关键词： 多层导热模型   叠层制备   聚合物复合材料   扭转层叠   可控变形  

摘要： 随着现代科技的飞速发展,高端装备对材料和结构的要求越来越高。在全球碳中和战略驱动下,高性能聚合物正面临从“单一功能优化”向“多功能集成”的发展转变。兼具功能化与轻量化的聚合物成为导热复合材料与可控变形结构实现“材料—结构—功能”一体化设计的研究目标。 在此背景下,围绕聚合物基多层导热复合材料与可控变形结构开展协同研究,从功能复合材料设计与变形结构优化两个方面进行深入探索。本研究以聚合物基功能化轻质结构为对象,结合机理建模、有限元仿真、实验测试及电子显微分析等方法,开展跨尺度研究:针对多层导热复合材料,系统研究了其制备工艺优化、传热机制与性能调控;针对波纹轻质结构,揭示了其动态压缩响应、变形预测机理及能量吸收机制,阐明了微观组织演变、破坏模式与缺陷扩展规律。主要研究成果如下: (1)运用扭转层叠技术在聚合物复合材料中创建交替层结构,结合金属编织布制备出具有热取向特性的多层导热复合材料。基于响应面法(RSM)实验设计,系统揭示了层压温度、保压时间及层压压力对多层复合材料导热性能的交互性影响规律。结果表明,层压温度及其二次项对导热性能具有显著调控作用,呈非线性特征,低温区压力提升可增强层间密实度,而高温区压力效应弱化。通过扭转层叠工艺的高剪切力场诱导,柔性高分子链发生解缠结与定向排列,形成750～2100 nm的叠层交替结构,层间界面清晰且分子取向明显,规整度提升。 (2)通过分析多层材料体系的层内与层间传热机制,揭示了其导热取向性的本质,层内传热遵循二维扩散传热机制,金属编织层呈现多级网状传热特征;层间传热则符合多层界面热阻模型,据此建立的广义多层传热方程可精确预测任意层温度;优化工艺后的复合材料导热率达到0.261～0.606W/m K,提升2.5～6.8倍;复合材料温升曲线出现波浪形态,热响应更灵敏,在点状热冲击下表现出更快更平稳的温升;多层复合材料具有良好的分层特性,层间空气间隙控制在微纳米尺度,断面分层完整度清晰明显。深化了多层体系导热机理的认知程度,为工程应用中导热路径优化设计提供了关键理论支撑。 (3)提出了一种聚合物基可控变形仿生波纹轻质结构。通过三维建模、增材制造技术、有限元模拟与实验诊断相结合的研究方法,系统探究波纹轻质结构可控变形承载功能化设计的有效性,基于单胞拓扑优化理论,完成六边形、可重构及手性结构三类特征单胞的波纹化设计,采用熔融沉积成型工艺成功制备试样;准静态压缩试验表明,二次承载峰值分别达到首次峰值的73.76%、117.29%和60.7%,重点揭示其承载能力与能量吸收特性的影响规律;破坏形貌分析显示,波纹结构在塑性坍塌阶段保持较好的完整性,碎片抛洒现象较均质结构大幅改善;能量吸收特性对比研究发现,波纹化设计使累计吸能值较均质结构分别提升105.8%(六边形)、212.4%(可重构型)和124.4%(手性),能量吸收曲线呈现双峰特征。单胞拓扑优化的增益显示,波纹可重构型相较于波纹六边形的单胞吸能提升78.01%,波纹手性结构相较于六边形提升44.95%。 (4)系统揭示了波纹轻质结构的动态压缩变形机制及其与微观结构的关联规律,提出动态压缩过程的四阶段演化理论;有限元模拟表明,波纹周期使应力分布呈现规律性波动,支撑端的应力集中得到改善,整体稳定性提高,实现了初始变形可预测的目的;通过对波纹轻质结构的破坏方式和缺陷扩展路径进行评估,微观结构和断口形貌观察分析表明波纹轻质结构存在多种失效模式并存的情况:结构中同时存在局部材料开裂,弯曲变形量过大,二次裂纹萌生扩展,剪切作用等。本研究建立的“宏观变形阶段-介观应力分布-微观失效模式”多尺度关联模型,可精确定位结构薄弱区域,为工程应用中实现损伤预警与寿命预测提供重要理论工具。 本研究通过材料制备工艺创新、结构拓扑优化与跨尺度关联模型构建,实现了聚合物基多层导热复合材料与可控变形结构协同设计,深化了多层复合材料导热机制与轻质结构变形动力学的理论认知,为先进装备设计与绿色低碳转型提供了理论支持与技术储备。

关键词： SiCp/Al复合材料   微观组织   热物理性能   有限元仿真   热加工图  

摘要： 随着信息技术的快速演进和半导体制造技术的持续突破,现代电子设备正朝着微型化和高集成度方向快速发展。电子元件的功耗显著提升,进而导致热流密度急剧增加,散热问题亟需解决。SiCp/Al复合材料具有较高的热导率、低热膨胀系数、可靠的力学性能和较低的密度,是新一代电子封装材料的研究热点之一。因此,本文利用有限元方法建立微观尺度的SiCp/6061Al复合材料二维模型,深入研究了复合材料的热传导特性,并通过粉末冶金法向6061合金中加入SiC颗粒,借助光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、激光热导仪、万能材料试验机等手段探究复合材料的组织性能与热变形行为,深入分析其作用机理。主要结论如下: （1）通过Pro/E、Digimat-FE和ABAQUS软件联合建立了SiCp/6061Al复合材料二维有限元模型,研究了体积分数为30 vol.%、40 vol.%、50 vol.%和粒径为5μm、25μm、50μm的SiCp/6061复合材料的热导率。结果表明,热流遵循最小热阻原理优先通过SiC颗粒传导,形成以SiC为骨架的热输运网络;在无缺陷的理想状态下,增大SiC颗粒的体积分数和粒径可有效改善复合材料的热导率,热流通道的连续性显著增强;但当复合材料存在孔隙缺陷时,其内部孔隙形成的拓扑结构会显著破坏连续相的热传导网络,导致复合材料热导率降低,当材料致密度下降至96.5%时,热导率由215 W/m·K降低至181 W/m·K。 （2）采用粉末冶金法制备的SiCp/6061铝基复合材料由Al、Si、SiC相组成,未发现界面反应生成物A14C3相,小尺寸SiC颗粒比表面积大促进元素扩散,Si相衍射峰更明显。随着SiC颗粒体积分数和粒径的增大,易产生孔洞和裂纹,导致致密度下降。抗拉强度随SiC体积分数增加无明显提高作用,但随SiC粒径由5μm增大至50μm时,其抗拉强度呈现下降的趋势,当SiC粒径为5μm时,抗拉强度最大,达308.4 MPa。延伸率随SiC体积分数增加而降低,当SiC体积分数为30 vol.%时,延伸率最佳,达8.9%。热导率与体积分数呈正相关,与粒径呈负相关,5μm、40 vol.%SiCp/6061Al复合材料的热导率最高为204 W/m·K。热膨胀系数随体积分数增加而降低,随粒径增大而升高,小而多的颗粒通过高界面密度能够有效约束基体热膨胀。 （3）对5μm、30 vol.%SiCp/6061Al复合材料的热加工性能进行系统研究。结果表明,流变曲线斜率始终保持正值,动态软化机制较弱,加工硬化占主导地位。通过电子背散射衍射（EBSD）分析发现,在安全区(500℃/0.1 s-1),材料的软化机制以动态再结晶为主,快速的变形导致位错密度迅速累积,触发动态再结晶,再结晶比例较高,晶粒变得细小,位错密度更低;在失稳区(500℃/0.001 s-1),以动态回复为主,位错通过攀移和重排形成稳定的亚晶界,亚晶粒比例较高。结合微观组织对热加工图进行验证后,得出5μm、30 vol.%SiCp/6061Al复合材料的最优工艺参数:当应变为0.4时,最佳加工区变形温度为450-500℃,应变速率为0.3-0.5 s-1;当应变为0.5时,最佳加工区变形温度为430-500℃,应变速率为0.01-0.5 s-1。

关键词： 纳米硅肥   水稻   植物抗氧化   重金属污染   根际微生物   代谢组学  

摘要： 随着工业化与城市化推进,我国农田土壤镉(Cd)、砷(As)污染加剧,严重危及食品安全与农业生产。纳米硅肥在缓解重金属毒害方面颇具潜力,但目前其缓解Cd和As共胁迫毒害、调控吸收-转运途径等尚不明晰。 本研究以日本晴(Nipponbare)水稻为对象,采用盆栽试验、高通量测序和非靶向代谢组学技术,探究不同浓度的外源硅肥(硅酸钠Na2SiO3、微米二氧化硅SiO2 MPs、纳米二氧化硅SiO2 NPs)对土壤性质、微生物群落、水稻生长及体内Cd和As含量的影响,旨在揭示SiO2 NPs缓解水稻Cd、As毒害的效应与机制。 (1)通过盆栽试验,100mg/kg的SiO2 NPs和250mg/kg的SiO2 MPs会降低土壤pH值,其他处理使其升高。三种硅肥均能提升土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)和全磷(TP)含量,SiO2 NPs处理的效果最佳,此外施用SiO2 NPs显著提高ALP活性,土壤中的有机磷被催化为无机磷供植物和微生物利用。不同硅肥对土壤Cd、As含量影响不同,低浓度SiO2 NPs使土壤Cd含量降低8%。施用SiO2 NPs后,土壤有效态Cd含量显著降低5.5%-8.1%,三种硅肥减少土壤有效态As含量效果不显著。 (2)高通量测序和非靶向代谢组学分析表明,三种硅肥施用均增加土壤微生物群落多样性,SiO2 NPs处理后微生物丰富度最高。SiO2 NPs处理显著提高酸杆菌门和鞘氨醇单胞菌属的相对丰度。冗余分析显示,pH值、TN和土壤有效态As含量是驱动细菌群落结构变化的关键因子,证实硅肥可降低Cd、As含量,减轻其对细菌群落的负面影响。此外,添加SiO2 NPs能显著增加脱硫杆菌门的相对丰度,减轻重金属对植物可利用磷含量的负面影响,其处理诱导的关键差异代谢物显著富集于生物碱生物合成等通路,促进植物生长并提高抗逆性。 (3)在水稻生长及重金属含量调控方面,SiO2 NPs缓解Cd和As对水稻的氧化胁迫,促进水稻生长发育的效果最为显著,表现为叶片光合色素含量增加,抗氧化酶活性提高,丙二醛和超氧阴离子含量降低。施用低浓度的SiO2 NPs降低水稻体内Cd和As含量效果优于其他两种硅肥施用高浓度后的效果,且随浓度增加优势更突出,同时降低Cd和As的生物积累系数及转运系数幅度比Na2SiO3和SiO2 MPs更大。 综上,本研究揭示了SiO2 NPs对水稻Cd和As污染的调控作用,为防控提供了理论依据。未来可研究纳米硅肥在实际农田的应用进一步研究分子调控机制,实现农业可持续发展。

关键词： 丝素蛋白   水凝胶   复合材料   传感器  

摘要： 丝素蛋白水凝胶复合材料结合了丝素蛋白的生物相容性、生物降解性和可调控性，以及水凝胶的高吸水性和渗透性，因此在传感器领域展现出广阔的应用前景。综述了丝素蛋白水凝胶复合材料的制备方法，如物理交联法、化学交联法、酶催化交联法，以及该复合材料在应变传感器、化学传感器和环境传感器等方面的应用进展。基于丝素蛋白水凝胶复合材料的传感器具有灵敏度高、选择性好、性能稳定可靠的特点，有望在医疗诊断、环境监测和生物工程等领域发挥重要作用。

关键词： 钢基复合材料   TiCN   纳米ZrO2   力学性能   微观组织   摩擦磨损性能  

摘要： 随着制造业高质量的发展,对金属材料高性能化的需求日益迫切。国家在第十四个五年新材料产业发展规划中指出,需大力发展成分更优、性能更佳、成本更低的高品质特殊钢铁材料。钢基复合材料作为一种新型材料,有一定韧性的同时具备良好的硬度和耐磨性,可满足切削刀具和模具制造等领域对工具材料优良综合性能的需求。 M2钢凭借其均衡的综合性能与低成本优势是钢基复合材料理想的基体。TiCN作为硬质颗粒,具备良好的热稳定性,与钢基体之间良好的润湿性以及适中的热膨胀系数差。纳米ZrO2的高比表面积,良好的热稳定性和抗腐蚀性,适中的热膨胀系数差以及在高温条件下单斜相（m-ZrO2）向四方相（t-ZrO2）的转变,有望在烧结过程中晶粒体积膨胀填充空隙,减少缺陷。因此,上述两种硬质颗粒是理想的钢基复合材料增强相。本文以M2钢为基体,添加硬质颗粒TiCN和纳米ZrO2,采用粉末冶金技术制备一种新型高硬高耐磨兼具一定韧性的钢基复合材料,系统性地研究两类增强相对M2钢基复合材料显微组织、力学及摩擦磨损性能的影响,明确其强化机制。 对不同TiCN添加量（0-10 wt.%）的TiCN-M2钢基复合材料力学性能和微观组织的研究表明,采用高能球磨结合超固相液相烧结法制备的TiCN-M2钢基复合材料,主要的物相为α-Fe和各类碳化物,如M6C、MC和M2C碳化物。烧结过程中部分TiCN溶解释放出一定的碳元素,促使坚硬的碳化物增多;位于基体晶粒晶界处分布的TiCN、M6C和MC碳化物的钉扎作用,阻碍晶界的迁移,细化基体晶粒尺寸,因此钢基复合材料的硬度得到提升。但引入过多TiCN导致碳化物粗大和TiCN团聚,破坏基体的连续性,使得抗弯强度和冲击韧性持续减小。宏观上钢基复合材料的断裂机制为脆性断裂,微观断裂模式存在穿晶断裂和沿晶断裂。当TiCN的添加量为2 wt.%时,TiCN-M2钢基复合材料的力学性能最佳,硬度为712 HV,抗弯强度为1117 Mpa,冲击韧性为5.5 J/cm2。 对添加不同含量纳米ZrO2（0-0.4 wt.%）的ZrO2-TiCN-M2钢基复合材料力学性能和微观组织的研究表明,纳米ZrO2的加入不会对钢基复合材料原有的物相组成造成影响。当纳米ZrO2的含量为0.2 wt.%时,钢基复合材料的致密程度最高,其综合力学性能最佳,硬度为801 HV,抗弯强度为1214 MPa,冲击韧性为5.89J/cm2。高温下单斜相向四方相的转变使得ZrO2颗粒体积变大,颗粒间隙被填充,密实度提高。均匀分散于钢基体中的纳米ZrO2颗粒作为异质形核点,阻碍晶界迁移,细化晶粒尺寸,弥散强化、热失配强化和奥罗万强化协同增强材料的力学性能。过多的ZrO2会发生团聚现象,导致弥散强化和奥罗万强化减弱,同时ZrO2与钢基复合材料弱的机械结合加剧力学性能恶化。宏观尺度上ZrO2-TiCN-M2钢基复合材料的断裂机制是脆性断裂,微观断裂模式存在穿晶断裂和沿晶断裂。 对添加不同增强相（TiCN和纳米ZrO2）的M2钢基复合材料摩擦磨损性能的研究表明,适量TiCN和ZrO2的加入都能提升钢基复合材料的耐磨性。当添加2wt.%TiCN时,相较于纯M2钢的磨损体积减少了37.51%。继续引入0.2 wt.%ZrO2时,磨损体积相较于未添加ZrO2的TiCN-M2钢基复合材料降低了11.34%。钢基复合材料主要的磨损机制是磨粒磨损、接触疲劳磨损和黏着磨损。

关键词： 超高分子量聚乙烯   热塑性聚氨酯   环氧树脂   复合材料   热学效应   界面  

摘要： 为满足充气式水域救援装备对高性能聚合物涂覆织物复合材料的要求，以超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）和热塑性聚氨酯（TPU）为原料开展复合材料制备工艺研究。探究了不同热成型温度下PE-UHMW纤维的热力学特性和变化规律，确定了适用于PE-UHMW/TPU体系的热贴合复合成型温度。采用环氧树脂（EP）活化浸渍对PE-UHMW织物进行活化处理，分析了EP活化浸渍涂覆量对复合材料剥离、抗穿刺、撕裂以及拉伸性能的影响。研究结果表明，热成型温度对PE-UHMW纤维力学性能的影响显著，PE-UHMW纤维结晶度随温度上升逐渐下降，纤维熔融和再结晶过程导致力学性能下降，温度超过120℃时，PE-UHMW纤维的强度大幅下降，纤维出现不可逆结构损伤，PE-UHMW纤维与TPU热压处理温度不应高于120℃。单因素方差分析表明，EP活化浸渍涂覆量对复合材料剥离强力、抗穿刺强力、撕裂强力和拉伸断裂强力均产生显著影响，复合材料的力学性能随着涂覆量增加而显著提升。其中，EP活化浸渍涂覆量为0.2 L/m2时，复合材料的剥离强力提升至22.79 N，抗穿刺强力、撕裂强力和拉伸断裂强力分别提升56.3%,62.3%和53.7%。

关键词： AI技术   新能源材料   混合式教学   教学创新  

摘要： 在教学实践中发现，AI技术能够有效辅助新能源材料课程教学工作。基于教学经验，重点分析如何将AI技术作为教师的得力助手，开展新能源材料课程的混合式教学。通过采用“24课时线上学习+24课时线下授课”的混合式教学模式，探讨AI技术在课程设计、教学方法创新、个性化学习等方面的具体应用，并提出基于PBL的混合式教学模式构建方案。研究发现，AI技术能够有效优化教学流程，提升学习效果，为新能源材料课程教学改革提供新思路。同时，分析AI教学实践中存在的挑战和未来发展方向，旨在为推进新能源材料课程教学改革提供参考。

关键词： 复合材料管状结构   铺层设计   结构优化   材料优化  

摘要： 针对复合材料厚壁管状结构的刚度，提出了三种优化方法。第一种为铺层优化，为提升端部刚度变形要求，设计五种不同铺层角度的结构，分别完成数值模拟及实验验证，从中挑选出最优的铺层角度设计。第二种为结构优化，在铺层优化的基础上，更改金属件与复材的配合结构及尺寸，得出最优解。第三种为材料优化，在铺层优化及结构优化的基础上，更换不同种材料，完成最终的结构设计优化方案。算例与实验验证结果相符，本文所提的优化方法具有一定的有效性，且对复合材料厚壁管状结构的设计具有良好的适用性。

关键词： 冲击硬化聚合物(IHP)   智能防护材料   乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)   相容性   超临界发泡  

摘要： 智能防护材料因其在柔性防护领域的广泛应用潜力而备受关注。其中,冲击硬化聚合物(Impact Hardening Polymer,IHP)作为典型的智能防护材料,凭借其独特的冲击硬化特性,在能量吸收和缓冲减震方面展现出显著优势。但是IHP材料一般具有“冷流”问题,静置时难以维持其形状。因此,为了扩大其应用范围和提升使用便捷性,通常方法是将其制成复合材料。目前,因IHP本身机械性能很差,且与众多材料(弹性体、塑料、橡胶等)相容性较差,易造成复合材料机械性能下降,限制了其应用。 本论文将具有冲击硬化特性的IHP与乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)弹性体共混,制备出EVA-IHP复合材料。通过链缠结结构与氢键作用,增强不同组分分子间作用力,同时引入增容剂显著改善复合材料的相容性。实现了在保持复合材料机械性能的前提下,大幅度提高IHP含量,利用IHP的冲击硬化特性,显著增强了复合材料的冲击防护能力。最终,通过超临界发泡技术将复合材料制备成泡沫,使其具备实际应用潜力。本研究对构建高性能冲击硬化聚合物复合材料及推动IHP在冲击防护材料领域的应用具有重要意义。具体研究内容如下: (1)将IHP作为冲击硬化性能的来源,引入EVA基质中,制备EVA-IHP复合材料。通过链缠结结构与氢键作用,显著提升复合材料的机械性能。相较于纯EVA,复合材料的机械性能更强,拉伸强度由7.26 MPa提高至9.58 MPa,断裂伸长率由930%提高至1040%。此外,IHP使得复合材料在力学与流变学测试中均表现出明显的冲击硬化特性。在冲击测试中,复合材料展现出卓越的抗冲击性能,性能最高可提升53%。 (2)由于EVA-IHP复合材料相容性较差,当IHP含量较大时,其机械性能出现明显下降。通过将侧链氨基接枝改性聚二甲基硅氧烷(AMS-1203)引入,作为增容剂,改善了复合材料相容性。通过扫描电子显微镜、流变学以及动态力学等测试表征了复合材料的增容效果与机理。增容后EVA-IHP-AMS复合材料,与纯EVA相比,机械性能明显提升,拉伸强度从6.95 MPa提升至8.83 MPa,实现了在不损失机械性能的前提下,拥有了更强的冲击硬化性能与抗冲击性能,抗冲击性能提高67%。 (3)采用超临界发泡技术,将复合材料制备成智能防护泡沫产品。受链缠结、氢键、增容剂与泡孔物理结构优化协同作用的影响,该泡沫材料展现出优异的机械性能。同时,得益于IHP赋予的冲击硬化性能,泡沫材料的抗冲击性能提高,防护能力进一步增强,该泡沫材料表现出在智能防护领域的应用潜力。