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关键词： 功能梯度材料   形状记忆合金   热力耦合   应力分布  

摘要： 功能梯度材料是近年来发展起来的一种新型智能材料,由于其所具有的独特的功能特性,已被广泛应用于工程领域。形状记忆合金由于具有独特的形状记忆效应和伪弹性等特点也已经成为材料领域新兴的热点课题。本文将陶瓷材料和形状记忆合金进行梯度复合得到新型智能材料——功能梯度形状记忆合金,不仅具有梯度功能材料的特殊性能,还因为形状记忆合金的特性而具有更多的有点,在工程领域具有很大的应用潜力。为了能够为工程应用提供准确的理论参考依据,并进一步丰富和完善理论体系,本文以三层梯度功能形状记忆合金层板复合结构为主体,在不同热力载荷作用下,对该复合结构的本构模型进行理论研究。并通过复合材料平均计算法则,推导整个复合结构模型在不同热力载荷下,结构中的形状记忆合金成分的相变分布情况以及整个相变过程中各个阶段的应力分布的理论表达式。通过数值计算,分别绘制在热载荷,外力载荷和热力耦合条件下,结构中形状记忆合金相变过程中的各个阶段的应力分布图形,并与常规的功能梯度材料在相同的载荷下进行对比,展示梯度功能形状记忆合金材料的优越性。结果表明,应力分布受到形状记忆合金分布方式和比例影响;形状记忆合金相变对温度变化十分敏感,且在热载荷下大幅降低应力;而外力作用下,梯度功能形状记忆合金应力分布状况与普通的功能梯度材料没有明显区别。此外,为了能够进一步说明形状记忆合金材料在工程领域的应用的潜力和优越性,本文还进一步讨论了将形状记忆合金用在飞机翼尖小翼上实现人工改变温度来控制翼尖小翼变形的可能性。

关键词： 包装材料   夹层结构   压缩变形   材料力学  

摘要： 本文以瓦楞夹层结构为工程实例,分析这类结构的横向静态压缩变形规律及其机制,结合瓦楞几何参数和瓦楞夹层结构的特征建立力学模型。并通过静态压缩实验验证模型和变形机制。本研究主要内容包括：　　⑴建立瓦楞夹层结构的力学模型,分析瓦楞夹层结构析横向压缩位移公式。基于瓦楞夹层结构牲将其整体处理为夹层板,利用Hoff夹层板理论研究其在均匀横向压缩栽荷下的力学行为,建立瓦楞夹层结构的平衡微分方程,推导出瓦楞夹层结构的全局挠度;将芯层局部处理为工程粱,建立芯层结构的屈服强度模型,推导出瓦楞芯层沿厚度方向的压缩位移,将两部分位移又叠加得出瓦楞夹层结构的实际位移的求解公式。　　⑵研究瓦楞夹层结构的横向压缩变形规律及其机制。建立受横各压缩力作用的双瓦楞夹层弹簧模型,通过分析该模型的压缩变形过程,得出瓦楞夹层结构压缩破坏的一般规律;瓦楞夹层结构先屈服后压溃,且具有多层失稳性。讨论瓦楞夹层结构的变形模式,计算对称变形过程中塑性变形耗散的能量,推导出芯层结构的压溃强度。给出瓦楞夹层结构线弹性阶段、平台阶段及密实化阶段能量吸收的计算公式,以及判断结构是否失散的强度准则。　　⑶理论模型的实验验证。通过瓦楞纸板静态压缩实验,验证了芯层结构的屈服强度和压溃强度模型,理论结果与实验结果较为接近但仍存在一定偏差,随着芯层数的增加偏差减小,理论模型能理好的模拟实验结果,对比瓦楞纸板的应力-应变曲线得知D,瓦楞楞型和铺设角度对纸板的压缩变形影响较大,计算了瓦楞夹层结构在横向静态压缩变形过程中吸收的能量,探讨了这类结构的破坏模式。

关键词： 复合材料   玻璃纤维   增强材料   拉伸   压缩   弯曲   层间剪切   纵横剪切  

摘要： 酚醛／玻纤复合材料具有优良的阻燃性能、低烟性能、低毒性能、低热释放性能、抗火焰燃烧性能、最好的装饰性能和高的结构强度等,因此被大量应用在飞机机舱内地板、隔板、壁板、天花板、行李舱、货舱内衬等部件上。为确定新研制的酚醛／玻纤复合材料的性能是否满足设计及使用要求,提供结构设计及强度分析性能数据,需要开展酚醛/玻纤复合材料力学性能研究试验。本文研究了Repreg-7010和Repreg-7040酚醛/玻纤复合材料层合板在-55℃、20℃干态/湿态、71℃干态/湿态和930C干态/湿态的拉伸、压缩、弯曲、层间剪切、纵横剪切力学性能。讨论了不同温度以及湿态处理对酚醛/玻纤复合材料层合板力学性能的影响,对试样断口进行了分析。试验结果如下： 随着温度的升高,Repreg-7010和Repreg-7040两种酚醛/玻纤复合材料层合板的拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、层间剪切强度、纵横剪切强度都呈现不同程度的降低,但降低的幅度呈现显著的离散性。在同一温度下,湿态处理后的试样的拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、层间剪切强度、纵横剪切强度比干态下的显著降低.Repreg-7010和Repreg-7040两种复合材料层合板弯曲断裂机理基本相同。弯曲失效时试样的最大挠度随温度上升而增加。低温下,试样的下表面拉伸断裂。高温下,试样的上表面压缩断裂。层合板层间剪切时,Repreg-7010型干态试样的上表面都发生分层破坏。20℃湿态试样在试样下表面发生分层破坏,71℃湿态和93℃湿态试样发生弯曲变形。Repreg-7040型层合板在-55℃状态下,试样的上表面发生分层破坏,在20。C、71℃、93℃状态下,试样下表面发生分层破坏,在71℃和93℃状态下,试样断裂后发生了明显的弯曲变形。层合板纵横剪切时,在低温下,Repreg-7010和Repreg-7040两种层合板试样的断裂都为脆性断裂,Repreg-7010层合板在71℃和93℃干态状态下发生了严重的分层现象.Repreg-7040试样断裂时也有-些分层,但分层没有Repreg-7010严重。 由本试验所得的数据与标准对比可知,在20℃干态状态下,Repreg-7010层合板和Repreg-7040层合板的使用性能满足标准要求。由Repreg-7010与Repreg-7040型层合板性能对比可知,Repreg-7010型层合板的性能总体上优于Repreg-7040型层合板。

关键词： Materials science   Nanotechnology   Polymer chemistry  

摘要： Interphase effect in polymer and polymer nanocomposites has been well documented in a variety of studies. As the properties of the interphase region are indicated in a lot of the experiments, the quantitative description of the properties with accuracy, however, is rarely seen in the literatures. With the help of the state-of-art modeling and simulation techniques including finite element analysis (FEA) approaches, the properties of the interphase are predicted based on the data collected from the measurement performed on the polymer and polymer nanocomposites. The impact of the interphase to three types of the properties of the polymer and polymer nanocomposites is studied, namely, mechanical properties measured by the nanoindentation on polymer thin films coated on inorganic substrate, viscoelastic properties of the glassy polymer nanocomposites, and the dielectric relaxation and breakdown behavior of the polymer nanodielectrics. The modeling work presented in this study provides insights into the underlying physics of the interphase effect as well as prototype models for the optimal design of polymer composites.

关键词： 聚合物基复合材料   力学性能   摩擦学性能   界面结合机理  

摘要： 获得集优良力学、摩擦学性能于一体的新型减摩耐磨材料一直是材料领域研究的热点。聚合物基复合材料因具有摩擦系数小、磨损率低、耐腐蚀、质量轻等优点,被认为是最具有应用前景的减摩耐磨材料之一。 复合材料的综合性能主要取决于基体、增强相,以及基体与增强相之间的界面。因此,本文通过合理选用基体与增强相材料、优化制备工艺参数,并在探明复合材料界面结合机理的基础上优化界面设计,从而实现复合材料力学及摩擦学性能的有效调控。对于高性能减摩耐磨材料的研究开发具有极为重要的指导意义。 基于此,本文以具有优良摩擦学性能、力学性能和化学性能的聚醚醚酮（PEEK）作为复合材料的基体材料。选择具有高强度、高热稳定性、高性价比的六钛酸钾晶须（PTW）作为复合材料的增强相,采用挤出和注塑成型方法制备了PTW/PEEK复合材料。系统研究了PTW增强相及其表面改性对复合材料力学性能、摩擦学性能的影响及规律。结合原子、电子尺度的第一性原理计算方法探讨了基体与增强相的微观界面结合行为,以期能构建起包含界面结合强度与复合材料力学及摩擦学性能在内的相关模型。 考察了晶须及其表面处理对PTW/PEEK复合材料力学性能的影响。结果表明：当晶须未经表面处理时,相对于未填充PEEK,复合材料的冲击性能有所下降,拉伸性能改善不明显;而晶须经KH550表面处理后,复合材料的力学性能有不同程度的提高,且随着晶须含量的增加而上升。当晶须含量为15wt%时,复合材料的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度和冲击强度相对于未增强PEEK分别提高了20.62%,20.45%,34.58%和73.68%。 研究了PTW/PEEK复合材料的摩擦学性能。发现PTW的添加对复合材料的摩擦学性能具有改善效果,且晶须经偶联剂表面改性后,其改善效果尤为显著;当PTW的添加量为15wt%时,其摩擦系数和磨损量达到最低值,相对于未增强PEEK而言,两者分别降低了54%和68%;磨损表面形貌分析表明,适当含量晶须的添加,有助于PEEK基体抵抗犁削和磨粒磨损能力的增强,有效阻碍了基体与对偶件间粘着磨损的发生,从而提高了材料的耐磨性;在PTW/PEEK复合材料中添加一定量的聚四氟乙烯（PTFE）,可进一步提高该复合材料的减摩性能。 为探明PTW/PEEK复合材料的界面结合行为,采用第一性原理计算方法研究了PTW的微观晶体结构及其基本物性。发现K2Ti6O13晶体呈现一种由TiO6八面体通过共面和共棱连接的隧道状结构,且其具有很高的结构稳定性;电子结构分析发现,在K2Ti6O13内部,Ti-O间相互作用明显强于K-O,且Ti（d）和O（p）间较强的相互作用决定了该化合物的相结构稳定性;弹性性质计算表明,K2Ti6O13是一种高刚性脆性相,且其在剪切和压缩性能上具有较小的各向异性。 在明确PTW基本物性基础上,采用第一性原理计算方法进一步考察了PTW/PEEK复合材料中的微观界面结合行为。结果表明：K2Ti6O13表面羟基的存在使硅醇在K2Ti6O13表面实现由物理吸附到化学吸附的转变,极大地增强了硅醇与K2Ti6O13的界面结合强度,提高了K2Ti6O13表面改性效果;电子结构分析表明：羟基之所以改善硅醇在K2Ti6O13表面的改性效果,主要归功于羟基与硅醇中的O（s）（p）轨道电子的作用;而PEEK与硅醇的结合是由PEEK链中的羰基与硅醇中的氨基通过亲核加成反应产生醇胺,随后生成亚胺的方式实现的。 对界面结合状态对体系力学及摩擦学性能的影响机理进行了探索,基于力学理论分析,计算了界面剪切强度,很好地解释了界面强度对复合材料的力学性能的影响;借助摩擦能量理论,用表层材料断裂和疲劳断裂的分析,解释了界面强度对复合材料磨损性能的影响。建立了界面结合强度与复合材料力学性能和摩擦学性能的内在联系。本文研究结果将为高性能聚合物基减摩耐磨复合材料的界面设计及性能优化提供重要指导。

关键词： 工程问题   材料力学   教学实践  

摘要： 介绍了工程问题在材料力学课程中的重要地位和作用,并对在教学实践中如何引入工程问题,如何通过工程问题激发学生学习兴趣,如何通过工程问题的求解加深学生对知识点的理解进行了探讨。

关键词： 羟基磷灰石   石墨烯   增韧   力学性能   生物学性能  

摘要： 羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）的化学成分、晶体结构与人体骨组织中的磷酸钙盐相似，具有优异的生物相容性和生物活性，是一种极具应用潜力的生物活性陶瓷。然而，HA的本征脆性及其本征脆性所导致的较差的摩擦磨损性能，很大程度上影响了其作为硬组织假体替换材料植入人体后服役的可靠性。所以，采取第二相材料对单相HA进行增韧是改善其断裂韧性、确保其可靠服役的关键。 本课题基于石墨烯纳米片（graphene nanosheets，GNSs）在力学性能、生物相容性上的优异性能，利用GNSs增韧HA，制备GNS/HA复合材料。采用超声结合表面活性剂分散的方法获取GNS-HA混合粉末（材料成分为HA，0.5wt.%GNS/HA和1.0wt.%GNS/HA），利用放电等离子烧结（spark plasma sintering，SPS）技术制备HA，GNS/HA复合材料，并对复合材料进行了物相表征，显微组织/形貌观察，力学性能分析以及相关生物学性能评价。 采用x-衍射和拉曼光谱研究了SPS烧结复合材料的物相组成，结果表明HA在高温烧结中没有发生严重分解，且GNSs的特征结构在烧结后得以大量保留。显微组织/形貌观察发现GNSs在复合材料中分布较为均匀。 采用仪器化微/纳米压入仪和显微硬度计研究了HA及GNS/HA复合材料的力学性能（如显微硬度、弹性模量和断裂韧性）。结果表明，1.0wt.%GNS/HA的弹性模量和显微硬度分别比HA的弹性模量和显微硬度增加了40%和30%，且1.0wt.%GNS/HA的断裂韧性增加了80%。分析表明，GNS拔出、GNS在晶粒之间的桥接、裂纹桥接、裂纹偏转等是GNS/HA复合材料中的主要增韧机制。研究中修改了2D应力传递模型，考虑了石墨烯层数对GNS-HA界面应力的影响。同时，修改了拔出模型，获得了GNS拔出的临界应力释放率，计算表明GNS拔出对GNS/HA复合材料断裂韧性的改善具有较大的贡献。 通过研究成骨细胞贴附、增殖和成骨矿化评价GNS/HA复合材料生物学性能。成骨细胞实验表明，GNS/HA复合材料表面贴附的成骨细胞数量增加，且分布更均匀，成骨细胞在GNS/HA复合材料表面的增殖能力也得到提高。研究认为，GNSs对GNS/HA复合材料微观形貌的改变是影响成骨细胞贴附、增殖行为的主要原因。模拟体液浸泡实验结果表明，GNS/HA复合材料较HA具有更加优异的成骨矿化性能。研究认为，GNSs的添加改变了材料中钙离子的溶解速率，暴露在模拟体液中的GNSs为磷酸钙盐的沉积提供了更多的骨质形核质点，从而改善了HA的成骨矿化能力。 上述研究结果表明，GNS/HA复合材料具有良好的生物力学性能及优异的生物活性，是一种具有发展潜力的硬组织假体替换材料。

关键词： 材料力学-高等学校-教材  

关键词： 实验教学   创新能力   改革  

摘要： 分析了材料力学实验教学中的不足,结合军事院校人才培养需要,阐述了如何以学员创新能力培养为中心,从实验教学内容、教学方法与手段、考核方式等方面进行改革探索。

关键词： 颗粒复合材料   有限元模拟   Mori-Tanaka方法   Eshelby张量   割线模量近似  

摘要： 本文研究颗粒增强弹塑性基体复合材料力学特性的评估。针对基于Eshelby问题解的平均场方法高估复合材料的弹塑性模量的问题，提出采用割线弹塑性模量替代切线弹塑性模量确定Eshelby张量的方法，结合Mori-Tanaka方法建立了颗粒增强弹塑性基体复合材料力学特性的一种评估方法，并与对代表性体积单元模型进行有限元分析的结果进行了比较。 本文将有限元模拟结果作为验证由平均场方法得到的结果的基准。有限元模拟包括材料的简单拉伸、纯剪和拉压循环等载荷作用下复合材料响应特性。参照其他研究者的方法，假设材料在微观上是由圆柱体中嵌有球形夹杂的胞元周期性排布而形成宏观结构，采用不同有限元模型进行分析并对其结果进行比较。单轴拉伸有限元模型包括1/8正方体胞元施加拉伸位移载荷、二维轴对称胞元施加拉伸力/位移载荷、正方体胞元布周期性边界条件时施加拉伸力/位移载荷，结果显示，在弹性阶段三种模型应力应变响应曲线重合一致，但材料达到屈服进入塑性后出现差异，1/8胞元所得结果最低，二维轴对称胞元略低于正方体胞元布周期性边条的结果，但两者塑性趋势较为一致；继拉伸之后对材料进行纯扭转，为对比分析建立两种扭转有限元模型，包括正方体胞元布周期性边条施加剪切力/位移载荷和薄壁圆筒施加扭转角取扭矩再进行转换而得剪切应力-应变响应（为测试材料的受力状态，对两种模型赋纯基体材料属性和相应的边条、载荷，结果显示仅在剪切方向有应力应变值，这表明所建立的纯扭转有限元模型材料受力状态为纯剪切），薄壁圆筒所得结果略高于正方体胞元，但两种模型所得的结果中材料屈服点较基体仅略为提高，并测试了嵌夹杂为不同体积分数时的材料经受纯剪切的响应，结果表明夹杂体积分数的增加会提高材料的剪切模量，但对于材料屈服点和塑性承载力并没有明显增强效应。2、对理论上的研究讨论主要包括：详述及讨论Mori-Tanaka方法中根据增量形式的本构模型计算Eshelby张量时采用的各向同性切线弹塑性矩阵和各向异性刚度矩阵所得的结果，其中各向异性方法所得结果严重偏高而各向同性结果略微“偏软”，虽然各向同性所得结果较好，但缺乏理论解释和物理背景。3、本文对已有的Mori-Tanaka方法进行修正，结合全量形式的本构模型，采用割线模量计算Eshelby张量，这种修正的方法在避免进行各向同性处理的同时也能得到与之前对切线模量进行各向同性化相一致的结果，较有限元结果略低。这种修正的Mori-Tanaka方法也为后继研究提供了一种可行的思路，为了拓展全量本构关系的应用范围，本文进一步对材料进行拉压循环，采用修正的Mori-Tanaka方法计算循环加载时，将卸载点看做新的“原点”，拓展了割线方法的适用范围。文中亦对材料进行了拉扭比例为1:1时的比例加载，类似其他几种应力状态的结果，各向异性所得结果较有限元严重偏高而各向同性化和割线方法所得的结果较好且两者具有高度一致性。