关键词： PCBN   Y_(2)O_(3)   高温高压   氮化硅  

摘要： 研究以α-Si_(3)N_(4)和Al_(2)O_(3)为主要粘结剂,采用高温高压(HTHP)烧结制备PCBN复合材料。系统地评价了烧结助剂(Y_(2)O_(3))添加对PCBN复合材料的显微结构和相关力学性能的影响。结果表明,在HPHT烧结过程下,加入适量Y_(2)O_(3)的PCBN复合材料的力学性能有了明显的提高。随着烧结助剂的加入,促进了结合剂与cBN之间的界面结合,氮化硅的长径比得到提高。结果增强了PCBN复合材料的致密性,使复合材料的抗弯强度和硬度增大。1700℃下含有4 wt%Y_(2)O_(3)复合材料相对密度为99.3%,抗弯强度为870.5 MPa,硬度为34.7 GPa。

关键词： 环氧树脂   嵌段共聚物   自组装   反应诱致微相分离  

摘要： 通过嵌段共聚物在环氧树脂中的微相分离能够构建具有不同形貌纳米结构的热固性树脂,从而改善环氧树脂的性能。自组装机理和反应诱致微相分离机理作为环氧树脂中构建纳米结构的机理已得到众多环氧树脂研究工作者的认可,这为进一步于环氧树脂中构建新型的纳米结构提供了有利的支撑。本文针对自组装机理和反应诱致微相分离机理进行了阐述,并对通过两种机理在环氧树脂中构建纳米结构的研究进展及纳米微相结构对热固性树脂性能的影响做了概述,以期对环氧树脂更为广泛的应用提供一定的帮助。

关键词： 原位纳米颗粒   金属材料   强韧化机制   微观组织   力学性能  

摘要： 金属结构材料中的共格界面强化近年来受到广泛关注,虽然,该方法被证明是一种可同时实现强度、韧性双增的有效途径,但该类材料的制备往往受到尺寸、设备或工艺的制约。近期,一种全新的原位纳米颗粒强化技术被提出,旨在通过弥散分布的共格纳米粒子实现材料微观组织的优化及综合性能的提升。文中以铁基合金、铜合金、铝合金为例,对原位纳米颗粒增强合金的成分设计、制备方法及加工工艺选取进行详细介绍,建立该类共格粒子的强韧化机制理论,分析其对金属材料的微观结构和力学性能的影响,综述原位纳米颗粒高强高韧材料的研究现状,并指出其瓶颈与不足。在金属材料中引入原位纳米颗粒,可以实现共格纳米增强增韧,同时具有抑制偏析、细化晶粒、细化第二相/夹杂物、优化材料组织的作用,在多因素协同作用下实现材料的强韧双增,可被广泛应用于铁基合金、铜合金、铝合金、高熵合金等领域。最后对原位纳米强化技术的推进与工业化生产进行了展望。

关键词： 拓扑优化   微结构   生物可降解   时变刚度  

摘要： 理想的骨折内固定植入物在组织愈合或修复的过程中,其结构性能需要满足不同愈合阶段对生物力学的需求.提出一种对生物可降解复合材料微结构的时变刚度特性进行调控设计的拓扑优化方法,以达到理想的骨折内固定植入物特殊的时变刚度特性需求.使用具有不同降解速率和刚度的两种可降解材料,以相对密度作为设计变量来描述不同材料的分布,以特定降解时间步中间结构的刚度之和最大为优化目标,对复合材料微结构的构型进行拓扑优化设计,使其具有符合骨愈合规律的时变刚度特性.使用均匀腐蚀方法,利用与时间相关的材料残留率描述结构的降解过程,建立考虑时间维度材料降解的有限元模型,基于Heaviside函数和Kreisselmeier-Steinhauser函数建立降解更新的连续方程,利用均匀化方法得到不同降解时间步中间结构的力学性能,并计算优化目标对于设计变量的灵敏度.通过与仅使用单材料的结构和无时变刚度特性调控的拓扑优化结构进行对比,验证了所提出设计方法的有效性,并研究了不同参数对单胞优化构型和时变刚度特性的影响.

关键词： 直接甲醇燃料电池   双功能电催化剂   PtNi多枝纳米结构   PtNi多面体纳米链   氧还原反应   甲醇氧化反应  

摘要： 质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种能够缓解能源短缺以及环境污染的能源转换设备,可以将化学能有效地转换为电能。除了拥有众多诸如对环境友好污染小,性能稳定寿命长,化学能转换为电能的能量转化效率高,能在室温下快速启动的优势以外,PEMFC的发展仍面临需要进一步提高电催化剂效率的技术挑战。虽然Pt基催化剂是目前最常用也是效率最高的电催化剂,但贵金属Pt储量有限、价格昂贵等问题制约其广泛应用。因此可以通过对Pt基纳米催化剂进行优化设计来缓解上述问题。本论文基于“组分调控策略”和“形貌控制策略”设计合成了具有双功能的PtNi纳米电催化剂,并对其电催化性能即催化氧还原反应(ORR)性能和催化甲醇氧化反应(MOR)性能进行了研究。具体研究内容如下所述:(1)采用简便的一步溶剂热法,通过调控前驱体Pt和Ni的用量、反应温度、反应时间等,合成了PtNi多枝纳米结构(PtNi MBNs):具有可提供更多活性位点的独特多枝状结构以及富Pt表面,有助于催化性能的提高。在酸性环境中对催化剂进行性能测试,多枝结构可以同时催化阴极ORR和阳极MOR,具有优异的双功能电催化性能。测试结果表明,其催化ORR时的半波电位为0.966V,远高于商业Pt/C(0.931 V),而且8000次循环后仅下降14 m V。对于MOR,PtNi MBNs的比活性(SA)为18.1 A m,是商业Pt/C(7.8 A m)的2.3倍。通过CO溶出实验模拟外界充满CO的情况,验证了样品优异的抗中毒能力,进一步证实了其优异的催化活性和稳定性。PtNi MBNs的显著双功能性归因于独特的多枝纳米结构所提供的高电化学表面积、丰富的原子台阶以及富Pt表面。(2)设计合成了PtNi多面体纳米链结构(PtNi PNCs):具有丰富(111)面的有序PtNi多面体纳米链由多面体颗粒和纳米棒自组装而成,丰富的原子台阶提供了大量活性位点,利于电荷的快速转移。纳米多面体是PtNi PNCs的组成部分之一,平均尺寸约为6 nm,主干部分纳米线的直径仅为2 nm。而且在长时间苛刻的稳定性测试中保持了非常高的ORR和MOR催化活性。与商业Pt/C相比,PtNi PNCs催化ORR的质量活性(MA)是其3.34倍,SA是其3.79倍。经过10000次循环后,半波电位仅发生17 m V的偏移,稳定性远优于商业Pt/C(55m V)。同时,MOR催化活性也显著优于商业Pt/C,MA和SA分别为商业Pt/C的7.23和6.55倍。这一策略可能为催化剂的制备提供一种理想方法,以平衡催化活性和催化稳定性之间的矛盾。

关键词： 高导热   热界面材料   仿生微结构   表面改性   热管理应用  

摘要： 随着5G及相关产业的进一步铺开及集成电路技术的迅猛发展,芯片等核心元件功率密度倍增。由于电子器件内核温度的上升将会严重影响其工作效率,并导致设备老化及寿命降低,因此研发可靠高效的导热复合材料成为热管理行业的研究热点。利用熔融混合法在聚合物基质内直接加入导热填料是一种较为通用的改善复合材料导热性能的方式。但是,大多数导热填料呈现化学惰性,且在聚合物基质内的分散性较差。因此,对导热复合材料进行制备工艺优化并应用过程增强策略显得非常重要。本论文致力于从复合材料的仿生微结构工程入手,以功能填料的界面优化为基础辅以恰当的自组装工艺从而获得高效的热界面材料,主要从下述三个方面展开探索性工作。首先受生物组织神经元状微结构启发,通过偶联接枝与希夫碱反应进行交联改性氮化硼,调控表面活性,辅以热压法在聚醚砜/聚偏氟乙烯基体中构建具有取向结构的仿生神经元网络来强化导热性能。结果表明,所得复合材料拥有12.13W m K的高热导率,并在智能机器人图传系统中极大改善了散热效能。此外,结合ANSYS有限元分析进行了材料微结构的热通量与温度场分布模拟,揭示神经元结构在传热过程中的优势。同时,突出的电气绝缘性能(>10Ω·cm)与热稳定性也保证了该材料在移动通信领域与复杂工况下的可靠性。其次,基于砖混结构及岩层形貌的设计思路,利用石墨层间化合物通过原位热剥离及原位聚合进行纳微结构调控,并借助双重自组装工艺制备了具有千层取向结构的复合材料。极高的导热增强效率(2024.5%)与较好的力学特性确保其在可穿戴热界面材料领域的应用潜力。此外,由于复合材料在X波段还具有高达79.0 d B的电磁屏蔽性能,因此在空天通讯等尖端科技领域具有重要价值。最后,从自然界棕榈树树皮的致密结构出发,采用改性石墨填料与吉列丁基质的层级装配设计,并利用金属盐离子溶液对聚合物基质基于霍夫梅斯特序列效应进行微结构强化,促进填料基质间网络的构筑。所得热界面材料拥有35.29 W m K的面内热导率,在微电子模组的热管理测试中相比商用热垫材料体现出高达13.5°C的温度降。在搭配自制的太阳能热电模组中,该材料也能利用其传热特性将太阳能有效转化为电能,体现出功能材料在能源利用领域的潜力。

关键词： 光纤传感器   级联FFPI   温度   压力   游标效应  

摘要： 在光纤传感领域,温度和压力作为基础的物理参量,与人们的生产、生活息息相关。如何提升传感器的灵敏度,一直是广大研究者的重点关注方向。近年来,因为信息、材料等多学科发展,大量对于测量参数敏感的材料被提出来用于光纤传感领域。虽然光纤传感器的性能有所提升,也极大地丰富了光纤传感的种类,但目前提出的关于温度、压力等方面的光纤传感器仍存在着一些问题,如灵敏度低、稳定性差和制作工艺复杂等,这些问题严重制约着光纤传感的实用化。针对这些不足,研究人员做了大量试验工作,并且提出了不少改进的方法,这将推动光纤传感领域不断向前发展。本文在光纤传感技术研究的基础上,通过将具有敏感特性的材料与可以有效提升传感性能的光纤微结构结合在一起,研究了四种不同的高灵敏度传感器,实现了对温度,压力的测量。本文的研究内容主要如下:(1)介绍了光纤微结构的制备方法以及敏感材料的复合方法,尤其重点阐述了几种在不同环境下聚合物可以有效填充毛细管的方法。(2)从多光束干涉原理出发,详细介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪(FFPI)的原理,为下文我们展开对法布里-珀罗(F-P)干涉型传感器的研究提供了理论基础。最后分析了多参量区分测量的原理。(3)提出了一种聚合物填充毛细管的高灵敏度单F-P腔温度传感器。我们分析了单F-P腔的传感机理并详细介绍了这种传感器的制备方法,还对由聚合物胶(PDMS)形成的传感腔与外界空气相接触的反射界面随温度的变化而产生的形变进行了讨论。通过对几种不同腔体尺寸的温度传感器进行实验验证,证实了我们关于腔体长度与灵敏度大小关系的猜想,即随着温度上升,腔长也需增大才能达到最佳性能,同时验证了腔体长度不宜超过110μm的猜想。此外,还通过实验验证了这种传感器具有良好的稳定性和重复性。(4)提出了一种双F-P腔级联的光纤温度/压力传感器。利用石英毛细管会在压力环境中发生形变的原理,设计出了一种用于压力检测的F-P型传感器。我们详细介绍了双F-P腔传感机理以及传感器结构的制备方法。在实验中我们对这一传感器结构分别进行了温度和压力的传感检测。实验数据表明,该传感器结构用于温度检测时,胶腔相对较敏感;用于压力检测时,则空气腔相对较为敏感。理论上在32℃～50℃与0 MPa～0.5MPa范围内,温度和压力的区分测量误差分别为0.00043℃和0.00003 MPa。然后在此研究基础上,我们进一步探究了三F-P腔光纤温度传感器的温度传感特性。我们讨论了在温度变化过程中,组合腔与单腔之间的联系。当温度在30℃～36℃时,温度灵敏度达到了5.84 nm/℃,线性拟合度为99.88%。相对比本文提到的单F-P腔和双F-P腔级联光纤温度传感器,这种三F-P腔的复合型温度传感器的灵敏度有了很大的提升。(5)提出了一种基于游标效应的级联FFPI光纤温度传感器结构。在文中我们深入分析了游标效应的增敏原理、实现游标效应的条件及放大系数的计算方法,并且详细介绍了传感器的制备方法。区别于其他基于游标效应的传感器制作方法,本文提出以聚合物胶腔-空气腔形成的组合腔作为参考腔,聚合物胶腔作为传感腔的想法,通过控制胶腔的长度,就能满足游标效应增敏的条件,可实现传感器对温度的高灵敏度传感。实验表明:在32℃～50℃的环境温度范围内,该传感器传感腔的温度灵敏度为2.62 nm/℃,包络温度灵敏度为-23.22 nm/℃,与理论计算的温度灵敏度值-23.29 nm/℃非常相近。

关键词： 近场动力学   显微CT   复合材料微结构   图像处理   破坏模拟  

摘要： 随着纤维增强复合材料应用领域的不断扩展且用量激增,亟需理清复合材料微观结构损伤对宏观力学性能影响的内在机制。尤其在分析复合材料失效与微结构渐进损伤、断裂等涉及非连续问题的计算与模拟方面尤为重要。传统固体力学理论及方法在计算复合材料微结构的多裂纹萌生、扩展等问题时,因其位移的导数在不连续处没有定义致使该问题难以求解。另外,在复合材料微结构的几何建模方面,理论建模与工程实际存在极大的误差导致在求解时很难利用真实结构的信息。因此,发展针对纤维增强复合材料微结构几何建模与高效模拟其破坏过程的方法就显得十分重要。近场动力学是一种新兴的非局部力学理论,其采用域内的空间积分方程来描述物质点之间的相互作用。与传统微分方程建立的连续介质力学理论不同,基于近场动力学理论的方法能够更有效地模拟材料从弹性变形(连续问题)到裂纹萌生与扩展(非连续问题)的全过程。另外,利用显微CT(Micro-computed Tomography)技术可以在不破坏结构的前提下得到含有结构内部信息的图像,并快速建立含有复合材料原位微结构信息的空间离散模型。因此,本文结合近场动力学方法与显微CT扫描技术做了以下工作:(1)提出了一种基于显微CT图像的近场动力学离散模型用以重构复合材料微结构。利用显微CT图像的像素点灰度值不同而对其进行阈值分割,能够快速建立含有复合材料原位微结构信息的空间离散模型。该离散模型能够直接用于微结构破坏过程模拟,从而避免了传统的数值模拟技术需要依据像素点先建立光滑的几何模型、再划分成有限单元网格的复杂前处理过程,并且极大地保留了复合材料的原位组分分布信息。(2)本文采用有限元框架下的计算方法求解近场动力学方程,利用复合材料中不同的物质点性质,构造了近场动力学的复合材料模型,并实现了不同材料组分与不同断键伸长率的数值计算。并采用不连续伽辽金单元求解了基于显微CT图像重构的复合材料微结构裂纹萌生、扩展直至完全断裂的力学问题,模拟结果显示了此方法能够较好地利用微结构的内部信息进行力学计算。(3)基于近场有限元离散方法,建立了能够描述复合材料微结构的近场有限单元,并构造了适用于通用有限元平台的单元刚度矩阵。之后,编写了Abaqus UEL用户子程序用以实现近场有限元方法的隐式计算,并用于复合材料微结构损伤的计算,实现了基于显微CT重构复合材料微结构的商用软件二维、三维微结构的模拟计算,并根据模拟结果对复合材料微结构破坏机制进行了分析。

关键词： 蒸养水泥基材料   石蜡   复合相变材料   耐久性   微结构   机理  

摘要： 随着建筑工业化战略实施,混凝土预制构件产业蓬勃发展。蒸养混凝土因具有高早期强度、高生产效率等优点而广泛应用于预制构件生产,发展前景广阔。然而,较高温度的蒸养过程易导致混凝土脆性增大、内部孔隙结构粗化及表面微裂纹等质量缺陷,影响蒸养混凝土及其构件的长期耐久性能。传统的优化蒸养制度、优选胶凝材料组成等技术措施难以避免蒸养混凝土的上述质量缺陷。为此,本文结合相变材料特性及其在蒸养过程中的相态转变特点,探索相变材料对蒸养水泥基材料的改性效应,调查不同相变材料对蒸养水泥砂浆和混凝土的力学、耐久性能及微结构的影响规律,揭示相应的影响机理,以期得到具有优异性能的高性能蒸养水泥基材料。论文取得如下的主要创新成果:(1)研究得到了石蜡、脂肪酸和聚乙二醇等六种纯相变材料对蒸养砂浆的工作性、力学性能和耐久性的影响规律,揭示了相变材料对蒸养水泥基材料中孔隙的疏水改性效应,表明了石蜡可较好地改善蒸养水泥砂浆的耐久性能。(2)利用真空浸渍法制备了以硅藻土、膨胀石墨及两者复合物为载体、以石蜡为相变材料的三种无机多孔载体复合相变材料。相比纯石蜡,采用小粒径且与水泥基体具有良好粘结性能的复合相变材料(硅藻土/石蜡)实现了蒸养水泥基材料力学和耐久性能的显著提升以及微结构的优化。(3)利用溶胶凝胶法和温度辅助法分别制备了以无定形二氧化硅为封装材料、以石蜡为相变材料的I和II型两种微胶囊相变材料,确定了微胶囊相变材料制备的关键参数;相比I型,II型微胶囊相变材料具有更优的提高蒸养水泥基材料韧性、耐久性能以及微结构改善效果。(4)采用Ⅱ型微胶囊相变材料制备得到了抗渗透性、抗冻融性能优良的蒸养混凝土;揭示了相变材料改善蒸养水泥基材料性能与微结构的孔隙表面疏水改性、温度调节以及封装材料化学活性等多重作用机理;建立了可有效提升蒸养混凝土耐久性能的复合相变材料制备方法。图158幅,表24个,参考文献293篇

关键词： 软磁复合材料   铁基非晶纳米晶合金   粉体微结构   软磁性能   损耗分离模型  

摘要： 软磁复合材料（Soft magnetic ***）是一种新型功能性复合材料，因其具有恒磁导率、低损耗及抗饱和等特性而被广泛应用于电力电子通信领域。近年来随着电力电子磁器件不断向小型化、高频化和集成化快速发展.对SMCs性能提出了更高的要求。与常规纯铁、FeSi、FeSiAl-SMCs的软磁性能相比，铁基非晶纳米晶SMCs具有高磁导率、低损耗及抗腐蚀等优异性能，得到了广泛的关注。然而铁基非晶粉末在工业上多采用机械破碎法制备，生产效率低（需要2h以上的高温脆化处理），且铁基纳米晶SMCs还具有材料成本高、抗直流特性差等缺点，为进一步提高铁基非晶纳米晶SMCs电磁特性以适应产业发展需求，本文主要开展的研究内容及结论如下所述:（1）为提高非晶磁粉芯制备效率，本文首先设计了一种适用于平流铸造用双排平行喷嘴（Double-paralleled slits nozzle .DPSN），制备了最大厚度为58μm脆性非晶带材，以直接高效制备非晶磁粉。结合基于溶胶凝胶法制备的无机 SiO2绝缘包覆层，对采用常规非晶薄带和厚脆非晶带制备的铁基非晶纳米晶 SMCs 软磁性能进行了系统地比较和分析。结果表明，通过DPSN所制备的非晶带材具有厚而脆的特点，可省掉常规薄带脆化工艺，有利于提高生产效率;与常规薄带非晶所制备的SMCs相比，采用厚脆非晶带制备的铁基非晶SMCs的综合性能较好，其磁导率μ。由 61.08 提高至65.27.在7600A/m时的直流偏置性能由69.98%增加到70.97%，总的磁芯损耗Pc低（Bm=0.06 T.f=234 kHz）.（2）鉴于铁基纳米晶SMCs（典型成分:Fe735Si13 5B9Nb3Cu1 即 Finemet）直流特性不佳，在基于上述DPSN制备的厚脆Finemet粉末混合0wt.%8 wt.%的具有高抗直流特性的微米级气雾化FeSi粉末，经过包覆、压制及热处理后，成功制备了具有晶状结构的Finemet/FeSi复合SMCs。结合损耗分离拟合模型的建立，分析了不同FeSi混合量下复合SMCs损耗机理以及磁滞损耗、涡流损耗和剩佘损耗的来源。结果表明，随着FeSi粉体的质量分数从0wt.%增加到18 wt%时.SMCs的密度从5.741kg/m3最大增加到5.804kg/m3.复合SMCs的磁导率μ。先增加后减小，损耗先减小后增加。当微米级的FeSi粉体混合量为10 wt.%4 wt%时，Finemet/FeSi复合SMCs具有最佳的综合软磁性能:相对较高的其磁导率μ。为80.3@4 MHz，相对高的直流偏置特性为47.57%@7600 A/m，相对低的P,为614kW/m3（B?=0.05 T.f=300 kHz）。Finemet/FeSi复合 SMCs 的损耗分离结果表明，当f小于25kHz时，在整个磁场激发范围内，复合SMCs的总损耗主要由磁滞损耗决定·当f增加至75 kHz时，磁滞损耗、粒子内的涡流损耗以及剩佘损耗各占总损耗的1/3。当f进一步升高到275 kHz时.总损耗的值主要由粒子内的涡流损耗和剩余损耗之和决定。粒子间的涡流损耗仅占总损耗的1/400～1/800，可忽略不计。（3）鉴于常规纳米晶SMCs材料成本高及非晶（典型成分为Fe7sSi31B9. FeSiB）SMCs损耗相对较高，在系统研究Fe7395S111 4B995C24C13 （FeSiBCCr）退火温度与其SMCs软磁性能相关性基础上，系统对比和分析了FeSiB、 Finemet 以及FeSiBCCr三种SMCs电磁特性。结果表明，随着退火温度从723K升到793 ***磁粉芯的u先增大后减小，P...是先减小后增大，与 FeSiB-SMCs相比，773K下退火的FeSiBCCr-SMCs综合软磁性能最佳，具有较高的μ。为79.19，相对较低的P为122.26mW/m2 （ B?=0.05 T. f=100 kHz）。此外·FeSiBCCr-SMCs具有较好的直流偏置性能为51.30%，由于其昂贵的Nb元素含量（约5.66wt.%）较高，与Finemet-SMCs相比，其原材料成本较低。