关键词： 导电介质   柔性应变传感器   微结构设计   低温环境   健康监测  

摘要： 随着复合材料结构件在航空航天领域的广泛应用及其对传感器灵敏监测提出的更高要求,可贴附于任意复杂表面的柔性应变传感器逐渐受到重视。本文系统地研究含有不同导电介质的柔性应变传感器的电学和力-电响应性能,通过参数确定、性能优化设计具有高灵敏度的柔性应变传感器,实现传感器的高效制备和实际监测应用。首先,开展基于碳基导电介质(碳纳米管CNTs、石墨烯纳米片GNPs、炭黑CB)以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体的薄膜传感器性能研究,分析不同导电介质种类及导电介质含量对柔性应变传感器导电及传感特性的影响,比较具有较优力-电响应的三种应变传感器的灵敏度,确定最佳的导电介质及导电含量。其次,对基于GNPs导电介质的PDMS柔性应变传感器进行结构优化,设计表面带有微圆顶阵列且GNPs呈梯度分布的结构,通过对比优化结构前后的性能验证结构优化对传感器力学及传感特性的提升。结合有限元仿真和薄膜微观形貌表征结果分析圆顶微结构对柔性应变传感器传感性能的影响机理。此外,通过对人体运动行为和复合材料弯曲行为监测验证柔性应变传感器在人体及复合材料结构件健康监测方面的应用潜力。最后,考虑柔性应变传感器在飞机复合材料结构件监测时的低温环境,研究不同温度对表面带有微圆顶阵列的GNPs-M/PDMS柔性应变传感器电学响应的影响。基于有限元仿真结果及传感性能测试结果分析柔性应变传感器在不同温度下稳定传感的原因,进一步验证柔性应变传感器在健康监测应用的稳定性。

关键词： BaTiO3   压电光催化   极化   染料降解  

摘要： 钛酸钡（BaTiO3）是一种具有典型钙钛矿结构的压电材料,因具有相对较高的介电常数、低介电损耗以及优异的铁/压电特性而被广泛应用于电子器件及催化领域。但单组分的BaTiO3带隙较宽(（29）3 e V),只能在紫外光下激发,太阳光利用率差。较低的光催化活性限制了其在光催化领域中的研究。通常,具有大自发极化的压电材料可以产生较高的压电电势,有利于更好地分离光生载流子,增强光催化活性。目前所报道的压电性能最高的BaTiO3陶瓷d33仅有190 p C/N。因此,设计研究具有优异压电性能和光伏效应的BaTiO3基压电陶瓷材料非常具有价值和意义。基于此,本文以BaTiO3为研究对象,对其进行微结构设计,以期在获得具有大d33的窄带隙半导体光催化剂。并对所制备的BaTiO3基压电陶瓷材料的微观结构、带隙、压电性能以及压电/光催化性能进行了系统的研究,探究了压电光催化的内在机理。具体工作如下:（1）采用传统固相法成功制备了(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3-MnxO3（BCZT-MnxO3）陶瓷材料,系统地研究了Mn含量对BCZT陶瓷的微观结构、带隙、压电性能以及压电/光催化性能的影响。通过在BaTiO3基体中进行Ca、Zr共掺,获得了具有正交相、菱形相、和四方相三相共存的BCZT陶瓷。在此基础上,对BCZT陶瓷进行Mn4+掺杂,以减小其带隙,使其更大范围的吸收太阳光。随着Mn含量的增加,BCZT-MnxO3陶瓷的带隙逐渐减小,逐渐拓宽其光吸收范围至可见光,增加光催化活性。对BCZT陶瓷在不同场强下极化,场强为4 k V/mm时,获得的BCZT陶瓷具有最大d33?465 p C/N,同时其具有最好的压电催化性能,表明d33越大压电催化性能越好。对极化BCZT-MnxO3陶瓷进行了光、压电以及压电光催化实验。结果表明,极化BCZT-MnxO3陶瓷x=0.000（BCZT）的组分在240 min内压电光催化对罗丹明B（Rh B）染料的降解率高达93%,与单独的光催化相比提高了1.98倍。（2）采用传统固相法成功制备了Ba0.90Ca0.10Ti0.90Sn0.10O3-x CeO2（BCST-x CeO2）陶瓷,系统地研究了Ce含量对BCST陶瓷的微观结构、带隙、压电性能以及压电/光催化性能的影响。通过在BaTiO3基体中进行Sn、Ce共掺,获得了具有正交相和四方相两相共存的BCST-x CeO2陶瓷。在BCST中掺杂Ce4+,成功将BCST-x CeO2陶瓷的带隙减小,拓宽其光吸收范围至可见光,增加光催化活性。对未极化和极化BCST-x CeO2陶瓷进行了光、压电以及压电光催化实验。极化明显增强了BCST-x CeO2陶瓷的压电催化效果。在超声振动和可见光的协同作用下,极化BCST-x CeO2陶瓷x=0.03的组分在180 min内压电光催化对Rh B染料的降解率高达84%,与单独的光催化相比提高了2.8倍。（3）采用传统固相法成功制备了0.89(Ba Ti1-xNbxO3)-0.11Ba Sn O3（BNST）粉体和陶瓷材料,系统地研究了Nb含量对BST陶瓷的微观结构、带隙、压电性能以及压电/光催化性能的影响。通过在BaTiO3基体中进行Sn、Nb共掺,获得菱形相与四方相两相共存的BNST陶瓷。对BNST粉体和陶瓷进行了光、压电以及压电光催化实验。BNST粉体由于比BNST陶瓷具有更大的比表面积,表现出了更高的催化活性。对未极化和极化BNST陶瓷进行了光、压电以及压电光催化实验。极化明显增强了BNST陶瓷的压电催化效果。在超声振动和紫外光的协同作用下,极化BNST陶瓷x=0.010的组分在240min内压电光催化对Rh B染料的降解率高达70%,与单独的光催化相比提高了2.05倍。

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： 各向异性摩擦   取向微结构   3D打印技术   梯度结构材料  

摘要： 摩擦学是研究相对运动和相互作用表面的一种理论和实践的科学技术。而相对运动和相互作用表面是生物捕食、逃逸、繁衍和生殖等行为的基础,因此摩擦学是生物系统中广泛存在的一门学科。其中,由生物表界面取向微结构引起的摩擦力具有明显的方向依赖性,即表界面在一定剪切作用下顺微结构取向与逆微结构取向滑动时产生的摩擦力/摩擦系数在正反方向具有显著的差异性,也就是各向异性摩擦。事实上,各向异性摩擦在生物的定向移动、种子传播繁衍、以及捕食等行为中能够提供所需的驱动力和机械嵌合效应,协助生物完成自身的多种功能。本文首先从生物表界面的取向微结构出发,系统综述了生物表界面的各向异性摩擦行为、形态仿生的取向微结构表界面的制备、仿生表界面的摩擦与黏附等。其次选取生物典型的钩状倒刺结构作为研究和仿生对象,借助光固化3D打印技术在精确构筑和自由设计方面的独特优势,设计并打印了软硬仿生取向结构表界面,并系统研究了仿生表界面的各向异性摩擦行为;同时,从材料复合的角度出发,将智能水凝胶材料引入到仿生表界面中实现了其各向异性摩擦行为调控。通过3 D光固化灰度曝光的打印手段并在不同曝光灰度值的调控下,探究其不同灰度值下材料的各向性能,最后对未来仿生表界面各向异性摩擦学的发展做了一定的展望。主要研究内容和结论如下:1.生物系统中用于表面支撑层的各种微纳结构在自然中是广泛存在的。这种生物系统中的一个典型组合是软基底上的刚性微结构,该微结构在各向异性摩擦的帮助下可以提供动力能够产生运动。因此,在本研究中,选择了具有不对称的钩状棘仿生表面来探索各向异性摩擦力的自适应行为。通过3D打印技术制备了具有硬-硬、软-软和硬-软结构基底组合的结构化表面,并系统地研究了它们的摩擦力行为。结果表明,依赖于方向的摩擦力表现出自适应行为,这被定义为具有摩擦各向异性的结构化表面,一旦法向载荷保持在特定值,则在相反的滑动方向上几乎有相同的摩擦力,此时各向异性摩擦力消失。这项研究将提供一种自适应行为的概念,以控制正常负载变化的摩擦各向异性,并更清楚地理解生物表面机械性能,也可以用于机器人的应用。2.由取向微结构引起的各向异性摩擦学是生物系统中最常见的引起摩擦形式之一。而研究表明,软硬复合的生物表界面在获取各向异性摩擦力时更具有优势。因此,本研究以最典型的钩状倒刺微结构为研究对象,结合3D打印先进制造技术,通过在仿生取向微结构表界面原位复合低模量的水凝胶材料,获得环氧树脂-水凝胶软硬复合表界面。研究结果表明,水凝胶在Fe溶液中的配位交联6h时,其模量为3.6 MPa,相对于环氧树脂(模量为13.6 MPa)为软材料。在5 N载荷下,仿生表界面正方向摩擦力为1.64 N,反方向摩擦力为3.44 N,其各向异性摩擦力最大差值可达1.80 N。本研究对软硬复合的生物表界面具有一定的理论指导意义,有望在智能摩擦调控、软体机器人等方面发挥一定的作用。3.在自然界生物系统中,生物表界面不同梯度结构材料对应其不同的功能是不一样的,并且对于生物本身系统所展现的特性是具有重要影响的。比如瓢虫脚垫跗骨刚毛,昆虫足垫,蜘蛛脚掌的纤维状刚毛结构等等。受此启发,提出了基于3 D打印灰度曝光技术实现三维丙烯酸类树脂梯度制造的基本方法。利用局部调控的灰度曝光打印技术实现3D梯度树脂的打印制备,即高灰度曝光区域形成低交联网络,而低灰度曝光区域形成高交联网络,从而实现其理化性能,机械性能、摩擦性能等等。这对仿生摩擦调控器件的构筑方面具有重要的意义。

关键词： SnTe   多尺度纳米第二相   能带简并   协同优化   热电性能  

摘要： 碳中和、零碳排放等可持续能源发展战略是当前国际能源发展的新趋势。而能够实现直接热-电转换的热电材料在清洁能源中引起了研究者们的广泛关注。SnTe化合物是作为中温热电材料领域内最具发展潜力的代表之一。然而,SnTe由于其存在大量本征Sn空位、较大的轻重带能量差以及高晶格热导率,使得本征SnTe的热电性能较低（873K时ZT值约为0.4）。本文旨在优化SnTe热电性能,主要通过载流子工程、优化能带结构和多尺度微结构调控来提高电热传输性能并分析其机理。主要具有创新性的研究内容和结论如下:（1）以P型SnTe为研究对象,通过W掺杂SnTe,以一种新的方法有效解耦了电导率和塞贝克系数,使其在全测试温域内功率因子得到大幅度提升。具体而言:W掺杂SnTe产生的间隙缺陷能够有效降低本征Sn空位缺陷的形成能,从而增大其空穴载流子浓度和电导率。同时,W固溶导致能带平坦化和价带收敛,增大了带有效质量,从而提升塞贝克系数,带隙的扩大也抑制了高温下的载流子的双极扩散效应。此外,固溶间隙缺陷、晶格畸变和多尺度纳米第二相极大地增强了声子散射。823K时,在Sn0.95W0.05Te样品这获得极低的晶格热导率(0.49Wm-1K-1)。最终,Sn0.97W0.03Te样品在323K-823K区间的平均功率为17.79μWcm-1K-2,平均ZT值达到0.26,与未掺杂SnTe合金相比,分别提高了约85.7%和236%。（2）在上一工作中,虽然中低温下的平均ZT值得到较大提升,但对于其ZT峰值的优化效果一般。为此,我们在Cu固溶SnTe优化声子散射工程的基础上,采取稀土元素Y掺杂实现优化电性能参数的同时进一步降低其晶格热导率。Cu与Y共掺杂能够明显协同优化能带结构（价带收敛、带隙增大）,提高其塞贝克系数。此外,Y掺杂引入了大量Y/Y2Te3多尺度纳米复合第二相结构,结合铜合金化原本存在的大量铜缺陷和Cu2Te纳米沉淀相,从而在SnTe基体内构建了多尺度声子散射中心,823K时,晶格热导率进一步降低到超低值～0.42Wm-1K-1。最终,在823K时,Sn0.97Y0.03Te-5%Cu2Te样品中获得ZT峰值为1.27。

关键词： 钾离子电池   层状电极材料   相变反应   固溶体反应   原位/非原位表征  

摘要： 由于丰富的钾资源和高的理论输出电压,钾离子电池在大规模储能领域成为有力的竞争者。电极材料是钾离子电池的核心部件,其电化学性能对钾离子电池起到关键作用。在众多的电极材料中,层状过渡金属硫/氧化物电极材料具有较大的层间距、合适的电位和低廉的成本等优势,是钾离子电池电极材料的理想选择之一。但是,较大的钾离子半径和更负的电位,使得研究人员对该层状电极材料与钾离子的反应过程和机制的理解不够深入。缺乏相关的模型和理论指导,从而成为开发此类高性能的层状电极材料过程中的障碍。针对这些问题,亟需研究人员在微观尺度上观察层状电极材料在嵌钾和脱钾过程中的结构和性质变化,深入理解层状电极材料的储钾性能与机制。本文利用原位/非原位表征,结合理论模拟计算,对VS2和TiS2两类层状电极材料的储钾电化学行为进行研究,并从原子尺度详细剖析了两个材料中的微结构演化和储钾机制,建立了该材料的机制-性能相关性。并在此基础上,通过钾离子预嵌入的策略构筑了具有优异储钾性能的MnO2层状电极材料。该论文为高性能层状电极材料的开发提供了实验依据和理论指导。本论文取得的主要研究成果如下: （1）揭示了钾离子电池层状正极材料VS2的物相演变规律与高度可逆机制。通过原位和非原位表征技术对VS2电极材料在钾离子嵌入和脱出过程中的结构进行了实时观测,确定了VS2在嵌钾和脱钾过程中的相变反应和固溶体反应机制。VS2的整个储钾过程是高度可逆的,在嵌钾时首先发生相变反应生成K0.6VS2,然后再发生固溶体反应转变为KzVS2（z>0.6）,而在脱钾时发生的反应则是嵌钾时的逆过程。同时,还对比研究了VS2的储钠机制,发现VS2的首次储钠过程中层状结构坍塌。结合密度泛函理论,分析了VS2材料在首次充放电过程中的物相演变规律,确定了其嵌入能/脱出能以及在储钠过程中存在较高的迁移能垒。证明了层状VS2优异的储钾性能与反应机制可逆程度的正相关性,正是由于高度可逆的储钾机制才使VS2晶体在储钾的过程中,展现出较高的比容量(在100mA g-1的电流密度下为102.5 mA hg-1)和较高的容量保持率（50次循环后接近100%）。 （2）揭示了层状负极材料TiS2的相结构演变与快速储钾机制。通过原位和非原位表征技术,系统地研究了TiS2在钾离子嵌入和脱出过程中的相结构演变,并捕捉到相变反应和固溶体反应产物。揭示了由于早期钾离子的嵌入,发生了TiS2到K0.25TiS2的原位相变,该中间相(K0.25TiS2)对于钾离子的进一步储存非常有利。钾离子引起的相变扩大了TiS2的晶格间距,使得钾离子的嵌入和脱出更加容易。结合密度泛函理论,证实了K0.25TiS2具有更高的电子电导率和低的扩散势垒,从而产生快速反应动力学。此外,通过对比研究TiSe2的储钾性能与机制,证明了钾离子充当“支柱”以稳定TiS2的层状结构,从而保证其长循环稳定性(在1000 mA g-1的电流密度下,经过2000次充放电后容量保持率达到86.8%)和高倍率性能(在5000 mA g-1的电流密度下,放电比容量为66.4 mA hg-1)。 （3）针对于层状MnO2在储钾过程中循环稳定性差的问题,构筑了钾离子预嵌入的层状MnO2正极材料。通过原位电化学转变反应制备的层状KxMnO2·n H2O纳米片在水系钾离子电池中展现了高的输出电压、高的比容量和稳定的循环性能。通过原位和非原位表征技术,观察到了尖晶石结构的Mn3O4向层状MnO2的相转变。正是由于相转变,钾离子和水分子被嵌入到层状结构中,起到了稳固层间和加速离子传输的作用。作为储钾正极材料,原位电化学转化的KxMnO2·n H2O纳米片具有良好的可逆性。将KxMnO2·n H2O正极与PTCDI负极组装全电池,展现了高的输出电压（平均电压为1.5 V）、优异的倍率(相比于300mA g-1电流密度下的放电比容量,1000 mA g-1电流密度下的容量保持率为91.7%)和长期循环稳定性(在1000 mA g-1的电流密度下循环3000次,容量保持率为99.1%,每次充放电的比容量损失仅为0.0003%)。

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： 水泥基材料   水化模型   水化进程   微结构演变   数值模拟   传输性能  

摘要： 水泥是混凝土等水泥基材料组成中的重要胶凝材料,它的水化是一个复杂、多相、非均质的物理化学反应过程,直接决定了水泥基材料的微观结构和宏观性能,也影响到混凝土等工程结构的服役性能和使用寿命。然而,水泥的水化机理及其微结构演变过程复杂,目前所采用的单一宏观实验手段,难以完整地表征水泥、混凝土等水泥基材料水化微结构演变过程。随着计算机技术的快速发展,结合水泥各矿物组成的物理化学反应特点,利用数字模拟手段,建立水泥基材料水化过程的数值模拟方法,并定量地表征水泥基材料微结构演变进程,是进行混凝土等水泥基材料微宏观结构及其性能分析的基础,有助于揭示水泥的水化机理、描述材料微结构的演变过程,对进一步开展混凝土等水泥基材料与结构的服役性能评估具有重要意义。因此,本文根据水泥组成矿物相的水化反应机理,利用随机概率方法,建立了水泥水化反应及其微结构演变过程的概率模型;并结合多尺度过渡理论,分别建立了相应尺度的微结构模型,数值模拟了水泥基材料水化进程及其微结构演变过程;最后,建立了基于电解质溶液理论的混凝土中离子扩散系数模型,定量地表征了混凝土中各种离子的扩散传输性能。本文得到的成果和结论如下: (1)基于水化反应机理和水化反应概率,建立了水泥水化过程的概率模型 根据水泥各组成矿物相的水化反应机理以及相应水化反应概率,建立了水泥水化反应及其微结构演变过程的概率模型,同时,定量表征了水化硅酸钙(C-S-H)、氢氧化钙(CH)含量及孔隙率等水泥水化产物及其微结构特征参数,并与已有的实验测试结果进行对比分析,验证了所建模型的合理性,结果表明:模型模拟值与实验值在误差允许的范围内基本一致,所建立的水化模型能够较好地数值模拟硅酸盐水泥浆体水化进程。 (2)基于水化模型,数值模拟了水泥基材料水化进程及其微结构演变过程 利用所建立的水泥水化概率模型,通过微结构局部空间区域的数字图像显示,描述了水化过程中各矿物相及其水化产物相的体积像素数量及其空间分布状态的演变,数值模拟了不同水灰比水泥浆体的水化进程,介绍了三维坐标系下,水化过程中微结构空间区域内各矿物相及其水化产物含量的计算方法;介绍了定量表征孔隙微结构多种特征参数的方法;基于自行编写的表征三维孔隙结构程序,精确获取了水泥基材料孔隙微结构演变规律。 (3)基于水泥基材料水化微结构,定量表征了混凝土中离子传输性能 基于修正的Davis模型和Nernst-Einstein方程,建立了混凝土中离子扩散系数的综合预测模型;采用Tang和Nilsson提出的氯离子快速渗透试验,测定了不同水灰比混凝土试件中的氯离子扩散系数,用该模型计算得到的氯离子扩散系数与实测结果吻合较好;通过数值模拟研究了单离子浓度在0～600mmol/L范围内,孔隙率、连通度、曲折度、水饱和度、水灰比、水泥体积分数和孔溶液中离子浓度对离子扩散系数的影响。