随机空间柔性多体系统动力学分析

轻质、高精度的柔性多体系统被广泛应用于实际工程领域中.由于实际设计公差、制造误差及环境温度等多种不确定因素的存在,使得柔性多体系统的结构参数(物理参数和几何参数)表现出随机性.具有随机结构参数的动力学模型能够客观地反映出真实系统的动力学行为,且结构参数的不确定性对空间柔性多体系统动力学响应的影响是不容忽视的.针对具有多个随机参数的空间柔性多体系统,提出了一种基于广义alpha算法的非侵入式随机柔性多体系统动力学计算方法.采用绝对节点坐标公式(absolute node coordinate formulation, ANCF)来描述柔性体, 推导建立多体系统动力学模型.利用混沌多项式展开(polynomial chaos expansion, PCE)法构建系统随机动力学方程的代理模型,然后将随机响应面法(stochastic response surface method, SRSM)嵌入广义-alpha方法中,分别采用改进抽样的回归方法(regression method of improved sampling, RMIS)和单项求容积法则(Monte Carlo simulation, MCR)来确定样本点.将数值计算结果与蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation, MCS)结果进行对比, 验证了所提算法的有效性.在相同的定积分精度的条件下,根据单项求容积法则确定的样本点的计算结果稳定性更强, 且其计算效率更高.      

纵横载荷作用下功能梯度梁的弯曲和过屈曲

基于一阶非线性梁理论和物理中面概念,导出了纵横向载荷作用下功能梯度材料(FGM)梁非线性弯曲和过屈曲问题的控制方程,并获得了该问题的精确解;据此解研究了梯度材料性质、外载荷、横向剪切变形以及边界条件等因素对功能梯度材料梁非线性力学行为的影响,分析中假设功能梯度材料性质只沿梁厚度方向,并按成分含量的幂指数函数形式变化。结果表明:纵横载荷共同作用下,功能梯度梁的弯曲构形将有无限多个;随着梯度指数的增大,梁的变形减小,临界载荷升高;随着长高比的增大,横向剪切变形的影响减小。     

交变电场作用下骨表面温升的实验研究

骨具有力电性质,这一性质可促进骨组织生长。骨既是生理器官又是介电材料,在交变电场作用下,其表现行为可能有生理作用。为此,本文测量了骨悬臂梁试样在交变电场下的表面温升与顶端挠度。发现在电压70V,频率为10~70kHz的交流电场下,最大表面温升达到2~4℃,最大挠度变化为9.0~78.7μm;在频率10kHz,电压为70~175V的交流电场下,最大表面温升达到4~6℃,最大挠度变化为13.0~114.3μm。同时测量了两种经典介电材料有机玻璃和聚乙烯在交变电场下的温升与顶端挠度,最大温升低于0.5℃,但是挠度与骨试样相当,所以相对高温升是骨特有的性质。将交流电压有效值替换成相同幅值的直流电压时,最大温升也低于0.5℃,基本没有挠度变化,所以相对的高温升反映了骨的交流性质。分析后认为,骨在交变电场作用下的温升由胶原的介电损耗引起。实验数据显示,骨在交变电场下,表面温度变化与加载电压的平方成正比,且在实验加载的10~70kHz频段内,骨的介电常数随频率的变化明显。     

内部爆炸薄圆板的变形及有效载荷

为了研究内爆炸薄圆板的失效与作用载荷特性,在双圆筒装置内开展了铝质、钢质薄圆板内爆炸实验,分析了圆板破坏模式及比冲量载荷特性,并基于相同变形下载荷相等原理,得到了钢质圆板极限变形下的有效比冲量及作用时间,提出了该工况下圆板变形的预估模型。结果表明:在内爆炸载荷作用下,薄圆板的夹持边界和几何中心是应力集中区,产生了塑性大变形、拉伸撕裂、剪切断裂3种破坏模式;圆板的比冲量载荷由初始的波浪式增长逐渐转化为线性增长,30～80 g某温压装药使1 mm厚钢质圆板产生极限变形的有效比冲量作用时间在2.26～2.93 ms之间,经验证,圆钢板变形预估模型得到的装药质量与实验装药质量偏差小于13.3%。     

BC/CoNi2S4@PPy柔性复合电极材料的制备及电化学性能

本文采用溶剂热、原位聚合和真空抽滤相结合的方法制备了用于超级电容器的细菌纤维素/镍钴硫化物/聚吡咯(BC/CoNi2S4@PPy)柔性电极材料,通过X 射线衍射、场发射扫描电镜、红外光谱、氮气吸脱附、拉伸强度和接触角表征了材料的形貌结构、组成、机械性能和亲水性,并采用循环伏安法和恒电流充放电测试了复合材料的电化学性能....     

数字散斑干涉三维变形测量技术研究进展

三维变形可以转换为应力/应变分布,是材料性能测试和结构可靠性分析的关键参数。在众多三维变形测量技术中,数字散斑干涉技术可以高精度地测量三维变形信息,在航空航天、汽车、先进制造、土木工程和生物医学等行业发挥着十分重要的作用。从散斑干涉基本原理出发,详细介绍了几类三维变形散斑干涉测量技术,并分析比较各类方法的优缺点;同时介绍了散斑干涉三维变形测量技术的国内外研究进展和最新应用;最后展望了散斑干涉三维变形测量技术在动态同步测量、测量系统简化以及应用范围扩宽等方面的发展趋势。     

用于超级电容器的层状Co3O4/Ti纳米片柔性电极及其低电荷转移电阻

采用水热合成法,在Ti网上原位生长多孔层状Co_3O_4纳米片,并优化了电荷转移电阻。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对产物的结构、形貌进行表征,及对电极的电化学性能进行测试。结果表明,材料是由排列良好的微米矩形二维薄片组成,且具有均匀的孔隙分布。这种独特的微纳米结构的超级电容器电极材料降低了电极的电荷转移电阻,增强了活性物质的结构稳定性,从而提高了电极的电化学性能,在电流密度为100 mA·g-1时,电极循环1 000次后,电容保持率为91.8%,电荷转移电阻(Rct)为0.29Ω。这些显著的超电容性能归因于合理的二维层状结构在柔性基底钛网上的生长及柔性Co_3O_4/Ti电极活性材料的高利用率。     

柔性电子学中的表界面化学

柔性电子作为新兴的研究热点, 涉及材料、 化学、 物理等多个基础学科的交叉, 以及在生物医用、 可穿戴设备及人工智能等多个领域的应用. 柔性电子设备的制造加工过程中会用到弹性基底、 导电层、 功能层等多种性质各异的材料, 其互相之间的整合受到它们表面性质和界面结合力的限制; 器件的功能、 可靠性、 对环境的敏感性等也受到了器件表界面性质的影响; 因此, 对材料和器件表界面的处理在柔性电子学中具有重要作用. 本文对柔性电子学中常用的表界面化学过程分为3大类进行介绍: 表面电化学过程, 基于特定化合物反应产生的电流制备电化学传感器, 利用电流/电压控制表面负载化合物; 表面修饰, 通过表面改性提高材料的加工性能, 共价修饰分子层或其它材料赋予器件特殊功能性质或保护层; 不同材料之间的界面连接, 通过共价连接或化学反应辅助的物理交联实现不同材料的结合, 提高柔性器件的稳定性, 实现柔性设备的整合. 对各应用进行总结和举例后, 讨论了存在的问题, 并对未来的发展方向及前景进行了展望.     

基于ZIF-8/PAN复合薄膜的柔性丙酮气体传感器

ZIF-8是一种Zn基金属有机骨架材料, 可以吸附丙酮气体从而作为电容式丙酮传感器的气敏材料, 然而ZIF-8的传统使用形式为粉末态, 这导致其不能成为具备柔性的整体, 从而限制了传感器的柔性. 结合包埋种子和二次生长法将ZIF-8与纳米纤维结合成纤维型柔性材料, 并将其作为气敏层制备了柔性电容式丙酮气体传感器. 该传感器在9种常见挥发性有机化合物中表现出良好的选择性, 对250~2000 cm³/m³的丙酮气体具有灵敏的响应、良好的循环响应及长期稳定性. 值得注意的是该柔性传感器不仅在室温下进行传感, 而且在弯折180°的状态下对丙酮气体的响应值与不弯折(0°)状态下几乎一致, 在200次以内的180°弯折-恢复后同样表现出了传感性能的稳定, 表明了其在柔性传感器方面的潜力.     

功能化碳纳米管膜负载聚(2,5-二羟基-1,4-苯醌硫)柔性电极的制备及在柔性非对称超级电容器中的应用

通过对碳纳米管(CNT)膜进行重氮化处理,制备对氯苯胺修饰碳纳米管(pca-CNT)膜,并以pca-CNT膜为基底,原位缩聚生长聚(2,5-二羟基-1,4-苯醌硫)(PDBS),构筑pca-CNT负载PDBS(pca-CNT@PDBS)柔性电极。采用场发射扫描电镜、透射电镜、能谱仪、傅里叶红外光谱和光电子能谱等表征了pca-CNT@PDBS电极材料的形貌和结构,研究了CNT膜功能化之后对电极材料结构及电化学性能的影响。研究表明,当电流密度为1mA/cm~2时,pca-CNT@PDBS柔性电极的比电容达到108.0mF/cm~2,明显高于PDBS电极材料(65.6mF/cm~2)和纯碳纳米管膜负载的PDBS(CNT@PDBS,83.2mF/cm~2)。分别以pca-CNT@PDBS、CNT@PDBS为柔性正极,以CNT膜负载的聚(1,5-二氨基蒽醌)(CNT@PDAA)为柔性负极,与丙烯酸酯橡胶/四乙基四氟硼酸铵-乙腈准固态电解质(ACM/Et4NBF4-AN)匹配组装,得到柔性有机非对称超级电容器。当电流密度为2mA/cm~2时,pca-CNT@PDBS//ACM/Et4NBF4-AN//CNT@PDAA的比电容为79.6mF/cm~2;当功率密度为63.5 mW/cm3时,其能量密度达到1.63 mW·h/cm3。CNT@PDBS//ACM/Et4NBF4-AN//CNT@PDAA在循环7 500次以后,比电容保持率仅为30.5%,而pca-CNT@PDBS//ACM/Et4NBF4-AN//CNT@PDAA循环充放电8 000次后,比电容保持率为80.5%,循环稳定性较前者大幅提高。