全固态锂电池界面的机械失效模型综述

全固态锂电池具有高能量密度和高安全性能等优点,有望替代传统锂电池成为下一代可移动储备．然而,全固态结构也给这种新型电池的应用带来全新的挑战,阻碍其商业化的进程,其中很重要的一个挑战就是机械不稳定性．首先,尽管固态电解质具有较高刚度与强度,理论上应该可以阻挡锂枝晶的穿透,但在其使用过程中仍能观察到锂枝晶的生长,这与高刚度电解质可抵制锂枝晶生长的理论相悖．其次,与液态电解质相比,固态电解质刚度大,在电极活性材料充放电时不能始终保持与活性材料的有效接触,可能导致活性颗粒和电解质的界面分层．因此,解释这些现象并提供解决策略对促进全固态锂电池的广泛应用至关重要．本文旨在总结近年来关于全固态锂电池不同界面处机械失效的力化耦合模型,主要包括以下两个方面：(1) 锂金属负极与固态电解质界面处锂枝晶的形成与生长;(2) 活性颗粒锂化/脱锂化引起的界面分层和破裂．本文从理论模型的角度总结了全固态锂离子电池中不同界面上的机械失效行为,旨在为全固态锂离子电池的模型建立与结构优化提供借鉴思路．     

损伤演化对韧性金属碎裂过程的影响

固体在冲击拉伸载荷作用下会断裂成多个碎片,基于线性内聚力断裂假设的Mott-Grady模型能较好地预测碎裂过程所产生的平均碎片尺度的下限。然而实际上,韧性金属的损伤演化是多元化的,为此通过数值模拟方法研究了不同损伤演化规律对韧性碎裂过程的影响。利用ABAQUS/Explicit动态有限元软件数值再现了韧性金属杆（45钢）在高应变率下拉伸碎裂的过程,分析了线性和非线性损伤演化对韧性碎裂过程的影响规律。结果表明：损伤演化规律对韧性金属的碎裂过程具有显著影响,非线性指标α越大,碎裂过程产生的碎片数越少;Grady-Kipp碎裂公式仍能在一定范围内预测韧性碎裂过程中产生的碎片尺寸;当非线性指标α远大于零时,在较低冲击拉伸载荷作用下,数值模拟结果和Grady-Kipp模型预测值偏差较大,随着应变率增大,数值模拟结果与Grady-Kipp模型预测值吻合较好。

     

Research progress in degradation mechanism of silicon anode materials for lithium-ion batteries

硅负极材料由于具有非常高的理论比容量,使之成为锂离子电池极具前景的负极替代材料,然而,硅负极材料在充放电过程中会发生非常大的体积变形,这会引起活性材料的破坏失效,严重影响其电化学循环性能,成为制约其在锂离子电池领域广泛应用的最大瓶颈,本文介绍了硅负极材料的不同结构形态及其在充放电过程中电化学性能的退化机理,并综述了充放电过程中的力学性能演化、相关理论分析、数值模拟计算等方面的最新国际研究进展,展望了硅负极材料力学失效方面的研究重点,     

聚四氟乙烯增强氧化铝胶黏陶瓷涂层腐蚀磨损行为

为了有效改善氧化铝胶黏陶瓷涂层的腐蚀磨损特性及摩擦学性能,将聚四氟乙烯(PTFE)添加到氧化铝胶黏陶瓷涂层中,从而改善其腐蚀磨损特性及摩擦学性能.采用料浆法技术在A4钢基体表面制备了不同PTFE含量的胶黏陶瓷涂层,采用动电位极化曲线及电化学阻抗谱分析技术测试了不同组别胶黏陶瓷涂层耐腐蚀性能,利用材料表面性能综合测试仪分析了不同组别胶黏陶瓷涂层的摩擦学性能,并通过超景深三维显微镜表征了其腐蚀磨损形貌参数.相较于未添加PTFE,添加质量分数为0.2%PTFE的氧化铝胶黏陶瓷涂层耐腐蚀性能最为优异.当陶瓷涂层中PTFE的质量分数为0.2%时,A4钢表面涂层的腐蚀电流密度将从6.611×10^-7 A/cm²降低至6.29×10^-8 A/cm²,同时涂层的腐蚀电位将从2×10^-3 V显著增加到8.9×10^-2 V,主要归结于涂层CBPC2阻碍了O₂及Cl^-渗透,使渗透路径更加曲折,抗电解质渗透能力较强.与此同时,H     

考虑纤维断裂特征的Nb3Sn股线统计拉伸强度和失效概率

Nb₃Sn 超导复合股线在强磁场工程中有着重要的应用,其拉伸强度为保证和评估其长期服役安全的一个关键参数。本文从 “剪滞”理论出发,利用基于Weibull/Possion统计理论的复合材料纤维断裂的Curtin-Zhou模型,较好地描述复合股线中Nb₃Sn超导纤维碎片化过程,建立了分析超导复合股线统计拉伸强度和失效概率的模型。计算结果表明,青铜法Nb₃Sn超导复合股线的拉伸强度随着初始损伤参数的增大而迅速减小;在4.2K服役温度下,当Weibull模量为8时,随着初始损伤参数的增加,股线的拉伸强度约从900MPa衰减至480MPa,与已有实验结果吻合良好;初始损伤参数约为1时,正规化方差最大。初始损伤和Weibull模量对Nb₃Sn复合股线统计拉伸强度和失效概率函数的分布有着显著影响。     

高冲击下引信用固态钽电容的参数变化

通过实验研究分析了高冲击载荷对固态钽电容器电容量、漏电流等电参数的影响。结果显示,钽电容电参数随着冲击载荷的升高,电容量增大,同时漏电流呈指数型升高。冲击过后,钽电容电参数可恢复至原来的量级。冲击载荷引起钽电容电参数变化的机理为:冲击引起的钽电容的弹性变形使电容量增大,冲击引起的介质层Ta₂O₅中的微裂缝以及冲击引发的介质层中陷阱浓度的增大使漏电流升高。     

基于损伤-虚拟张拉裂纹模型的地下爆炸围岩破坏规律研究

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间,有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制,提出了一种基于岩石HJC (Holmquist-Johnson-Cook)模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性,并在此基础上,通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟,分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明：插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足,且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤,能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例,根据数值模拟结果,填实（耦合装药）爆炸时围岩分区破坏规律明显,破碎区比例半径为0.26 m/kg^1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg^1/3。随着硐室尺寸的增大,空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用,比例半径达到0.52 m/kg^1/3时,可以实现爆炸荷载的完全解耦。

     

单轴循环冲击下弱风化花岗岩的损伤演化

为研究爆破应力波作用下弱风化花岗岩的力学特性和损伤演化机理,利用直径50 mm的改进分离式Hopkinson压杆装置,开展以不同速度对花岗岩进行单次和等速循环冲击下的实验研究。研究结果表明：单次冲击中,用能量法确定的损伤阈值,可用于循环冲击实验中;不同应变率下弱风化岩石裂纹扩展阶段存在应力松弛平台,且随应变率升高而愈发明显,峰值应力与应变率呈正相关。等速循环冲击中,最大应力、应变与冲击速度呈正相关,与岩样累积冲击总次数呈负相关;损伤演化具有3个阶段呈倒S形,由其构建的双参数损伤演化模型拟合效果理想,且具有物理意义;利用模型中的参数α和β可计算中值点处的损伤度和相对循环次数,且与冲击速度正相关;不同损伤变量计算的损伤演化模型不同,合理定义损伤变量是必要的。

     

循环冲击载荷作用下页岩动力学响应及能量耗散特征

采用$\varnothing $50 mm分离式霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验系统开展页岩循环冲击实验,研究不同循环冲击载荷作用下页岩动力学响应及损伤演化特征,同时揭示了控制入射总能量不变条件下,不同气压梯度循环冲击页岩能量演化规律。随着冲击气压升高,试样破裂所需的冲击次数呈线性减少,峰值应力随循环冲击次数的增加先升高后降低,极限应变先减小后增大,试样在循环冲击下表现出先压密后损伤的力学机制。基于Weibull分布的统计损伤模型表明,升高循环冲击气压,试样损伤破坏形式由缓慢劣化逐渐转变为骤然破坏。入射总能量恒定的情况下,通过控制循环入射能量梯度能够产生不同的损伤效果,降压冲击和升压冲击下的能量吸收比均大于恒压冲击下的,且气压梯度的绝对值与能量吸收比呈现正相关性。

     

基于分形理论的高强混凝土动态损伤本构关系

基于高强混凝土（HSC）试块在SHPB冲击实验中的分形损伤演化规律,推导了HSC的分形损伤变量表达式,标定了HSC裂纹的分形维数范围。然后参考ZWT模型,并结合HSC实验过程中的应变率相关性、动态损伤特性及近似恒应变率,推导了分形损伤演化的HSC动态损伤本构方程。采用4组应变率工况下的C60、C80混凝土应力-应变曲线对本构方程进行验证,理论曲线和实验曲线吻合较好。

     

循环加卸载损伤大理岩的动力学特性

利用MTS 815电液伺服岩石实验系统进行上限应力为80%、85%、90%、95%单轴抗压强度的大理岩单轴压缩循环加卸载实验,每种上限应力条件分别设置20、40、60、80次循环。再利用分离式Hopkinson压杆对损伤岩样进行动力学实验。分析了循环加卸载上限应力及循环次数对大理岩塑性应变的影响,揭示了大理岩动态力学参数和破碎吸收能随损伤变量的演化规律。实验结果表明:塑性应变与循环次数呈正相关,且上限应力越大,塑性应变趋于稳定所需的循环次数也会增大;动态单轴抗压强度、动态弹性模量随损伤变量增加呈指数衰减;破碎吸能占比以损伤变量D=0.343为临界点分为两个阶段,D<0.343时,破碎吸能占比稳定在10%左右,数值约为13 J,当D>0.343时破碎吸能占比随损伤变量增加不断增大。研究结果可为岩体工程的设计、施工及支护参数的选取提供参考。     

回转体头部通气入水流场演化与载荷特性数值预报研究

地下硐室作为爆炸危险物的隐蔽贮藏空间，有潜在的内爆炸风险。为研究内爆炸作用下硐室围岩的动态响应机制，提出了一种基于岩石HJC （Holmquist-Johnson-Cook）模型和节理内聚力单元的损伤-虚拟裂纹模型。分析了模拟方法的可靠性，并在此基础上，通过多物质ALE算法对球形硐室内爆炸过程进行数值模拟，分析了围岩损伤范围和分区破坏规律。研究表明：插入内聚力单元弥补了HJC模型无法模拟低静水压力下张拉破坏的不足，且尺寸效应易于处理。模拟方法同时考虑了岩体内张拉裂纹的扩展和岩石材料的塑性损伤，能够真实地反映岩石破坏的全过程。以红砂岩为例，根据数值模拟结果，填实（耦合装药）爆炸时围岩分区破坏规律明显，破碎区比例半径为0.26 m/kg^1/3、裂隙区比例半径为0.47 m/kg^1/3。随着硐室尺寸的增大，空气的间隔作用可以减小爆炸荷载对围岩的损伤作用，比例半径达到0.52 m/kg^1/3时，可以实现爆炸荷载的完全解耦。     

基于CT扫描的环氧树脂基混凝土裂缝观测与冲击损伤演化研究

环氧树脂基混凝土是一种新型路面铺装材料。本文估算了道路使用过程发生"跳车"现象时货车车轮对路面产生的冲击荷载,根据计算结果,利用落锤冲击试验机对含有不同程度初始损伤的环氧树脂基混凝土试件进行多次冲击试验,研究其冲击疲劳现象。为了准确描述环氧树脂基混凝土的初始损伤,采用CT(计算机断层)扫描技术重构了试件的立体图像,对其中的内部裂缝进行了统计,建立了初始损伤裂缝体积占试件体积的百分比与基于材料弹性模量衰减的损伤变量之间的关系。通过追踪经受一定次数冲击后试件的弹性模量,分析了不同程度初始损伤下环氧树脂基混凝土的冲击损伤随冲击次数的变化规律;结合多次冲击荷载下环氧树脂基混凝土弹性模量的衰减,研究了初始损伤对环氧树脂基混凝土冲击疲劳过程中损伤演化规律的影响。     

中应变率拉伸载荷下DZ2车轴钢的动态力学响应与微观组织演变

高速列车运行过程中车轴可能遭受不同程度的冲击载荷作用,导致车轴的结构损伤与破坏,从而影响列车运营安全和服役寿命.因此,明晰冲击载荷下车轴材料的力学响应和变形损伤行为,对高速动车组车轴的运维与设计具有重要意义.论文研究了DZ2车轴钢在中应变率(0.1～100 s^-1)拉伸条件下的力学性能和微观结构演变,揭示了DZ2车轴钢的变形与失效机理,构建了可准确描述DZ2车轴钢力学响应行为的Zerilli-Armstrong模型.结果表明,位错滑移和韧性断裂是DZ2车轴钢塑性变形和失效的主要机制,但由于位错运动状态的改变,其强度的应变率依赖性在不同应变率范围内存在较大差异.当应变率低于10 s^-1时,DZ2车轴钢内的位错密度低,位错运动阻碍作用小,其强度不会随应变率增加而显著变化,具有低的应变率敏感性;而在应变率超过10 s^-1后,DZ2车轴钢内的位错密度大幅度增加,位错运动速率加快,位错短程作用增强,从而增大了材料的变形抗力,材料的强度随应变率增加而增大,表现出显著的应变率强化效应,应变率敏感性也明显提高.与实验数据相一致,Zeri...     

纯钒在冲击加载下的动态拉伸断裂和弹性波衰减特性

利用平板撞击和激光干涉测速技术,实验研究了国产热等静压纯钒在压力5.2~9.0 GPa、拉伸应变率0.47×10⁵~1.19×10⁵ s^-1冲击加载下的层裂特性。结果表明：国产热等静压纯钒具有较强的抗动态拉伸断裂能力,其层裂强度在4.0~5.3 GPa范围,明显高于相似加载条件下文献给出的熔炼钒结果,这主要与热等静压加工工艺下纯钒杂质含量更低、内缺陷更少有关;同时,纯钒层裂强度对冲击压力和拉伸应变率均比较敏感。此外,对弹塑性加载速度剖面的分析发现：在6 mm样品厚度范围,纯钒的弹性波幅值随样品厚度增大而减小,雨贡纽弹性极限随样品厚度的衰减规律较好地满足指数关系σ_HEL=3.246（h_s/h₀）^-0.386,h₀为单位长度。

     

共混高聚物三种不同动态损伤量化方法的比较

以一种聚丙烯与马来酸酐的接枝共聚物(PP-g-MAH)为相容剂的聚丙烯/ 尼龙共混高聚物为例,在SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)装置上进行了高应变率冲击实验,用三种不同的方法对材料内部的动态损伤演化规律进行了研究.其一以冲击后试样的弹性模量降低来表征损伤演化,得到了其损伤值随应变及应变率变化的曲线;其二以应力响应的降低来表征损伤演化,采用基于ZWT(朱-王-唐)非线性粘弹性模型并引入损伤参量的方法来对大变形条件下本构中损伤部分的贡献进行了量化;其三运用BP(Back-Propagation)神经网络技术,预先不作任何本构假定,只根据SHPB试验数据,通过不同的输入输出模式对PP/PA共混高聚物在冲击载荷下的本构响应和损伤演化规律等进行了辨识.在此基础上,对三种不同角度得出的损伤演化研究结果进行了比较和讨论.     

含热冲击预损伤的陶瓷基复合材料损伤本构模型

陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地经受热冲击(较高的热应力梯度)而产生热机械损伤, 因此, 建立含循环热冲击预损伤材料的损伤本构模型, 以描述材料在热机械载荷作用下的力学行为, 对材料结构损伤容限设计与结构完整性评估非常重要. 本文首先对经历了循环热冲击的材料进行单调拉伸损伤实验, 发现对于含循环热冲击预损伤的材料, 其弹性模量的下降与所施加的应变直接相关. 然后在连续介质损伤力学的框架下, 基于平面应力假设, 建立了含循环热冲击预损伤材料的损伤演化模型, 该模型所涉及的参数可通过一个偏轴(45$^\circ$)以及两个正轴(平行于两个主方向)的单调拉伸试验获得. 最后, 采用经典塑性理论对由基体损伤引起的非弹性应变进行了描述. 本文所提出的应变损伤宏观模型可以描述陶瓷基复合材料在热机械载荷作用下的损伤演化, 同时弥补了含预损伤的陶瓷基复合材料在机械载荷下损伤本构模型在理论及实验研究方面的不足.      

双级孔含油轴承油压扩散与表面渗析特性分析

为探究含油轴承基体渗流及压力扩散对接触面间油膜润滑性能的影响，建立双级孔含油轴承系统的渗流润滑模型，研究轴承摩擦面上油膜分布规律与双级孔隙中压力扩散行为，分析摩擦副倾角与轴承表层渗透率变化对油膜润滑性能的影响.结果表明，流体动压力产生于摩擦界面的收敛区，并逐渐由摩擦界面向轴承基体扩散，在油压扩散过程中流体压力的作用面积增大，压力数值降低.油膜的润滑性能随倾角增大或表层渗透率减小而得到改善，相比单层含油轴承，具有致密表层的双级孔含油轴承具有较好的润滑性能.不同表层渗透率下，倾角对油膜摩擦系数的影响差异显著：在本文中计算参数下，当表层渗透率小于7×10^-15 m²时，油膜的摩擦系数随倾角增大而减小；当表层渗透率高于7×10^-15 m²时，油膜的摩擦系数随倾角增大而增大.倾角和表层渗透率影响含油轴承基体中的油液渗流和压力扩散行为，最终使油膜的润滑性能发生改变.研究工作为明晰含油轴承润滑机理提供一定理论依据.     

含热冲击预损伤的陶瓷基复合材料损伤本构模型

陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地经受热冲击(较高的热应力梯度)而产生热机械损伤,因此,建立含循环热冲击预损伤材料的损伤本构模型,以描述材料在热机械载荷作用下的力学行为,对材料结构损伤容限设计与结构完整性评估非常重要.本文首先对经历了循环热冲击的材料进行单调拉伸损伤实验,发现对于含循环热冲击预损伤的材料,其弹性模量的下降与所施加的应变直接相关.然后在连续介质损伤力学的框架下,基于平面应力假设,建立了含循环热冲击预损伤材料的损伤演化模型,该模型所涉及的参数可通过一个偏轴(45°)以及两个正轴(平行于两个主方向)的单调拉伸试验获得.最后,采用经典塑性理论对由基体损伤引起的非弹性应变进行了描述.本文所提出的应变损伤宏观模型可以描述陶瓷基复合材料在热机械载荷作用下的损伤演化,同时弥补了含预损伤的陶瓷基复合材料在机械载荷下损伤本构模型在理论及实验研究方面的不足.     

循环加载作用下皮肤应力软化的连续介质模型

皮肤组织作为富含纤维的非均匀材料,具有复杂的力学特性．皮肤组织在循环加载作用下,随着循环次数的增加,加载过程的应力响应逐渐降低,并最终达到不随循环次数增加而改变的稳定状态,这种现象被称为应力软化行为．本文对加载过程中纤维的延展机制对宏观力学响应的影响进行研究,认为在外界载荷较小时该机制主导了宏观层次上的应力软化行为,随着外界载荷的增大,拉伸过程中微观结构损伤的演化开始产生影响,而且此时内部微观结构的演化由两种机制共同影响,据此建立了连续介质模型,将宏观尺度上应力软化行为和微观结构的演化相关联．将所获得的应力响应理论结果与猪离体头部皮肤在循环加载作用下的实验结果进行对比分析,证明了该模型能够合理地描述皮肤组织在循环加载作用下的应力软化行为．