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关键词： 粉煤灰地层   水泥土搅拌桩   改良剂   力学特性   能量分析  

摘要： 粉煤灰地层是一种特殊地层,主要由堆积的粉煤灰构成,具有高压缩性,含水量大等特点。水泥土搅拌桩工法加固粉煤灰地层可以有效改善粉煤灰地层的工程性质,提高承载性,但目前鲜有报道关于水泥土搅拌桩加固粉煤灰地层这一主题,而粉煤灰作为一种酸性氧化物,在碱性环境中,发生水化反应,具有自硬性的特点,掺入不同固化剂对粉煤灰地层加固的效果会产生巨大影响。基于此,本文着重分析水泥土搅拌桩桩体本身性能。首先选取水泥掺量为12%的水泥-粉煤灰作为基础对照组,进行相应静动态力学性质试验,然后在12%水泥掺量的基础上,分别对石灰与石膏掺量为3%,6%,9%和12%的改良水泥-粉煤灰试件进行无侧限抗压试验、SHPB试验,分析其在不同加载状态下,物理力学性能的变化规律;进一步通过扫描电镜(SEM)试验,对比分析在不同养护龄期下水泥-粉煤灰试样和改良试样的电镜图片,从微观角度探究宏观力学变化规律;最后通过热力学理论,从岩石能量研究方法入手,通过分析单轴抗压试验以及SHPB试验结果,从能量角度探究了添加改良剂对水泥-粉煤灰试样的影响规律,相关的研究结果如下:(1)对水泥掺量为12%的水泥-粉煤灰试样,选取养护龄期为7,30,60和90days(d)的试样,进行无侧限抗压试验,对养护龄期达到90d的试样进行SHPB试验,分析了水泥-粉煤灰试样静态抗压强度和破坏模式随养护龄期增加的变化规律,同时分析在90d龄期下试样动态抗压强度,得出了在养护早期试样呈现塑形破坏,后期表现为脆性破坏的特征,抗压强度随龄期的增加而增加,从0.9MPa增长至2.66MPa;在冲击气压为0.2MPa作用下,水泥-粉煤灰试样呈现出脆性破坏特征,其动态抗压强度为5.13MPa。(2)在水泥掺量为12%的基础上,分别加入3%,6%,9%和12%的石膏和石灰,对上述改良水泥-粉煤灰试样进行无侧限抗压试验以及SHPB试验,探究在0-90d内4个养护龄期下,改良水泥-粉煤灰静态抗压强度的变化规律,以及在90d时,改良试样动态强度随改良剂种类及掺量的变化规律。分析了改良水泥-粉煤灰试样在动静态荷载作用下的应力-应变关系曲线,观察并分析了不同改良水泥-粉煤灰试样静态最终破碎形态与裂纹规律。建立了在动静荷载作用下,改良水泥-粉煤灰抗压强度在养护龄期和不同改良剂种类以及掺量下的数学关系表达式。试验结果表明:在静态荷载作用下,石膏改良试样的抗压强度在养护早期较水泥-粉煤灰试样有一定增加,而在养护后期其抗压强度均小于水泥-粉煤灰试样,石灰改良试样抗压强度在养护周期内均大于水泥-粉煤灰试样,同时在养护龄期为60和90d时,其强度增长明显,远高于水泥-粉煤灰和石膏改良试样,改良试样在不同养护龄期下应力-应变关系曲线呈现出相同规律;在90d龄期以及冲击试验条件下,石膏改良试样动态抗压强度随石膏掺量的增加呈现出波峰变化趋势,改良掺量为6%时,取得最大值6.67MPa,石灰改良试样的动态抗压强度随石灰掺量呈现出随着掺量增加而增加的规律,最大取得14.36MPa;在动静荷载作用下,改良水泥-粉煤灰抗压强度与养护龄期和改良剂种类以及掺量有较好的数学关系表达式;试样总体破坏模式为多个破裂面的拉-剪破坏模式且试样破碎后多为X型。(3)利用岩石能量理论分析水泥-粉煤灰及改良水泥-粉煤灰试样在动静荷载作用下的能量变化规律:在静荷载作用下试样破坏能变化规律与宏观强度规律相似;在动荷载作用下,试样的吸收能与动态抗压强度变化规律一致,石膏改良试样吸收能先增加后减小,石灰改良试样随着石灰掺量的增加而增加。(4)通过对水泥-粉煤灰试样以及石膏改良试样和石灰改良试样进行SEM图片微观形貌分析,得出水泥-粉煤灰试样随着养护龄期的不断增加,体系中不断产生网状C-S-H凝胶;石膏改良试样中粉煤灰表面产生大量钙矾石,造成试样宏观强度降低;石灰改良试样在后期由于OH-与Ca2+离子的作用,使得体系更加致密。图39表10参100

关键词： 3D打印   水泥基材料   PVA纤维   玄武岩纤维   抗压强度   抗折强度  

摘要： 将不同长度的PVA和玄武岩纤维分别以单一及混合形式掺入3D打印水泥基材料中,研究了纤维种类、长度、混合形式等对打印材料力学性能的影响规律。研究结果表明,PVA及玄武岩纤维的掺入均有助于提升打印材料的抗折强度;对于PVA纤维,以6mm和12mm长度的PVA纤维复掺后,对打印材料的力学性能提升效果最佳;玄武岩纤维则是以6mm长度纤维单独掺加时效果更好;将这两种纤维复掺后,与单一种类纤维掺入时相比,打印材料力学性能并未得到改善。两种纤维对3D打印水泥基材料的力学性能影响比较结果表明,在掺入长度为6mm和12mm的PVA纤维后,打印材料的力学性能更优;相较于浇筑试样,打印试样各龄期下的抗压和抗折强度均有下降,特别是对28d抗压强度影响较为明显。

关键词： 钛基复合材料   石墨烯   脱氢热力学   室温拉伸   摩擦磨损  

摘要： 钛基复合材料由于具有良好的耐腐蚀性、抗氧化性、生物相容性、密度低、无磁性等特点在石油化工、生物医疗、航天航空等领域广泛应用。但钛基复合材料制备成本高、强度低、耐磨性能差限制了其在这些领域更进一步的应用。因此降低钛合金的成本和提高材料的耐磨性、强度成为近年来的研究热点。由于Ti H为氢化脱氢(HDH)法制备钛粉的中间产物之一,以Ti H粉末为原料制备钛基复合材料不仅极大的缩短了生产周期而且降低了生产成本。本实验课题采用球磨法和放电等离子烧结技术,以Ti H粉末和石墨烯纳米片为原料,成功制备了不同含量石墨烯Ti H基复合材料,并对复合材料进行热轧处理。使用OM、XRD、SEM等设备观察复合材料的粉体形貌及微观组织,对复合材料的室温拉伸、耐磨性进行测试,并对复合材料的强化机理和磨损机制进行分析讨论。对TiH粉末热分析测试,对其脱氢行为的可行性进行分析;根据DSC和TG测试结果可知:在氩气气氛中,Ti H在445℃开始分解,当温度超过450℃时,Ti H分解速度大大加快;当温度超过670℃时Ti H粉末质量不再下降,说明Ti H脱氢过程完全结束。Ti H在氩气气氛下的相变主要分为三个阶段:Ti H→Ti H→(Ti)(固溶)→Ti。经过放电等离子烧结的样品具有良好的致密度,当烧结态样品热轧变形后复合材料的致密度进一步得到提升,且致密度均在98.6%以上。石墨烯的引入有效的强化了石墨烯/Ti H基复合材料的力学性能,且随着石墨烯含量逐渐增加,复合材料的室温力学性能也逐渐提高。相比于纯钛(维氏硬度为149HV,抗拉强度为551MPa),当石墨烯质量增加到0.8wt%时,复合材料的维氏硬度为268HV,抗拉强度为821MPa,分别提高了79%和49%。当纯钛及复合材料经过热轧变形后,材料的强度和维氏硬度进一步得到提高。纯钛经过热轧后维氏硬度为214HV,抗拉强度为702MPa;石墨烯含量为0.8wt%的复合材料经过热轧后维氏硬度为348HV,抗拉强度为1059MPa,分别提升了62%和50%。对于复合材料而言其强化机制要为:细晶强化、载荷传递强化、固溶强化等。往复滑动摩擦实验结果显示:石墨烯/Ti H基复合材料的摩擦系数均低于纯钛的摩擦系数。当外加载荷一定时,摩擦系数随着石墨烯含量的增高而降低,磨损率随着石墨烯含量的增加而降低;当石墨烯含量一定时,外加载荷增大的同时复合材料的摩擦系数降低,且磨损率随着载荷的升高而增大。

关键词： 石墨烯增强效应   碳化硅复合材料   内聚力模型   分子动力学模拟   有限元仿真  

摘要： 以碳化硅为代表的先进陶瓷材料凭借高杨氏模量和高抗压强度等良好的力学特性,使其无论在传统工业领域还是新兴微电子领域都具有广阔的应用前景,但与此同时,碳化硅这类硬脆性材料,常因内部或者表面微裂纹,发生毫无征兆的突然破坏,对结构缺陷极其敏感的特点限制了其进一步的应用。另一方面石墨烯正以优秀的力学性能和超大的比表面积展现了作为增强相,可以显著增强脆性基体力学性能的巨大潜力。本文以石墨烯增强碳化硅复合材料为研究对象,结合微观尺度的分子动力学模拟和宏观尺度的有限元仿真,系统研究石墨烯对碳化硅陶瓷基体力学性能的增强效果和调控效应。论文主要工作和研究成果包括以下几个主要方面。首先,采用基于内聚力模型的多尺度分析方法,研究了碳化硅陶瓷材料中的裂纹扩展过程。分别运用分子动力学方法模拟了含裂纹的碳化硅晶体在拉伸和剪切载荷作用下的裂纹扩展过程,分析了微观尺度下碳化硅晶体裂纹的扩展机理,提取了描述裂纹扩展行为的牵引力与位移曲线,并转换成为内聚力参量,输入有限元仿真模型,完成了宏观尺度下碳化硅陶瓷晶体的三点弯曲仿真,从而建立了碳化硅陶瓷的微观结构与宏观力学性能之间的联系,揭示了碳化硅陶瓷脆性破坏的机理。其次,考虑到碳化硅陶瓷的脆性破坏机理,采用分子动力学方法模拟了石墨烯增强碳化硅复合材料的单轴拉伸力学性能。通过改变界面接触类型、石墨烯层数、石墨烯分布形式、温度效应和预制裂纹尺寸等参数,分析了这些因素对复合材料单轴拉伸力学性能的影响。通过对比发现,石墨烯对碳化硅陶瓷基体的增强效果不仅取决于石墨烯的体积分数,也与界面接触类型密切有关,还对石墨烯分布形式具有依赖性。对于体积分数相同的石墨烯增强复合材料,均匀分散布置的增强效果明显优于密集堆垛分布。另外,还探究了石墨烯的引入对碳化硅基体裂纹扩展的影响,模拟结果表明,石墨烯通过阻止裂纹贯穿方式有效提高了复合材料的塑性变形能力。最后,运用分子动力学方法模拟了石墨烯增强陶瓷复合材料梁的三点弯曲力学性能。与纯碳化硅梁的弯曲破坏性能相比,石墨烯和碳化硅基体的协同作用能够显著提高复合材料的弯曲力学性能,通过改变复合材料中石墨烯的嵌入位置,发现石墨烯增强相承载能力的发挥程度和对碳化硅裂纹尖端应力集中的削减能力是关键因素,对复合材料的弯曲力学性能具有决定性影响。此外,还分析了石墨烯增强复合材料纳米梁的弯曲力学性能对跨高比的依赖关系,随着跨高比的增加,梁的表面效应逐渐减弱。本文研究成果拓展了石墨烯增强纳米陶瓷复合材料力学性能的研究领域,主要表现在两个方面。第一,尝试了多尺度模拟与分析,论文基于内聚力模型成功地将分子动力学模拟和有限元仿真结合起来,顺利实现了对碳化硅陶瓷基体脆性破坏机理的研究。第二,在原子尺度详细分析了石墨烯的引入对碳化硅陶瓷基体力学性能的影响,全面研究了此类新型复合材料在不同力学载荷作用下的响应和变形机理,从而为石墨烯增强复合材料力学性能的优化提供了一定的理论指导。

关键词： 水泥基材料   力学性能   聚丙烯纤维   沙漠风积沙  

摘要： 水泥基材料是一种应用很广的建筑材料,但其也具有抗折强度低、脆性大、韧性差等缺点。在水泥基材料中掺加矿物掺合料和纤维,是在工程应用中公认的可以改善水泥基材料上述缺点的重要手段,它们可以很好的改善水泥基材料的力学性能、耐久性能和工作性能。混凝土结构阻固沙措施需要大量的外来砂石建筑材料,运输成本高,导致混凝土材料结构成本高昂,不利于推广使用。考虑到新疆等西部线路附近有丰富的、廉价的、获取方便的沙漠沙原料,如果能使用沙漠沙为主要骨料,替代普通混凝土中的砂、石骨料,制备新型阻沙、固沙和防沙水泥基材料,将具有重要的实际工程应用价值。沙漠沙属于粉细砂,因此,要将其作为主要建筑材料制备新型的阻、固沙材料,需要开展沙漠沙颗粒粒径分析、沙漠沙密度、含泥量、空隙率等材料基本性能测定,同时,考虑到需要大量用到沙漠沙,为改善其抗压强度及抗折强度,需要进行矿物掺合料、纤维力学性能理论与试验研究。因此,本文从材料抗折和抗压性能着手,主要以粉煤灰、硅粉、脱硫石膏和纤维为研究对象。通过改变各矿物掺合料掺量、纤维掺量及纤维长度等因素,研究该材料的力学性能。主要内容与试验结论如下:(1)基于正交试验方法对沙漠风积沙水泥基材料配合比进行优化选择,通过单因素试验方法深化研究各因素对材料力学性能的影响,以28d龄期的抗折强度作为考察依据时,优化配合比是:粉煤灰掺量为5%,硅粉掺量为0%,脱硫石膏掺量为5%,石灰掺量为3%,可再分散乳胶粉掺量为1%,以28d龄期的抗压强度作为考察依据时,优化配合比是:粉煤灰掺量为5%,硅粉掺量为20%,脱硫石膏掺量为0%,石灰掺量为3%,可再分散乳胶粉掺量为0%,单因素试验结果表明,粉煤灰在沙漠风积沙水泥基材料中的掺量不宜大于12%,硅粉掺量为6%时,材料力学性能最好,脱硫石膏的最优掺量为2%,硅粉的掺入对材料力学性能的改善效果最好。(2)研究纤维掺量、纤维长度、抗裂砂浆胶粉掺量对沙漠风积沙水泥基材料力学性能的影响,以抗折强度和抗压强度为指标确定纤维在该材料中的配比,当纤维掺量为0.5%,纤维长度为19mm,抗裂砂浆胶粉掺量为0.3%时,材料抗折强度和抗压强度较基准组提升明显。(3)设计单因素试验,研究聚丙烯纤维掺量对沙漠风积沙水泥基材料28d、45d、60d、90d龄期抗压强度和抗折强度的影响,结果表明,聚丙烯纤维掺量对沙漠风积沙水泥基材料的抗压性能没有很好的改善作用,养护方式对抗折性能和抗压性能有较大影响。

关键词： 聚乳酸   纤维素   淀粉   阻燃   降解性能  

摘要： 聚乳酸(Polylactic acid,PLA)是以淀粉发酵产物乳酸为原料,经化学反应合成的具有完全生物降解性的高分子材料。PLA具有良好的生物安全性、环境友好性、良好的力学性能及易于加工成型等特点,己被广泛应用于生物医学、纺织、食品包装等领域。但是,纯PLA也存在着玻璃化转变温度不高,韧性差,且易燃烧等缺点,限制了其在更多领域的推广与应用。通常将聚乳酸与可降解的高分子材料共混改性处理,赋予聚乳酸材料更好的机械性能并保持完全的生物降解性,这样才有利于聚乳酸复合材料更广泛应用。本论文以PLA为基体,微晶纤维素(Microcrystalline cellulose,MCC)、木薯淀粉(Cassava Starch,St)两种植物多糖高分子为填料,以三嗪成炭发泡剂(CFA)和三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)分别与聚磷酸铵(APP)等的复配物为膨胀型阻燃剂,通过熔融共混的方法制备阻燃植物多糖/聚乳酸复合材料。探索植物多糖高分子(MCC、St)、膨胀阻燃剂等填料对PLA基复合材料的力学性能和热稳定性的影响;采用土壤降解、水降解等实验,初步探索了 PLA及其复合材料在土壤与水环境条件下的自然降解规律。具体主要研究内容包括:(1)采用 MCA、CFA 分别与 APP、沸石分子筛(Zeolite molecular sieve,ZMS)等复配而成的膨胀型阻燃剂MCA-APP体系(简称M-IFR)和CFA-APP体系(简称C-IFR)与经偶联剂KH570表面改性处理的微晶纤维素(简称MCC)混合,填充到PLA树脂基体中制备阻燃微晶纤维素/聚乳酸(IFR-MCC/PLA)复合材料。通过力学性能、SEM、TG、DSC、LOI、UL-94等测试,研究了阻燃微晶纤维素/聚乳酸(IFR-MCC/PLA)复合材料的界面相容性、力学性能及阻燃性。结果表明:阻燃剂具有一定的成核剂的作用,对PLA复合材料的结晶性能有显著影响,C-IFR的成核作用优于M-IFR。MCC可以抑制PLA的受热熔滴现象产生,相同条件下添加少量MCC就可提高复合材料的LOI、且通过UL-94测试。MCC添加量增加过多会降低复合材料的力学性能和热稳定性。(2)将聚乳酸、磷酸盐酯化改性的木薯淀粉(P-St)分别与阻燃剂C-IFR、M-IFR共混制备阻燃淀粉/聚乳酸(IFR-P-St/PLA)复合材料。通过表征和性能测试结果表明:淀粉经磷酸化改性后结晶度降低,热塑性增强,P-St与PLA之间界面粘合力增强。阻燃剂C-IFR、M-IFR的添加量对P-St/PLA复合材料的力学性能影响较小。P-St及阻燃剂C-IFR、M-IFR均使聚乳酸基复合材料的玻璃化转变温度Tg向着高温方向移动,结晶温度提高。P-St及阻燃剂C-IFR、M-IFR均降低了 P-St/PLA复合材料的最大降解速率温度(Tmax),淀粉与阻燃剂存在某种协同效应,提高了残炭量。(3)采用土壤降解和水降解实验研究了 MCC、St以及阻燃剂C-IFR、M-IFR等填料对PLA复合材料的降解性能影响。运用热重分析的方法研究了阻燃植物多糖/聚乳酸复合材料的热降解行为。结果表明:MCC、St等填料对PLA的土壤和水降解性都具有促进作用,且添加量越多,降解越快。在相同添加量下,不同填料对复合材料降解的促进作用有所差异,其中P-St对降解性能的促进作用最显著。应用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)方程对复合材料的热降解动力学分析结果显示出,MCC、St和阻燃剂C-IFR、M-IFR会影响PLA的热降解活化能,从而改变聚乳酸的热降解行为。本论文的实验结果可为生物基聚乳酸复合材料的设计、制备及阻燃改性等方面的研究提供新的思路和基础数据支撑。

关键词： 树脂矿物复合材料   力学性能   交联密度   孔隙率   振动固化工艺  

摘要： 为了满足现代工业对精密零部件越来越高的需求,现代机械加工的精度与稳定性也必须与时俱进。机床加工过程中产生的振动是制约其加工精度进一步提升的重要因素,而传统铸铁机床的低阻尼比导致其减振性能较差,通过优化机床结构也难以实现大幅提升减振性能。树脂矿物复合材料(Resin Mineral Composite,下文简称RMC)机床则以其优异的阻尼减振性能应用于精密加工领域,RMC是以树脂为粘结剂,破碎的天然矿石为骨料,添加一系列辅料浇筑成型的多相复合材料,具有高阻尼、成型能力强以及耐腐蚀等优点,但其在力学性能方面的不足限制了RMC发展。环氧树脂作为RMC中的粘结剂,其固化特性将极大影响RMC的整体性能。环氧树脂复合材料的力学性能主要取决于体系中的交联密度。通过分析不同配比下固化物的固化特性和交联密度,结合力学性能的测试以及断口形貌的观察,探究交联密度与力学性能之间的联系,获得环氧树脂与固化剂的最佳配比。研究结果表明,固化剂过量或不足均会引起固化不完全以及交联密度下降,从而导致力学性能减弱,固化物拉伸断裂时内部交联点间界面发生断裂形成齐平光滑的断口。环氧树脂与固化剂比例为3.3:1时固化特性良好形成均匀致密的固化物,拉伸断裂时内部交联点发生断裂形成鳞块状断口,此比例下复合材料拥有极佳的交联密度与力学性能。振动固化作为制备RMC不可或缺的一道工艺,主要目的是排出RMC内部的气泡,降低孔隙率,提升力学性能。通过研究不同振动固化工艺下RMC的孔隙率与力学性能的变化,获得最佳的单一消泡工艺,最终得到了优异的复合消泡工艺:采用垂直振动,在45Hz的频率和1.8mm的幅值下进行单层高度为15mm的分层浇筑并振动40分钟,再置于45℃的初始固化温度下进行恒温养护,可以实现对RMC的孔隙率和力学性能的复合优化。

关键词： 氧化石墨烯   超高韧性水泥基复合材料   水化反应   力学性能  

摘要： 在现代社会对建筑耐久性和功能性提出更高要求的背景下,具备优异变形能力和裂缝控制能力的超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)应运而生。UHTCC在实现纤维/基体间良好协同变形能力的同时也掺入了高掺量的粉煤灰,粉煤灰早期水化缓慢的特点造成了其早期强度不高的问题。氧化石墨烯(GO)作为性能优异的纳米材料,其在影响水泥水化过程的同时也改善了浆体的微观结构;同时也有研究表明GO有利于促进粉煤灰的二次水化反应,因此GO可以提高水泥基材料全龄期的强度。鉴于上述两者的性能特点,GO和UHTCC在水化反应、力学性能上可以实现性能互补。本次研究采用GO改性UHTCC,完成的工作和成果如下: 1、采取扫描电镜、傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱和X射线衍射测试对工业级别GO进行性能表征,测得该GO含氧量为29.60%,片层间距约为0.8422nm,其表面形态呈薄纱状,并且含有羟基、羧基和环氧基等官能团。 2、在0%-0.05%GO掺量范围内设计8组配合比,研究不同掺量GO分别在3d、14d、28d和56d龄期对水泥砂浆和掺有68%掺量粉煤灰砂浆抗压和抗折强度的影响。结果表明,GO的掺入提高了水泥砂浆和粉煤灰水泥砂浆的抗压、抗折强度,0.03%掺量GO对砂浆强度的提升效果最佳。综合分析来看,GO主要提高了水泥砂浆早期的强度,GO对粉煤灰水泥砂浆后期强度的影响更加明显。 3、通过化学结合水含量、热重分析、X射线衍射和扫描电镜系列水化微观试验探究GO对砂浆强度的增强机理。结果表明,GO主要提高了水泥在水化早期的反应速率,GO促进了水泥浆体化学结合水和CH的生成,有利于在3d龄期形成更致密的微观结构。GO主要促进了水化后期粉煤灰的二次水化反应,随着GO的掺入,浆体化学结合水含量提高,CH含量则在水化后期呈现更快下降的趋势,并且粉煤灰颗粒在水化后期有更多水化产物粘附。另外,GO能起到细化水泥浆体和粉煤灰水泥浆体CH微晶尺寸的作用。GO对水泥和粉煤灰水化反应的影响有利于砂浆的力学强度。 4、采用GO改性UHTCC,研究不同掺量GO(0-0.05%)在14d、28d和56d龄期对UHTCC抗折性能、抗压性能、二次抗压强度以及单轴拉伸性能的影响,并采用压汞仪和扫描电镜测试表征UHTCC微观性能。结果表明,0.01%掺量GO是本研究的最优掺量,UHTCC在28d龄期的抗折强度、抗压强度、初裂拉伸强度、极限拉伸强度、极限拉伸应变相比未掺GO组别分别提高了20.87%、18.18%、26.97%、31.28%和23.25%。压汞仪测试结果表明适当掺量GO改善了UHTCC的孔隙结构;扫描电镜测试在掺有0.01%掺量GO的UHTCC断面处纤维观察到更多水化产物粘附,这有利于提高纤维和基体间的粘结。

关键词： 原子力显微镜   微结构   振动信号   材料力学性能   悬臂梁结构  

摘要： 原子力显微镜(AFM:AtomicForceMicroscope)自被发明以来，一直在不断被完善。从最初的静态AFM发展到如今各式各样的动态AFM，已经成为纳米科学和纳米材料领域研究的有力工具。尽管AFM在成像能力方面表现的已足够出色，并得到了广泛的应用，但其在定量表征方面仍然存在众多挑战。而同一种材料在纳米尺度下的性能，与在宏观尺度相比，存在很多差异。材料的组成是影响其力学性能的重要因素，微结构的细节对其预期寿命也会产生很大影响。随着纳米技术的飞速发展，以及各类新型材料的不断应用，在纳米尺度下对材料的各类性能参量特别是是力学性能进行表征显得尤为重要，包括对材料摩擦、表面黏弹性、黏附等性能参量的表征。此外，新材料的不断出现，也对材料内部结构、缺陷、杂质等的无损检测提出了要求。　　在此背景下，本论文针对AFM分辨率的提高和材料性能的振动力学反演两大关键科学问题展开，围绕AFM悬臂梁结构设计和利用AFM对材料性能相关力学参量定量表征两个方面，通过理论分析和数值求解，采用反问题的方法开展研究工作。首先基于共振放大效应，增强了AFM的高阶谐波信号;然后建立了AFM振动信号与样品弹性模量、基体内部填充结构弹性模量等一些力学性能之间的定量关系，为利用AFM表征材料相关力学参量提供了理论基础。主要完成的工作如下:　　(1)增强了AFM的高阶谐波信号。在AFM中，样品性能信息更多地包含在高阶谐波信号中。然而均匀矩形悬臂梁不存在恰好为基频整数倍的高阶频率，因而其高阶谐波信号被抑制，从而导致样品的性能难以被探测。本文以增强高阶谐波信号为目标，建立并求解了悬臂梁的运动方程。设计了阶梯型悬臂梁结构和T型悬臂梁结构，调谐其固有频率，使其第二阶或第三阶自然频率为基频的整数倍，基于共振放大效应，同时对前两阶或前三阶模态进行激发，实现了高阶谐波信号的增强。同时给出了可供参考的悬臂梁尺寸图和表。　　(2)提出并求解了反问题:如何依据压痕深度-载荷曲线，同时获取薄膜等效杨氏模量和厚度。在压痕实验中，薄膜/衬底双层异质结构的等效杨氏模量会随压痕深度的变化而变化。在以往的研究中，只存在一个未知量，即薄膜等效杨氏模量。然而在实际情况中，薄膜厚度的测量有时是非常困难的，甚至无法被测量。因此在反问题中将薄膜的厚度和等效杨氏模量均视为未知量并对其进行了求解。　　(3)提出了一种定量测定样品杨氏模量和泊松比的有效方法。建立了T型悬臂梁在接触模式下，弯扭耦合非线性振动理论模型。随着接触刚度的增加，接触共振频率在高阶模态下出现分岔现象。利用共振频率分岔点解耦了等效杨氏模量表达式中的泊松比和杨氏模量。　　(4)分析了超声波遇到圆柱形以及椭圆柱形障碍物时发生散射所引起的相位变化，建立了AFM悬臂梁探针与样品表面相互作用的非线性振动理论模型，得到了共振差频AFM的相位信号的解。研究了材料内部填充结构的尺寸、埋深、弹性模量以及超声激励频率等对相位对比度的影响。　　本文深入地研究了AFM的动力学问题，通过反问题方法，建立了AFM信号与相关材料力学性能间的定量关系，为利用AFM对材料的力学性能进行定量表征提供了理论基础与参考。

关键词： 锂离子电池   应变率效应   温度效应   材料模型   有限元  

摘要： 锂离子电池为电动汽车提供动力来源,其热稳定性、电安全性和力学特性关系到电动汽车的安全性能。单体电池的热逃逸会在模组中迅速蔓延,最终很可能引发电动汽车的热失控。尤其是在汽车发生碰撞的时候,动态冲击的工况更容易使电池发生结构失效,而电池组分材料失效是电池结构失效的起因,并且电池的力学响应还与环境温度、剩余电量(SOC)和循环寿命(SOH)等息息相关,那么揭示锂离子电池组分材料在高应变率和不同温度等真实服役条件下的力学响应和失效行为对电动汽车热失控防护和锂电池安全性设计具有重要的意义。因此,本文通过实验、数值分析和有限元分析的方法探究了棱柱形磷酸铁锂电池组分材料的力学响应和失效行为,构建了组分的材料模型并进行了验证,具体研究内容如下:(1)探讨高应变速率对电池组分材料力学响应的影响,首先对电池组分材料进行各向异性行为研究,分析材料的基本力学行为和在三个不同方向上的性能差异,这种差异主要是由材料的生产工艺和封装工艺引起的。然后对体现较强脆性性能的阴极材料进行了应变率效应的初步研究,发现其力学响应受应变率的影响并不明显。最后对阳极和隔膜材料在各向异性方向上进行了高速拉伸实验,分析了材料在动态载荷下的力学响应以及应变率变化对材料力学响应的影响,并且对试验后的试样进行了电镜扫描,结果表明其表面失效形式随应变率的变化具有明显的差异性。(2)分析组分材料的温度效应,在不同温度条件下对三种材料进行各向异性方向的单轴拉伸实验,通过实验数据总结了材料力学响应受温度的影响,同时分析了不同材料受温度影响的差异性,发现隔膜材料力学响应受温度的影响要比阳极和阴极更大。然后对试验后的试样进行了电镜扫描,结果表明其表面失效形式随温度的变化具有明显的差异性。(3)建立组分的材料模型用以描述其力学特征,同时考虑到材料的应变率效应(阴极除外)和温度效应,通过改进的Rambery-Osgood模型描述了阳极和阴极的力学行为,通过改进的粘塑性模型描述了隔膜的力学行为。同时,为了验证所构建的材料模型的精度,以便对电池组分材料进行力学响应的预测和有限元分析的应用,通过有限元软件LS-DYNA对所构建的材料模型进行计算分析并与实验结果进行对比,结果表明所构建的材料模型具有较好的准确性。