关键词： 股骨中段   整骨   骨型   植入物   外旋   生物力学   个性化设计   松质骨  

摘要： 目的针对现有进口仿真骨无法精确复现松质骨非均匀性、各向异性,以及骨质骨型与中国人骨存在较大差异的问题,研发符合中国人骨特点的新型力学等效仿真骨Mbone,并验证其力学等效性。方法首先,以人股骨头松质骨为研究对象,使用临床CT灰度值(Hounsfield单位)表征了松质骨的各向异性力学参数;之后,以Gyroid曲面为基础设计多孔结构,通过有限元分析得到其结构参数对宏观力学参数的影响规律;进一步的,通过多孔结构和人松质骨力学参数的联立求解,发展了基于临床CT的松质骨力学等效多孔结构个性化设计方法;最后,分别通过股骨头植入物压入试验和整骨力学试验,验证了该新型仿真股骨局部和整体力学性能的等效性。结果和结论仿真股骨头与人体股骨头植入物压入刚度偏差小于15%,峰值载荷偏差小于5%。整骨受压时,Mbone股骨压缩刚度比进口合成骨高7.2%,破坏载荷在尸体骨范围内;由于中西方人骨型差异,Mbone股骨中段内后侧压应变明显高于进口合成骨,这与理论分析结果一致。整骨受扭时,Mbone股骨内旋刚度比进口合成骨低6.7%,外旋刚度低18.3%。Mbone仿真股骨在松质骨-植入物相互作用以及整骨力学性能上均具备良好力学等效性,且更符合中国人的骨质和骨型。

关键词： 微结构设计   纤维增强树脂基复合材料   高性能复合材料   珍珠母   混合设计   抑制特性   甲壳类生物   仿生设计  

摘要： 在复合材料微结构设计方面,大自然给我们提供了很好的范本。无论是珍珠母、海螺还是甲壳类生物均通过合理的微结构设计,突破了“强度和韧性,此消彼长”的限制,这为纤维增强树脂基复合材料的力学微结构设计提供了参考范本。另一方面,随着预浸料制备技术的逐渐发展,单层碳纤维面密度可实现低至20 g,这为复合材料提供了极大设计空间。此外,其优异的分层损伤抑制特性为复合材料的力学性能提升提供了新的可能。本报告创新性地将仿生与超薄铺层相结合,探索了两者结合的多种可能方案。此外,将多种仿生微结构继续混合设计并提出了超生设计策略,即将具有防御机制的海螺三层正交微结构与具有进攻机制的螺旋微结构继续力学杂交设计,新的微结构的强度和韧性均有大幅度提升。综合来看薄层化为仿生化提供了制备技术,仿生化为薄层化提供了设计灵感。两者紧密相连,相辅相成,为高性能复合材料的仿生设计提供了新的途径。

关键词： 生物学性能   多孔支架   选择性激光烧结技术   内凹   定制化   系统生成   力学试验   负泊松比  

摘要： 骨多孔支架可为细胞生长、血液系统生成、多种代谢发生提供场所,在体内可有效传导力学刺激促进成骨。拉胀结构的内凹拓扑结构和负泊松比变形方式使其具有不寻常的生物特性和力学性能,在骨修复中应用具有优势。目的研究拉胀多孔支架结构设计参数对其力学性能与生物学性能的调控规律,为拉胀式骨多孔支架临床应用提供理论依据。材料与方法设计新型结构拉胀多孔支架,采用选择性激光烧结技术对其进行制造。采用力学试验方法对其力学性能进行分析,并建立相应的有限元分析模型与数学解析模型。应用计算流体数值方法分析拉胀多孔支架在载荷作用下的物质传输性能。结果内凹角度可以广泛调节拉胀多孔支架力学性能;力学试验结果与有限元分析结果具有很好的一致性,所建立的理论模型可以很好地表述内凹角度与多孔支架弹性模量、泊松比的关系,可实现拉胀多孔支架力学性能定制化设计;多孔支架的内凹角度有利于内部流体均匀分布;载荷作用下,内凹多孔支架渗透性降低,但壁面剪切力平均值变化明显,这表明其可以更好地实现对细胞的动态刺激。结论通过调控结构内凹角度可实现拉胀多孔支架力学性能与生物学性能的可控设计,可为研发性能定制化骨多孔支架的临床应用奠定基础。

关键词： 微结构   减阻   鲨鱼盾鳞结构   数值模拟  

摘要： 针对船舶航行时水下表面存在微结构时,可减小阻力、提升能源使用效率的特点,以鲨鱼皮表面为仿生基础,设计仿鲨鱼、V形、矩形三种微结构表面,通过Fluent软件进行数值模拟,探究不同微结构形状对近壁区表面减阻率、剪切力、速度和湍流动能的影响。数值模拟结果表明:与无结构表面相比较,不同沟槽形状的微结构表面都具备一定的减阻性能。相较于仿鲨鱼、V形微结构表面,矩形微结构表面的减阻效果最好,速度为1 m/s时减阻率最高可达18.4%。微结构的存在可以有效地减小表面所受到的壁面剪切力,减缓近壁边界层的速度梯度变化,改善流体在近壁区域内的流动情况,减少能量涡旋。

关键词： TiO_(2)薄膜   磁控溅射   显微结构   光学性能  

摘要： 采用直流脉冲磁控溅射的方法,在有机玻璃上沉积了纳米TiO_(2)光学薄膜。研究了沉积功率、基片温度等参数对TiO_(2)薄膜结构及光学性能的影响。借助椭圆偏振光测试仪、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、分光光度计、原子力显微镜(AFM)等表征手段分析了薄膜的光学特性、元素组成、结晶性能及显微结构。结果表明:随沉积功率的增加,薄膜氧含量降低,粒径减小,折射率递增,可见光波段的透过率和反射率递减;随基片温度上升,薄膜的沉积速率降低,这促进了薄膜粒子的聚集,在光学方面表现为随温度上升,折射率及可见光透过率同时增加;TiO_(2)薄膜的禁带宽度在3.12~3.16eV之间,随沉积功率增加和基片温度上升,其禁带宽度递减。

关键词： 低碳MgO-C耐火材料   显微结构演变   陶瓷相   催化氮化  

摘要： 为了探明硝酸铁添加量和氮化温度对催化制备低碳MgO-C耐火材料中陶瓷相形貌演变的影响，以电熔镁砂、鳞片石墨、硅粉、酚醛树脂和硝酸铁为主要原料，通过高温氮化制备低碳MgO-C耐火材料。结果表明：与不添加催化剂的材料相比(1 400 ℃)，硝酸铁的添加促进了SiC、β-Si3N4和α-Si3N4新相的生成，晶须状Mg2SiO4消失，Mg2SiO4主要以尺寸更大的片状形貌存在；当硝酸铁添加量为1%时，生成许多大尺寸的片状Mg2SiO4和较多小晶粒尺寸的柱状β-Si3N4。在含3%硝酸铁的材料中，氮化温度由1 400 ℃升高至1 500 ℃会导致试样内部产生大量气体而逸出，降低了片状Mg2SiO4和柱状β-Si3N4的生成量，并使Mg2SiO4还以尖端带液滴的蠕虫状形貌存在。

关键词： 多孔材料   孔隙微结构   深度卷积生成对抗网络   重构   传输性能  

摘要： 本文提出了一种深度学习模型，能够从有限的甚至单一的二维图像中重构多孔材料的三维微结构，避免了传统试验成像方法中图像采样的耗时、耗财、耗力的问题。通过结合深度卷积神经网络和带有梯度惩罚系数的损失函数，构建了用于二维和三维重构的深度卷积生成对抗网络架构。相较于传统的随机优化方法，该方法在精度和效率上表现出优势。进一步应用三维重构的微结构样本，可靠地预测了多孔材料的渗透率、有效热导率和相对扩散系数。研究结果表明，该深度学习框架能够有效还原目标结构的统计特征和宏观传输性能。

关键词： 海水海砂混凝土   孔溶液   水化产物   矿物掺合料  

摘要： 海水中多元离子会通过参与水化反应改变水泥水化产物组分和微结构,从而影响其力学性能和耐久性。本工作通过对孔溶液离子成分测试和水化产物矿相表征以揭示海水中多元离子与矿物掺合料耦合作用下,水泥基材料微结构和力学性能演化机制。采用离子色谱仪及电感耦合等离子发射光谱仪测得压滤法获得的净浆孔溶液的离子成分,同时结合X射线衍射、热重分析等微观表征研究水化产物矿相的演变规律。结果表明:海水中多元离子会促进水泥中硅酸三钙和硅酸二钙的水化,提高海水净浆孔溶液碱度,加快矿物掺合料与氢氧化钙的二次水化反应。硅灰对于孔溶液碱度的降低效果显著优于粉煤灰,也能通过生成更多水化硅酸钙凝胶实现钠离子和钾离子的有效固化。粉煤灰可以通过促进钙矾石、Friedel’s盐等铝相产物生成,实现对氯离子的有效固化,同时固化效果优于硅灰。本工作可以为海水海砂混凝土微结构和力学性能调控提供参考。

关键词： 断裂力学   微结构复合材料   非均质材料   强韧化  

摘要： 亿万年的“物竞天择”促进自然界生物进化出精妙绝伦的微观结构,生物材料的力学性能因此得以突破传统结构材料著名的“强度-韧性”倒置关系,这为未来先进工程结构材料的研发提供了新的思路.但复杂的微结构也使生物材料的宏观断裂行为呈现出多尺度、多过程、多介质耦合的复杂特征,为建立基于均匀性假设的经典断裂力学理论方法带来新的挑战.对含有微结构的生物复合材料的断裂力学行为进行深入研究,对拓宽断裂力学的研究范畴,推动断裂力学理论的发展,启发新一代先进结构材料的优化设计具有重要的科学意义和潜在应用前景.本文试从理论分析、数值模拟、实验手段三个方面回顾近年来关于含有精细微结构的生物及仿生复合材料断裂力学的研究进展,重点介绍新方法与新思想,为非均质材料断裂力学的发展和先进材料的强韧化设计提供借鉴.

关键词： 可变体飞行器   超材料   智能结构材料   微结构设计   可制造性  

摘要： 可变体技术可以提高航空载运工具的气动效率并扩展航程,是航空领域的颠覆性技术之一。以往机体的变形只能通过机构完成,增加了系统的复杂性和总体重量。自身具有可变形能力的超材料既能够精准调控结构的可变形能力,又具有较高的轻量化水平和智能化潜力,有望推动可变体技术的运用。本文总结了几种可变形超材料及其在自适应变体结构技术领域的应用探索,阐述了超材料由于其较强的可设计性而在变体结构/驱动/结构承载一体化设计中显示出巨大的应用潜力,并对未来发展趋势进行了展望。