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关键词： 玄武岩纤维   玻璃纤维   纺织复合材料   角联锁   动态冲击  

摘要： 近年来,纺织结构复合材料在产业应用中所占的比例越来越大。同金属同类产品相比,纺织结构复合材料的抗疲劳特性优异、材料重量小、比强度大。随着研究的不断深入,纺织结构复合材料的性能和可设计性能够得到提高进一步提高。本文设计了实口和喷射口角联锁结构玄武岩纤维织物和玻璃纤维织物,在SGA598型半自动打样机上进行织制。并以二者为增强体材料,以191型不饱和树脂为基体材料,通过真空辅助树脂传递模塑工艺制成对应的纺织复合材料,从而对比使用相同织物结构、织物体积分数相近的增强体、同种树脂基体及同种制造技术的玻璃纤维复合材料和玄武岩纤维复合材料,评估用玄武岩纤维复合材料替代玻璃纤维复合材料进行应用的可行性。纱线强度方面,使用INSTRON万能强力仪对玄武岩纤维纱线和玻璃纤维纱线进行拉伸实验,对比两种纤维纱线的拉伸性能;在静态力学性能测试方面,对四层、六层和八层实口结构角联锁的玄武岩和玻纤复合材料进行拉伸和弯曲性能测试,对比复合材料的静态拉伸和弯曲性能;在高应变率条件下,使用分离式霍普金森压杆对四层、六层和八层喷射口结构角联锁的玄武岩和玻纤复合材料进行了单杆动态冲击三点弯曲试验,对比复合材料的动态冲击性能,同时对复合材料试样的破坏过程和损伤情况进行分析和总结。结合试验数据得出结论如下:在纤维体积分数较为接近的情况下,二者之间无论是纱线拉伸性能、静态的复合材料拉伸和弯曲性能,还是在高应变率下的动态力学冲击性能,玄武岩复合材料力学性能与玻纤复合材料力学性能相当。其中玄武岩与玻璃纱线的拉伸最大载荷基本相同,但玄武岩纱线的最大载荷高于玻璃纱线约0.91%,且模量大于玻璃纱线;关于不同层数实口角联锁复合材料的拉伸和弯曲性能强度,玄武岩复合材料相较于玻璃纤维复合材料分别高出了约3.11%和4.81%;在高应变率下的动态冲击测试下,玄武岩复合材料最大载荷高出约3.51%;在力学性能上体现出了玄武岩复合材料替代玻纤复合材料应用的可行性。探究玄武岩纤维复合材料替代玻璃纤维复合材料进行应用的可行性,可为推广玄武岩复合材料的应用提供有效支撑。相较于玻璃纤维,玄武岩纤维拥有着更好的耐高温和耐腐蚀能力以及化学稳定性。且玄武岩纤维的原料来源范围较为广阔,成本和生产价格都有所降低,却能够提供更优的机械力学性能。更重要的是玄武岩纤维在制造过程中无需添加助剂,也不会产生有害气体,在倡导环境保护的今天,玄武岩纤维替代玻璃纤维的使用能够助力绿色环保可持续的发展。

关键词： PTFE/石墨烯   力学性能   摩擦学性能   分子动力学模拟   第一性原理  

摘要： 高分子及其复合材料以其轻质、耐腐蚀和摩擦系数小等优点而越来越多地应用于自润滑关节轴承、齿轮、轴承等基础零部件中。因此,高分子复合材料的力学性能和摩擦学性能直接影响着基础零部件的服役性能和使用寿命。高分子复合材料在复杂的工况下服役时,通常伴随着化学键的断裂与生成,这必然会对材料自身的力学性能和摩擦学性能产生影响。因此,本文以聚四氟乙烯（PTFE）及PTFE/石墨烯复合材料为例研究了其分子结构变化对其力学性能和摩擦学性能的影响。本文构建了PTFE单链、石墨烯、F-石墨烯和CF3-石墨烯分子模型。基于第一性原理方法分析了体系能量、电子局域函数（ELF）分布、电荷差分密度（EDD）、应力、能隙等随拉伸和压缩应变的变化规律,从而确定了PTFE/石墨烯复合材料内各原子间的成/断键临界长度。基于分子模拟基本理论构建了PTFE、石墨烯分子模型及其含有缺陷的分子模型。通过将第一性原理方法计算所得的PTFE及PTFE/石墨烯复合材料中各原子间的成/断键临界长度嵌入到分子模型中,分析了PTFE及PTFE/石墨烯复合材料,及其含有缺陷的分子模型在压缩过程中的分子结构动态变化过程。通过对压缩后的分子模型进行拉伸模拟,研究了压缩过程导致的成/断键对PTFE及PTFE/石墨烯复合材料力学性能的影响。基于分子动力学方法构建了含有三层石墨烯的PTFE/石墨烯复合材料。将PTFE/石墨烯复合材料与Fe组合,形成Fe-PTFE/石墨烯复合材料-Fe摩擦模型。通过改变上层Fe所受载荷,得到考虑成/断键时的摩擦系数和磨损深度随载荷的变化规律。此外,本文通过分析摩擦过程中石墨烯与PTFE之间的切向相互作用和法向相互作用,得到了石墨烯在PTFE中运动对Fe与PTFE/石墨烯复合材料之间的摩擦力和法向力的影响。

关键词： 新工科   工程教育专业认证   材料力学   混合教学   教学改革  

摘要： 本文分析了工程教育专业认证和一流本科建设背景下，传统“材料力学”教学过程中存在问题，并从教学内容、教学方式、教学评价等方面进行了教学改革与探索，为其他课程的教学改革提供参考。

关键词： P91钢   小冲杆实验   单向拉伸实验   中断实验   力学性能  

摘要： 目前在发电行业中,由于测试中使用的材料数量有限,微型试样测试技术得到了极大的关注。为保证设备的完整性特点,采用微小尺寸试样评价现役设备材料的力学性能具有非常重要的工程价值,是一种对现役设备的安全性影响较小的损伤测试方法。本文主要研究微型试样力学性能的测试技术,进行了小冲杆实验及中断实验和微小型试样单向拉伸实验及中断实验,进而研究微型试样测试技术对金属材料力学性能评价的方法,主要成果如下:（1）根据获取的P91钢试样,在600℃下,进行了全过程的小冲杆实验及中断的实验,研究了P91钢的组织演变和断裂机理。然后通过扫描电子显微镜和电子背散射衍射对试样表面进行观察,得到了不同变形形态的微观结构。由此得出:随着冲头向下移动,马氏体结构得到了恢复。空洞倾向于沿恢复的晶体界面成核,并长大,最后发生塑性流动。（2）进行了中断的微小型试样单向拉伸实验,研究了P91钢在600℃下的断裂机理。工程应力-应变曲线可分为六个不同的阶段,包括弹性阶段、应变硬化阶段、均匀塑性变形阶段、横向和厚度方向的颈缩阶段、以及最终的断裂扩展阶段。使用光学显微镜和扫描电子显微镜观察了从均匀变形、颈缩到试样断裂的整个破坏演变过程。（3）对小冲杆实验进行了有限元模拟,所得到的载荷位移曲线与实验的曲线具有一致性,都有典型的几个阶段。

关键词： 石墨烯   复合材料   分子结构力学   柔性结点铁木辛柯梁单元   界面属性   二次等参梯度单元   力学性能   有限元分析  

摘要： 石墨烯在力学、热学和电学等方面具有优异的特性,呈现出巨大的应用潜力。石墨烯研究起步较晚,人们面临着研究方法、研究途径和研究内容等许多方面的困难与挑战。随着石墨烯及其纳米复合材料得到越来越多的应用,这种新型复合材料的力学性能研究同样日益吸引研究人员的关注。本文的工作重点是基于柔性结点铁木辛柯梁单元构建了石墨烯等效柔性连接框架结构的有限元模型,从微观角度研究石墨烯的力学性能,并在此基础上采用多尺度有限元法研究石墨烯/环氧树脂复合材料的力学性能。论文的主要工作归结如下: 将石墨烯分子结构等效为柔性连接框架结构,根据梁单元的跨高比以及碳-碳键角变化的特征,提出3结点7自由度的柔性结点铁木辛柯梁单元,并用于离散框架结构。该梁单元两端的弹簧可以很好地模拟碳-碳键键角弯曲,解决了刚性连接框架结构模型无法模拟石墨烯键角变化的问题。使用FOTRAN语言编写自定义单元的UEL子程序,对接ABAQUS平台,建立石墨烯等效柔性连接框架结构的有限元模型。通过与文献值和实验值的对比,验证了本文提出的有限元模型的正确性。 基于有限元模型,进行石墨烯的弹性性能和动力特性分析。首先将有限元计算得到的杨氏模量与实验值对比,确定柔性结点铁木辛柯梁单元两端弹簧的刚度系数。数值算例表明,柔性框架结构模型比刚性框架结构模型更适合模拟石墨烯分子结构的受力变形。研究发现,手性在小尺寸情况下对石墨烯的弹性参数影响显著,随着尺寸增大手性影响逐渐减弱,不过扶手型始终大于锯齿型。在动力特性方面,手性对石墨烯固有频率的影响可忽略不计,然而边界条件的影响对固有频率影响很大,约束越强则固有频率越高。此外,石墨烯固有频率的尺寸效应显著。 通过建立石墨烯/环氧树脂复合材料的三明治和嵌入式代表体积单元,进行弹性性能预测。在代表体积单元的有限元建模中,石墨烯用柔性结点铁木辛柯梁单元离散,环氧树脂基体则视为连续介质,用实体单元离散,使用分层法和等参梯度单元法实现梯度界面层的有限元离散。计算结果表明,二次等参梯度单元具有更好的计算效率和精度,比分层法更加适用于梯度界面层的模拟。对于代表体积单元两相模型,三明治代表体积单元计算得到的杨氏模量与混合率模型的结果非常吻合,嵌入式代表体积单元计算得到的杨氏模量与修正的Halpin-Sai(H-T)模型的结果吻合得很好,这其中的原因是两相模型与混合率模型和H-T模型一样都没有考虑梯度界面层的存在。吻合的数值结果进一步说明了柔性框架结构模型是准确可靠的,且适用于石墨烯复合材料的弹性性能分析。对于代表体积单元三相模型,考虑了梯度界面层的存在,并且选取五种函数描述界面层属性梯度的变化。三明治和嵌入式代表体积单元计算得到杨氏模量都分别比混合率模型和H-T模型的结果大,但是更接近实验值。这说明了考虑界面层的必要性,而且指数梯度界面的三相模型与实验吻合得很好。研究结果表明,采取五种梯度界面属性变化三相模型中,石墨烯体积含量、界面应力传递面积、界面属性和界面厚度的增加都会提升复合材料的弹性性能。

关键词： 弹性体纳米复合材料   分子动力学模拟   力学增强   界面自修复  

摘要： 现代科技飞速发展,弹性体材料作为一种重要战略材料受到了广泛的关注与研究。弹性体纳米复合材料(elastomer nanocomposites)因纳米颗粒(nanoparticle,NP)的引入,使弹性体材料在原有性能基础上获得了更优异的性能。因此,如何设计与制备高性能弹性体纳米复合材料,是材料科学领域前沿研究方向,也是一直亟待解决的核心关键科学问题。基于此,深刻理解材料微观结构与宏观性能间的构效关系,从微观尺度出发设计并调控材料宏观性能至关重要。由于弹性体纳米复合材料的复杂结构,传统实验表征方法难以窥探材料背后微观层面的内在机理。利用计算机模拟技术,实现原位精准追踪材料内部结构演化,建立微观结构与宏观性能之间的纽带。本文采用分子动力学(MD)模拟方法,从分子尺度上对弹性体纳米复合材料的静态力学性能及界面自修复性能展开了系统研究,主要结果如下:(1)通过分子动力学模拟手段,设计并构建了一种以纳米颗粒为交联点的新型双分子量分布的聚合物末端交联网络的粗粒度模型,系统探究不同分子量(长聚合物链链长),链刚柔性和温度对球状纳米颗粒的精细分布以及对应三维网络力学性能的影响。研究结果表明随长聚合物链长度的增加,短链和长链的刚性以及温度的增加,交联网络实现了更均匀的纳米颗粒空间分布。纳米颗粒的平均粒子间距与长链和短链的均方根末端距算术平均值间呈线性变化关系。通过单轴拉伸实验得到体系应力-应变曲线和键取向结果。结果表明,短链的引入使原有长链网络力学性能得到显著改善。键取向行为表明短链更易被取向,在拉伸过程中承担更多的应力,长链具有更好的延展性。此外,通过调控分子链刚柔性和体系温度也可以获得增强的力学性能。在升温过程中双分布交联网络显示出明显增强的应力-应变行为,这与传统物理共混的聚合物纳米复合材料行为刚好相反,我们将其归因于体系更高的熵弹性和更均匀的纳米颗粒分布。进一步探究固定应变下应力与温度的非线性关系,结果表明体系熵的贡献占总应力的大部分,而内能的变化仅占小部分,这与经典橡胶弹性理论的实验观察结果一致。综上,该研究提供了精确调控纳米颗粒空间分布并高效调控聚合物纳米复合材料力学性能的新策略。(2)通过分子动力学模拟手段,设计并构建了聚合物纳米复合材料界面焊接粗粒度模型,该模型考察在不同聚合物和纳米颗粒相互作用强度下,界面处在扩散过程中微观结构、动力学和强度的变化。在低相互作用强度时,纳米颗粒在扩散过程中逐渐迁移到垂直于z方向的上下表面层,而在高相互作用强度时它们分布在中间区域,这结论进一步被纳米颗粒间、纳米颗粒与聚合物间的非键合能、第二维利系数以及邻近纳米颗粒平均粒子数所证实。不同焊接时间下纳米颗粒和聚合物链的密度分布的结构演变过程也得到详细表征。同时,通过分子链xy-和z-组分的均方根回转半径分析表明聚合物链的尺寸表现出显著的各向异性。低相互作用强度时,由于聚合物链和纳米颗粒的高迁移率,焊接界面厚度增加最快。最后,因在本体区存在纳米颗粒,聚合物纳米复合材料在高相互作用强度下的力学性能最强,但体系在低相互作用强度下具有最佳的焊接效率。综上,该研究为聚合物纳米复合材料的界面焊接提供了深入的理解,为设计优良特性自修复聚合物纳米复合材料提供理论指导。(3)通过分子动力学模拟手段,设计并构建了两亲性纳米杆诱导的不互容弹性体材料界面修复粗粒度模型,重点研究纳米杆对体系界面处的修复过程、修复后材料力学强度以及断裂韧性的影响。系统探究了纳米杆长径比、纳米杆填充份数、分子链刚柔性、分子链与纳米杆间相互作用强度以及对比纳米杆与柔性嵌段分子链对界面动力学及强度的作用规律。两亲性纳米杆分别与两种弹性体相互吸引,精准运动到两相界面处,起到有效的界面粘接修复作用。结果表明,固定填充长径比为6的纳米杆存在填充份数阈值,填充数目高于阈值可使单轴拉伸力学强度高于本体体系;填充数目高于韧性填充数目阈值时体系得到有效增韧。固定填充数目为120,相互作用强度为10.0,改变体系长径比,单轴拉伸应力曲线随长径比增加而增强;三轴拉伸过程中,存在阈值使体系表现出强于本体的增韧效果。除纳米杆填充份数与长径比外,分子链与纳米杆相互作用强度也是影响增强增韧效果的重要因素。存在相互作用强度阈值且相互作用强度升高,体系力学强度增强。相互作用强度影响纳米杆的分散状态进而影响体系韧性,分散的均匀性与强度共同竞争决定体系韧性,当强度足够高时,纳米杆的非均匀分散带来韧性的负面影响被削弱消除。分子链刚度对于不互容弹性体材料界面的增强与增韧也存在最佳数值,随分子链刚度增加,力学强度与韧性变化先上升后降低。对比纳米杆与同长度的柔性嵌段分子链,发现无论是力学强度还是耗散能,纳米杆均具有最佳效果。综上,该研究探索了纳米杆诱导不互容弹性体材料的界面修复、力学强度及断裂韧性过程,阐释了多种结构参数对界面粘合动力学及界

关键词： MS-UHTCC   高强混凝土   力学性能   水泥基复合材料  

摘要： 高强混凝土被建筑工程广泛应用，但高强混凝土的致命缺点是早期热变形明显、自收缩程度高，这两种变形受到约束时，混凝土会产生应力，从而迅速开裂。现实的建筑工程中，混凝土处于钢筋及相关构件的长期约束状态下，特别容易产生早期开裂。研究试验表明：掺入晶须可以明显提高UHTCC水泥基复合材料的延性、抗折强度、抗压强度及抗拉强度，而MS-UHTCC作为一种纤维增强水泥基复合材料，在单拉实验研究中，具有明显的应变硬化和多缝开裂现象。研究试验表明，在混凝土中掺入碳酸钙晶须和国产PVA配制廉价MS-UHTCC具有可行性和必要性。

关键词： 生物炭   碳捕集与封存   力学性能   有限元模拟  

摘要： 水泥在生产过程中会产生大量的二氧化碳,对生态环境产生巨大的影响,为了实现碳达峰与碳中和,降低建筑材料的碳排放量并提高建材的碳捕获能力是当前的热点问题。生物炭是一种拥有高比表面积和高孔隙率的绿色材料,可以吸附二氧化碳并将其封存。因此,将生物炭应用到建筑材料里,降低水泥用量的同时可以提高二氧化碳的吸附能力,对实现双碳目标具有重要意义。本文将生物炭掺入到水泥基材料中,采用生物炭水泥基材料双层结构形式,通过模拟和试验相结合的方法,研究生物炭水泥基材料双层结构的二氧化碳吸附性能和力学性能。具体研究内容如下:基于COMSOL Multiphysics软件建立生物炭水泥基材料双层结构的二氧化碳传输模型,通过选用不同的数学分布模型及其期望,模拟生成不同颗粒粒径及级配的生物炭颗粒分布,并构建生物炭掺量为10%、20%、30%和40%时的双层结构几何模型,研究了生物炭掺量、颗粒级配对生物炭水泥基材料双层结构二氧化碳吸附性能的影响特性。使用ABAQUS有限元模拟软件建立生物炭水泥基材料双层结构的力学性能模拟模型。通过改变生物炭的掺量及颗粒级配、基体的强度,研究生物炭水泥基材料双层结构的力学性能。研究发现,掺量一定时生物炭的粒径大小及颗粒级配的改变对双层结构的抗压强度并无明显的影响,生物炭掺量增多双层结构抗压强度明显降低,提高受力层强度可以提高双层结构整体力学性能。制备水灰比为0.3、0.4,生物炭掺量为10%、20%、40%时不同生物炭颗粒级配的生物炭水泥基材料双层结构试件,研究了双层结构的二氧化碳吸附性能和力学性能。结果表明,生物炭的掺入会提高双层结构的碳吸附能力,生物炭粒径及颗粒级配的改变会对双层结构的吸附能力产生影响,生物炭更多的团聚在一起会形成传输通道,提高碳吸附能力;生物炭掺入降低双层结构抗压强度,生物炭粒径及级配对双层结构力学性能并无明显影响。

关键词： 形状记忆聚合物   参数标定优化   4D打印   变刚度蒙皮   气动性能优化  

摘要： 形状记忆聚合物材料(Shape Memory Polymers,SMP)是一种典型的变刚度材料,可弥补传统蒙皮结构在变形、承载、驱动等方面不足的问题。然而目前关于结合形状记忆聚合物的可变形蒙皮研究多集中于结构设计与变形功能的实现上,对其力学特性分析关注还很少,尤其是结合其4D打印成型的分析研究更是少有提及,且尚未有完整的材料参数融入数值仿真计算。因此,本课题拟面向变刚度蒙皮,对形状记忆聚合物(SMP)材料的力学特性与4D打印工艺进行研究,以及SMP材料在变刚度蒙皮方面的应用验证。具体内容如下:首先进行了形状记忆聚合物(SMP)材料参数标定与优化。开展适用于4D打印技术的SMP的力学性能测试,标定Prony级数和WLF方程系数,表征其粘弹性性能;通过热力循环实验,表征其热力循环特性;通过Isight-Abaqus联合仿真平台,采用遗传算法,对SMP材料参数进行优化。优化后材料参数的结果能够更准确的反应材料的形状记忆特性。然后通过实验方法,分析SMP材料4D打印成型工艺参数对结构件的力学性能的影响。将打印速度、挤出温度、平台温度、层高、填充密度等9个工艺参数分组为打印类参数组、温度类参数组和结构类参数组,以试件的机械强度为目标,表征试件在不同参数组合下最优力学性能,确定最佳的打印参数。最后进行了4D打印变刚度蒙皮结构设计与分析。基于Isight优化平台,集成Matlab-Icem-Fluent,构建协同优化方法,讨论了不同工况下对应的最佳截面翼型形状;对蒙皮结构进行合理性优化设计建模,并将优化后的形状记忆聚合物材料参数融入仿真计算,利用Abaqus有限元软件验证了SMP变刚度蒙皮的形状记忆性能;基于最佳的打印参数利用熔融沉积式(FDM)3D打印机,利用SMP线材对变刚度蒙皮结构进行打印及热力循环测试分析,验证了其应用的可行性。

关键词： 针刺复合材料   失效分析   力学性能表征   机器学习   预制体工艺设计  

摘要： 三维针刺复合材料具有工艺可设计性强、预制体制备周期短、异形结构净截面成型能力强等特点,已在航空航天结构上广泛应用。三维针刺预制体是采用针刺工艺将纤维复合料中的面内纤维引入到厚度方向,形成面内及层间均有纤维分布的三维网状结构,其可调节的针刺工艺参数较多,但针刺过程会对面内纤维造成损伤使纤维几何结构存在不确定性,进而使针刺复合材料力学性能也存在一定的离散性,从而对其复合材料制品性能的质量和稳定性提出了更高的要求。因此建立针刺工艺参数-微细观结构-材料性能之间的内在联系,发展针刺工艺的优化设计方法,实现材料微细观结构的调控,提高材料性能稳定性,满足材料性能需求,对三维针刺复合材料结构设计和应用具有重要意义。 本论文对三维针刺复合材料微细观结构进行观测,模拟针刺工艺过程,确定微细观结构的分布状态,建立针刺工艺参数与针刺复合材料刚度、强度性能之间的关联关系,结合不同针刺工艺的复合材料宏观力学性能实验,对不同载荷下的材料进行失效分析,研究针刺工艺对材料力学性能的影响。进而设计满足针刺复合材料性能需求的针刺工艺,实现预制体工艺的辅助设计,为针刺预制体的设计与制备提供理论基础。 首先,利用显微观测技术分析了三维碳纤维针刺预制体及其复合材料的微细观结构,开展了不同针刺工艺的三维针刺复合材料面内拉伸、面外拉伸、面内剪切及层间剪切的宏观力学实验,分析了针刺工艺对材料宏观力学性能的影响规律,并结合断口形貌确定了不同载荷状态下的材料失效机制。 其次,基于材料的微细观结构特征,研究针孔间距对材料针刺区域的纤维形貌的影响规律,将材料纤维结构分为四种典型代表区域,并建立四种代表区域的刚度性能计算方法,进而预报了针刺复合材料的刚度性能。结合复合材料截面的微细观形貌,修正了面外拉伸模量的预测模型。 然后,结合局部载荷承担模型,引入纤维体积折减系数,建立了三维针刺复合材料的面内拉伸强度理论分析模型;基于对材料微细观结构的失效分析,分别建立了针刺复合材料的面外拉伸、面内剪切及层间剪切的强度预测模型。分析了材料在不同载荷作用下的失效机制,预报了材料的强度性能,并分析了针刺工艺对针刺复合材料强度性能的影响规律。 最后,建立了不同针刺工艺下复合材料工艺-性能的数据库,结合神经网络、遗传算法等机器学习方法,设计出满足力学性能需求的针刺复合材料。另外,开展变密度针刺预制体的局部纤维含量变化研究,得到了针刺过程、压实过程对预制体内纤维含量的影响规律,给出了预制体内纤维含量变化的宏观调控方法,设计了变密度针刺预制体的成型工艺。 本论文揭示了针刺复合材料微细观结构、针刺工艺及材料宏观力学性能之间的关联关系,建立了材料力学性能的预报模型,得到了不同针刺工艺参数对材料力学性能的影响规律,并基于机器学习方法设计了针刺预制体的成型工艺。本研究对针刺复合材料的制备和工程应用有重要参考价值。