关键词： 拓扑优化   一体化设计   参数化水平集   能量均匀化   材料微结构  

摘要： 拓扑优化是为了满足某种特定性能指标,在给定荷载以及边界条件的约束下,在规定的设计域中寻求材料空间分布最优的过程。近年来随着现实问题的多样性和复杂性以及问题求解规模不断增大,结构-材料多尺度拓扑优化设计逐渐开始发展起来。由于能够突破传统拓扑优化设计局限,并能够进一步实现结构轻量化,提高结构性能,结构-材料一体化优化设计开始成为拓扑优化领域的热点问题。本文首先尝试采用基于参数化水平集方法与能量均匀化方法建立材料微结构优化模型,其次实现结构-材料一体化拓扑优化设计,深入研究二维和三维材料微结构拓扑优化问题以及结构-材料一体化优化设计问题。参数化水平集方法的基本思想是利用径向基函数（Radial Basis Function,RBF）对引入的高一维水平集函数Φ进行参数化,采用水平集函数Φ的零等值面或零等值线定义研究结构的边界,并利用RBF的光滑性使时间与空间导数分离简化数值求解过程,同时实现孔洞的自动生成。下一步针对材料微结构问题,提出能量均匀化方法,解决微结构周期性边界条件施加、数值实现等问题,用于推测材料宏观等效特性。本文提出基于参数化水平集方法与能量均匀化方法的材料微结构拓扑优化设计方案,并通过二维和三维的体积模量最大化、剪切模量最大化和负泊松比问题的数值案例验证该方案的有效性。随后建立结构-材料一体化优化设计模型,基于参数化水平集方法与能量均匀化方法实现二维和三维的结构-材料一体化优化设计问题,同时考虑结构宏观与细观优化设计要素,在宏观和细观两个尺度上共同提升结构整体性能。通过二维三维典型算例深入讨论该模型的有效性以及通用性,获得具有光滑清晰边界的宏观结构与微结构拓扑构型,为后续3D打印等增材制造过程提供便利。本文基于参数化水平集与能量均匀化方法进行了微结构与结构-材料一体拓扑优化设计的探索,进一步增加了拓扑优化设计领域的研究内容,同时为拓扑优化拓展应用领域提供助力。

关键词： Mg-Zn-Ca非晶合金   热处理   非晶复合材料   微观结构   压缩性能   抗腐蚀性  

摘要： Mg-Zn-Ca非晶合金由于密度低,弹性模量与人骨相近,具有良好的生物相容性和可降解性等优异的性能,是一种很有潜力的可降解生物医用镁合金材料。然而,其固有的室温脆性造成材料失效难以预测,不易加工成型,不能满足临床医用对力学性能的要求,严重阻碍了其应用。在非晶合金基体中引入第二相可有效阻碍单一剪切带的快速扩展,促进多重剪切带的形核、萌生及交错,从而改善块体非晶的塑性。原位内生晶体相与非晶基体界面结合好、且分布弥散,能够显著提高非晶材料的塑性。本文以四元MgZnCaSr和三元MgZnCa两种合金为研究对象,采用工业纯原料在氩气气氛保护下,通过铜模喷铸法制备了φ=2 mm棒材MgZnCaSr非晶合金和φ=2 mm棒材MgZnCa非晶复合材料,并通过合理的热处理工艺调控材料的内部组织。采用XRD、SEM、TEM以及压缩试验和电化学方法表征不同热处理工艺对Mg-Zn-Ca(-Sr)合金显微组织、力学性能和腐蚀性能的影响,获得了兼具良好力学性能和耐蚀性的新型可降解医用镁合金材料和制备工艺。具体研究结果如下:(1)MgZnCaSr合金φ=2 mm棒材未热处理时显微组织为完全非晶。经110℃×40min热处理后,非晶基体中析出等轴枝晶Mg相和卵状相MgCa。随热处理温度的升高,非晶晶化程度加剧,晶体相体积分数增加,枝晶Mg相逐渐溶解,枝晶数量减少。经300℃×60min热处理后,枝晶Mg相完全溶解。试样组织中形成六边形相、杆状相、线状相、块状相等形貌各异但在微观结构上元素浓度呈梯度化分布特征的富Zn组织。压缩试验结果表明,MgZnCaSr合金φ=2 mm非晶棒材表现为脆性断裂。随热处理温度的升高,MgZnCaSr合金的塑性提高,但只有在经300℃×40 min热处理后试样才表现出显著的宏观塑性变形行为,压缩塑性为2.0%。300℃热处理时保温时间延长至60 min时,试样宏观塑性变形进一步提升至5.8%,同时屈服强度和断裂强度达到最高分别为620 MPa和790.17 MPa。电化学测试结果表明,MgZnCaSr合金φ=2 mm非晶棒材试样的腐蚀电位为-1.18 V,腐蚀电流密度为53.46μA/cm。300℃×60 min热处理后由于组织中粗大枝晶Mg相完全消失,形成了细小、均匀弥散分布富Zn组织布满试样的表面,有利于在合金表面形成以稳定Zn(OH)沉淀物为主的有效产物膜保护层,从而使合金的耐腐蚀性也较好,接近于非晶合金的耐蚀性。(2)MgZnCa合金φ=2 mm棒材未经热处理时由枝晶Mg相和分布于枝晶周围的网状准晶相CaMgZn组成。热处理后,随着温度的升高,枝晶先粗化(150℃,220℃),然后大尺寸枝晶Mg相连续性降低且逐渐颗粒化(280℃)。经310℃热处理60 min后,试样主要由颗粒状Mg相及分布于其晶界的白色小颗粒Mg Zn相和杆状CaMgZn相组成。压缩实验结果表明,MgZnCa合金在未热处理状态下就表现出一定的塑性变形能力,塑性变形量达2.8%,断裂强度为711.64 MPa。热处理后,试样均表现明显的加工硬化现象。随热处理温度的升高,塑性应变和断裂强度先减小后增大。在高温310℃热处理时,其断裂强度最高为651.60 MPa,塑性变形量最大达7%。电化学测试结果表明,未热处理时MgZnCa合金φ=2 mm棒材的腐蚀电位为-1.24 V,腐蚀电流密度为173.41μA/cm。热处理后,随热处理温度升高其耐腐蚀性先变差后变好,在310℃热处理后,试样具有最好的耐腐蚀性能,腐蚀电位为-1.23 V,腐蚀电流密度为118.92μA/cm,且优于未热处理时试样的耐蚀性。

关键词： 泡沫塑料   特点与应用   典型配方和工艺   品种与类别  

摘要： 文章叙述了泡沫塑料的历史、特点、典型配方设计和成型工艺、应用实例、广泛的用途、通用品种及类别。

关键词： 微结构   安全毯   柔性电极材料   压力分布   传感元件  

摘要： 随着人工成本的增加和工业4.0的提出,复杂的工厂车间操作变得更加自动化,机械安全变得越来越必要。安全毯能够将外界的压力信号转换为电信号,对有害于人体的危险源进行判断和预警,有效的保证车间安全。本文研究了基于柔性电极材料和微结构传感元件的压力传感器单元,并以传感器单元为基础设计了传感器阵列,将其应用于安全毯系统。利用设计的压力传感器阵列、传感器信号采集电路、多功能数据采集卡和运用LabVIEW软件设计的信号采集和分析软件,构建了整套智能安全毯系统。主要工作内容和成果如下:1、利用V槽结构,分析并建立了传感器的压阻效应的理论模型基于良好力敏特性的柔性电极材料和微结构传感元件设计了压力传感器单元和传感器阵列,并分析了它们的工作原理。2、提出一种基于温差压印的新型柔性传感系统封装方法。该方法采用身体粘接,粘接效果好,并且保证了传感器性能的稳定。设计了一种使用铜环将柔性压力传感器的柔性引线与金属导线压接在一起的新的连接方式,这种引线连接方式工艺简单,在不破坏柔性引线的基础上保持导线与传感器的稳定连接。3、设计了安全毯的结构,采用新型柔性压力传感器阵列进行压力传感,扩大了安全毯的压力测量范围和应用场景。基于数据采集卡设计了安全毯的信号采集电路,对安全毯的受力数据进行采集和分析。4、基于LabVIEW编制了安全毯的信号采集系统,具有采集参数选择、压力信号采集和处理、信号数据保存和报警等主要功能。对以压力传感器阵列为核心的安全毯进行了压力分布测试,通过实验验证了安全毯及传感器阵列的设计的可行性与正确性。

关键词： 层状复合材料   NiTi合金   反应机理   微观结构   力学性能  

摘要： Ti-6Al-4V(TC4)合金作为一种综合性能优异的合金，经常应用于层状复合材料之中作为基体，而NiTi合金由于其优秀的阻尼性能，在航空航天、兵器和舰船等国防领域被广泛用来制作减振降噪元器件的材料。本文中主要使用真空热压烧结的方法，将Ti-6Al-4V(TC4)、1060Al箔材以及NiTi纤维材(网格)按照一定的比例进行叠层复合，制备出综合性能较好，同时具备特殊阻尼性能的功能复合材料。但是由于NiTi纤维具有超弹性的特性不利于变形进行网格结构的编织，因此首先需对NiTi纤维进行热处理工艺消除其超弹性。淬火工艺选择750℃保温20min，此时纤维的性能虽然变化不大，但是已经可以进行塑性变形和进行编织，随后需要对其进行回火处理以保证纤维性能的恢复。通过实验可得，在400-450℃短时间保温，性能恢复较多。通过OM、SEM、XRD、EDS等分析手段对层状复合材料的微结构进行观察，并通过密度测量、弹性模量测量、拉伸性能测试、阻尼性能测试等对层状复合材料的性能进行表征。　　实验得出，层状复合材料的内部填充效果良好，无较大裂纹以及孔洞等明显缺陷，在TC4与Al层的界面处主要生成了Al3Ti相，通过扩散进行结合，在扩散界面靠近Al一侧存在以碳化物以及氧化物等杂质在聚集形成的中心线。在NiTi纤维的周围出现了明显的Al3Ti及Al3Ni相两相区。在两根纤维的叠加处，存在Al元素，说明纤维的节点并非通过压力实现机械结合，而是通过扩散反应结合在一起。　　层状复合材料的密度在3.793-4.426g/cm3之间，弹性模量为161.7-168.3GPa。TC4层、Al3Ti层和NiTi纤维三种组元间存在显微硬度的过渡。单层层状复合材料的最大屈服强度为210MPa，多层样品为175MPa，单层材料的断裂应变明显低于多层层状复合材料。阻尼性能受后续热处理和NiTi纤维的体积分数的影响。当热处理后的层状复合材料中NiTi纤维的体积分数为4.3%时，复合材料表现出最优的阻尼性能，其阻尼系数为0.1067kN·s/mm，损耗因子为0.0702。

关键词： 优秀作品   材料微结构  

关键词： 材料微结构  

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,特此举办第六届材料微结构大赛。

关键词： 金属材料  

ISBN: (纸本)9787551725644

摘要： 本书研究和探讨包含微结构信息的金属材料物理力学性质方向函数的建立及应用的有关问题。全书共5章。第一章为研究的背景意义及国内外研究现状 ; 第二章为金属材料微结构理论及弹、塑性本构关系 ; 第三章为包含材料微结构信息的方向函数一般形式 ; 第四章为包含微结构信息的方向函数在广义Hosford屈服函数中的应用 ; 第五章为横观各向同性板材拉深制耳分析 ; 第六章为正交各向异性板材拉深制耳分析。

关键词： 柔性压力传感器   弹性微柱阵列   多级微结构   电子皮肤  

摘要： 柔性压力传感器具有良好的柔韧性、可延展性、贴附性好、便于携带和可穿戴等优势,在电子皮肤、人体健康监测、软体机器人、人机交互接口器件等方面具有良好的应用前景,因而成为近年的研究热点。尤其是压阻式传感器,因其信号导出机制简单、制作工艺相对简便,近年来备受研究者关注。但普通压阻式传感器的灵敏度往往无法满足微弱信号的测量需求,近年来研究人员通过在传感器中引入微结构极大地提高了传感器的性能。不过大多数基于微结构的压力传感器的制备往往需要昂贵的设备、较长的加工周期以及复杂的制作工艺,这大大限制了柔性压阻式传感器的规模化生产和广泛应用。针对上述问题,本论文提出了两种简单、低成本集成微结构的柔性压力传感器的制作方法,并在柔性压力传感器集成微结构的制备、导电层制作、性能测试评估以及实际应用等方面进行了系统的研究,主要的工作包括以下两个部分:(1)提出了一种基于碳纳米管覆盖的磁弹性微柱阵列柔性压力传感器的简便制作工艺。该方法利用磁控自组装技术结合简易的磁性聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合液喷涂法快速制备出高长径比的磁弹性微柱阵列,然后通过滴定法沉积碳纳米管至微柱结构表面形成导电层,最后通过PDMS封装完成柔性压力传感器的制作。整个制作过程无需昂贵的设备、苛刻的工艺条件,且其高长径比弹性微结构大大增加了对压力作用的响应范围,有利于单个传感器实现更广泛的应用。为了优化传感器制作工艺,论文系统研究了不同加工参数对微结构几何尺度及压力传感器性能的影响。结果表明,经优化工艺制备的压力传感器的灵敏度约为～0.497±0.005 kPa,且具有较宽的压力响应范围(10 Pa～80 kPa),响应时间<0.2 s,具有良好的稳定性(>2000次循环)。该传感器的制备工艺具有低成本、高效率、可扩展生产的优势,所制备的压力传感器可以检测各种不同形式作用力,包括压力、弯曲力、扭曲力,同时可用于监测人体脉搏、躯体运动、以及发声的嗓音振动信号,展示出良好的应用前景。(2)提出了一种基于银纳米膜覆盖的多级微结构柔性压力传感器的简单制备工艺。该方法首先利用微通孔阵列模具结合PDMS倒模工艺以及拉伸PDMS经等离子体表面处理工艺制备得到表面集成微丘/微褶皱多级微结构的柔性基底;然后利用空气/水相界面相变溶菌酶纳米膜结合银镜反应制备得到银纳米膜,并将其转移至上述多级微结构柔性基底表面作为导电层,最后利用未固化的PDMS封装传感器。论文系统调研了薄膜拉伸结合等离子体表面处理过程参数对微结构及传感器性能的影响。表征结果显示,经工艺优化后多级微结构柔性压力传感器的灵敏度约为～1.291±0.001 kPa,响应和恢复时间分别为70 ms和160 ms,压力测量范围为10 Pa～40 kPa,且具有良好的稳定性。相比前一款单级微结构压力传感器,该多级微结构压力传感器具有更高的灵敏度和响应速率,且基于相变溶菌酶纳米膜制备的银导电层牢固地粘附在PDMS薄膜表面,可以增强导电层的稳定性,有利于提升传感器的耐用度。初步应用显示该传感器可以测量微弱压力(水滴)以及气体流动和人体呼吸引起的非接触式压力信号。

关键词： Mg合金复合材料   显微结构表征   力学性能   损伤演化   阻尼性能  

摘要： 近年来,由于日益严重的能源危机和环境污染,对高性能轻质结构材料的需求尤为迫切。作为最轻的金属结构材料,Mg及其合金在航空航天、汽车、通信、电子和其他工程结构零件中的应用越来越受到重视。此外,Mg及其合金由于具有良好的阻尼性能,常用于振动、噪声控制和能量吸收。然而,其绝对强度较低、塑性有限和刚度不足等明显缺点,限制了其广泛应用。在过去的几十年中,人们通过向Mg及其合金中引入增强相,成功地提升了其综合性能。针对Mg及其合金的不足,本文首先采用纤维复合设计思想,利用热压烧结法制备出了连续NiTi纤维增强的Mg-3Al-Zn复合材料(shape memory alloy fiber reinforced Mg3Al Zn,SMAFR-AZ31复合材料)。此外,采用层状复合设计思想,并基于瞬时液相(Transient Liquid Phase,TLP)连接工艺制备出了Mg3Al Zn-Ti6Al4V金属层状复合材料(Mg3Al Zn-Ti6Al4V laminated metal composite,AZ31-TC4 LMC)和NiTi纤维增强的AZ31-TC4 LMC((NiTi/AZ31)-TC4 LMC)。对三种复合材料的制备工艺、界面结合、力学性能和阻尼性能进行了系统研究,并对每种复合材料的力学失效形式、增强机制和阻尼机制进行了分析。为揭示SMAFR-AZ31复合材料的界面形成、高阻尼与强韧化机制,对该复合材料进行了微结构表征以及阻尼、拉伸、压缩、弯曲和断裂韧性测试,并对其损伤机制进行了研究。结果发现,经560℃/360min烧结后制备的复合材料中相邻AZ31箔材边界与NiTi/AZ31界线已完全消失,纤维与基体结合紧密。在NiTi/AZ31界面处形成了宽度为0.1μm～2.0μm的纳米晶-非晶氧化物反应层。复合材料在测试温度为66℃时出现明显的阻尼峰,阻尼因子比同温度下的AZ31合金提高了184%,这归因于NiTi合金增强相中的相转变作用。该复合材料的界面法向抗拉强度为57.6MPa,相比于AZ31/AZ31复合板提高了178.3%。垂直和平行于纤维方向的准静态压缩屈服强度分别比AZ31合金提高了33.3%和249.0%。抗拉强度、屈服强度和断裂应变分别比AZ31合金提高了23%、54%和15.4%。弯曲屈服强度和抗弯强度分别较AZ31合金提升了21.7%和36.6%。断裂韧性较AZ31合金提升了15.3%。经分析,NiTi/AZ31界面处形成的氧化物非晶相提高了界面结合强度,从而使得基体载荷可以传递到高强度的NiTi纤维中。此外,NiTi/AZ31界面对裂纹尖端的有效钝化作用以及NiTi纤维变形、拔出、断裂及界面脱粘均起到良好的增强、增韧作用。为探究AZ31-TC4 LMC中的界面组织演变、结合、高阻尼与强韧化机制,对制备的复合材料进行了阶段性烧结、界面精细表征以及阻尼、拉伸、压缩、弯曲和断裂韧性试验。结果表明,该复合材料中TC4/AZ31界面处的共晶层在560℃保温300min后完全消失。经此工艺烧结后,TC4/AZ31界面形成了宽度为20～108nm的金属间化合物层和300nm的Mg-O反应层。界面处生成的连续金属间化合物层为密排六方结构的AlFe相,且该相与α-Ti基体存在特定的位向关系即:[1210]AlFe//[1101]α-Ti,(2024)AlFe//(0111)α-Ti。AZ31-TC4 LMC中的AZ31基体具有较强的板织构(Max=31.52),其织构为{0001}//HPD、<0001>//PLD。该复合材料的室温阻尼因子为0.0111,优于AZ31合金的阻尼性能(0.0081),这归因于TC4/AZ31界面的界面阻尼机制。该复合材料垂直和平行于叠层方向压缩的屈服强度分别较AZ31合金提高了71.6%和242.1%。抗拉强度和屈服强度均约为AZ31合金的2倍,且其比强度较AZ31合金提高了38.8%。此外,其抗弯强度和断裂韧性分别较AZ31合金提高了33%和129.9%。TC4/AZ31界面极窄的金属间化合物层在力学试验中未发生严重分层,载荷的有效传递致使复合材料的力学性能得到了较大的提升。为阐明(NiTi/AZ31)-TC4 LMC中NiTi纤维和TC4箔层的混杂增强机制和高阻尼机制,对其进行了微结构、阻尼、拉伸、压缩、弯曲和断裂韧性研究。结果表明,复合材料结构致密,纤维排布均匀,且无明显宏观缺陷。(NiTi/AZ31)-TC4 LMC在测试温度为65℃时出现明显的阻尼峰。相比于该温度下的AZ31合金和AZ31-TC4 LMC,其阻尼因子分别提高了221.9%和96.2%,这归因于NiTi合金增强相中的相转变作用。(NiTi/AZ31)-TC4 LMC的压缩性能与AZ31-TC4 LMC基本相当。其抗