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关键词： Ti-B4C体系   自蔓延反应   显微组织   反应路径   冲击韧性  

摘要： 硼化钛和碳化钛陶瓷因具有高的硬度和耐磨性、良好的化学稳定性与导热性、相对较低的热膨胀系数等特性,被认为是极具潜力的高温结构陶瓷,在特殊电极、切削刀具、耐磨部件等领域具有广泛的应用前景。由于Ti-BC体系在高温下能够通过原位反应生成TiB、TiB2和TiC,基于该体系制备钛基复合材料是当前的研究焦点之一,但多数研究都集中在富Ti侧,所制备的材料也多呈现金属特征。以Ti-BC原位反应制备陶瓷基复合材料的研究尚不多见,主要障碍在于随着BC含量的升高体系放热量增大而引起自蔓延反应,以及反应条件不同引起的TiB与TiB2竞争生成关系不明确,这给复合材料的组织和性能调控带来了很大的挑战。对此,本文提出通过调整BC含量与尺寸以实现对原位反应放热量的控制,首先通过热力学计算设计了 Ti-BC体系的成分和反应物尺寸,以烧结过程的位移曲线变化和显微组织为依据,验证了自蔓延绝热温度判据的可靠性,掌握了对反应程度调控的基础;其次,对比研究了 BC含量、反应剧烈程度、反应温度与时间等反应条件对复合材料显微组织和相组成的影响,探讨了 Ti-BC体系中TiB与TiB2生成竞争关系与反应机制;最后,在掌握反应程度调控的基础上,制备了不同反应物含量和尺寸的复合材料并对其硬度、抗压强度和冲击韧性进行了评价,阐明了反应程度和产物特征对复合材料力学性能的影响。本文得到的主要结论如下:(1)基于热力学计算建立了 Ti-BC体系绝热温度与BC含量和尺度的关系,并通过实验研究验证了绝热判据(Tad≥1800K)在判定Ti-BC体系是否发生自蔓延上的适用性。当BC尺寸为0.5μm且含量超过9.85wt.%时,体系就会发生自蔓延反应;但在Ti-BC体系完全反应的条件下,即BC含量为18.75wt.%时,适当增加反应物BC的粒径,如采用粒径为0.5、5、20μm的BC质量比为1:2:3时,体系的自蔓延反应便可被抑制。(2)在体系中有Ti过量的情况下(BC含量<18.75wt.%),不管自蔓延反应是否发生,复合材料均由α-Ti、TiC和TiB三相组成。在固态反应样品中TiB呈粗大的板条状或不规则的絮状,而在自蔓延反应样品中TiB呈现出聚集的晶须状或粗大的板条状,但TiC都以细小颗粒状均匀分散在样品中,同时由于过量的金属Ti使得复合材料的致密性良好。(3)在体系中无Ti过量的情况下(BC含量=18.75wt.%),不管自蔓延反应是否发生,复合材料均由TiB、TiC和极少量的TiB2组成。在固态反应的样品中,基体完全由TiB组成,TiC颗粒长大并彼此连接团聚在基体中,而在自蔓延反应的样品中,显微组织呈现凝固特征,TiB相变得连续致密,粗大的TiC颗粒分布在基体,少量的TiB2颗粒被包裹在基体中。固态扩散的样品出现均匀细小的烧结孔,自蔓延反应的样品除了局部区域存在毫米级的缩孔外,其他区域呈现出致密结构。(4)Ti-BC体系中TiB和TiB2的竞争生长主要与体系中BC的含量有关,但反应路径与体系是否发生自蔓延反应相关。在固态反应下,反应路径为BC分解后产生的B和C原子向Ti中扩散,反应产物仅为TiB和TiC。在自蔓延反应下,高温促使体系全部融化,在低含量的体系中TiC首先析出,随后发生共晶反应生成TiB和α-Ti,最后在高温下发生合并长大;但在高BC含量时,高温熔体中首先析出的是TiC和TiB2,随后Ti熔体包裹TiB2发生包晶反应生成TiB,当BC过量时有残留的TiB2相存在于TiB中。(5)在确保无自蔓延反应发生的Ti-BC体系复合材料中,相同BC含量下,冲击韧性越大,复合材料抗压强度和硬度越低。在BC粒径相同时,BC含量增加,复合材料的冲击韧性降低,抗压强度和硬度增大。其中添加6wt.%的0.5μmBC复合材料的抗压强度达到 2100MPa。

关键词： 碳纳米管   水泥   纳米改性   力学性能   冲击荷载  

摘要： 水泥基注浆材料是地下工程中加固破碎围岩,封堵裂隙过水通道的关键手段,已有大量研究表明,碳纳米管可以对水泥基注浆材料进行合理的改性,优化孔结构,提高强度和耐久性。然而,有关碳纳米管在动态冲击荷载作用下对水泥基材料的增强作用机理的研究成果很少。为此,本文首先试验研究了碳纳米管复合水泥基注浆材料的最优配比,然后利用分离式霍普金森压杆对碳纳米管水泥基灌浆材料的动态力学性能进行了研究,并从能量的角度揭示了碳纳米管对水泥基注浆材料的加固机理,最后结合分子动力学模拟手段,研究了冲击荷载对于C-S-H结构的影响,分析了不同冲击速度下沿层状结构的C-S-H结构的冲击响应。获得主要结论如下:(1)通过对不同掺量的粉煤灰以及碳纳米管实验组流动性及力学性能的分析,综合考虑到浆液的和易性、孔结构、力学性能和成本效应,发现0.08 wt%的碳纳米管与20 wt%的粉煤灰混合,可以很好地替代注浆材料中等比例的水泥。与普通水泥浆相比,力学性能及和易性都得到提升。(2)利用磁力搅拌的工艺制备碳纳米管复合水泥基注浆材料,并结合微观测试验证了其包覆效果,发现借助氨基功能化的方法分散碳纳米管,可以将0.023wt%的碳纳米管与14.3wt%的粉煤灰相结合用以替代复合注浆材料中等比例的水泥,并且提升其流动性约21.6%,增强7天固结强度约7.9%,探索其工业性制备的可行性,这为推动碳纳米管和粉煤灰在地下注浆过程中的应用提供了科学依据。(3)与普通水泥基注浆材料相比,掺入碳纳米管和粉煤灰的复合水泥基材料的动态抗压强度提高了10.25%～31.86%,应变云图和分形维数研究结果进一步表明,经分散处理后的水泥基灌浆材料中的碳纳米管具有良好的抗冲击性能。在此基础上,建立了碳纳米管增强水泥基材料的数学物理模型,从能量的角度揭示了碳纳米管对水泥基的加固机理,给出了衡量其加固性能的指标。(4)建立了含碳纳米片的水泥基注浆材料微观分子模型,在原子尺度上研究了冲击荷载对于C-S-H结构的影响。模拟结果表明动态冲击状态下,纳米片能够减缓C-S-H结构的应变,起到吸收冲击波能量,增大系统结构应力的作用。该论文有图48幅,表24个,参考文献129篇

关键词： 二维材料   力学性质   变形行为   尺度效应   分子动力学  

摘要： 二维材料具有原子级的厚度、良好的力学性质、柔韧的变形能力以及优异的光学、电学等性质，这使其在柔性电子、纳米芯片等先进光电器件领域中具有广泛的应用前景。然而，随着电子器件的特征尺寸不断向纳米尺度深入，二维材料所呈现的与宏观尺度截然不同的力学特性给相关器件的优化设计、安全服役带来了诸多不确定性。因此，充分认识和理解二维材料纳米尺度下的力学特性及其尺度效应对相关器件的设计和应用至关重要。然而，面向庞大的二维材料家族，针对单一材料和结构设计开展的实验或数值模拟具有很高的研究成本。因此，发展通用的计算方法以及构建结构-性质映射关系对于预测潜在材料的力学性质具有重要意义。此外，纳米尺度下针对超薄、超软二维材料进行有效的弯曲加载和测定仍然面临极大的挑战，如对于极小尺寸模型难以约束、超软材料的曲率难于控制等。特别是对于依托范德华作用堆叠的多层二维材料，它们在界面结构和层间作用的耦合影响下产生了更为复杂的弯曲变形，但当前围绕多层二维材料弯曲性质及变形机制的研究仍然非常有限。由此，本文基于分子力学和分子动力学方法建立了评估二维材料力学特性和变形行为的计算方法，揭示了分子构型/界面结构对力学行为的耦合影响机制，具体研究内容如下：　　（1）建立了计算二维过渡金属二氧（硫）化物（1H-MX2）的力学性质（弹性模量、剪切模量、面内和面外泊松比）的分子力学理论模型。以单层二硫化钼（MoS2）为研究对象，基于分子动力学数值模拟验证了理论模型的有效性和正确性，并考察了纳米尺度下MoS2力学性质的尺寸依赖性。值得注意的是，基于所提出的分子力学理论模型，计算给出了包含34种1H-MX2材料力学性质的数据库，相关结果与现有的实验和理论工作吻合良好。研究发现，1H-MX2材料的力学性质显著地依赖于组分元素的周期和主族顺序，相同M元素下的1H-MX2材料的弹性模量和剪切模量随着X元素周期的增加而降低。此外，通过量化键长和键角对材料性质的影响规律，阐明了分子结构的演化与力学性能之间的对应关系，这为预测潜在的1H-MX2材料的力学性质提供了有效的技术手段。研究结果为通过分子结构-性质关系逆向设计和优化基于二维材料的纳米器件提供了重要的理论基础。　　（2）提出了由共轴径向弹簧驱动的弯曲加载计算方法。该方法可以有效地将原子级厚度的二维材料约束到任意曲率，而不受材料尺寸的限制。相关算法与程序已经集成到开源的分子动力学软件LAMMPS中。基于分子动力学模拟，通过研究高曲率、极小尺寸模型以及不同二维材料的弯曲行为，验证了所提出计算方法的有效性和通用性。研究发现小尺寸单层MoS2的弯曲刚度显著依赖于尺寸和手性方向，而大尺寸的单层MoS2的弯曲性能稳定且趋于一致。对于不同特征尺寸（1nm~50nm）的单层MoS2，其弯曲刚度的变化范围为4.88eV~8.87eV。值得注意的是，通过分析单层MoS2应变能的分布规律，揭示了由不同抗弯性能边界与内部区域之间竞争引起的弯曲刚度尺度效应。此外，建立了考虑尺寸和手性方向依赖性的弯曲刚度计算方程，很大程度上方便了对MoS2弯曲性能的评估。研究结果为基于调整材料的特征尺寸和手性方向设计和制备弯曲性能可调的电子器件提供了有价值的参考。　　（3）建立了双层二维材料弯曲刚度的计算方法，揭示了单层和双层黑磷（BP）的弯曲性质和变形行为的变化规律。计算结果表明，单层BP的弯曲性质呈现出明显的手性方向依赖性，不同手性方向的弯曲刚度差异超过5倍（0.96eV和5.20eV）。与单层BP相比，双层的堆积可以显著地增强BP材料的弯曲刚度。特别是在低弯曲幅度阶段，相同手性方向堆积的双层BP的弯曲刚度得到了显著提高，分别达到12.35eV和54.77eV，这大约是单层BP的10~13倍。值得注意的是，当双层BP的弯曲幅度超过了相应的临界值时，超高的弯曲刚度将出现急剧下降。通过分析双层BP的层间距、特征尺寸以及层间晶格的协同调整模式，将弯曲刚度的突降机理归因于公度堆积的界面结构由自锁到解锁的转变。此外，阐明了由边界的力学性能差异引起的双层BP弯曲刚度突变角度的不同。研究结果表明，多层二维材料的弯曲刚度通常不是一个定值，它依赖于材料的弯曲幅度、堆积层数以及堆叠顺序。　　（4）建立了预测二维材料异质结构弯曲行为的计算方法，研究了单层BP和MoS2以及双层异质结BP/MoS2的弯曲性质。结果表明，相比于单层的材料，BP/MoS2异质结构的弯曲刚度依赖于弯曲角度，整体呈现出“越弯越软”的力学行为。值得注意的是，双层组分之间的晶格失配和尺寸差异诱导BP/MoS2形成了具有一定角度的自弯曲构型，其自弯曲幅度与组分之间的尺寸差异程度密切相关，并且受两层组分“软/硬”之间的竞争影响，即小尺寸和软材料方向一侧更容易被驱动形成自弯曲的构型。此外，尺寸差异还诱导了BP/MoS2弯曲性能的弱化，这被

关键词： 纤维颗粒材料   颗粒形状   力学性能   弯曲程度  

摘要： 柔性纤维颗粒材料在生物质燃料、农产品、纤维聚合物、纺织产品、颗粒增强复合材料、过滤器和纸张等材料中随处可见。柔性纤维颗粒材料在外部载荷作用下的力学响应对材料加工和产品的制备过程至关重要。因此，本文针对柔性纤维颗粒的堆积、压缩、拉伸和剪切过程进行了相应的研究。　　纤维颗粒的初始形状是指纤维颗粒在不受任何外力作用下处于平衡状态时的形状。在以往针对柔性纤维颗粒的研究中，通常用初始直线型纤维颗粒来进行模拟，没有探究纤维颗粒初始形状的影响。本文采用离散单元法(DEM)，实现了不同初始形状柔性纤维颗粒的建模，并系统地研究了纤维颗粒形状对纤维颗粒材料在堆积、压缩、拉伸和剪切过程中力学性能的影响规律。采用键连接球柱模型来对柔性纤维颗粒进行建模。在该模型中相邻两单元通过虚拟键连接，在生成纤维颗粒时通过控制虚拟键的角度来生成不同形状的柔性纤维颗粒。主要研究了S形和U形两种形状的纤维颗粒。对于S形纤维颗粒，用曲率描述其弯曲程度。对于U形纤维颗粒，通过控制其一端和中间部分旋转角度的不同形成不同的空间结构。通过环状纤维颗粒的单轴压缩实验，实现了对数值模型的校正。　　研究结果表明：1、在堆积过程中，S形纤维颗粒的曲率对初始堆积床的初始床高有非单调的影响，但是对初始纤维颗粒的姿态角影响不明显。摩擦系数和弹性模量的增加均会导致初始床高的增加和纤维颗粒姿态角的增大。2、在压缩过程中，S形纤维颗粒的曲率对纤维颗粒材料的压缩性能有非单调的影响，而配位数随着曲率的增加而减少。同时加载过程会影响纤维颗粒姿态角和床高，并观察到卸载曲线相比加载曲线存在滞后。3、在拉伸过程中，拉应力最初增加然后减小，而屈服拉应力随曲率、无量纲样品长度的增加和计算域横截面积的增大而减小。4、在剪切过程中，屈服剪应力随着无量纲样品长度的增加而减小，而弹性模量和摩擦系数的增加会导致屈服剪应力的增大和配位数的减小。考察了多种纤维颗粒形状的影响，发现纤维颗粒的最大弗雷德直径(Feret diameter)对屈服剪应力有决定性作用。

关键词： 三维编织复合材料   孔隙缺陷   力学性能   多尺度方法  

摘要： 三维编织复合材料具有高比刚度、高比强度、结构可设计性、耐化学性能等优势，在航空航天、电子、医疗、交通等多领域内得到广泛的应用。然而在制造过程中，不可避免会产生各种制造缺陷，例如孔隙缺陷。这些缺陷成为影响复合材料力学性能的关键因素之一。同时，三维编织复合材料的力学性能也受到其结构复杂性的影响。基于此，本文以含孔隙缺陷三维编织复合材料为研究对象，分别提出了一种结合理论模型和有限元方法的自微观到宏观的多尺度方法以及一种耦合各个层级的高阶三尺度降阶均匀化方法。此外，建立了损伤模型对三维编织复合材料的损伤破坏行为进行研究。　　首先，利用 Mori-Tanaka 方法和扩展双夹杂方法建立理论模型，对含孔隙纤维束的刚度进行预测，讨论孔隙率、孔隙形状、孔隙位置和界面力学性能对纤维束刚度的影响。同时建立纤维束的有限元模型，通过在基体单元中随机选择满足孔隙率的单元并降低其力学性能来模拟孔隙，并分析几何模型和边界条件对有限元计算结果的影响。然后，结合所建立的理论模型和有限元方法，对三维编织复合材料的刚度进行研究。　　其次，为了研究三维编织复合材料的损伤行为，以 Hashin 失效准则作为纤维束的损伤起始判据，最大主应力损伤准则作为基体的损伤起始判据。采用线性损伤演化模型，并根据 Murakami-Ohno损伤模型，编写 UMAT子程序实现对三维编织复合材料的损伤分析。对 Chamis 强度模型进行修改以计算含孔隙纤维束的强度。　　最后，详细推导高阶三尺度降阶均匀化理论，并在理论的基础上建立多尺度算法，包括初始化、每个宏观尺度积分点的应力更新和后处理三个阶段。本文在 ABAQUS 中实现三尺度降阶均匀化方法，自行编程实现高阶三尺度降阶均匀化方法。通过有限元直接计算的结果比较，证明编程计算结果的准确性。然后对三维编织复合材料的宏观结构件进行了线弹性和非线性损伤分析。

关键词： 三维机织间隔复合材料   弯曲性能   压缩性能   有限元分析   破坏机理  

摘要： 三维机织间隔复合材料具有轻质,抗分层,高强耐压,隔热等优异的性能,被广泛应用于航空航天、交通等领域。现阶段对于三维机织间隔复合材料的研究主要集中在其隔热及电磁屏蔽性能,而对于结构设计与力学性能的对应关系研究尚待完善。因此三维机织间隔复合材料的构效关系成为研究热点。本文的主要研究内容包括:(1)设计织造了两种尺寸的矩形截面(R3、R5)和一种梯形截面(T3,5)的三维机织间隔织物,利用真空辅助树脂传递模塑工艺固化成型,得到了三种不同结构的三维机织间隔复合材料。(2)测试了不同结构的三维机织间隔复合材料的三点弯曲和压缩性能,探究了不同织物组织结构对复合材料力学性能的影响规律。(3)建立了不同结构三维机织间隔复合材料的全尺寸细观结构模型。结合显示求解器ABAQUS/Explicit,模拟了其三点弯曲和压缩过程,与实验结果相互印证,并揭示其失效机理。论文主要结论:(1)在三点弯曲测试中,矩形截面三维机织间隔复合材料的芯柱间距越小,其弯曲强度越高;正梯形结构复合材料弯曲强度最高,优于两种矩形结构,而倒梯形结构的弯曲强度最低。(2)在压缩测试中,芯柱为其主要承力结构,矩形截面三维机织间隔复合材料的芯柱间距越小,其压缩强度越高;两种矩形结构复合材料的压缩强度均高于梯形。(3)三维机织间隔复合材料三点弯曲模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的正确性。从模拟结果可以看出,三维机织间隔复合材料上面板为材料的主要承力结构。对于矩形结构,Ra矩形复合材料的上面板承力面积大于R5矩形复合材料,故而三点弯曲强度优于R5矩形结构。对于正梯形结构,其上、下面板均有更大的承力面积,故而弯曲强度优于矩形结构;对于倒梯形结构,其下面板承力面积较小且较为分散,下面板经纱承力很小,故而弯曲强度不如矩形结构。当复合材料上面板断裂时,其下面板为材料的主要承力结构。(4)三维机织间隔复合材料压缩模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的正确性。从模拟结果可以看出,三维机织间隔复合材料的芯柱结构为其主要承力结构。相同规格试样下,R3矩形复合材料比R5矩形复合材料承力芯柱多,故其压缩强度高。矩形结构三维机织间隔复合材料芯柱方向与压缩载荷方向一致,而梯形结构的芯柱方向与压缩载荷方向不一致,故梯形结构三维机织间隔复合材料压缩强度不如矩形结构。

关键词： 《材料力学》课程   有限元分析   课堂教学   Ansys  

摘要： 《材料力学》是高等教育中工科学生不可或缺的一门课程，为增加学生的学习兴趣，提高学以致用的能力，解决书本中学生难以理解的枯燥理论，将有限元分析的方法与本课程结合，不仅增加了课程的教学形式，也使学生更直观地了解书本中的基本理论与抽象的概念。通过这种方式，提高了学生的学习热情，提升了创新能力，为后续所的课程打下了坚实的基础，为解决工程实际问题积累了经验。

关键词： 煤系矸石   固废基   绿色全废   力学特性   耐久性劣化   微观孔隙  

摘要： 为研究矸石山排土场边坡安全稳定以及为矿区下一步实现“绿色再生”奠定基础,以矿区特定煤系矸石等体积混掺制备绿色全废混凝土护坡骨架材料,将存在于煤层中以及煤层与岩石层交界处的煤系高岭岩和煤矸石作为粗骨料,通过就地取材,研究煤矸石与煤系高岭岩不同体积混掺配制边坡骨架材料。通过混凝土抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验分析其宏观力学特性;采用最可及孔径、开口孔隙率和NMR核磁共振分析其微观特征,采用GM(1,3)模型与煤系矸石固废基混凝土塑性损伤模型分析其孔隙度与孔隙半径尺寸对抗压强度和内部裂缝变化的影响规律;通过混凝土冻融循环试验研究其抗冻耐久性,测定清水冻融循环下混凝土表面及微观形貌损伤劣化情况以及NMR孔隙冻融劣化规律分析;利用干湿循环机,模拟乌海地区高温以及雨水环境下煤系矸石固废基混凝土损伤情况,探究煤系矸石固废基混凝土材料(CGSBC)经受硫酸盐侵蚀性干湿循环其耐久劣化特征及其规律。基于以上研究表明新型煤系矸石固废基混凝土护坡骨架材料是可行的,综合修复环境,节约成本,扩充使用面积有一定的意义。本研究得出的主要结论如下:(1)CGSBC试件随着煤矸石粗骨料掺量的增加,煤系矸石混凝土总体的抗压强度在逐渐地降低,煤系矸石混凝土拉压比呈现先增高后降低的趋势,但力学强度均符合护坡骨架材料的要求;内部孔隙主要呈现“三峰”结构。随着煤矸石取代率的增加,CGSBC试件内部微小孔隙占比增大、中大孔隙减少以及孔隙度增加;20%-40%煤矸石掺量即满足力学强度要求又优化CGSBC试件的内部孔隙。(2)CGSBC试验实测数据与灰熵关联度分析(1.3)模型预测与试验值平均误差为3.69%,因此说明GM(1.3)模型对于煤系矸石固废基混凝土有一定可预测性,可以通过不同序列数据对其孔隙度、孔隙半径对抗压强度值进行预测;利用混凝土塑性损伤细观模型,具有一定的可靠性,可以有效描述损伤破坏过程及形态,断裂特征与试验结果一致。(3)CGSBC试件经受冻融循环,随着煤矸石掺量增大,质量损失率以及动弹性模量损失呈现先上升后逐步下降的趋势;煤矸石针片状严重、强度低、微粉量大等特点以及煤矸石“空腔”现象致使混凝土内部冻胀应力增大;试件在经受冻融循环时,骨料承受冻胀应力的能力下降,易从骨料内部进行破坏,最终导致试件抵抗冻融能力下降;随着冻融循环次数的增加,T谱的信号幅度和峰值明显上升,并且使初始弛豫时间明显增大,孔隙增多;煤矸石吸水率较高,混凝土试件内部自由水经受冻融时结冰融化,会对内部孔隙结构造成破坏,致使孔隙尺寸增大;小孔隙向中孔隙转化,中孔隙向大孔隙转化,大孔隙向联通裂缝转化,混凝土劣化加剧,骨料剥离严重,改变了混凝土结构状态,进一步影响了破坏形式及失稳过程。(4)CGSBC硫酸盐侵蚀下,随着干湿循环次数的增加,耐腐蚀系数下降速率加快,质量损失率与相对动弹性模量损失呈现先升高后降低的趋势;侵蚀产物可起到密实作用以延缓前期混凝土力学性能衰减,但后期混凝土中,由于内部的侵蚀破坏,导致混凝土中产生了较多的薄弱区,加速混凝土后期力学性能的衰减。随着硫酸盐侵蚀循环次数的不断增大,孔径逐渐增大,孔隙增多,小孔隙孔径逐步向大孔隙孔径扩张,大孔隙向宏观裂缝转化,内部逐渐劣化,遭到破坏;随着煤矸石掺量的增大,内部煤矸石孔隙结构及表面会较煤系高岭岩先行破坏,裂缝产生,会加快煤矸石其内部损伤破坏,由内部发生先行破坏后,促使试件劣化速率增快。(5)微观分析可得,粉煤灰的加入延缓了水泥水化历程,增长胶凝物质水化凝结硬化时效区间,形成有效阶梯性硬化趋势,粉煤灰“微球”效应,使得界面过渡区以及煤矸石内部孔隙特征得到改善,优化了煤矸石与浆体的界面粘结能力,改善CGSBC试件内部结构,减弱冻融循环产生的膨胀以及渗透力以及降低了硫酸盐侵蚀下干湿循环产生的侵蚀产物破坏混凝土内部的速率,减少水泥用量,提高了混凝土内部密实程度,有效改善混凝土的强度发育和抗渗能力。

关键词： 微生物水泥基材料   矿化沉积作用   微观分析   力学性能   耐久性  

摘要： 土木工程材料是土木工程基础设施建设的物质基础，需要足够坚固耐用。而微生物可以进行生物矿化，诱导产生碳酸钙，加强和改善胶凝材料的性能。本研究从混凝土中提取到一株耐碱脲酶微生物——蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus），系统研究了该微生物掺入后对水泥净浆、砂浆、混凝土材料性能的影响，并分析了微生物对水泥基材料的作用机理。研究的主要内容如下：　　（1）在锥形瓶中模拟了微生物的生物矿化作用，对生物矿化产物进行检测分析。结果表明：该生物矿化产物为碳酸钙。模拟了微生物在碱性环境中存活性，发现微生物在pH为12.8的模拟水泥基材料孔隙溶液中可以存活。　　（2）研究了微生物掺量对微生物水泥净浆力学性能的影响，结果表明：OD值为1时，相较于空白对照组，28天抗压强度提高了13.7%，28天抗折强度提高了23.5%。尿素和乳酸钙共掺对微生物水泥净浆力学性能具有积极影响，最优掺量为：尿素掺量为0.3mol/L、乳酸钙掺量为0.075mol/L。　　（3）通过微观手段分析了微生物对水泥净浆的作用机理。首先通过水化热测试，发现微生物水泥净浆与复掺尿素和乳酸钙组微生物水泥净浆，水泥的早期水化均被促进， 72小时水化放热量增多，并且3d红外光谱分析结果与水化热表现出一致性。然后通过流变测试，发现加入微生物及复掺尿素和乳酸钙，都会使水泥净浆的屈服应力和表观粘度增加。通过热重及XRD对28d水泥浆体行分析，发现掺入微生物后可增加碳酸钙及水化硅酸钙含量。　　（4）在掺入适量微生物后，砂浆及混凝土力学性能得到显著提高。当微生物悬浮液OD值为0.5，且复掺0.3mol/L尿素、0.075mol/L乳酸钙时，砂浆和混凝土的力学性能均为最优。砂浆28天抗压强度和抗折强度较空白对照组，分别提高了45.8%和36.8%;混凝土28天抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度较空白对照组，分别提高了32.2%， 24.3%，32.2%。通过透射光学显微镜观察，发现微生物可吸附在砂浆颗粒表面，存活情况良好。通过扫描电镜观察发现，微生物矿化作用明显，使得混凝土更为密实。　　（5）适量添加微生物后混凝土内部和表面均更密实，致使其吸水率和渗透高度均得以降低。OD值为0.5和1的微生物混凝土组吸水率最低，比空白组下降了27.8%;当微生物悬浮液OD值为0.5，且复掺0.3mol/L尿素、0.075mol/L乳酸钙时，混凝土的吸水率，略高于OD值为0.5的混凝土组，比空白组下降了22.2%。同时，此组混凝土渗水高度最低，比空白对照组降低了29mm。微生物悬浮液的表面张力低于水的表面张力，使得使用微生物悬浮液拌制的混凝土的收缩减少。

关键词： 机械结构设计   强度优化   刚度优化   有限元分析   材料力学  

摘要： 本文旨在探讨机械结构设计中强度与刚度要求的优化方法。首先，介绍了机械结构设计中强度与刚度的基本概念及其重要性。其次，分析了现有机械结构设计的局限性，并提出了一种基于数值仿真和试验验证的优化策略。采用有限元分析（FEA）方法，结合材料力学原理，对机械结构进行强度与刚度的优化设计。研究发现，通过合理的设计参数调整和材料选择，可以有效提高结构的强度与刚度，同时保持或降低成本。最后，本文通过几个应用实例验证了优化策略的有效性，为机械结构设计提供了新的思路和方法。