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%。

关键词： 木质纤维素纳米原纤维   绿色纳米技术   微结构设计   吸附   光催化氧化   四环素  

摘要： 近年来,随着地球化石资源的日益枯竭以及人类可持续发展的迫切需求,利用木质纤维素生物质资源制备高附加值的功能材料已经成为研究热点。木质纤维素纳米纤维(LCNF)是一种新型纳米纤维素材料,具有独特的物理结构和可生物降解性及可再生性,在水净化领域中展现出独特的优势。以LCNF为原材料制备的气凝胶有着高比表面积、多孔多层次等特点使其具有优异和稳定的吸附性能,此外还可以作为功能性小分子材料的良性载体,进行以功能为导向的理化改性,从而进一步增强其在废水治理领域的应用价值。本文以天然可再生甘蔗渣为原料,利用绿色低共熔溶剂(DES)体系进行功能化处理,制备了阴离子化木质纤维素纳米纤维吸附剂,探究了阴离子化木质纤维素纳米纤维吸附剂对四环素(TC)的吸附效果、影响因素及相关吸附机制;基于阴离子化木质纤维素纳米纤维,构建了木质纤维素基纳米TiO复合气凝胶,探究了其对TC的降解效果、降解路径及相关机理。主要研究结果如下:(1)利用氨基磺酸和尿素构建的DES体系处理甘蔗渣,制备硫酸酯化木质纤维素纳米纤丝(SLCNF)吸附剂,分析了SLCNF吸附剂的微观结构、化学组分和结构、电荷密度、物相结构、SLCNF吸附TC相关机理等。研究表明:DES体系破坏木质纤维素组分之间的氢键相互作用,同时引入带负电荷的硫酸酯基团,从而促进甘蔗渣纤维的微纤化过程,再通过温和机械处理可制备的尺寸均一、细小的SLCNF,其平均直径为5.49±1.48 nm,表面电荷为1.78 mmol/g,是比较理想的阴离子型吸附剂,吸附容量可达162 mg/g,SLCNF吸附TC符合准二级动力学、Langmuir等温模型,吸附的机理主要是:SLCNF与TC间的静电引力、π-π堆积、氢键作用。(2)以EPI作为交联剂,在SLCNF之间建立共价交联,制备了交联气凝胶(C-SLCNF),系统的分析了其微观形貌、化学结构、机械性能、水稳定性、机械性能以及比表面积等;基于C-SLCNF气凝胶的三维网络结构和高吸附性能,进一步对其进行功能化设计,原位负载TiO纳米粒子(TNPs)光催化剂,进而组装成木质纤维素基纳米TiO复合气凝胶(C-SLCNF-TNPs)吸附降解体系。利用FE-SEM、FT-IR、XPS、XRD、万能材料试验机、水稳定性实验、N吸附-解析等温线、UV-Vis漫反射光谱和Kubelka-Munk光谱、荧光光谱仪、电化学工作站等分析C-SLCNF-TNPs的微结构特征(微观形貌、化学结构、表面能)以及宏观性能(光响应性能、机械性能、水稳性、电化学特性等)。研究表明:纳米纤维之间的共价交联赋予了气凝胶良好的结构稳定性,C-SLCNF气凝胶展现出独特的3D多孔结构,为功能性材料的负载提供了丰富的位点;TNPs成功嵌入C-SLCNF气凝胶中,且不影响其3D多孔纳米结构,以及其表面的功能性基团;C-SLCNF-TNPs气凝胶具有较高的压缩模量和应力,分别为1.40 MPa和182 k Pa,具有良好的抗压缩、抗溶胀性能,具有比商业TNPs更强的紫外线吸收能力。另外,C-SLCNF-TNPs气凝胶的带隙能较低,说明其更容易产生电子空穴,复合气凝胶还具有较好的光生e-h对分离和转移效率,从而具有较好的光催化活性。从吸附降解实验得出:均匀分布的TNPs的良好光催化活性联同C-SLCNF-TNPs气凝胶良好的吸附能力,可在动态连续过程中协同去除TC,在40 min内可有效去除水中约90%的四环素。C-SLCNF-TNPs气凝胶在重复使用5次后,对四环素的去除效率仅从94.9%略微下降到89.5%,具有良好的结构稳定性和可重复使用性。C-SLCNF-TNPs气凝胶对抗生素去除具有一定的普适性。(3)提出了C-SLCNF-TNPs气凝胶吸附-光催化协同降解TC的反应机理,复合气凝胶通过大比表面积、静电作用、π-π堆积和氢键作用实现对TC的吸附富集,然后TNPs受光激发产生h和e并进一步转化为.OH和.O协同h实现对TC的降解。提出了TC的可能降解路线,主要涉及脱水、去甲基化、脱氨基、开环、氧化等多级过程,最终矿化为CO、HO、NH等。

关键词： SiC纳米纤维   BN界面层   层状结构   SiC陶瓷基复合材料   热压烧结   高质量分数  

摘要： SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料（SiC_f/SiC CMC）拥有高强度、低密度、耐高温、抗氧化和抗辐照等特性,在航空航天和核反应堆等高温结构领域有潜在的应用前景。相比于微米级的SiC陶瓷纤维,单晶SiC纳米纤维(SiCnf)的缺陷少,强度高,是SiC陶瓷基复合材料的理想增强体之一。目前SiCnf主要作为次级增强体,与连续SiC陶瓷纤维协同增强SiC陶瓷基复合材料,关于高质量分数SiC纳米纤维增强SiC陶瓷基复合材料的研究报道较少。本文以氮化硼（BN）界面层包覆后的超长单晶SiC纳米纤维为增强体,以氧化物Y2O3-Al2O3为烧结助剂,以β-SiC粉体为基体,热压烧结制备SiCnf增强SiC陶瓷基复合材料(SiCnf/SiC CMC)。探究了共混结合热压烧结工艺、纳米浸渍与瞬态共晶（NITE）工艺对SiCnf/SiC CMC致密度、微观组织和力学性能的影响,并对含BN界面层SiCnf的强韧化机制进行了分析。主要研究结论如下:（1）采用CVD法在单晶SiC纳米纤维表面制备了BN界面包覆层。以氨气（NH3）、三氯化硼（BCl3）为反应气源,以氩气为载气和稀释气体,采用CVD法在SiCnf表面实现了BN界面层的制备。探究了沉积温度、沉积时间对SiCnf表面BN界面包覆层微观结构的影响,并对界面层的元素和结构进行了分析。结果表明:随着沉积温度的增加,BN界面沉积速率先增后减,而随着界面沉积时间的增加,BN界面包覆层厚度逐步增加且与沉积时间呈线性相关性。SiC纳米纤维在950℃、45 min条件下制备的BN界面结晶度较好,厚度适中。（2）采用共混工艺结合热压烧结法制备了SiCnf/SiC CMC,研究了其微结构与力学性能。将不同质量分数的SiCnf（5-25 wt%）、Y2O3-Al2O3烧结助剂和SiC纳米粉体(SiCnp)共混,经热压烧结制备SiCnf/SiC CMC。探究了烧结助剂含量、压力和烧结温度对SiCnf/SiC CMC致密度、微观组织结构及力学性能的影响。在此基础上,进一步研究了SiCnf含量对SiCnf/SiC CMC微观结构和力学性能的影响。结果表明:共混工艺结合热压烧结制备SiCnf/SiC CMC的最佳的烧结条件为温度1850℃、压力30 MPa、烧结助剂含量10 wt%。在最佳烧结条件下,15 wt%纤维含量下的SiCnf/SiC CMC综合性能最佳,抗弯强度和断裂韧性分别为524±30.24MPa和12.39±0.49 MPa·m1/2。此外,25 wt%纤维含量下的样品在断裂时表现出了伪塑性断裂模式。（3）以BN界面包覆后的SiC纳米纤维为原料,通过真空抽滤工艺制备SiCnf预浸纸,并采用NITE工艺制备SiCnf/SiC CMC。探究了烧结压力和烧结助剂含量对SiCnf/SiC CMC综合性能的影响。结果表明:Y2O3-Al2O3烧结助剂在高温下形成的YAG液相可以促进SiC颗粒重排及基体致密化。但是,较高含量烧结助剂（14 wt%）产生的过量液相会引起SiC晶粒粗化生长,降低复合材料的损伤容限(复合材料断裂韧性从12 wt%时的8.58±0.39 MPa·m1/2降至7.08±0.48 MPa·m1/2)。另一方面,不同烧结压力下的SiCnf/SiC CMC断裂韧性呈现出先增后减的趋势,且试样在20 MPa的烧结压力下断裂韧性取得最大值10.82±0.51 MPa·m1/2。NITE工艺制备SiCnf/SiC CMC的最佳的烧结条件为温度1850℃、压力20 MPa、烧结助剂含量12 wt%。（4）在上述（3）的研究基础之上,进一步研究了BN界面沉积时间（界面包覆层厚度）及纤维含量对NITE工艺制备SiCnf/SiC CMC微观组织结构及力学性能的影响。其中,当BN界面沉积时间为60 min时（界面厚度为72 nm）,复合材料的断裂韧性超过10 MPa·m1/2。此外,以经60 min BN包覆后的SiC纳米预浸纸为增强体,探究了SiCnf质量分数（5 wt%-25 wt%）对SiCnf/SiC CMC综合性能的影响。结果表明:15 wt%纤维含量的SiCnf/SiC CMC的断裂韧性高达13.62±0.39MPa·m1/2。与此同时,高SiCnf含量（15 wt%-20 wt%）的复合材料的载荷-位移曲线也呈现出阶梯状的非脆性断裂行为。综上,本文通过对BN界面涂层制备的研究,在SiCnf表面成功实现了BN界面层的制备。共混工艺制备SiCnf/SiC CMC的最佳的烧结条件为:1850℃、30MPa、10 wt%。在最佳烧结条件下,15 wt%纤维含量下的复合材料综合性能最佳,且25 wt%纤维含量下的复合材料在断裂时表现出了伪塑性断裂模式。采用层状结构设计NITE工艺制备的SiCnf/SiC CMC

关键词： 梯度纳米结构   孪晶结构   分子动力学模拟   力学行为   变形机制  

摘要： 随着纳米材料在航空航天、微纳电子器件和智能医疗设备等领域的广泛应用,传统纳米晶金属材料中强度-塑性的“倒置”关系,严重制约了纳米晶金属材料的应用和发展。研究发现,通过在金属材料中梯度结构特征与其构造梯度纳米结构,可以显著提高其塑性变形能力。因此,研究梯度纳米结构金属材料中力学行为和变形机制之间的关系,对于高强高韧性新型金属材料的开发和应用具有重要的实际意义。然而当前梯度纳米结构晶粒尺寸和孪晶间距对力学行为带来的影响尚未充分讨论,对强韧化的认识仍不充分。本文采用分子动力学方法,深入分析了晶粒尺寸梯度、孪晶间距梯度等因素对梯度纳米结构金属Ni力学行为和变形机制的影响。主要结论如下:(1)晶粒尺寸空间分布梯度对梯度纳米晶(GNG)Ni力学行为和变形机制的影响。当晶粒尺寸梯度的分布满足线性关系(即梯度率n=1)时,GNG结构具有最优的强度-塑性协同效应,并进一步探究了最佳GNG结构中的强韧化机理。结果表明,在不同的梯度结构中,梯度率为n=1的GNG Ni的应力梯度和应变梯度最大,最佳的强度-塑性协同作用归因于位错的显著增强和晶界活性的降低。(2)孪晶间距的空间分布对梯度纳米孪晶(GNT)Ni力学行为和变形机制的影响。随着平均孪晶间距λ的降低,力学行为呈现从强化到软化的转变,当平均孪晶间距为λ=1.88 nm时应变局域化现象最弱,晶粒生长和晶界迁移明显被抑制,因此额外强化最为明显。同时发现,GNT结构在变形过程中,应力和应变呈现较弱的梯度分布,相比于均匀纳米孪晶其强塑性提高有限。(3)晶粒尺寸和孪晶间距双重梯度的空间分布对双梯度纳米孪晶(DGNT)Ni力学行为和变形机制的影响。具有双重梯度DGNT Ni的强塑性皆高于GNG结构和GNT结构。并进一步探究了双梯度结构中的强韧化机理,结果表明,三者中DGNT Ni的应力梯度和应变梯度最大,在变形过程中,DGNT Ni中出现大量交叉位错,从而激发多重滑移系并造成位错堆积,而且小孪晶间距中退孪生现象不断减弱,从而呈现强化效应。本研究阐明了“梯度分布-力学性能-形变机制”三者之间的关系,从而为新型纳米结构材料的设计、研发和优化提供理论基础。

关键词： 碳纳米纤维   碳纳米管   智能吸波材料   介电损耗  

摘要： 电磁波吸收材料在到来的5G智能时代中发挥着越来越重要的作用。在致力于提高材料性能的同时,具有根据实时要求动态改变其电磁波吸收性能的能力也在未来的民用和军事领域具有重要研究意义。碳系吸波材料,由于其具有出色的表面性能、优异的电性能且不会像磁性材料受居里温度的限制,已成为当今研究领域中最受欢迎的介电型吸波材料之一。由于常规碳材料通常电导率较大,会导致电磁波反射率较高,不利于阻抗匹配,因此对低电导损耗的非晶碳的研究格外重要。但单一非晶碳材料由于其电导率较低,介电损耗能力较弱,无法高效衰减电磁波,所以通常与高损耗介质进行复合,并调控其显微形貌和晶化程度,通过多尺度结构设计和多种损耗机制的协同实现优异的吸波性能。本文采用细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)衍生碳纳米纤维(Carbon nano fiber,CNF)作为阻抗匹配的吸波剂基体,在其表面复合金属纳米粒子和碳纳米管(Carbon nano tubes,CNTs),通过异质界面的构筑和电性能的提升,协同极化和电导两种损耗机制,增强电磁波损耗能力,并将所制备的吸波剂构筑成三维宏观体,通过压缩应变,实现了吸波材料介电性能和有效吸收频带的智能化调节。主要研究结果如下:(1)利用BC对金属盐的还原作用,将高损耗粒子Co均匀地分布在CNF表面,通过冷冻干燥法制备了 Co@CNF,Co的引入使Co@CNF在微观层面构建了丰富的异质界面,并且提供了电子活动位点,提高了气凝胶的整体导电性。在宏观层面,亚波长多孔气凝胶利于电磁波的多重反射,促进电磁能量的耗散,同时实现了轻质的目标,Co@CNF气凝胶的密度低达8.1 mg/cm3。频率为9.9 GHz,厚度为4.5 mm时,Co含量为0.11 wt%、热处理温度为900℃的Co@CNF气凝胶最小反射损失在达到了-81.0 dB,有效吸收带宽覆盖了整个测试波段,且全频小于-12.1 dB,结果表明多尺度下进行合理结构的设计是解决材料吸波能力不足的有效策略。(2)受松树枝分级结构的启发,用一维BC衍生CNF作为基体,通过化学气相沉积法在其表面原位催化生长非晶态CNTs作为损耗介质,在纳米尺度上构建了仿松枝分级结构的CNTs/CNF复合材料,不仅避免了 CNTs易团聚的缺点,同时提高了材料的利用率,CNTs的生长既不会损害良好的阻抗匹配性能,还伴随了大量缺陷和纳米界面的引入,协同两种损耗机制有效提高了 CNTs/CNF的电磁波吸收能力。填料含量为20 wt%、CNTs含量为63.2 wt%的CNTs/CNF的最小反射损失在频率为11.4 GHz,厚度为2.7 mm时可达到-68.2 dB,最大有效吸收带宽达5.4 GHz。(3)将CNTs/CNF吸波剂分散在水性聚氨酯(Water Polyurethane,WPU)中通过双向冷冻干燥法构筑成层状结构且可回弹的CNTs/CNF-WPU气凝胶。在交变电磁场下,片层间会形成丰富的微电容器。此外,受到压力传感器功能的启发,本文通过应力的施加,调节CNTs/CNF-WPU气凝胶的层间距离,使片层中存储电荷容量改变,使介电常数可以随压缩量的变化而变化,实现了 CNTs/CNF-WPU气凝胶有效吸波带宽的智能调控,为探索新型智能吸波材料提供了一种有效的途径。在频率为9.4 GHz,厚度为5.1 mm时,CNTs/CNF含量为2.5 wt%的CNTs/CNF-WPU气凝胶最小反射损失可达到-77.3 dB,并且可以有效吸收整个X波段的电磁波,有着出色的吸波性能。

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： 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。