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关键词： 纳米晶体材料   力学性能   有限元模拟   微观结构  

摘要： 自从80年代初纳米晶体材料的概念被提出并首次获得人工制备的纳米晶体才以来，引起了世界各国材料科学家的广泛的关注，也是当今材料科学领域中的一个研究热点。随着晶粒尺寸的细化，纳米晶体才表现出其他材料所不具备的小尺寸效应，量子效应，表面效应和界面效应，从而具有传统粗晶材料所不具备的一系列优异的力、电、磁，光学和化学等宏观特性。尤其是力学方面，纳米晶体材料具有高强度，高硬度以及高耐磨性等。纳米晶体材料这些杰出的性能与其特殊的微观结构是密不可分的。尽管如此，纳米晶体材料在室温下通常呈现较低的延展性，已成为纳米晶体材料研发和工程应用的瓶颈。为了系统的研究纳米晶体材料的力学性能以及塑性变形机理，探讨纳米晶体材料过早失效的原因以及解决纳米晶体材料韧性的方法。本课题主要以纳晶镍为研究对象，通过理论研究结合有限元模拟的方法探讨了纳米晶体材料的微观结构对其整体力学性能的影响，并讨论了材料的失效原因和剪切带发展的影响因素。然后，根据已有的提高纳米晶体材料韧性的方法，建立了相应的理论力学模型，并通过相应的拉伸力学性能实验和数字图像相关技术进行检验和验证。这一系列的工作不仅具有十分重要的科学理论价值，也为寻求如何制备既具有高强度又具有良好韧性的纳晶材料奠定了一定的基础。本课题主要的研究内容和结论如下:　　(1)根据一个基于类似分布检验的方法，通过一个不断的调整法则来调整种子点的坐标，使其最终达到符合所需要的对数正态尺寸分布的微观结构模型，并通过类似的方法调整每个晶粒的取向分布，给出有织构存在和无织构存在下的模型。最终建立的模型不仅符合真实的对数正态晶粒尺寸分布，也满足了有织构和无织构情况下的微观结构模型。　　(2)通过将前面建立的符合纳晶材料真实微观结构的模型导入到有限元模拟软件中，分别针对几组具有不同尺寸和取向分布的模型进行单轴拉伸模拟。根据模拟后的结果发现，纳晶材料的尺寸和取向对其力学性能都有着一定的影响，且尺寸的影响要更明显一些。模拟结果中都出现了剪切带现象，这也是导致纳米晶体材料韧性低的一个原因。晶粒尺寸呈均匀分布下的模型强度要高于晶粒尺寸不均匀的，晶粒取向存在织构的要比没有织构的强度高。由此，也可以推出，在制备纳米晶体材料的过程中，尽量控制晶粒尺寸保持均匀且取向均匀有利于改善纳米晶体材料的低韧性。　　(3)针对之前给出的数字化模型，将带有一定厚度的晶界考虑进去，通过有限元模拟的方法讨论晶界在纳米晶体材料中所起到的作用，以及晶界在剪切带形成过程中所扮演的角色。结果表明，晶界相的大塑性应变会导致材料的局部损伤，进而触发剪切带的形成。同时，三晶交处存在着明显的应力集中问题，从而在这些应力集中部分会产生孔洞等缺陷，进而引起材料的损伤。　　(4)将从美国Goodfellow公式购买的纳晶镍涂层试样加工成狗骨头形状，对其进行单轴拉伸力学性能测试，并结合数字图像相关的方法采集试样拉伸变形过程中不同时刻的位移场，进而得到试样的整体宏观应变行为。结果表明，纳晶镍涂层的存在使得铜基体的强度有了明显的提高，但是韧性有所降低。相较于纳晶镍材料，韧性有了很大的改善，但是强度较低。　　(5)纳米晶体材料的韧性很低，许多学者都致力于研究提高其韧性的方法。效果尤为明显的是纳晶非晶层状复合材料，这种结构的材料不仅具有较高的强度，同时也能保持有较高的韧性。目前，对于这种结构的材料研究大多数还处在实验的基础上。本文根据该材料实验所测得的力学性能，提出了相应的本构模型来描述不同相的变形机理。结果表明，提出的本构模型与实验数据较好的吻合。随着应变率的增加，晶粒尺寸的减小，该结构材料的整体力学性能提高。

关键词： 模型实验   土木工程   材料力学   教学创新  

摘要： 借鉴国际上先进的CDIO工程教育理念，在《材料力学》这门土木工程必修课的教学中，通过让学生自由分组手工制作一个教师指定的力学模型，并在课堂上进行加载实验，可以有效地提高学生对《材料力学》课程知识点的深入理解和感性认识，有利于对学生探索精神、科学思维、实践能力、创新能力的培养。

关键词： 材料力学   研究型教学   创新能力  

摘要： 针对材料力学的课程特点,对课程内容进行合理的"取"与"舍",激励、引导和帮助学生去发现问题,利用材料力学知识分析和解决问题,使学生在学习的过程中获得知识的同时,培养创新能力和实践能力,实现研究型教学的目的。

关键词： 竹造纸剩余物   力学性能   热性能   竹塑复合材料   芯壳结构竹塑复合材料  

摘要： 竹塑复合材料是一种新型环保复合材料，具有较高的经济价值和市场发展潜力，其发展受到国内外学者重视。竹屑和白泥是竹材制浆造纸过程中的主要固体剩余物，竹屑的主要处理方式是焚烧，白泥主要处理方式是堆放和填埋，剩余物方式造成了严重的环境负担。利用竹造纸剩余物制备高性能竹塑复合材料，变废为宝，对减轻竹造纸厂剩余物处理负担、改善环境有着重要的意义。并为竹塑复合材料提供了一种新的竹原料来源，降低了生产加工成本，从而实现了环境保护与经济效益的双赢。 本文研究了竹造纸剩余物物理形貌、化学组成，并对比分析了竹屑作为竹塑复合材料增强相可行性，在此基础上，进一步探讨了竹屑添加量、竹屑与竹浆纤维混合配比、白泥添加量对竹塑复合材料力学及热性能的影响；同时，制备了芯壳结构竹塑复合材料，对比了芯壳结构和非芯壳结构力学性能，以及表层材料对芯壳结构复合材料力学性能影响，为提高竹屑利用率、优化产品性能提供借鉴。 论文的主要结论如下： （1）竹屑增强高密度聚乙烯（HDPE）复合材料有较好的力学和热性能。与常规的竹粉-HDPE复合材料相比，拉伸强度和模量分别提高了45.94%和114.09%，弯曲强度和模量分别降低了8.08%和17.64%；其热稳定性和结晶度均优于竹粉-HDPE复合材料，起始分解温度（T5%）和结晶度比竹粉-HDPE复合材料分别提高了21.23℃和23.13%；在-130～120℃，竹屑-HDPE复合材料的储存模量和损耗模量均大于HDPE，且出现γ和力学松弛，与竹粉-HDPE复合材料相比，力学松弛峰值温度提高了10.44℃。因此，竹屑-HDPE复合材料在一定的应用领域可以替代竹粉-HDPE复合材料使用。 （2）竹屑-HDPE复合材料的弯曲、拉伸性能均随着竹屑含量的增加先增加后降低。当竹屑添加量为70%时，弯曲强度较优，为44.24MPa，竹屑添加量为60%时，弯曲模量较优，为2.18GPa。竹屑添加量为70%时，竹屑-HDPE复合材料的拉伸强度和拉伸模量均在达到最优，分别为25.49MPa和4.11GPa。竹屑-HDPE复合材料的热稳定随着竹屑添加量的增加而降低。当竹屑含量为60%时，复合材料有较好的刚度和结构稳定性。 （3）竹浆纤维和白泥能有效的改善竹屑-HDPE复合材料力学性能。当填充纤维总量为50%，竹屑与竹浆纤维比例为4:1时，复合材料力学性能较优，其弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度和拉伸模量分别为55.58MPa、2.78GPa、33.49MPa和3.55GPa，与竹屑-HDPE复合材料相比，分别提高了65.52%，92.86%、26.14%和111.56%；采用白泥改善50%竹屑-HDPE复合材料，白泥添加量为18%时，复合材料力学性能较优，弯曲强度和模量为分别为45.94MPa和3.70GPa，比未添加白泥的复合材料的弯曲强度和模量分别提高了36.81%和164.29%，拉伸强度和模量分别为22.9MPa和4.40GPa，分别比未添加白泥竹屑-HDPE复合材料提高了6.26%和64.33%。白泥对竹屑-HDPE复合材料储存模量影响显著，玻璃化转变温度以后，白泥含量对复合材料储存模量无影响；白泥含量为18%时，玻璃化转变温度比竹屑-HDPE复合材料提高了1.92℃，但对白泥-竹屑复合材料的损耗因子无影响。 （4）芯壳结构竹塑复合材料弯曲性能优于非芯壳结构竹塑复合材料的弯曲性能，芯壳结构竹塑复合材料的失效模式是延性破坏，而非芯壳结构竹塑复合材料是脆性断裂。采用HDPE、竹浆纤维增强HDPE复合材料和白泥增强HDPE复合材料作表层材料分别与芯层材料为竹屑-HDPE复合材料复合制备三种不同表层材料的芯壳结构复合材料。三种材料的弯曲性强度和模量从高到低依次表层为HDPE（CSHDPE）、5%竹浆纤维增强HDPE复合材料（CSBPF）、5%白泥增强HDPE复合材料（CSWC），芯表界面结合强度对芯壳结构竹塑复合材料力学性能影响较大。表层材料为HDPE复合材料动态刚度和结构稳定性优于表层材料为5%竹浆纤维和5%白泥的芯壳结构竹塑复合材料。

关键词： 碳纳米管纤维/薄膜   微拉曼光谱   力学性能  

摘要： 利用宏观应力联合原位微拉曼测试技术对双壁碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)纤维和薄膜材料的力学性能进行了实验分析,探讨了拉伸加载期间纤维和薄膜内CNT的载荷响应及其与宏观力学性能的关联,揭示了两种材料力学性能差异性的微观机理。实验分析表明,CNT纤维和薄膜的拉伸变形呈现弹性、强化和损伤断裂三个阶段,但其内的CNT只发生弹性变形,没有塑性形变,且没有明显的损伤或键的断裂,纤维和薄膜呈现阶段性拉伸变形的原因可归结为滑移。纤维的弹性模量显著高于薄膜,是薄膜的4.7倍,原因是弹性阶段纤维中CNT的轴向伸长对宏观应变的贡献较大。纤维和薄膜的拉伸强度相差较小,原因是强化阶段薄膜内不断有大量CNT进入承载队伍,这也使得薄膜具有比纤维更高的韧性。

关键词： 卓越工程师计划   材料力学课程   教学改革  

摘要： "材料力学"课程是为工科类大学生开设的一门重要的专业基础课,与工程实际联系紧密。随着教学实践的不断深入,培养过程中重理论学习,轻工程实践等一系列问题阻碍了学生工程实践能力的提升。结合"卓越工程师"计划的基本要求,"材料力学"课程教学改革提出了几项改进措施,为全面增强学生分析和解决工程实际问题能力进行了探索。

关键词： 织物增强   复合材料   ABAQUS   Python语言   材料性能   有限元分析  

摘要： 复合材料是一种具有优异综合性能的材料,由于其性能的可设计性,在很多领域得到了广泛的应用。随着国家科技水平的飞速发展,对复合材料研究与应用提出了越来越高的要求,设计并研究具有高性能、特殊性能的复合材料具有重大的现实意义。随着对数值计算方法研究的不断深入和计算机可视化技术的不断进步,复合材料的有限元细观力学分析得以实现,因其能够研究复合材料细观结构与材料宏观性能的关系,有效指导了复合材料的设计,使得复合材料得到了更广泛地应用。 本研究利用本课题组特色技术,参照国家/行业标准,以大型商用有限元软件ABAQUS为建模计算平台,采用Python语言通过对ABAQUS前处理进行二次开发,建立CKFR-PMCs编织型层合结构复合材料几何模型并划分网格,并应用Python语言编写脚本程序,实现了对复合材料几何模型中纤维体积分数的控制。采用有限元方法,研究了四种铺层结构复合材料代表性体积单元(RVE)的力学性能试验和热学性能试验,包括拉伸/压缩性能试验、弯曲性能试验、剪切性能试验、线膨胀系数性能试验,预测了材料力学性能参数和热学性能参数,预测结果与试验值吻合较好,验证了预测方法的有效性。 本文对编织型层合结构复合材料的力学性能与热学性能预测给出了较为完整的思路与方法,并研究了铺设角度、铺设层数以及加载方式对编织型复合材料力学性能与热学性能的影响。铺设角度、铺设层数以及加载方式对编织型复合材料性能的影响具有一定的通用性,这为以后开展编织型层合结构复合材料的设计与性能研究提供了一定的参考。

关键词： 卓越工程师   材料力学   改革方案  

摘要： 材料力学课程作为多个工科专业的重要专业基础课,对学生能力培养及后续专业课的学习具有深远的影响。以东北电力大学"卓越工程师教育培养计划"试点专业开设的材料力学课程为背景,开展了教学改革的内容和具体措施的论证与实践,就教育理念、教学方法、考核方式以及新的教学手段等方面进行了分析与总结,取得了较好的阶段性成果,为培养更多高素质的卓越工程师后备人才提供了课程改革的有益经验。

关键词： 等离子体   芳纶织物   表面处理   复合材料   力学性能  

摘要： 芳纶纤维作为一种高性能纤维,具有高强、高模、耐高温等优良特性,被广泛用作纤维增强复合材料的增强体。但芳纶纤维表面光滑,且浸润性较差,树脂不能牢固的结合在其表面,界面强度较低,影响了芳纶的应用。因此,对芳纶进行表面改性处理十分必要。 本文采用射频介质阻挡放电(RF-DBD)等离子体对芳纶织物进行改性处理,通过变换处理时间、氧气流量、放电功率和调制频率来寻求较好的改性效果。本文利用扫描电子显微镜(SEM)和扫描探针显微镜(SPM)来观察芳纶织物表面形貌和粗糙度的变化,采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)来分析芳纶织物表面化学组成的变化,并对芳纶织物的浸润性能和拉伸性能进行测试。同时,论文还对芳纶织物增强复合材料的力学性能进行测试,并利用SEM观察弯曲断面的形貌来分析破坏机理。 通过实验所得结论如下： (1)不同处理时间和氧气流量条件下,经等离子体处理后芳纶织物的浸润性能显著提高。氧气流量为10mL/min时,各个处理时间的芯吸高度都高于其它氧气流量条件下芯吸高度,且芳纶织物表面极性基团的含量和粗糙度也显著增加。芳纶织物原样的断裂强力为686.18N,经过等离子体处理后织物的断裂强力均超过700N,最高可达875.66N。 (2)不同放电功率和调制频率条件下,经等离子体处理后芳纶织物的芯吸高度随着调制频率的增加呈先增后减的变化规律,此外,芯吸高度随着放电功率的增加逐渐增大。经过等离子体处理后芳纶织物表面C的含量显著下降,O和N的含量明显提高,-C-C的含量显著下降,-CO-、-CONH-等极性基团的含量显著提高。等离子体处理后芳纶织物表面变得凹凸不平,粗糙度显著增加。放电功率为200W时,芳纶织物的断裂强力随着调制频率的增加先增大后减小,在1000Hz时达到最大值957.57N。 (3)不同处理时间和氧气流量条件下,等离子体处理后芳纶织物增强复合材料的力学性能显著提高。抗拉强度由原样的87.57MPa提高到146.73MPa (20mL/min,90s),弯曲强度由原样的108.24MPa提高到165.36MPa (10mL/min,90s)。氧气流量为10mL/min和处理时间为60s时,复合材料的抗拉强度达到133.82MPa,仅次于最高值,此时的弯曲强度也提高到137.79MPa,破坏形式为基体破坏。从处理效果和节约生产成本综合考虑,氧气流量10mL/min和处理时间60s条件更优。 (4)不同放电功率和调制频率的等离子体处理后,芳纶织物增强复合材料的抗拉强度和弯曲强度都有显著增加,在放电功率为250W和调制频率为1000Hz时,复合材料的力学性能较优。

关键词： 矸石   粉煤灰   露天矿渣   风积沙   高原黄土  

摘要： 固体充填采煤技术通过将固体充填材料直接充入采空区，置换出一般传统方法无法采出的煤炭资源，属煤矿绿色开采技术。作为该项技术的重要组成部分，近年来固体充填材料向多元化发展，种类包括矸石、粉煤灰、高原黄土、露天矿渣和风积沙。固体充填材料的力学特性对采场充填标准的制定、充填体与围岩变形特征的分析以及覆岩变形情况的预测等研究有重大意义。本文在简要介绍固体充填采煤方法和岩层移动特征的基础上，采用试验研究、理论分析、数值模拟及现场实测等多种研究手段，对固体充填材料的压实变形机理以及基于固体充填材料的充实率控制进行研究，得到如下研究成果： （1）在分析固体充填采煤和传统垮落法开采岩层移动规律的不同之处的基础上，研究固体充填材料力学特性对岩层移动控制的影响。通过相同地质条件改变充填体变形模量的数值模拟结果可以得出，充填材料的力学特性对固体充填采煤地表控制起着明显作用。 （2）通过电镜扫描试验，对固体充填材料的细观结构进行分析，探究其压实变形的内部机理，从颗粒大小及孔隙结构的角度分析了风积沙、矸石、露天矿渣、高原黄土和粉煤灰的抗变形能力依次增大。又通过五种充填材料的压实试验，总结出在侧限压缩条件下的应力应变、应力容重和压实本构特性规律，为固体充填采煤技术的实施提供基础数据的同时进行对比分析，进一步验证风积沙、矸石、露天矿渣、高原黄土和粉煤灰的抗变形能力依次增大。 （3）对矸石、粉煤灰、高原黄土、露天矿渣和风积沙五种充填材料进行压实流变试验，得出如下结论：相同充填材料，轴向恒载作用力越大，稳定后的压缩变形量越高；在压力水平相同时，流变变形稳定后风积沙、矸石、露天矿渣、粉煤灰和高原黄土的变形量依次减小，由此可以看出，抗变形能力依次增大。 （4）基于充填材料压实特性，对固体充填采煤控制覆岩移动的关键因素指标充实率进行分析，提出固体充填采煤液压支架夯实力2MPa设计指标、充填工艺指标充采质量比。并根据压实时间相关特性得出的试验数据，制定了基于固体充填材料的充填开采设计流程。通过在济宁花园煤矿工业性实验，验证了基于充填材料压实特性的建下固体充填采煤设计方法的合理性。 论文研究成果不仅为掌握矸石、粉煤灰、高原黄土、露天矿渣和风积沙五种充填材料的力学特性提供重要的理论依据，而且为研究其他充填材料的充填工艺指标和地表沉陷提出了一定的参考和见解。固体充填采煤技术在济宁花园煤矿现场的成功实施为煤矿生产技术的革新提供科学指导，同时对论文的成果给予检验，提升了论文理论价值和现实意义。