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关键词： AEROGELS   PARTICLE concentration (Atmospheric chemistry)   TEMPERATURE   ATMOSPHERIC chemistry   COLLOIDS  

摘要： Aerogels are a unique class of materials with superior thermal and mechanical properties particularly suitable for insulating and cryogenic storage applications. It is possible to overcome geometrical restrictions imposed by the rigidity of monolithic polyurea cross-linked silica aerogels by encapsulating micrometer-sized particles in a chemically resistant thermally insulating elastomeric "sleeve." The ultimate limiting factor for the compound material's performance is the effect of aerogel particles on the mechanical behavior of the compound material which needs to be fully characterized. The effect of size and concentration of aerogel microparticles on the tensile behavior of aerogel impregnated RTV655 samples was explored both at room temperature and at 77 K. Aerogel microparticles were created using a step-pulse pulverizing technique resulting in particle diameters between 425 mu m and 90 mu m and subsequently embedded in an RTV 655 elastomeric matrix. Aerogel particle concentrations of 25, 50, and 75 wt% were subjected to tensile tests and behavior of the compound material was investigated. Room temperature and cryogenic temperature studies revealed a compound material with rupture load values dependent on (1) microparticle size and (2) microparticle concentration. Results presented show how the stress elongation behavior depends on each parameter.

关键词： 低碳   MgO-C耐火材料   基质   次生碳   显微结构演化   力学性能  

摘要： 随着低碳钢和超低碳钢冶炼新技术的引入以及对节能降耗的新要求，传统的MgO-C耐火材料必然向低碳、超低碳化方向发展。但碳含量降低后，MgO-C耐火材料的热震稳定性会急剧下降。MgO-C耐火材料的结合剂一般为酚醛树脂，其经高温炭化后所形成的次生碳为各向同性的玻璃状结构，该结构呈脆性，经高温处理也难以石墨化，所以，对材料的高温强度和热震稳定性不利。 针对上述问题，本论文从次生碳结构优化研究的角度出发，借助于X射线衍射分析、扫描电子显微分析、透射电子显微分析和能谱分析等分析技术，系统地研究了热处理温度、催化剂的种类、催化剂的掺杂量、保温时间、炭化气氛和升温速率等工艺因素对过渡金属催化剂掺杂酚醛树脂热解炭结构的影响，分析了各工艺因素对热解炭中原位碳纳米管生长的影响机理；阐明了影响低碳MgO-C耐火材料基质中原位碳纳米管生长动力学的关键因素，建立了高温下次生碳中碳纳米管的生长模型；探索了基质相与原位碳纳米管的反应程度和影响反应的因素，并且阐明了基质相与原位碳纳米管的界面反应机理；研究了次生碳结构对材料热震稳定性的影响机理，揭示了其与低碳MgO-C耐火材料热震稳定性的相关性。主要研究结果如下： (1) Fe，Co，Ni催化剂在酚醛树脂中的催化活性依次为Ni>Co>Fe，其中Ni元素掺杂酚醛树脂经1000℃炭化后的热解炭中可形成大量具有较高长径比的碳纳米管，碳纳米管的直径为50-100nm，长度可达几十个微米；对Fe催化剂进行机械活化或在Fe催化剂中引入第二元素Ni均可提高Fe催化剂的催化活性，其中采用机械活化法制备的Fe纳米片掺杂酚醛树脂经1000℃炭化后的热解炭中可形成大量具有较高石墨化度的碳纳米管；热解炭中石墨化碳的形成显著地提高了热解炭的抗氧化性，热解炭的氧化峰值温度提高了约80℃。 (2)掺杂酚醛树脂中的催化剂以金属单质的形式参与气相沉积反应，碳氢气体裂解产生的碳原子在金属催化剂中通过溶解-扩散-沉淀机制生成碳纳米管，碳纳米管的生长符合顶部生长模型；在Fe催化剂作用下，热处理温度对碳纳米管形貌有显著地影响，随着热处理温度的升高，碳纳米管的直径显著增加，碳纳米管的长径比和产量逐渐下降。不同热处理温度下碳纳米管的生长机理分析表明：当热处理温度低于1200℃时，碳纳米管遵循气-固(V-S)生长机理，热处理温度高于1200℃时，其遵循气-液-固(V-L-S)生长机理。 (3)在1000℃的埋炭条件下，金属Al主要以Al(g)的形式与原位碳纳米管的表面发生反应生成碳化铝，且Al(g)与原位碳纳米管的反应具有选择性，其仅与结晶度较差的碳纳米管表面通过V-S反应机理发生反应，反应程度与反应体系中Al(g)的分压密切相关，随着Al(g)分压的增加，Al(g)与原位碳纳米管的界面反应更加剧烈，反应生成碳化铝的量显著增加；经1400℃热处理后，Al(g)与原位碳纳米管反应生成的碳化铝逐渐转化为刚玉，并包覆在碳纳米管的表面。 (4)低碳MgO-C耐火材料基质气孔中碳氢气体分压显著地影响原位碳纳米管的形成，在催化剂作用下，材料中碳氢气体分压较高时，碳氢气体沉积为碳纳米管，而碳氢气体分压较低时，碳氢气体沉积为碳微球；材料中引入适量的酚醛树脂粉或金属Al粉可增加基质气孔中碳氢气体分压，有利于原位碳纳米管的形成。 (5)在无催化剂作用下，MgO-C耐火材料经1000-1400℃热处理后，在基质中原位生成八面体状的镁铝尖晶石；添加纳米Ni催化剂后，在1200℃下，纳米Ni催化剂能够促进MgO与C之间的反应，使系统中产生一定含量的Mg(g)。Mg(g)与Al(g)，CO(g)以纳米Ni催化剂为成核点，通过溶解-扩散-析出机制生长为MgAl2O4晶须，随着热处理温度升高，MgAl2O4晶须产量增加，MgAl2O4晶须的生长过程符合V-L-S生长机理。 (6) Fe纳米片改性酚醛树脂结合的低碳MgO-C耐火材料试样经1000℃埋炭热处理后，在材料内部可原位形成大量结晶较好的碳纳米管，碳纳米管的直径为50-100nm，长度约为几个微米。原位碳纳米管的形成可在材料基质中产生晶须桥接和微裂纹偏转机制，抑制微裂纹的扩展，显著地提高了材料经1000-1400℃热处理后的力学性能和热震稳定性能。 (7)原位碳纳米管的平均直径和平均长径比与低碳MgO-C耐火材料热震稳定性能之间具有明确的相关性：随着碳纳米管平均直径的减小或平均长径比的增加，材料的热震稳定性逐渐增加；碳纳米管的不同直径分布区间和不同长径比分布区间与热震稳定性的灰色关联分析表明：直径小于80nm或长径比大于35的碳纳米管与热震稳定性能的关联度最大。

关键词： 工程案例   项目教学   材料力学  

摘要： 在以工程案例为导向的教学方法基础上,引入项目教学法到材料力学的教学中,提出了案例探讨和项目实施相结合的教学思路和方法,介绍了具体的教学实施过程,最后阐述实施体会和效果.

关键词： 层合板复合材料   风机叶片   碳纳米管   纳米薄膜   均匀化  

摘要： 复合材料层合板，因其具有比强度高，重量轻，耐腐蚀性强等一系列优点，已在风机叶片制造行业得到大力开发和利用。但随着风力发电技术向大型化、轻质化的不断发展，对风机叶片复合材料的强度和刚度提出了更高的要求。碳纳米管和纳米薄膜具有优异的力学性能，若将其用于增强风机叶片复合材料层合板，有望解决这一问题。本文运用均匀化理论和有限元方法，预测纤维、碳纳米管以及纳米薄膜对风机叶片层合板复合材料等效力学性能的影响规律。 建立了风机叶片层合板复合材料力学性能预测模型。通过均匀化理论和有限元法，预测纤维材料参数（体积分数、弹性模量、泊松比等）对风机叶片复合材料等效力学性能的影响规律。同时运用数学优化方法，预测纤维对称排布的层合板复合材料的最优铺层角度。 建立了风机叶片层合板复合材料等效力学性能的多尺度模型。将风机叶片层合板复合材料的结构分别用宏观、细观和纳观尺度来加以描述，通过三次均匀化，预测了碳纳米管对风机叶片层合板复合材料的宏观等效弹性力学性能的影响规律。在不考虑碳纳米管与基体以及纤维与基体间的粘结界面时，预测了碳纳米管材料参数（体积分数、弹性模量、泊松比、长径比）等对风机叶片层合板复合材料的等效力学性能的影响规律。在考虑碳纳米管与基体以及纤维与基体间的粘结界面的影响时，预测界面材料参数（体积分数、弹性模量、泊松比、界面长厚比）对风机叶片层合板复合材料的等效力学性能的影响规律。 建立了风机叶片层合板复合材料等效力学性能的多尺度模型，预测了纳米薄膜材料参数（体积分数、弹性模量、泊松比）和基体力学性能参数（弹性模量、泊松比）对风机叶片层合板复合材料等效力学性能的影响规律。 本文研究为大型风机叶片的制备提供一定的指导作用。

关键词： 导电高聚物复合材料   界面强度模型   压阻效应   应变率效应   损伤  

摘要： 研究导电高聚物复合材料的力学与电学性能的关联关系，能更深入了解材料的导电机理以及载荷作用下的导电性能的变化规律，为导电高分子的应用提供合理、可靠的依据。本论文开展了如下的研究工作： 首先，为研究复合材料在载荷作用下变形过程中由于导电短纤维与高聚物基体脱粘而产生的损伤对电学性能的影响，以及由于载荷作用而导致填料间距缩小引起电学性能变化的机理，本文采用细观力学的方法，从能量守恒原理出发，根据Eshelby等效夹杂理论，研究了基于内聚力模型线性粘弹性基体材料内单根纤维以及单个球形粒子在横向载荷作用下的界面强度模型，导出了界面脱粘临界应力，即界面强度的表达式。 其次，对不锈钢短纤维/碳纳米管/聚酰胺(SSFs/CNTs/PA6)导电复合材料体系载荷作用下导电性能的变化开展了实验研究。由于高聚物的粘性效应，使得其具有明显的率敏感特性。该率敏感性将明显影响材料的导电性能。本文探索了应变率对材料压阻性能的影响规律，并建议了一个应变率耦合的SSF/CNTs/PA6复合材料体系的应变－电阻效应的理论模型。研究结果表明，载荷作用下复合材料电阻率变化由两种竞争机制所决定。一种机制是：在载荷作用下引起导电填料之间间隙宽度的减小从而引起电阻率减小；另一种机制是：由材料内部的微损伤演化而引起势垒高度增加而导致电阻率增大。 第三，本论文实验研究了导电短纤维含量对导电性的影响，不锈钢短纤维含量为0%、2%、4%、6%、8%、10%和12%，碳纳米管含量为0%、1%、3%和5%，研究结果表明高聚物导电率与填料含量呈三阶段变化特征，确定了所研究导电高聚物的渗滤阈值。 第四，研究了该体系导电高聚物热学性能。通过动态力学分析(DMA)研究了不同纤维质量分数复合材料的储能模量和损耗因子随温度的变化，讨论了材料粘性对实验结果的影响，采用热重分析(TGA)方法研究了复合材料体系的热分解过程。为研究材料的结晶过程并分析导电填料对结晶度、熔化和结晶温度的影响，进行了差示扫描量热计(DSC)分析。 第五，研究了SSFs/CNTs/PA6体系的介电性能。材料体系在外电场作用下会发生极化，而极化率与频率有关。因此，研究了介电常数和介电损耗随电场频率变化的特性，讨论了填料含量对介电常数和介电损耗的影响。 最后，对全文的工作及其意义进行了总结。对研究的创新点进行了归纳，对未来需要进一步开展的研究进行了展望。

关键词： 材料力学   高等教育   题解  

ISBN: (数字)9787030400543 ISBN: (纸本)9787030400543

摘要： 本书是与季顺迎主编的《材料力学》(普通高等教育“十二五”规划教材，科学出版社2013年1月出版)(以下简称主教材)配套使用的教学辅导书。全书共15章，主要内容有：重点内容概要、典型例题、习题选解、同步练习及其答案，书后还附有期末考试模拟试题和考研模拟试题，力学竞赛试题等。其中典型例题和习题选解共包括400多道题给出了详解。相对于参考资料，本书新增或替换了100多道详解题，增强了部分题目的工程性,增加了...

关键词： 实验   冲击动力学   材料力学  

ISBN: (纸本)9787030418838

摘要： 本书作者在大量文献调研的基础上指出，为了提高SHPB实验结果的精度和可比性，应对SHPB实验技术做进一步的研究。围绕上述目的，以金属材料为研究对象(倒数第二章除外)，本书对SHPB实验技术做了以下几个方面的研究：试件惯性效应与界面摩擦效应的综合分析；波导杆与试件阻抗匹配关系的研究；SHPB系统端面平行度加工要求分析；试件与波导杆应力应变均匀性分析；恒应变率实验技术研究、其他实验方法探索、混凝土高温动态压缩实验技术研究等。

ISBN: (纸本)9787118095203

关键词： 复合材料   增强颗粒分布   力学性能   有限元  

摘要： 原位合成Mg2Si颗粒增强镁基复合材料具有高比强度、比刚度，并且具有良好的耐磨、耐高温及阻尼性能，在航空航天、汽车工业、电子、体育等多个行业得到广泛的应用。原位合成Mg2Si颗粒增强镁基复合材料在受力的情况下，由于原位合成Mg2Si颗粒的存在，承担了镁基体的大部分载荷使得材料内部的应力场不均匀，导致镁基复合材料局部失效。因此，研究其细观结构与力学性能的关系对复合材料应用与发展具有重大的意义。 本文主要采用有限元分析软件ANSYS，建立原位Mg2Si增强颗粒均匀和随机分布的原位Mg2Si颗粒增强镁基复合材料有限元模型，其中原位Mg2Si增强颗粒随机分布模型由C语言结合ANSYS自带的APDL语言进行二次开发建立而成，并通过施加拉伸载荷实现对复合材料力学性能的数值模拟过程。然后分析了原位Mg2Si增强颗粒在均匀和随机分布情况下，不同原位Mg2Si增强颗粒粒径大小、体积分数、分布位置等因素对镁基复合材料力学性能的影响，并比较分析了在相同条件下，增强颗粒在基体内以不同分布方式对应力场的影响。 模拟结果显示：对于原位Mg2Si颗粒增强镁基复合材料，增强颗粒的细观结构影响着材料自身的应力大小和分布。不同原位Mg2Si颗粒粒径对复合材料的力学性能影响不同，当增强颗粒均匀分布时，随着颗粒粒径的增大，相近的较大颗粒之间的界面处产生应力集中，屈服强度也会随颗粒粒径的不同而变化；增强颗粒体积分数是影响复合材料性能的重要因素，增强相体积分数越大，基体的应力分布会变得不均匀，产生的应力集中值也逐渐增大，另外，复合材料的弹性模量也会逐渐增加；当增强颗粒随机分布时：颗粒间的距离，颗粒间的中心连线与载荷方向的角度是影响复合材料力学性能的主要因素，当颗粒间距较小且颗粒间的中心连线与载荷方向平行时，两者之间的基体则会产生最大应力集中区域；在相同条件下，增强颗粒不同的分布方式，对复合材料应力分布和大小的影响也不同。

关键词： 随机颗粒增强镁基复合材料   有限元法   应力-应变   裂纹扩展   弹性模量  

摘要： 金属基复合材料作为近些年快速发展起来的新型工程材料，因其优越的性能受到广泛关注。SiC颗粒增强镁基复合材料以其高比强度和高比刚度等优异的力学性能，成为最备受关注的材料之一，它可以应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育等领域。但是对于SiC颗粒增强镁基复合材料的基础研究还很薄弱，因此探究其力学行为对镁基复合材料的应用具有重要意义。 本文主要利用ANSYS有限元分析软件APDL功能完成随机SiC颗粒增强镁基复合材料有限元模型的建立，施加单向拉伸位移载荷从而实现复合材料力学性能数值模拟过程。 分析了随机颗粒分布的三维复合材料模型，SiC颗粒不同颗粒数量、形状、体积分数对镁基复合材料的力学性能的影响。模拟结果显示，在体积分数相同的条件下，随着颗粒数量的增大，复合材料的屈服强度下降，但超过一定数量后，对复合材料的力学性能影响很小。增强体颗粒形状越是尖锐，增强作用越明显，屈服应力值越大，但是球形的颗粒可以减少应力集中，进而减少破坏的可能。在增强体颗粒相同尺寸条件下，随着体积分数的增加，颗粒容易团聚，此处容易发生破坏。 利用ANSYS中的生死单元模块模拟颗粒增强镁基复合材料的裂纹扩展，在多载荷步的作用下，根据ANSYS的计算结果决定单元的生死状态。以二维随机颗粒作为研究模型，通过把非激活单元选出后留下的痕迹来模拟裂纹扩展的路径，此时产生的裂纹有沿着力的拉伸方向扩展的趋势，裂纹容易产生在颗粒与颗粒之间，在不考虑界面问题时，基体的破坏对复合材料的破坏起决定性作用。 利用ANSYS建立三维随机颗粒增强镁基复合材料分析模型，复合材料的弹性模量随着增强体的体积分数的增加而增加；应用有限元法得出增强体不同体积分数下的弹性模量，其值介于并串联法计算的结果之间，与实验值测得的值非常接近，进而说明有限元法预测弹性模量是较为精确。随着增强体的体积分数增加，串联模型预测的弹性模量偏差越大。