关键词： 复合材料力学   能量耗散   混杂结构   增强增韧   超薄铺层  

摘要： 轻质、高强、高韧复合材料在国防和经济建设的诸多领域都有着广泛需求,“更轻、更强、更韧”是复合材料领域永恒的研究主题。贝壳等甲壳类天然生物材料经过长期的自然进化形成了巧妙的微结构,表现出非常优异的力学性能,为高性能人工复合材料的开发设计提供了参考和灵感。受贝壳、螳螂虾鳌等天然生物材料微结构的启发,本文提出了一系列复合材料仿生微结构设计,开展了相应的理论建模、计算仿真模拟、实验制备和表征,展示了仿生微结构设计提升复合材料强度、韧性、抗冲击性能的效果,并揭示了相关工作机理。主要工作及成果如下:1)受贝壳珍珠层“砖墙”结构中不同“砖块”形状的启发,提出了复合材料的“雉尾”和“反雉尾”两种新型仿生微结构设计。通过有限元仿真,对比研究了它们及常规“平板”微结构设计复合材料板在低速冲击和高速冲击下的抗冲击力学行为。通过引入等效冲击刚度和冲击吸能指标,定量分析了在弹丸反弹和侵彻两种情况下“雉尾”和“反雉尾”微结构各自的对比优势:在弹丸反弹的低速冲击情况下,“反雉尾”微结构设计具有较好的冲击刚度;在弹丸侵彻的高速冲击情况下,“雉尾”微结构设计表现出较好的冲击吸能能力。机理分析发现,前者主要归功于“反雉尾”设计降低了复合材料中的应力集中水平,减小了变形的局部化水平;后者主要归功于“雉尾”设计的机械自锁效应,增强了“砖块”间的相对挤压和滑动摩擦耗能。进一步研究了贝壳棱柱层和珍珠层结构相结合的仿生复合材料板的抗冲击能力,发现:复合材料板上下层的长细比差别越大,其能量吸收效率越高,同时损伤面积也越小。2)受贝壳由表及里微结构分层设计（外表“棱柱”层,内里“砖墙”层）的启发,提出了复合材料的长短“砖”分层混杂“砖墙”微结构设计和制备方案,对比研究了均匀长细比、双长细比混杂和三长细比混杂微结构复合材料梁的抗弯曲力学性能。通过三点弯曲实验表征和有限元仿真模拟,得出了不同长细比混杂微结构复合材料的抗弯强度、韧性和破坏模式:对于均匀长细比设计,长细比较小时,复合材料梁极限承载力较小,以分层破坏为主,表现出延性破坏的特征;长细比较大时,复合材料梁极限承载力较大,破坏模式以纤维脆断为主,呈现出脆性破坏的特征。对于长细比混杂设计,“受拉伸区长细比大,受压区长细比小”的正向混杂设计,使得材料物性和受力环境正匹配,实现了结构承载力和延性的同步提升,明显优于“受拉伸区长细比小,受压区长细比大”的反向混杂设计;在梁跨厚比较大时,混杂设计方案对结构综合性能的提升效果尤为突出。3)鉴于超薄预浸料可设计空间大和原位力学性能突出的优势,利用超薄预浸料设计和制备了仿贝壳超薄“砖墙”微结构复合材料,系统研究了“砖”长细比混杂设计复合材料梁的力学性能以及破坏形式,并结合微观“拉剪链模型”和宏观梁理论建立了弯曲荷载作用下该微结构复合材料梁的理论模型。研究结果表明:短梁剪切时,对于均匀长细比结构,“砖”长细比越大,承载性能越好,但其脆坏特征对损伤耗能有一定的限制,表现出“强度和韧性互斥”行为;对于长细比混杂结构,“受拉伸区长细比大,受压区长细比小”的正向混杂设计抗剪性能优异,实现了强度和韧性间的平衡。而三点弯实验中,对于均匀长细比结构,大长细比结构的破坏形式以纤维脆性断裂为主,小长细比结构的破坏形式以分层为主;正向混杂结构设计能有效避免上述结构的纤维脆断或过早分层,达到增强增韧的效果,综合力学性能突出。“砖墙”微结构梁在弯曲变形下的理论模型表明:当结构长细比小于临界长细比ρc'=（σpc）/（τmc）时,结构破坏形式以分层为主,当长细比大于临界长细比ρc'时,结构破坏形式则以纤维的断裂为主;同时,该模型可准确预测出不同微结构试样在三点弯加载下的极限承载力以及具体的破坏模式。4)受螳螂虾和鲍鱼壳之间“矛与盾”式生存竞争的启发,综合珍珠母“砖墙”和螳螂虾鳌“螺旋”的微结构特征,提出了基于超薄铺层的非连续纤维螺旋结构及其混杂形式复合材料梁的设计和制备方案,采用三点弯和短梁剪切实验研究了该微结构复合材料梁的抗弯抗剪性能和破坏形式,并通过伪塑性应变的指标定量地评估了其渐进破坏的特征。研究表明,非连续纤维的引入可有效调控复合材料梁的破坏模式。在短梁剪切实验时,非连续纤维螺旋结构可以有效提高复合材料梁的损伤耗能能力,增加了复合材料结构的断裂韧性;在混杂结构中,非连续纤维和连续纤维的混杂结构设计能明显抑制均匀结构的分层破坏或纤维脆断现象,诱发分布式损伤扩展,承载能力和断裂韧性均比较好。在三点弯实验中,连续纤维螺旋结构在承载和耗能方面具有明显的优势,但呈现脆性破坏的特征,伪塑性应变较小,延性差;非连续纤维螺旋结构表现出较好的渐进破坏特征,伪塑性应变较大,有效提高了结构的延性。综上所述,本文受自然界中典型微结构（贝壳的“砖墙”和螳螂虾鳌的“螺旋”微结构）的启发,提出了多种仿生微结构的设计方案,并利用超薄碳纤维预浸

关键词： 梯度纳米结构   磁性材料   熔体快淬法   复合磁体   磁性能  

摘要： 梯度纳米结构指的是在空间中实现从纳米尺度到宏观尺度具有连续变化的纳米结构，这种结构的优点是能够在空间上实现控制性能的调节，从而实现性能的优化和功能的拓展。磁性功能材料具有广泛的应用领域，如信息存储、电磁波吸收、医学诊断、磁力传感器等。通过控制制备工艺合理设计梯度纳米结构的磁性材料，可以获得独特的微结构与磁性能。本文选择了Nd2Fe14B/α-Fe永磁体与FeSiB软磁体作为研究对象，分析了梯度纳米结构对两种磁体微结构与磁性的影响。　　首先通过控制辊速实现对Nd2Fe14B/α-Fe永磁体梯度纳米结构的优化。条带厚度随辊速的增加而减小，18m/s的辊速下制备的磁体厚度为28μm，自由面与急冷面的硬、软磁相晶粒尺寸差为6nm与1nm，具有梯度纳米结构。该结构导致磁畴壁钉扎和软硬磁相之间的交换耦合的增强，Nd2Fe14B/α-Fe永磁体的矫顽力为5.73kOe，方形度为0.74。同成分均匀结构磁体矫顽力仅为5.64kOe，方形度为0.69。　　其次研究了梯度纳米结构Nd2Fe14B/α-Fe纳米晶复合条带内部微结构与磁性的变化。自由面向急冷面Nd2Fe14B相与α-Fe相晶粒尺寸减小，从23nm与13nm下降至17nm与12nm;α-Fe相含量从35%降至25%，矫顽力平均每微米厚度增加13.4Oe。　　再次通过控制辊速实现对FeSiB软磁梯度纳米结构的优化。13m/s辊速下制备的磁体厚度为60μm，自由面与急冷面的α-Fe(Si)相晶粒尺寸差为12nm，具有明显的梯度纳米结构。辊速从13m/s提高至17m/s时α-Fe(Si)相含量降低，从90%下降至80%。13m/s的辊速时制备的条带饱和磁化强度最大，为20.88kG;25m/s的辊速下条带饱和磁化强度仅为19.58kG。　　最后研究了梯度纳米结构FeSiB软磁条带内部微结构与磁性的变化。自由面向急冷面α-Fe(Si)相晶粒尺寸减小，从25nm下降至13nm;α-Fe(Si)相含量占比从90%下降至70%;饱和磁化强度从20.33kG下降至18.28kG。

关键词： 钙钛矿氧化物   二氧化钛   光催化   降解   产氢  

摘要： 光催化技术逐渐成为制造清洁能源、治理水体污染的重要手段,光催化材料的太阳光利用率和光生载流子的有效分离是影响光催化效率的关键因素。TiO作为一种应用广泛的光催化材料,只能对占太阳光约4%的紫外波段产生响应,且光生载流子容易复合,严重制约了其应用。为了进一步提高TiO的光照利用率和光催化效率,研究者常用元素掺杂、染料敏化和复合材料等手段对TiO进行改性。其中,设计钙钛矿氧化物-TiO复合材料是一种提高TiO光催化效率的重要手段。PbTiO是一种典型的钙钛矿氧化物,具有高的自发极化;尤其是具有规则暴露晶面的PbTiO,能够对表面的分子吸附、贵金属和氧化物生长起到显著的调控作用。本论文分别以钙钛矿相PbTiO微米片、PbTiO层级结构和PbTiO八面体纳米晶为衬底材料,采用水热法成功制备了一系列PbTiO-TiO复合材料。利用SEM、XRD、TEM、UV-Vis等测试方法对制备样品的晶体生长和微结构进行系统分析,并对其光催化性能进行研究。主要研究内容和结果如下:（1）以钙钛矿相PbTiO微米片为衬底材料,钛酸四丁酯（TBOT）为钛源,采用水热法成功合成了钙钛矿相PbTiO-TiO微米片复合材料。通过对TBOT加入量、水热时间和水热温度等条件的调控,探索了TiO在PbTiO微米片表面生长的水热条件。利用SEM和XRD对样品进行表征后发现:PbTiO微米片对TiO的形貌有明显的调控作用,TiO以颗粒状形貌生长在PbTiO微米片表面,并且TiO颗粒数量会随TBOT加入量的增加而增多;水热温度与水热时间对TiO晶体的生长有明显影响,水热温度的升高和水热时间的延长有利于提高TiO的结晶度。对200℃、12 h水热条件下得到的复合样品进行光催化测试,在模拟太阳光下,复合样品对罗丹明B（Rh B）水溶液的催化降解速率K为0.0255 min;同时,制备的微米片复合材料也具备可见光（λ≥400 nm）催化活性,在可见光下,该材料对Rh B水溶液的催化降解速率K为0.0089 min。通过分析,PbTiO-TiO微米片复合材料能够有效催化降解有机污染物是受PbTiO衬底和两相材料能带结构的影响,光生载流子在PbTiO和TiO中进行了有效分离。（2）以氢氟酸作为修饰剂,采用水热法成功制备了钙钛矿相PbTiO层级结构。该层级结构保持了PbTiO微米片的轮廓,由更小尺寸的纳米片按照一定的规则取向聚集而成。研究表明,F对钙钛矿相PbTiO层级结构的形成具有关键作用,构成PbTiO层级结构的纳米片的堆叠规律与PbTiO微米片表面的纳米片聚集规律一致。因此,可以合理推测,在晶体生长过程中,F在PbTiO微米片表面原位刻蚀出了纳米片。通过探索水热条件对PbTiO层级结构生长的影响,得到钙钛矿相PbTiO层级结构生长的最佳水热条件:在含有0.2 g PbTiO微米片的25 m L去离子水中加入50μL氢氟酸作修饰剂,200℃条件下水热3 h。（3）以上述制备得到的钙钛矿相PbTiO层级结构为衬底,采用水热法成功合成了钙钛矿相层级结构PbTiO-TiO复合材料。TiO生长在PbTiO层级结构的片层上。在模拟太阳光下,制备的层级结构复合材料对Rh B水溶液的催化降解速率K为0.0430 min;同时,层级结构复合材料也具备可见光催化活性,在可见光下,该复合材料对Rh B水溶液的催化降解速率K为0.0126 min。通过分析,层级结构PbTiO-TiO复合材料光催化效果显著的原因除了衬底材料和能带结构的影响外,还受层级结构形貌的影响。（4）以钙钛矿相PbTiO八面体纳米晶为衬底,TBOT为钛源,采用水热法成功合成了八面体形状PbTiO-TiO复合材料。TiO颗粒负载在PbTiO八面体的（111）晶面上,尺寸约为5 nm。在紫外光（λ<400 nm）下,八面体形状PbTiO-TiO复合材料的产氢速率远高于单相TiO和PbTiO八面体颗粒,并且复合材料的产氢速率随TBOT的增加而提升。TBOT为2.0 m L时氢气的析出速率最高,为630.51μmol·h,是锐钛矿TiO的19.72倍、PbTiO八面体的36.05倍。通过分析,八面体形状PbTiO-TiO复合材料光催化性能的提高,是PbTiO八面体和TiO之间的界面有效分离了光生载流子。

关键词： materials   alloys   Impact  

摘要： In the present work,the irradiation response of two kinds of candidate materials for key components in advanced and fusion reactors,namely oxide-dispersion-strengthen(ODS)steels and vanadium alloys,was *** ions supplied by the Heavy ion research facility in Lanzhou(HIRFL)were used to introduce damage in *** pre-and post-irradiation microstructures were mainly investigated by transmission electron microscopy(TEM)while mechanical properties were evaluated by indentation tests.

关键词： 声学   多孔吸声材料   微结构   吸声系数   响应面优化  

摘要： 聚氨酯吸声材料是常用的多孔泡沫吸声材料,其吸声性能与微结构存在密切联系。采用周期性胞元结构的双参数半唯象模型预测高孔隙率聚氨酯泡沫材料的宏观声学参数,基于等效流体模型分析低、中和高频段下泡沫材料的吸声系数。采用响应面优化法分析胞径和网状率对材料吸声系数的综合影响,根据胞径和网状率得到所预测材料吸声系数的回归方程。结果表明:对于具有刚性框架和孔隙率较高的多孔泡沫材料,利用预测模型实现了特定的厚度下其微结构最佳的吸声性能。

关键词： 负泊松比材料   骨结构   多孔材料   力学性能  

摘要： 针对人体骨结构的弹性模量与金属材料相差悬殊、调控困难等问题,以减低或消除广跨度下的“应力屏蔽”效应为目标,引入具有非常规变形机制的负泊松比超材料,开展广跨度低弹性模量的多孔微结构的设计与实验研究。选用负泊松比内凹单元,设计不同控制参数和孔隙率的三维胞元多孔微结构;采用选区激光熔化成型技术制备实验样件,通过压缩试验揭示强度、弹性模量等力学性能与结构参数间的影响规律,评测负泊松比微结构与人骨的匹配度。试验结果表明:内凹六边形多孔结构的可制造性较好,成型质量与内凹角、孔隙率具有相关性;六边形内凹负泊松比结构的力学性能高度依赖于胞元的几何结构和孔隙率。相较于正泊松比,负泊松比内凹结构在相同的孔隙率下具有更低的弹性模量和相近的屈服强度,能对高弹性模量的316L不锈钢骨材料进行0.47 GPa~1.75 GPa的广跨度调控。可见,负泊松比内凹微结构在人体骨结构的应用上具备潜在优势。

关键词： 六方氮化硼   氮化温度   低碳铝碳耐火材料   抗氧化性能   物理性能  

摘要： 以电熔白刚玉、鳞片石墨、活性α-Al_(2)O_(3)微粉、金属Al粉和Si粉为主要原料、h-BN(质量分数0%、3%)为添加剂,制备低碳Al_(2)O_(3)-C耐火材料,研究了不同氮化温度下添加h-BN对Al_(2)O_(3)-C耐火材料显微结构、物理性能以及抗氧化性能的影响。结果表明:添加h-BN促进了SiC晶须的生成,在1400℃氮化后添加h-BN样品的常温耐压强度和常温抗折强度较未添加h-BN样品分别提高了6%和10%;添加h-BN样品的抗氧化性能得以显著提升,其中1500℃氮化后添加h-BN样品的抗氧化性能较未添加h-BN样品提高了21%。

关键词： 表面微结构   陶瓷砖   功能化  

摘要： 传统瓷砖功能化是建筑陶瓷在未来发展的一个重要趋势。材料功能化的主要目的是将材料的表面与基体一起作为系统进行设计,利用表面微观结构的设计,使材料具备材料本身没有而又希望具有的性能。先进材料领域已经在表面微结构设计方面积累了很多经验和成果,但能否将这些技术和科学原理结合并应用到传统建筑陶瓷的配方及工艺体系当中,仍需要很多的研究工作去验证和推动。本文重点讨论了陶瓷砖应用表面微结构设计和构造去实现产品在防滑、抗菌、易清洁三个方面功能化的研究进展,为传统陶瓷砖向多功能性发展提供了一个重要的研发方向。

关键词： 专家研讨会   眼镜镜片   微结构设计   搪瓷制品   线下   期刊主编   权威专家   蒋伟  

摘要： 2022年11月4日,十多位来自全国眼视光专业的权威专家以线上+线下的方式进行了研讨会,就 “微结构设计眼镜镜片”进行了深入讨论。会议致辞国家眼镜玻璃搪瓷制品质量检验检测中心主任、《玻璃搪瓷与眼镜》期刊主编蒋伟忠教授向与会专家们致欢迎辞,感谢大家在百忙之中参加本次研讨会。蒋伟忠主任指出近年来我国儿童青少年近视发生率不断攀升,采用微结构设计的离焦型眼镜镜片。

关键词： 仿生材料  

ISBN: (纸本)9787113298173

摘要： 本书主要讲解了材料科学研究以及材料应用的重要手段和方法，包括光学分析法 (红外光谱吸收法、紫外－可见吸收光谱分析法、拉曼光谱法、原子吸收光谱分析法、圆二色性光谱法、核磁共振波谱分析法、荧光光谱分析法、激光粒度仪、X射线光谱法等)、能谱分析法 (X射线光电子能谱)、质谱分析法、色谱分析法、热分析技术 (差示扫描量热技术)、电子显微学 (激光共聚焦显微镜、全内反射荧光显微镜、扫描探针显微镜、环境扫描电镜、透射电子显微镜) 等。