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关键词： MAX相   镁基复合材料   性能调控   有限元模型   断裂行为  

摘要： 具备低密度、优异阻尼特性、高比强度和比刚度的镁基复合材料在汽车工业、航空航天等领域具有巨大的应用潜力。传统的二元陶瓷（Si C和Al2O3等）与镁基体界面结合弱,具有纳米层状片形结构的三元MAX相陶瓷有望克服这个弊端。同时,MAX相不同位置可进行元素固溶和空位设计。因此,开发新型的MAX/Mg基复合材料并阐明其调控机理及失效机制具有重要的科学意义。 本文首先分别研究了N缺位（Ti2Al Nx,x=0.9,1.0）和不同A位（Al和Si）元素对镁基复合材料力学性能和界面结构的影响。采用无压浸渗法制备了体积分数几乎相同的三维双连续Ti2Al Nx/Mg复合材料,Ti2Al N0.9/Mg的压缩屈服强度、显微硬度和抗压强度分别比Ti2Al N1.0/Mg低了8.55%、6.67%和3.66%。采用搅拌铸造法分别制备了Ti2Al C和Ti3Si C2增强的AZ91D镁基复合材料,与Ti2Al C/Mg复合材料拉伸断口未出现界面脱离不同,Ti3Si C2/Mg复合材料出现界面脱离现象。界面结构分析表明,Ti3Si C2中的Si未发生扩散,Ti2Al C中Al元素可扩散促使界面处生产纳米Mg晶粒并形成了强的界面结合。5 vol.%、10 vol.%、15 vol.%和20vol.%Ti3Si C2/Mg的抗拉强度分别比对应体积分数的Ti2Al C/Mg低了2.5%、16.3%、35.1%和36.4%。由此可见,除了调控增强体组分以外,调控MAX相与Mg基界面的结合力也可以调控复合材料力学性能。 开发相应的有限元模型,可有效指导MAX/Mg基复合材料性能调控和结构设计。基于二维和三维微观结构观察,开发了针对纳米层状片形结构MAX颗粒增强镁基复合材料的有限元本构模型。对10 vol.%Ti2Al C-AZ91D复合材料的拉伸断裂损伤演化过程进行模拟,发现裂纹从垂直于拉伸方向的颗粒基面（0001）萌生并扩展。另外,颗粒聚齐区率先出现较大的应力集中,引发拉伸断裂。随着应变的增加,基体裂纹扩展并与分层Ti2Al C颗粒连接,导致主裂纹的形成。界面强度的变化会影响复合材料的性能,较低的界面强度造成载荷传递能力低,导致颗粒分层无法进一步进行,而较高的界面强度有效增加了复合材料中的载荷传递能力,但降低了复合材料的伸长率并加速了基体失效。另外,改变MAX颗粒空间取向会对复合材料的断裂行为产生不同影响。

关键词： 微纳机电谐振器   二维材料   力学性质   杨氏模量   频率调控  

摘要： 自2004年Geim,Novoselov及其同事成功解理出原子薄层石墨烯（graphene）以来,graphene的兴起激发了研究者们对其他二维材料的深入研究。与二维材料有关的研究在过去20年中呈爆炸式增长,涉及凝聚态物理、电子工程、材料科学和化学等不同学科。除了具有卓越的光学、电学和热学性质外,二维材料还呈现出一种独特的力学性质组合,即较高的平面内刚度和强度,和极低的抗弯刚度。这些材料优势使得二维材料成为助推低维物理研究的特殊平台,并使其在微纳机电系统（Micro-and Nanoelectromechanical Systems,M/NEMS）、柔性电子学以及物性调控应变工程等方面的应用研究中表现出极大的发展潜力。迄今为止,大多数二维材料的力学性质测试都遵循了哥伦比亚大学Hone课题组使用悬空纳米压痕技术对graphene进行的开创性工作。然而,受限于现有悬空纳米压痕技术不容忽视的局限性,二维材料的力学性质实验研究存在一些不可避免的测量误差。本文利用一种不同的二维材料力学性质测试方法,探索了半金属Ti3C2Tx、半导体WSe2、β-In2S3以及各向异性半导体Re S2。通过制备多个不同类型的二维材料微纳机电谐振器,使用光学干涉技术对其性能进行测试,并结合圆形鼓膜谐振器模型成功提取了二维材料的杨氏模量及悬空部分的表面张力。在此基础上,本文结合有限元方法（finite element method,FEM）和振动模态可视化技术,成功提取了各向异性二维材料沿两个垂直的力学轴方向的杨氏模量。这些工作为进一步探索二维材料的力学性质提供了一种不同的方法,与此前常用的压痕法形成了较好的互补。本文主要研究如下:1.在第一个工作（第三章）中,本文基于圆形鼓膜谐振器模型提出了一种新的二维材料力学性质测试方法,并利用这种方法成功提取了二维Ti3C2Tx晶体的杨氏模量及器件的表面张力。首先,通过干法转移技术成功制备了不同厚度、不同直径的Ti3C2Tx的谐振器。然后,通过对器件谐振特性进行测量,得到了器件的频率设计规律。接下来,通过将实验结果与理论计算相结合,独立推导出二维Ti3C2Tx晶体的杨氏模量为270～360 GPa,这与纳米压痕测量结果非常一致,而器件的初始张力为0.05 N/m到0.4 N/m。最后,本文进一步展示了对Ti3C2Tx谐振器谐振频率的电调谐,以及基于频率偏移的Ti3C2Tx真空传感器,其响应率为736%/Torr,检测范围低至10-4 Torr。2.在成功提取二维Ti3C2Tx晶体的力学性质的基础上,本文的第二个工作（第四章）进一步将这种方法拓展到半导体WSe2的力学性质探索。首先,通过干法转移技术成功制备了不同厚度、不同直径的WSe2谐振器。然后,通过对器件幅频特性进行测量,得到了器件的频率设计规律。接下来,通过将实验结果与理论计算相结合,利用谐振器“板”“膜”两种极限近似,分别提取了WSe2的杨氏模量为130 GPa,初始张力为0.05 N/m到0.4 N/m。最后,进一步展示了宽广的频率调谐范围（高达230%）和较高的调谐效率（高达23%/V）。3.在第三个工作（第五章）中,本文利用水辅助转移技术成功制备了基于非层状半导体材料β-In2S3的二维谐振器,进一步验证了上述力学性质测量方法的兼容性。首先,通过使用水辅助转移将化学气相沉积（chemical vapor deposition,CVD）法制备的二维β-In2S3从云母衬底上转移至聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane,PDMS）上。然后,利用干法转移技术制备了不同直径、不同厚度的二维β-In2S3谐振器。接下来,利用激光干涉法测量器件的幅频特性响应,得到了器件的频率设计规律。利用圆形鼓膜谐振器的理论模型推导出二维β-In2S3微纳机电谐振器的频率设计规律,与实验数据吻合。最后,利用谐振器“板”“膜”两种极限近似,分别提取了二维β-In2S3的杨氏模量为45 GPa,初始张力为0.05 N/m到0.5 N/m。同时,本文制备的二维β-In2S3谐振器在从10-3 Torr到大气压的六个气压量级中表现出了超宽的传感范围,并显示出高度线性的谐振频率调谐特性,其非线性度为0.71%,是二维NEMS真空传感器中最好的。此外,通过周期性压强切换实验以及与商用真空传感器进行实时数据比较,本文证实了二维β-In2S3微纳机电谐振器在真空传感应用中的快速响应和可重复性。4.在第四个工作（第六章）中,本文通过FEM仿真和测量Re S2纳米机电谐振器的多模态谐振特性,展示了二维Re S2晶体中力学各向异性的理论和实验。首先,通过FEM仿真研究了Re S2二维晶体材料中体现力学各向异性的关键特征。然后,利用机械剥离和干法转移技术制备了具有直径d=10μm,厚度t=

关键词： 机场跑道   工程水泥基复合材料   HCSA膨胀剂   收缩性能   力学性能   有限元模拟  

摘要： 我国新建民用机场中90%左右为水泥混凝土道面,水泥混凝土道面的设计使用寿命在20～30年左右,但由于设计、施工、使用的不规范,超负荷的运行、大型飞机的使用,以及机场道面受外界环境影响,水泥混凝土道面往往在投入使用后的5～7年就开始出现一些早期病害。其中,裂缝类病害是在水泥混凝土道面中最普遍的病害,当道面板出现初始裂缝后,在往复荷载作用下因道面板裂缝处应力集中将加速裂缝扩展,最终道面板完全开裂破坏,因此如何解决水泥混凝土道面开裂就显得尤为重要。 ECC(Engineered Cementitious Composite)具有比普通混凝土更加适合应用于机场道面板的工作性能和耐久性能,可以有效减少和延缓道面板开裂,延长道面板寿命,但由于其高昂的价格,不能将其直接替代混凝土用于机场道面板。将ECC材料与普通水泥混凝土组合可降低成本,但由于缺少粗骨料,ECC与混凝土的收缩率具有很大差异,两种材料的成型收缩率不同将限制ECC材料的应用。为解决此问题,本文选用在ECC材料中掺加HCSA膨胀剂的方法减小ECC的收缩率,通过试验研发了抗收缩ECC材料,为ECC-混凝土组合道面板的实际工程应用提供理论参考,主要研究内容和成果如下: 1、将HCSA膨胀剂添加到ECC材料中,制备抗收缩ECC材料。通过干燥收缩试验测量了不同配合比ECC的0～28d干燥收缩率,研究不同水胶比及不同HCSA膨胀剂掺量对其干燥收缩率的影响规律,以普通混凝土的干燥收缩为对照组,以ECC材料与普通水泥混凝土收缩率相近为约束条件,确定最优抗收缩ECC材料配合比。研究表明水胶比为0.30,HCSA膨胀剂掺量在6%～8%之间;水胶比为0.35,HCSA膨胀剂掺量在0～6%之间的ECC材料收缩率最接近普通混凝土。 2、开展了抗收缩ECC材料的立方体抗压试验、单轴拉伸试验、双面剪切试验和四点弯曲试验,研究了在不同水胶比工况下HCSA膨胀剂掺量对ECC力学性能的影响。研究表明掺加HCSA膨胀剂后ECC材料的强度、韧性、变形能力都发生了明显的变化。在大多情况下掺加少量HCSA膨胀剂可提升ECC材料的力学性能,而继续掺加HCSA膨胀剂会使ECC材料力学性能大幅下降。 3、进行了抗收缩ECC-混凝土组合道面板在机轮静载作用下的三维有限元模拟,研究了不同组合比例的道面板在B737-800机型主起落架机轮静载作用下道面板板底的最大弯拉应力、最大弯沉值及道面板预估寿命变化规律。研究表明随ECC层厚度增大,道面板板底最大弯拉应力及最大弯沉值均相应增大,但其预估寿命随ECC层厚度增大而增大。

关键词： 织物增强砂浆复合材料   力学性能   加固效果   防腐蚀性能  

摘要： 织物增强砂浆（TRM）复合材料因其优异的力学性能、防火性能和透气性,在建筑物加固领域越来越受欢迎。首先,使用TRM复合材料加固建筑物可以显著提高建筑物的承载能力,进而降低因建筑物倒塌造成的人类生命财产安全的损失。此外,用TRM复合材料加固建筑物满足了现代社会可持续发展的战略需求,具有绿色、低碳、环保、节能的优势。但是,近年来国内外针对TRM复合材料力学性能和加固效果的研究不完整。为了使TRM复合材料能够更好的服务于工程和应用,本文系统的研究了钢纤维纺织品增强砂浆复合材料（STRM）、碳纤维纺织品增强砂浆复合材料（CTRM）和玻璃纤维纺织品增强砂浆复合材料（GTRM）的力学性能和加固效果,并且针对钢纤维纺织品耐腐蚀性能差的缺点进行了性能改进。 本文采用钢纤维纺织品、碳纤维纺织品和玻璃纤维纺织品作为增强材料,砂浆作为基体,制备了STRM、CTRM和GTRM复合材料。通过拉伸测试研究三种TRM复合材料的拉伸性能,着重分析了织物类型对拉伸性能变化规律和失效模式的影响,STRM复合材料拉伸强度为3.7 MPa,且失效时没有发生织物滑移,综合考虑其拉伸性能最为优异。采用双搭接界面剪切试验测试TRM复合材料的界面粘结强度,研究织物类型和砂浆水化程度对TRM复合材料界面粘结性能的影响规律,砂浆水化完全时STRM复合材料界面粘结强度最大,剪切测试失效载荷为27.098 KN。同时使用ABAQUS模拟分析其失效机理,当碳纤维纺织品和玻璃纤维纺织品受力时,界面剪应力的非线性阶段较长,使得应力在砂浆基体中传递范围更大,容易导致砂浆基体破坏。对三种类型TRM复合材料加固混凝土梁试样进行三点弯曲测试,研究织物类型和加固位置对失效载荷和失效模式的影响规律。STRM复合材料底端加固模拟混凝土梁的加固效果最佳,抗弯载荷达到6510.59 KN,与纯模拟混凝土梁相比提高了105.91%。 此外,针对钢纤维纺织品耐腐蚀性能较差的问题,本研究设计并制备了具有核壳结构球状聚苯胺@二氧化硅/环氧树脂（PANI@Si O/EP）防腐涂层。通过拉伸测试和三电极测试对PANI@Si O/EP复合涂层的力学性能和防腐蚀性能进行研究。结果表明,含2 wt.%PANI@Si O/EP涂层的力学性能最优异,拉伸强度为27.96 MPa。其阻抗谱为6×10～5Ω/cm,比2 wt.%Si O/EP防腐涂层提高了140%,比EP防腐涂层提高了200%,比裸钢纤维提高了2个数量级。

关键词： 三维机织复合材料   盐雾老化   吸湿特性   动态压缩   弹道冲击  

摘要： 三维机织复合材料由于在厚度方向上的性能通过纤维结构得到增强,克服了层合板易分层的缺陷,抗冲击性能优异,在航空航天领域具有较为广泛的应用前景,目前已有先进航空发动机的风扇机匣和叶片部件采用了三维机织复合材料。在沿海地区长时间服役时,材料暴露于高湿高盐雾的大气环境下,性能会加速退化,影响飞行的安全性和可靠性。因此,有必要开展三维机织复合材料的盐雾老化试验,研究其在盐雾环境下的损伤机理和力学行为演变规律,为三维机织复合材料机匣及叶片全服役周期的安全性设计和维护提供参考。 本文通过开展长时间盐雾试验来研究三维角联锁机织复合材料盐雾老化后的性能变化,获得三维机织复合材料的吸湿特性,对盐雾前后的材料进行动态热机械分析、红外光谱分析以及扫描电镜观察;再对盐雾后的试样进行准静态拉伸、压缩试验、动态压缩试验及弹道冲击试验,并基于宏观力学性能演化结果开展了弹道冲击数值仿真,得出以下结论: (1)采用多种技术手段对三维角联锁机织复合材料盐雾老化后理化性质的变化进行了研究,发现材料在盐雾试验的150天时吸湿率达到0.23%,未达到饱和状态,吸湿的增重规律符合Fick定律;材料的玻璃态转变温度随着盐雾时间的增加而降低,树脂基体发生了塑化反应;盐雾老化过程中未发生显著的化学反应,仅有部分树脂基体发生了氧化和水解反应;随着老化时间增加,盐雾腐蚀造成的坑洞数量、面积、大小都会增加,老化后的试样断口纤维表面呈光滑状,说明界面的粘结性能下降。 (2)对不同盐雾老化时间的的三维角联锁机织复合材料开展了经向和纬向的准静态力学试验,试验结果表明:盐雾老化后材料的经向和纬向的拉伸强度均呈现先增大后减小的趋势,在盐雾老化后期试样的拉伸性能开始下降;在准静态压缩性能方面,随着盐雾老化时间的增加,材料的经向压缩强度一直呈下降趋势,材料的纬向压缩强度随着盐雾老化时间呈现先增加后减小的趋势;材料经纬向拉伸及压缩的弹性模量随盐雾老化时间的增加而降低。 (3)对不同盐雾老化时间的三维角联锁机织复合材料开展了霍普金森压杆试验,试验结果表明:材料在厚度方向的压缩强度随应变率的增加而增大;经向的动态压缩强度和模量随应变率的变化不大;纬向的动态压缩强度随应变率的增加而增大。盐雾老化后厚度方向的强度变化不明显,经向的压缩强度呈现先增大后减小的趋势,纬向的压缩强度随盐雾时间的增加而降低。 (4)对不同盐雾老化时间的的三维角联锁机织复合材料开展了弹道冲击试验,试验结果表明:随着盐雾老化时间的增加,材料的弹道极限呈现先增加后减小的趋势,在老化150天时,材料的抗冲击性能已低于未老化状态;在钢珠冲击过程中,靶板的迎弹面主要承受剪切和压缩载荷,背弹面主要承受拉伸载荷,击穿和未击穿工况下的损伤均出现在撞击区域,未向四周扩展。使用基于连续损伤模型的宏观本构模型对试验进行仿真分析,仿真结果与试验结果吻合较好,说明本文使用考虑应变率效应的宏观材料本构模型能较为准确地预测材料盐雾老化后的抗冲击性能。

关键词： 降阶均匀化   有限元方法   损伤模型   孔隙缺陷   编织复合材料  

摘要： 三维编织复合材料具有高比刚度、高比强度、结构可设计性、耐化学性能等优势,在航空航天、电子、医疗、交通等多领域内得到广泛的应用。然而在制造过程中,不可避免会产生各种制造缺陷,例如孔隙缺陷。这些缺陷成为影响复合材料力学性能的关键因素之一。同时,三维编织复合材料的力学性能也受到其结构复杂性的影响。基于此,本文以含孔隙缺陷三维编织复合材料为研究对象,分别提出了一种结合理论模型和有限元方法的自微观到宏观的多尺度方法以及一种耦合各个层级的高阶三尺度降阶均匀化方法。此外,建立了损伤模型对三维编织复合材料的损伤破坏行为进行研究。 首先,利用Mori-Tanaka方法和扩展双夹杂方法建立理论模型,对含孔隙纤维束的刚度进行预测,讨论孔隙率、孔隙形状、孔隙位置和界面力学性能对纤维束刚度的影响。同时建立纤维束的有限元模型,通过在基体单元中随机选择满足孔隙率的单元并降低其力学性能来模拟孔隙,并分析几何模型和边界条件对有限元计算结果的影响。然后,结合所建立的理论模型和有限元方法,对三维编织复合材料的刚度进行研究。 其次,为了研究三维编织复合材料的损伤行为,以Hashin失效准则作为纤维束的损伤起始判据,最大主应力损伤准则作为基体的损伤起始判据。采用线性损伤演化模型,并根据Murakami-Ohno损伤模型,编写UMAT子程序实现对三维编织复合材料的损伤分析。对Chamis强度模型进行修改以计算含孔隙纤维束的强度。 最后,详细推导高阶三尺度降阶均匀化理论,并在理论的基础上建立多尺度算法,包括初始化、每个宏观尺度积分点的应力更新和后处理三个阶段。本文在ABAQUS中实现三尺度降阶均匀化方法,自行编程实现高阶三尺度降阶均匀化方法。通过有限元直接计算的结果比较,证明编程计算结果的准确性。然后对三维编织复合材料的宏观结构件进行了线弹性和非线性损伤分析。

关键词： 隧道工程   聚氨酯   隔震材料   静力学性能   压缩本构模型  

摘要： 随着社会快速发展,我国的隧道工程规模越来越庞大。然而,由于我国频繁发生地震,许多隧道工程都位于强震活动区域。一般来说,隧道在震后都会受到一定程度的破坏,特别是那些遭受严重破坏的隧道,很难进行修复。因此,在确保隧道结构安全的前提下,必须充分利用隧道结构本身的特点,并综合利用各种隔震技术,以增强隧道的整体抗震能力。本文基于隧道工程减震技术以及隧道隔震层材料的研究成果,通过对已有研究的总结分析,明确了隧道隔震材料需要满足的性能参数要求。接着,本文进行了聚氨酯基隧道隔震材料的配合比设计,采用无侧限压缩试验、单轴拉伸试验、循环加卸载试验、压剪试验和微观测试相结合的方法对聚氨酯基隧道隔震材料的简单静态力学性能和循环加载性能进行了系统性研究,并进行了无侧限压缩本构模型的推导。本文的主要工作如下:(1)经过对隧道隔震机理和相关研究的总结,本文确定了隧道隔震材料需要满足的相关性能参数。以此为依据,本文基于复合材料设计原理设计了聚氨酯基隧道隔震材料的配合比和制备流程。(2)本文通过无侧限压缩试验和单轴拉伸试验,对聚氨酯基隧道隔震材料的简单静态力学性能进行了分析。探讨了各组分含量变化对材料应力-应变曲线、抗压强度、弹性模量、抗拉强度、断裂伸长率等性能的影响。同时,本文利用微观试验对其机理进行了解释。(3)基于无侧限压缩试验研究结果,本文采用多项式来建立应变势能函数,以满足数值分析的要求。同时,为了更好地描述材料特性并满足实际工程应用的需要,本文建立了简化的分段非线性模型。(4)通过采用循环加卸载试验和压剪试验,本文成功模拟了隧道隔震材料在日常通车和地震过程中受到的反复压缩和剪切的过程,并得到了聚氨酯基隧道隔震材料的循环加卸载滞回曲线和压剪滞回曲线。基于得到的滞回曲线,本文进一步分析了不同配合比的材料在往复荷载作用下的耗能规律和变形能力。

关键词： 定向钢纤维   钢-聚丙烯混杂纤维增强水泥基复合材料   混杂效应   力学性能   增强机理  

摘要： 钢纤维具有高强高韧、与基体粘结性能好的特点,将钢纤维掺入水泥基复合材料中能显著提高其抗拉性能,对钢纤维定向使其按构件拉应力方向分布,可以进一步提高钢纤维的增强能力。但由于钢纤维直径较大,在水泥基复合材料中的数量相对较少且纤维之间间距较大,单根钢纤维对基体的增强范围有限,不能充分发挥整体增强基体的作用。通过定向钢纤维与聚丙烯纤维混杂,利用后者直径小、数量多及纤维之间的间距较小的优势来充分传递钢纤维拔出时传给周围基体的应力,从而桥接更大范围的基体以约束钢纤维的拔出,弥补钢纤维数量少的不足,形成定向钢纤维与聚丙烯纤维的混杂效应,提高定向钢纤维对基体的增强效果。因此,本文对钢-聚丙烯混杂纤维增强水泥基复合材料中的钢纤维进行定向使其沿构件的拉应力方向分布,形成定向钢纤维混杂聚丙烯纤维增强水泥基复合材料,研究其力学性能与增强机理。 首先,研究了聚丙烯纤维对钢纤维方向调控的影响机理,通过外加磁场控制钢纤维的方向,实现了钢-聚丙烯混杂纤维增强水泥基复合材料中的钢纤维沿构件拉应力方向定向分布,钢纤维方向系数可达0.85。 其次,制备了定向钢纤维混杂聚丙烯纤维增强水泥基复合材料简支梁试件,通过弯拉试验对比了钢纤维定向与随机乱向分布、单掺钢纤维或聚丙烯纤维以及两种纤维混杂情况下的增强效果,分析了两种纤维的混杂效应。结果表明定向钢纤维混杂聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的抗弯承载力和弯曲韧性明显高于其他情况,原因在于钢纤维定向和混杂效应使得钢纤维的增强作用得到了充分发挥。 最后,通过单轴拉伸试验和数值模拟研究了定向钢纤维混杂聚丙烯纤维增强水泥基复合材料圆孔板的轴拉性能和增强机理,结果表明钢纤维定向分布以及钢纤维与聚丙烯纤维混杂显著提升了水泥基复合材料圆孔板的抗拉承载力和轴拉韧性。另外,通过对圆孔板圆孔周围的钢纤维定向以及增加圆孔周围钢纤维的体积掺量,充分发挥钢纤维对缺陷的增强作用使得轴拉荷载下圆孔板的主拉裂缝避开圆孔开展,削弱了应力集中引起的不利影响。 定向钢纤维混杂聚丙烯纤维增强水泥基复合材料既发挥了定向钢纤维的优势,又利用了混杂聚丙烯纤维对钢纤维的增强作用,其抗拉性能明显优于单掺随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料。