负泊松比材料和结构的研究进展

负泊松比材料和结构具有特殊的力学性能,在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀).其在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面比传统材料更有优势,因而负泊松比材料在医疗设备、传感器、防护设备、航空航海及国防工程等领域有广泛的应用前景,但目前负泊松比材料的应用与普及仍面临一些挑战.本文广泛讨论了国内外关于负泊松比材料的研究成果并介绍了负泊松比材料的最新进展,将负泊松比材料大体概括为以下4类:天然负泊松比材料、胞状负泊松比材料、金属负泊松比材料、多重和复合负泊松比材料.主要介绍了各种负泊松比材料的内部结构、负泊松比机理、力学性能以及在各行各业的新发明、新应用.针对目前负泊松比材料研究理论和实验成果多,而实际应用仍然较少的情况,指出了负泊松比材料的缺点及其推广所面临的挑战.目前负泊松比材料面临的主要问题是制造成本高、孔隙率大而承载力不足以及仅适用于小应变情况等.本文针对此情况详细介绍了金属负泊松比材料及其设计和制作的方法,改善负泊松比材料的不足并推广其应用.      

The role of mechanics in biological and biologically inspired materials

In the development of new materials, researchers have recently turned to nature for inspiration and assistance. A special emphasis has been placed on understanding the development of biological materials from the traditional correlation of structure to property, as well as correlating structure to functionality. The natural evolution of structure in biological materials is guided by the interaction between these materials and their environment. What is most notable about natural materials is the way in which the structure is able to adapt at a wide range of length scales. Much of the interaction that biological materials experience occurs through mechanical contact. Therefore, to develop biologically inspired materials it is necessary to quantify the mechanical behavior of and mechanical influences on biological structures with the intention of defining the natural structure-property-functionality relationship for these materials. In particular, the role mechanics has assumed in understanding biological materials, and the biologically inspired materials developed from this knowledge, will be clarified. The following will serve to elucidate on this role: the helical structure of fibrous tissue, the multi-scale structure of wood, and the biologically inspired optimal structure of functionally graded materials.     

多尺度复合材料力学研究进展

多尺度复合材料力学是运用多尺度分析思想研究空间分布非均匀材料力学性能的学科, 近年来,多 组分、多层级先进材料的蓬勃发展和微纳米实验观测手段的不断进步,有力地推动了该学科的研究,论文围绕非均 匀材料力学性能的多尺度分析,首先从微纳米尺度到宏观尺度综述了常用的理论分析方法;接着分别针对非均匀 连续介质和离散体系介绍了常用的多尺度计算模拟方法;然后结合本课题组在纳米复合材料、抗冲击吸能材料、随 机网络材料和多层级自相似材料等方面的研究工作,举例说明了如何综合运用多种方法对各种复杂材料系统进行 多尺度分析;最后,展望了该领域还需进一步发展和完善的若干方向。     

侵彻条件下两类靶体材料静阻力的探讨

以空腔膨胀理论为主要理论工具,通过比较侵彻近区塑性材料和脆性材料动力学行为的差异,对两类不同材料静阻力（R_t）的本质进行探讨,并对脆性材料侵彻的若干应用问题提出建议。研究表明:（1）R_t是靶体介质以固体特性抵抗局部扩孔、具有时间平均特性的弹体横截面平均应力,其具体取值随着材料的物理力学特性、侵彻模型、撞击速度等因素而变化,因此不是材料的固有特性。（2）对于塑性靶体的非变形侵彻问题,静态空腔膨胀理论的结果能够对R_t作出比较合理的预测;对于拟流体侵彻问题,一般需要对静态空腔膨胀理论的结果加以修正。（3）脆性材料的R_t主要取决于破碎后介质的力学特性而与完整材料的力学特性关系不大,且与单轴抗压强度之间不满足纯粹的单调关系;当侵彻速度较低时,应考虑侵彻速度对侵彻阻力的强化作用,这种强化作用的本质是内摩擦;当侵彻速度足够高时,脆性材料体现出恒定不变的“动力硬度”,其反映了材料的本征阻力特性。（4）提高脆性材料的侵彻阻力的关键在于减小应力波峰值后环向拉应力的幅值、抑制材料的破碎速度和程度,具体措施包括主动或被动地增加外围压、对基质中添加增韧增强纤维等;为了实现对脆性材料侵彻问题更高精度的数值模拟,建议更加重视对破碎介质动力学特性的研究。     

组合型多孔材料对容器管道系统内甲烷/空气的抑爆效果

为研究多孔材料对可燃气体的抑爆效果,选取了3类6种多孔材料分别组合后进行实验研究。以甲烷/空气预混气体作为研究对象,利用自制薄型铁环将多孔材料固定在密闭容器管道系统内,对比分析了薄型铁环、单层型多孔材料、双层组合型多孔材料和三层组合型多孔材料的抑爆效果。结果表明:薄型铁环增强了气体爆炸强度,铁环后爆炸压力最大;多孔材料抑爆效果明显,双层组合型多孔材料抑爆效果相比单层型多孔材料和三层组合型多孔材料稳定;抑爆效果最佳的组合型多孔材料为Al₂O₃ 10 mm/30 PPI+SiC 20 mm/20 PPI,爆炸压力抑制效果最佳的组合型多孔材料为Al₂O₃ 10 mm/30 PPI+Fe-Ni 10 mm/90 PPI+SiC 20 mm/10 PPI。     

天然生物材料及其摩擦学

评述了几种天然生物材料的特性及其摩擦学研究现状,分析了天然生物复合材料、角蛋白材料、土壤动物体表、植物叶的结构和表面形态及性能,介绍了天然生物材料的摩擦与磨损性能及生物防粘减阻和生物润滑技术,并探索性地提出了摩擦学仿生概念。     

Some exact solutions for a class of compressible non-linearly elastic materials

In this paper we consider exact solutions for plane and axisymmetric deformations for a class of compressible elastic materials we call coharmonic. The coharmonic materials are derived from the harmonic materials by using Shield's inverse deformation theorem. The governing equations for the coharmonic material show the same kind of simplification associated with the harmonic materials. The equations reduce to first-order linear equations depending on an arbitrary harmonic function. They are intractable in general, so various ansätze are investigated. Boundary value problems for the coharmonic materials are compared with the same problems for harmonic materials. For certain boundary value problems, the harmonic materials exhibit well-known problematic behaviour which limits their use as models of material behaviour. The corresponding solutions for the coharmonic materials do not display these non-physical features.     

金属材料力学性能的辐照氦效应研究进展

金属材料在辐照过程中会发生嬗变反应,从而在材料内部形成氦泡,进而影响金属材料的宏观力学行为。因此,开展氦影响下金属材料力学性能的研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义。氦对材料力学行为的影响是一个典型的多尺度问题,故本文从从原子尺度到宏观尺度针对含氦金属材料力学行为的研究方面进行了总结,主要包括氦原子的产生、氦团簇/氦泡的形成、氦泡在材料中的微观行为以及氦对材料宏观力学性能的影响。在此基础上,展望了该领域中存在的主要科学问题。     

二维材料纳米尺度摩擦行为及其机制

二维材料是指厚度仅有单层或数层原子的晶体或非晶材料,其优异的物理、力学和化学性能给纳米尺度超薄固体润滑材料的设计和发展带来了新的契机。同时,二维材料独特而简单的拓扑结构也为深入了解摩擦的微观机制提供了一个理想的对象。本文综述了以石墨烯为主的二维材料纳米尺度摩擦和磨损研究的进展。根据相对运动形式的不同,我们分别介绍了二维材料的层间滑动和表面摩擦行为,并详细阐述了这些独特行为背后的微观物理机制;同时我们还重点介绍了若干种影响和调控二维材料表面摩擦性能的典型方法和策略,以及二维材料纳米尺度的磨损行为及其失效模式。最后,我们还对纳米尺度二维材料摩擦研究进行了小结,并展望了该领域尚待探索的若干研究方向。     

STRUCTURE AND THERMODYNAMICS OF GRANULAR MATERIALS

颗粒介质由大量离散的粗颗粒聚集而成,如自然界中的粗砂和碎屑堆积体等. 在工程实践中,人们依据经验和实验数据建立了许多模型,虽然可以满意地描述某些力学现象,但是对颗粒介质力学性质全貌的认识以及颗粒介质物理本质的理解仍远远不够. 颗粒介质长程无序、短程有序的结构和复杂的能量转化过程,注定了其独特的力学性质. 该文综述了颗粒介质结构探测和表征技术、热力学理论和固态-流态转变方面的新进展,特别介绍了清华大学近5 年来开展的颗粒介质结构模型化方法和双颗粒温度热力学理论. 最后,提出了开展结构分析-热力学理论的联合研究思路,以期更加深入认识颗粒介质的力学特性,探究颗粒介质的热力学根源,改善现有唯象研究现状.     

金属材料力学性能的辐照氦效应研究进展

金属材料在辐照过程中会发生嬗变反应,从而在材料内部形成氦泡,进而影响金属材料的宏观力学行为。因此,开展氦影响下金属材料力学性能的研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义。氦对材料力学行为的影响是一个典型的多尺度问题,故本文从从原子尺度到宏观尺度针对含氦金属材料力学行为的研究方面进行了总结,主要包括氦原子的产生、氦团簇/氦泡的形成、氦泡在材料中的微观行为以及氦对材料宏观力学性能的影响。在此基础上,展望了该领域中存在的主要科学问题。     

干水材料对瓦斯爆燃抑制的实验研究

为了研制绿色环保高效的抑爆剂,以疏水型气相二氧化硅和去离子水为原料,采用机械搅拌法制备具有“固包液”结构的干水材料。利用20 L近球形爆炸装置测试干水材料对瓦斯爆燃的抑制效果。实验结果表明:当添加的干水材料较少（2 g和3 g）时,干水材料对瓦斯爆燃产生促进效果;当添加的干水材料大于4 g时,对瓦斯爆燃有抑制效果。通过研究不同粒径的干水材料对瓦斯爆燃的影响,发现干水材料的粒径对瓦斯爆燃最大压力的影响较小,但显著影响最大爆燃压力上升速率;对比不同类型改性干水材料对瓦斯爆燃的抑制效果,综合比较得出抑制效果由强到弱顺序为:尿素改性干水材料、磷酸二氢铵改性干水材料、聚磷酸铵改性干水材料、普通干水材料。     

Material degradation due to moisture and temperature. Part 1: mathematical model,analysis, and analytical solutions

The mechanical response, serviceability, and load-bearing capacity of materials and structural components can be adversely affected due to external stimuli, which include exposure to a corrosive chemical species, high temperatures, temperature fluctuations (i.e., freezing–thawing), cyclic mechanical loading, just to name a few. It is, therefore, of paramount importance in several branches of engineering—ranging from aerospace engineering, civil engineering to biomedical engineering—to have a fundamental understanding of degradation of materials, as the materials in these applications are often subjected to adverse environments. As a result of recent advancements in material science, new materials such as fiber-reinforced polymers and multi-functional materials that exhibit high ductility have been developed and widely used, for example, as infrastructural materials or in medical devices (e.g., stents). The traditional small-strain approaches of modeling these materials will not be adequate. In this paper, we study degradation of materials due to an exposure to chemical species and temperature under large strain and large deformations. In the first part of our research work, we present a consistent mathematical model with firm thermodynamic underpinning. We then obtain semi-analytical solutions of several canonical problems to illustrate the nature of the quasi-static and unsteady behaviors of degrading hyperelastic solids.     

固体电介质中的挠曲电效应

挠曲电效应通常描述为非均匀变形如应变梯度引起的电极化或者电场梯度引起的变形.应变梯度能够局部破坏晶体的反演对称从而在材料中诱导电极化,因此挠曲电效应是固体电介质材料中普遍存在的一种力电耦合效应.应变梯度和电场梯度均随材料尺寸的减小而迅速增大,在宏观尺度通常被忽略的挠曲电效应在微纳尺度反而起着非常重要的作用,会显著影响材...     

空心光纤网络埋入复合材料中性能影响的研究

空心光纤网络可用来进行复合材料力学性能的监测,同时又可对材料的损伤进行自修复。空心光纤网络与复合材料性能的影响主要有三方面：1）复合材料对空心光纤的影响;2）空心光纤对复合材料的影响;3）空心光纤与复合材料力学性能的匹配。本文测试了三种规格的空心光纤埋入复合材料中受到的影响,依据国家有关的复合材料测试标准,对树脂基复合材料埋与不埋大直径空心光纤进行了对比实验,并论证了光纤与材料力学性能匹配点存在的必然性。从而为空心光纤网络用于复合材料的自诊断与自修复提供了研究的依据。     

SPD纳米材料制备方法及其力学特性

剧烈塑性变形(severe plastic deformation, SPD)纳米化技术是近年来发展的一种力致材料纳米化方法.该方法克服了由粉体压合法带来的残余空隙、球磨法带来的杂质等不足,并且适用于不同形状尺寸的金属、合金、金属间化合物等,因此受到了越来越多的关注.介绍了SPD纳米材料的制备方法及相关纳米材料力学性能研究的现状,并展望了对SPD力致纳米材料的研究趋势.      

土的各向同性化变换应力方法

在不同方向的力学参数、结构特性及应力应变关系的不同为材料的各向异性, 建立能够反映这种复杂特性的强度准则、本构模型, 对于材料本构关系的研究具有重要的理论意义. 但材料的各向异性一直是其力学特性描述的难点, 对此, 郑泉水院士提出了各向同性化定理, 为后续研究解决材料的各向异性问题提供了方向及思路. 作者等针对土的应力诱导各向异性提出了变换应力方法, 这种方法同样遵循对材料进行各向异性问题各向同性化处理的思路, 与郑泉水院士的各向同性化定理是一脉相承的, 也是对各向同性化定理的发展. 本文旨在通过分析各向同性化定理与变换应力方法明确两者间的内在联系, 并以土材料的应力诱导各向异性处理为例, 说明在具体材料的各向异性处理过程中面临的现实问题以及变换应力方法是如何解决这些问题的. 分析并给出了变换应力方法应用时的三个合理假设, 推导出了具体的变换应力数学公式, 阐明了在考虑土的应力诱导各向异性的具体函数已经给出的情况下, 在构造土的弹塑性本构模型中采用变换应力方法的必要性.      

Green's function solution and displacement potentials for Transformed Transversely Isotropic materials

A totally non-degenerate expression for the Green's function of infinite Transversely Isotropic (TI) materials is first deduced from the solutions given by Pan and Chou [Pan, Y.-C., Chou, T.-W., 1976. Point force solution for an infinite transversely isotropic solid. Trans. ASME, J. Appl. Mech. 43 (4), 608–612]. Then this solution and also the displacement potentials for TI materials are extended by a linear transformation to a larger family of anisotropic materials (Transformed Transversely Isotropic or TraTI materials). This family depends on 12 independent parameters and contains non-orthotropic materials and in this way a first explicit analytical solution for the Green's function for a non-orthotropic material is obtained. The TraTI materials which have orthotropic Symmetry (StraTI materials) constitute a sub-family depending on 6 independent parameters in the symmetry basis of the material. These materials present a 3D anisotropy (different stiffnesses in three orthogonal directions). General displacement potentials and the Green's function solution for STraTI materials can be deduced by a simple change and introducing one additional parameter in the well-known TI solutions.     

芳纶纤维增强酚醛树脂摩擦材料的磨损机理研究

对芳纶增强酚醛树脂摩擦材料在模拟制动工况下的磨损机理进行了系统的实验研究,结果表明：在试验工况下,两种摩擦材料在与铸铁偶件对摩时均呈现粘着磨损和塑性变形特征;在高速和高压条件下塑性变形加剧,摩擦材料磨损表面可见熔融迹象;摩擦副接触表面发生材料的相互转移,两种摩擦材料均可在偶件表面形成转移膜,且在高速和高压条件下转移膜更易形成;Kevlar纤维作为增强相可以有效地提高摩擦材料的摩擦稳定性,并降低摩擦系数;摩擦材料的磨损机理主要为擦伤作用、粘着磨损和塑性变形。     

Thermal energy storage inside the chamber with a brick wall using the phase change process of paraffinic materials: A numerical simulation

Phase change materials are one of the potential resources to replace fossil fuels in regards of supplying the energy of buildings. Basically, these materials absorb or release heat energy with the help of their latent heat. Phase change materials have low thermal conductivity and this makes it possible to use the physical properties of these materials in the tropical regions where the solar radiation is more direct and concentrated over a smaller area. In this theoretical work, an attempt has been made to study the melting process of these materials by applying constant heat flux and temperature. It was found that by increasing the thickness of phase change materials’ layers, due to the melting, more thermal energy is stored. Simultaneously it reduces the penetration of excessive heat into the chamber, so that by increasing the thickness of paraffin materials up to 20 mm, the rate of temperature reduction reaches more than 18%. It was also recognized that increasing the values of constant input heat flux increases buoyancy effects. Increasing the Stefan number from 0.1 to 0.3, increases the temperature by 6%.