关键词： 锂离子电池   正极材料   微结构   掺杂   高镍  

摘要： 电动汽车等应用领域对锂离子电池能量密度的需求日益增长,LiNi_(0.9)Co_(0.1)O_(2)因其高比容量和价格适中等优势受到了广泛的关注,有潜力成为下一代锂离子电池正极材料。然而,锂镍混排、H2-H3相变引起的微裂纹和表面副反应等问题导致LiNi_(0.9)Co_(0.1)O_(2)的充放电循环稳定性较差。通过掺杂W^(6+)对LiNi_(0.9)Co_(0.1)O_(2)的微结构进行了有效调控,并调节一次晶粒的表面能使其由无序堆积的不规则形状转变为径向有序排列的细长条状。该微结构特征可以抑制LiNi_(0.9)Co_(0.1)O_(2)的应力累积和微裂纹的形成,同时为Li+提供了丰富的扩散通道,有效提高了LiNi_(0.9)Co_(0.1)O_(2)正极材料的循环稳定性和倍率性能。当W^(6+)掺杂量为1%(摩尔分数)时,LiNi_(0.9)Co_(0.1)O_(2)改性样品在0.1 C倍率下的放电比容量高达231.2 mA·h/g,在0.5 C倍率下放电比容量为213.3 mA·h/g,循环150次后容量保持率达93%。该微结构调控策略为提高LiNi_(0.9)Co_(0.1)O_(2)高镍正极材料的循环稳定性提供了一种思路。

关键词： 单向纤维束SiC/SiC   微结构   Weibull分布   深度学习   拉伸性能  

摘要： SiC/SiC复合材料力学性能离散性来源于其结构单元和微结构特征。本文针对结构最简单的单向纤维束SiC/SiC复合材料,通过双参数Weibull分布和中位估计分布分析其强度分布规律,基于该复合材料各组元(基体、界面相、纤维)微结构的深度学习来揭示其离散性。结果表明:小试炉和中试炉制备的单向纤维束SiC/SiC的拉伸强度分别位于(331.02 MPa,407.82 MPa)和(161.09 MPa,540.95 MPa);前者威布尔模数(20.59)比后者(5.01)高出75.7%,表明中试的离散性增大。断口形貌深度学习结果表明:基体开裂、界面偏转和纤维断裂拔出是主要的失效机制,定量分析得到基体裂纹间距分布于(83.2μm,107.8μm),通过细观力学公式计算表明基体非均匀性为影响复合材料可靠性的主要原因。

关键词： 高速电主轴   仿生蝶翅   冷却水套   流固耦合   共轭传热  

摘要： 内置电机作为高速电主轴的主要发热部件之一,在实际工况中,其发热量会影响电主轴的回转精度。为了提高电主轴冷却水套的冷却效率,以自然界中闪蝶翅膀微结构的几何模型、结构功能和位形关系等为参照,结合结构相似理论设计一种具有双层包覆性特点的新型蝶翅仿生冷却水套。基于流体动力学及热传导特性理论,对仿生冷却水套及原始螺旋冷却水套进行流固耦合及共轭传热特性的仿真对比分析。结果表明:当冷却水的雷诺数和强迫对流换热面积相同时,电主轴仿生冷却水套的冷却效率和流动特性均优于原始的螺旋冷却水套,其中内置电机的定子热边界面最高温度降低了8%~11%;仿生冷却水套的冷却水最大流速为0.328 m/s,出入口的最大压降是478.6 Pa,相较于螺旋水套在流动特性方面都有很好的提升,对冷却水套结构设计和高速电主轴驱动电机共轭传热提供了参考。

关键词： 柔性压力传感器   电容式   微结构设计   复合材料   多级结构   混合响应  

摘要： 作为可穿戴电子器件的重要分支,柔性压力传感器在人机交互、健康监测等方面具有广阔的应用前景。随着新型材料与新的器件制备策略的不断开发,柔性压力传感器的力学与电学性能不断被优化以适应不同的应用需求。相较于其他传感器,电容式柔性压力传感器具有灵敏度高、功耗低、响应快的优势。电容式柔性压力传感器的性能优化主要通过改变器件的结构参数来实现,如电极有效正对面积、电极间距、有效介电常数等。主要方法策略包括新型纳米材料的应用、新型微结构设计和新型复合材料的开发。主要优化原理有四种:(1)通过改变电极表面粗糙度来改变电极有效正对面积;(2)在电极或介电层中引入空气层以降低弹性模量;(3)在介电层中引入空气或高介电常数材料来改变有效介电常数;(4)通过复合材料在介电层中形成微电容以改变总体电容变化。在电容式柔性压力传感器的性能优化研究中存在一个共性问题,即高灵敏度与宽检测范围之间总是存在一种制约关系。在一定压力范围内,尤其是低压范围,灵敏度提升往往会使器件较易达到压缩饱和而使检测范围有限,即线性度较差。近年来,研究者们着眼于高灵敏度与宽检测范围之间的制约问题,对介电层的梯度结构设计及混合响应机制进行探索,取得了丰硕的成果,在保证高灵敏度的前提下大幅提升了器件的检测范围。然而,迟滞、稳定性及阵列优化仍是电容式柔性压力传感器面向实际应用时存在的问题。本文系统归纳了电容式柔性压力传感器的性能优化原理,分别对电极和介电层的结构设计与材料优化方法进行了介绍,分析了电容式柔性压力传感器在性能优化研究中面临的难题,并进行了展望,以期为设计和制备满足应用需求条件的高性能柔性压力传感器提供参考。

关键词： 微结构设计   拓扑优化   离散变量   整数规划  

摘要： 由周期性微结构组成的材料结构因其独特性质在飞行器结构设计中展现出良好的应用潜力。为了避免超材料微结构拓扑优化过程引入的中间密度所导致的灰度模糊设计结果,基于一种离散变量的拓扑优化方法,利用序列近似整数规划和正则松弛算法实现材料体积约束下的微结构拓扑优化设计。利用离散变量的特点首先给出了两种微结构的几何形状初始猜测,并根据这两种初始设计的构型分别进行了体积模量最大化和剪切模量最大化问题的求解。结果表明,微结构拓扑优化设计构型受初始设计和材料体积约束的影响较大,考虑不同的性能目标所获得的优化设计构型差异明显。数值算例展现了文中基于离散变量实现超材料微结构拓扑优化设计的可行性和有效性,避免了中间密度引起的灰度模糊问题,清晰的微结构拓扑构型提高了结构的可制造性。

关键词： 陶瓷基复合材料   碳化硅纤维束   宏观各向异性模量   自然孔隙   数字化建模  

摘要： 围绕陶瓷基复合材料连续增韧相各向异性难以快速建模和宏观模量精准预测困难的问题,本工作结合水平集法和有限元法建立了陶瓷基复合材料复杂微结构数字化自动建模方法及预制体不同区域材料各向异性赋值策略。同时,以二维SiC编织布增韧陶瓷基复合材料(SiC_(f)/SiC)为例,采用细观力学均匀化方法和自编程序实现了兼顾自然孔隙影响的连续纤维增韧陶瓷基复合材料宏观各向异性模量跨尺度准确计算。与已有文献中的SiC_(f)/SiC性能实验数据对比,验证了本工作中建模方法和模量计算算法的有效性。此外,本工作还探究了SiC_(f)/SiC自然孔隙形状及纤维束波纹度比对材料宏观性能的影响机制。

关键词： 双光子材料   双光子聚合(TPP)   微纳米制造   二氢杨梅素(DMY)  

摘要： 传统医疗器械在使用时表面形成的细菌生物膜,容易引起感染并导致发病率增加。为此提出了利用飞秒激光双光子聚合(two-photon polymerization,TPP)技术在掺有二氢杨梅素(dihydromyricetin,DMY)的双光子材料中制备“筒仓”形抑菌微结构。本文中,通过电子圆二色光谱(electronic circular dichroism,ECD)分析确定了双光子材料中DMY的成功掺入,同时对比确定了掺有DMY的双光子材料最佳加工参数范围:打印速度为10—100μm/s,激光功率为18.1—90.0 mW。然后,制备了高度为30μm的“筒仓”形抑菌微结构,并通过增加微结构轮廓扫描次数来强化抑菌微结构的稳定性。该研究结果对高杀菌率微结构的制备和进一步发展具有重要的借鉴意义。

关键词： 高延性   地质聚合物   碱激发   应变硬化   微结构  

摘要： 基于桥联法则理论、经微观力学设计而成的高延性水泥基复合材料(HDCC)以其拉伸荷载下具有的多缝开裂和应变硬化性能而优于普通混凝土,然则其发展仍受制于高制备成本及碳排放。近10年来,绿色经济性地质聚合物/碱激发材料与纤维复合增韧的高延性复合材料(HDGC)得到研究与发展。本文在概述地质聚合物/碱激发材料反应机理及HDCC材料设计理论的基础上,主要综述了HDGC基本性能与微结构的已有最新研究进展。研究表明,制备HDGC具有可行性且制备的HDGC表现出高延性复合材料所具备的力学响应特点,包括压缩、拉伸应变硬化、界面微观力学、弯曲、抗冲击性能等。然而,受材料组成复杂等因素影响,HDGC力学和微结构依赖于地质聚合物/碱激发材料基体化学性质的改变。HDGC同时具有更小的裂缝宽度而利于材料自修复、较大收缩值以及潜在的良好耐久性。此外,基于有限研究,对比了HDGC与HDCC的相似与差异,以期更好地了解地质聚合物/碱激发材料被用作HDCC替代品时应注意的条件。最后进一步对HDGC存在的问题和研究方向做出了总结与展望。

关键词： 固体废弃物   电石渣   流化涡旋   碱激发材料   微观结构  

摘要： 采用流化涡旋技术对工业固体废弃物改性,以改性电石渣为碱性激发剂,以改性矿渣/粉煤灰为硅铝质原料制成全固废碱激发胶凝材料,并采用压汞实验(MIP)、水化热测定、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)等手段研究其水化机理与微观结构。研究结果表明:流化涡旋技术对工业固废具有优异的物理、化学改性效果,使固废原料具备更高的反应活性;以改性原料制成的碱激发材料具有更优的力学性能和孔径分布特征,其7 d和28 d抗压强度分别可达22.4 MPa和37.8 MPa;改性电石渣释放更多的Ca(OH)_(2),提供碱性环境和钙质组分;改性矿渣/粉煤灰提供硅铝质组分,生成以C-S-H、C-A-S-H凝胶和托贝莫来石为主的水化产物,水化产物与少量原料紧密结合形成稳定结构,使胶凝材料具有良好的力学性能。

关键词： 几何微结构   结构设计   结构优化   3D打印  

摘要： 增材制造(3D打印)技术的快速发展促进了复杂几何结构在航空航天、辅助医疗、交通运输等工业生产中的应用.在自然界中广泛存在并具有优异物理性能的几何微结构可以通过3D打印的方式进行制备.如何设计几何微结构以达到特定物理性能目标的问题已成为计算机辅助设计、计算机辅助工程、机械工程与材料科学学科交叉的一项研究热点.本文对近年来面向单材料3D打印的几何微结构设计工作进行综述,系统地梳理了几何微结构的主要设计方法.首先,本文从几何约束和物理目标两个角度介绍了几何微结构的设计要求;随后将几何微结构单元的设计方法从优化方法、参数化方法和过程式方法三个类型分别进行了详细阐述与分析;此外,本文也对几何微结构单元在给定形状空间内的合成方法进行了总结.最后,本文对目前几何微结构设计研究中待解决的问题进行了讨论,并展望了可能的发展方向.