关键词： 钴酸锂   匣钵   莫来石-堇青石质   抗热震性   抗侵蚀性  

摘要： 钴酸锂是目前市场占比较大的正极材料之一,其烧成过程对匣钵材料的侵蚀较为严重。目前国内使用的匣钵在烧成过程中经常出现剥落起皮现象,甚至匣钵材料直接断裂,不仅影响匣钵材料的强度,使其寿命缩短,且会对正极材料的品质产生较为严重的影响。本文对收集到的国内外匣钵材料进行物相组成和显微结构剖析,并据此确定实验配方。剖析结果表明,匣钵材料大多为莫来石-堇青石质,此外还添加有刚玉和镁铝尖晶石。本文选用抗热震性优越的堇青石与力学性能优异的莫来石为骨料,添加高岭土、滑石和α-Al2O3为细粉在基质中原位生成堇青石,制备莫来石-堇青石质匣钵试样。并通过添加镁铝尖晶石粉,改善匣钵试样的抗侵蚀性能。通过模拟锂离子电池正极材料钴酸锂热处理过程的方法,进行莫来石-堇青石质匣钵试样抗侵蚀实验,研究了正极材料钴酸锂对匣钵试样的侵蚀机理。研究表明,以莫来石和堇青石为骨料,添加高岭土、滑石和α-Al2O3在基质中原位生成堇青石,在1350℃保温3 h条件下制备的莫来石-堇青石质匣钵试样具有良好的抗热震性和抗正极材料侵蚀性能,试样的常温抗折强度和耐压强度分别为11.2 MPa和50.2 MPa,在900℃下热震循环3次以后的强度保持率达到47.0%。基质中的颗粒分散均匀,有少量近似圆形的气孔（孔径d<50μm）,颗粒与基质的结合较紧密。正极材料沿气孔进入匣钵试样内部,经钴酸锂侵蚀3次后,渗透深度约4 mm,反应产物主要有Li4Si O4、β-Li Al Si O4和Li Al O2,填充试样内部的气孔和裂纹,可阻碍正极材料进一步侵蚀匣钵试样,有利于提高匣钵试样的抗侵蚀性。添加镁铝尖晶石粉后,试样的力学强度有所下降,常温抗折强度和耐压强度分别为9.2MPa和54.5MPa,热震循环3次以后的强度保持率达到55.7%。经钴酸锂侵蚀3次后,渗透深度约2mm,反应产物仅有Li Al O2,镁铝尖晶石粉的添加有效改善了试样的抗侵蚀性。

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： 负泊松比   冲击响应   微结构   能量吸收设计   有限元分析  

摘要： 负泊松比多胞材料以其独特的变形特征及潜在的多功能集成设计优势在国防、民用等领域有着广泛的应用前景。如何建立胞元微拓扑结构与其宏观动力学响应特性的关系,进而实现负泊松比多胞材料的多目标优化设计一直是学术研究的前沿问题之一。本文从负泊松比多胞材料微拓扑结构创新设计出发,结合智能仿生原理并引入泊松比梯度分布概念,建立了不同胞元构型负泊松比多胞材料的计算模型,研究了面内冲击载荷作用下微结构对负泊松比多胞材料冲击动力学响应的影响。具体研究内容如下:1.以一维“冲击”模型为研究基础,给出了面内冲击载荷作用下衡量不同微拓扑结构拉胀多胞材料冲击动力学响应的关键性评价指标,重点研究了拉胀多胞材料的临界冲击速度、动态平台应力及密实化应变等重要参数,创造性的引入了平均动态泊松比、内能分布系数等综合性能指标,以实现对拉胀多胞材料动力学特性的全面评测。2.为了降低最大初始峰值应力和维持良好的冲击载荷一致性,在内凹六边形蜂窝的基础上,基于机械超材料的设计理念,提出了一种仿生负泊松比内凹环形蜂窝结构模型,研究了面内冲击载荷作用下胞元微拓扑结构对该仿生内凹环形蜂窝材料的变形行为、动态冲击应力和能量吸收特性的影响。在中低速冲击作用下,仿生内凹环形蜂窝亦表现出明显的负泊松比效应;与传统内凹六边形蜂窝不同,在相同冲击速度下,仿生内凹环形蜂窝的最大峰值应力明显降低,并且具有良好的冲击载荷一致性。基于一维冲击波理论,还给出了内凹环形蜂窝材料的动态平台应力经验公式,理论计算结果与有限元结果吻合较好。3.提出了一种复合泊松比梯度蜂窝能量吸收结构模型。利用显式动力有限元方法对该模型的动态响应特性和比能量吸收进行研究,重点讨论了不同恒定冲击速度下,蜂窝结构的泊松比梯度分布方式对复合蜂窝结构宏观变形、动态平台应力、冲击载荷一致性和能量吸收能力的影响。研究结果表明,所设计的复合泊松比梯度蜂窝能够实现不同泊松比能量吸收结构的优势互补。通过对各段内微结构及段长的合理选择,复合泊松比梯度蜂窝结构的动态平台应力和冲击载荷效率明显提高,冲击应力波动幅度明显降低,能够有效地提高并控制蜂窝结构能量吸收效率。

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： 近场辐射传热   超材料   严格耦合波分析   有效介质理论   米氏共振  

摘要： 近场辐射传热源于Polder和Van Hove先锋性的研究,它可以打破传统的普朗克远场辐射定律。由于其传热量可超过黑体极限数个量级以及其丰富的物理内涵,因而在电子设备冷却、主动热管理、热光伏系统等应用或工程领域得到了广泛的关注。由于热流强度在这些应用中起着至关重要的作用,如何进一步强化近场辐射换热已成为微纳尺度传热的研究热点。超材料作为一种新兴的人工材料,通过在天然材料上蚀刻微结构的方式为提升近场辐射传热量提供了多种可能性,而本文旨在利用基于表面微结构超材料激发新的共振机理进一步提高近场辐射传热。本文首先对全介质超材料的近场辐射特性进行了全面的研究,对米氏共振在超材料间辐射热输运中的作用进行了严格的数值探讨。本文采用散射矩阵理论与严格耦合波分析相结合的波动电动力学框架,精确计算了基于米氏共振设计的立方谐振器阵列间的近场辐射热流。结果表明,由于米氏共振的激发,引起了介电常数与磁导率近极效应,使横电波和横磁波模式下的辐射光谱热流得以增强。文中还详细阐述了有效介质理论与精确的半解析数值方法在预测辐射热流上的区别。本文还以石墨烯超材料为例,说明对称和非对称微结构对二维材料近场辐射热流的提升作用。散射矩阵理论与严格的耦合波分析相结合的涨落电动力学框架仍然被使用精确地计算了热流。结果表明,具有对称微结构的石墨烯超材料间的辐射热流比起石墨烯薄板的辐射热流提高了将近35倍,而超材料与真空界面处长波矢的表面等离极化激元的激发和红移被证明是增强热流的主要原因。本文还调查了基底、真空间隙距离和超材料几何参数对二维对称微结构超材料的影响。本论文为以实现微纳米尺度的高效热能管理为目标的基于超材料的近场辐射传热的提升开辟了一条新的途径。

关键词： 碳基复合材料   结构   有限元模拟   力学性能   力学作用机制  

摘要： 伴随着经济社会的发展和工业水平的不断升级,我国社会对于多样化的高性能材料需求更加广泛而迫切。在能源领域、机械制造、工程建筑领域,高性能、多功能、轻质环保的材料的发展逐渐成为产品提升、行业进步的关键因素。此外,对于生命医疗、航空航天等高科技领域,除材料的功能特性以外,对于其力学性能、安全性和可靠性有着更为严格的要求,而这些性能不仅与各组分的物理化学性质密切相关,其内部各相物质的组成结构包括从宏观到微观等不同尺度下材料的排布、取向及空间构型等特征是另一重要影响因素。本文分别在微观与宏观尺度下通过调控材料的结构参数,研究了两种碳基复合材料内部结构对其强度和韧性等力学性能的作用机制,并提出了碳基复合材料性能优化的内部结构设计策略。在微观尺度下,以氧化石墨烯(GO)和TPU为原料,采用溶液共混法以及溶液蒸发诱导自组装的方法制备复合材料。通过调节两种组分的比例来控制作为增强相的GO的含量,制备了氧化石墨烯/聚氨酯(GO/TPU)复合材料薄膜,其氧化石墨烯含量在全含量范围内(0～100 wt%)。不同的GO含量下,材料内部的微观结构特征(GO片的空间排布、片层取向以及空隙等)都会同步引起变化,而这些结构因素都会对复合材料的力学性能有所影响。首先对不同GO含量的复合材料进行了拉伸实验测试,得到材料相关的力学性能测试结果,然后将材料的拉伸断裂界面在扫面电子显微镜SEM下进行了表征,在所观测到的微观结构特征的基础上建立起对应的二维模型后进行仿真数值模拟。结合复合材料力学经典理论以及仿真模拟结果发现,在不同的氧化石墨烯含量状态下,复合材料的内部微观结构发生了较大的变化,其内部的氧化石墨烯片层由随机离散排布逐渐取向有序化,在高GO含量时转变为规则的“砖-泥”交错叠层结构。在此过程中,复合材料的力学性能出现了多次峰值变化(强度从最初的42 MPa增加到最大的126 MPa,增加了 200%)。这种强度的变化可能是由于不同含量GO以及其所引起的不同的复合材料内部微观结构所导致的,相应地,复合材料内部的应力分布和载荷传递机制发生了显著变化。研究表明,通过对氧化石墨烯/聚氨酯复合材料中氧化石墨烯含量的调控,其内部微观结构是可设计的,这有利于有效地调节其力学性能以满足不同的应用,从而扩展其在力学、电学、热学等领域的应用。在进一步研究材料结构对力学性能的影响时,由于“砖-泥”交错叠层结构在微观尺度下无法精确控制材料的结构参数,如:片层的长径比、片层间的搭接比例等,所以在宏观尺度下进行结构设计。本文以碳纤维/环氧树脂这种高性能复合材料为原料,采用剪切、叠层组装及高温固化等工艺,通过调节“砖-泥”交错叠层结构中“砖块”单元的长度、搭接比例等因素得到了多组不同结构的具有规则“砖-泥”交错叠层结构的仿贝壳珍珠层碳纤维/环氧树脂复合材料。相同地,对不同结构参数不同的“砖-泥”交错叠层复合材料进行了拉伸实验测试,得到材料相关的力学性能测试结果,然后利用电子显微镜SEM对材料的拉伸断面进行了表征,根据材料的微观结构特征建立了二维模型并进行仿真数值模拟。结果表明,“砖-泥”交错叠层结构中的“砖块”单元长度对于其强度和韧性具有重要影响,而在此基础上通过改变该“砖块”单元的搭接比例可进一步改善其内部的应力分布、载荷传递机制和材料的破坏形式,从而实现其强度和韧性的调控与优化。综上所述,本文通过对两种碳基复合材料结构上的设计与改变来来研究材料结构对材料性能与内部力学作用机制的影响。为相关材料的轻质化、增强、增韧研究提供了分析思路,并且为通过材料的结构设计来获得理想材料性能的实验研究工作提供了重要参考。

关键词： 材料微结构   微信公众号   材料科学  

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,第六届材料微结构大赛经过多番比拼已于日前圆满落幕。本次大赛征稿阶段共收到来自104家单位的392份参赛作品,感谢所有参赛者的来稿!评选阶段超过1.5万人次投票,5位专家打分点评。感谢所有专家评委的支持!感谢所有读者的投票!

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： 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。

摘要： In this thesis, advanced laser modulation techniques with reflective phase only liquid crystal spatial light modulators (SLMs) addressed with optimised computer generated holograms (CGHs) have been presented. By integrating a picosecond pulsed laser system with a SLM and a motion control stage, dynamic beam shaping and polarization control has been achieved during ultrafast laser material surface micro processing. A novel method of dynamic control of polarization states and beam shapes of an ultrafast laser using a SLM with an additional polarization converter, S-waveplate is achieved. Applying binary CGHs on the SLM, shaped beam outlines were generated at the imaging plane of an optical processing system. Consequently, several beam shapes were dynamically switched while synchronized with a motion control system. Shaped beam with cylindrical vector (CV) polarization states, such as radial and azimuthal were obtained by using an S-waveplate. Imprinting laser induced periodic surface structures (LIPSS) was employed to investigate the detailed vector fields at the image plane. The ablation footprint and micro- structure was found to match the selected beam shape and polarization states accurately. In addition, by applying grey level CGHs on two SLMs, the multiple parallel beam processing with shaped beam outlines and uniform intensity distributions have been obtained. Combining binary Dammann grating CGHs with an S-waveplate, diffractive 1x5, 2x2 and 5x5 CV polarized multiple-spot arrays have been generated with high polarization purity. The vector quality factor (concurrence C and entanglement entropy E) of multiple CV beam arrays has been measured for the first time. The average vector quality factor (VQF) was measured to be = 0.950.01, = 0.940.01 while for the 2x2 array, = 0.86 0.02 and = 0.820.02 respectively, and hence geometry dependent. As these vector beams are non-separable (entangled) in spatial and polarization modes,