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关键词： 材料力学   冲蚀模型   角型颗粒   光滑粒子动力学  

摘要： 固体颗粒冲击材料表面导致材料去除的现象广泛存在于工程领域中，该过程可能是不利的，例如颗粒流对管壁的冲蚀磨损过程；也可能是有利的，例如喷砂清理过程。在实际的冲蚀过程中，颗粒多为形状不规则的角型颗粒，角型颗粒冲击导致的微机械行为会使材料表面产生局部大变形甚至脱落，传统的基于网格的数值方法不适合此类问题的求解。因此，本文采用一种无网格方法——光滑粒子动力学方法（SPH），建立角型颗粒冲蚀模型，并对模型的数值求解方案进行研究。\n 首先，提出了基于刚-塑性假设的双体碰撞模型，模型描述了颗粒与基体材料之间的碰撞、反弹过程。为了计算碰撞过程中微机械行为导致的基体材料变形，给出了基于连续介质力学理论的控制方程；颗粒和基体材料之间通过接触算法实现相互作用。针对延性材料和脆性材料，分别使用Johnson-Cook本构模型和Johnson-Holmquist本构模型描述材料的塑性变形和失效行为。根据角型颗粒的形状特征，给出了按照颗粒实际几何轮廓的单个颗粒建模方法；同时研究了多个颗粒的参数化建模方法，给出了根据颗粒样品的形状和尺寸分布生成大量颗粒的建模方案。\n 其次，采用显式时间积分格式对颗粒冲击过程进行求解，推导了控制方程的SPH离散方程，便于数值求解。研究了SPH方法的基本问题，包括SPH方法的数值完备性以及改进完备性的算法策略，引入基于核梯度修正的改进算法，该格式有助于提高在粒子分布不均匀和边界区域的数值近似的精度；为了确保数值计算的稳定性，引入两种修正格式，包括人工粘性力和人工密度项，研究表明修正格式有助于抑制计算过程中应力场和压力场的非物理震荡。此外，还对边界条件和粒子搜索算法等问题进行了研究，最终形成了一套基于SPH方法的数值求解方案，并编写了基于Fortran语言的计算代码。随后将模型应用于单个角型颗粒冲击动态过程的仿真计算，结果表明，模型能够有效地计算角型颗粒冲击造成的局部大变形、材料切削等行为。\n 再次，使用冲蚀模型研究硬质角型颗粒冲击延性金属材料的冲蚀机理，通过与单颗粒冲击实验结果对比，包括颗粒反弹参数和冲击凹坑轮廓数据，验证了冲蚀模型的正确性。研究了冲击参数（包括冲击角、方位角、冲击速度）对冲击行为的影响规律，包括颗粒旋转方向、反弹参数、冲蚀凹坑轮廓、颗粒动能损失等。研究表明：(1)冲击诱导的颗粒旋转是决定角型颗粒冲蚀机制类型的重要因素：以菱形颗粒为例，在倾斜冲击条件下，后旋旋转的颗粒会造成“微切削（micro-machining）”机制，导致材料的直接去除；而前旋旋转的颗粒会导致“切割（cutting）”或“耕犁（ploughing）”机制（取决于初始方位角的大小），但均不会造成材料的直接去除；(2)冲击角和方位角的组合决定了颗粒的旋转方向：当冲击角固定，方位角变化时，如果方位角小于临界值，则颗粒为前旋旋转；如果大于临界值，则为后旋旋转；(3)当方位角接近临界值时，颗粒的动能损失达到最大值，即无量纲动能损失系数接近1.0；颗粒的动能损失与颗粒的反弹方向具有一定的相关性，较高的动能损失一般对应了较大的颗粒反弹角。此外，还分析了颗粒在撞击瞬间所具有的初始旋转角速度对冲蚀机理的影响，研究表明初始的颗粒后旋会增加颗粒冲蚀材料的能力。\n 最后，为了扩展冲蚀模型及SPH方法在相关领域的应用，通过具体算例展示了SPH冲蚀模型应用于不同问题时的适用性。其中包括多个角型颗粒冲击材料表面的冲蚀过程的仿真研究，射流-磨料冲击靶体材料的耦合模型研究，刀具切削金属材料过程的仿真研究，为扩展SPH方法在冲蚀磨损及其相关领域的应用打下了基础。

关键词： 复合墙体   抗震性能   热工性能   纤维增强EPS   力学性能  

摘要： 近年来国家对建筑节能日益重视，对建筑围护结构的热工性能要求越来越高，研发建筑节能材料、发展绿色建筑具有重要的现实意义。装配式混凝土结构保温与承重一体化体系符合绿色节能的建筑要求，是实现建筑节能减排、发展绿色建筑的有效途径之一。本文在课题组前期研究成果的基础上，以试验研究与理论分析相结合的方法，重点对纤维增强EPS(聚苯乙烯)保温材料各因素与性能的影响关系、纤维增强EPS轻骨料混凝土的力学性能及损伤本构模型、不同参数装配式复合墙体的抗震性能及热工性能指标等展开了系统的研究和讨论。主要研究内容与成果如下：\n 1、从优化纤维增强EPS保温砂浆配合比的角度出发，通过正交试验，重点研究分析EPS颗粒掺量、胶粉掺量、硅灰掺量、羟丙基甲基纤维素醚、防水剂、减水剂、纤维掺量（聚丙烯纤维和木纤维按1:1掺和）各个因素及交互作用对EPS保温砂浆物理、热工和力学性能的影响规律及各影响因素的主次顺序，得出适用于EPS砂浆夹芯保温复合墙体保温材料的配合比。\n 2、在正交试验结果的基础上，采用单因素方法研究砂率对纤维增强EPS轻骨料混凝土的力学性能和热工性能的影响规律，得出适用于装配式复合墙体内填砌块的EPS轻骨料混凝土最优配合比，给出立方体抗压强度与轴心抗压强度之间的转换关系和应力—应变曲线。研究结果表明：1）随着砂率的增加，纤维增强EPS轻骨料混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度均有不同程度的增加，导热性能有所降低。2）纤维增强EPS轻骨料混凝土在压缩过程中呈现明显的弹塑性，具有较好的变形储能能力，应力—应变全曲线表现为弹性阶段、强化阶段、软化阶段及坍塌平台四个阶段。3）基于纤维增强EPS轻骨料混凝土的应力—应变全曲线的特征，以连续损伤力学理论和塑性理论为基础，同时考虑塑性与损伤的藕合关系，给出单轴受压下纤维增强EPS轻骨料混凝土的弹塑性损伤本构模型，通过与试验结果对比验证了其有效性。\n 3、对3榀不同参数（内填加气混凝土砌块、内填EPS轻骨料混凝土砌块、EPS砂浆夹芯保温）的装配式复合墙体进行抗震性能试验研究，以研究不同参数复合墙体的受力特点、破坏机制及抗震性能指标；根据相关节能规范，给出装配式复合墙板传热系数和热惰性指标的计算公式，分析不同参数的保温承重一体化装配式复合墙体热工性能指标。试验结果表明：1）在水平荷载作用下，装配式复合墙体中的砌块、肋格和外框柱可以协同工作，共同受力，在墙体的弹性阶段、弹塑性阶段及破坏阶段顺序依次承担主要受力作用，具有多道抗震防线。2）相比于标准墙体，内填EPS轻骨料混凝土砌块的复合墙体整体承载力略微下降，但表现出更好的延性和耗能能力，具有持续稳定的承载能力；EPS砂浆夹芯保温复合墙体试件对复合墙体的承载能力和其他抗震性能指标有明显提升，但延性有所降低。3榀装配式复合墙体都具有较好的弹塑性变形能力和抗倒塌能力。3）装配式复合墙板结构中肋梁肋柱部位的传热能力较强，热流较密集，单纯靠内填保温材料砌块的复合墙板无法满足建筑节能的要求，需增加保温措施；EPS砂浆夹芯保温复合墙体能较好的满足于夏热冬冷地区的建筑节能标准的要求，并能够适用于西安地区的建筑节能设计中。

关键词： 环氧树脂   纳米复合材料   力学性能   应变率  

摘要： 聚合物基无机纳米复合材料作为一种集有机高分子与无机纳米组分于一体的新功能聚合物材料，其结合了无机物的刚性、热稳定性、尺寸稳定性与聚合物的韧性、加工性等，同时兼具纳米材料的优点，在机械、光学、电子学、生物学等领域有着广泛的应用前景。碳纤维增强树脂基复合材料具有质量轻、高比强度、高比模量、耐高温等一系列优异性能;界面是碳纤维/树脂基体两相结合的区域，它起到保护纤维、传递应力的作用，决定着复合材料的整体力学行为;采用纳米技术优化界面结构一直受到研究者们的持续关注。此外，复合材料在实际应用中会遭遇碰撞、冲击、爆炸等极端条件，研究其高速力学行为具有重要的工程意义，特别是，纳米增强作用在不同应变率下的演化机理尚未取得突破性进展。\n 本文以无机纳米颗粒增强环氧复合材料为研究对象，探讨了不同制备技术、不同表面修饰纳米颗粒对环氧力学性能的影响。分别通过纤维表面修饰与基体填充改性法，将纳米颗粒引入碳纤维/环氧的界面层，重点分析了纳米颗粒增强碳纤维复合材料界面性能的作用机理。根据时温等效性，采用改良型霍普金森压杆技术，进一步研究了纳米效应及其增强机理与基体塑性变形能力间的关系。具体内容如下:\n (1)纳米颗粒增强环氧复合材料性能研究\n 结合表面改性与机械分散技术，制备出不同有机官能化纳米SiO2颗粒增强环氧复合材料。发现经偶联剂修饰后，纳米颗粒在环氧中的分散性良好（最高含量10 wt％），相比于环氧基修饰型纳米颗粒，氨基和羟基修饰型颗粒对纯树脂的固化行为有明显的促进作用。此外，氨基和羟基型纳米颗粒更有效地提高了环氧的压缩强度;而环氧基修饰型颗粒由于与环氧基体间的结合性过高，导致固化环氧韧性略低、变形能力不佳，因此该复合材料的压缩强度略低于其他体系。\n 结合微米填充与单分散纳米改性技术，制备出可陶瓷化环氧基纳米复合材料;单分散纳米颗粒提高了环氧陶瓷化后的强度与尺寸稳定性。纳米颗粒与助熔剂间发生共融、共晶反应，降低了熔融液相的流动性、避免了粘接剂过分渗出，应该是所形成陶瓷体强度增加、收缩率降低的主要原因。但过量填充纳米颗粒反而不利于进一步改善陶瓷体的压缩强度，原因在于，液相组分不足以粘接过量的粉末颗粒，造成填料间烧结性不好、陶瓷体内部缺陷增加，压缩性能也因此变差。\n (2)纳米颗粒改善碳纤维/环氧复合材料界面性能研究\n 采用单分散纳米SiO2上浆型碳纤维，反而损害了纤维/树脂的界面剪切强度。纳米颗粒含量越高，强度降低幅值越大;对于9.6 wt％ nanosilica-CF/EP体系，其IFSS降低值甚至多达68％。将纳米改性上浆剂涂覆于碳纤维表面后，导致界面层环氧树脂未固化充分，应该是复合材料界面性能受损的主要原因。\n 采用单分散纳米SiO2增强型环氧基体，可明显改善纤维/树脂的界面粘接性能，包括界面剪切强度、横向纤维束拉伸强度以及复合板层间剪切强度。各强度也随颗粒含量增加而逐渐提高。与未改性CF/EP体系相比，CF/20 wt％ nanosilica-EP体系IFSS及TFBT强度值分别提高了38％和59％;而单向板ILSS值最高达77 MPa，提高了约13％。断裂形貌分析表明，纳米颗粒改善了两相界面处的应力传递，增强了基体对断裂功的吸收耗散，进而提升了碳纤维复合材料的界面性能。\n (3)环氧基纳米复合材料的应变率和温度效应研究\n 采用单分散纳米SiO2，制备出高性能环氧基纳米复合材料。所采用的高交联度环氧树脂，其玻璃化转变温度在270℃以上、准静态压缩强度达560MPa。该环氧及其纳米复合材料均是应变率相关材料，压缩模量和转变应力（应变硬化初始应力）随应变率增加而显著上升，但压缩强度略有下降、断裂应变明显降低，而断裂应变能几乎保持不变。引入纳米颗粒后，高性能环氧的压缩性能，包括压缩模量、转变应力、压缩强度以及断裂应变能，均取得了较大改善。其中，纳米颗粒在低应变率范围内更有效;对于压缩强度，当应变率增加时，其增强效率由26％（应变率为0.001 s-1）减少至10％（应变率为3000 s-1）。\n 通过机械混合法成功制备出良好分散性纳米Al2O3/环氧复合材料。当温度变化时，复合材料的力学性能主要由基体刚度控制。随着温度上升，复合材料的拉伸、弯曲性能均发生了脆-韧转变现象，对应的模量和强度皆逐渐降低，而断裂应变却明显增大。当外界温度进入高分子玻璃化转变区时，纳米Al2O3的增强作用显著提高;例如，当温度为120℃时，高含量填充纳米颗粒(10 wt％)的增强效率达50％以上（室温下最高为24％）。结合应变率试验结果、并根据时温等效原理，说明增加基体塑性变形能力有利于提高纳米颗粒的增强作用。

关键词： 碳纤维复合材料   湿热老化   抗压强度   力学性能   SEM分析  

摘要： 低速冲击一般发生在10米/秒以下。自20世纪70年代初以来，复合材料结构的低速冲击相关研究一直被广泛关注。低速冲击在日常工作环境中较为常见，在航空领域，许多研究人员试图设计出最适合自己重量的最佳结构。当在制造或维修过程中有相应事故发生，材料结构可能会损失高达50%的强度。由于目前航空航天技术的使用高度依赖于复合材料的使用，因此预测它们对此类事件的行为是至关重要的。在复合材料的服役过程中，其结构将受到一系列环境条件的影响。这些材料必须面对的两个最普遍的条件为温度和湿度，更重要的是它们的组合效应。\n 针对该研究方案，本文对三种不同铺层结构的CFRP的低速冲击性能进行了研究，并比较了其在人工老化和低速冲击条件下的力学性能。在航空航天工业中，通常使用三种常见的CFRP层结构配置，它们是{0/90/45/-45/90/0}，{0/-60/-45/60/60/0}和{0/45/90/-45/0}。本研究重点介绍了用T300碳纤维和 tde-85基体制备得到的具有三种铺层结构的复合材料。制备得到这些复合材料层合板后,将其切成所需的ASTM标准试样并在水分饱和以及不同温度和湿度的四种不同的组合环境下进行湿热老化试验：组合分别为60℃/60%RH,60℃/90%RH,90℃/60%RH以及90℃/90%RH。\n 基线试验结果表明，对于低速度冲击和冲击后压缩试验，具有较高准各向同性取向的方向的抗冲击性能优于交叉层结构的方向。还可以确定，对于弯曲载荷，这些准各向同性结构更适合处理此类环境中的应力。\n 从湿热测试中，每种铺层方式下甚至在极端环境下试样重量均有所上升。在较低的温度和较低的湿度水平下，每个方向吸收的水分含量较低，随着温度和湿度的增加，样品中水分吸收的量也增加了。通过测试，我们看到的0/-60/-45/90/60/60/0}铺层具有最少的吸湿量，而{0/90/45/-45/90/0}铺层具有最高的吸湿量。最后一铺层结构的吸湿量介于两者之间。交叉层结构的使用的增加会在一定程度降低复合结构的吸水。本研究得到的数据支持这一理论。\n 低速度冲击试验结果表明，湿热老化对低速冲击性能有负面影响。本文研究数据表明，复合材料试样遭受的温度和湿度越高，影响阻力越小，无论试样的铺层结构如何。然而，在使用的四种环境中，{0/-60/-45/60/60/0}铺层结构的试样表现最好，对低速度冲击产生了最大的阻力。低速冲击还对撞击面造成了凹痕伤害，并对层合板的后端造成损坏。然而，在极高的温度条件老化后，低速冲击使层合板试样分层并加剧了表面裂纹的传播。大部分的损伤发生在内部，正如光学数字显微镜和SEM分析所证明的那样。\n 当试样进行湿热老化时，纤维与基体间界面的降解会导致机械性能的丧失，当低速冲击发生时，界面力学性能会被进一步削弱。然而，具有高准各向同性取向的试样（例如{0/-60/-45/90/45/60/0}）优于有高交叉层叠铺层的试样（例如{0/90/45/-45/90/0}。\n 利用拉伸和弯曲试验来进一步验证层合板试样的抗压强度和低速冲击阻力的损失。令人惊讶的是，方向{0/90/45/-45/90/0}显示了最高的抗拉强度和最小的老化百分比损失，而方向{0/-60/-45/90/60/0}显示的是最低的平均抗拉强度和最大的性能损失。然而，这种抗拉强度的损失是通过弯曲强度来抵消的，而弯曲强度则显示出相反的趋势。由于在低速冲击时，压应力更占主导地位，弯曲强度在维持机械性能方面起着更大的作用，因此，0/-60/-45/90/60/0}铺层结构的层合板试样具有最优力学性能。试验结果表明，拉伸强度和弯曲强度均依赖于复合材料的厚度方向。在抗拉强度方面，在受力方向具有较高纤维含量的样品具有较高的力学性能，但在抗弯曲强度方面，在受力方向外具有较高纤维含量的样品具有较高的力学性能。\n 最终，通过SEM分析，确定了层合板试样的损伤机理。对于老化试样，自从夹在开始，断裂就持续产生直至试样失效。试样结构显示了纤维与基体界面失效的轻微迹象，其拉出的纤维短，基体碎片小且位于裂缝表面。然而，在高温高湿度老化条件下的试样显示出明显的纤维与基体间界面失效的迹象，拔出纤维较长，并存在空隙，纤维表面无基体碎片。将这些SEM观察结果与力学性能的损失联系起来，从而分析得到纤维与基体间界面在湿热环境下力学性能损失的原因。

关键词： 低钙粉煤灰   粒度   粉煤灰水泥   水化性能  

摘要： 为了实现粉煤灰的高效利用,通过旋风分级机将原状粉煤灰分成D_(50)=5.06μm、15.63μm、35.01μm三个不同的粒度区间。不同粒度粉煤灰按照0、10%、20%和30%替代硅酸盐水泥。研究了粉煤灰粒度对水泥胶砂强度和水化性能的影响。结果表明,随着粉煤灰粒径的减小,粉煤灰水泥的各龄期强度都逐渐增加,掺入适量细粒度粉煤灰,水泥各龄期胶砂强度超过了硅酸盐水泥;粉煤灰水泥的水化放热速率和累积放热量都低于硅酸盐水泥,随着粉煤灰粒径的减小,粉煤灰水泥的水化放热速率和累积放热量增加。3d龄期时,粉煤灰水泥浆体Ca(OH)_2峰强度与硅酸盐水泥几乎相同;60d龄期时,随着粉煤灰颗粒粒径的减小,粉煤灰水泥浆体Ca(OH)_2峰的强度明显减小;SEMEDS分析表明,细粒度区间的粉煤灰水泥浆体比粗粒度区间的粉煤灰水泥浆体具有更致密的浆体结构且粉煤灰颗粒水化生成的是一种低Ca/Si的C-S-H凝胶。

关键词： 材料力学   ANSYS   仿真软件   教学手段  

摘要： 针对目前材料力学的教学现状,结合教学改革的基本思想,在教学过程中引入ANSYS仿真软件,这是一种全新的教学手段。这种新的教学手段,可以激发学生的学习兴趣,帮助学生更快、更形象地理解抽象的力学概念,进而达到提高教学质量的目的。

关键词： 建筑材料   纤维混凝土   高温荷载   材料力学  

摘要： 高强、高性能混凝土（High-Strength and High-Performance Concrete，分别简称HSC和HPC）作为一种新型高技术混凝土，由于其在工程中推广应用的时间相对较短，对其高温性能的研究远不及普通混凝土研究的那么透彻，尤其是其高温下内部蒸汽压测试分析及高温对其微结构劣化损伤等方面研究相对甚少，为科学解释HSC/HPC火灾高温爆裂机理及成因、提高其结构抗火性能以及拓展其工程应用领域，迫切需要展开进一步深入研究。本文依据工程中HSC/HPC原材料的选择，配制了强度等级为C80的高性能混凝土（不掺聚丙烯纤维简称C80HPC和掺聚丙烯纤维简称C80PPHPC），并对其进行了高温下蒸汽压测试及相关数值分析研究，以期为揭示HSC/HPC高温爆裂破坏及聚丙烯纤维抑制爆裂机理提供一定的实验基础和理论依据。\n 本研究主要内容包括：⑴对聚丙烯纤维（PP）体积掺量为0、0.2％的C80HPC试件进行不同温度后的强度（立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和弯折强度）试验。结果表明：三种强度整体上均随受热温度的升高呈现不同程度的衰减趋势；当受热温度在400℃之前，混凝土的强度降低幅度均比较缓慢；400℃以后，强度下降均较显著，混凝土内部劣化损伤较为严重。⑵设计制作了基准素混凝土、基准加筋混凝土、PP纤维混凝土和PP纤维加筋混凝土四类混凝土板，组装自制了一套专用于混凝土蒸汽压的测试装置，利用该装置对高温电阻炉加热下无荷载作用的混凝土板进行蒸汽压试验研究。结果表明：HPC板受热面均发生了不同程度爆裂剥落，而PPHPC板均未发生爆裂，且PPHPC相应深度测点处的蒸汽压力峰值均明显小于HPC的；各类混凝土板内部蒸汽压力均随温度和时间的升高呈现先增大后减小的变化规律，并且内部水蒸气均表现出由受热面到背热面不断迁移的趋势；PP纤维可有效降低其蒸汽压力峰值，减小高温爆裂的风险。⑶为切合工程实际，设计制作了基准加筋混凝土和PP纤维加筋混凝土两类板，对混凝土板进行均布加载与明火耦合作用，并利用上述自制测试装置进行蒸汽压试验研究。结果表明：均布加载与明火耦合作用下基准加筋混凝土板的爆裂剥落程度均较无荷载作用下的同类板严重，且同类板中相应深度测点处的蒸汽压力峰值均较大；各类混凝土板内部蒸汽压力均随温度和时间的变化趋势与无荷载作用下的基本一致；PPHPC板中蒸汽压力峰值均明显小于HPC的，PP纤维的掺入改善了混凝土的抗爆裂性能。⑷对HPC和PPHPC进行不同温度后的压汞试验。结果表明：随着温度的不断升高，HPC和PPHPC的孔隙率和平均孔径均呈现明显增大趋势；同一温度下，PPHPC的孔隙率和平均孔径均大于HPC的，适量PP纤维可改善混凝土的孔隙大小及孔径分布，进而有效降低其内部蒸汽压力。⑸利用MATLAB数学程序软件及有限差分法对混凝土内部的温度和蒸汽压力进行数值计算，并与试验实测值进行对比分析。结果表明：模拟值和实测值整体变化趋势基本一致，两者虽在数值上存在一定差异，但其模拟结果仍可为定性分析混凝土的高温爆裂提供一定的理论依据。

关键词： 材料力学   弹性力学   板壳力学   振动力学   工程应用  

摘要： 材料力学是力学及机械、土木等相关专业的基础学科,其主要任务是研究杆状材料的强度、刚度和稳定性。本文重点探讨材料力学在其他力学学科,包括弹性力学、板壳力学及振动力学等学科中的应用。此外,还介绍了材料力学在工程实际中的应用。这不仅能深刻阐明学习材料力学课程的意义,还通过实例及工程背景来加深学生的印象,提高教学效率。

关键词： 多晶金属   塑性变形   晶体塑性   材料力学  

摘要： 多晶金属材料的强韧化是材料科学、塑性力学、连续介质力学研究领域所关注的前沿科学问题。典型材料或结构的力学性能优化主要从三个方面开展：基本组分的变化；基本结构的调整；基本组分和结构的组合变化。这三种力学性能优化方法，都利用了我们熟知的科学原理:材料内部微结构的变化显著改变材料特性。这也正是钱学森先生在他的物理力学讲义中所提到的我们需要从材料的微结构层面来理解诸如强度、韧性、疲劳、断裂、腐蚀等方面的宏观力学性能。这样构筑的多级结构可克服单一结构调整可能带来的负面影响，超越单一结构下的综合性能。与此相对应，需要发展基于物理力学规律的本构模型以准确描述这些多级结构在外载荷作用下的力学响应，同时需要找到一个关键尺度来建立多级结构与其宏观性能之间的关联。\n 本研究主要内容包括：⑴孪生诱导塑性变形(TWIP)钢同时具有高强度、高韧性、高应变硬化等特性，我们制备了FeMnC系的TWIP钢，开展了准静态单轴拉伸、压缩和扭转等力学性能测试。随后，我们对TWIP钢的微结构作了表征，并且通过X射线衍射实验(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)测量了材料的织构。应用细观层次耦合了滑移/孪生变形机制的晶体塑性理论，并结合有限元方法，实现了一套率无关的晶体塑性有限元本构算法。最后，我们构建了基于VORONOI图形的多晶体计算模型，结合晶体塑性有限元，将其应用于TWIP钢塑性变形过程的仿真模拟，详细分析了在TWIP钢变形过程中织构演变、应变硬化以及滑移/孪生的竞争机制。⑵梯度结构材料同层状复合材料的本质区别在于其内部没有明显的界面，是一种非常典型的非均质材料，其组成成分、结构以及物理性能沿着某个方向或者某几个方向呈现出连续交替变化的特征。受此启发，我们首先以具有软核和硬壳两层结构的材料为研究对象，通过调整软核和硬壳的组分或者结构，深入探究了两层结构材料的韧脆转变机制。在此研究基础上通过不断的增加片层的数量，以此逼近梯度结构材料。最终基于VORONOI图形构建了梯度结构材料计算模型，深入探究了梯度结构材料的梯度效应。⑶通过采用不同的加工方式或者热处理，可得到包含有第二相的复合结构金属材料，其具有非常优异的性能，有人称之为高比强度钢(High Specific StrengthSteel，HSSS)。为了揭示为什么两相复合结构金属材料具有较为优异的力学性能，我们进行了基于经典塑性理论的仿真模拟工作，深入的阐述了两相复合结构金属材料的几何分布方式、形状等因素对其力学性能的影响。⑷为了进一步探究梯度结构金属材料中的织构演化情况以及应变硬化效应，同时为了研究梯度结构金属材料在受力变形情况下滑移系/孪生系的开动情况，在整个塑性变形过程中滑移与孪生的竞争机制，运用晶体塑性有限元对具有梯度结构的金属材料进行了仿真工作。

关键词： 复合材料   纳米结构   界面键合   材料力学  

摘要： 从分子角度设计、合成和探究材料结构与性能之间的关系是材料设计、研发的关键，因此一直为复合材料领域的研究的热点。本文通过建立了不同键合方式的聚酰亚胺/纳米二氧化硅复合材料模型，基于分子模拟方法计算、分析了不同的界面复合材料的结构和性能，并通过实验和理论计算进行对比探讨了不同二氧化硅掺杂浓度和界面结构对材料性能的影响规律。\n 本文首先建立聚酰亚胺模型，通过几何和分子动力学对模型进行优化，并计算分析了模型的结构、力学与热力学性能，通过稳定性和实验数据确定模拟的可行性。然后，构建三种不同界面的材料模型，分别是聚酰亚胺与二氧化硅共混的复合材料模型(unboneded PI/SiO2)、硅烷偶联剂为媒介的聚酰亚胺/二氧化硅纳米颗粒共价键键合的复合材料模型(boneded PI/SiO2)和二氧化硅以小分子嵌入聚酰亚胺分子链间的杂化模型(hybrid PI/SiO2)，探究不同界面结构对材料的抗张强度、玻璃化转变温度（Tg）的影响。最后，通过溶胶凝胶法和原位聚合法制备了具有不同界面结构的复合薄膜(PI/SiO2-sol和PI/SiO2-in situ)，通过测试抗张强度和Tg对理论计算结果进行验证。结果表明:聚酰亚胺模型密度在1.32-1.34 g·cm-3之间，抗张强度为422.35 MPa，Tg为679 K。unboneded PI/SiO2和boneded PI/SiO2的抗张强度均随着SiO2的含量升高呈现先升高而降低的趋势，三种模型的最大抗张强度分别为542.19 MPa、612.16MPa和568.15 MPa，偶联剂使SiO2与PI键合后可显著强化材料的机械性能。在相同掺杂浓度时bonded PI/SiO2的Tg均高于unbonded PI/SiO2;在SiO2浓度为9wt％时，两种模型的Tg达到最大值，分别为686 K和700 K，这是键合后纳米粒子对基体的固定作用更强，在分子热运动时更加困难造成的。在hybrid PI/SiO2中嵌入SiO2不仅增加了体系中氢键数目且改变了柔顺性，使hybrid PI/SiO2的Tg随着SiO2掺杂量的升高呈现先降低而后升高趋势，SiO2嵌入量在5％-11％时，柔顺性为主导因素，Tg比纯PI低;当SiO2质量分数为13％时，氢键为主导因素，Tg高于纯PI，其Tg为687 K。实验制备的PI/SiO2-sol和PI/SiO2-in situ抗张强度均随着SiO2的含量升高而先升高后降低，最大值分别为89.58 MPa和95.19 MPa。PI/SiO2-sol的Tg随着SiO2的含量升高而升高，最高为628 K。PI/SiO2-in situ的Tg随着SiO2的含量升高而先降低后升高，最高为616K。模拟结果与实验对比发现，三种模型的力学性能变化规律与实验结果吻合度高，二氧化硅与聚酰亚胺之间结合方式单一和键合数目过少是导致Tg理论计算结果与实验产生偏差的原因。