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关键词： 316L不锈钢空心球铝基复合材料   准静态压缩力学性能   动态压缩力学性能   吸能特性   数值模拟  

摘要： 不锈钢空心球铝基复合材料作为一种集多项优异性能于一身的新型复合材料,在航空航天、兵器、船舶等领域具有广阔的应用前景。本文采用万能试验机和应力波加载的Hopkinson杆装置,针对制备的316L不锈钢空心球和不锈钢空心球铝基复合材料,开展了它们在准静态和动态加载条件下的力学性能研究。通过数值模拟,计算了在不同加载条件下,不同尺寸单个空心球的变形行为,以及不同体积百分数、排列方式的金属空心球复合材料的变形行为。利用扫描电子显微镜,观察并分析了试验后复合材料内部空心球的变形及破坏情况,探讨了复合材料内部空心球的破坏形式和损伤演化规律。取得了以下研究结果:(1)在准静态加载条件下,不锈钢空心球的变形行为仅与其壁厚直径比有关,壁厚直径比为0.025时空心球性能最优。(2)准静态压缩条件下复合材料内部变形比较均匀,裂纹起始点位于与压缩方向垂直的中心面附近并且与压缩方向呈45°向两端扩展。动态压缩条件下复合材料内部变形不均匀,位于与压缩方向垂直的中心面上的空心球变形程度和损伤程度最高。但裂纹起始于复合材料受载荷压缩的两端,同样与压缩方向呈45°方向进行扩展。(3)随着空心球在复合材料中体积分数的增大,复合材料的屈服强度、能量吸收能力逐渐降低,而材料吸能效率则不断升高。(4)针对空心球在复合材料内部的简单立方、面心立方、体心立方三种排列方式对复合材料性能的影响,计算得到简单立方排列的复合材料屈服强度最高,而体心立方排列的复合材料最低,面心立方位于二者之间;在相同应变值的情况下,简单立方排列的空心球复合材料吸收的能量最多,体心立方排列的空心球复合材料的能量吸收最少;体心立方排列的空心球复合材料的吸能效率峰值最高,面心立方排列的空心球复合材料最低。

关键词： 碱矿渣复合材料   聚苯乙烯颗粒   还原氧化石墨烯   结构-保温一体化   全生命周期评估  

摘要： 随着全球环境的持续恶化和现代建设技术的迅速发展,人们对建筑材料功能性和结构性能都提出更高要求,如亟需开发出具有优异保温功能和高力学强度的建筑材料,以解决建筑能耗高的问题。然而,由于传统保温墙体材料具有力学强度差及成本高等缺点,其无法满足上述现代建筑材料的要求。因此,结构-保温一体化的建筑材料研究已成为当今研究的关键方向之一。本研究首先选取轻骨料聚苯乙烯颗粒（Expanded polystyrene beads,简称EPS）替代传统骨料掺入碱矿渣复合材料（Alkali activtated slag mortars,简称AASMs）中降低材料导热系数,以制备绿色墙体保温材料,促进EPS的绿色回收应用。同时,由于加入轻骨料EPS后会急剧降低碱矿渣材料的力学强度,因此,本研究还通过掺入纳米材料还原氧化石墨烯（Reduced graphene oxide简称rGO）的方法,提升EPS碱矿渣复合材料的力学强度,以实现结构-保温一体化的目标。本文通过通过力学强度、导热系数、密度、流动度及微观特征等实验和全生命周期评估及建筑信息化模型的方法,研究了rGO增强EPS碱矿渣复合材料结构-保温一体化的可行性和经济性。基于以上研究,本文结论主要包括以下几个方面:（1）随着EPS掺量增加,EPS碱矿渣复合材料的干、湿密度、工作性能和力学强度均降低。同时,EPS碱矿渣硬化浆体的孔隙率总是随着EPS掺量的增加而增大,从而使得EPS碱矿渣材料导热系数随着EPS掺量增加而降低,60EPS、80EPS和100EPS的导热系数分别比0EPS分别降低了68.3%、75.7%和83.8%。最后,利用均质化理论,计算出EPS碱矿渣复合材料的有效导热系数,实现了通过EPS掺量预测轻骨料EPS碱矿渣复合材料的保温性能。（2）rGO增强EPS碱矿渣复合材料的干、湿密度随着EPS掺量增加而降低,随着rGO掺量增加而略微增加。实验结果表明,将rGO掺入到碱矿渣复合材料中是一种提高力学强度的有效方法,这是因为rGO可促进碱矿渣浆体反应,改善EPS和浆体之间的界面过渡区。在保温性能方面,E8-G4的导热系数比E0降低了74.5%。此外,通过对抗压强度、导热系数和成本三者关系研究可得,E8-G4的效率值（EI）为798,比E0增加了8.7%。因此,rGO增强EPS碱矿渣复合材料在力学强度、保温性能和成本之间达成良好地平衡,实现了结构-保温一体化。（3）根据全生命周期评估的计算结果可得,E8-G4的能源消耗、CO2排放量和经济成本分别为3382.27 MJ/m3、190.75 kg CO2e/m3和933.75 Yuan/m3。E8-G4的ECO2e对比E0降低了16.8%,对环境更加友好。此外,本研究用建筑信息模型技术建立了办公楼模型,将此模型应用于深圳、北京、武汉、哈尔滨和昆明五个城市中,其结果表明:与使用传统混凝土墙体材料相比,使用E8-G4作为墙体材料可使总能耗分别减少1.2%、20.5%、11.6%、31.8%和8.0%。因此,rGO增强EPS碱矿渣复合材料不仅能够实现结构-保温一体化,还能达到减少能源消耗和CO2排放的效果。

ISBN: (纸本)9787517086000

ISBN: (纸本)9787560896762

关键词： 高密度聚乙烯   石墨烯纳米片   多壁碳纳米管   流变特性   力学性能   电学性能  

摘要： 聚合物基复合材料具有良好的力学性能和功能性,已成为高分子材料研究的热点。碳填料性能优异,是改善高分子材料的使用性能,拓宽其应用范围的理想填料。高密度聚乙烯（HDPE）价格低廉且加工性良好,加入碳纳米填料不仅能够实现增韧和增强的效果,同时还能够赋予HDPE基体良好的导电性。本课题以HDPE为基体,以石墨烯纳米片（GNP）、GNP/多壁碳纳米管（MWCNT）杂化材料为无机纳米填料,乙烯-辛烯共聚物接枝马来酸酐（POE-g-MA）和高密度聚乙烯接枝马来酸酐（HDPE-g-MA）为增容剂,采用熔融共混法制备出多种HDPE复合材料。考察了填料的含量、类型以及增容剂含量、种类对复合材料流变特性、电学和力学性能的影响。研究结果如下:（1）考察了GNP和POE-g-MA含量对HDPE/GNP复合材料流变特性、电学和力学性能的影响。HDPE/GNP和HDPE/POE-g-MA/GNP复合材料G'曲线在低频区均出现“第二平台”,表现出明显的凝胶化现象,凝胶点对应的GNP含量分别为11.50 wt%、4.00 wt%。两种复合材料均表现出明显的导电逾渗现象,且HDPE/GNP复合材料的凝胶点位于导电逾渗区内。POE-g-MA的加入可显著提高HDPE/GNP复合材料的韧性。POE-g-MA含量为20 wt%时,凝胶点对应HDPE/POE-g-MA/GNP复合材料的缺口冲击强度达到最大值49.50 k J/m2,约为纯HDPE的7.62倍,表明该复合材料的力学性能与流变特性具有一定的相关性。（2）考察了GNP/MWCNT杂化填料的比例和含量对HDPE/GNP/MWCNT复合材料流变特性、电学和力学性能的影响。GNP/MWCNT杂化填料比例分别为7/3、5/5、2/8时,HDPE/GNP/MWCNT复合材料分别在GNP/MWCNT含量为3.00 wt%、2.45 wt%、1.42 wt%出现凝胶点,且凝胶点均位于导电逾渗区内。GNP/MWCNT含量为0.5 wt%时,三种HDPE/GNP/MWCNT复合材料的缺口冲击强度分别为15.05 k J/m2、9.98 k J/m2、10.42 k J/m2,约是纯HDPE的2.32倍、1.54倍、1.60倍。（3）考察了增容剂种类对HDPE/GNP/MWCNT复合材料流变特性、电学和力学性能的影响。GNP/MWCNT比例为7/3时,HDPE/GNP/MWCNT、HDPE/HDPE-g-MA/GNP/MWCNT、HDPE/POE-g-MA/GNP/MWCNT复合材料在GNP/MWCNT含量分别为3.00 wt%、4.64 wt%、2.10 wt%出现凝胶点;GNP/MWCNT比例为2/8时,三种复合材料在GNP/MWCNT含量分别为1.42wt%、2.50 wt%、1.25 wt%出现凝胶点。增容剂HDPE-g-MA和POE-g-MA的加入使得复合材料的导电逾渗区变宽并且向更高的GNP/MWCNT含量移动。GNP/MWCNT含量为0.5 wt%,GNP/MWCNT比例为7/3时,HDPE/POE-g-MA/GNP/MWCNT复合材料缺口冲击强度为20.17 k J/m2,约为纯HDPE的3.10倍;GNP/MWCNT比例为2/8时,该复合材料的缺口冲击强度达到53.5 k J/m2,约是纯HDPE的8.23倍。（4）凝胶点处对应的复合材料均呈现出网络状结构。杂化GNP/MWCNT填料和增容剂POE-g-MA加入使复合材料韧性大幅提高的原因在于网络结构的破坏、弹性体的形变、MWCNT和GNP的变形、拔出以及它们的协同作用诱发HDPE产生剪切带等屈服形变过程中吸收或耗散了大量的冲击功。

关键词： 点阵材料   三周期极小曲面   电子束选区熔化技术   有限元模拟   热处理  

摘要： 点阵材料是一种将单胞以类似晶体点阵的形式周期性组合而成的多孔材料,由于轻质高强的性能特点及高效的结构形式,点阵材料被认为是最有应用潜力的结构功能一体化材料,是能量吸收、散热、组织工程支架、以及结构元件的潜在候选。点阵材料含有亿万微结构单元,传统的方法难以制造成形,3D技术的出现使点阵材料的制造得以实现,促进了点阵材料的发展。其中,电子束选区熔化技术(Selective Electron Beam Melting,SEBM)具有能量利用率高,功率大以及真空环境保护等优点,是成形活性金属以及复杂金属点阵材料的主要制造技术之一。然而,目前使用较多的金属点阵材料是基于杆状结构的点阵材料,这类点阵材料含有节点、直角边,存在应力集中、结构利用率低等缺点,制约了点阵材料的性能及应用。本文针对相关问题展开了研究,选择光滑过渡的曲面结构减少应力集中现象。以SEBM技术成形的三周期片状极小曲面(Triply Periodic Minimal Surfaces,TPMS)点阵材料为主要研究对象,主要通过有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)与实验研究相结合的方法探究了包括Diamond(D)、Gyroid(G)、I-WP(I)、Primitive(P)结构在内的新型片状TPMS点阵材料的力学性能以及受力情况;采用Ti6Al4V粉末结合SEBM技术制备了 Diamond、Gyroid、Primitive、I-WP型片状TPMS以及八面体(Octet-truss,O)、十四面体(Tetrakaidecahedral,T)杆状点阵材料,使用光学显微镜、扫描电镜对Ti6Al4V点阵材料的打印情况、显微组织进行了分析,通过压缩实验测试了点阵材料的力学性能;结果表明:有限元分析结果显示杆状八面体、十四面体点阵材料在节点处存在严重的应力集中现象,结构未完全利用,而Diamond、Gyroid、Primitive、I-WP型片状TPMS点阵材料应力集中小、结构利用率高,力学性能优于杆状结构点阵材料;Diamond、Gyroid、Primitive、I-WP点阵材料的屈服强度与相对密度呈近似线性关系,是一种拉伸为主的结构,其中Diamond结构的性能最佳,在相对密度为0.40时,模拟屈服强度为212.25 MPa;SEBM成形点阵材料保留了点阵结构的特定设计形态,尺寸误差≤0.17 mm,与原始CAD模型有良好的几何一致性;SEBM技术成形的点阵材料其微观组织为原始粗大β柱状晶组织,晶内为细小马氏体α'组织以及细小α+β组成的魏氏组织;通过压缩实验测试了 SEBM技术所制备点阵材料的力学性能,测试结果得出片状TPMS点阵材料的强度超过了基于杆结构的八面体与十四面体点阵材料的强度,验证了有限元模拟结果;在文中研究的所有结构中,Diamond型片状TPMS点阵材料力学性能最佳,在相对密度为0.36时,屈服强度达到194.78 MPa,抗压强度达到234.27 MPa;经过1100℃/2h热处理后组织转变为等轴晶,马氏体α'转变为α+β组织,晶内为α+β粗片层组织,在热处理后点阵材料强度的延性得到改善。基于片状TPMS结构的点阵材料在受力时载荷传递均匀,应力集中小,提高了点阵材料的力学性能,促进了 3D打印钛合金的发展,从而为多功能应用提供了更多的选择。

关键词： ECTFE薄膜   单轴拉伸试验   率相关性   温度相关性   单轴循环拉伸   ECTFE气枕   充气成形   平面裁切  

摘要： 乙烯-三氟氯乙烯共聚物（ethylene-chloro-tri-fluoro-ethylene,简称ECTFE）为有两相结构的半晶聚合物,具有粘弹塑性。ECTFE薄膜的自重小、抗冲击性强、使用温度范围较广、雾度超低、自洁性优异、抗破损性好。ECTFE薄膜的工程力学性能研究较少,因此对ECTFE材料、薄膜和气枕的性能探究亟需开展。本文对ECTFE薄膜展开了不同应变速率、温度、循环拉伸条件下的单轴拉伸试验和分析,对ECTFE气枕的平面裁切成形过程展开了模拟分析和试验论证。首先,本文对不同试样形状的ECTFE薄膜分别进行单轴拉伸试验,发现条形试样和哑铃形试样的屈服强度相近。对MD（Machine Direction）和TD（Transverse direction）方向的试样进行了8种应变速率下（?（5）=0.02/min～10.00/min）的单轴拉伸试验,得到了多种力学参数。分析表明:ECTFE薄膜为各向同性材料;应力应变曲线共经历弹性、应变软化、冷拉和应变硬化四个主要阶段;力学参数与应变速率的拟合公式可预测膜材在不同应变速率下的力学参数。其次,基于实际环境中高聚物薄膜的最高使用温度以及材料的使用温度范围,对ECTFE薄膜进行了不同的低-高温度（T=-50℃～80℃）下的单轴拉伸试验。试验结果表明:随着温度的降低,应力应变曲线整体抬升,拉伸强度、弹性模量、屈服强度增加;在不同温度下（-50℃～80℃）,拟合公式保证误差系数达93%,屈服强度的差值可达到89%;给出了主要力学参数和温度的拟合公式,可较好地描述温度相关性。再次,针对ECTFE薄膜在实际工程中的受力情况,对条形ECTFE薄膜试样在MD方向进行单轴循环拉伸试验,通过应力和应变控制循环的开始。ECTFE薄膜在屈服点之前开始循环拉伸,弹性模量所受影响较弱;随着循环次数的增加,薄膜的弹性模量增加。分别在非线性的三个阶段:软化阶段、冷拉阶段、应变硬化阶段中,给出了ECTFE薄膜的弹性模量随循环次数变化的拟合方程。循环拉伸结束后继续拉伸至膜材屈服或断裂,材料保持单轴拉伸的应力应变特性。在最后,基于几何非线性材料线性模型,对不同内压下的ECTFE气枕的充气成形过程进行了数值模拟,进行了1.0 m边长正六边形ECTFE双层薄膜气枕的平面裁切充气成形试验,通过将试验测得的矢高与模拟结果进行对比,确认了数值模拟的可靠度,通过数值模拟得到了不同内压下的膜面应力、应变、变形的基本特征,对不同气压下的最大应力、最大应变和矢高进行了曲线的拟合,对常温条件下ECTFE气枕的形变特性研究具有一定的参考意义。

关键词： 辐照缺陷   平衡内压   尺度效应   界面效应   铜/铌多层材料  

摘要： 核电材料在核电技术的发展与应用中具有重要作用,辐照缺陷在核电材料中引起的辐照硬化、辐照脆化、辐照肿胀、辐照蠕变等辐照效应严重影响核能工程的安全性和寿命。辐照氦泡是许多受辐照材料的主要缺陷之一,因此开展金属材料中氦泡缺陷对材料力学性能影响的微观变形机理的研究,是设计研发具有良好力学性能抗辐照材料的基础工作之一,具有重要的科学意义与实际应用价值。本文采用分子模拟方法系统地研究了单晶铜内辐照氦泡的平衡内压及其尺度效应、温度效应和引起的应力场,探究了铜/铌层状材料中氦泡与界面间的相互作用,以及氦泡对铜铌层状材料微观变形过程及其力学性能的影响。主要研究工作及成果如下:系统地考察了氦泡内的氦/空位填充比对氦泡内压的影响,采用最小能量准则与应力平衡准则,提出了确定辐照氦泡平衡内压的方法。研究发现:1)存在一个临界尺度,当氦泡孔径小于该临界尺度时,平衡内压出现反常尺度效应,即当氦泡孔径小于3nm时,平衡内压并不随孔径减小而明显增大,甚至出现减小的异常现象,这一反常尺度效应可以从氦泡-基体界面的多面体特征(几何因素)和氦-铜相互作用势(物理因素)两方面进行诠释。2)与模拟获得的平衡内压值相比,采用Young-Laplace公式获得的理论估算值严重高估了氦泡平衡内压(如孔径为3nm时,误差超过71%),引起的误差随氦泡孔径减小而显著增大。3)依据最小能量准则和应力平衡准则获得的平衡内压吻合较好,体现了两种准则在研究该问题时具有良好的自洽性。系统地研究了氦泡孔径与氦/空位填充比等因素对氦泡在单晶铜内引起残余场的影响,以及辐照氦泡对单晶铜拉伸变形过程的影响。模拟结果表明:1)由于纳米氦泡多面体特性和材料的各向异性,即使在氦泡平衡内压作用下,基体铜材料内仍存在一定的应力分布,该应力体现出显著的局域特征,随着与氦泡中心距离的增加而迅速减小。2)针对分子模拟中热涨落导致应力离散性较大的问题,提出时空均化的后处理方法,得到了近于连续介质意义下的残余应力场,取得较好的效果。3)氦泡周围基体棱、角处存在应力集中现象,其相应的Mises等效应力随氦/空位填充比的增加而显著增加,在拉伸过程中能够作为位错源发射位错,促进材料的塑性变形,材料的屈服应力随着填充比的增大而减小。此外,He/V填充比在氦泡与棱边及自由面的位错源竞争中起重要作用,即当填充比较大时(He/V>1.2),铜-氦界面易作为位错源发射位错。针对铜/铌多层材料,模拟分析了辐照氦泡与铜/铌界面的相互作用、辐照氦泡对界面剪切性能以及对铜/铌材料拉伸性能的影响。研究发现:1)基体能量随氦泡距界面距离的减小而减小,证实了铜/铌界面对氦泡的吸附作用。2)铜/铌多层材料界面的抗剪切强度具有各向异性,过压界面氦泡会导致其界面剪切强度的降低,而平衡界面氦泡对界面剪切性能的影响较小。3)铜/铌多层材料具有很高的拉伸强度,应力应变曲线中存在明显的两个应力峰值,分别对应于铜层位错成核扩展与铌层位错成核扩展两种微观变形机理。过压氦泡可以导致第一个应力峰值的下降,但对第二个峰值(极限应力)与相应的应变影响甚微,表明铜/铌多层具有良好的抗辐照性能。本文定量化的研究结果可为半共格层状微纳米材料的抗辐照设计提供必要的基础参数和指导,所采用的时空平均、位错分析等研究方法可为其它层状抗辐照材料的分子模拟研究提供有益的参考。

ISBN: (纸本)9787517093107

关键词： 泡沫铝   环氧树脂   空心玻璃微珠   复合材料   力学性能  

摘要： 泡沫铝-空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料是以泡沫铝材料为骨架,向其中灌注空心玻璃微珠改性后的环氧树脂而制备出的一种新型复合材料,其质量较轻,强度高,不怕高温与腐蚀环境,同时具有良好的吸收能量的性能。该复合材料已在交通运输、航空航天、船舶制造及建筑等多个领域得以应用。随着工程技术的发展,对材料的应用要求也越来越高,因此研究其力学性能的课题也变得越来越重要。本文对两种泡沫铝孔径的泡沫铝-空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料进行了压缩和低速冲击实验研究,讨论了泡沫铝孔径和空心玻璃微珠填充质量比对复合材料力学性能的影响。制备了泡沫铝孔径为5mm和10mm,空心玻璃微珠填充质量比分别为0%、1%、2%、3%、4%和5%的复合材料圆柱试件,通过压缩实验分析了泡沫铝孔径和空心玻璃微珠不同质量比对复合材料压缩屈服极限、压缩弹性模量、比强度及比刚度等性能的影响。研究发现,两种孔径泡沫铝复合材料的压缩屈服极限和比强度的变化规律基本一致,均随空心玻璃微珠填充质量比的增加而先增大后减小。试件的压缩弹性模量与比刚度均随微珠填充质量比的增加而出现先增大后减小的趋势。制备了泡沫铝孔径为5mm和10mm,空心玻璃微珠填充质量比分别为0%、1%、2%、3%、4%和5%的复合材料板,通过对复合材料板进行落锤冲击实验,得到了复合材料板的冲击载荷-时间曲线和能量-时间曲线,分析了空心玻璃微珠填充质量比的变化对复合材料板的刚度、回弹能量和能量吸收能力的影响。研究发现,微珠质量比为3%和4%的复合材料吸能较少,冲击载荷峰值较大,载荷作用时间短,试件破坏位移小,破坏程度最轻,展现出了较好的抗冲击承载性能。制备了10mm孔径的泡沫铝复合材料板,其中空心玻璃微珠的填充质量比为3%。研究了落锤冲击速度分别为2m/s、3m/s、4m/s、5m/s和6m/s下的冲击响应,分析了复合材料板的冲击载荷峰值、破坏位移及能量与冲击速度的关系。研究发现,随着冲击速度的增大,试件的损伤越严重,吸收能量越多损伤开始的时间越早,冲击作用时间越短。复合材料板的冲击载荷峰值随着冲击速度的增加而增大。