摘要： Carbon fiber-reinforced composites are increasingly used in aerospace application thanks to their excellent specific stiffness and strength. However, incomplete understanding of their failure behaviors leads to composite components often being designed with a high Safety Factor, limiting their advantages. Using computational methods, this project studies carbon fiber-reinforced composite microstructures for the objective of understanding and improving material performances under compression load which is one of the main considerations in primary aerospace structure design. A Finite Element (FE) model for the evaluation of composite compression behaviors was developed, allowing the identification of several key material properties affecting composite *** numerical micromodels require information of the microscale components including the reinforcing fibers, the matrix and the fiber-matrix interface. An extensive literature review was done on the microscale component properties including their potential impact on composite strength. Combined with results from the FE modeling, a strategy was decided where the assessment of important material properties was given *** authors, numerically and experimentally, demonstrated the significant impact of microscale residual stress on composite strengths. Yet, there was no established method for the characterization of residual stress in matrix at microscale. This project proposes a new method for the assessment of microscale residual stress in composite matrix. The new method is based on the fiber push-out experiment that creates local matrix deformation induced by the relaxed stress and evaluation by the Finite Element Method Updating technique for the inverse characterization of residual stress field in the corresponding *** review and FE modeling results identified the Interfacial Shear Strength (IFSS) as a key material property affecting composite strength. Meanwhile, the IFSS measure

关键词： 导电陶瓷复合材料   无压烧结   显微结构   力学与电学性能  

摘要： 以ZTA(ZrO_(2)增韧Al_(2)O_(3))和TiC粉为原料,采用无压烧结制备TiC/ZTA导电陶瓷复合材料,考察TiC浆料浓度对TiC/ZTA导电陶瓷复合材料显微结构与性能的影响。实验结果表明:物相分析显示烧结后的样品由α-Al_(2)O_(3)、t-ZrO_(2)、m-ZrO_(2)和TiC组成,并未生成其他新相。TiC相分布在ZTA陶瓷颗粒的周围,且相互连接形成TiC网络。当TiC浆料浓度为15 wt.%时,TiC/ZTA导电陶瓷复合材料的综合性能最佳,其体积密度、开口气孔率、维氏硬度、抗弯强度、断裂韧性和电阻率分别为4.16 g·cm^(-3)、0.22%、16.4 GPa、383.4 MPa、6.28 MPa·m^(1/2)和1.7×10^(-2)Ω·m。

关键词： TiC/6061Al复合材料   放电等离子烧结   烧结温度   烧结压力   显微组织   力学性能  

摘要： 采用低速卧式球磨法和放电等离子烧结法(SPS)制备了2%TiC/6061Al复合材料,利用光学显微镜、扫描电镜、显微硬度仪和拉伸试验研究了不同烧结温度和压力对该复合材料致密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明,当烧结温度为500℃时,烧结不充分,颗粒之间结合不紧密,导致复合材料致密度过低;当烧结温度为550℃时,超过了Al基体的熔点,少部分熔融Al飞溅并溢出模具,导致模具内压力不平衡,从而降低了复合材料致密度。复合材料致密度和力学性能随着烧结压力的增大而增大,故选取模具所能承受的最大压力作为最佳烧结压力。故当烧结温度为525℃、烧结压力为40 MPa时,该复合材料的致密度、硬度和强度均达到最大值。

关键词： 负泊松比   冲击吸能   拓扑优化   微结构设计  

摘要： 为提高负泊松比材料的刚度性能,同时保证负泊松比材料的冲击吸能特性,提出材料-结构协同优化设计,以泊松比最小为目标,微观材料设计区域各单元的相对密度为设计变量,优化得到多种体分比下的最优微结构,同时基于刚度最大的优化目标得到宏观结构的材料分布,根据宏观最佳材料分布来指导各微结构间的排列组合,建立多型微结构负泊松比材料模型。仿真结果表明:与单一型负泊松比材料相比,多型负泊松比材料有较好的刚度增强效果和更好的能量吸收能力。

关键词： 薄膜   增透微结构   干涉曝光   反应离子束刻蚀  

摘要： 针对传统熔石英激光窗口在碱金属蒸气环境下易腐蚀的痛点问题,提出了在蓝宝石材料上制备增透微结构的方法,以实现耐高温、耐腐蚀的高透激光窗口。在理论仿真的基础上,采用干涉曝光与反应离子束刻蚀技术,在蓝宝石基底表面上制备了增透微结构,其对795 nm光的单面透过率达到99.23%。在此基础上,制备了双面增透微结构和一面增透微结构一面增透膜的蓝宝石窗口片,相较于蓝宝石基底,它们对795 nm光的透过率分别提升了12.13%和13.02%。高功率激光作用温升测试结果表明,当激光功率从35 W增加到99.6 W时,裸基板温度增加了5.9℃,但是双面增透样品的温升均为3.8℃,表明双面增透处理可以适当降低温升。同时,光束质量测试结果表明,当高功率激光作用下微结构窗口的温度控制在200℃以内时,双面增透样品的光束质量因子在横向上的变化小于0.05,在纵向上的变化小于0.06,表明该增透窗口对入射光光束质量的影响甚小。

关键词： 拓扑优化   数值均匀化   自然频率   微结构设计   结构与材料一体化设计  

摘要： 多孔材料因具有轻量化、高孔隙率和减振/散热等优良多物理特性,在航空航天等领域具有广阔应用前景。采用拓扑优化方法对含多种多孔材料的结构进行结构与材料微结构构型一体化设计,有助于获得具有优良力学性能的结构设计。然而,传统逆均匀化微结构设计方法无法确保不同多孔材料微结构之间的连接性,设计结果不具备可制造性。本文面向含多种多孔材料的双尺度结构基频最大化设计问题,考虑不同微结构之间的连接性,协同设计多孔材料的微结构构型及其在宏观尺度下的布局。采用均匀化方法计算多孔材料的宏观等效力学性能,通过对不同多孔材料微结构单胞的边界区域采用相同的拓扑描述确保双尺度优化过程中任意空间排布下不同微结构的连接性,并通过优化算法确定微结构间的连接形式及微结构拓扑。在宏观尺度,提出结合离散材料插值模型和RAMP插值模型RAMP(Rational Approximation of Material Properties)的多孔材料各向异性宏观等效刚度及质量插值模型,获得清晰的多孔材料宏观尺度布局并减轻优化过程中伪振动模态的影响。建立以双尺度结构基频最大化为目标,以材料用量为约束的优化列式,推导灵敏度表达式,并基于梯度优化算法求解双尺度结构拓扑优化问题。数值算例表明,采用本文优化方法能够有效确保基频最大化双尺度结构设计中不同多孔材料微结构之间的连接性,增强优化设计结果的可制造性。

关键词： 软木   轻质多孔结构   结构仿生   相似性原理   仿真分析  

摘要： 软木是一种具有多孔层状细胞骨架的天然材料,具备质轻、隔热、吸音减震等优点。为了开发一种性能优异的轻质多孔结构,以栓皮栎软木微结构为仿生对象,根据相似性原理,利用Creo软件设计了CK-1和CK-2两种仿生结构,以及对照组CK-3等体积实心结构,并利用ANSYS Workbench软件对三种仿生结构进行静态抗压和三点弯曲非线性有限元仿真分析。结果表明:CK-2结构的抗压强度和比强度较CK-1结构分别提升12.7%和8.8%,抗弯强度和比强度较CK-1结构分别提升13.8%和9.8%,其抗压性能与抗弯性能比CK-1结构更优。同时,CK-2的多孔层状结构较对照组CK-3结构具有更轻的结构重量且材料利用率提升72.6%,因此,CK-2型结构作为家具用轻质多孔结构材料具有更好的性能优势和参考意义。

关键词： 防静电包装   包装外壁微结构   3D打印  

摘要： 分析了静电来源及防静电包装在电子产品中的应用需求,探讨了微结构对防静电性能的影响,研究了现有标准下可行的包装外壁微结构防静电检测方法。通过采取不同的微结构来形成不同的空间孔隙,设计出4种防静电包装外壁微结构,为防静电包装的发展提供了参考。

关键词： 多孔吸液芯   粉末粒径   烧结温度   渗透率   毛细压力   压缩强度  

摘要： 以气雾化K418镍基高温合金球形粉末为原料,经过粉末松装烧结制备出高温合金多孔材料。通过对多孔材料微观结构、渗透性能、毛细性能及压缩强度进行表征,研究了原始粉末粒径和烧结温度对多孔吸液芯样品显微结构及性能的影响。结果表明,随烧结温度增加,样品的平均孔径和孔隙率减小;在相同烧结温度下,随着原始粉末粒径增加,样品的平均孔径和孔隙率增大。在烧结温度为1230℃,粉末粒径为53~150μm的条件下,多孔材料样品综合性能最优,渗透率为13.69×10^(-15)m^(2),毛细压力为22.1kPa,压缩强度为86MPa。