超导体YBa2Cu3O7-δ的摩擦学特性研究

采用溶胶-凝胶法制备YBa2Cu3O7-δ和Ag/YBa2Cu3O7-δ超导材料,并分析其相组成及结构,用SFT-4000型高真空超低温摩擦磨损试验机对其从室温至液氮温度范围内的摩擦学特性进行评价.结果表明：在室温条件下,YBa2Cu3O7-δ与不锈钢盘对摩时的摩擦系数在0.50左右,当温度降到超导转变温度以下时,其摩擦系数急剧降低至0.13,最后稳定在0.20以下.添加Ag可以改善YBa2Cu3O7-δ的常温摩擦磨损性能,Ag/YBa2Cu3O7-δ复合材料的摩擦系数低且非常平稳,其中10%Ag/YBa2Cu3O7-δ的摩擦系数为0.20,磨损率为8.96×10-5mm3/（N.m）,Ag/YBa2Cu3O7-δ的磨损机制为YBa2Cu3O7-δ硬基底承载与软金属Ag转移膜的润滑作用.     

Al2O3陶瓷材料应变率相关的动态本构关系研究

采用改进的SHPB实验方法对Al2O3陶瓷的动态力学性能进行了研究,得到了材料在较高应变率范围内的动态应力应变曲线。结果表明,Al2O3陶瓷为弹脆性材料,其动态应力应变呈非线性关系,在较高的应变率范围内,陶瓷材料的动态应力应变关系是应变率相关的;材料的初始弹性模量、破坏应力、破坏应变值随应变率的增大而增大。基于损伤力学的基本理论,给出了Al2O3陶瓷的一维损伤型线性弹脆性本构模型。根据SHPB实验结果确定模型中的参数,得到了Al2O3陶瓷应变率相关的损伤型动态本构方程。     

超临界CO_2作用下煤体膨胀变形规律试验研究

为解决采用应变片对超临界CO_2作用下煤体膨胀变形进行点测量时,试验结果离散性大、超临界CO_2作用导致应变片易脱离破损等问题,自主研发了具有施加热流力载荷功能的膨胀体积应变测量装置,对不同温度、压力的超临界CO_2作用下,煤体膨胀体积变形规律进行研究。结果表明:煤体膨胀体积应变随超临界CO_2作用时间增加呈现先增大后趋于稳定的变化规律;当孔隙压力不变时,膨胀体积应变随超临界温度的升高而增加,温度越高,达到稳定膨胀变形所需时间越长;当温度不变时,随着超临界孔隙压力增加,膨胀体积应变也随之增大,但达到稳定膨胀变形所需时间随孔隙压力的升高呈先增加后减少的趋势;超临界CO_2作用下,煤体体积应变随温度和孔隙压力均呈"S型"Logistic函数规律变化;膨胀体积应变对超临界温度和孔隙压力的变化率具有分区性,其变化率大小排序依次为:近临界区跨临界区高临界区。     

泡沫铝-复合泡沫冲击韧度及黏弹性分析

泡沫铝-复合泡沫互穿相复合材料是一种新型的结构功能一体化材料,在机械、交通、建筑等领域具有重要的应用前景。本文制备了纯泡沫铝及空心玻璃微珠四种体积分数的泡沫铝-复合泡沫试件,通过摆锤冲击实验研究了其冲击韧度,讨论了其断口形貌与结构性能的关系,通过单轴压缩的应力松弛实验研究其黏弹性性能。研究表明：空心玻璃微珠体积分数为10%的泡沫铝-复合泡沫试件的冲击韧度最大,随后其冲击韧度随空心玻璃微珠体积分数的增加而减小;当空心玻璃微珠体积分数较小时,泡沫铝的结构形貌决定了冲击断口的形貌,但当其体积分数达到30%时,空心玻璃微珠的破坏是形成断口形貌的主要原因;复合材料的黏弹性性能随着玻璃微珠体积分数的增加而增大。     

过氧化氢抛光液体系中钌的化学机械抛光研究

本文研究了过氧化氢(H2O2)抛光液体系中金属钌的化学机械抛光行为,采用电化学分析方法和X射线光电子能谱仪(XPS)分析了氧化剂和络合剂对腐蚀效果的影响,利用原子力显微镜(AFM)观察抛光表面的微观形貌.结果表明:在过氧化氢抛光液体系中,金属钌表面钝化膜的致密度和厚度与醋酸(CH3COOH)和H2O2的浓度有关.抛光液中醋酸主要通过促进阳极反应的进行从而增强抛光液对金属钌的化学作用,CH3COOH作为络合剂比三乙醇胺(TEA)或酒石酸(C4H6O6)得到的抛光速率更高.低浓度H2O2通过增强抛光液对金属钌的化学腐蚀,抛光速率增大,较高浓度H2O2可能通过在金属表面形成较厚的氧化膜,抛光速率下降.XPS图谱说明钌片浸泡在含醋酸介质过氧化氢体系抛光液后,钌、氧原子相对含量之比约为2∶3,而且金属钌被氧化到四价和八价,这可能是因为金属钌表面生成RuO2和RuO4.抛光后的金属钌表面在5μm×5μm范围内平均粗糙度Sa由抛光前的33 nm降至6.99 nm.     

Al2O3基陶瓷刀具材料摩擦磨损特性及其有限元分析

以添加TiC、Ti（C,N）和SiCw 3种Al2O3基陶瓷刀具材料作为研究对象,在MRH-3型高速环-块摩擦磨损试验机上研究3种陶瓷刀具材料在相同试验条件下的摩擦磨损性能,通过扫描电子显微镜对陶瓷的磨损表面进行观察,并利用ANSYS有限元软件分析计算磨损时的应力分布．结果表明,Al2O3基陶瓷刀具材料的摩擦磨损特性与其添加剂的种类有关,其抗磨性能由大到小顺序依次为Al2O3／SiCw〉Al2O3／Ti（C,N）〉Al2O3／TiC．Al2O3基陶瓷刀具的摩擦磨损性能与其硬度（H）、弹性模量（E）和断裂韧性（KIC）有关,磨损率W随E／H增加而增大,随KIC增加而减小．Al2O3／TiC陶瓷刀具材料的磨损机理以粘着磨损为主,Al2O3／Ti（C,N）和Al2O3／SiCw陶瓷刀具材料的磨损机理主要为磨粒磨损．     

Al2O3纤维增强铝基复合材料干滑动磨损机制的研究

采用销-盘式磨擦磨损试验机研究了Al2O3纤维增强铝基复合材料的干滑动摩擦磨损性能,理论分析了磨损率与Al2O3纤维体积分数的变化规律,探讨了在干滑动摩擦条件下复合材料的磨损机制.结果表明:在干滑动摩擦条件下,随着Al2O3纤维体积分数增加,磨损率急剧下降,当纤维体积分数为9%时达到最小值,尔后略有回升;当纤维体积分数小于5%时,可用Archard模型对复合材料的磨损率进行理论预测;磨损亚表层中基体金属沿滑动方向的塑性流动是铝基复合材料磨损的基本特征,Al2O3纤维可有效地阻止基体的塑性流动,提高复合材料的耐磨性;随着滑动距离增加,摩销前端的变形量增大,甚至出现形变坑,将从复合材料中剥离出坚硬Al2O3磨粒并镶嵌于其中,很容易在铝基复合材料表面产生犁沟,从而加速铝基复合材料的磨损.     

闭孔泡沫铝泊松比及三轴压缩变形模式

在闭孔泡沫铝的唯象本构模型中, 泊松比是一个非常关键的参数, 为了探究闭孔泡沫铝泊松比变化规律研究结果存在分歧的原因, 认识闭孔泡沫铝泊松比变化规律中特征点的物理意义, 采用数值模拟方法, 建立了闭孔泡沫铝的3D-Voronoi模型及2D-Voronoi模型, 对模型进行侧面位移耦合单轴压缩边界条件下的仿真分析; 基于闭孔泡沫铝本构模型的唯象特性, 对闭孔泡沫铝变形模式的研究同样十分重要, 为明确其三轴压缩下的变形模式, 对闭孔泡沫铝的3D-Voronoi模型进行侧面位移受限轴向压缩边界条件下的仿真分析. 研究结果表明, 常规壳单元接触中的厚度减薄特性是闭孔泡沫铝泊松比变化规律的研究结论存在分歧的原因, 但厚度减薄不影响泡沫铝模型致密前胞孔结构的变形模式; 闭孔泡沫铝泊松比的准确变化规律为“增高?降低?再增高”的“S”型曲线, 并且, 曲线极大值对应闭孔泡沫铝吸能效率的增速下降点; 等比压缩应力状态下, 闭孔泡沫铝存在四种侧面变形模式, 分别为“(短期)压缩变形→膨胀变形”、“压缩变形→膨胀变形→压缩变形→膨胀变形”、“压缩变形→(短期)膨胀变形”及“压缩变形”.      

不同应变率下泡沫铝的形变和力学性能

对低密度泡沫铝在不同变形率下的形变和力学性能进行了系统的试验研究。结果表明:（1）沿剪切方向骨架首先塌陷,即变形的局部化是低应变率下块体泡沫铝的主要变形特征;（2）在不同应变率下泡沫铝表现出体积应变基本上随工程应变呈线性变化,在低应变率下泊松比随轴向应变呈幂次关系增加,但在高应变率下泊松比随塑性应变增加,从一峰值降低并趋于稳定;（3）低应变率下泡沫铝材料塑性变形均匀,而高应变率下剪切变形较大;（4）泡沫铝材料的强度对应变率不很明显,但随塑性应变增加,它的率敏感性增加。     

群体布局下建筑风驱雨量分布的数值分析研究

基于欧拉-欧拉多相流模型,以雨滴谱及雨滴降落末速度确定雨滴体积分数并构成雨相组分边界;采用Realizable k-ε湍流模型封闭求解N-S方程的新型WDR数值方法,模拟研究了单体多层、高层建筑及群体布局建筑的迎风面雨量分布特性。分析结果表明:单体建筑WDR抓取率分布呈由下至上、由中间向两侧增加的规律,整体WDR抓取率随风速和雨强的增大而呈增大趋势;群体布局时,前排建筑迎风面WDR抓取率分布仍类似于单体,随间距减小而减小;后排建筑在迎风面顶端两侧仍出现较大抓取率,其值随前后间距(顺风向)减小而大致减小,随左右间距(横风向)减小而大致增大;后排建筑迎风面与前排建筑等高的两侧区域,WDR抓取率出现突增,其值随前后间距减小而增大,随左右间距减小而先增大后减小;交错布局时,后排建筑迎风面顶端拐角区域的WDR抓取率较单体增加显著。模拟分析获得的建筑迎风面雨量分布规律及布局干扰特性可为相关领域的研究与设计提供指导。     

准一维应变下Al2O3陶瓷动态压缩失效的实验研究

为了考察Al2O3陶瓷准一维应变下的力学性能,采用LY12铝套筒和45钢套筒对陶瓷试样进行了环向约束,在准静态和动态下分别进行了压缩实验,得到了材料的应力-应变曲线。实验结果表明,Al2O3陶瓷的轴向压缩强度基本上随围压的增大而增大,动态压缩加载下的轴向压缩强度随应变率增大而增大。Al2O3陶瓷在准一维应变下的破坏形式为裂纹破坏,准静态的脆性失效行为可以用Mohr-Coulomb失效准则来描述。     

中高应变率下EPS泡沫的冲击压缩实验

用SHPB装置对三种密度的发泡聚苯乙烯(Expanded Polystyrene,EPS)材料进行了从300/s至1400/s共五个中高应变率下的冲击压缩实验。实验中采用波分离技术有效延长应力-应变曲线的测量范围,并简要介绍了其原理和具体实施办法。所有应变率下均获得了含有弹性段、平台屈服段和压实段完整三阶段的应力-应变曲线。曲线的重复性较好,应变率基本恒定。实验结果表明,相同密度EPS泡沫应力-应变曲线的屈服平台段长度随应变率的增加而增加,且趋于平缓。在相近应变率下,随EPS泡沫的密度增加,屈服应力增加,而变形及吸能能力减弱。     

水在β-氮化硅(0001)面吸附的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法对H2O在β-Si3N4(0001)面上的吸附进行研究,采用原子簇模拟β-Si3N4(0001)表面,在6-31G·水平上计算常温常压下H2O分子在β-Si3N4(0001)表面的吸附构型和吸附能及电荷变化,同时考察温度、压强及预吸附BH3对吸附体系的影响.结果表明:H2O分子通过H原子吸附在β-Si3N4(0001)面的N原子顶位时最有利;当温度为100 ℃,压强分别为3×105～10×105 Pa时,吸附能为189.59 kJ/mol,与常温常压体系相比,吸附能增加了57.19 kJ/mol,吸附后O-H键拉长,可能发生解离;在BH3修饰的β-Si3N4(0001)表面上,由于预吸附导致吸附能减少.     

过冷水滴撞击螺旋桨桨叶表面的数值模拟

本文介绍了某型螺旋桨在不同飞行状态下.求解桨叶水滴撞击特性的数值方法.该方法对桨叶运动模型进行简化,并在对绕桨叶运动的气流场计算的基础上,采用拉格朗日方法求解气流场中水滴运动方程,得到水滴运动轨迹.进而,确定了水滴对桨叶的撞击特性参数,为桨叶防冰系统设计提供条件.主要结论如下:(1)在巡航状态下,桨叶沿展向方向上总收集系数Em和局部收集系数β不断增大;(2)在爬升状态下,随着爬升高度H不断增大,飞行速度V0不断增大,水滴撞击在桨叶表面的范围有所增加,而且β随之增大;(3)随着水滴平均有效直径(MVD)的增大,水滴撞击在桨叶表面的范围明显增加同时,β在桨叶表面同一位置的值也随之增大.     

一种新型轻质泡沫混凝土挤入行为的试验研究

轻质泡沫混凝土是一种很重要的拦阻飞机/车辆等运动的新型阻滞材料。为了研究其挤入特性,利用CSS4410电子万能试验机和Dynatup9250落锤试验机,针对不同相对密度的轻质泡沫混凝土,在挤入速度从2×10-5 m/s到7.8m/s范围内的力学特征、破坏形式、减速度特性和抗压强度模型进行了系统研究。结果表明:此材料抗挤入阻力随挤入速度和材料相对密度增加而显著增加;挤入过程为材料脆性压溃/压实界面在弹性区的运动过程;挤入前端材料压溃/压实体积随挤入深度增加而增大且头部更尖锐;抗挤入过载加速度值与材料相对密度呈二次幂关系。故为保障人员及飞机等安全,应尽可能采用低相对密度材料。     

利用CFRC压敏性监测钢筋锈蚀的模拟实验研究

碳纤维增强水泥(CFRC)有很高的应变敏感性,在钢筋外均匀地包裹一层CFRC,并埋入普通混凝土中,当钢筋锈蚀体积膨胀时,对CFRC来讲,就如受有内压的圆筒埋入无限大弹性体中。通过监测CFRC的电阻变化可了解钢筋的锈蚀及其发展。据此,将CFRC制成内径为16mm壁厚为10mm的圆筒(包括内、外电极),24小时候后脱模并埋入边长为150mm的立方块中,再过24小时候后脱模并养护,28天后测试。根据钢筋锈胀的机理利用静态爆破剂的膨胀性和时效性来快速模拟钢筋锈蚀所产生的膨胀效应,采用静态爆破剂模拟钢筋的锈蚀产物,通过爆破剂的膨胀模拟锈蚀产物的体积膨胀作用,通过爆破剂的膨胀力的增大过程模拟钢筋锈蚀的发展过程。实验表明:利用CFRC包裹钢筋来监测钢筋锈蚀的方法灵敏度高,且可以进行定量估算。     

泡沫铝内衬对抗内部爆炸钢筒变形的影响

为提高承受内部爆炸载荷钢筒的抗爆性能,研究了泡沫铝内衬对钢筒变形的影响。首先通过对比实验,发现在本文的实验条件下,泡沫铝内衬导致钢筒变形增大,甚至发生了严重的破坏;进而建立有限元模型,研究了钢筒变形随爆炸当量、泡沫铝内衬厚度的变化机理和规律。结果表明,添加足够厚度的泡沫铝内衬能够减小钢筒变形,但泡沫铝厚度不足时,则可能起到相反的效果。对于固定尺寸的含泡沫铝内衬钢筒,随着爆炸当量增加,泡沫铝内衬对钢筒塑性变形的影响主要包含3种模式。模式1,泡沫铝可通过塑性变形吸收爆炸载荷,从而减小钢筒变形。模式2,泡沫铝内衬导致钢筒承受的载荷强度增大,钢筒塑性变形增大。模式3,泡沫铝对载荷强度的影响可忽略,泡沫铝通过增大结构质量减小钢筒塑性变形。     

圆柱壳的塑性膨胀和变形

根据材料不可压缩假设,适当选取材料塑性本构关系,将圆柱壳塑性膨胀运动简化为以圆柱壳内 半径为因变量的常微分方程初值问题。对3种初始内外半径比纯铜厚壁圆柱壳膨胀过程的计算表明,应变率 硬化阻碍圆柱壳的塑性膨胀运动,应变硬化和温度效应的影响可以忽略,而与圆柱壳的厚度无关。     

石英玻璃圆环高速膨胀碎裂过程的离散元模拟

采用离散元算法模拟了石英玻璃圆环受到外加动态载荷时的力学行为. 首先基于flat-jointed粘结模型,通过标准的单轴拉压、三点弯曲等数值实验来标定了石英玻璃的微观参数. 在此模型基础上,数值模拟再现了石英玻璃圆环在不同应变率下的膨胀碎裂过程. 为定量分析数值模拟结果,需要准确确定圆环的碎裂发生时刻. 模拟发现:伴随着石英玻璃圆环的断裂,圆环外表面粒子径向膨胀速度的时程曲线会发生突然升高然后下降的跳动;详细分析表明,这种跳动源自周向的脆性断裂诱发的卸载波(周向拉伸应力急剧下降)以及伴随而来的泊松膨胀,这种径向速度跳动现象为实验中检测脆性断裂发生时刻提供了可能. 进一步的数值研究表明:(1)石英玻璃圆环的断裂应变随着应变率的提高而增大,与韧性金属材料的膨胀环实验结果一致;(2)石英玻璃圆环的碎片平均质量随着应变率的增大而减小;(3)数值计算获得的碎片平均尺寸与已有的理论和实验结果比较吻合. 利用液压膨胀环实验装置对石英玻璃圆环进行了验证性实验,回收得到的碎片形貌及碎片个数与数值模拟的结果基本一致.      

PVDF压电薄膜用于Hopkinson压杆测量泡沫金属的动态性能

首先对PVDF(polyvinylidene fluoride)压电薄膜在不同温度不同压力作用下的响应进行了系统的试验研究。然后在Hopkinson压杆系统的透射杆之间夹上PVDF压电薄膜,对其动态响应进行了检验。最后应用这个镶嵌PVDF压电薄膜的Hopkinson压杆系统,测试了泡沫铜材料在不同应变率下的应力应变关系。结果表明:(1)PVDF压电薄膜的压电常数D33是随温度和压力而变,实际应用时应对其进行标定;(2)PVDF压电薄膜可有效的用于Hopkinson压杆系统来测试低强度泡沫材料或低阻抗材料的动态响应;(3)当应变率小于0.1/s时,泡沫铜的塑性流动应力对应变率不敏感,在约400/s到5000/s应变率范围,应变小于40%下泡沫铜对应变率也不敏感。但当应变大于约20%,应变率高于400/s时,与低应变率下的值比较,塑性流动应力的应变率敏感性增加。