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关键词： 碳纳米管   水泥基   等效连续体   拉伸强度  

摘要： 碳纳米管(carbon nanotube,简称CNT)具有优异的力学性能,作为增强相具有广泛的应用前景。本文基于分子结构力学方法构建了碳纳米管的有限元模型,并在此基础上将碳纳米管等效为连续体模型,同时计算了连续体模型的弹性常数。结合等效联系体模型,建立了碳纳米管增强水泥基材料的有限元模型,并预测了碳纳米管增强水泥基的有效拉伸应力-应变关系。主要有以下结论： (1)基于ANSYS10.0,借助于分子结构力学方法,构建了扶手椅型和锯齿型单壁碳纳米管有限元模型,并计算了两者的弹性模量,得到直径和长度对模量的影响关系。1)碳纳米管的杨氏模量随直径的增大而增大;2)可能由于长度增大、缺陷增多而导致杨氏模量随长度的增加有所降低,但最终收敛;3)不同直径的碳纳米管在长度达到一定值时,模量变化不大的结论为后面章节的研究建立了基础。 (2)在分子结构方法的基础上结合Hashin理论建立连续体模型,使其与碳纳米管的分子结构力学模型的位移边界条件相同,然后使得两者的应变能相等。按此方法计算分析了与碳纳米管等效的连续体模型的5个弹性常数,得出该常数随碳纳米管直径增大而增大,最终趋于收敛的结论。与Odegard提出的模型进行比较,验证了本模型的准确性,为进一步分析碳纳米管增强水泥基复合材料做基础。 (3)基于前两章的模型计算预测了碳纳米管增强水泥基复合材料的拉伸强度,用ANSYS中的耦合技术模拟了碳纳米管与水泥基界面之间的分离关系,界面的失效同时考虑了界面径向应力和剪切应力的影响。认为碳纳米管的破坏是随机发生的,故基于韦布尔分布用蒙特卡洛方法模拟了这种随机分布。通过施加荷载模拟了界面的分离、碳纳米管的随机断裂,最后得到碳纳米管增强水泥基复合材料的拉伸应力-应变关系。

关键词： 材料力学   实验   创新能力  

摘要： 本文围绕材料力学实验教学中存在的问题,从更新实验设备,改革实验内容,转变教学观念等方面提出了自己的具体措施和建议,培养学生的动手能力,探索能力和创新能力。

关键词： 玄武岩纤维   酚醛树脂   纳米粒子改性   力学性能   高温稳定性  

摘要： 玄武岩纤维最初由前苏联科学家开发,完全应用于军事上的航空和航天领域。该纤维是一种与传统应用纤维不同的无机纤维,其力学、耐高温和耐酸碱腐蚀等性能优异且独特。目前,该纤维在纤维增强树脂基复合材料领域已经一定程度上代替玻璃纤维、PBO纤维和碳纤维,极有可能成为当今世界的第四大高性能应用纤维。但玄武岩纤维同其他很多高性能纤维类似,具有表面化学惰性,在作为树脂基复合材料的增强体时与树脂间的结合能力较差,复合材料无法充分发挥纤维自身的力学性能优势,因此当前对玄武岩纤维的研究更多地集中在纤维表面改性方面。 本文的主要研究内容是通过对玄武岩纤维进行表面涂层改性,从而提高玄武岩纤维及其复合材料的力学性能,增强复合材料制品的高温稳定性,使复合材料制品具有优异的室温层间剪切强度和高温剩余层间剪切强度。 在优化后的玄武岩纤维/酚醛树脂基复合材料热模压成型工艺的基础上,通过使用SiO、ZrO和CeO纳米粒子对实验自制配方的玄武岩纤维通用浸润剂和成膜剂进行改性,获得纳米粒子改性浸润剂和改性成膜剂,并用其对玄武岩纤维进行表面涂层改性,制备成复合材料。通过对复合材料制品层间剪切强度、高温减重以及高温剩余层剪强度的测定,确定出使用SiO粒子改性浸润剂对玄武岩纤维进行表面改性,可以最大限度提高复合材料的界面强度,同时使用ZrO粒子改性浸润剂涂层改性的玄武岩纤维具有最优异的抗高温减重性能和层剪强度剩余率。 在此基础上,还研究了表面涂覆不同粒径和不同浓度SiO粒子的玄武岩纤维及其复合材料的力学性能,同时研究了ZrO和CeO改性酚醛树脂所制备复合材料的力学性能,高温减重率及层剪强度剩余率。通过实验发现,使用浓度0.2wt%,粒径为350nm的SiO粒子对玄武岩纤维进行表面涂覆,可以有效的改善玄武岩纤维的表面极性,增大纤维与树脂结合能力,并使复合材料的界面性能有较高的提升;而使用ZrO和CeO改性酚醛树脂制备出的复合材料只能具有与未改性玄武岩纤维/酚醛树脂复合材料持平的层剪性能,其高温层剪强度剩余率整体低于使用ZrO和CeO改性浸润剂所制备复合材料的高温层剪强度剩余率。但是用该两种改性树脂制备出的复合材料拥有所有实验中所制备复合材料中最优异的抗高温减重性能。

关键词： 碳化硼   复合材料   压力浸渗   力学性能  

摘要： 高体积分数颗粒增强金属基复合材料结合了陶瓷和金属的性能优势,具有轻质、高强、高模量的特点,是一种颇具应用前景的装甲材料,但此方面的报道研究较少。采用压力浸渗法制备了颗粒体积分数为50%、不同粒径的B4C/ZL101复合材料。结果表明,预制件温度为550℃、浸渗熔体温度为750℃时,采用压力浸渗可以得到颗粒分布均匀、致密度高的复合材料,组成相简单;复合材料的力学性能表明,B4C颗粒的粒径越小,复合材料的力学性能越好。当B4C颗粒粒径为3μm时,压缩强度、抗弯强度、布氏硬度分别可达1000MPa、640MPa、285HB。

关键词： 再生混凝土   再生粗骨料   力学性能   受弯构件   受剪性能   极限承载力  

摘要： 随着我国城市化进程的不断加快,天然砂石的过度需求和废混凝土的大量产生给环境和社会都带来了巨大的压力。在此背景下提出的再生混凝土（recycled concrete,简称RAC）技术可以有效地解决这一问题,因而在世界各国都展开过研究,并逐渐得到广泛的应用,目前已成为混凝土材料发展的热点之一。为进一步推广RAC技术,扩大RAC技术的应用范围,本文分别从RAC的材料力学性能和受弯件受剪性能两个方面分别展开研究。 1.通过RAC材料力学性能试验,研究了不同再生粗骨料来源的RAC在立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度以及粘结锚固强度等材料力学性能方面的差异,以及不同再生粗骨料取代率和不同矿物掺合料对RAC的立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度以及粘结锚固强度等材料力学性能的影响,得出如下结论: （1）再生粗骨料取代率对RAC立方体抗压强度的影响较为显著,而再生粗骨料来源对其影响并不明显;再生粗骨料取代率和矿物掺合料都是影响RAC棱柱体抗压强度的两个重要因素,再生粗骨料来源对RAC轴心抗压强度的影响最小;矿物掺合料是影响RAC劈裂抗拉强度最主要的因素,再生粗骨料来源对RAC轴心抗压强度的影响不显著;钢筋等级是影响RAC最大平均粘结强度的最主要因素,其次是再生粗骨料取代率,再生粗骨料来源、钢筋直径和矿物掺合料对RAC最大平均粘结强度的影响都不显著。 （2）总体而言,RAC的材料力学性能试验均随再生粗骨料的增大而减小;但是,当再生粗骨料取代率为50%,RAC立方体抗压强度和最大平均粘结强度都反而增加,甚至超过普通混凝土。 2.通过RAC受弯构件受剪性能试验,研究了不同再生粗骨料来源的RAC受弯构件受剪性能之间的差异,以及不同再生粗骨料取代率和粉煤灰对RAC受弯构件受剪性能的影响,得出如下结论: （1）随着再生粗骨料取代率的增加,再生混凝土梁的裂缝数目呈几何级数增加;不同再生粗骨料来源的RAC梁的裂缝条数较为接近;粉煤灰的掺入进一步促进了裂缝的发展。 （2）再生粗骨料取代率、再生粗骨料来源和粉煤灰对RAC梁的开裂荷载均有较大的影响,且影响大致相同;再生粗骨料取代率对RAC梁的极限荷载影响较大,而再生粗骨料来源和粉煤灰对RAC梁的极限荷载都不大。 （3）RAC梁的开裂荷载和极限荷载均低于普通混凝土,且均随着再生粗骨料取代率的增加而减小。RAC梁掺入粉煤灰后,开裂荷载和极限荷载均有所减小。 最后,本文分析了再生粗骨料取代率对RAC梁受剪承载力的影响。结合现行《混凝土结构设计规范》,通过试验数据的回归分析,建立了在集中荷载作用下RAC简支梁抗剪承载力的计算公式。经检验,经公式调整后的计算值与实验值吻合效果较好,可作为今后研究的参考。

关键词： 材料力学   教学方法   教学效果  

摘要： "材料力学"是工科院校的一门重要专业基础课之一。为了取得理想的教学效果,合理运用多种教学方法是至关重要的。本文针对材料力学的特点,从教学方法方面对教学改革进行了一些探讨。

关键词： 应变梯度塑性理论   微柱压缩   纳米多晶   内界面   位错能  

摘要： 微纳米尺度下,材料力学行为是尺度相关的。材料中各种内界面对变形的约束是导致微尺度效应的主要来源之一。当内界面约束导致的非均匀变形场的“特征波长”和材料的“内禀长度”在同一量级时,微尺度效应不可忽略。内界面约束行为及其尺度效应机理是当前微塑性力学领域关注的重点之一,具有重要的理论价值。 一方面,应变梯度理论可以很好地捕捉变形场非均匀性对材料力学行为的“附加强化”效应,但对材料中各种内界面约束的处理一直不理想,将它们用于研究由材料内界面约束导致的微尺度效应时存在局限。因此,有必要针对材料不同的内界面,在高阶应变梯度框架下发展相应的界面模型,以合理地刻画与内界面有关的材料变形行为及其微尺度机理。 另一方面,现有的应变塑性梯度理论多是唯象的,缺乏对材料塑性变形时微结构演化和微观变形机制的深入考虑,理论模型中非常重要的内禀材料长度和微观应力平衡条件往往缺乏明确的物理意义。基于塑性变形的位错机制,发展新的高阶应变梯度理论一直是学术界的热点,也是难点。 针对上述两个方面的问题,本文开展了一些积极的探索,主要研究内容和取得的创新性成果如下： 1、针对微纳米材料的变形特点,在高阶应变梯度塑性框架下,提出了三种内界面模型。单晶微柱压缩变形时,塑性滑移层先后屈服,内界面是处于不同变形状态的薄层之间的过渡面。双晶微柱中晶界作为阻碍位错运动的内界面,在应变梯度框架中赋予其界面能,从而有自己独立的屈服准则。纳米多晶材料,晶界体积分数占较大比例,因此作为单独的材料相进行处理,有自己独立的平衡方程和本构关系。 2、基于应变梯度微柱薄层模型,分析了单晶微柱压缩中出现的“应变陡增”现象。研究表明：高阶应力在相邻塑性薄层界面处是连续的,但在弹性薄层与塑性薄层问的界面处是不连续的;因此,在先后屈服的相邻薄层界面处高阶应力存在跳跃,由此导致了微柱压缩应力-应变曲线上“应变陡增”台阶的出现。另一方面,单品微柱压缩实验应力-应变曲线有较大的分散性,本文的应变梯度微柱薄层模型合理地预测了应力-应变曲线的上下界。 3、在高阶应变梯度框架下,将晶界作为材料内部的不连续面并被赋予晶界能,提出了具有界面能特性的内界面梯度理论模型。通过对双晶微柱压缩力学行为的分析,结果表明：该界面模型不仅能给出与实验符合良好的微柱压缩应力-应变曲线,而且还发现应力-应变曲线中“两个拐点”分别对应于晶粒和晶界屈服,从而从内在物理机理上对应力-应变曲线三阶段特征进行了解释。 4、针对纳米多晶材料,将晶界作为与晶粒内部同等地位的“材料相”,提出了考虑有限厚度内界面的梯度理论模型。在该模型中,品界相不仅可以是多晶材料塑性变形的障碍,也可以是塑性变形的通道。通过对多晶材料行为的分析,结果表明：有限厚度的内界面梯度模型不仅较好地描述了纳米多晶材料Hall-Petch和反Hall-Petch效应,而且还给出了从Hall-Petch效应过渡到反Hall-Petch效应时的临界品粒尺寸。 5、基于位错自能和相互作用能,在热力学框架下建立了功共轭的高阶应变梯度晶体塑性模型。通过简单的位错环构型,建立了镜像力、自力与位错自能演化,以及背应力与位错相互作用能演化之间的内在关系。基于虚功原理,建立了滑移系微观应力平衡方程,较好地捕捉晶体滑移时的流动准则。与现有高阶梯度本构理论相比,本文模型中的“内禀材料长度”被赋予了更加明确的物理意义;同时,它还能与三维离散位错动力学(3D-DDD)以及Evers-Bayley非功共轭的应变梯度晶体塑性框架建立起内在联系。

关键词： 生物材料   多尺度力学   仿生   强韧化机理   微纳米结构   表面浸润  

摘要： 作为生物力学中一个快速发展的重要研究领域,生物材料力学旨在通过实验研究和理论分析,揭示各种天然生物材料的功能、性能、结构和组分之间的基本关系和机理,并为新材料的仿生设计等提供来自大自然的启示。本文综述了近年来我国学者在该领域取得的一些最新研究进展,主要内容包括珍珠母、牛角等生物复合材料的强韧化机制,生物材料表面浸润特性与微纳米结构之间的关系,以及相关的一些仿生应用。本文还简要介绍了本期专刊所刊登的7篇邀请文章。

关键词： 纳米复合材料   力学性能   多尺度实验   拉曼力学测量理论  

摘要： 微/纳领域科学技术发展迅速，迫切需要开展微/纳米力学测试新技术以及多尺度相关联的实验力学分析方法的研究。将微拉曼光谱法作为一种新的微尺度力学测试手段应用于材料力学实验研究，在测量基础理论与分析方法方面还有很多工作有待于开展。本文针对碳纳米管（CNT）材料力学性能的多尺度实验分析与拉曼测试技术，以及多孔硅材料的拉曼应力测量理论与应用展开了研究。 本文首先将宏观力学拉伸实验、显微形貌观测、微光谱探测实验技术结合，构建了一个多尺度的实验测量系统，实现了CNT复合材料力学行为的多尺度实验研究。其中，微观上通过微拉曼光谱，探测材料晶格结构的力学响应，细观上通过扫描电镜观测材料的细观结构变形，宏观上测量材料的应力和应变，设计并研制了与微拉曼光谱仪配套的微拉伸加载装置，将不同尺度的实验通过同步在线的测量方式进行关联，能够实现对具有多级结构的CNT复合材料力学性能的精细实验研究。 本文利用上述多尺度实验测量系统，研究了CNT纤维和薄膜材料的力学性能及其细微观机理。测量了CNT纤维在拉伸加载直至损伤断裂和循环加载过程中的力学行为，分析了“纤维－束&丝－CNT”各级尺度结构的载荷响应，并在实验分析的基础上，建立了可用于表征纤维宏观力学性能的本构关系式。该研究揭示了影响CNT纤维强韧度力学性能的细微观机理，为改进CNT宏观材料的制备工艺、提高其力学性能提供了依据。测量了三个不同方向载荷作用下CNT薄膜材料各尺度结构的变形响应，提出了薄膜的细观碳管束粘接基元网格模型，初步探讨了薄膜力学性能及破坏方式的各向异性性质。 针对多孔硅薄膜材料残余应力测量中的问题，本文进一步研究了多孔硅材料的拉曼力学测量理论，建立了多孔硅材料的横观各向同性力学模型，推导了多孔硅的拉曼频移－应力理论表达式，并分别采用纳米压痕方法和数字散斑相关方法测定了多孔硅的弹性模量和泊松比，从而确定了多孔硅材料的拉曼频移应力系数。利用所研究的测量理论，本文对多孔硅薄膜/单晶硅基底结构工艺残余应力沿厚度方向的分布进行了精细测量与分析。

关键词： 材料力学   实验教学   误差分析   应变片  

摘要： 根据任意方向的应变公式,分析了材料力学基本实验中应变片粘贴方向、位置误差对测量结果的影响。