关键词： 深度学习   材料微结构与物性   多尺度模拟  

摘要： 材料的微结构决定了其宏观性质。传统的自下而上的多尺度方法提供了研究微结构和物性关联的整体思路,但针对材料的微观、介观和宏观建模都存在诸多困难,其中不同尺度描述的衔接就极具挑战。随着计算能力以摩尔定律式的提升,和人工智能特别是深度学习的爆炸式进展,基于数据驱动的材料研究成当今世界的研究热点,并在晶体结构预测、稳定性分析、状态方程、光学性质、化学合成等领域都取得了很好的应用效果。深度学习的快速计算和可靠的预测能力能够极大的提升材料模拟效率。其广泛适用性为材料微结构与多尺度模拟中的一些传统难题提供了新的研究思路,有望促进材料微结构与物性的研究,为基于微介观机理的宏观物性建模、满足工程应用要求的材料性质预测提供了新的研究方向。本文将简要介绍深度学习的原理及常用的神经网络类型,概述材料微结构与多尺度建模中的主要方法,随后介绍深度学习在材料微结构与物性研究中的进展,并展望该方法在材料多尺度模拟领域中的发展。

关键词： 骨缺损   骨诱导   骨向分化   磷酸三钙   微结构   孔隙率   材料孔径   Wnt非经典信号通路   Wnt5a   ROR2  

摘要： 背景:骨诱导的发生机制目前还不明确,骨诱导过程中支架材料微结构通过调控相关骨向分化信号通路从而发挥关键性作用。目的:探讨不同微结构磷酸三钙材料对MG63细胞中Wnt非经典信号通路相关标志物表达水平的影响。方法:利用H2O2发泡及控制烧结温度合成具有不同微结构的磷酸三钙材料(TCP-compact,TCP-middle,TCP-big),通过压汞实验、扫描电镜扫描确证材料微结构;同时将已确证的3组具有不同微结构磷酸三钙材料与MG63细胞共培养,检测Wnt非经典信号通路的标志物(Wnt5a,FZD1,ROR2,DKK1)的表达。结果与结论:与具有微孔结构材料共培养的细胞中Wnt5a,FZD1,ROR2,DKK1表达水平显著提高(P<0.05),不同孔径的材料之间Wnt5a,ROR2,DKK1表达存在差异(P<0.05);在共培养末期材料组之间4组标记物表达无显著差异(P>0.05)。材料微结构影响Wnt非经典信号通路的表达水平,其相关标志蛋白表达水平的差异为材料微孔结构所调控,在一定范围内材料孔径越大Wnt非经典信号通路被明显促进。

关键词： ZIF-67   微结构   调控   晶体生长机理  

摘要： 以甲醇为溶剂,室温下合成金属有机骨架结构的ZIF-67,利用XRD、SEM等系统的研究了有机溶剂添加量、金属离子与有机配体配比、搅拌速度、时间、钴源以及不同醇溶剂对ZIF-67晶体的结晶度、形貌、晶体尺寸变化规律的影响,并初步探究了其影响机理。基于不同影响因素的系统分析及机理探究,对可控合成结晶度高,分散性好,形貌规整,尺寸均一的ZIFs材料意义重大。

关键词： 平板热压印设备   微结构   压缩模   PDMS基复合材料   差温压印  

摘要： 介绍了PDMS基表面微结构复合材料自动平板热压印成型的工艺过程,研制了双工位全自动平板热压印设备,实现了自动化生产PDMS基功能型复合材料。结合共混后的均相物料黏稠度较大、输料困难等问题,设计了"子弹填充式"精确输料系统。为实现不同工位加工以及物料在压印过程中均匀受力,设计了分散模及半固定半溢式压缩模。结合上下模等温压印时出现的"提前固化现象",提出差温平板热压印的解决方法,对上下模采用独立的温度控制。研制的自动平板热压印设备设计的最大压印面积可达210 mm×300 mm,大幅提高了生产效率、制品精度,取得了较好的效果。

关键词： 矿渣微粉   水泥基复合材料   作用时效   微观结构  

摘要： 为探究矿渣在水泥基材料中作用时效及其微结构演变规律,采用宏观性能测试和微观结构分析相结合的方法,通过对比方法研究了掺入不同掺量的矿渣以及与矿渣粉粒径相近的石英粉后对复合硬化浆体的强度、物相组成以及微观形貌的影响规律。结果表明:3 d时矿渣微粉在复合浆体中仅起微集料的物理填充作用,7 d时矿渣粉的火山灰效应显现,硬化浆体密实度逐渐提高,28 d时矿渣-水泥复合组分(掺量分别为10%、20%、30%、50%)的硬化浆体强度分别为纯水泥试样的113.87%、120.94%、124.10%、115.18%;宏微观结果表明:矿渣的最佳掺量为30%且不超过该临界值时,其复合胶凝材料总的水化产物数量变化不大,此外,养护7 d和28 d时矿渣-水泥复合组分的水化产物结晶点较对比组增多且结晶体尺寸小,排列紧密,结构整体较纯水泥组分和石英粉-水泥复合组分致密。

关键词： C/SiOC复合材料   高效PIP   微观结构   交联机理  

摘要： 以熔融的MK树脂(聚甲基倍半硅氧烷)为前驱体,采用改进的前驱体浸渍裂解法(PIP)制备了致密的C/SiOC复合材料。为了降低MK树脂的固化温度,选择有机磺酸作为交联剂,并采用红外光谱分析仪(FT-IR)和热重分析–差热分析仪(TG-DTA)研究了MK树脂的固化机理和陶瓷化行为。研究表明:MK树脂的陶瓷产率高达85wt%,其裂解得到的SiOC陶瓷自由碳含量低于3wt%,有利于提高陶瓷的高温稳定性。经过8次PIP制备的C/SiOC复合材料的密度可达1.82 g/cm^3。对得到的C/SiOC复合材料进行三点弯曲测试,其弯曲强度为(312±25)MPa,表现出明显的非脆性断裂行为。

关键词： 多尺度结构   结构拓扑优化   定制功能   增材制造   材料微结构   机械工程   蜂窝材料   连通性  

摘要： 近年来,制造材料的新技术和发现鼓励研究人员研究自然无法获得的材料特性的外观。诸如增材制造之类的制造技术的进步为生产具有复杂的晶格/孔格材料微结构的多尺度结构提供了前所未有的机会,以满足对具有定制功能的零件日益增长的需求。但是,现有技术的多尺度拓扑优化方法仍然难以实现使用蜂窝材料的可制造多尺度设计,部分原因是在平铺材料微结构时存在不连通性问题。通过结构拓扑优化方法的研究,可以一定程度解决这类制造问题。

关键词： Discrete element method   Strain energy density   Bilinear behavior   Stress wave   Crack propagation   Plastic flow  

摘要： The discrete element method (DEM) has great advantages in expressing the deformation and fracture of materials at large scale compared to the molecular dynamics (MD) and the finite element method (FEM). However, its application is constrained by the fact that most of the existing models are limited to elastic-brittle homogeneous materials. In this paper, a spring connected DEM model is proposed to describe the elastoplastic and fracture behavior of materials under quasi-static and dynamic loading conditions. In contrast to many other DEM models, the central element is connected to the surrounding double-layer elements with both short-range and long-range interactions. The elastic parameters of the connecting components are derived from the conservation of strain energy density, and the distortion energy is expressed uniquely by the defined distortion coefficients. Based on the von-Mises yield criterion and isotropic hardening effect, the plastic behavior of the connecting component is derived. Furthermore, the energy release rate and Voronoi tessellation method are used to characterize the failure process and the microstructures generation, respectively. The bilinear elastoplastic response under quasistatic cyclic loading as well as the elastic and plastic stress wave propagating in a one-dimensional bar and a two-dimensional plate subjected to impact loading are analyzed successfully with the proposed approach. In addition, the simulations of mode-I and mode-II crack propagation are conducted and validated by the theoretical prediction and dynamic shearing impact experiment, respectively. The effects of short-range and long-range interactions on material quasi-static and dynamic behavior are also discussed, and it is concluded that their impact on the material dynamic behavior (e.g. wave speed and crack propagation) is greater than that on the quasi-static response (e.g. elastoplastic deformation).

关键词： 海水侵蚀   矿物掺合料   胶凝浆体   微结构   NMR  

摘要： 通过NMR、XRD、SEM等测试手段,系统地研究了水泥基材料胶凝浆体在海水侵蚀环境下水化程度、水化热、C-(A)-S-H凝胶微结构以及Al相水化产物组成的演变。研究表明:海水侵蚀和掺矿物掺合料均会导致胶凝浆体MCL增大;海水侵蚀还会导致胶凝浆体Al[4]/Si降低,而矿物掺合料的掺入则会使Al[4]/Si增大;另外,掺矿物掺合料可有效抵抗海水对胶凝材料的侵蚀。