教学课程资源库 更多>>

关键词： 密度泛函理论   二维材料   晶界   缺陷   力学性能  

摘要： 随着石墨烯的发现,越来越多的二维材料得到了人们的关注。然而二维材料在生长或合成过程中,不可避免地会在材料表面产生缺陷,从而影响材料本身的物理和化学性能。实验和理论研究均发现单层二硫化钼(molybdenum disulfide,MoS2)表面存在一定的晶界缺陷,其晶界结构深刻影响着MoS2材料的电子性质和力学性能。但是目前为止对双层MoS2表面晶界的报道还比较少,其晶界结构如何影响材料的力学性能尚不清楚。联苯,作为一种新型二维材料,其缺陷结构类型和性质影响尚未有报道。因此,研究二维材料表面缺陷和晶界结构,深入理解缺陷对材料电子性质和力学性能的影响,将有助于更好地对这些二维材料进行调控和进一步应用。本文针对双层MoS2和联苯两类二维材料,构建了不同类型的晶界缺陷,利用第一性原理计算方法,研究了单轴拉伸应变下材料的结构稳定性和力学性能,研究内容和结论总结如下:(1)系统地研究了含有晶界的双层MoS2的不同堆叠构型和不同类型晶界的结构稳定性,讨论了晶界影响下双层MoS2的电子性质。计算结果表明,2H堆叠构型在能量上更为有利。四种晶界中,含有4|4晶界的双层MoS2之间的结合能最强。此外,晶界的存在使得费米能级附近引入缺陷态,增强了材料的导电性。(2)系统研究了含有晶界对双层MoS2材料力学性能的影响,揭示了含有晶界的双层MoS2材料在外界应变作用下的断裂过程。计算结果表明,双层MoS2要比单层MoS2具有更好的抗拉伸能力。四种晶界中,55|8晶界具有最大的杨氏模量,而4|4晶界的杨氏模量最小。晶界中的四元环更容易断裂,而八元环对外部拉伸的抗断裂能力更强。此外,晶界密度的增大会进一步降低双层MoS2的力学性能。(3)系统研究了新型二维材料联苯中可能存在的晶界缺陷和点缺陷,讨论了缺陷的稳定性和在拉伸应变下的力学行为。计算结果表明,在考虑的三种点缺陷结构中,双空位的刚性最强,键旋转的硬度最高,单空位的刚度和硬度最差。在联苯表面晶界结构中,五元环构成的晶界结构具有最大的杨氏模量,六元环构成的晶界结构具有相对较大的剪切模量。此外,随着表面缺陷密度的减小,其材料刚性减弱。

关键词： 等离子体处理   氩/氮双等离子体   对位芳纶   复合材料   铺层方式   界面粘结性能   力学性能   损伤形式  

摘要： 对位芳纶纤维是一种取向度大、结晶度高的新型高性能纤维材料.。由于对位芳纶纤维具有较高的结晶度,导致纤维表面光滑,且具有惰性的化学结构,削弱了树脂基体和纤维表面之间的机械结合,为改善对位芳纶/环氧树脂复合材料的界面性能,提高材料的力学性能,采用氩/氮双等离子体、氩等离子体和氮等离子体对对位芳纶织物进行表面改性,采用真空辅助树脂成型工艺(VARI)制备出对位芳纶/环氧树脂复合材料板材,对板材的力学性能进行测试,探究等离子体的改性作用对复合材料力学性能的影响。利用傅里叶红外光谱(FTIR)技术、扫描电子显微镜(SEM)对三种等离子体改性的对位芳纶纤维进行表征,结果表明,氮气(N)与高能载气分子氩(Ar)协同作用,产生的纤维表面刻蚀程度和极性官能团数量均大于氩等离子体改性和氮等离子体改性。通过原子力显微镜(AFM)可以探测出经过氩/氮双等离子体改性后,对位芳纶纤维的表面粗糙度从80.3nm增加到254nm。对所加工的复合板材进行力学性能测试,结果表明,氩/氮双等离子体改性对材料力学性能的改善效果最佳。改变等离子体处理功率、处理时间和气体流速三个参数对对位芳纶纤维进行氩/氮双等离子体改性,利用纤维抽拔测试确定最佳处理条件。结果表明,等离子体改性后纤维与基体的结合性能较改性前有所提高。且适当的处理条件使界面结合力大于纤维强度导致纤维断裂,最佳改性参数为功率200W,时间120s,氩/氮双等离子体流速12sccm。为探究经氩/氮双等离子体改性后芳纶织物的铺层方式对对位芳纶/环氧树脂复合材料力学性能的影响。采用平纹P1和斜纹X两种织物排列为XXXXP1P1P1P1、P1XP1XP1XP1X、P1P1XXP1P1XX、P1P1XXXXP1P1和XXP1P1P1P1XX五种铺层方式,制备出八层复合材料板材,对其进行拉伸、弯曲、层间、冲击和弹道性能测试。并利用声发射实时动态识别测试过程中的损伤情况。拉伸结果表明,减少不同组织交替铺层次数可以有效减少分层损伤,使材料的拉伸性能增强。弯曲结果表明,远离中间平面的地方具有更柔软的斜纹层的三明治结构产生的损伤最小,抗弯曲性能最好。I型层间断裂韧性结果表明,两层斜纹之间出现更多的桥连纤维阻碍裂纹的增长,需要更多的能量使纤维与基体脱粘和桥连纤维断裂,具有优异的界面结合性能。II型层间结果表明,中间层为斜纹层的三明治结构可以有效的调节载荷的下降,而中间层为平纹层的三明治结构裂纹扩展严重。冲击结果表明,四层斜纹组织在正面的结构没有发生穿透现象,且冲击面没有出现沿纤维束编织方向延伸的树脂开裂。弹道结果表明,在不同初始速度下,四层斜纹组织在正面的结构的能量吸收率普遍大于其他结构,弹体贯穿复合材料时,带出比其他试样更多的碎屑和断裂的纤维。利用经氩/氮双等离子体改性后的斜纹X、紧密平纹P1和疏松平纹P2三种对位芳纶织物按照P1P1XXP1P1XX、P2P2XXP2P2XX和P2P2P1P1P2P2P1P1三种铺层方式制备对位芳纶/环氧树脂复合材料。对复合材料进行了弯曲和I型层间断裂韧性测试,探究不同织物组织对氩/氮双等离子体改性效果和复合材料界面性能的影响,弯曲性能测试结果表明,等离子体对斜纹的改性效果明显,与刚度较大的平纹P1复合制备的复合材料抗弯性能较好,内部损伤最小。I型层间断裂韧性结果表明,斜纹与刚度较小但组织点间隙较大的平纹P2复合界面黏合性能较好,产生较多的桥连纤维断裂。

关键词： 高温双轴试验机   模糊PID   跟随控制   交叉耦合   模型预测  

摘要： 航天飞行器在太空飞行过程中,因受高速气流和复杂结构影响,其鼻锥结构、尾翼和机翼前缘承受高温和复杂机械载荷耦合作用。受高温/复杂机械载荷影响,材料及其构件极易产生损伤失效,导致航天器等关键材料及其构件的研制面临极大的挑战。因此,在高温/复杂机械载荷作用下耐高温材料的力学性能和失效机制对我国航天飞行器的安全可靠服役至关重要。课题组自主研制了高温双轴材料力学性能试验机,实现了高温复合材料在高温和烧蚀条件下的双轴等比例、非比例以及疲劳等载荷加载,可模拟绝大多数耐高温材料的实际服役工况,适用于耐高温材料在复杂载荷下失效模式/机理的研究,为航天器的高效研发和选材提供了技术支撑。不同于单轴拉伸,为便于后续开展材料性能分析,双轴拉伸需要保证试件中心点不偏离或偏离回正,试件最终断裂位置在中心区域。因此,机械载荷加载的精确性和双轴机械载荷的同步性是双轴试样力学性能精准测试的基础,双轴同步控制技术的研究是高温双轴材料力学性能试验机安全测试的基本保障。本文将展开如下研究:(1)为研究双轴系统传动机理,分别对双轴系统中伺服结构、永磁同步电机结构以及机械传动结构进行动力学分析,深入研究双轴系统中四个传动轴的伺服传动系统,分析各传动轴的伺服增益差异。为了确定双轴拉伸中位移和力之间的转换关系,进行多组双轴拉伸试验,在MATLAB中对力-位实验数据进行拟合,从而得出力/位转换公式。最后建立高温双轴材料力学性能试验机传动系统模型,并通过MATLAB/Simulink仿真验证模型的合理性。(2)为研究传统PID算法的实际应用,对永磁同步电机进行阶跃响应调试,确定初始PID参数,使其满足基本运动功能。为进一步解决传统PID控制算法在非线性双轴控制系统下的“超调”、“震荡”等问题,采用模糊PID控制算法对永磁同步电机内部进行优化。并通过仿真和试验,证明模糊PID控制算法对高温双轴控制系统的响应速度、鲁棒性及系统稳定性有极大的优化效果。(3)基于模糊PID控制算法,针对双轴系统中同轴电机同步控制,建立了快速跟随型主从同步算法,引入主电机加速度系数,保障主从同步控制中从电机的转速响应。为了进一步改善主从同步控制中从电机的动态性能,使用模型预测控制代替模糊PID控制作为从动电机的伺服系统,提升其转速响应。为了进一步解决双轴系统中双轴同步控制,针对双轴主电机设计了交叉耦合控制器,引入伺服增益系数以及速度和同步误差间的定量关系,保障双轴同步动态性能和抗扰动性能。针对具体的双轴同步控制问题,提出了基于主从跟随的交叉耦合永磁同步电机模糊PID控制和基于主从跟随的交叉耦合永磁同步电机模型预测控制2种控制方案。(4)在高温双轴材料力学性能试验机上进行双轴同步控制试验,全面分析基于主从跟随的交叉耦合永磁同步电机模糊PID控制和基于主从跟随的交叉耦合永磁同步电机模型预测控制2种控制方案。试验证明,以上两种方案均对双轴同步有明显改善。基于交叉耦合的主从跟随永磁同步电机模糊PID控制对系统有更高的鲁棒性和稳定性;基于交叉耦合的主从跟随永磁同步电机模型预测控制对系统有更高的响应性和灵活性。

关键词： 《材料力学》   虚拟教学团队   混合式教学   课程建设  

摘要： 线上线下混合式教学是基于线上信息化平台与线下教学资源整合而建立的新型开放式的教学课程模式。其中，教学团队的建设需要打破传统的封闭式的组建模式，从而适应课程建设教学改革的发展趋势，是新时代应用型本科课程建设的重要探索和研究的方向。以机械专业方向《材料力学》课程为例，根据课程特点进行虚拟教学团队建设，通过跨校合作、校企合作、跨学科合作模式，形成模块化教学系统，优化课程体系，重构课程内容，科教融合，建立混合式教学评估机制，提升课程教学质量，为虚拟教学团队在信息化教学课程建设，提供新的发展思路。

关键词： 粉煤灰基胶凝材料   粉煤灰基混凝土   微观结构   力学性能   耐久性能  

摘要： 基于我国目前的“双碳”战略和大宗固废急需资源化利用的背景，本论文的研究重点从以下三点开展:（1）从熟料替代方面寻求创新和突破，推动混凝土绿色低碳化技术的实施，构建力学性能良好的粉煤灰基胶凝材料和粉煤灰掺杂型混凝土的设计理论与方法;（2）通过机器学习方法，探索理论预测-实验验证-应用示范这一新材料研发模式，提升粉煤灰基混凝土材料的耐久性;（3）使用低碳胶凝材料代替水泥制备混凝土，减少水泥用量，为工业固废的资源化利用、绿色低碳技术的推广和应用提供理论支持和技术指导。为此我们开展了以下三个方面的工作:　　首先，本文对不同粉煤灰掺量净浆的力学性能及水化过程进行分析，以此为参考加入偏高岭土、脱硫石膏和炉渣共同进行正交试验设计，通过极差和方差分析，确定影响因素最强为炉渣，最弱为偏高岭土。采用XRD、SEM、孔结构表征方法，分析粉煤灰基胶凝材料的微观结构，进而从微观角度揭示粉煤灰基材料的宏观力学性能的演化过程，探讨水化产物C-S-H凝胶和5-10nm良性孔占比对材料宏观力学性能的影响机制，实验结果显示:C-S-H胶体和钙矾石的扩散、生长有利于胶体结构的交织，5-10nm良性孔占比的提升，改善了粉煤灰35％掺量试件的微孔结构，该试件力学性能可达纯水泥试件的71％和58％,经过不同龄期的养护，材料抗压强度从3d的14.6MPa提升为28d的34.83MPa,使材料力学性能最终可达到C30标准。　　其次，本文分析了多参数目标的三种机器学习算法，对相对抗压强度进行预测，误差范围准确地控制在±20％内，表明随机森林(RF)模型具有最好的预测效果，因素相关性也与前文微观分析得出的结论一致。　　最后，以抗氯离子侵蚀为研究对象，利用随机森林模型(Random forest RF)、梯度提升回归模型(Gradient boosting machines GBR)和决策树模型(Decision tree DT)对粉煤灰混凝土经过氯离子侵蚀后的总氯离子含量进行预测，探究并预测粉煤灰基质材料的耐久性。通过对比误差范围、对照参数和正态分布，结果发现:三种机器学习算法预测效果存在一定的差异性，其中RF算法最好，其预测性能最稳定和最准确，因素相关性与前文微观分析得出的结论相符，耐久性能可通过降低渗透率、改善体系中离子含量、减弱环境对结构侵蚀和延长使用寿命得以提升。