关键词： 微结构材料   大展弦比机翼   多种微结构构型   多尺度气动弹性优化   弹性效应  

摘要： 微结构材料具有质量轻、功能多的特点，在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而，单种微结构材料的刚度特性并无法适应飞机进一步的减重要求。针对大展弦比机翼的宏/微结构构型，提出了一种基于多种微结构构型的机翼结构和材料的多尺度气动弹性优化方法。由均匀化方法等效微结构材料的力学特性，结合宏观结构单元密度计算出整体刚度，通过求解气动弹性平衡方程获得弹性气动力及位移，基于敏度信息实现了机翼结构和材料的协同设计。优化结果表明，在相同载荷下，基于多种微结构材料的整体结构柔顺度较单种微结构材料减小了18.6%。与刚性气动力下的优化结果相比，机翼弹性效应对微结构拓扑构型影响较小，而宏观结构的外段被加强。此外，所提方法可以有效地优化复杂边界条件下的机翼结构，实现机翼内合理的刚度分布。

关键词： chromogenic analysis   glaze layer   Jun porcelain   microstructure   nano iron oxide   structural color  

摘要： Different mass fractions of nano iron oxide were added to Jun porcelain glaze, and analyzed changes in the color and microstructure of Jun porcelain after firing in reducing atmosphere (96% Ar / 4% H₂ ) and oxidizing atmosphere (air) . The color change was studied by spectrophotometer, the phase composition of Jun porcelain was studied by X-ray diffractometer and Raman spectrometer, and microstructure of glaze layer was studied by SEM. The results show that with an increase in the gradient of nano iron oxide content, Jun porcelain specimens changes from light blue to blue, then to cyan gray under reducing atmosphere, and from white to yellow, and then to sauce black under oxidizing atmosphere. When nano iron oxide content in the glaze layer reaches 3. 0% (mass fraction), the SiO₂ crystal phase on the glaze completely disappeares and the glaze appeares amorphous. With the increase of nano iron oxide content, the glaze exhibites a liquid-liquid phase separation structure, and the microstructure size of reducing atmosphere increases from 85 nm to 150 nm, with a relative increase in Fe^{2 +} content. After the glaze of Jun porcelain reaches glass transition in an oxidizing atmosphere, the size of the phase separation structure increased from 217 nm to 307 nm. © 2024 Bulletin of the Chinese Ceramic Society Press. All rights reserved.

关键词： 引起溶血   临床并发症   血管性血友病因子   消化道出血   血液循环   溶血现象   血液相容性   高分子量  

摘要： 目的人工心脏等机械循环支持装置中造成的血液损伤是由力学因素和界面因素共同造成的。其中红细胞与血管性血友病因子(von Willebrand Factor,VWF)的损伤会引起溶血和消化道出血等临床并发症,危及患者生命。本研究旨在通过在材料表面构建微结构进行表面改性从而影响红细胞和VWF分子在近壁面流场中的运动状态,进而降低血液损伤。方法设计搭建一个滚压泵血液剪切实验平台使血液在封闭回路中循环流动,并将表面加工了微结构的硅片样品块嵌入回路,使血液循环流经微结构表面,得到对应不同特征参数的微结构的血液剪切样品。将血样离心后冻存,并通过血浆游离血红蛋白测试和VWF分子量分析实验定量评估红细胞和VWF的损伤水平。结果所有微结构样品中,溶血与高分子量VWF降解率均随时间的增加而增加;具有一定周期空间的微圆柱结构可以有效减少血液循环剪切时造成的溶血现象;具有较高高宽比的微圆柱结构可同时减少溶血与高分子量VWF降解率;微圆柱结构相较于微光栅结构能够更好地降低溶血水平,但二者对高分子量VWF降解率的影响差异较小。结论在材料表面构建特定的微观结构可以改善血液接触面材料的血液相容性,研究成果可用于机械循环支持装置内表面材料的设计与优化。

关键词： 拓扑优化   多材料微结构   水平集方法   均匀化方法   交替活动相算法  

摘要： 多孔微结构材料以其质量轻、比刚度/比强度高、抗冲击等优异力学性能,被广泛应用于航空航天等工程领域。相比单一材料设计,多材料设计可获得力学性能更优的微结构拓扑构型。拓扑优化是实现多材料布局设计的有效方法之一。通过构建基于差集的多材料水平集描述模型和交替活动相算法,提出了基于参数化水平集的多材料微结构拓扑优化设计方法。首先,构建了基于差集的多材料水平集描述模型,利用N个水平集函数实现N+1相材料拓扑的精确描述。然后,引入交替活动相算法,将原始N+1相多材料优化问题分解为N(N+1)/2个双相材料优化子问题,以减少设计变量与约束条件,提高计算效率。最后,采用均匀化方法计算多材料微结构的等效弹性张量,以宏观结构柔度最小化为优化目标,各相材料用量为约束条件,构建多材料微结构拓扑优化模型,并利用优化准则法实现上述优化模型的高效求解。数值算例结果表明,所提方法可有效实现多材料微结构的拓扑优化设计,所设计微结构均具有光滑的结构边界和清晰的材料界面。

关键词： 低pH值   养护温度   钙矾石   C-S-H凝胶  

摘要： 低pH值水泥基材料因其低pH值特性被广泛应用于深地质处置库的建设过程中,但其在深地质处置库中的长期服役过程少有研究报道。通过X射线衍射分析、热重分析和扫描电镜等测试,研究了低pH值水泥基材料在深地质处置环境中不同温度下的长期水化产物和微结构演变规律,结果表明:在50℃长期养护下,低pH值水泥基材料的水化产物仍然有钙矾石,可能是由于低pH值水泥基材料的孔隙溶液氢氧根浓度较低,提高了钙矾石的分解温度,导致其在50℃以上仍能长期稳定存在;养护温度越高,低pH值水泥基材料的结合水含量也越高;养护温度的升高,促使箔片状的C-S-H凝胶向细针状的C-S-H凝胶转变。

关键词： 复合材料加工   三点弯曲实验   材料微结构   高性能复合材料   激光加工技术   珍珠层   增韧机制   热压复合  

摘要： 目的强韧的工程材料在日常生活和工程应用中的需求日益增长,但是传统的工程材料通常会在强度和韧性之间产生矛盾互斥的现象。自然界中存在大量拥有优异力学性能的生物材料,这些材料凭借独特的微观结构和增强增韧机制实现了高强度和高韧性的兼得。受生物材料微结构的启发,研究者们设计了很多性能卓越的先进结构材料。方法受贝壳珍珠层,鱼鳍条和啄木鸟喙等生物材料中的微结构启发,设计了几种力学仿生结构,并利用激光加工技术和热压复合工艺成功制备了强韧的玻璃复合材料。结果和结论三点弯曲实验结果表明相比珍珠层结构,设计的仿鱼鳍部分分段结构在维持了高刚度和高强度的同时提升了弯曲韧性,这主要得益于滑移和微裂纹的共同增韧机制。单轴拉伸实验结果表明与机械互锁拓扑结构相比,含有缝合界面的仿珍珠层结构拥有卓越的增强增韧效应,这是几何互锁和滑移协同作用的结果。利用仿生结构设计激发的多重增韧机制,结合激光雕刻和热压复合等复合材料加工手段能有效改善脆性材料的力学性能。同时这些仿生策略也为高性能复合材料的设计与制备提供了宝贵启示。

关键词： GNPs/AZ31   石墨烯   时效   析出相   织构强度  

摘要： 为研究时效对石墨烯纳米片/镁基复合材料(GNPs/AZ31)力学性能的影响,对GNPs/AZ31进行了300℃固溶1 h和200℃分别时效4、8、12、16、20、24 h的热处理,并开展不同时效时间下的GNPs/AZ31微观组织表征与拉伸力学性能试验研究。单轴拉伸力学试验发现,随着时效时间的增加,GNPs/AZ31的力学性能呈现出先增加后减小的趋势,在时效时间为20 h时的综合力学性能最好,抗拉强度、屈服强度、延伸率、断裂功和显微硬度分别为381 MPa、258 MPa、23.7%、76 J/m^(3)和75.7 HV,比未处理的GNPs/AZ31复合材料分别提高了9.5%、4.5%、13.9%、24.6%和37.6%。微结构表征试验结果表明,随着时效时间的增加,GNPs/AZ31内第二相(Mg_(17)Al_(12))的析出数量明显增加,并且时效过程均以增加粒径小于1.0μm的小尺寸颗粒的连续析出为主;XRD图谱显示,随着时效时间的增加,Mg_(17)Al_(12)相衍射峰强度得到加强,GNPs/AZ31的(0002)基面织构强度得到提高。本研究可为改善GNPs/AZ31的综合力学性能提供重要的试验数据。

关键词： 钧瓷   纳米氧化铁   显微结构   结构色   釉层   呈色分析  

摘要： 本文在钧瓷釉中添加不同质量分数的纳米氧化铁,分析在还原气氛(96%Ar/4%H_(2))与氧化气氛(空气)烧制后钧瓷呈色及釉面显微结构的变化,采用分光测色计研究了颜色变化,利用X射线衍射仪、拉曼光谱仪研究了钧瓷物相成分,利用扫描电子显微镜研究了釉层微观结构。结果表明:随着纳米氧化铁含量梯度增加,还原气氛下钧瓷试片从淡青色变为蓝色再变为青灰色,氧化气氛下从白色变为黄色再变为酱黑色。当釉层中纳米氧化铁含量达到3.0%(质量分数)时,釉面SiO_(2)晶相完全消失,呈非晶态。随着纳米氧化铁含量的增加,釉面呈液-液分相结构,还原气氛下显微结构尺寸从85 nm增加至150 nm,且Fe^(2+)相对含量上升。氧化气氛下,当釉面达到玻璃化后,分相结构尺寸从217 nm增加到307 nm。

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。