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关键词： 机制专业   《材料力学》   课程教学   创新改革  

摘要： 作为工科类专业体系中承上启下的技术性基础课程，《材料力学》课程内容与工程实际密切相关，是高校大学生接触最早的力学课程。一直以来《材料力学》早已逐渐生成了稳定且长效的课程机制与体系，在整个工科专业人才培养中发挥着不可替代的作用。但是随着科技发展，机制专业《材料力学》教学需创新改革课程体系，丰富教学内容，优化教学方式方法，以确保教学效率与质量，以及学生吸收内化能力的有效提升，从而适应新形势下时代发展要求。

关键词： C/C复合材料   参数辨识   奇异值分解   数字图像相关  

摘要： 提出了一种基于复杂构型试样DIC(Digital Image Correlation,数字图像相关法)全场应变测试结果，实现单次试验辨识C/C复合材料面内多个力学参数的方法。在该参数辨识方法中，采用复杂构型试样以使得全场应变数据对不同的材料参数敏感；建立与试验条件同等的有限元模型，将待辨识的材料力学参数作为设计变量，应变场模拟结果与试验结果的偏差视为目标函数，通过多岛遗传优化方法构建了参数辨识模型。采用奇异值分解对试验获取的应变场进行重构，实现DIC应变场测试结果的降噪。结果表明，尽管试验获取的应变场由于试验噪声、纤维变形等原因与有限元模拟的分布特征有所差异，但在加载方向的应变辨识精度偏差依然保持在4%以内。采用奇异值分解可提升与加载方向相垂直方向的弹性模量辨识精度，与标准测试结果相比，辨识误差从33.12%降低到4.48%。上述研究可为建立复合材料高通量试验方法提供参考。

关键词： 互穿相复合材料   泡沫镍铁   环氧树脂   聚醚砜   力学性能  

摘要： 泡沫金属因其质地轻、吸能吸声性能好以及具有电磁屏蔽等特性被广泛地应用于各行各业,向泡沫镍铁骨架中灌入环氧树脂形成的互穿相复合材料是一种新兴的复合材料,这种材料既具有泡沫金属特性又使得材料整体的力学性能得以提升。因环氧树脂固化后质地硬脆,耐弯曲以及耐冲击性能较差,所以对环氧树脂进行增韧改性研究也变得尤为重要。本文将对三种不同孔径的泡沫镍铁/环氧树脂/聚醚砜复合材料进行弯曲以及低速冲击实验研究,讨论了泡沫镍铁孔径和聚醚砜质量比对复合材料力学性能的影响。本文利用三种不同孔径泡沫镍铁,制备了聚醚砜质量比分别为0%、2%、3%、4%、5%和6%的复合材料弯曲试件,通过三点弯曲实验分析了泡沫镍铁孔径和聚醚砜质量比对复合材料的弯曲载荷-位移曲线、吸能性能、弯曲强度、弯曲弹性模量及比强度、比刚度的影响情况。研究表明,当泡沫镍铁PPI为40且聚醚砜质量比为3%时,复合材料的弯曲韧性、吸能性能以及力学性能优于其他系列复合材料。通过制备三种不同孔径的泡沫镍铁且聚醚砜质量比分别为0%、2%、4%和6%的复合材料板,进行了低速冲击实验,利用冲击载荷-时间曲线分析了不同孔径及不同质量比的聚醚砜对复合材料板的破坏形貌、刚度和能量吸收的影响。研究表明,聚醚砜质量比为0%和2%的复合材料板出现脆性断裂破坏;聚醚砜质量比为4%的复合材料板韧性较好,冲击载荷峰值较大,展现出较好的抗冲击性能。通过制备泡沫镍铁PPI30、聚醚砜质量比为4%的复合材料板,实验研究了不同冲击速度下的复合材料板冲击响应,分析了复合材料板的冲击载荷峰值、能量吸收损伤状态以及损伤过程与冲击速度的关系。研究表明,在不同冲击速度下复合材料均呈现出塑性变形;随着冲击速度的增加,冲击载荷作用时间先增大后减小,复合材料的吸能比呈现出先减小后增大的变化趋势。

关键词： 橡胶-砂胶结材料   弹性模量   泊松比   ABAQUS   p-y曲线  

摘要： 季节性冻土在我国长江以北分布广泛,随着季节更替,季节性冻土势必会经历冻融循环作用,从而影响桩土相互作用特性。冬季土体冻结后,桩周土体的强度将显著提高,降低桩基侧向变形性能,在地震等水平荷载作用下极易导致桩基发生断桩等脆性破坏。为消除或降低冻融循环对季节性冻土区桩基承载性能的不利影响,提出采用具有抗震性、保温性和低温稳定性的废旧轮胎橡胶颗粒材料置换桩周一定冻深范围内的土体,并分析其与桩基的相互作用机理。本文首先利用橡胶颗粒、石英砂以及聚氨酯胶水,按一定质量比进行混合制作橡胶-砂胶结材料试样;再通过室内土工试验和电镜扫描分别测试其物理力学性质指标和微观结构;然后,通过数值模拟对比分析橡胶-砂胶结材料置换前后对桩基受力与变形的影响;最后,通过影响因素分析建立经橡胶-砂胶结材料置换后的桩基p-y曲线模型,并给出相应的参数取值方法。本文主要工作及成果如下:(1)开展不固结不排水三轴压缩试验,获得不同条件下橡胶-砂胶结材料试样的应力-应变曲线;并通过非线性拟合和回归分析得到橡胶-砂胶结材料应力-应变本构关系式,建立切线泊松比与轴、径向应变之间的拟合关系式;结果表明橡胶-砂胶结材料试样的应力-应变曲线没有峰值点,为典型的应变硬化型材料;温度对试样破坏强度和弹性模量的影响较大,而冻融循环次数和低围压对试样破坏强度和弹性模量的影响较小,电镜扫描发现橡胶-砂胶结材料的主要受力骨架为橡胶颗粒。(2)采用ABAQUS软件建立季节性冻土区桩基有限元模型,并采用橡胶-砂胶结材料置换桩周土体。置换前,冬季土体冻结后浅层土体的强度和刚度显著增大,在水平荷载作用下,塑性铰区域减小,弯矩剖面形状变窄,从而导致桩基的塑性变形能力减弱,桩身最大弯矩位置接近地面(约0.15m);置换后,在水平荷载作用下,塑性铰区域扩大,最大弯矩位置距地面约1.1m,侧向位移能力远大于冻土桩基。(3)通过分析置换后桩基的p-y曲线,发现土抗力与位移基本呈线性关系,这与橡胶-砂胶结材料近似为弹性材料有关,因此采用理想弹塑性模型进行修正,得到适用于橡胶-砂胶结材料的p-y曲线模型。最后将数值模拟所得桩基p-y曲线与本文所提出的桩基p-y曲线进行对比分析,验证了本文橡胶-砂胶结材料桩基p-y曲线的合理性。

关键词： 反应分子动力学   水化硅酸钙   微观力学性能   单/双轴应变   冲击波  

摘要： 在服役期间,水泥基材料不仅经常处于复杂应力状态,而且可能遭受到冲击波作用。虽然这些情况已经有大量宏观试验详细研究,但是这些研究所提供的关于材料微观结构变化的信息比较有限。然而,从微观尺度认识和改进水泥基材料的结构是提高其宏观力学性能的关键。因此,本文以水泥基材料的主要水化产物-水化硅酸钙（C-S-H）作为研究对象,采用基于反应力场（Reax FF）的分子动力学方法研究其在单/双轴应变以及冲击波作用下的微观力学性能和变形机理。本文研究旨在加深对于C-S-H分子结构的认识,为提高水泥基材料的力学性能提供微观依据。本文的研究内容和结论主要如下: （1）通过反应分子动力学方法对C-S-H进行单轴拉伸/压缩模拟,得到其单轴拉/压本构关系和应变过程中的分子结构演变情况。结果表明,C-S-H在分子尺度具有力学各向异性（y>x>z）和拉压不对称性（抗压强度>抗拉强度）。通过对应力-应变曲线进行拟合,建立C-S-H的单轴应力应变本构模型。该模型由三次多项式和线性方程组成,可以很好描述C-S-H的弹性和弹塑性行为。由于作用的应变率相对较大,C-S-H在z向单轴拉伸下呈多裂缝发展。单轴拉伸下层间区域是抵抗变形的主要相,而单轴压缩下层间区域和硅钙层在抵抗变形方面发挥同样重要的作用。 （2）通过反应分子动力学方法对C-S-H进行系列双轴拉伸、双轴压缩和双轴拉压模拟,得到其双轴拉/压本构关系和应变过程中的分子结构演变情况。结果表明,双轴同向/异向应变会增大/减小C-S-H的弹性模量。从应力-应变曲线上提取峰值应力,得到C-S-H的椭圆形双轴流应力屈服面,该屈服面能够反映C-S-H的力学各向异性和拉压不对称性。选取了von Mises、Drucker-Prager、Hill和Liu-Huang-Stout屈服准则对流应力屈服面进行拟合,结果表明只有Liu-Huang-Stout屈服准则能够充分表征C-S-H的流应力屈服面。在双轴应变作用下,硅钙层与层间区域在抵抗变形方面发挥同样重要的作用。C-S-H在弹性阶段的原子变形行为主要是层间钙离子、水分子和羟基的位移,而硅钙层内离子的位移标志着C-S-H开始塑性变形。 （3）通过反应分子动力学方法实现冲击波沿C-S-H层间方向的传播模拟,研究不同的铝硅比（Al/Si为0.0、0.1和0.2）和冲击强度（0.1 km/s～3.6 km/s）对冲击波作用下C-S-H的动态力学行为和分子结构演变的影响。结果表明,铝离子的掺入对C-S-H中冲击波的传播起着重要作用,较高的Al/Si有利于提高冲击波作用下C-S-H的动态力学性能。由Hugoniot压力-比体积关系得到C-S-H的Hugoniot弹性极限压力(PHEL),Al/Si为0.0、0.1和0.2的C-S-H的PHEL分别为4.36 GPa、7.10 GPa和6.97 GPa,分别对应于0.5 km/s、0.5 km/s和0.4 km/s的冲击强度。由于Al/Si和冲击强度的变化,C-S-H在冲击波作用下可能会处于弹性、弹塑性和冲击Hugoniot状态。在弹性Hugoniot状态,C-S-H具有由塑性前缘和弹性前驱体组成的双波结构特征,该特征随着Al/Si的提高变得明显,但随着冲击强度的增加而变得不明显。C-S-H在不同冲击强度下具有不同的变形行为:Hugoniot弹性极限（HEL）以下是层间距离的减小;HEL以上先是水分子的致密化,然后是层状结构的坍塌。

关键词： 冻融循环   含水率   损伤劣化   抗压强度   能量分析  

摘要： 我国寒区分布广泛并且拥有着极其丰富的资源,而岩石作为大部分工程建设的载体,受到冻融循环作用后会引起内部结构产生损伤,导致承载能力下降。并且在自然界中,大多数岩石的含水状态都不相同,在水冰相变的过程中体积会增大约9%,导致内部裂隙和孔隙进一步发育,对相关工程建设造成一定的安全隐患。因此为保证寒区工程建设的稳定、安全,对不同含水状态下冻融后岩石力学性质的研究是非常有必要的。通过对饱水砂岩以及不同含水率的砂浆进行吸水率、纵波波速、冻融系数和破碎形态等物理性质的分析,进行了静态的单轴抗压试验和动态的SHPB试验,分析了饱水砂岩和不同含水率砂浆的静动态力学特性,并结合SEM试验和XRD试验从宏观和微观两方面分析了饱水砂岩和不同含水率砂浆的损伤劣化机理。主要研究内容如下:(1)四组不同含水率砂浆试样与饱水砂岩试样经历过冻融循环之后波速都有所下降。对于干燥状态试样来说,在经历第一次冻融循环之后,波速的降低幅度比较大。各组试样波速随着冻融次数的增加呈现出不同程度的下降,但下降的趋势越来越平缓。(2)在单轴压缩试验中,试样的抗压强度均随着冻融循环次数的增加而降低。饱水砂岩、干燥砂浆、含水率为1%的砂浆和含水率2%的砂浆强度曲线都有减缓的趋势,含水率为3%的砂浆在最后一阶段强度损伤较大,经历过30次冻融循环之后,强度降低最明显。(3)在单轴冲击试验中,试样经过冻融循环作用后,动态应力-应变曲线呈现3个阶段,分别为弹性阶段、非线性变形阶段和破坏阶段。在冲击气压相同的条件下,冻融次数越多,试样的抗压强度越小。在相同含水率的条件下,试样的峰值应力和冲击的气压呈正相关变化。对于试样的峰值应变来说,随着冲击气压的增大,试样的峰值应变也在变大。相同含水率状态下冻融循环次数较多,试样破碎后的的小尺寸粒径所占的比例就越多。(4)相同的冻融循环次数作用下,试样破碎时所吸收的能量与冲击气压呈正相关,冲击气压越大,试样所吸收的能量就越多。在冻融循环次数较少的情况下,砂浆的内部孔隙较少,力学性能也较好,所以在冲击荷载作用时,较多的能量被吸收用来扩展砂浆内部的裂缝直至试件破碎。在冻融次数不断增长的情况下,砂浆内部的裂纹越来越多,破碎时吸收的能量就较低。(5)从SEM图像可以看出干燥状态下砂浆内部结构排列紧密,裂纹和孔隙的数量相对较少。随着砂浆含水率的增加,内部结构变得越来越松散。经历15次冻融循环之后,可以明显的看出试样的表面已经出现了裂纹。经历30次冻融循环之后,砂浆表面的裂缝已经形成贯通,颗粒间的粘结力较小,颗粒脱落,最终导致承载能力的减小。(6)冻融循环过程中,高岭石、凌铁矿和伊利石的占比降低,石英的含量占比增加。高岭石和伊利石吸水后会产生不均匀的膨胀,从而产生微小的孔隙。水进入微裂隙与亲水矿物结合,形成水化粘土,水化粘土具有膨胀性、流变性、分散或絮凝性等特点,因此冻融作用加速了黏土矿物的崩解,岩石孔隙率也进一步增大。图49表5参考文献82

关键词： 淀粉基发泡缓冲包装材料   相对湿度   初始应变率   本构方程   应力-应变曲线  

摘要： 在“限塑令”背景下,不可降解的石油基泡沫塑料的使用将会逐渐受到限制,最终被淘汰。淀粉基发泡缓冲包装材料作为一种绿色环保的产品逐渐走入大众的视野中,在替代传统石油基泡沫塑料包装材料方面具表现出广阔的应用前景。研究淀粉基发泡缓冲材料的缓冲性能具有十分重要的意义。本文以淀粉基发泡缓冲包装材料为研究对象,通过静态压缩、动态冲击试验及扫频振动实验,研究了湿度、初始应变率等对淀粉基发泡缓冲包装材料性能的影响。通过静态压缩试验,获得不同初始应变率(0.002s、0.01 s、0.017 s、0.033 s、0.05 s)及不同相对湿度(50%、70%、80%、90%)下淀粉基发泡缓冲材料的应力-应变曲线,探究了初始应变率和相对湿度对应力-应变曲线和能量吸收的影响。静态压缩下,淀粉基发泡材料具有明显的应变率效应,其能量吸收随着初始应变率的增加而增加。在相对湿度为50%条件下,当应变为0.6时,随着初始应变率由0.002s增加至0.01s、0.017s、0.033s、0.05s,材料的应力分别增加了5.4%、12.51%、20.97%、26.3%;能量吸收分别增加了0.69%、7.18%、12.27和19.21%。淀粉基发泡包装材料受湿度影响较大,其静态压缩性能随着湿度的增加而下降。在初始应变率为0.017s下,当应变为0.6时,随着相对湿度由50%增加到70%、80%、90%,该材料的应力分别下降了7.26%、19.39%和39.42%;能量吸收分别下降了17.93%、25.7%和43.84%。通过对应力-应变曲线进行拟合,构建了淀粉基发泡材料基于应变率及湿度项的静态压缩本构方程,实验结果与本构模型具有较好的一致性。通过动态冲击试验,获得不同初始应变率(30.0s、34.6 s、38.6 s)及不同湿度(50%、70%、90%)下淀粉基发泡缓冲材料的应力-应变曲线,探究了初始应变率、相对湿度对应力-应变曲线的影响。动态冲击下,淀粉基发泡材料的应变率效应明显,能量吸收随着初始应变率的增加而增加。在相对湿度为50%条件下,当应变为0.6时,随着初始应变率由30s增加到34.6s和38.6s,应力分别增加了36.12%和50.4%;材料吸收的能量分别增加了25.76%、36.37%。淀粉基发泡包装材料受湿度影响较大,其动态冲击性能随着湿度的增加而下降。在初始应变率为38.6s,随着相对湿度的增加应力分别降低了9.71%和11.25%;材料吸收能量分别降低了6.57%和6.68%。通过对应力-应变曲线进行拟合,构建了基于应变率及湿度项的动态冲击本构方程,结果表明实验结果与本构模型具有较好的一致性。通过扫频振动试验,获得不同相对湿度(50%、70%、90%)下淀粉基发泡缓冲包装材料传递率曲线,结果表明湿度对传递率有很大影响,在本实验中当湿度为90%时,振动传递率明显下降。

关键词： 智能混凝土   钢纤维   纳米炭黑   配合比   正交试验   力学性能   最佳掺量   微观结构  

摘要： 当代土木工程领域中,由于混凝土具有强度高、耐久性好和施工方便等诸多优势,已成为建筑业应用最广泛的工程材料之一。目前,我国建筑结构正朝着轻型、大跨度、超高方向发展,对混凝土的功能也提出了新的要求,既要提高混凝土的力学性能,又要提高混凝土的功能性,以满足当今工程对混凝土的应用需求。近年来的研究表明,在混凝土中掺入一些纤维可以很好地改善混凝土内部缺陷,并使其具有良好的力学性能、导电性能。但针对掺入不同类型钢纤维及纳米炭黑对智能混凝土力学性能影响的研究相对较少。因此,本文结合已有的研究成果,在平行试验法的基础上,采用三因素(不同种类钢纤维、不同钢纤维掺量和不同纳米炭黑掺量)的正交试验法对混凝土力学性能展开大量研究,并借助电子显微镜分析了水化生成物数量、裂缝数量及发展情况、纤维阻裂以及界面过渡区的微观形貌,从微观层次上对智能混凝土的增强机理进行了阐述。本文的主要研究内容与结论如下: (1)本文通过研究不同掺量下剪切型钢纤维(SF-A)、铣削型钢纤维(SF-B)、镀铜型钢纤维(SF-C)、端勾型钢纤维(SF-D)及纳米炭黑(NC)对新拌混凝土工作度的影响,结果表明:在新拌状态下,随着纳米炭黑、钢纤维掺量的增加,混凝土的坍落度呈现逐渐减小、含气量呈现逐渐增大的趋势。 (2)通过264个尺寸为100mm×100mm×100mm混凝土非标准试件,对其进行了抗压强度试验,分别研究了钢纤维和纳米炭黑对智能混凝土立方体抗压强度的影响规律、破坏特征,得到一定范围内智能材料的掺入对混凝土抗压强度的影响规律。进而结合坍落度、含气量和力学性能指标,获得了智能混凝土的最佳钢纤维掺量范围为0.20%～0.80%和纳米炭黑掺量范围为0.25wt%～0.75wt%的结论。 (3)通过正交试验法对智能混凝土配合比进行设计,选用四水平三因素(钢纤维类型、钢纤维掺量、纳米炭黑掺量)的正交设计工况,对各组试验结果进行极差分析和方差分析,讨论了影响智能混凝土强度的主次因素,得出了上述三种因素组合情况下的最佳配比。 (4)本文研究了钢纤维类型、钢纤维掺量、纳米炭黑掺量和智能混凝土力学性能的关系,采用多元线性回归分析方法对各组正交试验结果进行了分析研究,获得了智能混凝土力学性能拟合关系式,可根据该模型对一定范围内(钢纤维掺量为。 (5)采用SEM电镜观察了智能混凝土在受压破坏下浆体、过渡区界面的微观形貌,并从水化产物的类别和数量、裂缝的数量和发展趋势、纤维破坏方式以及纤维阻裂等几个角度,对其与素混凝土微观结构进行了对比研究,并建立了智能混凝土的微观增强机理模型。

关键词： 石膏   改性组分   力学性能   耐水性能  

摘要： 石膏基墙体模块拥有石膏材料凝结硬化快、体积稳定性高、防火性好等优点,是一种低能耗、生产周期短、保温隔热性好、膨胀收缩率低、绿色环保的新型墙体材料,被广泛应用于建筑行业。但是石膏基墙体模块存在强度不佳、耐水性差等缺点,这些缺点限制了石膏基墙体模块的应用范围,阻碍了石膏基墙体模块的发展。改善石膏材料的力学性能和耐水性能,不仅可以推动石膏基墙体模块的发展,还可以消耗掉大量的工业副产石膏,保护环境。本文采用水泥、CEA膨胀剂、AEA膨胀剂、防水剂等对石膏进行改性,观察改性后石膏材料宏观性能和微观形貌的变化。通过宏观数据和微观形貌,掌握改性组分在不同掺量下对石膏性能的影响规律。通过大量实验进行石膏材料力学性能和耐水性能的优化研究,得到以下主要研究成果:1、分别将水泥、CEA膨胀剂、AEA膨胀剂掺入到石膏对其改性,发现二水石膏减缓水泥的水化进程,水泥前期的水化产物远少于正常状态下的水化产物,随着养护龄期的延长,水泥水化产生大量的钙钒石、水化硅酸钙等水化产物,这些水化产物修复石膏硬化体中的缺陷,改善石膏的性能。但是如果水泥的水化产物过多,会导致石膏基体出现体积稳定性不良的问题。不同于水泥后期对石膏性能的改善,两种膨胀剂的水化速率不受外界因素影响,而且CEA膨胀剂的主要水化产物氢氧化钙和AEA膨胀剂的水化产物钙钒石可以有效修复石膏硬化体的缺陷,7d龄期内两种膨胀剂就可以有效改善石膏的性能。实验证明:水泥的最大掺量为20%,CEA膨胀剂、AEA膨胀剂的最佳掺量范围是3%～5%。2、将三种无机组份作为实验因素,三种无机组分的掺量范围作为因素水平因子,设计出正交试验。并对不同龄期下不同实验方案的结果进行极差分析和方差分析,发现多种无机组分改性后的石膏,不但前期的各项性能优越,而且后期各项性能也都呈增长状态,其中最佳方案为15%水泥、3%CEA膨胀剂、5%AEA膨胀剂,28d抗折强度为5.44MPa,抗压强度为12.82MPa,吸水率为25.12%,软化系数为0.695。3、选择两种不同的防水剂分别掺入到石膏中,发现防水剂通过在石膏硬化体表面或者石膏晶体表面形成憎水膜,来提高石膏材料的耐水性能,但憎水膜破坏了部分晶体结构,石膏材料的力学性能降低。通过将无机组分与有机组分混合,来降低有机组分对石膏力学性能产生的不利影响,同时进一步提高石膏材料的耐水性能。最终制备出抗折强度为4.62MPa,抗压强度11MPa,吸水率18.84%,软化系数0.85的石膏样品,完全符合国家规范要求:抗压强度等级MU7.5,折压比大于0.15,软化系数不低于0.85。

关键词： 纳米电极材料   力-电化学行为   拉曼光谱力学   原位应变测量   容量演化预测   锂离子电池  

摘要： 电极材料在充放电过程中的力-电化学行为是影响锂离子电池性能与寿命的主要因素之一。目前,随着纳米技术的快速发展,石墨烯和硅等先进纳米材料在电化学储能领域展现出独特性质和广阔前景。本文围绕石墨烯和硅等纳米电极材料在电化学过程中的力-电化学行为展开原位实验力学研究,探究电极微结构对储锂行为和储锂性能的影响机理,对电极的循环容量演化进行预测,主要工作如下: 搭建了锂离子电池力-电化学综合性能的多尺度表征系统。该系统包括电化学表征模块和物理-力学表征模块,涉及电化学加载与性能测试、循环伏安法、交流阻抗法、原位拉曼光谱、扫描和透射电子显微镜等实验技术,可以给出电极电压、容量、循环性能、动力学阻抗、热力学扩散系数、微结构应变演化、表面形貌、储锂分布等整体宏观和局部微观实验信息,通过设计铜网基底电极与视窗结构原位电池以适应全部测量与表征技术,实现了电化学、力学、物理、材料等不同类别数据的高通量表征。 开展了硅和石墨烯电极在充放电循环过程中电化学诱导应变演化的原位测量与分析工作。分别制备了硅纳米颗粒和多层石墨烯电极并组装原位电池;通过原位拉曼光谱实时测量了硅纳米颗粒电化学诱导应变的演化,并结合扫描电子显微镜观测了锂化引起的体积膨胀,发现了硅纳米颗粒在锂化相变过程中的应变反转现象;通过原位拉曼光谱追踪多层石墨烯电极G峰和2D峰谱线的变化,实现了石墨烯锂插层化合物阶数的指认和微结构应变(场)的同步测量;结合不同电极的结构特点与反应特征分析了电化学诱导应变的演化机理。 基于综合表征系统,开展了不同微结构石墨烯电极在嵌锂/脱锂过程中的力-电化学行为的测量与分析工作。以层数和缺陷为变量选择并制备了三类不同微结构的石墨烯电极,包括多层少缺陷、少层少缺陷和多层多缺陷石墨烯电极,通过电化学表征模块获取了不同电极比容量、循环性能以及反应过程中阻抗和扩散系数的演化,通过原位拉曼光谱给出了电极在嵌锂/脱锂循环过程中微结构应变演化,通过透射电子显微镜观测到电极的嵌锂分布状态,发现了三类石墨烯电极微结构应变不同的非线性演化行为,综合分析了不同微结构对石墨烯储锂行为和储锂性能的影响,揭示了减少层数或增加缺陷对储锂容量、结构应变的降低和对扩散性能的提升。 开展了新型石墨烯包覆硅(Si@Gr)电极在不同倍率下的循环容量预测工作。以反映材料性质变化且可直接测量的阻抗参数为“抓手”,通过电化学阻抗谱获取了Si@Gr电极在不同倍率下的阻抗演化信息,明确了不同阻抗中影响容量衰减的关键阻抗变量,借鉴疲劳损伤理论建立了基于关键变量的损伤-阻抗模型,并结合粒子滤波算法实现了模型参数的识别和循环容量演化的预测。预测结果显示,损伤-阻抗模型的准确性优于传统经验模型。