关键词： 再生混凝土   纳米材料   超声波分散   界面过渡区   背散射电子成像   微观结构  

摘要： 由废弃混凝土生产制备的再生骨料因附着砂浆导致其压碎指标高、吸水率高,制备的再生混凝土中存在数量众多的复杂界面结构,造成再生混凝土力学性能、耐久性能及体积稳定性等长期性能劣化严重。目前,针对再生混凝土界面过渡区的性能改善已经开展了大量研究工作,但大多都以再生骨料及混凝土的宏观性能指标变化来界定改善效果,而关于改善方法对界面过渡区微结构性能改善程度的量化研究鲜有报道。因此有必要结合再生混凝土宏观性能与界面过渡区微结构演变的潜在规律,提出界面过渡区精确界定新方法,揭示改善方法对于再生混凝土界面过渡区性能提升作用机理。依托国家自然科学基金面上项目“高性能再生混凝土微结构调控及其性能演化(52078261)”,首先选用多种纳米材料进行研究,通过分散效果及掺加效果最终明确了以纳米二氧化硅作为硅酸盐水泥基材料的改性材料;利用超声波输入能量与纳米材料粒径分布的关系研究了超声波输入能量对分散效果的影响规律,确定了分散温度为影响纳米材料分散效果的重要因素,探明了纳米材料在分散液及水泥浆液中的分散规律,确定了纳米材料在水泥基材料中的最佳掺加方式;以图像学分析为依据,实现了界面过渡区的物相划分及统计,并依照统计学方法,对界面过渡区宽度及孔隙分布等进行量化分析;基于上述研究方法,研究碳化作用、氯盐侵蚀作用及硫酸盐侵蚀作用下的硅酸盐水泥基再生混凝土(OPC-RAC)多重界面过渡区内物相组成、力学性能及微结构变化,明确了纳米材料对界面过渡区内微结构改善及耐久性提升的作用机理;基于纳米二氧化硅对界面区微结构性能的改善效果,针对纳米二氧化硅对于OPC-RAC宏观性能影响规律进行分析研究;基于纳米材料最佳分散条件,利用纳米材料对高贝利特硫铝酸盐水泥基再生混凝土(HBSAC-RAC)的性能改善进行探究性试验。本文主要研究结论如下:(1)相同掺加方式下,纳米二氧化硅在水泥浆体中的分散效果最好且对水泥胶砂性能提升最明显。提高超声波输入能量可以改善纳米二氧化硅分散效果,但过长时间的分散导致纳米材料颗粒的重新团聚,根据超声波输入能量与分散液温度及纳米颗粒粒径分布的关系可得,超声波输入能量的分配不存在比例关系。提高分散液温度可以降低分散液中的纳米二氧化硅团聚程度,并有效促进水泥水化反应,但加入到水泥溶液后纳米二氧化硅更易发生团聚,对硬化水泥胶砂性能造成不利影响;而降低分散液温度可以有效缓解纳米二氧化硅颗粒在水泥溶液中团聚现象,且对于水泥胶砂力学性能等改善明显。经综合分析,分散液温度为10℃左右时纳米二氧化硅在水泥溶液中分散程度最好,且对于水泥胶砂工作性、力学性能等改善效果最佳。(2)利用图像分析技术对混凝土界面处砂浆基体中物相种类及分布情况进行统计分析,并利用条带间物相变异系数与显微硬度测试技术相结合的方法对混凝土界面过渡区宽度进行精确界定。纳米二氧化硅的掺加对于界面过渡区宽度及硬度值均有不同程度的改善,其中砂浆新界面的改善程度最大。28d龄期时,纳米二氧化硅掺量分别为1%、2%及3%时的砂浆新界面过渡区宽度相较于对照组分别减小10μm、15μm和15μm,显微硬度值分别提高了8MPa、12MPa和15MPa。纳米二氧化硅的掺入降低了界面过渡区内的多害孔体积分数并细化孔径,且这种改善作用随着掺量的增加及混凝土养护龄期的增长而愈加明显。通过对混凝土界面过渡区孔隙含量、力学性能及宽度等改善效果的对比分析,确定了纳米二氧化硅最佳掺量约为胶凝材料总质量的2%。(3)结合再生混凝土多重界面过渡区在不同环境作用下的性能变化规律,利用显微硬度及SEM等微观分析技术,分析了碳化作用、硫酸盐侵蚀、氯盐侵蚀对多重界面过渡区微结构性能损伤规律,并通过物相组成、硬度值及孔隙含量的变化,客观评价了环境作用对于多重界面过渡区性能劣化程度。碳化作用可以一定程度上降低再生混凝土界面过渡区孔隙含量,改善结构密实程度,而纳米二氧化硅的火山灰效应及微填充效应使得该作用效果进一步得到提升;硫酸盐侵蚀及氯盐侵蚀作用均对于骨料新界面过渡区性能损伤程度最大,纳米二氧化硅的掺入有效降低了因盐类侵蚀对于界面过渡区力学性能、孔隙含量等性能的损伤程度,从而延缓了因腐蚀性盐类侵蚀造成的界面过渡区性能劣化速度。(4)基于最佳分散条件及再生混凝土微结构性能改善效果,利用分散良好的纳米二氧化硅进行纳米改性OPC-RAC的制备。通过对纳米二氧化硅改性OPC-RAC工作性、力学性能及耐久性性能测试分析发现,NS掺量为2%时,再生骨料取代率为100%的再生混凝土依然获得与天然骨料混凝土相当的力学及耐久性能。通过线性优化方法对混凝土抗压强度与胶凝材料用量间的关系进行拟合分析,精确计算出纳米二氧化硅改性OPC-RAC参考配合比。在相同强度等级下,掺加纳米二氧化硅可以有效减少胶凝材料用量,但也会导致混凝土建造成本的急剧升高。(5)基于纳米材料的最

关键词： 多材料拓扑优化   多孔结构   极小曲面   均匀化方法  

摘要： 随着现代制造技术的不断发展,使用单一材料的结构设计已不满足当前复杂环境下对产品轻量化、多功能等方面的需求。具备多孔材料填充的多材料拓扑优化,因其设计灵活性与多样性逐渐成为结构设计领域的研究热点。然而,不同构型微结构之间存在平滑过渡困难,过渡区域微结构和等效性能难以精确获取等问题,极大限制了多孔结构填充多材料拓扑优化的性能优势。鉴于此,本文探究了一种以三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)多孔结构作为填充材料的多材料拓扑优化方法。具体工作如下:(1)提出了一种TPMS结构插值模型。在给定的多种TPMS数学表达式基础上,引入权重值,插值构建合成TPMS的数学表达式。基于该数学表达式进行参数化建模,得到合成TPMS多孔结构几何模型。并借助Gyroid和Primitive两种基础TPMS对上述TPMS结构插值模型进行可行性验证。最后,通过均匀化方法构建多孔结构性能参数与权重值之间的函数关系。(2)研究了一种基于固体各向同性材料惩罚(Solid Isotropic Material with Penalization,SIMP)法的多种TPMS微结构填充的多材料拓扑优化方法。该方法将TPMS结构插值方法与SIMP法相结合,以实现不同微结构重叠部分及其结构性能的相互匹配。以结构柔度最小化为目标,建立多材料拓扑优化数学模型,并借助悬臂梁、MBB梁、拱桥和热传导等典型算例验证了该方法的可行性和稳定性。(3)探究了一种基于移动可变形组件法(Moving Morphable Components,MMC)的多种TPMS微结构填充多材料拓扑优化方法。该方法将TPMS结构插值方法与MMC框架相结合,借助水平集函数识别插值参数,并引用替代材料模型,从而获得多种TPMS重叠区域内具有清晰材料特性的TPMS多孔结构。通过数值算例验证,该设计方法能够满足设计需求,提高计算效率,并使结果更易于实际制造。(4)以双杆梁和汽车连杆结构为优化对象,对优化结果进行实体化建模和3D打印,模型表明本研究的优化结果内部微结构具有良好的相容性,可避免应力集中现象,使优化结果易于制造加工,对多材料拓扑优化推广至实际应用领域具有重要意义。

关键词： 组分调控   微结构设计   阻抗匹配   电磁波吸收   雷达散射截面仿真  

摘要： 通讯技术和不同领域智能化的深入发展,给社会生产力带来新的变革,但是电磁污染问题也引起了人们的广泛关注。人类健康研究表明,当长期暴露于电磁辐射环境中时,患有癌症和心脑血管疾病的概率将会大幅度增加。同时,隐身技术在军事领域也得到迅猛发展,特别是隐身战略轰炸机的出现引起了相关部门对于国防安全的高度重视。因此,能够将电磁能转化为热能和其他形式能的电磁波吸收(EMWA)材料的研发成为解决上述问题的有效方案。传统的EMWA材料尽管有一定的吸波性能,但是相比于满足“薄、轻、宽和强”的新型吸波材料仍然存在很多不足。金属有机框架(MOFs)衍生碳/钴金属能够实现有效的磁-介电协同效应,同时较大的比表面积和多孔结构进一步耗散了电磁波。此外,过渡金属钴的第ⅥA族化合物独特的介电特性和微观结构成为优异EMWA剂的候选者之一。本研究从组分和结构设计出发,研究了MOFs衍生的钴金属和钴的第ⅥA族化合物的电磁波(EMW)吸收性能。通过构建不同的前驱体模板,基于组分调控和微观形貌设计,制备了一系列具有高性能吸波特性的复合材料,并且通过CST Studio Suite 2020(CST)软件对复合材料的雷达散射截面(RCS)进行了模拟,阐明了其吸波性能增强的内在机理。研究结果如下:(1)通过水热法和室温静置制备了Ni(OH)/ZIF-67前驱体,将前驱体在N下碳化得到了钴@氮掺杂碳/镍(Co@NC/Ni)纳米复合材料。通过调节碳化温度(500、600和700℃),纳米复合材料可以获得出色的EMWA性能。随着碳化温度的升高,EMWA性能呈现出先增大后减小的趋势。当碳化温度为600℃时,Co@NC/Ni纳米复合材料的最小反射损耗(RL)值,在匹配厚度和频率分别为2.50 mm和12.80GHz时,可以达到-47.10 d B,相应的有效吸收带宽(EAB)值为6.84 GHz(11.09-17.93 GHz),覆盖整个Ku波段。基于磁-介电协同效应,具有良好分散特性的磁性纳米颗粒提供了磁损耗和改善阻抗匹配。同时,它们也作为催化剂,诱导石墨化碳的形成,增强了电导损耗。此外,样品内部存在丰富的异质界面和缺陷,也促进了极化损耗。最后,基于CST模拟RCS仿真结果,与矩形超薄理想导体(PEC板)相比,S-2在0°时RCS值由23.07 d B·m下降到-0.44 d B·m,有效的抑制了EMW在PEC板上的散射和反射,RCS仿真结果与实验结果相符。(2)通过溶剂热和化学氧化原位聚合的方法制备了具有核壳结构的二硫化钴@聚噻吩(Co S@PEDOT)复合材料。通过调控Co S的添加量(20、30、40和50%),EMWA性能呈现出先增大后减小的趋势。Co S呈现粗糙球状,直径大约在2.0-3.0μm。当Co S的添加量为30%时,Co S@PEDOT复合材料的RL值在2.00 mm时可以达到-33.60 d B,当匹配厚度为1.50 mm时,相应的EAB值达到了3.64 GHz(11.64-15.28 GHz)。此外,复合材料在低频S波段具有一定的吸波性能,实现了低频吸收。优异的吸波性能归因于丰富的异质界面产生的极化损耗以及电子在PEDOT迁移产生的电导损耗。基于CST模拟RCS仿真结果,与PEC板相比,CP-2在0°时RCS值由23.07 d B·m下降到-4.03 d B·m,有效的抑制了EMW在PEC板上的散射和反射,RCS仿真结果与实验结果相符。(3)首先通过水热法和硒化反应制备了具有粗糙球状结构的二硒化钴-二硒化镍@碳(Co Se-Ni Se@C)复合材料。Co Se-Ni Se@C(Co:Ni=1:1)纳米微球的直径在500 nm左右,表现出较好的分散性。随后引入钼源与硒粉水热合成具有花状核壳结构的二硒化钴-二硒化镍@碳@二硒化钼(Co Se-Ni Se@C@Mo Se)复合材料。通过调控Mo Se与Co Se-Ni Se@C的质量比(3:2、1:1和2:3),EMWA性能呈现出增大的趋势。当Mo Se与Co Se-Ni Se@C的质量比为2:3时,Co Se-Ni Se@C@Mo Se复合材料的RL值在2.40 mm处的9.34 GHz时可以达到-52.00d B,当匹配厚度为1.90 mm时,相应的EAB值达到了4.80 GHz(10.35-15.15 GHz)。优异的EMWA性能归因于三维多重核壳结构的微结构设计形成了丰富的异质界面和导电网络,促进了介电损耗。基于CST模拟RCS仿真结果,与PEC板相比,CNCM-3在0°时RCS值由23.90 d B·m下降到0.16 d B·m,有效的抑制了EMW在PEC板上的散射和反射,RCS仿真结果与实验结果相符(4)通过水热合成了具有棒状核壳结构的二碲化钴@二硫化钼(Co Te@Mo S)复合材料。Co Te@Mo

关键词： 拓扑声学   人工微结构   波导阵列   局域结构  

摘要： 凝聚态物理中一个最主要的方向就是发现并研究新的物相,将拓扑的概念引入物理学,这为拓扑相的发现起了决定性作用,在凝聚态物理中受到广泛关注。拓扑物理的研究也拓展到声学系统中,并逐步发展为最热门的研究领域之一。本文以声学为研究背景,通过将拓扑的概念引入到声学波导体系和声学局域结构中,实现了声学拓扑π模式、声学非绝热拓扑泵浦以及声学局域结构斯格明子的实现,在不同的声学结构通过模拟和实验等验证了拓扑性,进一步加深对声波任意操控的理解。本文的具体研究内容如下:一、通过调节波导之间的耦合强度以及调整波导的弯曲周期,在离散波导阵列中实现拓扑π模式,声波沿波导边缘进行周期性的传输,并且将其与平庸波导结构下进行了对比,验证了波导阵列的拓扑性质,为后续研究提供了很好的平台。二、在离散波导模型中,提出了一种拓扑保护的泵浦结构,将拓扑泵浦运用到声学中,声学中目前对泵浦的研究都是在绝热的条件下,这种结构是非常不稳定的。在此,我们设计了一种结构稳定且非绝热的拓扑泵浦结构,演示了在物理时间(t)和传播坐标(z)中传播声脉冲信号的动态拓扑泵浦。连续和脉冲声波的拓扑泵浦传输证明了所设计波导阵列在动态信号传输和波操纵方面的实用性。三、在实空间中设计了一种亚波长尺度下螺旋结构,实现在声学系统下的斯格明子模式,分析超结构的共振响应并观察了其速度场的空间分布,并通过模拟验证了亚波长结构支持的拓扑保护斯格明子模式对结构缺陷具有鲁棒性,所设计的实空间声学斯格明子拓扑结构可能为设计超紧凑的声学器件来操纵声波开辟了新的途径。

关键词： 氧化石墨烯   微结构调控   尺度效应   力学性能   应力分布  

摘要： 氧化石墨烯(GO)是一种二维层状材料,具有优异的力学、化学和电气特性,且表面含有丰富的羟基、羧基等含氧官能团,易与高分子聚合物形成界面结合,被认为是实现复合材料力学性能增强和功能化的理想添加剂。为发挥其优异特性,近年来科学家们对氧化石墨烯基复合材料进行研究,获得了一系列轻量化高强高韧兼具功能性的复合材料,为高性能复合材料的设计和制造提供了重要思路。目前研究者分别对低含量、中含量和高含量氧化石墨烯复合材料进行研究,然而不同研究之间复合材料的力学性能差异较大,且底层的力学调控机制没有进行系统的解释。为了使氧化石墨烯更好的应用于诸多重要领域,深入全面了解其力学行为是非常有必要的。为此本文针对氧化石墨烯基复合材料力学行为开展了研究。为了研究影响力学性能的微观调控机制,本文采用溶液共混法制备全含量(在0-100%范围内)氧化石墨烯基热塑性聚氨酯(TPU)复合材料,对其进行准静态拉伸测试和微观表征,并对变形破坏力学行为进行分析。研究发现,GO能够以任意比例与TPU混合,同时随着GO含量的增加,复合材料的拉伸强度呈上升趋势,出现三个强度峰值。通过微观表征和力学分析表明,复合材料内部微观结构逐渐由随机排布转变为有序层状结构,但由于不同的内部缺陷(如GO片层端部聚集、局部强化和过饱和现象),导致力学性能表现出特殊的变化规律。然后结合有限元模拟对其增强机制、破坏模式和载荷传递方式进行利用研究,分析其增强增韧机制。该研究将促进对GO复合材料基本力学性能的深入理解,为复合材料的内部微结构设计提供指导。在上述研究中高含量下氧化石墨烯复合材料仿贝壳层状排列的基础上,本文受三元结构的启发,进一步针对仿生贝壳结构进行了多尺度设计和力学行为研究。通过干法纺丝工艺,设计并构建了不同尺度的同种氧化石墨烯片层和聚乙烯醇(PVA)复合材料,并进行准静态拉伸测试和微观表征。研究表明,不同尺度的GO片层形成的微观结构存在协同效应,能够有效改善全场应力分布(抑制和分散局部应力集中区域),增加能量耗散(引发更多的裂纹偏移),从而在保证材料优异强度的同时提高韧性。此外,采用蒸发自组装和层压固化工艺,可获得大尺寸的轻质高强类贝壳复合材料,并有望实现大规模生产。基于低含量下氧化石墨烯复合材料微结构调控机制研究,本文在明确低含量氧化石墨烯复合材料微观调控机制的前提下,对其电流诱导自修复和通电致热功能进行了拓展研究。结果表明,随着石墨烯含量提升石墨烯-碳纳米管/TPU复合材料的电流诱导自修复性能逐渐提高,这可能与其通电致热功能及其导电性能密切相关,利用该特性可进行电流诱导损伤自修复、通电致热除冰等。综上所述,本文明确了内部微结构调控和尺度效应对氧化石墨烯基复合材料的力学性能和应力分布的影响,并对其生产应用和功能化进行了拓展研究。这对于轻量化复合材料设计制备具有一定的指导意义,也为功能化复合材料提供有价值的参考,并有望在航空航天、汽车、生物医学和能源行业得到重要应用。

关键词： 脉冲电流   核燃料包壳材料   微结构调控   原子扩散   性能修复  

摘要： 核燃料包壳材料被称为核反应堆的第一安全屏障,关系到核反应堆运行的安全性和经济性。在服役环境下,核燃料包壳材料内形成多种类、多尺度、多组态的有害微结构致使材料性能退化,严重影响核反应堆的运行安全。亟需寻求一种高效、节能的处理手段通过调控有害微结构来实现核燃料包壳材料退化性能的修复,这对核电设备安全平稳运行至关重要。本文聚焦制约核燃料包壳材料服役安全的“痛点”问题,解决了“脉冲电流下核燃料包壳材料多种类、多尺度、多组态微结构调控机制及其损伤性能修复相关性”的关键科学问题,对辐照缺陷、致脆析出相及异质界面进行精准调控,从而实现材料损伤性能修复。在服役环境下,辐照产生的位错环引起锆合金材料硬化,而第二相非晶化则影响锆合金的抗腐蚀性能。采用离子辐照诱发Zr-4合金产生高密度位错环和非晶态第二相,然后对其进行脉冲电流处理。结果表明,在450℃下,脉冲电流处理加速了辐照材料中位错环湮灭,显著降低了位错环的数密度,恢复了合金的力学性能。在450℃下的脉冲电流处理可使非晶态第二相中的原子发生有序化排布,结构实现快速的晶化转变,该过程相比常规热处理(750℃)降低了约300℃。采用分子动力学模拟位错环演变,结果表明脉冲电流增强了位错环的局部势能,加速位错环区域原子扩散并发生湮灭。基于微结构与基体的电学性能差异,数值计算结果表明,脉冲电流引入的自由能打破了第二相晶化转变的热力学壁垒,显著降低了再结晶转变激活能,从而修复了辐照损伤引起的性能退化。锆合金在使役过程中发生水腐蚀吸氢生成致脆氢化物是导致锆合金机械性能恶化的主要原因之一。采用气态渗氢法对核级Zr-4合金充氢获得氢致脆化材料,然后对其进行脉冲电流处理。研究结果表明,脉冲电流可明显减少锆合金中大尺寸氢化物,驱动氢化物由致脆的板条状δ相转变为小尺寸ζ相,显著降低氢含量,基本恢复合金力学性能;而在400℃等温热处理对比实验中未发现致脆氢化物溶解,其力学性能也未恢复。针对条状氢化物的特性与形态变化建立数学模型,对微结构演变过程的电流密度分布与电流引入的自由能进行计算分析。计算结果表明,脉冲电流引入的自由能促进氢化物分解,降低氢原子扩散激活能,加速氢原子扩散脱附,实现了充氢态锆合金力学性能的修复。因具有优异的抗高温氧化性能,FeCrAl合金成为极具潜力的现役锆合金的替代材料之一。但FeCrAl合金在服役环境下会发生调幅分解,产生富铬α’析出相,导致材料性能脆化,影响反应堆的安全运行。采用热老化手段对FeCrAl合金进行时效处理,获得的热老化脆化材料,然后再进行脉冲电流修复。研究结果表明,脉冲电流可消除FeCrAl合金中致脆α’相,显著降低析出相溶解的临界温度。理论分析指出,在热力学方面,脉冲电流引入的自由能降低了析出相溶解的热力学壁垒;在动力学方面,在浓度梯度和电迁移效应的耦合作用下,脉冲电流处理显著增强了析出相中原子的扩散,加速了析出相的溶解,其溶解效率相比常规热处理提高了一个数量级。Zr/Cr异质界面结合力欠佳制约了候选包壳含Cr涂层锆合金在事故工况下抗高温氧化过程中的结构稳定性。针对此难题,研究了脉冲电流对Zr/Cr界面处原子扩散行为的影响。结果表明,脉冲电流可显著降低界面扩散层的形成温度,相比于传统热处理,处理温度降低了约300℃。处理温度的降低将有效地避免锆合金基体性能的退化。理论分析指出,脉冲电流降低了涂层与基体界面扩散层形成的激活能,提高了界面处原子扩散系数,大幅度加快了原子的扩散,实现了 Zr/Cr界面的高质量冶金结合。综上,本文基于脉冲电流调控微结构这一创新方法,采用结构表征、性能检测及数值计算等手段,深入研究了脉冲电流对多种类、多尺度、多组态微结构差异化调控的内在机理及其对原子扩散行为的影响规律,为核燃料包壳材料的组织结构设计和性能优化提供了新思路。

关键词： AZ31镁合金   石墨烯   微结构   强韧化   时效   拉压循环  

摘要： 为了获得更高性能的镁基复合材料,采用石墨烯纳米片(Graphene nanoplatelets,GNPs)作为增强体并将其先进行水基超声分散以避免团聚,以AZ31镁合金作为基体制备了GNPs均匀分布的GNPs增强AZ31镁基复合材料(GNPs/AZ31)。探究了GNPs添加量和T6热处理对GNPs/AZ31复合材料微结构与力学性能的影响,更进一步地揭示了微结构演化与力学性能变化之间的关系。本文主要研究结论总结如下:(1)为了提高GNPs在GNPs/AZ31复合材料中的分散效果,对GNPs粉体进行水基超声分散,GNPs先在十二烷基硫酸钠(Sodium Dodecyl Sulfate,SDS)的去离子水溶液中超声振荡,以车削AZ31镁片作为GNPs载体制备GNPs-AZ31复合片,避免在后续制备镁基复合材料时的GNPs团聚。结果发现,复合片上GNPs的拉曼光谱中的I/I值由原来的2.42减小到1.12,表明水基超声分散有助于减少GNPs的层数。(2)采用半连续铸造工艺与热挤压试验相结合制备了GNPs添加量(质量分数,wt%)为0.1wt%、0.3wt%和0.6wt%的GNPs/AZ31复合材料,开展了单轴拉伸和微结构表征试验。单轴拉伸试验结果表明,GNPs/AZ31复合材料的强度和延伸率随着GNPs添加量的增加都得到了提升。GNPs添加量为0.6wt%时,抗拉强度、屈服强度、延伸率和断裂功分别达到了360MPa、253MPa、23.7%和72 J·m,比GNPs添加量为0.1wt%的GNPs/AZ31复合材料分别提高了6.2%、4.1%、16.2%和24.1%。微结构分析表明,GNPs在复合材料内呈均匀分布,随着GNPs添加量的增加,GNPs/AZ31复合材料晶粒尺寸逐渐减小,位错密度逐渐增加,(0002)基面织构强度出现了减弱,断口中解理平台、撕裂棱、阶梯等脆性断裂特征逐渐减少,韧窝数量逐渐增加。(3)对T6热处理后的0.3wt%GNPs/AZ31复合材料开展了单轴拉伸和微结构表征试验。单轴拉伸试验表明,经过T6热处理后的GNPs/AZ31复合材料的强度和韧性都得到明显改善。其中,在300℃固溶1 h并进行200℃时效20 h的力学性能最好,抗拉强度、屈服强度、延伸率和断裂功分别达到了381MPa、258 MPa、23.7%和76 J·m,相比于未处理态,分别提升了9.5%、4.5%、13.9%和24.6%。维氏硬度也在时效20 h时达到最大值,较未处理态提升了34.4%。微结构分析表明:随着时效时间的增加,第二相(MgAl)的析出数量呈现出先增加后减少的趋势,以粒径≤1.0μm的小尺寸颗粒的析出为主,在时效20 h达到峰值,与热处理后的材料强度变化趋势保持一致;在2θ为35.8°-36.1°和40°-45°范围的第二相(MgAl)衍射峰强度随着时效时间的增加得到了提高;经过T6热处理之后,(0002)基面织构强度均得到提高,进而有助于提升拉伸强度;同时,断口中的阶梯数量变多,形貌看起来更粗糙,这与拉伸试验材料强度的提升保持一致。(4)对初始挤压态GNPs/AZ31复合材料开展了拉压循环疲劳试验和微结构表征试验。拉压循环疲劳试验结果表明:当应变幅值为0.5%时,GNPs/AZ31复合材料的疲劳寿命随着GNPs添加量的增加而显著增加,但是当应变幅值增加至1.0%、1.5%时,GNPs/AZ31复合材料的疲劳寿命变化不明显;随着应变幅值的增加,GNPs/AZ31复合材料的疲劳寿命(循环周次)减少,应力幅值、平均应力、最大应力和最小应力与加载周次的关系曲线的变化幅度也呈现出越来越大的趋势。微结构分析表明:随着应变幅值的增加,晶粒内的孪晶数量增多,并伴有交叉孪晶;裂纹源在试样表面形核并向内扩展,疲劳断口的表面粗糙度逐渐增加,裂纹扩展区的面积逐渐减小,滑移带和微裂纹的宽度都逐渐减小。

关键词： 电子束曝光机   纳米结构阵列   电子束抗蚀剂   曝光精度优化  

摘要： 随着科技的发展，社会对器件的集成度和小型化需求越来越高，这对微纳加工技术就提出了新的挑战。在微纳加工技术中，曝光是直接与精度相关的工艺。电子束曝光因其特殊的发射源，具备制备纳米结构阵列的能力，这为器件的小型化提供了新的制备方式和增长动力。因此研究电子束曝光技术可以为纳米结构阵列的制备提供有意义的参考价值。　　本文首先是对所使用的电子束曝光机进行研究，了解了其各个硬件及软件的功能及工作原理。然后探讨总结了电子束曝光精度优化的方法。之后是对电子束抗试剂与电子束曝光的作用机理进行研究，研究了AR-N7520.14电子束抗蚀剂的曝光效果。通过自制的电子束抗蚀剂在不同剂量和电压下进行曝光，最终得到该电子束抗蚀的性质。　　在研究完电子束曝光的各项优化参数后，通过电子束曝光先是制备了微米级微纳结构，并分析了其产生邻近效应的原因。之后通过优化参数，得到纳米级特征线宽的纳米结构阵列。并再进一步制备了特征线宽更小，结构密度更大的纳米结构阵列。证明了通过优化电子束的相关参数确实可以起到提高其曝光精度的作用,这为后续纳米级结构阵列的应用做了技术铺垫。

关键词： 圆柱滚子轴承   内圈微结构   弹流润滑   数值模拟   参数优化  

摘要： 圆柱滚子轴承在各种机械设备中的应用非常广泛,如机床、飞机、高铁、汽车等。轴承在转速较高、载荷较大的工况中,若圆柱滚子与内圈之间的润滑状态不佳,易导致轴承内圈滚道点蚀与磨损。本文通过对圆柱滚子轴承内圈微结构的设计,分析了微结构凹坑对轴承的润滑机理,为微结构圆柱滚子轴承的设计与发展提供方向。首先,对轴承内圈表面微结构进行设计,包括微结构凹坑的形状、大小、深度、面密度,确定各个参量的取值范围。基于Hertz接触理论,分析微结构表面的接触变形与接触间隙,在雷诺方程的基础上建立适用于微结构表面的弹流润滑方程。通过有限元法求解雷诺方程,得到微结构表面的油膜压力与油膜厚度曲线,为研究轴承滚道表面微结构润滑机理提供理论基础。然后,设计微结构轴承的正交实验,通过ANSYS软件对轴承的微结构油膜进行有限元仿真,分析轴承在运转过程中润滑油的压力分布与流动轨迹,基于雷诺方程计算出对应的平均油膜厚度,探究微结构凹坑对轴承油膜厚度的影响,研究发现微结构面密度对油膜厚度的影响最大,随着面密度的增加油膜厚度先增大后降低,微结构面密度为3%时油膜厚度最大,润滑效果较好。最后,以圆柱滚子轴承(N206)为试样,通过激光设备在内圈上加工微结构凹坑。通过轴承综合试验机对轴承综合性能(振动、温度、摩擦系数)进行测量,找出对其影响较大的微结构几何参数。设定振动、温度、摩擦系数、油膜厚度对轴承综合性能影响的权重,通过NSGA-II算法对微结构几何参数进行优化,获得可行域内轴承综合性能最好的微结构参数组合。结果表明,微结构轴承与常规轴承相比其综合性能提高11.2%。