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关键词： 碳纳米多孔材料   力学性能   微观机理   粗粒化分子动力学模拟  

摘要： 新型碳纳米多孔材料，包括碳纳米管网络材料、石墨烯泡沫材料以及它们的复合材料，是由大量碳纳米管或者石墨烯片作为基本单元聚合而成的宏观块体多孔材料。这些多孔材料继承了碳管、石墨烯以及多孔材料的优点，具有优良的力学、电学、热学等性能，在光电器件、储能、环境、生物等众多前沿领域有着广阔的应用前景。目前，由于对该类多孔材料的变形以及性能调控机制缺乏充分认识，相关材料的设计改性与应用受到制约。本文建立了包含交联、考虑断裂等特性的碳纳米管网络材料、石墨烯泡沫材料以及石墨烯/碳纳米管复合多孔材料的力学模型，采用粗粒化分子动力学模拟与准静态实验相结合的手段，系统研究了这类碳纳米多孔材料在拉伸、压缩、剪切加载下的变形行为与断裂模式，重点考虑了单元间交联对材料宏观力学性能的影响机制，取得以下四方面成果:　　(1)碳管网络材料的变形以及断裂模式。碳管网络材料在拉伸和压缩载荷下表现出不同的变形模式。在拉伸载荷下，当材料的交联密度超过某一临界值时，材料的变形模式由弯曲变形主导转变为弯曲-拉伸-弯曲三阶段主导模式。此外，存在另一临界交联密度，交联密度高于该临界值时材料由韧性断裂转变为脆性断裂。在压缩载荷下，材料的变形模式始终以碳管弯曲变形为主，与交联密度和压缩应变无关。　　(2)石墨烯泡沫材料在简单剪切作用下的变形及断裂特征。石墨烯泡沫材料在剪切加载下呈现出明显的应变硬化特征。宏观应变硬化现象是由微观非局部断裂以及由此导致的石墨烯片的几何与应力重排布共同引发的。片间交联密度以及片层厚度可以对应变硬化特征进行调控。剪切刚度G随交联密度线性增加，与石墨烯片层数n之间满足标度率关系G～n1.95。　　(3)石墨烯泡沫材料塑性变形的微结构机理。提出“变形不均匀度”参数，并基于该指标揭示了石墨烯泡沫在拉伸作用下的“非局部塑性-局部塑性”二阶段塑性变形特征。拉伸应变小于临界值时，全局分布的不可逆微结构变化导致非局部塑性变形;超过临界应变后，断裂带附近集中出现的不可逆断键造成的局部变形成为主要的塑性来源。在压缩作用下材料中仅发生非局部塑性变形。　　(4)石墨烯/碳纳米管复合材料的力学性能与调控机理。模拟和实验研究结果表明，相较于石墨烯泡沫，复合材料的拉伸强度、最大可拉伸应变、压缩刚度与压缩回弹性能均显著提高。从微结构演化的角度分析，碳管具有增强增韧、避免石墨烯片贴合的作用，因此可以改善复合材料性能。基于“变形不均匀度”参数，发现复合材料在拉伸作用下存在非局部塑性与局部塑性变形两个阶段。非局部塑性变形由全局分布的不可逆微结构变化导致;在局部塑性变形阶段内，石墨烯分离造成的断裂弱面出现后，碳管的不可逆伸长为局部塑性的主要来源。　　上述结果为提升和优化碳纳米多孔材料的物理力学性能提供科学依据，对该类材料的性能优化以及工程应用具有重要的指导价值。

关键词： 碳纤维水泥基材料   铁尾矿   硫酸盐冻融   力学性能   压敏性  

摘要： 碳纤维水泥基材料(Carbon Fiber Reinforced Concrete,CFRC)是一种新型的机敏材料,具有良好的力学性能和较好的压敏性,合理集成于工程结构之中可用于结构的智能健康监测。为了提高CFRC的压敏性以及合理利用废弃铁尾矿,本文主要研究掺加适量铁尾矿的铁尾矿碳纤维水泥基材料(Iorn Carbon Fiber Reinforced Concrete,ICFRC)的力学性能和压敏性能,以及硫酸盐冻融环境对其力学性能、压敏性能和耐久性能的影响等,主要研究工作如下:(1)考虑铁尾矿和碳纤维的不同掺量等因素,设计制作了63组共189个立方体和棱柱体试块,通过抗压和劈裂抗拉试验,研究了ICFRC的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和轴心抗压强度等主要力学性能,分析了不同碳纤维掺量与不同铁尾矿取代率对水泥基材料力学性能影响的主要规律,建立了相应材料受压时的应力-应变本构方程并拟合了本构方程中的主要参数ψ和?。试验结果表明,ICFRC的力学性能比CFRC的均有所提高,一般情况下,其抗压强度提高约12%,抗拉强度提高约9.8%。另外,文中建立的ICFRC的应力-应变本构模型与试验值吻合较好,可用于这类材料的受力性能分析。(2)采用快速冻融试验方法,进行了42组共126个相应材料试块在硫酸盐冻融环境下的耐久性试验,研究了不同碳纤维掺量、不同铁尾矿掺量及冻融循环次数等因素对ICFRC力学性能的影响,分析了硫酸盐冻融循环下ICFRC的抗压强度和强度损失率、外观损伤、质量损失率、相对动弹性模量等随不同冻融循环次数的一般变化规律。试验研究结果表明,在相同冻融循环次数下和相同冻融环境下,0.4%碳纤维掺量同时铁尾矿取代率为30%时的ICFRC的耐久性较好,并且相同冻融环境下,冻融循环次数较少时,ICFRC的耐久性较好。(3)采用四电极法,通过对相应试块的压敏性能试验,研究了一般情况下及硫酸盐冻融环境下普通水泥基材料、碳纤维水泥基材料、铁尾矿碳纤维水泥基材料的压敏性能,分析了铁尾矿掺量及冻融循环次数等对上述材料压敏性能的影响,探讨了材料压敏性能随不同参数的一般变化规律,建立了相应材料应力变化与电阻率变化的相关关系,进行了相应的机理分析。试验结果表明,一般情况下,碳纤维水泥基材料的压敏性能比普通水泥基材料的有明显提升,ICFRC的压敏性能提升更为明显,特别是0.4%碳纤维掺量,同时30%铁尾矿取代率时ICFRC的压敏性能提升最为显著;硫酸盐冻融循环下,由于硫酸盐溶液对铁尾矿砂的腐蚀作用,导致材料的导电性能降低,从而降低了ICFRC的压敏性,研究和应用时应予以重视。

关键词： TiB2/Fe复合材料   共晶凝固   原位实验技术   断裂韧性   疲劳裂纹萌生   疲劳裂纹扩展   TiB2颗粒特征  

摘要： 颗粒增强金属基复合材料由于具有较高的比强度、比模量和耐磨损等性能,因而在航空、航天和汽车工业等领域中具有广阔的应用前景。已有制备颗粒增强金属基复合材料的工艺有数十种以上,但能同时获得较高强度、韧性和界面结合性的却很少。采取优化制备工艺,合理控制增强颗粒相诸多特征如体积分数、尺寸和分布等,是获得颗粒增强金属基复合材料优越力学性能的重要研究方向。此外,随着结构零部件在实际工程应用中承受载荷的复杂化和多样化,有必要从多尺度理解颗粒增强金属基复合材料的损伤演化规律,揭示其内在具有力学和材料学含义的损伤机理。为此,本文采用共晶凝固工艺制备了一种以Ti B2颗粒增强的铁基复合材料,以此为研究对象并开展了一系列宏观力学性能和细观损伤机理的研究。通过先进的原位技术和多尺度的表征手段,对比研究了不同颗粒体积分数和热处理工艺在静载荷和循环载荷下对该复合材料微观变形机制和损伤演化规律的影响。进一步提出了合理颗粒特征和轧制工艺下对获得颗粒增强金属基复合材料优越力学性能的研究思路和方法,并在将来应用于制造各种装备的关键零部件服役中提供帮助。基于此思路,本文开展和完成的工作如下:（1）对Ti B2/Fe复合材料在静载荷下的力学性能和损伤机理进行了研究。通过共晶凝固工艺制备了9%和13%体积分数的Ti B2/Fe复合材料,并分析了该复合材料的微观组织结构及其力学性能。基于先进原位拉伸实验系统,获得了四种状态Ti B2/Fe复合材料的拉伸断裂行为。详细分析了Ti B2颗粒特征对复合材料断裂损伤机理和强韧性变化的影响,并建立了该复合材料的拉伸损伤行为与宏观力学性能之间的关系。（2）对Ti B2/Fe复合材料在静载荷下的断裂性能和损伤机理进行了研究。基于先进电子驱动式力学系统,测量了四种状态Ti B2/Fe复合材料在三点弯曲载荷下的断裂韧性值。结合原位扫描电镜技术,观察不同颗粒体积分数及热处理工艺下的颗粒特征与裂纹尖端的交互形式,从而揭示了四种状态Ti B2/Fe复合材料断裂损伤机制,并总结了Ti B2颗粒特征对该复合材料宏观断裂机理和抗断裂性能的影响。（3）对Ti B2/Fe复合材料在循环载荷下的疲劳裂纹萌生机理进行了研究。基于原位疲劳实验系统,获得四种状态Ti B2/Fe复合材料的低周疲劳裂纹萌生和小裂纹的扩展行为。对比研究了不同颗粒特征下的疲劳裂纹萌生机理,及裂纹萌生位置对主裂纹演化的影响。从而揭示了颗粒体积分数和热处理工艺对Ti B2/Fe复合材料低周疲劳裂纹萌生行为和损伤机制的影响。（4）对Ti B2/Fe复合材料在循环载荷下的疲劳裂纹扩展行为和损伤机制进行了研究。基于原位疲劳实验系统,获得了四种状态Ti B2/Fe复合材料的疲劳裂纹扩展速率。通过原位观察Ti B2颗粒与疲劳裂纹尖端的相互作用,从而揭示了四种状态Ti B2/Fe复合材料疲劳裂纹扩展机理。对不同体积分数和热处理下的扩展速率进行比较,发现Ti B2颗粒特征对疲劳裂纹扩展速率和抗裂纹扩展能力有着重要影响。

关键词： 材料力学   实验教学   开放式实验教学平台  

摘要： 材料力学实验在材料力学课程中发挥着重要作用。针对传统材料力学实验课程教学过程中存在的问题,本文提出了建立开放式实验教学平台的教学模式,不仅提高实验室资源的使用效率,也有利于调动学生的积极性,培养动手能力强且具有创新意识的复合型人才。

关键词： 纳米二氧化钛   水泥基材料   力学性能   功能性能   改性机理  

摘要： 随着城市化进程的推进,工程结构向着高强、耐久以及多功能的方向发展,这要求进一步提升现有土木工程材料的性能。纳米材料由于小尺寸效应、表面效应以及量子隧道效应而具有独特的物理和化学性能,为研制多功能水泥基材料提供了新的途径。纳米二氧化钛(nano TiO2,NT)是一种具有优异力学性能、电磁波屏蔽与吸收性能、抗菌性能、强氧化还原性能、耐酸碱腐蚀性能的纳米材料,将其与水泥基材料复合有望发展兼具优异结构性能和功能/智能特性的多功能水泥基材料。但目前不同种类的NT对水泥基材料力学性能、电磁波屏蔽与吸收性能的影响规律和改性机理还不明确;NT在水泥基材料中的分散性能还有待于进一步改善以提高其复合效率;NT的抗菌性能有望降低水泥基材料在污水和海水中受到的微生物侵蚀,在提高水泥基材料抗污水和海水侵蚀性能方面具有潜在的应用前景。因此,本文围绕不同种类的NT复合水泥基材料的力学性能、电磁波屏蔽与吸收性能、抗污水与海水侵蚀性能及相应改性机理开展了系统研究。主要研究内容和结论如下:(1)研究了未进行表面处理NT的晶相、粒径和掺量对水泥基材料力学性能的影响规律;通过微粒级配模型计算了 NT复合水泥基材料的密实度,并结合微观测试方法探讨了 NT对水泥基材料的增强机理。研究结果表明:NT可以提高水泥基材料的抗折强度、抗压强度以及抗折强度与抗压强度比(折压比);金红石相NT对水泥基材料的增强效果优于锐钛相NT;对于同种晶相的NT,粒径越小越有利于提高水泥基材料的力学性能;当NT掺量超过2.32%时,NT的团聚会影响其对水泥基材料力学性能的增强作用;NT对水泥基材料的增强机理主要包括填充效应、成核效应、三维网络约束效应和自养护效应。(2)为提高NT在水泥基材料中的分散性能和复合效率,选用表面氧化硅包覆处理的NT(NSCT)制备了 NSCT复合水泥基材料;研究了 NSCT复合水泥基材料的力学性能,并从水泥基材料的水化率、水化产物性质以及微观结构等多个方面系统研究了 NSCT对水泥基材料力学性能的增强机理。研究结果表明:对NT进行氧化硅包覆有利于提高水泥基材料的力学性能;在28天龄期时,水泥基材料的抗折强度和折压比分别提高87.00%/6.69 MPa和69.56%;NSCT表面的Ti-O-Si化学键使其带有负电,可以通过电荷排斥作用提高其在水泥基材料中的分散性能;NT表面包覆的氧化硅薄层可以与氢氧化钙发生火山灰反应,增大NT与水泥水化产物的结合力,从而大幅提高NT与水泥基材料的复合效率。此外,NSCT可以提高C-S-H凝胶中[SiO4]4-的聚合度和链长,细化氢氧化钙的尺寸,降低氢氧化钙的取向度,改善水泥基材料的微观结构。(3)研究了不同种类的NT对水泥基材料电磁波屏蔽与吸收性能的影响规律,并通过水泥基材料的电磁参数分析了NT的晶相、粒径、特殊结构和表面处理对水泥基材料电磁波屏蔽与吸收性能的改性机理。研究结果表明:NT可以提高反射损耗在透射损耗、吸收损耗和反射损耗中所占的比例,进而提高水泥基材料的电磁波屏蔽性能;NT的晶相、尺寸和表面处理对水泥基材料电磁波屏蔽性能的影响差别不大;NT可以增加水泥基材料在电场作用下的极化所产生的损耗,进而提高水泥基材料的电磁波吸收性能;NT复合水泥基材料的反射率可达-29.29 dB,比未复合NT的水泥基材料增大242.97%;进行表面包覆处理可以提高NT的介电损耗与分散性能,并导致界面极化和多重散射,有利于提高水泥基材料的电磁波吸收性能。(4)将NT复合水泥基材料放入到高浓度强化污水中,并分别从抗污水物理侵蚀、生物侵蚀和化学侵蚀性能三个方面研究了 NT复合水泥基材料抗污水侵蚀性能。研究结果表明:污水中的微生物(如硫杆菌和硫酸盐还原菌)代谢产生的生物酸会与水泥基材料发生反应生成钙矾石和石膏,降低水泥基材料的pH值,分解C-S-H凝胶生成无凝胶能力的硅灰石膏,降低水泥浆体与骨料之间粘结强度,最终导致水泥基材料强度劣化、质量损失、表观密度下降以及表面粗糙度增大;NT复合水泥基材料对其表面微生物的抑制率和灭杀率可以达到80.93%和37.35%,可以有效减少污水中的微生物对水泥基材料的侵蚀,提高水泥基材料抗污水侵蚀性能。(5)将NT复合水泥基材料放入到海洋环境中,并分别从抗海水物理侵蚀、生物侵蚀和化学侵蚀性能三个方面研究了 NT复合水泥基材料抗海水侵蚀性能。研究了 NT复合水泥基材料抗海水侵蚀性能。研究结果表明:海水对材料抗折强度及抗压强度的侵蚀系数分别在-0.035～0.046和-0.012～0.074范围内,并且由于NT可以诱导C-S-H凝胶层间水与内部孔隙水的转化,促进C-S-H的二次断裂,使材料在海水中具有一定的自愈合能力;材料的收缩系数和密度变化率分别在-0.016～0.007和-0.025～0.048范围内;NT复合水泥基材料

关键词： 颗粒材料   动力响应   理论模型   共振柱   GDS   PFC3D   数值模拟  

摘要： 随着建筑与交通行业的不断发展,我国城市建设的规模越来越大。由于砂土在我国的分布十分广泛,越来越多的建筑物和轨道交通建设在了砂土地基之上。近年来,地震活动导致的砂土大面积液化造成了巨大的经济损失,因此,以砂土为代表的颗粒材料的动力学特性成为了时下岩土工程研究的热点。砂土作为一种典型的颗粒材料,力学特征十分复杂,在不同的受力情况下表现出的力学性能有很大差异,在不同的变形尺度上可表现为小应变、塑性变形以及液化大变形。当下对颗粒材料力学性能的研究,一般采用常规的室内试验,以试验现象为基础探讨其力学特性,但试验现象无法揭示颗粒材料力学行为发生的微观机理,以此为基础进行的试验研究具有极大的不确定性。本文首先总结分析了国内外关于颗粒材料动力特性的研究进展,得出现有研究的不足,基于此,从微观角度出发,针对颗粒材料力学特性发生的微观机理结合试验与数值模拟分析开展了如下研究:(1)从颗粒接触的微观角度出发,将颗粒-颗粒因接触产生的能量单元看作一个能量状态。通过理论分析,确定颗粒材料中能量状态的分布符合Maxwell统计分布模型。在此基础上,定义了颗粒接触的失效条件,得到了外界动荷载作用下颗粒材料的软化模型,基于此,通过引入蠕变模型,获得了循环动载作用下材料的流化变形本构。(2)引入状态参数,基于系统在自然条件下总是会趋于稳定这一热力学依据,忽略客观因素的影响,对系统在理想条件下模量的演化状态进行了定性分析,得出了颗粒材料模量在衰减和恢复过程随时间演化的模型。(3)基于(1)(2)提出的理论模型,使用共振柱与GDS空心扭剪仪(SS-HCA)完成大量室内试验,获取了颗粒材料动力响应下模量的软化、不同受力状态下模量的演化、动荷载作用下的流化变形等重要室内试验结果。拟合获取了重要参数α,β,η,a,r,D,深入探讨了各个参数的变化规律及各参数之间存在的联系,将理论模型预测结果与试验结果进行了对比分析、讨论和总结。(4)结合PFC3D离散元软件,对颗粒材料在试验中的受力情况进行模拟,导出了颗粒材料微观接触的分布与在动荷载作用下的流化变形情况,将颗粒接触状态以及在外加荷载作用下材料的变形情况与室内试验结果进行了模拟验证。

关键词： 超星尔雅   过程化考核   材料力学   教学模式  

摘要： 本文采用"任务点" 理念重新设计符合过程化考核的教学资源,构建了基于超星尔雅"一平三端"网络教学平台的AI智能评价的教学模式,创造性的推进了现代信息技术与教学深度融合。经过2020年春季学期对《材料力学》《材料力学性能与微观结构》两门课程初步实施,部分学生表现出了极大的积极性,主动要求提高平时分。随着网络普及以及学习终端手机性,实现利用智能终端app学习方式,大大增加了学生利用手机终端进行学习和与教师实时交流互动,缩短了利用手机进行游戏和刷抖音时间,达到了"以考促学,以考促教"的目标。因而,基于网络平台(这里使用超星尔雅"一平三端"平台)全过程考核教学模式真正实现了教师、学生、督学端有机统一,给教学方式带来的前所未有的革命性转变。

关键词： 高等院校   线上教学   混合式教学模式   材料力学  

摘要： 材料力学是高等院校工科专业的一门基础类课程,在学生思维能力提升、专业知识掌握、实践水平提高方面都发挥着不可忽视的作用。互联网时代下,高等院校材料力学课程教学过程中,应充分发挥线上教学的优势,实现线上教学与线下教学的紧密结合,构建材料力学课程线上线下混合式教学模式。本文通过阐述线上线下混合式教学模式的基本内涵,分析高等院校采用线上线下混合式教学模式的重要意义,最后以材料力学课程为例分别从线下教学、线上教学以及教学考核等环节阐述了高等院校线上线下混合式教学模式改革的具体建议。

关键词： Ag-SnO2触点材料   氧化物添加剂   力学行为   拉伸试验   微观形貌   蠕变试验   热应力   有限元分析  

摘要： 环保型Ag-SnO2触点材料由于具有优良的电接触性能而在低压电器领域得到广泛关注,常用作电器系统的核心部件,承担电流的接通、传导和开断。但Ag-SnO2材料两相界面不润湿,结合强度低,而且在变形过程SnO2周围易产生严重的应力集中,导致加工困难。本文通过拉伸、循环加载、恒应力蠕变实验以及有限元模拟计算,系统研究了不同添加剂对Ag-SnO2触点材料力学行为的影响,主要内容如下:（1）对含不同添加剂的Ag-8wt%SnO2试样进行拉伸和循环加载试验,采用SEM观察断口形貌,并对断裂机理进行分析。结果发现:氧化物添加剂可明显提高Ag-SnO2材料的强度极限和均匀延伸率。其中含Cu2O的试样抗拉强度最大,可达134.6 MPa,与无添加剂的试样相比提高了61%左右。CuO添加剂通过抑制晶间裂纹的产生提高了材料的塑性和抗疲劳蠕变性能。In2O3可显著提高Ag-SnO2材料的延伸率。当SnO2颗粒降低到70 nm左右时,添加剂对Ag-8wt%SnO2触点材料的力学性能改善不明显,甚至出现大尺寸裂纹。（2）系统研究了含CuO和Cu2O的Ag-SnO2试样在拉伸和循环载荷条件下的力学行为,并用ANSYS软件对材料断裂机理进行了模拟和分析。研究结果表明:少量CuO和Cu2O添加剂对Ag-SnO2材料的力学性能有显著的影响,含有0.5wt%Cu2O的试样表现出了最优的力学性能,其强度极限和均匀伸长率分别提高60%和21%;铜氧化物添加剂使Ag-SnO2材料由脆性断裂转变成韧性断裂,SnO2颗粒周围形成较大韧窝。同时该类型添加剂对材料抗疲劳蠕变性能均有明显提高;拉伸过程,SnO2颗粒周围出现应力集中现象,导致裂纹的萌生和扩展,而CuO和Cu2O的加入可改善材料界面结合强度,并对应力集中有一定缓解作用。（3）制备含有CuO、WO3和In2O3添加剂的Ag-SnO2材料试样,在常温下进行恒载荷蠕变实验,由获得的实验结果及相关参数,构建了Ag-SnO2材料的蠕变本构方程。借助扫描电子显微镜（SEM）对拉伸断口形貌进行分析,并使用ABAQUS有限元软件进一步对蠕变行为进行模拟。由于SnO2与Ag基体间的界面强度得到提高,CuO添加剂试样恒荷载下的整体蠕变量和稳态速率分别减少66%和55%,同时CuO有效地抑制了裂纹的萌生和扩展。模拟结果与试验数据基本吻合,误差小于3%,验证了模型的正确性。（4）运用ABAQUS软件对电弧作用下的Ag-SnO2触点材料热力学性能进行数值模拟分析,得到电弧热流作用下材料内部的温度场和热应力分布情况。由模拟结果可知,在SnO2周围出现明显的热应力,有类似于拉伸过程的应力集中现象。热应力取决于温度场和SnO2形貌。氧化物添加剂,特别是CuO,可以减小Ag基体界面的热应力;球形SnO2颗粒更有利于改善材料的热力学性能。本文研究结果表明氧化物添加剂,特别是CuO和Cu2O添加剂可明显改善Ag-SnO2触点材料的力学性能,对材料的优化设计和加工性能的改善具有一定指导作用,有助于推动广泛应用。