温度梯度对热致型形状记忆聚合物板力学性能的影响

形状记忆聚合物作为一种新型的智能材料,由于质量轻、成本低以及变形回复率大等优势,已经在航空、医学等领域得到广泛应用。当前对于热致型形状记忆聚合物力学行为的研究,大都集中在整体变温的情况下,随着应用环境的越来越广泛,温度梯度对材料力学性能的影响效果越发重要。本文在均匀应力的假设下,给出材料在不同初始和传热条件下的温度梯度分布情况,结合传热学和热致型形状记忆聚合物相变理论本构模型,分别讨论了不同温度梯度对存储应变、弹性模量等力学性能的影响,通过理论分析和实验数据对比验证了模型正确性。本文研究可为不同导热情况下,对热致型形状记忆聚合物力学行为监测提供思路,也为形状记忆聚合物的进一步工程应用提供理论依据。     

火星引力捕获动力学与动态误差分析

火星探测的制动捕获机会唯一,是影响任务成败的关键. 从限制性三体问题出发,推导了火星引力球、作用球与希尔球半径的计算公式,比较了三者的特点与适用范围,并结合作用球的定义与物理意义,给出了一种火星探测制动捕获段的工程定义. 在作用球范围内建立了火星制动捕获段动力学模型,给出了对捕获轨道精度产生影响的各项误差源. 通过蒙特卡洛仿真,定量分析了导航初始误差、发动机推力误差、制动点火时间误差等对捕获轨道近火点与远火点高度的影响,并对不同误差源可能导致的超差概率进行了分析,指出了影响捕获精度的主导误差源,可为我国未来火星探测制动捕获段的任务实施提供参考.      

原子氧辐照对填充聚酰亚胺复合材料结构和摩擦学性能的影响

采用热压成型制备了固体润滑剂填充改性的聚酰亚胺(PI)复合材料,用一定剂量的原子氧对改性的PI复合材料表面进行辐照处理.利用X-射线光电子能谱仪(XPS)和傅里叶红外光谱仪(FTIR-ATR)分析了辐照前后PI复合材料的结构变化,并采用UMT摩擦磨损试验机评价了原子氧辐照前后改性PI复合材料的摩擦学性能,最后用扫描电子显微镜(SEM)分析了PI复合材料的磨损表面.结果表明:原子氧辐照后PI复合材料的树脂以及填充相发生了一定程度的氧化,其表面树脂分子链发生了部分断裂和降解,表面粗糙、碎屑增多,导致复合材料的摩擦系数增大,摩擦学性能下降,辐照前后复合材料的磨损机理发生了变化,辐照前复合材料主要表现为黏着磨损,辐射后表现为轻微犁削和磨粒磨损.     

SMA本构模型及其应用的研究进展

形状记忆合金(SMA)是一类应用前景广阔的智能材料系统, 其最基本的宏观响应特性是在不同温度和应力条件下的相变超弹性和形状记忆特性.近年来, 形状记忆合金本构模型发展迅速, 其在工程结构振动控制领域中的研究和应用也得到了广泛地关注.与此同时, 许多学者将SMA用于当前迅速发展的智能材料结构,发展了一系列SMA复合材料本构模型, 成为目前SMA的应用研究的热点.本文针对形状记忆合金本构模型的发展状况, 首先回顾了近年来常用的和新发展的SMA本构模型, 并根据其包含的力学特点和基本理论将其进行了比较归类, 分析了各类模型特点和适用范围;其次从微/宏观角度介绍了有广阔应用前景的SMA智能复合材料的本构模型的发展状况;接着简要的综述了几类较为实用的SMA本构模型在实现结构的主/被控制、变形控制及结构裂纹诊断与控制等方面的应用现状.最后对目前本构模型的发展趋势、工程应用问题提出了一些看法和展望.      

火星探测器进入飞行气动测量方法研究

在火星探测任务的进入飞行过程中,开展气动测量将获取大量宝贵的气动特性数据,一方面可以验证进入探测器气动外形,掌握其准确的气动特性,另一方面,可以积累详实的火星大气数据,为后续任务提高落点精度等飞行性能提供支持. 本文针对火星探测器进入飞行任务,基于弹道重建和嵌入式大气数据传感系统(flushair data system, FADS),提出火星探测器进入飞行过程中的气动测量方法. 通过融合火星进入外测弹道信息,利用输出误差法实现攻角、侧滑角的高精度测量;基于嵌入式大气数据传感系统,利用最小二乘最优估计算法,建立了进入飞行动压的测量方法. 仿真分析表明,气动测量方案精度高,进入动压测量精度优于1%,攻角和侧滑角测量精度相较于当前火星探测器进入气动测量而言,至少提升1 个量级. 研究结果将为火星探测等深空探测任务的进入飞行气动测量提供技术参考.      

聚合物基复合材料摩擦学改性研究新进展

总结了国内外近几十年来聚合物基复合材料摩擦学改性方面的研究新进展情况.通过介绍聚合物摩擦学改性方法包括聚合物共混改性、纤维增强改性,以及纳米材料改性和多元复合改性等,讨论了其对聚合物摩擦学性能的影响,分析了其摩擦磨损机理.分析认为功能性纳米材料及多元复合填料的协同效应能更加有效地改善聚合物基复合材料的摩擦磨损性能,并且在聚合物摩擦学改性方面起着越来越重要的作用.     

γ射线辐照聚四氟乙烯复合材料的结构和摩擦磨损性能研究

通过γ射线辐照聚苯酯改性聚四氟乙烯(PTFE/POB)复合材料,利用红外光谱、X射线衍射、DSC等对辐照前后材料的化学组成、结晶结构等进行了表征,并与γ射线辐照纯PTFE材料作对比,考察了热稳定性能、拉伸性能和摩擦磨损性能. 结果表明:γ射线辐照并未造成PTFE/POB 材料的化学组成和热稳定性能的明显变化,但使得PTFE分子量降低,结晶度增大;相比纯的PTFE材料,POB的加入一定程度上提高了PTFE的抗辐照能力,延缓了PTFE分子量下降程度和再结晶化能力. 辐照对PTFE/POB材料的耐磨性能影响并不显著,但摩擦系数均有不同程度的降低,且随着辐照剂量的增大,呈现先增大后减小的变化趋势,这与辐照后PTFE的分子量、结晶度及带晶尺寸变化,以及POB自身的抗辐照能力等密切相关.      

第3届全国深空轨道设计竞赛的通知

深空探测已成为当前航天领域的主要发展方向之一.未来30年我国将逐步开展火星、金星、小天体和其他深空探测活动.深空轨道设计对深空探测任务具有巨大的支撑作用.深空飞行轨道的时间、空间尺度很大,优化方法多样以及可选的方     

智能复合材料的应用与力学研究进展

介绍了智能材料和智 能复合材料的基本概念、主要类型以及智能材料的感知与驱动机理,重点介绍了智能复合材 料当前的应用情况,并简要阐述了智能复合材料领域当前研究的热点问题,介绍了该领域中 的多物理场耦合问题及CNT/SMP复合材料性能的研究现状,展望了智能复合材料的发展前景.     

深空探测自主导航技术综述

深空探测自主导航技术在减少地面测控负担, 提高探测器的生存能力和扩展探测器的特殊应用潜力等方面具有独特的优势, 自主导航在国外的深空探测活动中已经成功验证并逐步开始在实际任务中应用, 未来的自主导航技术将成为深空探测技术发展的一种必然趋势. 由于我国测控资源有限, 在我国的深空探测规划中, 发展自主导航技术将显得更为重要. 在我国即将开展火星和小行星探测计划的背景下, 本文综述了国外深空探测自主导航技术研究状况, 以及在一些探测任务中的试验和应用情况, 并对每个探测活动进行了简要概括;其次, 本文调研了国外自主导航系统中所采用的光学敏感器设备;最后, 结合"深空1号"任务巡航段基于小行星的光学自主导航, 分析提出了深空探测自主导航中需要掌握的关键技术, 并对相应的技术在国内外研究情况进行了总结.     

TiNi形状记忆合金变形特性实验研究

给出了一种ＴｉＮｉ形状记忆合金（多晶）的单轴拉压、循环拉伸加卸载、形状记忆效果、恢复力、相变塑性变形及拉压。扭转比例、非比例加卸载的实验结果，实验结果显示，其变形特性非常不同于普通的弹塑性材料：如Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ效果提前，甚至于会出现于卸载阶段；低温下的残余变形会在加热后消失；恒载下冷却时产生相当大的塑性变形（相变塑性变形）且在加热时消失等等。多轴加载实验结果表明，比例加载时该材料的加载屈服面及卸载屈服面都基本满足Ｍｉｓｅｓ准则，但非比例加载时则不然。     

A new view on transformation induced plasticity (TRIP)

The phenomenon of transformation induced plasticity (TRIP) in steel is reinvestigated both experimentally and theoretically. The irreversible length change (TRIP strain) consists not only of a plastic contribution (“Greenwood–Johnson” effect) but also of a contribution due to the length change caused by the transformation shear component of the martensitic variants (orientation effect or “Magee” effect). This orientation effect, which is fully accepted for shape memory alloys, is explained for steels. Micromechanical investigations help to quantify the orientation effect. Finally a proposal for a modified constitutive law for elastic plastic phase changing materials is presented.     

Self-shaping of bioinspired chiral composites

Self-shaping materials such as shape memory polymers have recently drawn considerable attention owing to their high shape-changing ability in response to changes in ambient conditions, and thereby have promising applications in the biomedical, biosensing, soft robotics and aerospace fields. Their design is a crucial issue of both theoretical and technological interest. Motivated by the shape-changing ability of Towel Gourd tendril helices during swelling/deswelling, we present a strategy for realizing self-shaping function through the deformation of micro/nanohelices. To guide the design and fabrication of selfshaping materials, the shape equations of bent configurations, twisted belts, and helices of slender chiral composite are developed using the variation method. Furthermore, it is numerically shown that the shape changes of a chiral composite can be tuned by the deformation of micro/nanohelices and the fabricated fiber directions. This work paves a new way to create self-shaping composites.     

功能铁磁材料的变形与断裂的研究进展

综述了近几十年, 特别是近十几年来铁磁材料的力磁耦合变形与断裂行为的研究概况. 传统铁磁弹性问题的研究已经有较长时间的积累, 文献中已有大量的研究结果发表. 近些年 来, 随着智能材料及结构应用与研究的兴起, 功能铁磁材料如稀土超磁致伸缩材料、铁磁相 变材料以及铁磁复合材料等的力学行为越来越受到重视, 人们在功能铁磁材料的变形与断裂 以及铁磁复合材料的有效性质等方面开展了大量的研究工作. 本文在简单介绍了经典铁磁弹 性和传统铁磁结构的力磁性能的研究背景基础上, 结合作者近年来在铁磁材料变形与断裂方 面所开展的工作, 着重评述了功能软铁磁材料在变形与断裂的实验研究,如实验设备和技术, 以及铁磁复合材料细观力学、软铁磁材料、铁磁功能材料的变形与断裂理论等方面的研究进 展, 并指出了需要进一步研究的方向.     

Experimental and Theoretical Simulation of Heterogeneous Catalysis in Aerothermochemistry (a Review)

The design of aerospace vehicles has required the solution of radically new scientific and technological problems. One of the important problems has been to create reusable heat shield materials. In [1, 2] information concerning the methods and results of solving these problems, including the development of composites from ultrathin quartz fibers and carbon-carbon materials for the “Buran” orbital vehicle heat shield, was presented. The basic thermophysical characteristics of these materials include both the rate or probability coefficients of heterogeneous nitrogen and oxygen atom recombination and the accommodation coefficients of energy recombination at high surface temperatures. In the present paper the experimental and computational aspects of determining these parameters, which are also of interest for new heat shield materials for future space transport systems, are discussed.     

形状记忆聚合物力学行为及其物理机制

形状记忆聚合物是一类环境响应主动形变智能软材料,是智能材料与结构领域的新兴研究内容之一。宏观概括其物理和力学行为的研究热点,主要包括三个方面：材料与环境之间的信息交换（如热量、能量等）,主动形变控制（如驱动方法、形变行为本构建模等）,软材料及其结构力学（如相变/转变热力学、复合材料设计等）。形状记忆聚合物的记忆效应源于分子链段本征结构的热运动,受外场激励影响,是分子链段结构（包括构型和构象）松弛行为的宏观表象,遵循Arrhenius定律。本文从物理和力学两方面讨论了形状记忆聚合物的分子链段热力学行为及其熵弹效应、分子结构松弛力学行为、环境效应记忆行为的物理和力学机制,系统地对形状记忆聚合物分子结构本征属性及其物理机理、记忆效应转变机制及其力学内涵、温度记忆效应、多场耦合效应响应行为等热点和难点问题进行了分析和讨论。最后,论文展望了形状记忆聚合物力学行为研究的未来发展方向。     

A finite deformation thermomechanical constitutive model for triple shape polymeric composites based on dual thermal transitions

Shape memory polymers (SMPs) have gained strong research interests recently due to their mechanical action that exploits their capability to fix temporary shapes and recover their permanent shape in response to an environmental stimulus such as heat, electricity, irradiation, moisture or magnetic field, among others. Along with interests in conventional “dual-shape” SMPs that can recover from one temporary shape to the permanent shape, multi-shape SMPs that can fix more than one temporary shapes and recover sequentially from one temporary shape to another and eventually to the permanent shape, have started to attract increasing attention. Two approaches have been used to achieve multi-shape shape memory effects (m-SMEs). The first approach uses polymers with a wide thermal transition temperature whilst the second method employs multiple thermal transition temperatures, most notably, uses two distinct thermal transition temperatures to obtain triple-shape memory effects (t-SMEs). Recently, one of the authors’ group reported a triple-shape polymeric composite (TSPC), which is composed of an amorphous SMP matrix (epoxy), providing the system the rubber-glass transition to fix one temporary shape, and an interpenetrating crystallizable fiber network (PCL) providing the system the melt-crystal transition to fix the other temporary shape. A one-dimensional (1D) material model developed by the authors revealed the underlying shape memory mechanism of shape memory behaviors due to dual thermal transitions. In this paper, a three-dimension (3D) finite deformation thermomechanical constitutive model is presented to enable the simulations of t-SME under more complicated deformation conditions. Simple experiments, such as uniaxial tensions, thermal expansions and stress relaxation tests were carried out to identify parameters used in the model. Using an implemented user material subroutine (UMAT), the constitutive model successfully reproduced different types of shape memory behaviors exhibited in experiments designed for shape memory behaviors. Stress distribution analyses were performed to analyze the stress distribution during those different shape memory behaviors. The model was also able to simulate complicated applications, such as a twisted sheet and a folded stick, to demonstrate t-SME.