具有较高的稳定性和可重复利用性。通过动力学数据和等温线数据得知,与提出的拟一级动力学模型相比,提出的拟二级动力学模型更适合描述吸附过程,吸附等温线拟合结果与Freundlich吸附等温线模型更加一致。最后,提出MnO2@MMT复合材料吸附六价铬的机理。 （2）采用蒙脱土、七水硫酸镁、尿素、六水合三氯化铁、四水合二氯化铁、氨水为原材料,通过溶剂热和水浴热法制备出四氧化三铁和氧化镁共同修饰改性的蒙脱土复合材料（Fe3O4@MgO@MMT）。运用XRD、SEM、XPS、BET、FI-IR等表征方法对复合材料进行表征,分析证明成功合成了Fe3O4@MgO@MMT复合材料。将铅离子(Pb2+)溶液作为目标处理物,研究复合材料对Pb2+的吸附性能。由实验数据可知,将0.20 g的复合材料投入50 mL、20 mg/L以及pH=5的重金属Pb2+溶液中,在吸附300 min后处于平衡状态,吸附效率可达到97.88%,远高于未改性的蒙脱土的吸附效率。通过金属氧化物MgO和Fe3O4对蒙脱土改性后,使其比表面积增加,活性位点被更多的暴露,增加了对Pb2+的吸附能力。通过吸附动力学模型和吸附等温线模型,对实验数据进行分析,得出结论:本研究中的吸附过程遵循了所提出的拟二级动力学模型的拟合系数。复合材料对Pb2+吸附的Langmuir等温线模型的相关系数高于Freundlich等温线模型,说明复合材料对Pb2+的吸附属于单分子层吸附。复合材料经过5次重复利用实验后,吸附效率仍然良好,由此证明该材料稳定性较高且可重复利用。最后,提出Fe3O4@MgO@MMT复合材料吸附铅离子的机理。

关键词： 陶瓷基复合材料   涡轮导向叶片   热应力   代表性体积单元   热-力耦合  

摘要： 在陶瓷基复合材料（CMC）涡轮导向叶片的结构设计中，降低热应力水平是重要设计目标，需要开展CMC热、力学性能的综合调控。本文针对2.5D斜纹机织CMC (SiC/SiC)，建立了能够反映真实细观结构特征的代表性体积单元（RVE）模型，开展了CMC等效热、力性能（包括各向异性导热系数、线热膨胀系数和弹性模量）预测并加以试验验证。而后，基于参数化代表性体积单元模型开展了CMC热、力性能受编织参数影响的敏感性分析，筛选了影响CMC各向异性热、力性能的敏感设计参数。结果表明，对于2.5D机织CMC，等效热膨胀系数对编织参数的影响较小；而纱线厚度则是影响CMC面内导热系数及弹性模量的主要因素。在此基础上，选取了四组代表性2.5D机织参数，将其分别作为CMC涡轮导向叶片的叶身预制体方案，并分别针对无冷却和采用对流冷却的CMC叶片开展气热耦合与热应力分析，研究CMC各向异性热、力性能参数对叶片温度及热应力水平的耦合影响关系。研究表明，在对流冷却条件下，通过调整编织参数以增大叶身厚度方向导热系数，使叶身内外表面平均温度差降低24%，叶身内外表面平均周向热应力分别降低31%和38%。

关键词： 冲击定位   柔性复合材料结构   光纤光栅   压缩感知   核极限学习机  

摘要： 柔性复合材料以其质量轻、收展重复性好、收展原理简单等优点，广泛应用于航空航天器结构中，这些结构在服役过程中随时可能遭受冲击载荷作用而产生损伤。针对柔性复合材料结构上冲击载荷定位问题，本文搭建一种基于光纤光栅的冲击监测系统，分析柔性复合材料结构冲击响应信号时频域特征，利用频谱信号的稀疏性和压缩感知具有在远低于奈奎斯特采样率条件下重构信号的特性，提出一种基于频谱压缩感知和核极限学习机的柔性复合材料结构冲击定位方法。对柔性复合材料冲击响应信号频谱进行稀疏表示及压缩测量，将冲击响应信号频谱压缩降维所得观测矢量作为特征量，采用减法平均算法优化核极限学习机实现柔性复合材料上冲击载荷位置辨识。在柔性复合材料结构上200mm×400mm的监测区域内随机选取15个测试样本点进行冲击定位，试验结果表明，平均定位误差为18.83mm，为柔性复合材料结构的冲击定位提供了一种可靠的方法。