关键词： 3D打印   金属假体   多孔结构   孔隙率   弹性模量  

摘要： 为了解决假体与骨的弹性模量存在较大差异而造成应力遮挡的问题,基于3D打印在制造多孔微结构的优势,将假体设计为多孔结构能有效降低模量,缓解应力遮挡。但是,如何优化微结构几何参数以实现假体模量的最佳匹配仍然没有得到解决。因此,提出了一种面向3D打印的可变模量金属假体的微结构设计方法,旨在获得与宿主骨模量相匹配又具有可加工性的生物型假体。针对体心立方单元(BCC)和增强体心立方单元(RBCC),采用有限元法计算了两种多孔单元沿轴向、面对角线和体对角线方向的弹性模量,建立了单元弹性模量与支柱直径的函数关系,分析了单元各向异性随支柱直径变化的规律,研究了棱边直径和单元尺寸对单元弹性模量的影响。结果表明:在加工精度范围内,通过减小支柱直径能实现单元等效弹性模量与骨模量一致性要求;在各向同性上BCC单元要优于RBCC单元,而且增大棱边直径有助于提高单元各向同性;由于BCC单元能实现相邻不同模量的单元界面连续拼接,故选用BCC单元构建模量可调的假体,可变模量范围为15.9~100 GPa。该设计方法可用于构建具有模量梯度结构的生物假体,以实现关节应力最优分布。

关键词： 水翼   空化抑制   回射流   射流位置   射流角度   水动力性能  

摘要： 空化是造成水力机械性能下降、系统振动、噪声和叶片表面空蚀的重要原因,而水力机械一般具有较复杂的结构和较高的旋转速度,实验和数值模拟均不易对空化的发生和演化的机制进行细致的研究,因此针对绕水翼空化问题的研究可以帮助更好的理解发生在水力机械中的空化问题,探寻改善或抑制云空化的手段方法,进而提高水力机械的性能。本文围绕NACA0066水翼的空化问题,探究在水翼表面布置射流水孔抑制空化的效果。文章在比较优选的基础上验证了密度修正的RNG k-ε湍流模型结合Singhal et al.全空化模型在空化计算上的准确性,模拟准确地预测了空泡脱落频率和空化体周期性演化形态。然后采用选定的模型对绕水翼空化的频谱特性进行研究,发现当水翼攻角为6°时,随空化数升高,空腔振荡频率逐渐降低,在云状空化阶段,表征空腔不稳定性的功率谱密度较高;在云空化和片空化的过渡阶段,出现功率谱密度的突然跃升,当空化形态为片空化时,功率谱密度逐渐降低。当水翼攻角为8°和10°时,在云状空化阶段,空腔振荡频率基本不随空化数的变化而改变,其斯特劳哈尔数(St)均稳定在0.21附近;在云空化和片空化的过渡阶段(σ/2α=3.5附近),同样出现功率谱密度的突然跃升。在此基础上,着重研究二维水翼射流水孔布置位置,射流出射角度与空化抑制效果和水翼水动力性能之间相互作用的规律。对6°攻角和8°攻角水翼在不同空化工况下注入射流的研究表明:最佳射流位置仅与水翼的攻角有关,该位置位于相应攻角下水翼上弧线的顶点。射流角度是影响空化抑制效果的又一重要因素。研究发现,当射流方向逆来流方向,并与来流呈155°夹角时,空化抑制效果较为明显,同时对水翼动力特性也有一定程度的提升。文章还初步分析了注入射流抑制空化的机理:在合适位置以适当的角度注入射流,相当于给边界层注入能量,射流的注入同时改变了水翼表面的压力分布,水翼尾缘逆压梯度明显减小,进一步减弱了回射流漩涡形成的动力,空化得以有效抑制。基于二维水翼的模拟结果,文章研究了三维水翼翼展方向孔隙率φ对空化的抑制效果,从空化体的周期演化形态,回射流的运动特性,水翼的动力特性等多角度揭示了射流的引入对水翼空化流场的影响。在最佳射流位置(x=0.25c),单排射流水孔翼展方向的孔隙率不宜超过58.92%,过高的射流孔隙率会造成水翼动力性能明显下降。

关键词： 纳米二氧化硅   脱模强度   水化产物   粉煤灰   硅溶胶  

摘要： 随着国家大力推行装配式建筑,混凝土预制构件正面临着一个巨大的发展空间。混凝土预制构件有施工方便、质量稳定、经济性好等优点,所以在建筑行业内,混凝土预制构件得到了广泛的应用。矿物掺合料作为混凝土的一个重要组成,能够改善混凝土的各种性能。但是,在混凝土中掺入大量矿物掺合料,特别是粉煤灰,对混凝土早期强度的发展不利,使混凝土预制构件难以达到脱模强度,从而影响模具的周转速度,导致混凝土预制构件的预制效率降低。本论文依托于湖北省科技支撑计划项目“基于纳微米效应的长寿命混凝土表面强化材料的设计及应用”和国家自然科学基金“聚羧酸减水剂与羟基羧酸盐缓凝剂的分子结构耦合机理”,研究了在蒸汽养护条件下纳米材料对不同胶凝材料水化性能的影响,通过宏观力学性能测试和水化微观结构的表征,得到了纳米材料和胶凝材料体系的最优组配。同时比较了不同掺量和种类的化学激发剂对粉煤灰的激发效果,研究了其激发机理,为大掺量粉煤灰在混凝土预制构件中的应用提供参考。本论文的研究结论为:1、掺入纳米硅溶胶后,不同胶凝材料体系砂浆蒸养脱模强度均高于未掺入纳米硅溶胶的砂浆,且随着纳米硅溶胶的掺量从0%增加到4%,水泥-粉煤灰体系砂浆蒸养脱模强度一直保持着增加,其它胶凝材料体系砂浆蒸养脱模强度则是先增加后减小;水泥-粉煤灰体系砂浆蒸养脱模强度对比空白组增长最为明显,掺4%的纳米硅溶胶,强度增加约65%;掺入纳米硅溶胶要比掺入同等量的纳米二氧化硅粉末使水泥-粉煤灰体系砂浆流动度损失的更大,需要添加更多的聚羧酸减水剂保持流动度,对成本不利。纳米二氧化硅粉末和水泥-粉煤灰体系更适合进行蒸汽养护。2、研究了纳米二氧化硅粉末对水泥-粉煤灰体系水化微结构的影响规律。掺入纳米二氧化硅粉末,水泥-粉煤灰体系砂浆的蒸养脱模抗压强度有所增加,在掺量为3%时,强度达到最大值11MPa,对比空白组增加约27.9%;当纳米二氧化硅粉末掺量分别为0%、1%以及3%时,水泥-粉煤灰体系水化产物中氢氧化钙的量随纳米二氧化硅粉末掺量的增加而减少,说明二氧化硅所起的化学活性作用要大于其促进水泥水化作用;纳米二氧化硅与氢氧化钙反应生成凝胶,同时由于其粒径微小,能填充水化产物孔隙,水泥石孔隙率减小变得更加致密,有害孔减少,无害孔增加,强度和耐久性能提高。3、研究了不同的化学激发剂对粉煤灰的激发效果。在水泥-粉煤灰-3%纳米二氧化硅粉末体系中分别掺入1%的硫酸钠、硫酸钙和甲酸钙,硫酸钠由于具有硫酸盐和强碱的双重激发作用,激发效果最佳,相应的砂浆脱模强度最高,孔隙率最低;硫酸钙对粉煤灰的激发效果不如硫酸钠,硫酸钙具有一定缓凝作用,而且溶解度比硫酸钠小,使得浆体溶液中能够激发粉煤灰活性的硫酸根离子数较少;甲酸钙能够起到一定的补钙作用,促进水泥的水化,同样也使浆体碱度下降,对粉煤灰活性激发不利,激发效果最差,相对应的砂浆脱模强度最低,孔隙率最高。

关键词： MEMS   多物理场耦合   能量耗散   热弹性阻尼   频率漂移   尺度效应  

摘要： 随着MEMS技术的快速发展,以及在航空航天、灵巧武器等领域的广泛应用,对其灵敏度、低功耗等性能提出了更高的要求。目前,绝大多数MEMS系统都是在多物理场环境下工作的,如微陀螺及压电俘能装置都涉及到力场、电场、温度场等多物理场的耦合。其中,多物理场耦合中的温度场会使结构产生热弹性耗散现象,热弹性耗散会造成微陀螺的品质因子降低、频率漂移,同时也会使压电俘能器的俘能效率降低。然而,由于热弹性耦合机理比较复杂,针对温度场耦合的分析较少,使得微系统的灵敏度、分辨率、品质因子、俘能效率等性能得不到充分认识,进而使得其性能无法进一步提高。因此,多物理场耦合下热弹性能量耗散机理的研究成为迫切需要解决的问题,具有重要的学术和应用价值。本文综合考虑微结构(材料)多物理场耦合时所涉及的各物理场的作用,建立了热弹性耦合分析时的力-电-热耦合模型,得到了梳齿式微结构的机电耦合及热弹性耦合的控制方程,以及压电俘能器的压电耦合及压电热弹性耦合的控制方程,为分析热弹性耦合对结构和压电材料的影响奠定理论基础。考虑到微系统多物理场的耦合存在能量之间的转换,当出现不可逆的热能流失时,会产生热弹性耗散问题,而由于热弹性耗散会引起微结构频率漂移、品质因子的降低,因此,本文分析了梳齿式微陀螺器件中的悬臂梁式结构及梳齿式结构在不同振动形式下的热弹性耦合响应。首先,基于Euler-Bernoulli梁理论,并结合梁变形影响时的热传导方程,推导出在耦合热弹性条件下结构的运动微分方程,然后,通过数值计算和仿真分析的方法得出结构的频率漂移及热弹性阻尼的变化;最后,针对结构几何尺寸、边界条件、静电参数、材料特性、环境温度等方面对结构热弹性耗散的影响进行了讨论,研究了结构热弹性耦合对结构自身性能的影响。通常情况下,压电材料应用于结构中可实现对外界能量的俘获,但是在能量收集过程中,热弹性耗散将对其能量俘获效率产生影响。因此,本文通过数值计算、仿真分析、实验验证的方法对压电俘能结构的热弹性耗散特性进行了研究,得到了不同振动形式下温度场对压电结构的影响,并针对不同耦合形式中的热弹性特性进行了分析;同时,针对结构几何尺寸、压电层材料特性等方面对结构热弹性耗散的影响进行了讨论,得到了压电热弹性耦合对压电装置能量俘获的影响。另外,当微结构几何尺寸达到微米或更小量级时,将与材料颗粒尺寸接近,此时,材料颗粒的尺寸对结构性能的影响不能忽略不计,因此,在分析微尺度下的结构热弹性振动时需要充分考虑材料颗粒尺寸及其固有特性。本文基于微尺度理论,建立了微梁结构及压电复合结构在尺度效应下的热弹性耦合控制方程,分析了尺度效应下热弹性耦合效应对微器件性能的影响;并与经典弹性理论框架下的结构热弹性耦合振动特性进行对比。在不同材料特征尺度参数下,讨论了不同环境温度、不同材料特性及几何尺寸等对系统的热弹性阻尼、结构频率漂移之间的影响。

关键词： cBN-NiCrAl   机械合金化   冷喷涂   显微结构   力学性能  

摘要： 金属陶瓷涂层由于具有优异的耐磨损性能与耐腐蚀性能因而在采矿、钻探、机械加工等工业领域得到了广泛应用。在超音速火焰喷涂和爆炸喷涂等金属陶瓷涂层常规制备工艺中,金属粘结相的熔化过程会导致粉末在沉积过程中发生诸如增强相分解、增强相向液态金属粘结相溶解、纳米颗粒消失、粉末氧化等有损涂层性能的转变。冷喷涂是一种采用高速气体在较低的温度下加速粒子,使其在完全固态下通过充分的塑性变形而沉积的新型涂层制备技术。较低的气体温度（<800℃）可以使粉末避免常规热喷涂工艺中的热影响,较高的粒子速度（300-1200 m·s-1）有利于获得组织致密的涂层。因此,冷喷涂是制备高性能金属陶瓷涂层的潜在有效方法。但目前对于金属陶瓷粉末沉积行为、粒子高速碰撞过程中显微结构演变、后热处理对粒子间结合界面和硬质相/粘结相结合界面等会显著影响金属陶瓷涂层性能等方面的系统性研究较少。对于陶瓷相含量一定的金属陶瓷材料,整体材料的硬度随陶瓷相颗粒的硬度增加而增加,耐磨损性能也随之增强。因此,本文以超硬的立方氮化硼（cBN）陶瓷颗粒为增强相（50-60 GPa）、以NiCrAl合金为基体材料,通过机械合金化方法制备复合粉末,系统的研究了冷喷涂金属陶瓷复合粉末的机械合金化制备规律。通过冷喷涂沉积复合涂层,研究了粒子参量和粉末结构对冷喷涂沉积行为的影响规律及冷喷涂粒子高速撞击过程中cBN-NiCrAl复合粒子显微结构和力学性能的变化规律;研究了热处理温度对涂层中cBN-NiCrAl界面结合及粒子间结合、涂层显微结构和力学性能的影响规律;通过两体磨粒磨损试验测试了冷喷涂cBN-NiCrAl复合涂层的耐磨性能并考察了主要磨损机制。研究提出一种“阶梯状”的机械合金化方法,解决了高体积陶瓷相含量金属陶瓷复合粉末制备过程中粉末粒度随球磨时间迅速减小的难题。通过“阶梯状”机械合金化方法球磨40 h后可获得cBN在NiCrAl合金基体中均匀分布,平均粒径为22mm、NiCrAl合金基体晶粒尺寸为27 nm、cBN颗粒呈纳米、亚微米多尺度分布的40vol.%cBN-NiCrAl复合粉末。通过在球磨介质表面制备NiCrAl保护层和采用“阶梯状”机械合金化方法可以使球磨介质引入的Fe污染从10.9wt.%降低到2.2wt.%。阐明了机械合金化金属陶瓷复合涂层的冷喷涂沉积规律。结果表明采用机械合金化工艺制备的20vol.%、40vol.%cBN-NiCrAl复合粉末通过冷喷涂可以沉积获得结构致密,与基体结合良好的复合涂层。以cBN-NiCrAl复合粉末和微米级cBN的混合粉末沉积涂层时,一定数量的微米级cBN可沉积到了涂层中,使复合涂层中的cBN含量可以进一步增加到60vol.%。在相同的气体温度下,随着粒子速度的增加,复合粉末的沉积效率逐渐增加。由于沉积效率较低时未沉积粒子对涂层撞击引发了更为显著的加工硬化效应,因此较低速度的粒子对应涂层的硬度更高。发现了机械合金化金属陶瓷复合粉末冷喷涂沉积中不符合随粒子硬度增加沉积效率降低的规律。研究结果表明,粒子显微结构对粒子的沉积行为具有显著影响,硬度较高的纳米晶粉末和纳米结构金属陶瓷复合粉末中的大量晶界和cBN/NiCrAl异质界面对高速撞击产生的弹性波的散射作用导致粒子撞击的弹性能显著降低,因此出现了粉末沉积效率随粉末硬度上升而增大的现象。研究确认了纳米结构cBN-NiCrAl复合粉末在冷喷涂沉积过程中其相结构未发生显著变化、NiCrAl合金基体的纳米晶粒未发生长大,而cBN/NiCrAl界面处合金基体相发生非晶化与晶粒有序化取向的现象。cBN含量为20vol.%、40vol.%、60vol.%的复合涂层的硬度分别达到1055 HV、1172 HV及1270 HV。压痕断裂韧性测试结果表明,20 kg载荷未能在20vol.%、40vol.%cBN-NiCrAl涂层断面内诱发裂纹,60vol.%cBN-NiCrAl复合涂层的断裂韧性约为20.4 MPa·m0.5,显著高于与其硬度相当的超音速火焰喷涂WC-17Co涂层。研究发现cBN/NiCrAl界面非稳态组织极大的促进了cBN/NiCrAl界面反应,为制备纳米结构的强界面结合的复合涂层提供了依据。亚微米、纳米cBN与NiCrAl基体在热处理温度达到825℃时发生化学反应,微米尺度cBN与NiCrAl基体在热处理温度达到1000℃发生化学反应,远低于文献报道的1300-1400℃。825℃/5 h热处理后,粒子间未结合界面部分愈合,亚微米、纳米尺度cBN与NiCrAl在界面处形成厚度约为5-25 nm的锯齿状Cr2N、Ni3B反应层,NiCrAl合金基体的纳米晶粒也可以保留下来。涂层的硬度有所下降,涂层的断裂韧性大幅度增加。研究阐明了涂层组成及结构与热处理条件对cBN-NiCrAl复合涂层磨粒磨损性能的影

关键词： 密度泛函理论   镍基合金   碳原子   碳化物   碳化物-镍界面   抗辐照性能  

摘要： 考虑到人类社会发展对能源需求的不断增长以及在低碳节能减排方面的客观要求,核能作为具有经济性高、安全性强、零排放有害气体等优点的清洁能源受到了越来越多的关注。熔盐堆是第四代核能系统代表堆型之一。我国在2011年启动了中国科学院战略性先导科技专项《未来先进核裂变能—钍基熔盐堆核能系统》（TMSR）以推动第四代先进核能的发展。镍基合金具有优异的高温力学性能及耐熔盐腐蚀性能,是目前熔盐堆的首选结构材料。然而,在强中子辐照环境中,镍原子会发生（n,α）嬗变反应产生大量氦原子,最终导致材料肿胀、脆化等,降低合金的高温蠕变性能和强度,导致其服役寿命缩短。因此,提高镍基合金的抗辐照性能是保证熔盐堆顺利发展的关键之一。通过改善现有合金成分、工艺等来调整其微观结构可以提升镍基合金的抗辐照性能,是目前实验上优化材料抗辐照性能的主要方向之一。本论文基于第一性原理计算方法,从理论上探索了镍基合金中不同类型的微观结构的稳定性,进而研究其优化材料抗辐照性能的相关机制,为理解镍基合金的辐照行为提供理论依据,进而发展新合金提高理论指导。具体研究内容与结论如下:针对分别掺杂有3d、4d和5d过渡态金属的镍基合金中碳行为的研究表明,相对于掺杂原子的第一近邻的碳原子表现出被排斥的情况,铬却显示出对碳原子有明显的吸引作用。本论文的研究结果进一步指出:碳-金属相互作用的微观机制与体系的局部应力和成键情况密切相关。我们的模拟研究还发现空位的引入会改变其周围局部应力和电荷密度排布,并对结合能的变化规律产生影响。关于碳、氮和氧原子及其与空位形成的复合结构对氦行为的影响和微观机理研究是论文重要的内容之一。模拟研究系统分析了引入碳、氮或氧原子后,镍体相中氦原子在不同间隙位条件下的稳定性变化趋势及其微观机制,并指出氦原子在镍-氧体系中结合能明显降低和改变相对稳定性的主要原因与掺杂原子带来的局部应力和氦与碳/氮/氧形成的共价键的强弱性质相关;研究结果揭示了碳、氮和氧原子能够有效地阻碍氦原子在镍体相扩散的主要因素是掺杂原子增大了氦原子远离碳/氮/氧扩散的势垒。碳、氮和氧会排斥比较大的团簇,意味着这些原子有抑制氦原子聚集和氦泡长大的潜能。本论文对碳化钛及碳化钛-镍界面对氦的吸附行为的研究,试图从理论上预测在镍基合金中弥散碳化钛能否提高其抗氦脆能力。研究指出镍中碳化钛的形核过程是个放热反应。研究结果揭示,镍中碳化钛对氦的吸引能力比单纯碳原子或者单纯氦原子明显强且作用范围变大;碳化钛团簇吸附氦的能力和作用范围随着团簇的增大而增大。最后,本研究工作发现氦在碳化物-镍界面处的结合能比镍、碳化钛体相和镍晶界都小,说明界面能吸附氦并阻止其向晶界扩散。

关键词： Al-Zr纳米晶合金   薄膜   纳米多层膜   微结构因素   强化作用  

摘要： 纳米晶金属优异性能展示出的广阔前景使得其强化机制成为近年来研究的重要热点。相比与纳米晶纯金属,合金元素在晶界的偏聚使纳米晶合金具有了更高的结构稳定性,其强化机制也更为复杂,不但有细晶强化、固溶强化作用的影响,还包括了晶界性质和宽度改变的作用。尽管理论研究可以对各微结构因素的作用进行分别处理,但从实验上的揭示并进行对比是极为困难的,因为各微结构因素均随合金含量的变化同时发生改变,它们的强化作用也相互交织而难以区分。尽管许多研究进行了努力,但事实上并没有真正从实验上区分出各微结构因素独立的作用,正是这一实验研究上的困难,迟滞了对纳米晶合金强化机制研究的深入。本论文选择Al-Zr纳米晶合金作为研究对象,采用高溶质含量非晶层分隔低溶质含量晶体层的二维结构多层膜实验模拟方法,对晶粒尺寸、晶内溶质含量以及晶界的成分和宽度四个主要的微结构因素加以“孤立”,通过单个因素的改变,揭示了它们各自在纳米晶合金强化中的作用、相对权重和变化规律;进而结合与三维结构纳米晶薄膜的对比,建立一个将现有强化理论和计算公式用于纳米晶合金薄膜的“桥梁”,获得基于各微结构因素作用规律的纳米晶合金薄膜强化机制和强度增量计算公式。论文获得的主要研究结果包括:1.在Al-Zr合金薄膜中,溅射粒子原子尺度的混合和薄膜生长的高非平衡性,使薄膜在Zr含量低于12.3 at.%时形成超过饱和固溶体的纳米晶,硬度相应迅速提高。随Zr含量的增加,薄膜中产生多种极细密的Al-Zr金属间化合物,高分散化合物和Al固溶体的混合使薄膜逐渐呈现非晶结构,而化合物数量的增加支持了薄膜硬度的持续上升,并在含33.3 at.%Zr达到9.8 GPa最高值。2.二维结构的多层膜实现了对晶粒尺寸、晶内溶质含量以及晶界的成分和宽度四个主要的微结构因素“孤立”和独立改变,研究结果表明:(1)在晶粒尺寸方面,纳米晶Al-Zr合金与纳米晶纯Al一样,存在硬度随晶粒尺寸减小偏离Hall-Petch关系和反Hall-Petch现象,它们偏离和出现反Hall-Petch关系的临界值同样与纳米晶纯金属相当,分别为40 nm和10 nm。(2)在晶内溶质含量方面,Al-Zr合金薄膜中的固溶强化作用在尺寸为30 nm晶粒中依然存在,其所造成的硬度增量与基于粗晶材料位错运动的Fleischer模型计算得到的增量相当。(3)在晶界方面,晶界合金元素增加造成的薄膜硬度上升与其合金元素增加后的晶界本身硬度的提高有关,而晶界宽度增加所造成的硬度增量则与高硬度的晶界区在薄膜中所占体积比的增加有关,两者带来的硬度增量都不明显,并都可由晶界区与晶粒所占体积比通过混合法则(ROM)确定。3.通过对三维结构薄膜表征获得各微结构因素随Zr含量的变化规律后,将由以上二维结构多层膜中获得的规律,结合各微结构因素的强化理论计算,得到了各微结构因素在三维结构薄膜强化中随Zr含量变化的规律和所占权重:(1)细晶强化对薄膜的硬度增量贡献最大,在Zr含量小于1.9 at.%时,其所占的权重几乎达到总增量的80%,随Zr含量的增加,其权重逐渐降低至含11.1 at.%Zr时的50%左右。(2)固溶强化造成的硬度增量呈现随薄膜Zr含量增加而逐步减缓的趋势,其在薄膜强化中所占的权重因细晶强化增量的降低而提高,从小于1.9 at.%Zr时的约10%逐步提高至含11.1 at.%Zr时的35%左右。(3)晶界成分和宽度共同作用造成的硬度增量与薄膜总Zr含量的增加几乎呈线性关系,其在薄膜强化中所占的权重变化不明显,从小于1.9 at.%Zr时的约10%小幅增加至11.1 at.%Zr时的15%左右。4.综合各微结构因素的作用得到的硬度增量和实测的薄膜硬度增量随Zr含量的变化具有一致性,它们硬度增量的变化都存在Zr含量小于1.9 at.%时的快速上升,1.9-8.3 at.%Zr范围保持上升趋势但增幅减缓,和Zr含量高于8.3 at.%后的硬度增量下降的三个阶段。

关键词： TiO2基纳米片层   纳米复合材料   表面分散型异质结   表/界面调控   吸附   光催化  

摘要： 本文以构筑高效的异质结光催化剂为目的,以异质结表/界面调控为手段,采用理论与实验相结合的方法,针对具有比表面积较大和厚度较薄优点的二氧化钛基纳米片层(TNSs),围绕TNSs光催化材料的组成、结构与性能的关系,基于水热法制备TNSs的机理,对其微结构进行设计和改性构筑更优质、高效的纳米异质结光催化剂,开展了系统深入的研究工作。针对构筑的TNSs异质结界面进行三方面的调控,包括异质结界面有效接触面积、异质结界面对光生载流子的分离效率以及光生载流子分离后迁移至催化剂表面的速率等。其主要研究内容如下:第一,表面分散型的过渡金属氧化物MnxOy/TNSs异质结的构筑、结构、及其增强的可见光驱动的光催化性能研究。采用简便易行的“一锅水热法”构筑了表面分散的MnxOy/TNSs异质结,构筑的样品具有良好的片层结构,高达200～300 m2/g的表面积和较小的厚度(约4 nm)。粒径大小约为1～2 nm的MnxOy(Mn = Mn2+,Mn3+)纳米颗粒高度分散于.TNSs表面,极大增加了构筑的异质结界面的有效接触面积。通过改变锰源的添加比例对其3D的P25纳米颗粒到2D的TNSs的转变过程进行调控,并研究了相应的调控机制。随着MnxOy负载量的增加,形成的MnxOy/TNSs样品中Ti3+比例逐渐增加。MnxOy的负载使得样品对光的吸收边产生了红移,提高了样品对可见光的利用率。适量的MnxOy(Mn/Ti = 2.5 at.%)构筑的MnxOy/TNSs异质结界面有效地改善了光生电子-空穴对的分离效率;过多的MnxOy颗粒负载在TNSs表面上,会成为电子-空穴对的复合中心,从而导致其分离效率降低。随着MnxOy负载量的提高,MnxOy/TNSs样品对于RhB和Cr(VI)溶液的催化性能都是先增强后减弱,并且当负载量为2.5 at.%时催化性能达到最佳。同时结合荧光探针实验,对构筑的MnxOy/TNSs异质结光催化性能增强的机制做出了分析和解释。第二,表面分散型CoxOy/TNSs与VxOy/TNSs异质结的构筑、结构、再生性能及光催化性能增强的机理研究。由于过渡金属氧化物(MxOy)种类较多,其元素价态、原子半径等方面不同,MnxOy、CoxOy和VxOy复合TNSs将有可能实现不同的性质与光催化效果。据此,采用“一锅水热法”构筑表面分散型的CoxOy/TNSs、VxOy/TNSs异质结,并对其进行结构表征与光催化性能研究。我们发现不同的MxOy对其3D的P25纳米颗粒到2D的TNSs的转变过程的调控程度是不同的,并且不同类型MxOy与TNSs复合会产生不同的催化效果。在1.0%VxOy/TNSs和2.5%CoxOy/TNSs样品中,构筑的异质结界面对于光生载流子的有效分离及可见光光催化性能方面表现出最佳效果。此外,对构筑的表面分散型MxOy/TNSs异质结在循环再生过程中样品结构的演变进行了详细研究,发现其在Cr(VI)-苯酚共存体系中体现出良好的循环再生性能,在经过7次循环再生后,2.5%-Co-TNSs样品对Cr(VI)的还原效率仍高达81.57%,而苯酚的降解效率保持在83.24%,表明MxOy/TNSs异质结具有优异的光催化性能和使役性能。通过正电子淹没谱学(PALS)和密度泛函(DFT)对表面分散型M)xOy/TNSs异质结光催化性能增强的机理做出了分析和解释。第三,0D-2D肖特基势垒异质结Pt/TNSs及Z-型Pt/CoxOy/TNSs异质结的构筑、结构及光催化制氢性能的研究。利用“水热法-光还原法”联用的途径,构筑了表面分散型的0D-2D肖特基势垒异质结Pt/TNSs和Z型CoxOy/Pt/TNSs三元异质结,对其结构、光电性能及光解水制氢性能进行研究。首先,通过改变不同沉积量的Pt*3研究其对光催化制氢效率的影响,发现当沉积的PtG含量为0.25 wt.%时,所构筑的Pt/TNSs样品表观量子效率最高,约为11.48%。适量的功能性0D-2D肖特基势垒异质结构的形成是改善光催化性能的关键因素。此外,结合前面章节构筑的Co)xOy/TNSs异质结材料,通过光还原沉积Pt0在CoxOy/TNSs异质结中,发现沉积的Pt0与CoxOy纳米颗粒表现出了协同效应,当Pt0含量为0.25 wt.%和CoxOy含量为2.5 at.%时,构筑的CoxOy/Pt/TNSs三元异质结具有最佳的表观量子效率,约为25.65%。在CoxOy/Pt/TNSs复合材料中观察到光电流响应的显著增强现象,证明了 CoxOy、PtQ和TNSs三者之间存在电荷的有效转移。其增强的光催化制氢效率归因于Z-型体系异质结界面的形成,这种新颖的结构提供了足够大而紧密的异质结界面,更有利于异质结界面处光生载流子的有效分离。第四,表面分散型的稀土氧化物TbxOy/T

关键词： 绝热材料   微结构模型   随机序列吸附算法   空间分布   取向分布   导热系数   介观传热特性  

摘要： 内绝热层是固体火箭发动机热防护体系的重要组成部分。目前,在研究绝热材料的热化学烧蚀性能时,研究人员大多采用宏观烧蚀模型。宏观烧蚀模型不考虑绝热材料介观组成和分布结构的影响,难以深入揭示绝热材料的热化学烧蚀机理。在介观尺度构建绝热材料的微结构模型,进一步研究绝热材料的热化学烧蚀性能,有助于提高绝热材料热化学烧蚀模型的可靠性。为此,首先要建立能够合理反映绝热材料介观组成和分布结构的绝热材料微结构模型,并表征模型的微结构参数。基于随机序列吸附算法,使用MATLAB语言编写程序,分别构建了颗粒填料、短切纤维和颗粒填料/短切纤维掺杂等三种类型的的绝热材料微结构模型。在绝热材料微结构模型中,颗粒填料和短切纤维均匀分布且互不相交,可以调节颗粒填料、短切纤维的形貌、尺寸、取向和体积分数。建立了绝热材料微结构模型中颗粒填料和短切纤维分布均匀性的表征方法。使用等效质心和转动惯量,分析微结构模型中颗粒填料的空间分布特性;使用径向分布函数,分析微结构模型中短切纤维的空间分布特性;使用取向张量,分析微结构模型中短切纤维的取向特性。基于硅橡胶基绝热材料配方,生成了颗粒填料和纤维填料掺杂的绝热材料微结构模型:模型尺寸为1mm×1mm×1mm;颗粒半径服从均值为0.005mm、标准差为0.001mm的正态分布,体积百分数为14.6vol%;短切纤维长度为1mm,直径为0.01mm,体积百分数为6.7vol%。绝热材料微结构模型的计算结果表明,模型中颗粒填料和短切纤维的分布基本均匀,取向符合要求,验证了模型生成算法的合理性。绝热材料微结构模型的内部结构较为复杂,难以使用常规方法划分网格,为此引入基于背景网格的网格划分方法。首先生成规整的六面体背景网格,然后判定网格的材料属性,最终生成有限元模型。以硅橡胶基绝热材料为研究对象,基于ANSYS有限元分析软件,计算了绝热材料的室温导热系数,数值分析了颗粒填料体积分数、颗粒填料粒径、颗粒填料种类、短切纤维取向和短切纤维长径比等参数对绝热材料室温导热系数的影响。研究结果表明:(1)当颗粒填料的导热系数大于基体的导热系数时,随着颗粒填料体积分数的增大,绝热材料的导热系数增大。(2)当颗粒填料的体积分数小于20%时,在10～100μm范围内改变颗粒填料粒径,绝热材料的导热系数基本不变;但是,小粒径颗粒填料有助于材料内部温度场均匀变化。(3)添加低导热系数的颗粒填料,可以有效降低绝热材料的导热系数;反之亦然。(4)在绝热材料中,平行于热流方向取向的短切纤维数目越多,绝热材料的导热系数越大。(5)在短切纤维长径比为10～50的范围内,随纤维长径比的增大,绝热材料的导热系数增大。

关键词： 计算力学   多学科优化   拓扑优化   电磁超材料   左手材料   传感器   结构健康监测  

摘要： 电磁超材料由于其特殊的性能和重要的应用前景,其相关研究受到广泛关注。电磁超材料的特异性能取决于微结构形式,因此建立具有特定功能的超材料微结构选择或设计方法十分必要。另一方面,利用电磁超材料的特殊性能,设计基于超材料的电磁器件(例如传感器、波传播调控器等)也具有重要的研究意义。基于以上需求,针对特定性能超材料微结构设计问题,本文建立了基于模糊数学的以已有超材料微结构为备选方案的微结构选择方法,以获得满足设计需求的左手超材料微结构;提出了基于拓扑优化的超材料微结构设计方法,开发了特定性能超材料微结构的设计工具,可用于解决准确满足幅值及频带需求的超材料微结构设计问题;研究了微带线型超材料的带隙特性及参数敏感性,提出了基于微带线型电磁超材料的介质厚度传感器的优化设计方法;研究了基于同轴电缆的电磁带隙应变传感器设计方法及模型;分析了梯度超材料对电磁波的调控方法及性能。具体研究内容和成果如下。1.基于模糊数学的贴片式左手超材料的选择方法。综合分析已有超材料微结构的特点,并进行分类整理,通过合理选择,以获得满足需求的微结构形式是实现特定性能超材料设计的有效方法。基于该思想,本文首先建立了基于模糊聚类分析与隶属度信息的贴片式左手超材料的选择方法。建立了已有左手超材料微结构非空集合,讨论了集合中微结构特性参数的隶属函数形式,以实现不同模糊目标及约束下个体隶属度的求解。建立了各隶属度与模糊优越度关系,确定了计算并排序各结构模糊优越度以找到适合于相应设计的微结构方案的选择机制。建立了不同拓扑形式的左手超材料构型集合和不同尺寸的“巾”型构型集合,通过对不同的目标和约束下模糊优越度的计算及排序,验证了通过所提方法可实现对较优个体的获取。2.满足特定幅值及频带需求的贴片型超材料微结构设计方法。对于特殊的功能需求,例如特定幅值或特定工作频带,筛选已有构型或对其尺寸优化无法获得准确满足需求的超材料微结构。为此研究了基于拓扑优化的特定功能贴片型超材料微结构设计方法。建立了满足特定幅值或频带需求的超材料微结构拓扑优化模型,提出了贴片覆盖范围大于网格尺寸的贴片分布策略以解决棋盘格问题。详细介绍了四种典型的特定需求超材料微结构优化模型,所提需求包括:特定频点具有特定负磁导率、特定频点具有特定负介电常数及负磁导率、特定负磁导率频带、特定左手频带。通过大量算例验证了所提方法的可行性及鲁棒性。基于所提方法开发了具有特定功能的超材料微结构设计工具。3.微带线型超材料带隙及参数敏感性研究。微带线型超材料对外部介质表现出不同的带隙响应,确定超材料带隙特性及响应敏感性有利于新型传感器的提出及传感性能的优化。基于以上考虑,研究了基于微带线的互补型开口单谐振环CSSRR(Complementary single split ring resonator)带隙特性及对不同参数外部介质的响应敏感性。分析了两种极化激励下CSSRR带隙特性及对不同厚度或不同介电常数介质的传感特性,分析了超材料不同区域对介质的响应灵敏度。以有无空气夹层时频移量的偏差为监测对象,提出了平面介质层间空气夹层高度的检测方法。通过仿真及实验,测试并验证了微带线型超材料带隙特性及传感敏感性。4.基于微带线型超材料的介质厚度传感器设计优化。目前基于微带线型超材料传感器的已有工作主要集中在超材料传感器应用领域的扩展上,如何优化微结构以提高传感性能的工作很少。本文研究建立针对不同目标的基于微带线型超材料的介质厚度传感器尺寸优化和拓扑优化方法。对传感器上CSSRR进行尺寸优化以实现高灵敏度,设计了基于U型超材料微结构的介质厚度传感器。为实现传感器小型化,设计了极值频率远小于互补型开口谐振环CSRR(Complementary split ring resonator)的双螺旋形超材料微结构。提出了针对不同设计目标的超材料微结构拓扑优化方法,优化目标包括特定极值频率、最大品质因数、最高灵敏度,仿真及实验结果表明,基于优化微结构的厚度传感器相关特性较基于CSRR或CSSRR的传感器有显著提升。5.基于同轴电缆的电磁带隙超材料应变传感器设计。为解决已有基于布拉格栅型应变传感器易碎、强度低、易腐蚀、双峰分离等缺陷,提出了基于同轴电缆的电磁带隙超材料应变传感器。分析了周期性的阻抗不连续与带隙特性的相关性,设计了基于同轴阻抗不连续的电磁带隙超材料结构,给出了其参数设计方法及带隙的理论计算方法。提出了截面不连续和介质不连续两种同轴电磁带隙传感器实现形式,讨论了灵敏度和品质因数的调整方式及缺陷的影响,数值仿真及实验验证了其带隙及传感特性。6.基于梯度超材料的电磁波调控方法及特异性能研究。为充分发掘超材料的特异性质及不同的空间分布产生的电磁波调控能力,提出了梯度超材料的电磁波传播方向及相位的控制特性。基于梯度超材料可实现传播波与表面波相互转换的