关键词： 气体传感   静电纺丝   金属氧化物半导体   氢气探测  

摘要： 氢气作为一种贯穿工业生产的清洁能源,在电网中也得到了广泛发展。它可被用作一种高效冷却剂为氢冷发电机组降温,也可作为能源在氢能发电机组中进行转化和储存,用于调节峰荷,还可以作为一种故障特征气体,在油中溶解气体分析(DGA)中扮演着重要角色。但是,氢气无色无味、易泄漏、爆炸极限低、不易探测等特点时刻威胁着电力设备的运行安全。在电网中,氢气检测涉及的设备种类繁多,数量庞大,需求各异。因此,针对氢气传感器的高性能、低成本可控制备研究也是对提高电网安全运行水平的有力保障。在各类气敏材料中,金属氧化物半导体(MOS)是最重要的气敏材料之一。其中Zn O和Sn O同为宽禁带n型MOS材料,它们以较低的成本、优异的热稳定性和化学稳定性成为较理想的氢气敏感材料而被广泛研究。已有研究表明,低维结构的MOS材料因纳米效应体现出更加优异的电学特性,这使得纳米纤维结构将在氢气传感方面更具潜能。此外,贵金属掺杂也常被用于突破MOS材料的气体选择性问题,但这势必增加其制造成本,无法协调高性能与低成本间的矛盾。因此,实现对纳米纤维氢气传感器性能的深度挖掘和可控制备,成为解决该需求的重要方法之一。基于一维纳米材料在气敏材料中的优势,本文致力于利用静电纺丝技术对成本较低的Zn O/Sn O基材料开展纳米氢气传感器性能增强的实验研究。面向Zn O/Sn O基氢气传感材料性能提升需求的应用基础关键问题为研究背景,开展Zn O/Sn O基纳米纤维多级复合微结构调控及其氢敏性能增强机理研究。首先,针对溶液掺杂等传统贵金属掺杂方法催化效率低的问题进行改进,提出一种磁控溅射掺杂-表面微结构煅烧重构的合成方法,该方法能够使贵金属掺杂物高效分散于电纺纤维表面,从纳米纤维表面微结构和形貌控制角度使氢气传感器的性能得到提升。经该方法制备的Pd掺杂Sn O纳米纤维棒对100 ppm氢气的响应R/R为28.5,响应时间仅为4 s,与未掺杂样本相比在最佳工作温度降低了约50%的情况下,氢气响应提升了2.5倍。其次,通过对纺丝溶液以及煅烧参数进行纤维形貌的深度调控,得到一种从电纺纤维前驱体到中空纳米纤维的一步合成方法,基于该方法制备的三元异质结Pd/Zn O/Sn O中空纳米纤维对200 ppm氢气获得了171的R/R最佳响应,并且在响应实时性方面也得到巨大提升。此外,研究了氩气等离子后处理与材料氢气传感性能的关联规律,从晶格缺陷结构调控的角度得到了等离子处理对材料表面空位氧调控和氢敏性能增强机制,并将材料从Pd/Sn O向Zn O/Sn O推进,实现了成本更低的非贵金属性能增强方法的应用。最后,针对非贵金属掺杂氢气传感器选择性不佳的瓶颈,通过对煅烧过程的控制,成功从电纺纳米纤维前驱体一步合成了具有功能化结构修饰的纳米复合结构,该复合结构的协同增效作用使其性能和选择性都得到显著提升,基于该方法制备的Zn O(0001)单晶纳米片功能化修饰的Zn O-Sn O异质结纳米棒复合结构,在150℃低温下,对200 ppm氢气的响应R/R超过400,响应实时性和氢气选择性方面也具有优异表现,研究将电纺纳米传感器从单一的形貌结构和均质成分组成转向了具有功能化的非均质复合结构上,成功解决了高性能和低成本制备的矛盾。

关键词： 纳米金刚石   石墨烯复合片层薄膜   电化学性能  

摘要： 金刚石由于独特的sp3碳杂化轨道，具备优异的光学、热学、电学以及电化学特性。例如它具备极宽的电子能带隙5.5eV，优异的化学稳定性、宽泛的电势窗口和极高的热导率等，极大地拓展了其应用范围。特别是在电化学应用方面，被认为是理想的电极材料。但对于本征金刚石而言，由于稳定的饱和共价键结构，内部难以形成自由移动的电子，所以导电性极弱。而石墨烯为单原子碳层，具有其他材料不可媲美的优异性能，如高电导率、高热导率、易于调控的高比表面积等。竖立石墨烯除了具备原有石墨烯典型的电学、力学和热学特性外，还具有独特竖直的结构优势。开放平行的竖立片层，大量暴露的锋利边缘结构，在提供高比表面积的同时极大利于片层内部电子的快速响应，以及离子在片层通道间的顺利扩散。因此金刚石与石墨烯复合材料可望成为更加优异的电极材料。然而，目前已知报道中关于金刚石与石墨烯复合电极的研究，主要集中在杂质原子掺入后的金刚石(B、N、P等)与多层石墨烯的复合，对应金刚石与石墨烯的复合结构尚不能表现出明显的结构优势，且原子掺杂极易导致金刚石晶格发生畸变损伤，在非金刚石晶界处呈现大量的非晶相聚集。另外大量的石墨组分裸露，导致金刚石或被厚的石墨组分包裹或不导电，难以充分发挥二者的独特优势。　　基于上述问题，本课题区别于传统模板法和机械组装等方式，采用热丝化学气相沉积方法，在纳米金刚石颗粒层表面制备出本征的纳米金刚石/石墨烯复合的竖立片层薄膜，并利用微波等离子体的处理调控薄膜中石墨烯的厚度、石墨和金刚石的相对含量和电化学性能。该复合薄膜电极利用三维竖立片层具有的丰富边缘和开放的离子通道，石墨烯有效改善复合薄膜的电学性能，同时避免原子掺杂带来的干扰，以期充分发挥金刚石耐腐蚀、高稳定性与电化学优势，获得性能优异的新型电极。得到的主要结果如下：　　第一，采用热丝化学气相沉积法成功将本征纳米金刚石复合至竖立石墨烯片中，改变生长时间，获得不同片层形态下复合竖立片层样品，系统研究了不同片层状态下薄膜的电容值。在复合竖立片层生长显著时，拉曼(Raman)光谱显示复合片层中石墨层数减少，非晶碳相含量降至最低，为最接近少层石墨烯的结构，高分辨透射电子显微镜(HRTEM)中显示金刚石晶粒外存在多层石墨(7~9层)包裹的复合结构。同当前研究报道的硼掺杂金刚石多层石墨烯复合纳米壁430μF/cm2和多层石墨与氮掺杂的金刚石纳米针复合核壳结构147μF/cm2的电容量相比，生长的复合竖立薄膜电极表现出了高的双电层电容为627.34μF/cm2和宽的电势窗口(3.21V)。　　第二，对生长的纳米金刚石/石墨烯复合片层薄膜分别做不同时间氩气和不同比例下氩气/氧气混合的微波等离子体处理。结果表明，氩气等离子体处理时间为4min时，片层内部的非晶碳含量得到进一步降低，石墨有序程度增加，对应的比电容增加至920.73μF/cm2。氩/氧混合等离子体处理的结果表明，随氧气含量的增加，对片层内部石墨组分刻蚀显著增强。当氧含量增加到10sccm时，竖立片层的结构转变为金刚石晶粒为主体以及少量晶粒外围单层石墨烯紧密复合的结构，对比氩等离子体处理样品，比电容显著提高为1452.48μF/cm2，n型霍尔迁移率高达845.81cm2V-1s-1。另外当生长样品表面的复合竖立片层具有高缺陷含量(ID/IG为2.03)且片层结构显著数目较多时，薄膜电极具备较好的电荷存储能力，比电容达到1626.47μF/cm2。　　第三，对生长的纳米金刚石/石墨烯复合片层薄膜做不同时间的氮气等离子体刻蚀处理。结果表明，在氮气等离子处理时间4min时，形成纳米金刚石外包少层石墨烯(3~4层)的有效缺陷结构，有利于增强催化其活性，起始电位0.77V(***)，极限电流密度达到-7.27mA/cm2。同时更少层石墨上的缺陷，对于增强催化剂活性提供更大的电化学反应电流密度也起到积极作用。

摘要： 《科学》杂志曾将超材料列入本世纪前十年的10项重要科学进展之一。如果说神奇的电磁超材料是透波材料的皇冠,那么陶瓷基电磁功能微结构就是这顶皇冠上最亮的明珠之一。在中国航天科工三院306所,有这么一个小团队,4年来坚守在陶瓷基电磁功能微结构工艺攻关的第一线,用执着和热爱一步一个脚印地去追寻那颗"明珠"。茅塞顿开2013年,当张博士第一次听到"超材料"这个概念时,就被它迷住了。"限制它应用的只有想象力,这是多么霸气的宣言啊!普普通通的介质材料加上一层周期性图案,电磁性能就焕然一新了。这不是点石成金吗?"

关键词： 热电材料   微结构设计   调制掺杂   热稳定性   电声耦合  

摘要： 热电转换技术作为一种绿色环保的能源技术,能够实现热能和电能的直接相互转换。热电器件具有服役时间长、性能稳定、结构简单、无活动部件等优点,在特种电源和局域制冷领域发挥着极其重要的作用。热电器件的能源转化效率主要取决于所用材料的热电性能,因此当前热电研究主要围绕提升材料热电性能展开。本文以中温区热电材料PbTe和Cu2-xS（x=0～0.25）体系为研究对象,围绕微结构设计提升其热电性能展开了相关研究。PbTe由于高对称的晶体结构、高的能带简并度,成为性能优异的中温区热电材料。经过快速发展,p型PbTe的热电性能大幅提升ZTmax～2.5,但是由于能带结构的差异,造成n型PbTe的性能长期落后于p型,为了改善这一现状,本文从微结构和热电关联性的角度展开了对n型PbTe的研究。首先在PbTe中引入Sb2Te3,构建了（PbTe）81-Sb2Te3（PST81）基体,在此基础上采用Sb元素进行n型掺杂优化载流子浓度,在最优载流子浓度组分PST81-0.6Sb中固溶Cu2Te引入缺陷降低晶格热导率,在 PST81-0.6Sb-2Cu2Te 组分中于 823 K 实现了 ZTmax～1.6,323-823 K温区平均ZTavg～1.0的热电性能。对最优组分进行球差校正透射电子显微镜（Cs-STEM）分析,发现PbTe主相晶格中存在共格的Sb/CuTe核壳结构,其对载流子和声子的选择性散射能实现对电声输运性能的解耦,是材料热电性能提升的主要因素。此外,本文首次提出并表征了 Cu在PbTe中的三种存在形式,即:CuTe、取代、间隙Cu,为Cu间隙在多种热电材料体系中优化其热电性能的机理提供了有利的微结构支撑。另外,本文还利用调制掺杂的结构设计对n-型PbTe基材料的载流子迁移率和晶格热导率进行协同优化:在PbTe和PbS的复合相（PbTe）0.9（PbS）0.1中进行微量Cu间隙的掺杂,利用PbTe-PbS两相四面体间隙的空间大小导致的Cu间隙固溶度的不同,以高Cu间隙浓度的PbS相作为载流子储备源,以低Cu间隙浓度、高迁移率的PbTe相作为载流子输运通道,结合两相界面对中长波声子的散射作用,同步实现了对载流子迁移率的提升和晶格热导率的降低,最终在（PbTe）0.9（PbS）0.1-0.3%Cu中实现1001 cm2V-1s-1的高载流子迁移率（载流子浓度为1.25× 1019cm-3）和极低的晶格热导率（673 K下0.26 W/mK）,323-873 K温度区间平均热电优值ZTavg～1.06,这是目前n型PbTe基材料的最高性能之一。中温区热电材料Cu2-xS体系具有元素储量丰富、环境友好等优点,且其经有序-无序相变后Cu随机占位的类液态行为使其具有极低的晶格热导率,因此是一种很有潜力的热电材料。本文通过调节Cu空位浓度（x=0～0.25）研究其对相成分以及热电性能的影响,此外,本文在300-773 K温度范围内评估了 Cu2-xS各相的热稳定性以及该类体系利用激光闪热法测试热导率中可能存在的问题。最终发现Cu1.8S和Cu1.96S热稳定性较高,且相应样品在电性能升降温测试过程中有明显的迟滞行为。本文从微结构设计角度出发,分别利用Sb/CuTe核壳结构和调制掺杂结构,在n型PbTe中实现了对载流子和声子的选择性散射,协同优化了n型PbTe热电材料的电、热性能,实现了其在整个温区的热电优值ZT的大幅提升,并且采用球差校正透射电子显微镜对其微观结构进行分析,解释了其性能提升的机理。在Cu2-xS（x=0～0.25）体系中通过调控Cu空位的浓度研究了各相的形成以及热稳定性,并对其异常的热导率测试结果进行了原因探讨,该工作对研究Cu2-xS体系的复杂且不一致的热电输运性能具有积极的参考价值。

关键词： 纳米复合永磁材料   合金元素   微结构   磁性能   耐腐蚀性能  

摘要： 纳米复合永磁材料兼具软磁相的高饱和磁化强度和硬磁相的高矫顽力,其理论预测的最大磁能积可超过100 MGOe,具有很高的研究价值。纳米复合磁体的稀土含量低,因而具有成本低,耐腐蚀性好的优点。磁体的耐腐蚀性能对其服役寿命有很大影响,但是关于纳米复合磁体的耐腐蚀性研究的报道还比较少。本文通过添加P元素来改善纳米复合磁体的微结构和磁性能,并研究P元素对其耐腐蚀性能的影响。采用熔体快淬法在铜辊转速18 m/s下制备NdFeBP(x=0,0.1,0.2,0.3)合金薄带,研究P元素对其微结构和磁性能的影响。研究表明,随着P元素的增加,磁体内的软、硬磁相晶粒的平均晶粒尺寸先减小后增大。当P元素含量为0.1 at.%时,软磁相和硬磁相的平均晶粒尺寸分别为24 nm和28 nm,比NdFeB合金薄带降低了20.5%和19.7%,这归因于晶界处偏聚的P元素对晶粒长大的阻碍。NdFeBP合金薄带的最大磁能积(BHmax)为18.5 MGOe,相较于NdFeB合金薄带提高了12%。通过调控熔体快淬速度优化NdFeBP合金薄带的微结构和磁性能。随着快淬速度的提高,软、硬磁相的平均晶粒尺寸一直减小直至产生非晶。在快淬速度为19 m/s时,NdFeBP合金薄带软、硬磁相的平均晶粒尺寸分别约为24 nm、21 nm,还存在少量的界面非晶相,其最大磁能积(BHmax)为19.8MGOe,比相同快淬速度下的NdFeB合金薄带提高了11.9%。采用Zahner-Zenium E电化学工作站研究P元素对纳米复合磁体耐腐蚀性能的影响。少量P元素的添加明显改善合金薄带的耐腐蚀性,这归因于P元素在晶界处的聚集填补了松散的原子界面,增强了晶界的致密性,减小了腐蚀通道;P元素继续添加时,硬磁相体积分数提高,这不利于耐腐蚀性的改善。通过调控熔体的快淬速度,制备出含有少量的界面非晶相的NdFeBP合金薄带,其I为14.1μA/cm,比同淬速下的NdFeB合金薄带降低了50.9%。

关键词： 吸波材料   碳基纳米复合材料   微结构   各向异性   MXenes  

摘要： 新一代军用战机面临的全方位、超宽频雷达探测威胁和日益严重的电磁辐射污染使高性能电磁波吸收材料在军用和民用领域都面临着迫切需求。理想的吸波材料要求具有“宽、轻、薄、强”的性能特点,而传统的铁氧体等吸波材料存在吸波频带窄、密度大等性能缺陷。碳基纳米材料具有轻质、高介电损耗、易与其他材料复合等性能优势,尤其是可以通过微结构的调控可以实现对电磁参数,吸波性能和材料密度等关键性能指标的优化。有望达到服役环境对吸波材料的性能要求。因此,本文从碳基纳米复合材料微结构的设计与调控出发,采用水热合成、原位生长、冷冻铸造等方法,制备了具有不同微结构的碳基复合吸波材料。研究了微结构形式对电磁波吸收性能的影响规律,分析了吸波机理,并对其应用前景进行了探索。主要研究内容如下:为了解决传统吸波材料吸收频带窄的问题,本文采用设计特殊微结构和引入多种损耗机制的研究思路,通过两步水热合成及保护气氛热处理制备了具有蝴蝶结状微结构的Co/CoO@C纳米复合吸波材料。研究了水热反应时间和热处理温度对微结构形貌的影响规律。考察了其在2-18GHz频段内的电磁参数和电磁波反射损耗(Reflection Loss,RL)。结果表明,热处理温度的调节实现了对样品电磁参数的有效调控。600°C热处理得到的Co/CoO@C-600样品具有优异的宽频吸波性能,3mm厚度下有效吸收(RL<-10 d B)频带宽度可达9.9GHz(8.1-18GHz),最低反射损耗(RL)达到-33.6dB;6mm厚度下,有效吸收频带宽度进一步扩展到了13.6GHz(4.4-18GHz),覆盖考察频段的85%,同时RL也进一步降低到了-45.0dB。优异的宽频带电磁波吸收能力有赖于蝴蝶结状微结构对电磁参数的调节作用和Co/CoO@C颗粒的磁性/介电协同损耗机制,也使这种蝴蝶结状Co/CoO@C纳米复合材料具有很高的实际应用潜力。为了实现吸波材料轻质化的目标,本文采取将轻质生物质材料与分子级多孔结构的金属有机框架(metal-organic-frameworks,MOFs)复合的思路,在棉花纤维表面均匀生长了含钴元素的ZIF-67(zeolitic imidazolate framework-67)MOF颗粒。通过还原性气氛中的高温碳化同时实现了复合纤维的碳化和碳纳米管的原位催化生长,得到了具有微-纳分级结构CNT/Co/C空心复合纤维。自然状态下表观密度仅0.0198g/cm。通过测试复合纤维的电磁参数计算了2-18GHz的电磁波反射损耗。2mm厚度下,有效吸收频带宽度达到了8.02GHz(9.98-18 GHz)。薄厚度下的宽频吸波效果主要归功于分级结构改善了阻抗匹配特性以及介电/磁性异质成分造成的多种极化损耗机制。这种将天然生物质衍生的碳材料与MOFs复合的方法也为超轻质宽频吸波材料的开发提供了一种新策略。为了探索低维纳米材料宏观组装体的结构形式对吸波性能的影响,同时开展吸波材料多功能一体化研究,本文以高导电二维TiCT MXenes纳米片为材料基元,采用定向冷冻铸造法制备了轻质TiCT/明胶定向结构复合气凝胶(M@G)。通过引入明胶作为粘结剂解决了TiCT纳米片层间范德华力弱造成的气凝胶力学强度差的问题。TiCT纳米片的面内/面外本征物理特性差异及定向排布结构赋予了复合气凝胶各向异性的力学、导热和电磁吸波性能。复合气凝胶在轴向(冷冻铸造过程冰晶生长方向)表现出高压缩强度和负泊松比,而在径向(垂直于冰晶生长方向)则具有高弹性和接近零泊松比;M@G-45(TiCT含量为45wt%)复合气凝胶轴/径向热导率差异达到14.75倍,径向最低热导率达到0.008W/m·K,具有优异的隔热性能。吸波性能方面,M@G-45复合气凝胶径向在4.08GHz处RL达到-57.3dB,但有效吸收频带宽度仅0.9GHz,而轴向RL峰值为-59.5dB移动到了14.04GHz,有效吸收频带宽度也显著扩展到了6.24GHz,宽频吸波性能得到明显改善。这种通过调控二维纳米材料组装形式实现吸波性能调节的方法,为轻质多功能吸波材料的制备提供了借鉴。

关键词： 1-3型压电复合材料   微畴结构   高温极化   界面应力   疲劳性能  

摘要： 建筑结构在使用期间存在的疲劳效应和荷载长期作用,以及建筑材料的侵蚀与老化,将导致材料强度的降低并加速结构的破坏,因此建筑需要及时的预警和实时的健康监测。结构监测与检测及状态评估强烈依赖于传感器和换能器的性能。压电材料因其独特的力-电耦合性能,已成为结构健康监测与检测中最为常用的一类功能原材料。压电材料具有脆性及产生信号的发散等问题,压电复合材料由于结合了压电晶体良好的压电性能和聚合物的柔性而被广泛应用。具有不同连通性的压电复合材料应用范围也不相同,其中1-3型压电复合材料制备简单,被广泛用于换能器、传感器中。本文通过总结1-3型压电复合材料的研究现状及工程使用中的问题,提出基于压电复合材料界面应力的微结构设计方法,通过压电复合材料的优化设计,提高器件疲劳特性。本文的研究内容及获得的结论主要分为以下几方面:(1)探索界面应力对压电复合材料性能的影响,研究不同软填充聚合物及极化条件对常规压电陶瓷PZT(PbZrTiO,锆钛酸铅)基压电复合材料的介电及压电性能的影响,获得填充聚合物的优化选配方案及极化条件。研究结果表明,软填充聚合物以及高温极化条件对压电复合材料介电及压电性能的提高是比较显著的。(2)研究极化温度、切割制备工艺以及压电复合材料设计尺寸等对压电单晶PMN-PT(Pb(MgNb)O-xPbTiO,铌镁酸铅-钛酸铅)基压电复合材料介电、压电性能的影响,提出极化温度和制备工艺的改进与尺寸方案的优化。研究结果表明,将高温95℃极化条件结合先极化再切割的制备顺序以及减小切缝尺寸,可以实现简化制备工艺与高介电及压电性能的双赢。(3)研究压电复合材料两相界面弹性相互作用,获得压电复合材料中压电体的应力状态及其对压电畴结构的影响,并采用COMSOL有限元模拟软件对压电复合材料内两相之间的应力进行分析。研究结果表明,树脂内的正应力和应力分量σ是其产生极性的原因,这与偏光研究结果一致。另外压电柱尺寸减小导致界面应力的增大,这与实验结果一致。(4)研究压电复合材料的抗疲劳性能,通过对单晶和压电复合材料进行疲劳测试,探究两者的铁电性能随循环次数的变化趋势以及微结构方面的疲劳机理。研究结果表明,压电复合材料具有远优于单晶的抗疲劳性能。另一方面,提出从微裂纹和相变的角度分析晶体的疲劳机理,从电击穿和畴结构的角度分析裂纹的扩展与传播机理。结果表明,微裂纹的扩展趋势与性能下降规律一致。

关键词： 声振耦合系统   有限元法   边界元法   拓扑优化   分段常数水平集   伴随变量法   微结构设计  

摘要： 结构的振动响应和声场的噪声水平一直是设计人员关心的重要问题,而结构振动和噪声控制也一直是工程界的研究热点。结构的振动辐射问题是一类典型的既考虑结构振动又考虑声场响应的声振耦合问题,在航空航天、舰艇等工程领域具有重要的应用场景。对声振耦合系统进行减振降噪优化设计,具有很强的工程实际意义。目前,在结构优化设计中,拓扑优化是一类可以彻底改变结构拓扑构型的优化方法,它可以在满足约束条件的前提下实现结构最优的性能,成为了设计者们的首选。另一方面,边界元方法在无限大外声场问题的求解上具有得天独厚的优势,是外声场响应分析的一种高效数值方法。而近年来发展的分段常数水平集方法,可以很好地克服传统水平集方法存在的较为明显的缺点,已逐渐被一些学者用于结构的拓扑优化设计中。本文采用有限元法和边界元法对声振耦合系统进行建模,提出一种改进的分段常数水平集方法,进行了声振耦合系统中结构的宏观与微观的双材料拓扑优化设计,有效降低了声振耦合系统的振动与噪声响应,为耦合系统的减振降噪设计提供了有效的数值分析方法。论文的主要内容包括以下三个部分:（1）基于FEM/BEM的声振耦合系统响应及灵敏度分析。鉴于有限元方法在结构分析中的灵活性和稳定性、边界元法在外声场分析中的优越性,本文采用有限元法和边界元法分别进行结构和声场建模的FEM/BEM方法来进行声振耦合系统的响应分析。考虑到伴随变量法在多变量、复杂度高的优化问题中具有高效性,本文采用伴随变量法来进行耦合系统优化目标函数的灵敏度分析。给出了详细的分析推导过程和具体算例,验证了本文声振耦合系统响应分析和灵敏度分析的正确性,为耦合系统宏观与微观的拓扑优化设计奠定了基础。（2）基于分段常数水平集方法的声振耦合系统拓扑优化方法研究。鉴于近些年发展的分段常数水平集方法可以很好的克服传统水平集方法存在的依赖初始符号距离函数和无法自动生成新的孔洞等较为明显的缺点,本文采用该方法进行耦合系统的拓扑优化设计。针对分段常数水平集方法中优化参数的问题依赖性问题,提出了基于灵敏度信息定义优化参数的策略并进行了算例验证。最终实现了声振耦合系统结构振动与噪声响应最优的宏观拓扑优化设计,为耦合系统结构设计提供思路。（3）基于改进分段常数水平集方法的声振耦合系统微结构优化设计。在声振耦合系统响应与灵敏度分析的基础上,基于均匀化方法,进行了周期性微结构的宏观等效力学性能分析和耦合系统微结构设计的灵敏度分析,并给出了具体的分析过程。基于改进的分段常数水平集算法,对结构-外声场耦合系统的结构部分进行了微尺度的双材料拓扑优化设计,为声振耦合系统的减振降噪设计提供了新方案。

关键词： 梯度结构   砖-泥结构   薄壁结构   仿生设计   抗冲击性能   3D打印  

摘要： 随着现代科技的迅猛发展，人们对工程材料/结构的力学性能提出了更高的要求，以适用于恶劣、复杂的环境。在众多性能中，抗冲击性能备受关注，由冲击引起的失效往往会造成巨大的经济损失和人员伤亡。传统的防护器具结构简单，吸能不高，大多采用金属制成，过于笨重且成本高，轻质高效吸能的材料/结构的设计依然是防护领域中的难题。自然界中的生物经过亿万年的自然选择和进化，其结构和性能得到了优化和提高，其优异结构为人造材料的优化设计提供了有益启示。本文寻找自然界中耐冲击的生物材料，掌握其微结构特征及作用机理，设计了几种高效吸能的仿生结构，结合3D打印、摆锤冲击实验和有限元模拟对比了仿生结构和传统结构的抗冲击性能，探讨了仿生结构性能提升机理，为抗冲击复合结构的设计提供了参考。论文的主要工作和结论如下:　　(1)以强韧化著称的贝壳遭遇螳螂虾，却能被其掠足轻松击穿，这归因于掠足表面和内部的弹性模量分别呈梯度和周期性变化。本文仿照螳螂虾掠足，分别设计了弹性模量在表面层梯度变化和沿整个厚度方向周期变化的两类仿生靶板。采用有限元模拟了落锤冲击靶板过程。结果表明，在保持靶板等效弹性模量相同时，采用表面梯度和周期设计，不仅大幅度提升靶板的临界冲击能，分别是均匀靶板的2.35倍和2.91倍，同时大幅度降低靶板在冲击过程中承受的最大冲击力，分别是均匀靶板的0.49倍和0.34倍。深入分析了两种仿生靶板抗冲击性能优于均匀靶板的机理，发现均匀靶板呈现块状脱落的单一失效模式，靶板表面中心是其主要的应变储能区，而表面梯度靶板和周期靶板多处出现损伤、失效，从而改善了应力分布，提高了变形协调能力，使得应变储能区扩大，从而提高了吸能。最后讨论了表面梯度层厚度和弹性模量比值对靶板抗冲击性能的影响，结果表明，降低表面梯度靶板的梯度层厚度，或增大周期靶板的弹性模量比值，均可提高靶板的临界冲击能，并降低锤头的最大冲击力。　　(2)珍珠母具有典型的砖-泥结构，由95％硬脆的矿物质和5％柔软的有机质组成，能够完美解决软硬界面物性的不匹配，具有比单一矿物质高几倍的韧性和抗冲击性能。另外，微结构尺寸梯度设计具有比传统均匀设计更高的吸能，已广泛应用在多孔结构、金属材料中。本文将微结构尺寸梯度引入到砖-泥结构中，设计了一种胞元尺寸呈梯度变化的新型砖-泥结构，并利用3D打印制备了均匀和梯度砖-泥结构。通过摆锤冲击实验研究了胞元尺寸梯度对砖-泥结构抗冲击性能的影响，结果表明梯度砖-泥结构的吸能高于均匀砖-泥结构，且随胞元尺寸梯度增大，其吸能越高，最高可达均匀砖-泥结构的4.0倍。利用有限元模拟研究了梯度砖-泥结构吸能提高的机理，相比均匀砖-泥结构，梯度砖-泥结构极大地改善了应力分布，沿试样长度方向应力曲线光滑且出现平台段，沿试样宽度方向应力变均匀，有效避免了高应力区域的产生，使得整体结构在发生断裂前可承受更大的弯曲变形，从而提高了应变储能。　　(3)呈重叠分布的外部鱼鳞片可有效分散外部载荷、降低应力集中，呈螺旋分布的内部胶原纤维允许这些鳞片发生相对运动，使得整体结构具有足够高的灵活性。本文模仿鱼鳞，设计了一种螺旋-重叠的砖-泥结构，并进行摆锤冲击实验，与吸能较高的仿海螺壳砖-泥结构进行对比。结果表明仿鱼鳞砖-泥结构可以大幅度改善抗冲击性能，其吸能是仿海螺壳砖-泥结构的1.4倍。探讨了线性和非线性层旋转角度、层内软材料倾斜角度和鳞片尺寸缩放系数对仿生螺旋-重叠砖-泥结构抗冲击性能的影响，发现模仿天然生物材料的螺旋结构特征，取层旋转角度为18.95°时，其吸能最高，除该角度外，随层旋转角度增大，仿生螺旋-重叠砖-泥结构的吸能呈现先降低后升高的趋势，当取90°时，吸能最低;随层内软材料倾斜角度的增大，仿生螺旋-重叠砖-泥结构的吸能逐渐降低，当软材料倾斜角度取90°时，吸能最低，当软材料倾斜角度取15°时，吸能最高;随鳞片尺寸缩放系数增大，仿生螺旋-重叠砖-泥结构的吸能逐渐降低，当鳞片尺寸缩放系数取2.0时，吸能最低，当鳞片尺寸缩放系数取0.5时，吸能最高。　　(4)刺猬从数十米高度掉落，几乎毫发无损，主要归功于刺猬刺极高的缓冲减震功能。本文模仿刺猬刺的微结构特征，设计了刺猬刺薄壁结构，并在其基础上模仿耐冲击的甲壳虫前翅进行2nd级设计，引入空心圆作为亚结构，设计了多级刺猬刺薄壁结构。通过有限元模拟了刚性平板冲击薄壁结构过程，对比了单壁圆筒、单级/多级蜘蛛网以及单级/多级刺猬刺薄壁结构的抗冲击性能。结果表明，单壁圆筒和蜘蛛网薄壁结构的应力分布不均匀，无高应变能密度区产生，吸能较低。刺猬刺薄壁结构由于多个肋板的加强作用，改善了与肋板连接内外壁的应力分布，增大了整体结构失效前的弯曲变形，吸能比是单壁圆筒薄壁结构的6.7倍。蜘蛛网薄壁结构经过多级设计后，改善效果不明显，仅中部区域的应变能密度略有增大，吸能比仅提高16％。刺

摘要： 材料之美不仅体现在宏观,也表现在其微观组织。为了让更多材料人欣赏到美轮美奂的材料组织,培养探索微观世界的兴趣,提高仪器使用水平与艺术鉴赏能力,特此举办第七届材料微结构大赛。下方展示的是30张入围作品,更多详情可扫描右侧二维码查看。