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关键词： 纬编织物   织物结构   多层衬纱   纺织力学  

摘要： 纬编双轴向多层衬纱(Multilayered Biaxial Weft Knitted，简称MBWK，下同)织物是由天津工业大学复合材料研究所研制出的一种新型织物，该织物以其优良的成型性能、良好的抗冲击性、优异的力学性能以及低的生产成本使MBWK织物增强复合材料在航空航天、军工、高速列车、防弹保护以及建筑等领域都得到了广泛应用，并已引起人们的极大兴趣和广泛关注。然而现在对该织物的研究尚处于研究阶段，它的很多优越的性能还需要进行更深的研究，尤其是对碳纤维增强的MBWK织物增强的复合材料力学性能的研究。\n 本研究采用双罗纹为地组织，经纬向衬入T300-3k碳纤维，在天津工业大学复合材料研究所改进的针织横机上编织纬编双轴向多层衬纱织物预制件。通过树脂传递(RTM)工艺将TDE-86环氧树脂注入模具中在一定的温度和时间内进行固化，形成所需的复合材料层合板制件。通过对预制件层数的控制，达到实验所需的纤维体积含量。探讨了纤维体积含量对MBWK织物增强复合材料力学性能的影响。通过对不同纤维体积含量下纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料的拉伸、弯曲等力学性能进行实验研究，找出纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料在一定纤维体积含量范围内的力学性能的规律，并由此总结出此种材料的力学性能规律。对MBWK织物增强复合材料的拉伸性能进行实验研究，对材料的应力应变曲线、拉伸强度、初始模量和断裂形貌进行了分析，研究发现，T300碳纤维纱的衬入提高了针织结构复合材料的力学性能，并在一定范围内，随着纤维体积含量的升高，MBWK织物增强复合材料的拉伸强度和拉伸模量也随之增高。对MBWK织物增强复合材料的弯曲性能进行实验研究，对材料的载荷挠度曲线、弯曲强度、弯曲模量和断裂形貌进行了分析，研究发现，T300碳纤维纱的衬入也同样提高了针织结构复合材料的力学性能，并在一定范围内，随着纤维体积含量的升高，MBWK织物增强复合材料的弯曲强度和弯曲模量也随之增高。

关键词： 延性金属材料   力学性能   评价方法   参数指标   撕裂韧性   断裂行为  

摘要： 在材料科学与工程应用中，高强度是人们一直追求的目标，但是，强度的提高往往伴随着塑性的损失，工程应用中的材料需要具有良好的综合性能，但强度与塑性之间出现的这种倒置关系给工程选材带来了很大的困扰。如何选择综合性能更好的材料？这对材料力学性能测试方法提出了更高要求，使得材料力学性能测试的评价、优化成为亟待解决的问题。另一方面，延性金属材料的断裂，因其过程复杂且对试样形状及加载方式都有依赖，断裂韧性kc或Gc已经无法适用，尤其对于延性金属薄板来说，尺寸上更是无法满足要求，这需要新的力学性能测试方法、参数指标来表征。本论文从材料力学性能评价、优化的角度出发，来尝试探索新的试验方法或性能指标、参数，用以表征延性金属材料的撕裂韧性与断裂行为。\n 在延性金属材料的撕裂裂纹扩展过程中，裂纹尖端所处的应力状态是一样的，假设在撕裂过程中载荷是恒定不变的，则裂纹就稳定扩展。根据这一假设，尝试用“撕裂韧性，这一概念来表征延性金属材料抵抗裂纹稳定扩展的能力，用符号γ表示，表达式为γ=F/t。以这一研究思路为前提，采用不同厚度冷轧铝、铜薄板作为研究对象，分别进行了自由型、限制型、疲劳型、裤型加载撕裂等形式的撕裂实验，发现当采用三腿裤型加载的方式进行撕裂试验时，撕裂过程中撕裂载荷基本维持稳定;在实验基础上提出撕裂韧性的概念，即裂纹稳定扩展单位面积所需要外力做的功，以此来表征延性金属材料抵抗裂纹稳定扩展能力的大小，单位则为J/m2，将描述撕裂韧性的表达式修正为γ=Fs/2t，并将其定义、公式应用于几种常见金属的撕裂中。\n 将定义的撕裂韧性用于不同强度20钢的性能评价中，发现20钢的三腿裤型撕裂试验表现出稳定的撕裂过程，相应的撕裂韧性并不是物理常数，与其微观组织和拉伸性能有密切联系。而且，20钢在920℃水淬再400℃回火后具有最高的撕裂韧性，高的撕裂韧性对应着高的强度和好的塑性，是强度和塑性的综合表现。20钢的裤型撕裂试样的缺口宽度wn影响着撕裂行为，撕裂裂纹扩展过程中向内汇聚还是向外发散是由试样总宽度W和其缺口宽度wn决定的。如果缺口宽度wn远小于试样宽度W的一半，即Wn＜W/2时，撕裂裂纹会向内汇聚扩展，待撕裂的部分会沿着逆时针方向转动;当缺口宽度wn远大于试样宽度W的一半，即Wn＞W/2时，撕裂裂纹会向外发散扩展，待撕裂的部分会沿着顺时针方向转动。\n 利用三腿裤型加载方式对铜及铜合金进行了撕裂试验，并计算了合金元素铝对铜铝合金撕裂韧性的影响。结果显示:撕裂韧性与厚度相关，材料越厚，撕裂越难进行，相应的撕裂韧性数值也就越大，但不同厚度下材料撕裂韧性的变化规律相同;缺口宽度改变时，得到的撕裂韧性数值也会不等，不同缺口尺寸下撕裂韧性的变化趋势也是一致的。铜及铜合金的撕裂韧性也不是物理常数，随着加入的合金元素不同，对撕裂韧性的影响也不相同，这种影响与材料的微观组织、力学性能相关。对于Cu-Al合金，通过降低层错能或增加铝含量的方式，可以同时提高Cu-Al合金的强度、塑性和撕裂韧性;撕裂韧性和强度、塑性的这种同步增长趋势说明高的撕裂韧性对应着高的强度和好的塑性。对于Cu-2％Be合金来说，撕裂韧性则随强度的增加呈现先上升后下降的趋势，撕裂韧性出现的这种极值点，为寻找材料的强度和塑性配合提供了线索。撕裂裂纹由剪切方式引起的萌生，需要越过一定的能垒，故而撕裂载荷—位移曲线上有极值出现;由颈缩和剪切同时作用引起的裂纹萌生，可以通过能量的缓慢积累而实现，撕裂载荷—位移曲线上就没有载荷极值的出现。\n 改变材料的加工状态，进行不同锰含量高锰钢的裤型加载撕裂试验，结果表明:高锰钢的撕裂韧性仍然不是恒定的物理常数，随着强度的升高，撕裂韧性的数值总体呈现先上升后下降的趋势;随着锰含量的增加，撕裂韧性数值总体也是先上升后下降的趋势，且热轧处理后高锰钢的综合性能得到很好的提高。15Mn钢的撕裂断口上有明显的分层、解理现象，在此条件下所得到的撕裂韧性数值不能真实反映出材料撕裂裂纹扩展面上能量的情况，不适于用撕裂试验和撕裂韧性来表征。根据已有数据，延性金属的撕裂韧性数值可依材料类别而有不同范围，其中钢的撕裂韧性范围一般在～250KJ/m2到～350KJ/m2之间，铜及铜合金的撕裂韧性在140KJ/m2到225KJ/m2的范围内，铝及铝合金的撕裂韧性在70KJ/m2上下。延性金属材料的撕裂韧性与其力学性能相关，撕裂韧性的变动也伴随着强度的变化。

关键词： 材料力学   有限元方法   少学时   教学  

摘要： 本文介绍了有限元方法在材料力学教学中的应用。教学过程中体会到有限元方法不仅可以制作材料力学中各种基本变形的变形过程动画、应力分布图,加深学生对基本概念的理解,还可以形象地分析拉伸、弯曲等不同公式的应用范围,加快理解弯曲中心等较难理解的概念,对于少学时的材料力学教学有很大的帮助。

关键词： 聚乳酸   微观结构   力学性能   结晶动力学   复合材料  

摘要： 聚乳酸(PLA)是一种以可再生植物资源为原料的热塑性聚酯，具有良好的生物降解性、生物相容性、较高的机械性能和易加工性，是最有前途的可生物降解高分子材料之一。但是，聚乳酸也存在不少缺陷，如性脆、抗冲击性能差、热稳定性差、成本较高等，这些缺点限制了PLA的应用范围，目前PLA改性的研究中，PLA可以通过添加增韧剂或增塑剂进行增韧，但韧性提高的同时强度和模量有很大的降低，使得综合性能的改善不甚理想;另一方面，加快PLA结晶速率仍然是众多研究者所研究的重点之一。\n 本文采用熔体共混与复合技术，将PLA分别与乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯共聚物(PBAT，商品名Ecoflex)和碳酸钙、滑石粉、白云母进行共混，制备聚乳酸/增韧剂/无机粒子三元复合材料，以提高PLA的性能和实用性。利用差示扫描量热仪、X射线衍射仪、偏光显微镜、扫描电子显微镜、力学性能测试和热变形温度测试等手段研究了不同增韧剂和不同无机粒子对复合材料的结晶性能、断面形貌、力学性能和耐热性能的影响。此外，本课题还采用不同的动力学模型研究了PLA/Ecoflex/CaCO3复合材料的非等温熔体结晶动力学和冷结晶动力学。所得结果如下:\n 随着EVA含量的增加，PLA/EVA/CaCO3复合材料的拉伸强度、弯曲模量逐渐下降，断裂伸长率、冲击强度逐渐上升，材料从脆性逐渐向韧性转变。低熔体流动速率(MFR)的EVA u100328对材料刚性影响较小，对韧性提高效果相似。\n 三元复合体系中，PLA/EVA/CaCO3复合材料的拉伸强度最好，PLA/EVA/滑石粉复合材料的冲击强度最高，PLA/白云母复合材料的弯曲模量最大，PLA/Ecoflex/CaCO3复合材料的断裂伸长率最长。\n CaCO3和滑石粉的加入诱导PLA分子链沿垂直于(203)面的方向结晶生长，而白云母没有诱导择优取向生长的作用，EVA含量的增加，这种择优生长的趋势逐渐减弱。\n CaCO3、滑石粉、白云母、EVA以及Ecoflex的加入都不会影响复合材料的玻璃化转变温度（Tg），说明它们的加入对PLA链段的开始活动温度没有影响。\n CaCO3、滑石粉、白云母的加入，会使PLA复合材料的冷结晶温度逐渐降低，复合材料的重结晶熔融峰逐渐增大，有利于形成更完善的结晶。在复合体系中，CaCO3、滑石粉、白云母能起成核剂的作用，使晶核增多，生成小球晶，使结晶度得到提高。滑石粉的成核能力最强，PLA/滑石粉复合材料的结晶度最高。\n SEM结果显示，CaCO3的加入可以降低EVA在PLA基体中的粒径，提高了分散性，提高了EVA的表观体积，从而使韧性得到提高。滑石粉特殊的片状结构能使裂纹发生偏转，终止裂纹的扩展，同样具有增韧效果。云母在聚乳酸的增韧中效果不明显。\n 普通注塑成型聚乳酸及其复合材料的热变形温度仅51℃左右，对PLA/CaCO3、PLA/Ecoflex/CaCO3进行退火处理后PLA/CaCO3复合材料的耐热温度有很大的提高。PLA/CaCO3能达到99℃，PLA/Ecoflex/CaCO3也能达到88℃。\n Jeziony和Mo法适合用来描述PLA/Ecoflex/CaCO3三元共混体系的非等温熔体结晶动力学和冷结晶动力学。但Ozawa法不能用来描述PLA/Ecoflex/CaCO3共混体系的非等温结晶动力学。非等温结晶过程中，PLA/CaCO3具有最低的结晶活化能，因而其结晶最容易。冷结晶过程中，PLA/CaCO3复合材料的冷结晶活化能随相对结晶度的增加而降低，而PLA/Ecoflex/CaCO3复合材料的活化能几乎不随相对结晶度的变化而变化。

关键词： 螺杆注射成型   碳纤维   PE复合材料   力学性能  

摘要： 以短切碳纤维为增强体,以聚乙烯树脂为基体,运用螺杆注射成型的方法制备碳纤维增强热塑性复合材料。研究了碳纤维含量对复合材料硬度、拉伸、疲劳等性能的影响。结果表明,随着碳纤维含量的增加,复合材料的维氏硬度呈S形增加,拉伸强度、弹性模量、条件疲劳极限值都有提高;当碳纤维含量为4.021%时,相对纯聚乙烯,硬度、拉伸强度、弹性模量、条件疲劳极限值分别增加了35.489%、18.421%、208.024%、213.240%

关键词： 石墨烯   硅纳米复合材料   力学性能   分子模拟  

摘要： 硅纳米薄膜和石墨烯都是当今纳米材料研究的热点,由于它们本身具有很多优异的特殊性质,所以在很多领域都具有强大的应用潜力。本文以硅纳米薄膜为研究对象,运用分子模拟的计算方法,对石墨烯增强硅纳米薄膜的力学性能做了研究。第二章完整的介绍了本文所需要用到的理论知识,即:分子动力学。第三章主要研究了石墨烯对硅纳米薄膜的力学性能是否有增强的效果,研究的结果表明石墨烯在单晶硅纳米薄膜的[110]、[112]、[111]三个经典的晶格方向上都有增强其力学性性能的效果,拥有双层石墨烯的硅纳米复合材料的力学性能是最优异的,其次是拥有单层石墨烯的硅纳米复合材料,最后是单晶硅纳米薄膜。第四章分析了对石墨烯增强硅纳米薄膜力学性能效果的影响因素,主要是硅纳米薄膜的厚度、模拟温度及应变率,研究的结果说明在硅纳米薄膜的[110]、[112]和[111]三个经典晶格方向上,随着薄膜厚度的增加,硅纳米薄膜及其与石墨烯组合成的硅纳米复合材料的力学性能都减小了,而且石墨烯对硅纳米薄膜力学性能增强的力度变得越来越小,随着模拟温度的增加,硅纳米薄膜及其与石墨烯组合成的硅纳米复合材料的力学性能都减小了,但是对石墨烯增强硅纳米薄膜力学性能的效果的影响非常小,随着应变率的增加,硅纳米薄膜及其与石墨烯组合成的硅纳米复合材料的力学性能都变化微小,而且对石墨烯增强硅纳米薄膜力学性能的效果也是没有影响的。最后对本文研究的所有结果做了总结。

关键词： 本构关系   材料力学性质   全局物态方程   金属混合物   求解方法  

摘要： 建立本构关系是研究材料物性的有效方法。对应于材料的力学，热学等性质，都可以有相应的本构关系来描述。力学性质本构方程可以表示为应力应变关系，对于线性固体材料其比例为弹性常数，相应的应力应变关系为广义胡克定律。热力学性质则可用压强、内能、密度及温度等所构成的物态方程所描述。\n 首先，采用分子动力学模拟及涨落方法对固态材料力学、热学性质做了模拟计算。采用多体作用势对作为线性弹性材料的单质金属做了TtN（等温等压系综）和NVE（微正则系综）模拟，给出了Cu、Ag及Pb的晶格常数、弹性常数等，分析了原子间作用力、温度以及统计涨落对结果的影响。对于Pb结果中出现的突变，经分析发现其发生了固液相变。随后，采用Sutton-Chen(SC)作用势对二元合金体系做了分子动力学模拟。在这里计算了LiPb共熔体(Li17Pb83)的晶格常数及弹性常数。LiPb共熔体与Pb为fcc晶格，而Li为bcc晶格。为了获得SC势参数，利用MaterialsStudio第一原理模块得到了零温fcc晶格Li的结构以及体模量等，并以此为基础拟合了“的SC参数;然后以Li和Pb的势参数为基础获得了LiPb共熔体的SC作用势参数，并实施了分子动力学模拟，获得了其晶格常数以及弹性常数随温度的变化，并从变化曲线获得了熔点，并与实验值做比较分析。\n 物态方程方面，采用了QEOS(quotidianequationofstate)全局物态方程模型，分别对单质及混合物做了研究。QEOS物态方程包含三部分:电子部分、离子部分以及化学键修正部分。电子部分为Thomas-Fermi(TF)模型，通过求解Thomas-Fermi(TF)方程获得。在MPQeos中，由于TF方程本身的求解难度等问题，TF数据是通过列表插值获得。通过对TF方程求解过程的详细研究，改进了单质及混合物的TF方程求解方法，解决了迭代不收敛、精度等问题，从而实现了QEOS的主程序中直接求解TF方程获得电子数据。离子采用的是Cowan模型。由于求解TF方程可以方便的获得各组分的数密度，可以采用数密度改进离子模型的混合方法。化学键修正采用的是Morse势的形式，其参数由弹性模量的实验值，及常态下材料压强为零的条件拟合确定。采用改进后的单质QEOS计算了Al的物态性质，与已知结果是吻合的。混合物计算了LBE、LiPb二元混合物以及Ti2AlC等三元混合物的物态性质，给出了特定温度与密度下的压强、电离度等，并对电离平衡、不同温度密度下，电子及离子对总压强贡献等做出了分析。

关键词： 脱硫石膏   钢渣   激发剂   力学性能  

摘要： 以脱硫石膏和钢渣为原料制成复合胶凝材料,通过水泥、三乙醇胺、硫酸铝外加剂复合作用,可以在一定程度上增加复合胶凝材料的力学性能,以期使脱硫石膏和钢渣在建材领域包括制砖砌块及板材中得到应用。

关键词： 建筑材料   混凝土砌块   冲击荷载   材料力学  

摘要： 混凝土作为工程中使用的一种建筑材料，具有优良的物理力学性能，广泛应用于房屋建筑、港口、核电站等各个方面。然而混凝土在浇筑的过程中，不可避免地会存在着毛细孔、空隙以及微裂缝等初始缺陷，而有研究表明，混凝土的初始缺陷会对混凝土的力学性能造成极大的影响。同时，混凝土在工作时除了承受静荷载作用外，还可能承受爆炸、撞击等冲击荷载的作用，而混凝土在冲击荷载作用下的力学性能与静态荷载作用下的力学性能相差甚远。因此，混凝土在冲击荷载作用下的力学性能和破坏准则研究以及混凝土初始缺陷对其力学性能和破坏准则的影响研究具有重要意义。\n 本研究主要内容包括：⑴利用电液伺服压力试验机对带预制孔洞的混凝土试件进行了应变率为10-4/s和10-3/s条件下的单轴压缩试验，并利用声发射试验设备获得了混凝土在受压作用下的能量率信息，然后分析了应变率、孔洞直径和孔洞位置对混凝土力学性能的影响，并通过声发射能量率信息分析了混凝土在低应变率下的破坏规律。⑵利用SHPB实验装置对带预制孔洞的混凝土试件进行了平均应变率约为25/s和50/s条件下的单轴冲击压缩试验，得到了各条件下的混凝土应力应变曲线，并对混凝土试件应力均匀性进行了分析，然后分析了应变率、孔洞直径和孔洞位置对混凝土力学性能的影响。⑶在已有学者的研究成果基础上，拟合得出了混凝土在单轴荷载作用下的抗压破坏准则，此破坏准则考虑了应变率，预制孔洞直径和孔洞位置的影响。结果表明，试验数据与拟合数据吻合较好。⑷在混凝土高温时单轴SHPB试验数据的基础上，拟合得出了混凝土高温时的单轴冲击抗压破坏准则。结果表明，试验结果与拟合结果吻合较好。

关键词： 单晶块体   Mg2Si热电材料   力学性能   分子动力学   模拟验证  

摘要： 热电材料作为一种新型的能够实现热能和电能直接相互转换的功能材料，受到越来越多的关注。Mg2Si基半导体由于其原料来源广泛、经济、无毒和具有较高的热电性能，被认为是很有潜力的中温区热电材料。由于热电材料在服役过程中要受到来自外部结构和温度应力的影响，其力学性能是保证材料服役行为的重要指标。所以对其力学性能的研究，具有重要意义。本文的研究目标是建立Mg2Si热电材料原子间作用势模型并运用分子动力方法研究了单晶块体Mg2Si热电材料在不同温度和应变率下的基本力学行为，从而为Mg2Si力学性能的深入研究和热电器件的设计提供依据。\n 围绕本文的研究目标，开展的主要研究工作和取得的成果包括：\n 1、采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了并获得了Mg2Si热电材料的晶体结构参数与基态物理性质。根据Mg2Si晶体结构的特点，建立了Mg2Si计算单胞模型，利用 VASP软件对Mg2Si的晶体结构进行优化，得到了Mg2Si结构平衡态的体积、原子坐标等晶体结构参数与结合能等基态物理性质。为Mg2Si原子间作用势的建立奠定了基础。\n 2、建立了Mg2Si热电材料的原子间作用势。通过分析Mg2Si的晶体结构，确定了晶体结构中各原子间的成键方式和势函数模型。利用本文的第一性原理分析获得的晶体结构参数、基态物理性质和已有的实验结果，建立相关的平衡方程，运用最小二乘原理，拟合确定了势函数中各参数，从而建立了Mg2Si热电材料原子间作用势，并通过计算Mg2Si单晶块体在弛豫过程中的系统的总能分布、径向分布函数以及0 K时的弹性常数对作用势的可靠性和准确度进行验证。\n 3、利用本文建立的势函数和分子动力学的方法，系统研究了单晶块体Mg2Si热电材料的基本力学性能。详细讨论了温度效应和应变率效应对Mg2Si单晶块体力学性能的影响，研究发现Mg2Si单晶块体的弹性模量、极限应力和断裂应变随温度的升高有显著的线性下降的趋势。而应变率对Mg2Si单晶块体的力学性能的影响很小。