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关键词： 矸石   巷旁充填材料   力学特性   声发射   裂纹演化规律  

摘要： 当前,沿空留巷方法是我国先进的绿色采煤方法之一,不仅为相邻工作面巷道的布置节约时间、人工和经济成本,还可置换出传统开采方法无法获取的煤炭资源。而巷旁充填体作为沿空留巷方法的重要组成部分,其材料的强度与矸石自身特性和辅料的掺量密不可分。因此,本文将矸石分为粗细骨料,分别获取表观密度、压碎值等基本力学参数;采用单一辅料等量掺比的形式,分别研究了水泥、粉煤灰和微硅灰等辅料对巷旁充填材料影响,基于最优单一辅料掺量进行辅料复掺,分析了巷旁充填材料的工作性能与强度特性;并重点研究了巷旁充填材料在不同实验条件和环境下的力学和声发射特性,对其裂纹演化和贯通规律进行了系统的分析,获得以下主要结论:(1)根据上覆岩层控制理论,巷旁充填材料必须具有良好的工作性能;必须具备相应的早期和后期强度,本文研究了不同辅料比例与矸石胶结成型过程中的工作和力学性能,明确了辅料与矸石骨料直接的相互作用关系,并获得了巷旁充填材料中辅料与矸石的最佳比例。(2)利用声发射、压力试验机等采集了充填材料内部活动与抗压强度变化过程的数据,分析了不同加载速率、pH值和湿度条件下,巷旁充填材料试验过程中声发射信号与应力-应变的变化规律,获得了不同条件下材料在单轴抗压下内部能量变化与应力-应变之间的关系。(3)分析了不同条件和环境下,试件裂纹演化过程,发现了试件表面裂纹演化规律和贯通方式,获得了充填材料受压破坏方式、破坏形态和内部能量变化规律,进而掌握充填材料的变形破坏、裂纹演化和贯通规律。(4)结合数据,通过公式推导和理论分析,研究了声发射累计Hit数与应力-应变的关系,耦合了累计Hit数与应变之间的关系,建立了损伤因子与累计Hit数的本构模型。

关键词： 有限元仿真   UMAT子程序   多孔塑性理论   纳米压痕模拟   电化学-力学耦合  

摘要： 锂金属电池具有能量密度高、质量轻、环境友好等优点,有望成为下一代新型二次电池。但是,锂金属电池在充放电过程中,锂离子在电极表面不规则沉积会生成形状各异的锂枝晶,枝晶的形成不仅会大量消耗电池内部的活性材料（Li+）,导致电池容量的衰减,而且有可能会造成严重的安全问题。目前研究表明,充电过程中锂金属电极的应力状态会影响锂离子的沉积,施加适当的机械应力能有效抑制锂枝晶的形成。实验表明苔藓状锂枝晶是由微型锂枝晶构成的多孔结构,因此需要选择合适的本构描述其力学行为。此外多孔结构在电池中应用十分广泛,电化学循环过程中多孔电极材料的变化也值得研究与关注。本文基于多孔塑性理论,在ABAQUS中编写了相应的用户材料子程序（User Defined Material Subroutine,UMAT）。利用有限元方法（Finite Element Method,FEM）,对苔藓状锂枝晶在力学载荷作用下的变形行为,以及基于电化学-力学耦合理论,对多孔电极材料的锂化过程进行了相应的数值模拟,主要完成了以下工作:首先使用退化的多孔塑性理论,针对块状金属锂的纳米压痕实验进行数值模拟,并将数值模拟结果与实验所得数据进行比较,结果表明退化的多孔塑性理论能准确的描述纳米压痕过程中金属锂的力学响应。其次,对苔藓状锂枝晶的纳米压痕实验进行数值仿真。根据苔藓状锂枝晶的形貌特征建立了相应的仿真模型,结合多孔塑性理论,完成了平压头下苔藓状锂枝晶纳米压痕实验的数值模拟工作。最后,模拟了多孔电极的电化学-力学耦合问题。考虑锂离子的嵌入对电极体积及应力状态的影响,对已有的多孔塑性理论进行修正。并使用修正后的多孔塑性理论编写子程序,完成了电化学-力学耦合作用下的多孔电极数值模拟工作。

关键词： 超低温   PVA纤维   水泥基材料   力学性能   耐久性  

摘要： 随着中国对清洁能源的不断重视,大批低温及超低温环境下土木工程建设正在兴起,混凝土正越来越广泛的应用在低温和超低温领域。高韧性水泥基复合材料作为一种新型高性能混凝土,常规环境条件下具有较好的力学性能和耐久性能。为拓展高韧性水泥基复合材料应用领域,探索将其应用在超低温工程的可行性,本文通过将高韧性水泥基复合材料在超低温深冷环境作用后进行试验,研究低温及超低温对材料的力学性能及耐久性影响,主要研究内容和结论如下:(1)为研究不同温度作用后高韧性水泥基复合材料力学性能变化,对9组不同配合比试件进行常温、0℃、-50℃、-100℃、-150℃、-196℃作用后测量其抗压强度。结果表明:超低温作用后立方体试件受压破坏能够保持良好的完整性。随着温度的降低,试件的抗压强度出现了不同程度的提高,温度越低强度提高越大,最大提高2个等级,温度越低时纤维对抗压强度的影响越大。主要原因是低温下材料内部孔隙水冻结成冰后增强了纤维与基体的粘结性能,从而提高了材料强度。(2)对9组不同配比试件进行超低温作用后的四点弯曲试验,结果发现:常温情况下试件良好的弯曲性能在低温作用后表现出明显的退化;超低温作用后梁试件的抗弯峰值荷载普遍增加,但挠度和韧性效果降低,试件在低温作用后破坏形式由延性破坏转变为脆性破坏,超低温作用使梁受弯时能量吸收先增加后降低。(3)超低温作用后会加剧材料的耐久性损伤。对试件进行超低温后的碳化性能试验发现:超低温作用后试件的碳化深度比常温大,温度越低影响效果越严重,-196℃作用后试件碳化深度最深;纤维的掺入提高了材料抗碳化性能,纤维掺量在1.0%～1.5%之间时效果最优;随着温度的降低,水胶比越大,试件碳化深度越大;碳化深度随粉煤灰替代率的增大而增大。主要原因是低温作用后回温造成材料内部损伤不可逆,回温后材料的孔隙率、通透性增大,导致材料的耐久性性能降低。(4)超低温作用后高韧性水泥基复合材料抗钢筋锈蚀能力显著降低。对超低温作用后钢筋抗锈蚀试验发现,超低温会加剧材料内部钢筋的锈蚀,-196℃作用后钢筋锈蚀为普通常温环境下钢筋锈蚀率5.36倍;超低温作用后,钢筋锈蚀失重率随纤维掺量增加而降低,随水胶比的增大而增大,随粉煤灰替代率减小而减小。

关键词： 环氧树脂   粘土   有机修饰剂   纳米复合材料   界面作用力  

摘要： 聚合物基纳米复合材料近些年来受到国内外学术界与工业界的瞩目。与常规聚合物基复合材料相比,这种聚合物纳米复合材料最突出的特点在于只需添加很少的纳米填料(3～5wt%)就可以实现复合材料诸多性能的显著提升,并且不损失材料原有的特性。通过添加纳米填料实现聚合物基纳米复合材料性能的提高有两个关键因素:一是纳米填料需以高度无规剥离状态均匀分散在基体中;二是在聚合物基体和纳米填料之间构建一定强度的界面作用力。本实验室创立的“粘土淤浆复合法”已经成功解决了粘土在聚合物基体中均匀分散并且高度无规剥离这一关键问题。如何在聚合物基体与纳米粘土之间构建较强的界面作用力以及界面强度对纳米复合材料力学性能的影响是这一领域的关键和难点。本文以环氧树脂(EP)为基体,采用两种不同的策略在环氧树脂基体和粘土片层间成功构建了较强的界面作用力,重点研究了不同界面强度对EP/粘土纳米复合材料力学性能的影响。主要研究结果如下:1.用溴代正丁烷(BB)与等摩尔的2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP30)反应,制备了保留部分叔胺基的反应型季铵盐(BBDMP30);同时通过对DMP30的酸化反应合成了与BBDMP30结构相似的非反应型有机修饰剂(CPDMP30)。分别以这两种化合物作为有机修饰剂对原始粘土进行改性,获得了两种性质不同的有机化粘土(反应型的BBDMP30-clay与非反应型的CPDMP30-clay)。以这两种粘土为增强体,通过“粘土淤浆复合法”制备了具有相同无规剥离结构但界面强度不同的两种环氧树脂/粘土纳米复合材料,通过透射电子显微镜(TEM)及X-射线衍射(XRD)测试揭示两种不同性质的有机粘土都以高度无规剥离形式分散在环氧树脂基体当中。在此基础上,探究了界面强度对环氧树脂/粘土纳米复合材料力学/热机械性能的影响。拉伸测试结果表明:粘土质量分数为3.5%时,BBDMP30-clay/EP纳米复合材料的拉伸强度提高幅度达250%;这可归因于BBDMP30-clay上保留的叔胺基团在固化阶段参与了固化反应,在粘土片层与环氧树脂基体间形成了较强的界面作用力。非反应型的CPDMP30-clay因所构建的界面强度相对较弱,只能使纳米复合材料的拉伸强度提高190%。动态力学分析(DMA)显示BBDMP30-clay导致纳米复合材料的玻璃化转变温度(Tg)提高了6℃,而CPDMP30-clay仅使得材料的Tg提高了3℃。2.将质子化的乙醇胺(MEA)用作有机修饰剂改性粘土,得到乙醇胺改性粘土(MEA-clay)。在环氧树脂/MEA-clay纳米复合材料制备过程中添加叔胺2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚(DMP30)作为催化剂,促使有机修饰剂上的羟基与环氧预聚体上环氧基团发生反应,从而在环氧树脂基体与粘土片层间形成了化学健,从而构建了较强的界面作用力。同时制备了不添加催化剂的环氧树脂/MEA-clay纳米复合材料(界面作用力为中等强度的氢键)作为参比。透射电子显微镜(TEM)及X-射线衍射(XRD)测试揭示两种不同途径制备的环氧树脂/粘土纳米复合材料具有近似的无规剥离/插层混合结构。拉伸测试结果表明:粘土质量分数为3%时,催化体系制备的纳米复合材料的拉伸强度提高了176.92%,而非催化体系则为147.69%。动态力学分析(DMA)显示两种不同体系制备的纳米复合材料的玻璃化转变温度(Tg)分别提高了1.53℃和0.54℃。

关键词： MoS2纳米片   原位力学   杨氏模量   断裂强度  

摘要： 随着科技的发展,结构与元器件的尺寸不断向着精密化和小型化的方向发展,形成了新的学科—纳米学科。当材料的尺寸缩小到纳米时,其强度、密度、物化等都与传统材料有着天壤之别。二维材料因其大的比表面积、原子级高度的平面结构、可承受极大的面外应变和优异的物理和化学性质,在柔性电子器件、微机电系统等领域都有着良好的应用前景,一直吸引着研究者的关注。MoS2纳米片作为一种典型的二维半导体材料,有望作为石墨烯在电子器件应用方面的补充,因此本文选取其作为研究对象。在材料、器件等方面,二维材料的结构稳定性和在外加载荷、环境下的力学性能对其服役寿命和稳定性十分重要。然而传统的力学测试方法无法对厚度仅有几个纳米的二维材料开展有效测量,因此,需要开发测量精确、操作简单的测量手段与表征方法十分重要。杨氏模量和断裂强度作为典型的力学性能指标,对其进行性实验测量具有重要的研究意义。本文通过使用原位力学测试系统,结合纳米压痕技术和设计的原位黏附断裂实验,研究了MoS2的杨氏模量与断裂强度。主要研究内容和结论如下:1、使用化学气相沉积方法和实验室自主搭建的CVD系统,通过调节实验参数,制备出尺寸大、厚度均一、层数可调、结晶性好的二维MoS2纳米片,为MoS2杨氏模量与断裂强度的测量提供了实验样品。2、使用纳米压痕方法,对生长在单晶氧化硅基底上的MoS2纳米片进行了纳米压痕实验。使用Oliver&Pharr模型计算了MoS2纳米片的硬度与杨氏模量,求得8层MoS2的硬度为7.3 MPa,杨氏模量为110 GPa。3、基于压痕实验中发现的探针针尖与MoS2纳米片之间的黏附力,设计了MoS2纳米片的黏附断裂实验。由于荷电效应往往会影响SEM的成像质量,通过将纳米片转移到叉指电极,增强了样品的导电能力,减小了纳米片与基底间的范德华力,使其更容易被探针拉起。4、根据SEM记录的MoS2纳米片变形过程,MoS2断裂情况可分为黏附变形断裂与撕开断裂。通过对黏附变形断裂进行分析,计算了双层MoS2纳米片杨氏模量为206.37±10.8 GPa,断裂强度为32.49±1.29 GPa。使用密度泛函理论计算了双层MoS2纳米片杨氏模量与断裂强度,分别为225 GPa与34 GPa,验证了实验结果的准确性。

关键词： 水泥基复合材料   高抗折低脆性材料   聚丙烯纤维   力学性能试验  

摘要： 基于各物相协调相匹配的原则,以提高新型水泥基路面材料在重载交通作用下的使用为目的,适应新时代水利设施建设中堤顶道路、防汛公路更高标准的要求,采用正交试验方法,以水泥砂浆为基体,聚丙烯纤维、粉煤灰、矿渣、硅粉为复合掺合料制备路用高抗折低脆性水泥基复合材料,并对其配合比设计及力学性能开展试验研究。试验结果表明:高抗折低脆性水泥基复合材料的最优配比为聚丙烯纤维掺量1.6kg/m3,粉煤灰、矿渣、硅粉掺量分别为水泥基胶凝材料用量的10%、20%、3%,试验结果对于今后高抗折低脆性水泥混凝土路面材料研究具有重要的参考价值。

关键词： 二维材料   石墨烯   原子力显微镜   纳米压痕技术   埃压痕技术   范德华异质结  

摘要： 以石墨稀为代表,二维材料有着诸多优异的性质,在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景.目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用,对于其力学性质的研究则相对欠缺,而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义.原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段,例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术.本文首先简要介绍了二维材料的基本背景以及原子力显微镜的工作原理.进一步展示了纳米压痕技术的工作原理和理论背景,并回顾了利用纳米压痕技术研究二维材料面内力学性质的相关实验和理论工作,同时探讨了原子力显微镜在表征二维材料力学性能中存在的测量误差及来源.由于二维材料展现出强烈的各向异性,纳米压痕技术在能够很好地测量二维材料面内力学性质的同时,对于二维材料层间力学性质表征等方面存在明显的局限性.第三部分介绍了一种全新的基于原子力显微镜的埃(?)压痕技术,该技术能够将形变尺度控制在0.1 nm以内,从而精确地表征和调控二维材料的层间范德华作用力,即层间力学性质.作者在第三部分介绍了通过埃压痕技术表征和调控的石墨烯、氧化石墨烯等二维材料的层间力学性质.最后简要介绍了范德华异质结材料的基本性质,探讨了埃压痕技术在该材料力学性质研究中的潜在应用.

关键词： 材料力学   材料力学教学   学生能力培养   心得体会  

摘要： 在我国,材料力学课程属于土木、房建等专业的一门重要基础课程,由于材料力学的教学质量将会影响到学生后续的专业课程学习效果,因此材料力学教学的重要性毋庸置疑。而且材料力学课程教学时的部分内容与实际工程之间的联系极为紧密,所以还具有一定程度的教学实用性。本文通过对材料力学教学进行分析,并对材料力学教学中的学生能力培养提出个人观点,希望为关注采用材料力学培养学生能力的人群提供参考。

关键词： 三维正交机织复合材料   单胞模型   应变率效应   鸟撞   抗冲击性能   力学行为  

摘要： 三维正交机织复合材料作为三维纺织结构复合材料之一,凭借其质量轻、强度高的优点成为航空发动机风扇叶片潜在的应用材料。基于安全性的考虑,风扇叶片必须能够抵御鸟体的撞击,因此本文对此类新型材料的力学行为与抗鸟撞击性能进行了研究,主要展开了以下几个方面的研究工作:(1)进行了三维正交机织复合材料经向与纬向的准静态力学试验,获得了材料的准静态力学性能参数,发现准静态拉伸试验件的破坏区域均在工作段的中间部分,失效模式为破坏区域处表层基体破碎并伴有纱线的断裂与抽出;准静态压缩试验件的破坏表现为表层基体崩碎,破坏区域内纱线受剪切载荷作用发生断裂,试验件沿轴向以一定倾斜角发生错位。(2)建立了三维正交机织复合材料的单胞模型,模型中假设中间层纬纱、经纱与捆绑纱的截面形状均为矩形,表面层纬纱的截面形状为幂椭圆形,并对接结纱部分进行了简化修正,将其拆分为中间过渡段纱线与捆绑区域段纱线进行建立。单胞有限元模型预测计算得出的经向与纬向的拉伸弹性模量能与准静态拉伸试验下测得的拉伸弹性模量能较好的吻合,误差在8%内。(3)进行了三维正交机织复合材料的动态拉伸试验,发现随着应变率的增加,三维正交机织复合材料经向与纬向的极限强度增大,失效应变减小,并且经向与纬向强度的应变率效应并不相同。建立了考虑复合材料不同方向应变率效应的修正模型,通过动态拉伸试验数据对该模型中复合材料经向与纬向强度应变率效应参数进行了计算拟合。(4)进行了三维正交机织复合材料鸟撞试验,试验结果表明三维正交机织复合材料在鸟撞载荷的作用下通过自身的纱线变形能甚至断裂能对鸟弹动能进行吸收,基本能抵御高质量高速度明胶鸟弹的冲击,该材料表现出较好的抗鸟撞性能。随着鸟弹质量以及撞击速度的增大,靶板厚度方向最大位移量同样增大,材料的残余变形量增大,鸟弹尺寸对鸟撞试验的影响较小。使用考虑复合材料不同方向强度应变率效应宏观本构修正模型后的仿真计算结果能与实际试验结果能够较好吻合,验证了修正模型的准确性。