教学课程资源库 更多>>

关键词： 颗粒材料   广义连续体   微结构   微形态模型   梯度模型  

摘要： 颗粒材料由大量离散固体颗粒及其孔隙组成,广泛存在于日常生活与生产活动当中。颗粒材料具有复杂的物理力学性质,与其细观结构信息紧密相关,如颗粒的接触关系、颗粒形状、尺寸分布、颗粒的空间排布等。通常,对颗粒材料力学性质的研究有两种途径:离散途径与连续体途径。离散途径更接近于颗粒材料的物理本质,可以从根本上考察细观结构信息的影响,然而在实际应用中所需颗粒数目巨大,因而此途径会受到计算规模的限制。于是,在连续体框架下,发展考虑颗粒细观结构信息的宏观连续体模型仍然具有十分重要的意义。本文针对颗粒材料的细观结构信息颗粒材料宏观力学性质的影响进行了相关研究。具体研究内容如下:首先,为提供更多的描述变量来对应均匀化的细观结构信息,考虑颗粒材料更完备的变形模式,提出了一个基于细观力学途径的颗粒材料微形态连续体模型。此模型将颗粒运动(包括平动与转动)进行了分解,使得模型具有6个独立的平动自由度与6个独立的转动自由度,并认为细观真实运动由宏观(平均)运动与一个表示宏细观相对运动的波动组成。基于此运动分解,推导了能够表征细观结构信息的宏观本构关系,其中包括了应力-应变关系(相对应力-相对应变关系)与偶应力-微曲率关系(相对偶应力-相对微曲率关系)。其次,考虑到微形态模型的复杂性,对其转动自由度进行约束,提出了一个简化的微形态模型。在此模型中,同样对颗粒运动进行了分解,并根据此分解推导了宏观本构关系,并进一步求出了平衡方程与运动方程。基于所提出的微形态模型,考察了波在弹性颗粒介质中的传播行为,预测了横波、纵波、横向剪切波、横向旋转波的频散行为与频率带隙。此外,也对横波、纵波、横向剪切波、横向旋转波的波速进行了预测。而后详细探讨了细观结构信息,包括接触刚度参数、内禀长度等,对于横波、纵波、横向剪切波、横向旋转波的频散现象与波速的影响。再次,采用完全隐式映射返回算法在ABAQUS的用户单元子程序(UEL)中实现了颗粒材料微形态弹塑性本构模型的程序代码。数值算例验证了此模型模拟应变软化与应变局部化行为的能力。详细考察了接触刚度参数、内禀长度等细观结构信息对于颗粒材料宏观力学响应的影响。同时,也详细考察了内摩擦角与剪胀角对颗粒材料宏观力学行为的影响。最后,考虑到颗粒材料的高度非均匀性,颗粒宏细观变量之间的映射需是非仿射的。基于此思想,通过引入梯度项,并考虑到颗粒中间尺度(颗粒团)的耗散,建立了颗粒宏细观变量之间的非仿射变换。基于此非仿射变换,通过未考虑颗粒滚动与考虑颗粒滚动的两种变形自由能形式,推导了基于细观热力学途径的颗粒材料梯度模型。通过此模型,对应变软化与应变局部化现象进行了数值模拟,并详细讨论了梯度项、颗粒滚动、样本尺寸、内禀长度等因素对颗粒集合体宏观力学性能的影响。

关键词： 材料力学   慕课平台   探索与研究  

摘要： 《材料力学》是高校机械、能源动力、土木、材料等工科类专业的一门重要的专业基础课,课程特点是理论性较强,与工程实际联系紧密。研究材料力学慕课平台建设的必要性,探讨慕课平台的具体建设方法及应用,对学生更好地掌握该门课程起到重要作用。

关键词： 应用型大学   材料力学   教学方法  

摘要： 材料力学是多数理工科专业的基础课程,也是一门理论性和实践性都较强的专业基础课。材料力学的教学内容和教学效果往往对后续课程的学习有重要影响,以应用型本科教学为例初步分析了材料力学的学科特点以及不同教学方式下的教学效果,最后得出传统讲授结合分组教学同时有效利用实验教学会有效提高教学效果的结论。

关键词： 聚醚醚酮   热塑性聚酰亚胺   力学性能   碳纳米管   注塑成型  

摘要： 材料是人类赖以生存与发展的物质基础。塑料作为其中重要的一类,在我们的生产生活中有着广泛应用,它们性能各异、优势各不相同。同时,人类社会发展日新月异,开发出适应新需求的材料已成为当务之急。聚醚醚酮(Poly-ether-ether-ketone,PEEK)和聚酰亚胺(Polyimide,PI)是两类各具独特优势性能的特种工程塑料。PEEK耐强化学腐蚀且易于加工,但其高温力学性能较差。PI高温力学性能十分优异,但其不耐酸碱腐蚀,且由于熔体粘度过大成型方式受限。PI/PEEK共混合金材料可综合两者的优势,因此可以在更为极端的环境下使用。针对上述问题,本文通过共混技术制备了不同混合比例的TPI/PEEK材料。研究了不同混合比例材料在常温及高低温环境下的力学性能,结合微观形貌、结晶性能分析研究了材料最佳混合比例。最终实现了TPI及PEEK优势性能的综合,制备出一类耐高温、易加工的合金材料。在此基础上,本文采用模拟手段对共混材料的界面性能进行研究,进而解释了TPI/PEEK材料破坏机理。将介观动力学、有限元方法、分子动力学分别应用于材料相形貌分布及外力作用下材料应力分布、界面结合性能的模拟分析中,综合以上分析结果分析确定了TPI/PEEK材料主要的破坏失效形式:材料界面处结合性能较差且易出现应力集中,因而TPI/PEEK共混体系易在界面处发生破坏进而引起材料失效。针对TPI/PEEK材料界面结合性能较差问题,本文通过添加多壁碳纳米管并调控工艺实现了多壁碳纳米管在界面处的选择性分布,进而提升了材料的力学性能。电镜实验发现碳纳米管多集中分布于TPI/PEEK共混体系界面处,拉伸实验表明碳纳米管的加入在一定程度上提升了材料在常温及高温下的力学性能,同时实验结果表明碳纳米管的加入使得材料的导热系数有了一定提升。本文最终制得一种耐高温、耐腐蚀、易加工的多功能材料。

关键词： 材料力学   机械加工   互联互通   实践教学  

摘要： 在研究中以机械加工、材料力学专业为例,分析如何实现互联互通教学以及所取得的效果,在此基础上,提出机械加工实践与材料力学实验互联互通教学的相关建议。

关键词： 湿环境   碳纳米管薄膜   力学性能   拉曼光谱  

摘要： 柔性锂离子电池是一种能量密度高、循环性能好、轻薄且柔韧性较强的电化学储能元件。碳纳米管薄膜具有良好的柔韧性、高的比表面积和较强电导率,是一种理想的柔性锂离子电池电极材料。碳纳米管薄膜用作电极材料时工作在湿环境之中,这就需要充分认识碳纳米管薄膜材料在湿环境中的力学性能。本文通过宏观拉伸联合原位微拉曼光谱法,研究不同湿环境下碳纳米管薄膜材料的力学性能及其微观机理。本文主要工作所取得的进展如下:(1)开展了碳纳米管薄膜材料在不同湿环境下宏观拉伸力学性能的实验测量,分析了干燥薄膜、不同液体浸湿及浸湿后风干薄膜的力学性能的差异。实验结果表明,经N-丙基甲基哌啶三氟甲磺酰亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、碳酸丙烯酯三种液体浸湿的碳纳米管薄膜的杨氏模量、拉伸强度基本相同,且比干燥薄膜大幅降低;经碳酸丙烯酯浸湿且风干一段时间的碳纳米管薄膜材料的杨氏模量和拉伸强度明显高于碳酸丙烯酯浸湿的薄膜。(2)开展了碳纳米管薄膜材料不同湿环境下的拉伸-原位微拉曼实验,测量了不同湿环境下碳纳米管薄膜材料拉伸加载期间其内碳纳米管的载荷响应。结果显示,在薄膜变形的第一阶段,不同液体浸湿薄膜的拉曼频移-应变斜率相差不大,且明显小于干燥薄膜,说明不同液体浸湿薄膜在拉伸过程中,其内碳纳米管的变形量相似,且小于干燥薄膜,这使得经液体浸湿后的薄膜杨氏模量基本相同且小于干燥薄膜。经碳酸丙烯酯浸湿且风干的薄膜材料,在变形第一阶段的拉曼频移-应变斜率大于碳酸丙烯酯全浸湿薄膜,使得经碳酸丙烯酯浸湿且风干薄膜的杨氏模量高于全浸湿薄膜。(3)基于以上宏观拉伸和微拉曼实验结果,分析了薄膜内碳纳米管束网络结构的变形过程及其与薄膜宏观力学性能的关联,并对碳酸丙烯酯浸湿后风干薄膜材料的力学性能进行了建模分析。

关键词： 混杂改性   复合材料   增韧机理   动态性能   循环温度  

摘要： 树脂基复合材料具有强度高,可设计性强,制备工艺简单,易于工业生产等诸多优点,在航空航天、船舶、汽车、建筑以及生活用品等方面得到了广泛的应用。树脂基复合材料通常由基体和增强相两部分组成,环氧基体复合材料是目前在众多领域应用最为广泛的一种基体,由于其高度交联结构导致其韧性较差,因此这就进一步造成了纤维增强环氧基复合材料层间韧性较差,进而限制了其承载能力。另一方面,树脂基复合材料在实际使用过程中,因材料的组分的不同而导致在不同的应变率载荷条件以及不同的环境温度中表现出不同的力学特性。因此,论文首先针对单一、混杂形式的颗粒增强环氧树脂基体在准静态载荷下的力学性能进行了分析;其次,基于分离式霍普金森压杆技术对单一、混杂形式的颗粒增强环氧树脂基体的动态力学性能进行了研究,最后,对单一、混杂形式的颗粒改性纤维增强树脂基复合材料的基本力学性能、层间增韧以及在不同环境温度下,纳米颗粒改性对其力学性能的影响进行了探讨。论文的主要内容包含以下几方面:（1）针对不同类型的颗粒改性基体以及纤维增强复合材料,采用纳米颗粒分散工艺、真空辅助成型工艺、真空热压成型工艺等制备了相应的力学性能测试试样。根据国标以及ASTM标准对相关试样进行了力学性能表征,同时基于二维数字图像相关技术以及分离式霍普金森压杆技术对所制备的颗粒增强树脂基复合材料的动态力学性能进行了表征。（2）通过实验研究了50nm、100nm、200nmAl2O3颗粒改性环氧树脂的在准静态载荷下的拉伸、断裂性能。结合细观力学连续渐进损伤模型,对颗粒的尺寸效应引起的增韧机理的不同进行了探讨。同时基于分离式霍普金斯压杆及数字图像相关技术,对三种颗粒的动态断裂性能进行了研究,并对冲击在下颗粒的尺寸效应以及增韧机理进行了分析。研究结果表明:纳米Al2O3颗粒改性环氧树脂的拉伸强度和断裂韧性值可以提高80%以上,在准静态载荷下,颗粒尺寸越小,拉伸强度和断裂韧性值越大,而在动载荷作用下,断裂韧性随着颗粒尺寸的增大而增加。（3）对通过偶联剂改性的50nm、1μm Al2O3颗粒和多壁碳纳米管以单一及混杂的方式改性环氧树脂的准静态拉伸、断裂性能进行了试验研究,研究发现,通过颗粒的尺寸混杂,可以更加有效提高环氧树脂的准静态断裂韧性。（4）基于分离式霍普金森压杆对偶联剂改性的50nm、1μm Al2O3颗粒和多壁碳纳米管以单一及混杂的方式改性环氧树脂,在800/s,1200/s,1500/s三种应变率下的动态压缩性能进行了实验研究。试验结果表明:随着加载应变率的提升,不同类型环氧树脂的动态压缩的应力-应变曲线中,非线性阶段会变小;在不同应变率下,对于同一试样其动态压缩强度和失效应变都会有一定的差异。（5）对采用50nm,1μm Al2O3,短切碳纤维三种不同尺度的颗粒以单一及混杂的方式改性环氧乙烯基树脂的拉伸、压缩及弯曲性能进行了实验研究,研究发现采用微米Al2O3/短切碳纤维改性树脂,其拉伸、弯曲及压缩性能均能够得到有效提升,采用混杂方式改性树脂,通过颗粒尺寸混杂增韧效果明显。（6）对采用纳米颗粒附着在碳纤维表面增强热塑性基体及多尺度颗粒改性玻璃纤维环氧基体的层合板的力学性能及层间断裂性能进行了进行了试验研究。研究发现当纳米颗粒在纤维表面分散均匀时,可以有效提高界面强度,若在纤维表面存在颗粒团聚,则会降低界面强度,同时颗粒在纤维表面的分散程度会影响试样在失效过程中的能量耗散机制。（7）纳米Al2O3颗粒改性玻璃纤维在低温服役环境以及高低温循环服役环境下的力学性能进行了实验研究,通过采用模量损伤系数、强度衰减系数来表征环境温度对层合板力学性能的影响规律,发现当纳米颗粒质量分数控制1%以内,GFRP在低温服役环境的力学性能有较大的提升。在高低温循环温度条件下,改性和未改性的GFRP的拉伸和弯曲性能会随着温度循环次数的增加而降低,但在循环次数较小时（小于25次）,可以消除其材料在制备过程形成的内部残余应力,从而能提高力学性能。

关键词： 超轻质水泥基复合材料   抗压强度   抗折强度   抗弯性能   动态压缩性能  

摘要： 超轻质水泥基复合材料（Ultra Lightweight Cement Composites,简称ULCC）这种新型材料最初是为了满足海工结构的要求和发展而研发,现有研究大多数都集中在添加PVA纤维上,对于掺入PVA和钢纤维的对比研究并不多,海工结构的发展也要求结构材料具有更好的承受冲击荷载甚至是爆炸荷载的能力。基于此,本论文在保持水胶比一致的条件下,设计了2种纤维类别（PVA纤维和钢纤维）和3种纤维体积掺量（0%、0.5%和1.0%）的超轻质水泥基复合材料,测定了其在3天、7天及28天条件下的圆柱体抗压强度、抗折强度、折后小立方体抗压强度及抗弯强度,以及其在28天条件下的动态压缩强度,比较分析了PVA纤维和钢纤维对纤维增强超轻质水泥基复合材料各力学性能的影响,主要研究内容及结论如下:1.掺入钢纤维时基体的极限压应变要高于掺入PVA纤维时的极限压应变,在掺入0.5%和1.0%体积掺量钢纤维时的极限压应变分别为掺入PVA纤维时的1.08倍和1.25倍。2.钢纤维的掺入对超轻质水泥基复合材料折后小立方体抗压强度的增强效果要优于PVA纤维,在体积掺量为0.5%时的增强效果明显,最大可为掺入PVA纤维时水泥基基体强度的1.23倍。3.钢纤维对超轻质水泥基抗折强度的增强效果要优于PVA纤维,并且0.5%体积掺量的纤维加入时,钢纤维的增强效果更加明显,最高可为PVA纤维增强超轻质水泥基基体抗折强度的1.82倍。4.通过对折压比的分析可知钢纤维对超轻质水泥基的增韧效果要优于PVA纤维,尤其是掺入0.5%体积掺量的纤维时,其增韧效果更加明显,最高可为PVA纤维增强超轻质水泥基基体折压比的1.47倍。5.掺入钢纤维时基体的抗弯性能和弯曲韧性要优于掺入PVA纤维时的,并且在纤维体积掺量为0.5%时效果更加明显,同样龄期条件下,极限弯拉强度可比掺入PVA纤维时基体的极限弯拉强度高39.24%,剩余强度系数最大可为PVA纤维掺入时的3.19倍。6.掺入PVA纤维时试件具有更好的动态压缩性能,在体积掺量为1.0%时效果明显,在25s-135s-1的平均应变率条件下,掺入PVA纤维试件峰值应力的应变率增强效应是掺入钢纤维试件的1.52倍。

关键词： 裂缝问题   氧化石墨烯   阳极材料   力学性能测试  

摘要： 由裂缝问题导致混凝土结构失效的情况非常严重,轻者会影响结构的正常使用或缩短结构的使用寿命,重者会产生灾难性的事故,给国家和人民带来巨大损失。在实践中,混凝土结构提早遭到破坏,需要修理、加固,甚至需要重建,耐久性不良造成极大的人力、物力和财力浪费。混凝土裂缝不仅影响了混凝土的美观程度,造成安全隐患,也降低了混凝土的结构承载力,同时引起钢筋锈蚀,影响着混凝土的强度以及耐久性。因此,对于裂缝的控制,是我们急需解决的问题。氧化石墨烯（GO）由于良好的力学性能和稳定性（无化学活性和降解风险）,被用于水泥基材料中。目前,常用制备GO的方法,主要包括Brodie法、Staudenmaier法和Hummers法等。前两种方法在制备GO的过程中,可能会产生ClO2和NOx等有害气体。Hummers法虽无有害气体产生,但此反应过程中需控制的因素较多,过量的KMnO4、K2FeO4、KClO3等也会造成潜在的污染,且操作流程复杂。为了优化制备流程和实验参数,本文采用电化学方法来制备GO,这种方法不需用到强氧化剂以及有毒试剂,成本低廉,环保绿色,而且电化学法工艺操作简单,氧化时以更多地离子插入方式剥离而减少氧化程度,制备的GO材料有更好的物理化学性质。本文在研究阳极CFRP的劣化机制时,通过对溶液进行回收并分析,发现了类似GO的物质。通过用CFRP板做阳极,不同浓度的NaCl溶液作电解液（3%、10%和20%）,在外加电流分别为4 mA和10 mA的条件下成功制备了GO。然而由于回收溶液中氯离子的存在,对混凝土结构的安全性构成巨大的隐患。因此,本文尝试用一种对混凝土无害的溶液作为电解液来制备GO,并掺入到水泥基材料中,测试其力学性能。通过用CF和石墨棒（SMB）做阳极,自来水作电解液,在不同的外加电流（4 mA、10 m A、20mA和30 m A）和电极距离（1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm）下来制备GO,发现要得到浓度较高的以GO为主的溶液,外加电流分别为10 mA和30 mA,电极距离分别为2 cm和3 cm的条件应优先选择。关于阳极材料的选择,石墨棒相比于CF布和CFRP板,来源丰富成本低廉,因此本文着重研究了用石墨棒（SMB）做阳极,在不同的外加电流（10m A和30 m A）和电极距离（2 cm和3 cm）下来制备GO的方案,通电时间为8天。通过GO标定曲线,计算不同条件下制备的GO浓度,按0.08%（占水泥固体的质量）的掺量加入到水泥基材料中,研究GO对水泥基力学性能的影响。研究结果表明,GO的掺入提高了水泥砂浆的抗折强度,而对抗压强度的影响不大。

关键词： 聚氨酯海绵   聚吡咯   压力传感   电化学性能   可穿戴  

摘要： 随着智能化社会的建设,柔性便携式传感器成为科技发展的重要组成部分,这种柔性传感器件已经广泛应用到电子显示屏、仿生机器人、健康监测等各个领域。以更低的成本和更低的能耗提高设备的灵敏度、稳定性以及易加工性已经越来越受到科研工作者们的重视。在构成传感器的多种基底材料中,简单易携的柔性聚合物基底由于其丰富的优点而具有最广泛的应用前景。目前,基于导电聚合物等高聚物制备的复合材料基半导体材料,对压缩应力/弯曲应力敏感的复合材料力学传感器已引起科研工作者们广泛兴趣,用于制备高性能且高稳定性的力学传感器。通过便捷的制备方法得到高灵敏性、大量程的力学传感器一直是我们的目标。本论文工作将针对以下两个方面进行研究:导电聚合物/聚氨酯基复合材料压缩应力传感器的研究。第一部分实验通过方糖模板法制备出了孔隙率达80%以上、可以几秒内快速回弹的聚氨酯多孔海绵材料,接下来又通过原位聚合的方法制备出了可以快速响应压力变化、灵敏度高以及检测压力范围大的聚吡咯/聚氨酯基复合导电海绵。实验通过采用不同的聚合时间、施加不同的压力来确定导电海绵电化学响应的最佳条件。与此同时,通过实验探究出了器件的电化学响应性与施加的压力大小几乎成正比,且可检测压力范围为0.2 N-150 N。这部分实验在整体上探究出了制备聚吡咯/聚氨酯基复合材料压缩应力传感器的最简便快捷又高效的方法。为了验证器件的稳定性,在测试部分进行了100次重复循环实验,也证明了本文制备的聚吡咯/聚氨酯基复合材料压缩应力传感器件具有很好的可重复利用性。导电聚合物/聚氨酯基复合材料弯曲应力传感器的研究。第二部分实验与第一部分不同之处在于使用了自制长条状糖模板制备出了孔隙率达80%以上、可以快速回弹的聚氨酯多孔海绵,并同样采用原位聚合的方法制备出了可以感应弯曲和拉伸等多种应力、灵敏度高以及检测范围大的长条状聚吡咯/聚氨酯基复合导电海绵。实验通过使器件拉伸不同的长度确定了其可拉伸的位移范围为0.1 mm-5 mm,又使器件弯曲不同的角度,确定其可以灵敏的感应弯曲角度的变化,具有较高的灵敏性,奠定了其在可穿戴传感领域的应用基础。通过本论文的研究,我们发现无论是使用方糖为模板制备的压缩应力传感器还是以自制糖模板制备的弯曲应力传感器,都是一种低成本效益的方法,没有技术上的困难,这对实验的研究具有一定的参考价值。