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关键词： C/SiC复合材料   弹性性能   热膨胀系数   热传导系数   分析系统   应力—应变曲线  

摘要： 随着陶瓷基复合材料在航空航天领域不断应用，C/SiC复合材料成为高温结构材料研究的重点。然而，对于单向C/SiC复合材料和2.5维C/SiC复合材料的研究还处于初始阶段，还需要一个逐步认识、逐步完善的过程。因此，开展对C/SiC复合材料力学性能和失效模型研究显得非常有必要。 采用刚度平均法，细观有限元法和Mori-Tanaka法计算了含孔隙微观模型的弹性常数，结合2.5维有限元单胞模型模拟了2.5维C/SiC复合材料经向和纬向的弹性模量，与实验进行了对比，并分析了工艺参数对其弹性模量的影响。最后，结合蒙特卡洛方法进行了2.5维C/SiC复合材料弹性模量分散性研究。 基于单向复合材料热性能的理论预测模型和有限元法，发展了2.5维C/SiC复合材料热膨胀系数和热传导系数预测模型，与实验进行了对比，并结合蒙特卡洛方法进行了2.5维C/SiC复合材料热膨胀系数和热传导系数分散性研究。针对2.5维复合材料性能数值模拟方法缺乏可视性，开发了一个模拟2.5维复合材料性能分析系统软件，该系统软件不仅具备人机交互界面，提高了工作效率，而且增加了可视性，极大地方便了复合材料工程实际的应用。 分别采用非线性弹簧单元有限元法和改进型细观力学法模拟了陶瓷基复合材料横向和轴向拉伸载荷下的应力-应变曲线，两种方法都充分考虑了界面脱粘问题。最后，基于上述研究，发展了一种2.5维C/SiC复合材料应力-应变曲线的模拟方法，该方法根据微观模型应力-应变曲线对2.5维单胞模型进行相应的刚度折减。结果表明，分析模型与实验较为吻合，验证了该方法的有效性。

关键词： 材料力学性能   陶瓷材料   断裂韧性   材料机械性能   破断韧性   力学强度   弯曲强度   抗弯强度   力学性能测试   复合材料   极端环境  

摘要： 随着我国现代化进程的高速发展,陶瓷及陶瓷基复合材料由于其优良的抗腐蚀、抗磨损和耐高温等性能,已经越来越多地应用在航天、卫星和导弹等高技术领域,在国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。但是由于陶瓷的本征脆性,这类材料也最容易发生突发性事故、成为最不安全的材料,使得它们的可靠性评价和寿命预测非常困难,尤其是在各种常规仪器和方法都无法实施的高温和超高温等极端特殊环境条件下。陶瓷的失效往往具有突发性和灾难性,主要表现为极限应变小、裂纹扩展速率快、塑性变形极小、损伤容限低等。对材料力

关键词： HFRP混凝土   砼粘接面   材料力学   有限元分析  

摘要： 混凝土结构抗裂和跨越能力是永恒的追求。本研究基于混凝土结构破坏过程与裂纹萌生发展的因果关系,提出裂纹主动控制内涵,从延缓混凝土开裂、阻止裂纹扩展、避免界面开裂、提高结构综合力学性能考虑,研究具有卓越抗裂性能和承载性能的HFRP-混凝土复合新结构,促进混凝土结构向轻型、大跨发展。本研究主要内容包括：　　⑴针对现有混凝土结构裂纹控制方法与实际工作状态缺乏联系和裂纹控制缺乏理论指导的问题,提出了“释裂”、“阻裂”和“抗裂”三种混凝土结构裂纹主动控制方法,通过理论和试验研究三种裂纹控制方法的力学原理,提出了基于裂纹主动控制思想的新型混凝土复合结构。研究了循环荷载作用下钢筋混凝土梁的刚度退化。试验表明,当“释裂”荷载不超过结构屈服荷载的0.7~0.8倍时,循环荷载作用下结构塑性位移将收敛,开裂结构仍具有良好的刚度特性。结合“释裂”和“阻裂”裂纹控制方法,获得了一种“抗裂”预应力混凝土复合梁,给出了复合梁预应力计算公式。“抗裂”复合梁预应力的分布自然优化,预应力损失小。论文提出的裂纹控制方法同样适用于旧结构加固。　　⑵分析了混凝土复合结构对阻裂增强层材料闭合力和延性性能的要求,结合试验研究和有限元分析,给出了强度、杨氏模量以及断裂延伸率正混杂效应系数综合评定指标,获得优选的HFRP复合材料铺层设计,并采用四点弯曲试验研究了HFRP铺层设计的阻裂增强效果。研究表明,GFRP/CFRP层间混杂HFRP断裂延伸率、强度和杨氏模量混杂效应系数均大幅度提高,HFRP具有显著的阻裂增强作用。采用有限元方法对复合梁的止裂高度进行了模拟,结果与试验吻合。与普通混凝土梁相比,HFRP-混凝土复合梁开裂荷载和极限荷载均得到大幅度提高,裂纹高度和宽度发展慢,达到裂纹基本出齐阶段晚,具有卓越的抗裂能力、承载性能和刚度特性。　　⑶开展了HFRP-砼和钢筋-砼粘接界面性能研究,提出了界面“强粘接”和“弱粘接”概念,揭示了界面粘接破坏机理,在此基础上提出粘接界面层力学性能要求。通过大量试验得到了满足界面力学性能要求且性价比高的界面粘接胶。利用设计的界面双剪试验,研究了HFRP-砼中混凝土界面糙化、界面剂、固化压力和固化温度对界面剪切性能的影响,获得了具有优良力学性能的HFRP-砼界面处理方法,界面剪切强度极大提高。通过四点弯曲试验和有限元分析,表明论文提出的界面粘接技术能够显著改善结构的宏观力学性能。提出了钢筋混凝土梁中钢筋闭合力阻裂机理,得到了钢筋应力和钢筋-砼界面剪应力的关系。通过理论分析、有限元计算和试验,研究了钢筋-砼界面剥离与结构力学性能之间的关系,提出了通过改善钢筋-砼界面粘接性能提高结构宏观力学性能的方法。　　⑷基于前述研究成果,设计了三种新型HFRP-钢筋混凝土抗弯复合梁,并试验研究了这些复合梁的抗弯承载性能、弯曲刚度、裂纹分布规律、破坏形态以及二次承载性能,在普通钢筋混凝土梁中首次实现了预应力,探讨了基于裂纹控制方法的HFRP-钢筋混凝土复合梁抗弯设计中的几个关键问题。试验表明,裂纹主动控制方法能极大改善混凝土结构力学性能。新型 HFRP-钢筋混凝土梁中,HFRP-砼未在较低的承载力下剥离,HFRP未因HFRP-砼界面剥离耗散能量之前就断裂,达到一种动态平衡状态,结构承载能力和延性极大改善,界面粘接性能研究成果得到了验证。　　⑸分析了HFRP约束混凝土柱延性改善原理,提出了FRP约束柱延性系数计算方法,通过试验得到了HFRP约束柱强度和延性的正混杂效应。试验中发现了FRP约束柱的弱约束现象,提出了强约束柱和弱约束柱概念,给出了不同类型FRP约束柱强度公式,并根据矩形截面约束柱试验结果提出了弱约束柱应力-应变关系模型。研究表明,HFRP约束圆柱和方柱都是强约束,强度和延性较单一FRP约束柱极大改善。

关键词： 纳米材料   晶体学特性   热力学特性   力学特性   尺寸效应  

摘要： 尺寸效应是纳米材料研究的热点和难点问题,它是材料宏观特性与微观结构的桥梁。因此,在全世界范围内开展了大量的研究。目前,该领域的研究通常都是以材料的某一特性为研究对象,通过建立不同的理论模型和实验验证,研究纳米材料的尺寸效应。少量的研究涉及了材料某些特定参数之间的关系,如熵、焓、熔点等。本论文深入而系统的探讨了金属纳米材料的晶体学特性、动力学特性、热力学特性、力学特性和电阻率特性,取得了一些积极的成果。 本论文通过从理想晶体(原子间距为2r0,平均密度为ρ0)中取出半径为R0的球形晶粒,形成纳米粒子(原子间距为2r0,平均密度为ρ,粒子半径为R),构建了晶体材料纳米粒子键能变化的物理模型；通过计算由于纳米粒子表面原子键发生断裂而产生的表面能和由于纳米粒子发生晶格畸变而产生的畸变能,建立了晶体材料纳米粒子单位能量的变化(△W/W0)与纳米尺寸(R)的关系。 金属纳米粒子的单位能量的变化(△W/W0)与纳米尺寸(R)均呈现近似的反比例关系,尺寸越小其单位能量的变化越大。当纳米尺寸为2nm时,Co、Ni、Au和W纳米粒子的单位能量的变化分别为10.5%、9.56%、9.18%和10.9%；当尺寸为20nm时,分别为1.88%、2.16%、1.75%和2.07%；当尺寸为达到50nm时,分别为1.31%、1.67%、1.26%和1.48%。晶体结构对金属纳米粒子的单位能量的变化有明显的影响。 研究了金属纳米材料晶格常数、晶格畸变、晶体密度、弹性模量、杨氏模量和表面张力等晶体学、力学参数与纳米尺寸的关系。研究结果表明,金属纳米材料晶体学和力学参数均随尺寸的减小而增加,当纳米尺寸较小时,呈线性关系急剧增加；当纳米尺寸在50nm以上时,晶体学和力学参数值变化不大。 探讨了金属纳米材料熔点、结合能、吉布斯自由能、熵、焓、空位形成能和扩散激活能等热力学、动力学参数与纳米尺寸的关系。研究结果表明,吉布斯自由能包含两部分能量：一部分是能够用来做功的部分即焓,另一部分是不能用来做功的部分(热损耗)即熵。熵变非常小时,金属纳米材料的焓变与其熔点具有近似的正比例关系。也就是说,当熵变近似为零时,焓变近似等于吉布斯自由能的变化。 讨论了晶体材料纳米粒子单位能量的变化与纳米尺寸的关系,以及纳米材料晶体学参数、力学参数和热力学参数之间的关系。研究表明,在微观上纳米材料特性参数与键能有直接的联系,表现在宏观上纳米材料特性参数之间也具有错综复杂的关系,因此通过材料的某一特性即可以计算出其它相关特性。 初步探索了纳米材料电阻率、互扩散激活能与纳米尺寸关系,以及形状对纳米材料特性的影响。研究结果表明,键能变化的物理模型能够较好的反映纳米尺寸对性能的影响,与实验结果相吻合。

关键词： 水泥基复合材料   尾矿砂   PVA纤维   配合比  

摘要： 尾矿砂PVA水泥基复合材料是依据现有工程水泥基复合材料的制备基础，利用铁尾矿砂替代水泥基复合材料的细骨料，并用粉煤灰替代部分水泥和掺入国产的PVA纤维制备具有韧性、环保性的复合材料。它的制备不仅充分利用尾矿砂和粉煤灰等工业废料，还降低PVA高韧性水泥基复合材料的生产成本，可谓是一举多得。本文通过配比与制备试验，以及抗压、直接拉伸、弯曲、冲击、腐蚀、冻融和抗渗等试验，开展了尾矿砂PVA水泥基复合材料的研制及力学性能测试，主要完成了以下工作： （1）确定了尾矿砂PVA水泥基复合材料的制备工艺和配合比。通过抗压和抗弯试验的对比分析确定了该复合材料的优良配合比，PVA的掺量为26Kg/m3纤维长度为12mm。 （2）确定尾矿砂替代天然砂比率。通过基本力学性能试验，确定了尾矿砂在水泥基复合材料中的最佳替代率为40%60%。 （3）研究了纤维长度和纤维掺量对不同尾矿砂替代率的PVA水泥基复合材料的抗压性能、拉伸性能、抗弯性能和冲击性能的影响。使用ASTM-C1018的韧度指数法计算尾矿砂PVA水泥基复合材料的弯曲韧性指数等力学性能指标，结果表明PVA尾矿砂水泥基复合材料为韧性材料。 （4）使用PVA纤维研究了该复合材料的抗腐蚀、抗冻融和抗渗性能。实验结果表明：PVA水泥基复合材料经250冻融循环后表面完整，质量损失仅为2%～6%。材料抵挡盐腐蚀的能力强，抗压强度减少为20%。 本研究为尾矿砂PVA水泥基复合材料的工程中应用提供了参考。

关键词： 复合材料   胶原蛋白   几丁聚糖   材料力学  

摘要： 胶原蛋白和壳聚糖均是从动物体中提取的天然高分子材料，具有优异的生物降解性和生物相容性，在生物医药领域具有广泛的应用。但是，胶原蛋白存在机械强度低、亲水性强等性能缺陷，壳聚糖也存在加工成型性差、亲水性差、早期粘附性差等缺陷。将胶原蛋白和壳聚糖进行复合，可以在一定程度上改善二者的性能缺陷，目前对胶原蛋白和壳聚糖进行复合改性是医用材料研究领域的热点。本文首先采用物理共混法制备胶原/壳聚糖复合材料，并对其性能进行了研究，重点采用水性聚氨酯嵌段对胶原蛋白和壳聚糖进行复合改性，研究了复合物的性能，并与物理共混法制备的胶原蛋白/壳聚糖复合材料的性能进行了比较研究。　　本研究主要内容包括：⑴采用溶剂挥发物理法，制备了系列胶原蛋白/壳聚糖共混材料，红外光谱分析表明：共混材料中胶原蛋白和壳聚糖之间有较强的相互作用。随着壳聚糖含量的减小，胶原蛋白/壳聚糖共混溶液的黏度逐渐减小。共混膜具有较好的亲水性和降解性。共混膜玻璃化转变温度低于胶原蛋白和壳聚糖的玻璃化转变温度。胶原蛋白/壳聚糖共混膜的断面比壳聚糖膜的断面更加整齐光滑，脆性更大。⑵以2,4-甲苯二异氰酸酯(TDI)、聚醚二元醇(DL-2000)以及酒石酸为原料，首先制备出水性聚氨酯弹性体，然后将水性聚氨酯弹性体与胶原蛋白交联反应合成端异氰酸酯基的预聚体，再与壳聚糖进行交联反应，得到胶原蛋白/壳聚糖复合材料。红外光谱表明胶原蛋白与壳聚糖之间建立了稳定的化学结合。当胶原蛋白的含量为17％时，复合乳液的稳定性最好。随着壳聚糖含量的增加，乳液的黏度先减小后增加。⑶随着壳聚糖含量的增加，化学交联的胶原蛋白/壳聚糖复合膜的玻璃化转变温度逐渐增加，其中TCCPU32的玻璃化转变温度为85.3℃，TCCPU35的玻璃化转变温度为108.6℃。⑷干态化学交联胶原/壳聚糖复合膜的拉伸强度最大可达22MPa，湿态化学交联胶原/壳聚糖复合膜的断裂伸长率最大可达132%，具备了较好的力学性能。随着壳聚糖含量的增加，化学交联胶原蛋白/壳聚糖复合膜的拉伸强度首先增大然后慢慢趋于平稳，干态断裂伸长率逐渐增加，湿态断裂伸长率先增加后减小。物理共混胶原/壳聚糖材料由于脆性大，无法进行力学性能（拉伸强度、断裂伸长率）的测定。⑸吸水率研究表明，化学交联法胶原/壳聚糖膜由于在制备过程中在胶原蛋白与壳聚糖之间引入亲水性较差的聚氨酯，所以亲水性小于物理共混胶原/壳聚糖膜。⑹体外降解实验研究表明，化学交联胶原/壳聚糖复合膜具有良好的降解性能，其失重率大于壳聚糖膜，但是小于物理共混胶原/壳聚糖。⑺化学交联胶原/壳聚糖复合膜的断面整体呈现粗糙，有韧性断裂痕迹。与物理共混膜和壳聚糖膜相比，化学交联胶原/壳聚糖复合膜的韧性和可塑性都得到明显提升，改善了物理共混膜和壳聚糖膜的脆性缺陷。可见，化学交联胶原/壳聚糖复合膜具备了较好的力学性能。

ISBN: (纸本)9787302379225

关键词： 复合材料   热塑性树脂CBT   湿热老化   成型工艺   盐雾腐蚀  

摘要： 复合材料以其比强度高、质轻、耐腐蚀等优点,越来越多的应用于土木工程、海洋船舶工程、航天航空工程。目前,常用复合材料基体大多选用热固性树脂,但以热固性树脂为基体的复合材料不可回收,这会产生大量的垃圾。世界各国的绿色环保组织出台了相关政策,如欧盟玻璃钢制品的限入制度,这使得热固性复合材料在工程领域受到限制。相比于热固性复合材料,热塑性复合材料能够进行回收再利用,但加工粘度大的问题严重制约了其发展。新型热塑性树脂CBT(cyclic butylene terephthalate)在一定温度下粘度极低,能够像水一样的流动,并且聚合反应时无反应热和有害气体放出,可称作是一种“绿色”的树脂,在未来的工程领域应用中具有广阔的发展前景。本文主要对新型CBT树脂及其复合材料的力学性能进行了研究,并对其在不同实验环境下的力学性能变化进行了对比分析,论文主要包括以下三部分研究内容:(1)通过实验的方法对pCBT(聚合后CBT)树脂在湿热环境下的力学性能变化进行了研究。为了得到性能较好的pCBT,首先对CBT树脂聚合时最合适的催化剂含量进行研究;而后采用最适催化剂制得pCBT试件并将其置于四种不同的湿热环境中进行湿热老化实验,并对实验所得试件进行抗压强度的测试,根据测试结果对CBT在湿热环境中的性能变化进行分析,发现湿热环境对于pCBT树脂力学性能有很大的影响;同时参照几种常用聚合物寿命预测方法,对pCBT的寿命进行预测。(2)分别采用真空辅助树脂吸注工艺(VARI)和真空辅助模压成型工艺(VARTM)制备GF/pCBT复合材料,分析不同制备参数对制备工艺的影响机制和两种不同制备工艺的适用性。(3)采用VARTM工艺制备盐雾腐蚀实验所需的试件,将其置于盐雾喷射和盐水浸泡两种实验环境中(40℃),对腐蚀后的GF/pCBT复合材料试件的力学性能变化进行了研究,给出不同影响参数对GF/pCBT复合材料力学性能的变化规律。

关键词： 纳米多晶金属   晶界   孪晶   堆垛层错   力学性能   分子动力学模拟  

摘要： 德国学者Gletier首次在实验室成功制备出纳米晶体样品后，由于纳米多晶金属材料具有传统金属材料所不具有的非常独特的力学性能，因而引起了世界各国研究人员的广泛关注，并开展了大量的相关研究工作。当前，人们对于纳米多晶金属材料力学性能和变形机制的认识主要基于纳米晶面心立方（FCC）结构金属的研究，而对纳米晶六角密排（HCP）结构金属及其合金材料力学性能的研究则相对较少。另外，晶界在纳米多晶金属材料的塑性、强度以及变形机制中扮演着重要的角色。为了提高纳米多晶金属材料的力学性能，人们提出了界面控制与设计的概念，即希望通过在金属材料中设计出特殊的界面来提高多晶金属材料的力学性能。就当前国内外对纳米多晶HCP金属材料力学行为的研究现状而言，虽已取得一些成果，但仍然存在许多不足，许多现象还有待进一步揭示，这在一定程度上制约了HCP金属及其合金材料在航空、航天及其它工程领域中的应用。 本文主要针对典型的纳米多晶HCP金属Mg和FCC金属Cu，用分子动力学模拟方法研究了在不同温度的拉伸载荷下，堆垛层错厚度、孪晶厚度、晶粒尺寸、界面（孪晶界、堆垛层错界、非晶界）对纳米金属Mg力学行为的影响，并研究了晶界角对双晶Cu和三叉晶Cu变形行为的影响。同时，借助OVITO软件利用公共近邻分析方法对纳米多晶金属材料在载荷过程中的微观演化结构进行了分析，揭示了不同结构的纳米多晶金属材料的变形机制。本文取得的主要结论如下： （1）在对纳米孪晶金属Mg的研究中发现：位错从孪晶界的成核和运动在纳米孪晶金属Mg的变形过程中起着主导作用；当孪晶厚度较小时，纳米孪晶金属Mg的杨氏模量和屈服强度明显依赖于孪晶的厚度，而且这种现象与模拟的温度无关；纳米孪晶金属Mg的屈服强度随着温度的增加而减少；纳米孪晶金属Mg的屈服强度与相邻孪晶界间的位错存储能力和孪晶界对位错的排斥力有关。 （2）通过对包含有堆垛层错的纳米金属Mg的研究发现：堆垛层错厚度对纳米金属Mg杨氏模量的影响非常小；存在一个使纳米金属Mg力学性能最佳的堆垛层错厚度；在相对高温下，堆垛层错厚度较小的纳米金属Mg的变形机制由新晶粒和孪晶的成核与繁殖主导；在相对低温下，纳米金属Mg的塑性变形方式则以位错的成核和滑移为主。 （3）在对纳米多晶金属Mg力学性能的研究中发现：对于纳米多晶金属Mg，当晶粒尺寸小于某一临界值时，纳米多晶金属Mg的平均流动应力随着晶粒尺寸的减小而减小，呈现反Hall-Petch效应；晶粒的运动和滑移是较小晶粒尺寸的纳米多晶金属Mg的主要塑性变形机制；在300K的环境温度下，含有较大晶粒尺寸的不含有堆垛层错的纳米多晶金属Mg的塑性变形主要通过孪晶的形成和生长实现，而孪晶和新晶粒的成核和繁殖是含有堆垛层错的纳米多晶金属Mg的主要变形机制，也就是说堆垛层错的引入诱导了新晶粒的成核和繁殖；在温度为10.0K的环境温度下,位错的成核和滑移是纳米多晶金属Mg塑性变形的主要形式，且该变形行为与堆垛层错的引入无关。 （4）通过对“Mg-Al非晶-Mg单晶-Mg-Al非晶”超晶格结构材料的研究发现，非晶层厚度对超晶格结构材料的屈服强度影响非常明显，随着非晶层厚度的增加，材料的强度逐渐减小，呈现出Hall-Petch效应；温度在超晶格结构材料的变形机制中发挥着重要的作用，并且在很大程度上影响了超晶格结构材料的变形机制；在相对低温环境下，在超晶格结构材料达到最大屈服应力前，出现了应力稳定平台，随后超晶格结构材料出现了软化现象。而在相对高温环境下，在超晶格结构材料屈服前并没有观察到此类现象；在塑性阶段，在相对低温环境下，非晶层厚度较小的超晶格结构材料出现了硬化现象。而在高温环境下，超晶格结构材料在塑性变形过程中，流动应力基本稳定，没有出现强化现象。 （5）研究了晶界角对双晶Cu和三叉晶Cu力学行为的影响。研究表明，对于双晶Cu来说，晶界角较大时，其塑性较好；对于三叉晶Cu来说，在晶界角较小时，它的塑性较好。

关键词： METALLIC composites   ELASTICITY   STRENGTH of materials   ELASTIC deformation   TENSILE strength  

摘要： Randomvoid defects have detrimental effect on the mechanical properties of 3D braided composites. A 3D FEM based on a periodic representative unit cell is developed to appraise the mechanical properties of 3D 4-directional braided composites containing the defects. Two basic types of void defects, such as the dry patches in the reinforced yarns and the voids in the resin matrix pocket, have been taken into account. A simple method for generating the random void defect elements in FEM is presented. The FE software ABAQUS is adopted to study the elastic properties. The predicted effective elastic properties are in good agreement with the available experimental data, demonstrating the applicability of the mesomechanical FEM. By considering the random distribution of void defects, the probability statistics analysis of mechanical properties was conducted. In addition, the effect of the void volume fraction on the elastic properties was discussed in detail, and some useful conclusions were drawn herein.