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关键词： 8YSZ   LaMgAl11O19   抗弯强度   断裂韧性  

摘要： 为改善8YSZ材料的力学性能,利用呈板片状结构的LaMgAl11O19来强韧化8YSZ陶瓷,在1600℃下保温3 h制备了LaMgAl11O19-8YSZ复相陶瓷,研究了LaMgAl11O19的添加量对8YSZ基复相陶瓷的致密度、显微形貌和力学性能的影响。结果表明,添加板片状LaMgAl11O19可较明显地改善8YSZ陶瓷的力学性能。当LaMgAl11O19的添加量为20 wt%时,8YSZ基复相陶瓷的抗弯强度和断裂韧性分别为297.4 MPa和4.0 MPa.m1/2。

关键词： 无屈曲织物   复合材料   国产碳纤维   单向带预浸料   斜纹织物   力学性能  

摘要： 无屈曲织物(Non-crimp fabric,NCF)是一种新型增强结构织物,具有优异的力学性能、工艺性能和显著的经济优势,已广泛应用于航空航天、船舶游艇、风机叶片、汽车制造等众多领域。NCF复合材料力学性能的研究是一个十分重要的问题。目前,国内外学者已对碳纤维NCF复合材料力学性能进行了大量的研究,所用的碳纤维均为日、美等碳纤维垄断国的产品,而采用国产碳纤维制备NCF并以其作为增强体制备复合材料的研究未见相关报道,并且关于碳纤维NCF复合材料力学性能的诸多研究结果存在许多不一致,值得我们亲身实验加以探索。\n 本论文针对采用国产CCF3003K替代日本东丽T70012K碳纤维制备四轴向NCF进行了设计,在进口碳纤维NCF复合材料不同方向的力学性能研究基础上,对国产碳纤维NCF复合材料的力学性能进行了详细的研究,并将国产碳纤维NCF成功应用于电动汽车车身部件的制备;同时,对比研究了NCF复合材料与传统增强结构——单向带预浸料(UDPT)、斜纹织物复合材料的力学性能。论文的研究为国产碳纤维NCF及其复合材料的工程应用提供了性能参数依据和理论指导,对扩大国产碳纤维的应用亦具有重要的意义,积累了一定的NCF复合材料工程性能数据,对NCF的工程选择具有指导意义。\n 本论文主要工作如下:\n 1、首先针对选定的基体树脂——环氧树脂,通过非等温DSC法研究其固化反应。采用n级反应模型和Malek等转化率法确定了固化反应动力学方程,通过外推法优化其固化工艺,测试了优化后工艺下制备的树脂浇铸体的固化度和力学性能。结果表明:n级反应模型与实验值差别较大;采用等转化率法判断固化反应按自催化反应机理进行,在2.5～15℃/min升温速率下,自催化模型计算曲线与实验曲线吻合较好;优化确定固化工艺为70℃/2h+110℃/2h,在该工艺下制备的浇铸体固化度达98.51%,拉伸强度和弯曲强度分别为75.11MPa和128.10MPa。\n 2、针对国产CCF3003K替代日本东丽T70012K碳纤维制备四轴向NCF进行了设计,采用东丽T70012K碳纤维和大部分国产替代CCF3003K碳纤维(与东丽T3003K碳纤维相当)分别制备了两种NCF织物。通过真空辅助树脂注入成型工艺(VARI)制备了两种织物增强的复合材料,对这两种复合材料0°、90°和±45四个方向的拉伸、弯曲和层间剪切性能进行了测试与对比研究。结果表明:在现有生产条件下,国产CCF3003K碳纤维最多可以代替四轴向NCF中66.7%的进口TT0012K碳纤维;国产碳纤维NCF复合材料各方向归一化后的拉伸强度比进口碳纤维NCF复合材料低18.7～26.1%,而其它性能没有显著差别;两种NCF复合材料的拉伸、弯曲和层间剪切破坏模式相似。\n 3、通过VARI工艺制备了NCF复合材料和斜纹织物复合材料,以及通过热压罐工艺制备了UDPT复合材料,对四轴向NCF复合材料各方向的富树脂区参数进行了表征,定性比较了NCF复合材料、UDPT复合材料及斜纹织物复合材料中丝束的屈曲程度及富树脂区的大小,并对比研究了三种复合材料的力学性能。结果表明:①四轴向NCF复合材料中0°方向丝束层的富树脂区为矩形状,宽度为0.33mm;90°、-45°和+45°方向富树脂区为菱形状,其长轴分别为1.16mm、3.18mm和1.16mm,短轴分别为0.06mm、0.16和0.06mm。②UDPT复合材料中的丝束严格平行伸直排列,不存在屈曲,并且不存在富树脂区;NCF复合材料中由于存在厚度方向的缝合,丝束存在一定的屈曲,并且存在富树脂区;斜纹织物复合材料中由于经纬方向丝束的交叉,丝束存在严重的屈曲,且富树脂区较大。@INCF复合材料中丝束的屈曲程度和富树脂区均大于UDPT复合材料,因此LIDPT各方向的归一化拉伸模量和归一化弯曲性能均大于NCF复合材料,但是由于厚度方向的缝合作用提高了拉伸过程中的分层阻力,使得NCF复合材料的归一化拉伸强度略大于UDPT复合材料。虽然斜纹织物复合材料中丝束的屈曲程度和富树脂区均大于NCF复合材料,但是结果表明与斜纹织物复合材料相比,NCF复合材料的拉伸性能和弯曲性能的优越性并不显著。计算得到的三种复合材料的归一化层间剪切强度没有显著差别,说明三种复合材料中的树脂基体与纤维的界面结合作用相似。

关键词： 微尺度材料   应力应变   悬臂梁挠度   剪切带   极限拉伸强度  

摘要： 大量实验表明金属材料的特征长度在微米或亚微米量级时表现出较强的尺寸效应。经典塑性理论由于本构关系中不包含内禀长度,所以不能解释材料的尺寸效应。为了解释实验中出现的尺寸效应,2000年Chen和Wang将应变梯度的影响作为一种内变量增加材料切向模量,提出了一种低阶的应变梯度理论。2002年,又提出了考虑与位移分量独立的微观转动偶应力应变梯度理论.本文主要应用低阶应变梯度理论研究了几种典型的微尺度材料力学行为。\n 首先借助伯努利欧拉梁模型,分别采用F-H偶应力理论和C-W应变梯度理论研究线弹性和刚塑性微悬臂梁弯曲的尺寸效应。得到了基于两种应变梯度理论的悬臂梁挠度解析解,进而揭示了两种理论下内禀长度的内在联系,及两种理论更适合的微尺度范围。\n 其次为了解释微孔洞对材料强度影响的尺寸效应,应用Chen和Wang(2000)提出应变梯度理论分别研究了球形和圆柱形两种微孔洞模型。假定材料的等效应力和等效应变满足幂次硬化规律,理论和数值结果表明:含微孔洞材料的强度与比值l/R0相关,l与材料的内禀长度相关,R0则代表孔洞的半径。当该比值大于1时,材料体现出较强的尺寸效应;随着该比值的减小,尺寸效应减弱并逐渐趋向经典解。对于球形和圆柱形微孔洞情况,当幂硬化指数分别为1/3和1/2时,则可以获得位移场的解析解。\n 最后采用一种简化的应变梯度模型研究了韧性材料分别受纯剪力和单轴拉伸两种载荷下的塑性流动局部化,该简化的应变梯度理论由F-H偶应力理论和C-W应变梯度硬化关系组成。不同于经典的塑性理论框架,本文通过分叉分析解析预测了剪切带初始形成宽度和应变率分布。理论结果表明:应变率在剪切带内部极不均匀,最大值出现在剪切带的中心处;剪切带宽度不仅依赖于材料的内禀长度,而且与材料常数相关(例如屈服极限,极限拉伸强度,线性硬化和软化模量)。单轴拉伸情况下剪切带的倾斜方向依赖于材料常数,理论预测也与现有的实验结果定性一致。

关键词： 高速公路   沥青混凝土   有限单元法   半柔性路面   柔性路面   路面材料   力学性能  

摘要： 高速公路的发展俨然已经成为一个地区和国家交通水平乃至经济发展水平的重要指标,沥青路面是当今世界使用最为广泛的一种高速公路路面形式。\n 本文研究对象合徐高速公路的路面采用沥青混凝土材料,沥青混凝土是典型的粘弹性材料,其力学响应受时间和温度的共同影响。传统的线性本构模型无法反映出时间和温度的因素,因此利用粘弹性力学理论来分析沥青路面的力学性能已经越来越受重视。本文依据不同温度下沥青混凝土松弛实验数据,利用粘弹性力学理论分别拟合出了最佳的粘弹性本构模型,并在有限元软件中实现了松弛实验的数值模拟,验证了粘弹性本构模型的准确性。\n 利用有限元软件建立了沥青混凝土路面结构的三维数值模型,分析了路面结构在不同的环境温度、面层厚度、基层厚度、基层模量、路基模量以及不同的轴载下的力学响应,得到了路面弯沉、面层底部拉应力、基层底部拉应力、底基层底部拉应力随时间的变化,面层的竖向应变、剪应力随着深度的变化以及土基顶部的竖向应变的变化。\n 依据有限元数值模拟的结果,分析了面层粘弹性材料对路面结构力学性能的影响,得到了路面结构的力学响应,分析了其变化特征。最后提出了沥青路面粘弹性力学分析更深层次的问题,以及需要进一步研究的工作。

关键词： 材料力学   实验数据网络化   管理系统  

摘要： 实验数据网络化管理系统的开发是实验教学改革和信息化建设的重要内容。文章在分析材料力学实验数据管理现状的基础上,介绍了材料力学实验数据网络化管理系统的设计原则、目标、内容及系统结构,以实现实验过程的集中监控,实验室数据的集中管理和分析。

关键词： 秸秆   外加剂   力学性能   耐久性能   助剂   水泥基生物质材料  

摘要： 近年来，全球范围内的环境恶化迫切的要求人类改变现在的生产和和生活方式，保护环境。这就需要开发新的资源、能源，建立长期的绿色发展机制。由此，生物质材料开始逐渐的走入人们的视线，生物质材料技术得到了迅速发展。农作物剩余物——秸秆是我国丰富的可再生物质资源之一，年产量超过6亿吨。秸秆可再生周期短，可贮藏性等特点。与此同时，国家资源能源政策不断进行调整，秸秆的传统利用方式已不适合新的发展形势，出现了区域性、季节性、结构性的秸秆过剩的问题，甚至还有部分地区仍存在违规焚烧的问题，秸秆资源的合理化应用成为一个亟需解决的问题。\n 目前，世界范围内将秸秆用作建筑材料不到20%，并且多数是与胶黏剂、废弃塑料等制作成为胶合板等，对于秸秆与硅酸盐水泥等无机胶凝材料的复合研究比较少。由于秸秆的组织成分和结构类型的特殊性，秸秆溶出物在无机胶凝材料水化反应时会影响胶凝材料的水化凝结，同时在秸秆表面会形成不良的界面粘结区域，造成秸秆与胶凝材料复合材料性能的不稳定。现在国内外学者主要工作集中在秸秆的预处理上面，通过物理处理、接枝共聚、生物酶等方式，改变秸秆的组织结构，改善秸秆与胶凝材料的相适共容性，但是这种单方面的改性方式并不能完全解决秸秆的界面相容性问题。\n 本文通过在水泥基生物质建材分别掺加包裹类外加剂及早强促凝类外加剂，分析外加剂掺量对水泥基生物质建材性能的影响，研究外加剂对水泥基生物质建材改性的可行性，实现利用外加剂改善水泥基生物质建材相适性、力学性能、耐久性能的目的，为秸秆生物质复合材料的深入研究提供理论基础。\n 本文通过在水泥基生物质建材分别掺加包裹类外加剂及早强促凝类外加剂，研究了外加剂对水泥基生物质建材相适性的影响。研究结果表明，掺加外加剂可以提高水泥基生物质建材最高水化温度，缩短达到最高水化温度的时间，提高水泥基生物质建材相容性系数。相容性系数CA随在包裹类外加剂掺量增加而增加；早强促凝类外加剂CaCl2对水泥基生物质建材早强促凝效果最好，当CaCl2掺量为8%时，Tmax为46℃、CA为86.11%。\n 本文通过在水泥基生物质建材分别掺加包裹类外加剂及早强促凝类外加剂，研究了包裹类外加剂与早强促凝类外加剂对水泥基生物质建材抗折强度、抗压强度的影响。研究结果表明，通过掺加两类外加剂，减弱秸秆对水泥水化的缓凝，提高了水泥基生物质建材的强度。掺加包裹类水玻璃的水泥基生物质建材的早期强度优于掺加包裹类外加剂PVAc，而掺加PVAc的水泥基生物质建材的后期强度优于掺加水玻璃，28d抗压强度从5.5MPa增加到10.30MPa；掺加早强促凝类外加剂的水泥基生物质建材早期强度增长率达到300%以上，秸秆生物质建材28d抗压强度随着早强促凝类外加剂掺量的增加呈现不同程度的增长趋势。\n 本文通过对掺加包裹类外加剂与早强促凝类外加剂对水泥基生物质建材的耐水抗老化性能影响的研究发现，两类外加剂均提高了水泥基生物质建材防腐耐久性能。当包裹类外加剂PVAc掺量为50%时，秸秆生物质建筑材料的软化系数为0.96，吸水率为0.087，干湿强度系数为0.921，效果最好；掺加早强促凝类外加剂后的秸秆生物质建筑材料的软化系数从0.46增加到0.90，吸水率从0.155降低为0.106，干湿强度系数从0.725增加到0.885。\n 本文通过对外加剂复掺发现，当CaCl2掺量为6%，FeCl3掺量为3%，Al2(SO4)3掺量为4%，PVAc掺量为45%时，秸秆生物质建筑材料的抗压强度为14.11MPa，软化系数为0.955，干湿强度系数为0.928，达到墙体材料使用要求，为最优外加剂配合比，实现了利用水泥基生物质建材作为建筑材料合理化使用的目的。

关键词： 聚酯纤维膜   力学性能   屈服强度   弹性模量   抗力分项系数  

摘要： 薄膜结构是上世纪60年代发展起来的一种结构形式。其优美快的造型、相对低廉的造价、合理的结构原理以及高速简便的施工工艺，使得这种结构形式得到建筑师、工程师以及大众的青睐。目前在世界各地已经建造了大量的这种结构形式的建筑，所以对膜材料力学性能的研究也越来越受到关注。但迄今，我国膜结构设计都是参照国外规范采用单一安全系数设计方法，为建立基于结构可靠度理论的膜结构概率极限状态设计方法就有必要对膜材的主要材料力学性能，包括：膜材屈服强度，强度标准值，强度设计值，弹性模量以及膜材的分级进行深入研究。\n 本文以聚酯纤维膜为研究对象，完成的工作内容如下：\n 1.根据从中国纺织标准研究所取得的单轴拉伸试验数据绘制了膜材的荷载-位移曲线，并对拉伸曲线进行了深入的分析。参考国内纺织业标准GB/T3923.1-1997、GB/T16604-2008，和国外相关规范DIN53354，对上海申达科宝新材料有限公司生产的MB68121-950/902、MC13122-1100/902聚酯纤维膜材、MC13122-1100/902聚酯纤维膜材的基布及纱线进行了单轴拉伸试验，通过对曲线的分析，总结出影响膜材强度的主要因素为：纱线的编织方法、纱线线密度和纱线密度，并根据这些因素对聚酯纤维膜材进行了分级。\n 2.根据膜材单轴拉伸试验的应力-应变曲线，采用作图法对于每个级别的聚酯纤维类膜材确定了两个转折点，分别作为屈服强度和工程强度，在此基础上，统计出屈服强度和工程强度符合的分布，并给出了膜材具有95%保证率的抗拉强度标准值。\n 3.采用Hin和Ishiil提出的分段线性化方法，将单轴拉伸测试所得的应力-应变关系曲线按照应力水平的不同，分割为三个区间，将各区间内应力-应变关系近似线性化，计算并确定了各级膜材的第一弹性模量和第二弹性模量，讨论了第一弹性模量和第二弹性模量在膜结构设计中的适用场合，并给出了各级膜材的双线性本构模型。\n 4.在分析了影响膜材抗力不定性的主要因素的基础上，根据目标可靠指标确定了在长期和短期荷载组合情况下膜材的抗力分项系数γR。\n 通过本文的工作，为膜结构设计中膜材强度的取值奠定了一定的基础。

关键词： 神经网络   遗传算法   小生境技术   预测模型   力学性能  

摘要： 对工业材料测试,建立优化系统,关于建立材料力学性能与组成、工艺等相关的预测模型,可以减少试验次数、提高效率、实现工艺的优化。提出利用遗传算法优化的神经网络建立材料性能影响因子到力学性能的非线性映射。在遗传算法中采用基于淘汰相似结构机制的小生境技术,使预定距离之内仅存一个优良个体,维护了群体的多样性,从而提高全局搜索能力。以麦杆增强复合材料为例进行仿真研究,建立其力学性能预测的小生境遗传神经网络模型,利用模型优化注塑成型的工艺参数进行仿真。结果表明所建模型具有较好的学习和泛化能力,对于优化成型工艺参数具有可行性,在材料性能研究领域有着较好的应用和推广价值。

关键词： 建筑材料   纤维砂浆   玄武岩纤维   材料力学  

摘要： 水泥与水泥基材料是当今最大宗的人造材料，水泥砂浆是建筑工程中用量最大、用途最广的水泥基材之一。在水泥砂浆中添加一定量的纤维或织物可以提高水泥砂浆的抗拉性能和韧性。玄武岩纤维是一种新型矿物纤维，具有抗拉强度高、弹性模量大、化学稳定性好，与水泥基材料相容性好等优点，是一种正在推广的水泥基材增强纤维。\n 本文在大量试验和理论研究的基础上，分别研究了玄武岩短纤维、织物和短纤维与织物增强水泥基材的力学性能和耐久性能，其研究工作和主要成果包括：⑴将玄武岩纤维的力学性能、环保性能、活性指数及耐碱性能与常用水泥基材增强纤维做对比，从而体现出玄武岩纤维作为水泥增强材料的优越性；⑵分别将0.5 Kg.m-3、1.5Kg.m-3、2.5Kg.m-3和3.5Kg.m-3掺量的玄武岩纤维和经过硅烷偶联剂处理的纤维掺加到砂浆基体中，测试其不同掺量对水泥砂浆弯曲性能和吸水性的影响，探索玄武岩纤维短切纱的最佳掺量。结果表明经过处理的玄武岩短切纱在掺量为1.5 Kg.m-3时，水泥砂浆的抗弯性能最佳；砂浆的吸水性随着纤维掺量的增加而降低，经过处理的纤维且掺量在3.5Kg.m-3时，砂浆的吸水率最低。⑶将不同层数的玄武岩织物和经过硅烷偶联剂处理的织物掺加到砂浆中，随着织物层数的增加，抗弯性能逐渐提高，砂浆的吸水率逐渐降低，经过处理的织物对二者的影响较未处理的显著。将2.5 Kg.m-3短纤维分别与不同层数的织物复合增强水泥砂浆，其抗弯性能变化规律与织物增强基本相同，吸水率变化规律不明显。通过对比分析得知，织物对于抗弯强度的增强效果优于短纤维，次于短纤维与织物共同复合增强效果。此外，经过偶联剂处理的纤维与织物增强效果优于未经处理的增强材料。对于吸水率，经过偶联剂处理的纤维对砂浆的影响最显著。玄武岩纤维或织物可以提高砂浆的抗拉性能和耐久性能，因此本课题研究对于开发高性能砂浆和水泥制品有着重要参考价值，同时也有利于拓宽玄武岩纤维的应用领域和我国玄武岩矿石资源的合理开发与应用。

关键词： 球形压痕   力学性能   金属结构   有限元模拟  

摘要： 基于示值球形压痕技术计算材料的力学性能的方法，是根据压痕响应与材料力学性能有一一对应的关系而确立起来的。这种方法的确立为无损便捷的获得材料的各个力学参数提供了一条重要的途径。虽然球形压痕法能够快速的计算出材料的各个力学性能参数，但是它在小深度比尺度(即小的h/R，h为压入深度，R为压头半径)下的压入还存在很多有争议的问题，这些问题有待进一步的研究。\n 本文对小深度比尺度下的几个热点问题用有限元模拟的方法进行了研究，并把研究的范围扩展到了大深度比尺度。另外，本文还重点对Ogasawara等人和Cao等人的计算方法进行了三个方面的改进。通过有限元模拟，本文的研究结果如下：\n 1.在小深度比尺度下，应变硬化指数n值对P-h曲线有很重要的影响，应变硬化指数越大，压入某一深度所需的载荷也越大。应变硬化指数还直接影响压头周围材料的流变特征，当n<0.3时，n值越小，压痕周围的凸起现象越明显。当n>0.3时，n值越大，压痕周围的凹陷现象越明显。中途加卸载对P-h曲线没有影响，即使是对具有加工硬化的材料，因而它不影响基于球形压痕技术的P-h曲线对材料力学性能的评价。材料的初始屈服强度σy对压入到相同深度时所需的载荷影响很大：初始屈服强度越大，所需的载荷也就越大，两者之间呈很好的三次方关系。Tabor的关于低碳钢在α/R约为0.1时进入全塑性以及Pm=2.8σy的结论，是一种仅适用于接近理想状态的近似值。\n 2.通过研究大深度比尺度下材料的P-h曲线特征发现，只有压入深度比h/R大于0.4以后，才能得到不同材料的P-h曲线相互分离的结果，从而保证由P-h曲线计算材料性能得到唯一解。摩擦系数对P-h曲线有一定的影响，这种影响只在较大的h/R情况下才表现出来：h/R越大，影响越明显。摩擦系数对P-h曲线的影响大小还与材料的硬化指数n值有关：n值越小越明显，较大的n值情况下，摩擦系数开始影响P-h曲线时的h/R就越大。压头的柔度随着压入深度的增大而增大，增大到一定程度趋于平缓。压头柔度同时受n值的影响，n值越大，相同深度下的压头柔度也就越大。\n 3.研究发现Ogasawara等人以及Cao等人利用P-h曲线计算材料塑性性能的方法在大深度比尺度下并不适用，因此对这两种方法进行了三个方面的改进。1)由于发现了深度比h/R=0.3之前P-h曲线的重合现象，因此我们采用了更大尺度的深度比(h/R=0.4)下的压痕响应来计算材料的塑性性能。2)对于弹性模量明显不同的合金钢、铝合金、钛合金这三类常见工程结构材料，Ogasawara等人提出的W/[h3σr(1+s·n)]与E*/[σr(1+s·n)]的关系曲线和无量纲函数不能很好地重合成一条关系曲线，因此必须对这三种工程材料分别确定各自系数，使得计算方法更具有针对性并且更加精确。3)由于在大深度比尺度下不能得到独立于硬化指数的无量纲函数，在Ogasawara和Cao的两种计算方法中都引入了新的反映加工硬化效应的球因子Sf，使得无量纲函数独立于硬化指数。通过逆向计算材料的塑性性能来对改进的方法进行验证，发现改进的方法与已有方法相比，计算精度进一步提高，误差进一步减小。