聚合物粘结剂PVP、PAM和PVA结构与性能的分子动力学研究

在粉末打印骨支架的工艺中,粘结剂的性质是影响骨支架质量的关键因素。采用分子动力学的模拟方法对三种常用高分子粘结剂的体系进行了构建和模拟,从微观分子层面研究了聚合物粘结剂PVP,PAM和PVA的部分性质,比如密度、内聚能及力学性能,并对三种粘结剂的性能参数进行了比较,对其内在关系进行了揭示。此外,还通过建立粘结剂与羟基磷灰石的界面相互作用模型,对三种粘结剂与羟基磷灰石的界面结合能进行了计算和比较,分析了影响高聚物粘结特性的根本原因。这一工作不仅对常用粘结剂的基本性质进行了预估,而且对骨支架粉末粘结工艺中粘结剂的选择提供了理论依据。     

钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与皮质骨界面的切向微动损伤研究

通过体外模拟切向微动行为,探究两种生物固定材料-钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与皮质骨界面之间的微动摩擦磨损机理,建立钛珠涂层和羟基磷灰石涂层与骨组织生物固定界面的微动-松动-骨损伤的关系. 结果表明,界面处于部分滑移区时,弹塑性协调作用起主导,固定界面不易产生松动,皮质骨表面损伤以剥落为主,表面损伤较小. 增大微动位移幅值,界面摩擦系数增大,皮质骨的损伤增大. 同时,划分出了钛珠涂层和羟基磷灰石涂层部分滑移区的工况分界线. 通过对比两种材料的摩擦磨损机理,钛珠涂层与皮质骨界面固定效果较好,羟基磷灰石涂层与皮质骨界面损伤较小. 结果对人工关节生物固定起到一定的参考作用.      

骨细胞培养过程对羟基磷灰石力学性质影响的研究

采用数字图像相关方法研究骨细胞对人造羟基磷灰石力学性质的影响.采用了三种试样:羟基磷灰石试样、培养了骨细胞的羟基磷灰石试样、用戊二醛溶液浸泡的羟基磷灰石试样(与培养骨细胞同样环境但不培养骨细胞).研究得到了试样完整的应力-应变曲线;同时测出弹性模量和泊松比,还测量了压缩极限应力.实验结果表明试样的应力-应变曲线在断裂前呈良好的线性关系;戊二醛溶液不影响羟基磷灰石的弹性模量和泊松比,但会使压缩极限应力降低;骨细胞培养过程能使羟基磷灰石材料的弹性模量和强度增加(所培养的骨细胞约占表面积3.75%).对照显示,羟基磷灰石培养骨细胞后其弹性模量增加了15.2%,压缩极限应力增加了26.1%.     

碳纤维增强羟基磷灰石/聚乳酸复合生物材料的制备和力学性能

为了提高羟基磷灰石粒子和碳纤维与聚乳酸之间的粘接力和相互作用力,对羟基磷灰石和碳纤维分别进行表面改性.羟基磷灰石采用表面接枝聚乳酸的方法,结果在红外谱图中1740cm-1处出现了羰基的吸收峰,经热失重分析接枝率达到5%.碳纤维则用硝酸进行氧化处理后表面变粗糙,有效地提高了与聚乳酸基体的界面结合力.采用溶液共混-热压方法制备了碳纤维增强羟基磷灰石/聚乳酸三元复合生物材料,研究了其剪切强度随羟基磷灰石含量和体外降解时间的变化关系.复合材料的剪切强度随HA含量的增加存在一个峰值,最大剪切强度为340MPa.在37℃ PBS模拟体液中体外降解16周后,剪切强度维持在190MPa左右,有很好的强度保持性,观察复合材料的微观结构发现,聚乳酸降解后碳纤维和基体之间的界面出现空隙.     

碳纤维增强羟基磷灰石/聚乳酸复合生物材料的制备和力学性能

为了提高羟基磷灰石粒子和碳纤维与聚乳酸之间的粘接力和相互作用力，对羟基磷灰石和碳纤维分别进行表面改性。羟基磷灰石采用表面接枝聚乳酸的方法，结果在红外谱图中1740cm^-1处出现了羰基的吸收峰，经热失重分析接枝率达到5％。碳纤维则用硝酸进行氧化处理后表面变粗糙，有效地提高了与聚乳酸基体的界面结合力。采用溶液共混-热压方法制备了碳纤维增强羟基磷灰石／聚乳酸三元复合生物材料，研究了其剪切强度随羟基磷灰石含量和体外降解时间的变化关系。复合材料的剪切强度随HA含量的增加存在一个峰值，最大剪切强度为340MPa。在37℃PBS模拟体液中体外降解16周后，剪切强度维持在190MPa左右，有很好的强度保持性，观察复合材料的微观结构发现，聚乳酸降解后碳纤维和基体之间的界面出现空隙。     

升温条件下偏高岭土基地质聚合物粘结剂的粘结性能研究

结构加固中应用的环氧树脂等有机粘结剂的耐高温性不足,升温条件下易丧失力学性能导致结构失效。本文以偏高岭土基地聚物作为无机粘结剂,通过不同温度下的钢-钢拉伸剪切试验和表层嵌贴CFRP-混凝土拔出试验,考察地聚物粘结剂在升温条件下的粘结性能变化规律。试验结果表明:在常温环境下,树脂粘结剂的粘结性能优于地质聚合物粘结剂的粘结性能;但在本文试验设置的升温条件下,树脂粘结剂试件的粘结承载力明显下降,而地质聚合物粘结剂试件的粘结承载力则基本不受温度变化的影响。对粘结界面的粘结滑移本构关系的分析表明,随着温度升高,树脂粘结剂的最大粘结应力逐渐降低,其对应的滑移量也有所增大;与之相比,地聚物粘结剂的最大粘结应力及滑移均未随温度升高发生显著变化,证明了地聚物粘结剂的粘结性能对本文试验温度不敏感。这表明地质聚合物具有较好的耐高温性能,有发展无机粘结剂的潜力。     

粉末注射成形中偏析效应及其影响的数值模拟

在金属或陶瓷粉末注射成形中,由于粉末与粘结剂的密度差异,二者在高速充模的过程中会产生局部比例变化,即偏析现象.针对偏析现象,采用两相流注射模型,将注射喂料视为由粉末相和粘结剂相组成的混合流体,预测注射成形坯件中粉末相和粘结剂相的分布.将结果引入到后续的烧结模拟中,宏观烧结模型采用基于热弹粘塑性的本构关系.据此模拟产品在烧结过程中发生的收缩和变形以及预测产品在烧结过程中现场强度(In-situ strength).模拟结果说明注射坯件的非匀质性导致产品的烧结过程中产生非均匀收缩和内部应力的大幅度上升,影响产品的精度和性能.这种从注射到烧结的模拟体系可用于优化粉末注射成形工艺的喂料设计、模具设计以及注射和烧结工艺参数的选取.     

皮下组织对羟基磷灰石力学性质的影响

将羟基磷灰石试样植入大白鼠的皮下组织20\,d后取出,然后采用数字图像 相关方法研究纤维组织对人造羟基磷灰石的力学性质的影响. 测量了两种试样：植入大白鼠 皮下组织的羟基磷灰石试样和未经植入的羟基磷灰石试样. 得到了羟基磷灰石完整的应力- 应变曲线;还测量了压缩极限应力. 实验结果表明羟基磷灰石的应力-应变曲线在断裂前呈良 好的线性关系;皮下纤维组织能使羟基磷灰石材料的弹性模量和强度增加, 20\,d后使羟基磷 灰石的弹性模量增加了29.06{\%}, 压缩极限应力增加了28.71%.     

FRP-混凝土界面粘结行为的参数影响研究

FRP-混凝土界面的粘结性能对FRP加固混凝土结构力学行为和破坏模式有着重要影响。本文对表征FRP-混凝土界面粘结性能的三个重要参数(界面初始刚度、最大剪应力、界面破坏能)开展研究,通过13个单剪试件的试验考察了混凝土强度、胶层厚度和粘结长度等因素对界面粘结行为的影响,根据试验结果拟合了界面破坏能、最大剪切应力与胶层剪切刚度、混凝土强度之间的函数关系。在试验研究基础上,构建了外贴FRP-混凝土界面粘结的有限元模型。通过有限元分析考察了界面破坏能等三个参数不变的前提下,不同的局部粘结滑移本构关系对界面粘结行为的影响;进而研究了其中一个参数变化时引起的界面粘结性能改变。研究结果表明:界面粘结承载力随着胶层厚度增加而逐渐提高;胶层厚度与界面破坏能成正比,与峰值剪应力成反比;当界面破坏能等三个参数保持不变时,局部粘结滑移本构关系对FRP-混凝土界面粘结性能的影响较小;三个参数中的一个增大时将延缓界面破坏的过程。     

纤维增强混凝土材料的界面剪应力分布研究

针对纤维与混凝土界面的破坏过程,提出了几种简化的粘结-滑移本构模型,以双线性局部粘结-滑移本构模型为基础,在受力平衡和变形协调的基本原理基础上,推导了纤维脱粘过程中界面剪应力的解析解.采用弹簧粘结单元,通过数值方法模拟了纤维与混凝土之间的粘结-滑移过程,给出了纤维与混凝土界面脱粘过程中界面剪应力的分布、变化情况.对解析解、有限元计算结果和试验结果之间的差异进行了对比分析,验证了简化模型的合理性和有效性.     

全长锚固锚杆锚固单元力学性能实验研究

锚固单元的传力特性是影响全长锚固锚杆支护能力的重要因素。由于锚固单元界面构成复杂,本文主要考虑锚杆与粘结材料及其界面的力学特性,开展锚固单元界面剪切力学实验研究。实验结果表明,砂浆强度直接影响界面的峰值强度和剪切刚度;采用相同强度砂浆,界面的峰值强度、剪切刚度和残余剪切强度都与法向应力成正比;在相同法向应力作用下,剪切速率增加引起峰值剪切强度增大,但对残余剪切强度影响较小。依据实验剪切应力–位移曲线将锚固单元与岩石间界面的解耦过程分为“峰前–软化–滑移”三阶段,非连续变形分析方法数值模拟结果表明,加载初期的损伤主要受粘结材料抗拉强度的影响,临近峰值阶段与粘结材料张剪混合破裂相关;软化阶段和滑移阶段主要受粘结材料剪切特性和颗粒形状的影响;引入实验所获得的三线滑移模型曲线到全长锚固锚杆模型,模拟拔出数值实验结果表明较快拔出速率将影响锚杆变形能力。     

固化温度对碳纤维/环氧基体界面行为影响的分析

对界面粘结性能及热残余应力影响下的单纤维复合材料的界面行为进行了分析。采用界面的弹性-软化内聚力模型,用解析法对单纤维复合材料由固化引起的热残余应力、以及单纤维碎断过程纤维的轴向应力分布进行了模拟,得到了碳纤维/环氧树脂在常温和高温固化两种情况的界面粘结性能。结果表明：与常温固化相比,高温固化后,界面的剪切强度增幅不大,界面的断裂韧性显著增加;高温固化后形成的界面,使界面的软化提前、界面的脱粘延迟;高温固化产生的纤维轴向和界面径向热残余应力对界面的软化均有延迟作用;界面径向热残余应力还对界面的脱粘有延迟作用。     

钢筋与混凝土粘结本构关系数值模拟

钢筋与混凝土间的粘结本构关系是混凝土结构弹性有限元分析的基础之一.针对这一基本问题,本文提出了通过数值模拟方法研究粘结本构关系的思路.采用不连续介质力学问题的界面元法,编制了在维问题的界面元分析程序,用以对混凝土结构中钢筋与混凝土界面的粘结性能进行细观力学分析.通过对两类测量粘结应力及滑移的典型试件(单端拉拔试件和两端对拉试件)的分析,表明计算结果与试验结果吻合良好.     

尼龙粉末在SLS预热温度下的离散元模型参数确定及其流动特性分析

尼龙粉末是增材制造中常用的粉体材料,温度对其流动性有重要影响.探索尼龙粉末增材制造预热温度下的流动性是研究选择性激光烧结(selective laser sintering, SLS)工艺中粉体铺展成形的基础.选取SLS技术中的尼龙粉末为原材料,采用离散元数值方法,研究尼龙粉末的流动行为,是增材制造工艺数值模拟和铺粉工艺优化的研究热点.以Hertz-Mindlin模型为基础,基于Hamaker理论模型和库伦定律,在尼龙粉末的接触动力学模型中引入范德华力和静电力,建立预热温度下尼龙粉末流动的离散元模型(discrete element method,DEM),通过对比相应实验结果,标定了该模型的参数.对加热旋转圆筒中尼龙粉末流动过程进行了DEM数值模拟,校核了所建模型的正确性,并研究了粉体粒径分布对尼龙粉末流动特性的影响规律.研究表明,尼龙粉末黏附力是静电力与范德华力的共同作用结果;随着粉体粒径的增大,尼龙粉末崩塌角增大,流动性增强;相对于高斯粒径分布,粒径均匀分布的尼龙粉末颗粒流动性更强.研究结果可指导SLS中铺粉工艺的优化.     

计算有机粘结固体润滑涂层配方的计算机程序——Ⅰ.计算粘结剂与固体润滑剂比例的程序

作者介绍了填料在粘结涂层中随机紧密填充的物理模型及数学模型,并且根据这一模型、固体润滑剂的粒度分布、油吸附体积和粘结剂与固体润滑剂的密度,编制了计算粘结固体润滑涂层内有机粘结剂与固体润滑剂最佳配比的计算机程序。文章对这些程序及使用和计算结果作了简明的介绍,同时还对固体润滑剂在涂层中的分布及其对涂层摩擦磨损的影响进行了讨论。     

尼龙粉末在SLS预热温度下的离散元模型参数确定及其流动特性分析

尼龙粉末是增材制造中常用的粉体材料,温度对其流动性有重要影响. 探索尼龙粉末增材制造预热温度下的流动性是研究选择性激光烧结(selective laser sintering, SLS)工艺中粉体铺展成形的基础. 选取SLS技术中的尼龙粉末为原材料,采用离散元数值方法,研究尼龙粉末的流动行为,是增材制造工艺数值模拟和铺粉工艺优化的研究热点. 以Hertz-Mindlin模型为基础,基于Hamaker理论模型和库伦定律,在尼龙粉末的接触动力学模型中引入范德华力和静电力,建立预热温度下尼龙粉末流动的离散元模型(discrete element method, DEM),通过对比相应实验结果,标定了该模型的参数. 对加热旋转圆筒中尼龙粉末流动过程进行了DEM数值模拟,校核了所建模型的正确性,并研究了粉体粒径分布对尼龙粉末流动特性的影响规律. 研究表明,尼龙粉末黏附力是静电力与范德华力的共同作用结果;随着粉体粒径的增大,尼龙粉末崩塌角增大,流动性增强;相对于高斯粒径分布,粒径均匀分布的尼龙粉末颗粒流动性更强. 研究结果可指导SLS中铺粉工艺的优化.      

钢筋与混凝土粘结本构关系的数值模拟

钢筋与混凝土间的粘结本构关系是混凝土结构弹塑性有限元分析的基础之一。针对这一基本问题，本文提出了通过数值模拟方法研究粘结本构关系的思路。采用不连续介质力学问题的界面元法，编制了三维问题的界面元分析程序，用以对混凝土结构中钢筋与混凝土界面的粘结性能进行细观力学分析。通过对两类测量粘结应力以及滑移的典型试件(单端拉拔试件和两端对拉试件)的分析，表明计算结果与试验结果吻合良好。     

结晶特性与制造工艺对炸药件力学性能的影响

通过对塑料粘结炸药(PBX)在压制、热老化及贮存中炸药HMX、TATB和粘结剂F的性能变化规律的研究,揭示了加工和贮存条件对炸药件的力学性能的影响。得出如下结论:1)随着老化温度的提高,粘结剂F结晶度增加。TATB基PBX炸药经老化后力学性能没有明显变化,说明粘结剂结晶度和炸药颗粒度的变化对炸药总体性能影响不大。2)钢模压制的TATB基PBX药柱在经历多次温度循环后,TATB与粘结剂F界面的作用有所减弱,药柱内部产生由脱粘引起的缺陷,其力学强度下降。TATB基PBX药柱的力学强度与模量均随着环境温度的升高而呈下降趋势,而等静压成型能明显改善TATB基PBX的力学性能。     

细观尺度下塑料粘结炸药热点生成的初步模拟

采用有限元与离散元相结合的方法模拟了塑料粘结炸药在冲击载荷下热点生成的细观过程,计算中炸药晶体采用有限元法,粘结剂采用离散元法。结果表明热点多集中在晶体间变形较大的粘结剂部分,粘结剂与晶体间冲击波的相互作用是热点生成的重要原因;HMX晶体温度明显低于粘结剂,且晶体边界温度高于内部温度。     

微粘结实验影响因素的边界元法分析

微粘结实验是一种新的简便的测量复合材料界面剪切强度的方法，本文运用数值方法－边界单元法，对一个实际试件进行了界面应力计算，讨论了材料常数，刀口宽度和新月尖角三种主要因素对界面应力分布可能产生的影响，从而为实验结果分析，实验方法改进和评估提供依据。