纤维素基光子晶体的研究进展

纤维素基光子晶体是以纤维素及其衍生物为主要构成材料的光子晶体,其结构通常由周期性排列的、具有不同折射率的纤维素材料或纤维素与其他材料的复合物构成,从而能够有效控制光子的传播特性。纤维素基光子晶体的优势在于纤维素材料的可持续性、生物相容性和生物降解性,使其在生物传感、光学器件和手性光子学等领域具有广泛的潜在应用价值。近年来,纤维素纳米晶(Cellulose nanocrystals, CNC)因其精细的纳米结构、优异的机械性能、较低的膨胀系数,以及出色的可塑性和黏结性,在光子晶体的制备与应用研究中备受关注。然而,关于其他类型的纤维素基光子晶体的研究进展,论述仍显不足。本文从纤维素基光子晶体的种类入手,首先介绍了其光学调控机制及制备方法,进一步综述了不同种类纤维素光子晶体在传感器件、光学防伪和其他智能材料中的应用。最后,总结了当前纤维素基光子晶体材料研究中亟待解决的问题,并展望了其未来的研究方向和发展前景。

用于龙舟训练的仿生柔性触觉传感器

为了提高龙舟比赛运动员的训练效果,开发了可用于身体运动识别及压力监测的仿生纤毛柔性触觉传感器。柔性触觉传感器采用了经典的基底-传感层-封装层式“三明治”结构,柔性硅胶基底采用旋涂法制备,传感层为利用Langmuir⁃Blodgett方法得到的大面积碳纳米管传感薄膜,纤毛栽种于传感层,最后封装得到具有仿生纤毛的触觉传感器。由传感器的SEM照片可知,层与层之间的结合特性较好,采用自制的往复测试平台,对传感器进行了测试。传感器耐用性最高可达5500次,最大阻值差可达300%,对于不同方向力的刺激有识别特性,可清晰识别人体的脉搏信号,对未来龙舟训练智能装备开发中的动作识别、力量监测等功能具有较大现实意义。

新型磁流变隔震支座的力学动态性能研究

永磁体可对磁流变隔震支座提供一个初始磁场,设计一种利用永磁体和电磁线圈形成混合磁场功能的新型隔震支座,线圈产生的磁场调节永磁体的磁场以改变磁流变弹性体层的刚度,实现隔震支座的可变刚度性能。利用ANSYS Electronics软件对隔震支座进行仿真分析,模拟出不同电流强度下试验装置内部的磁感应强度、绘制其磁通量密度云图并计算其饱和点。制备羰基铁粉体积分数为23%的磁流变弹性体,研究隔震支座试验过程中励磁电流强度、剪切幅值及激振频率对其剪切性能的影响。结果表明:隔震支座的刚度随控制线圈电流增强而实时降低,实现磁流变弹性体隔震支座的变刚度特性;刚度软化条件下励磁电流强度、剪切幅值及激振频率对磁流变弹性体隔震支座等效刚度及等效阻尼具有显著影响。

磁流变弹性体及其振动控制应用综述

磁流变弹性体是将磁性颗粒(微米级)分散到聚合物弹性体中制备而成的一种磁控智能材料,其不仅拥有颗粒增强复合材料的优异力学特性,还具备迅速、连续且可逆的磁控特性,在智能传感、电磁屏蔽及缓冲减振等领域具有广泛的前景。为了促进磁流变弹性体及其振动控制技术的发展,综述了磁流变弹性体的材料组成,制备方法。总结了磁流变弹性体在振动控制领域的应用现状及对应用前景进行了展望。

双磁场控制的磁流变减震结构振动台试验研究

传统磁流变减隔振器通常由线圈持续供电,不仅增大耗能,也会减少器件的使用寿命。基于磁流变凝胶(MRG)的剪切工作原理,运用剪切型结构设计一种新型磁流变凝胶减震装置,采用永磁体和线圈共同控制磁场大小和方向,通过改变磁流变凝胶的磁化程度实现阻尼力大小的控制。将该装置安装在一2层钢框架结构模型的底层,采用恒定电流控制法开展磁流变减震结构振动台试验研究,分析不同电流下减震结构系统对不同地震波的振动控制效果。试验结果表明:该磁流变凝胶减震装置能够显著降低结构的动力响应,对于不同的地震波其减震效果有所差异,随着峰值加速度的增加其减震效果有所下降。

基于长标距光纤光栅传感技术的智能碳纤维筋性能研究

光纤光栅(FBG)传感技术以其抗干扰、传感与传输一体化等优点,成为CFRP拉索智能监测重点研究方向之一。然而,传统CFRP拉索智能监测属于点式或局部传感,难以满足服役全时感知及高量程监测需求。因此,提出将长标距FBG传感技术与螺旋倾斜式技术复合,研制一种智能CFRP筋,并通过循环静力拉伸、低周疲劳(高应力状态下)与极限静力拉伸试验,探究各试验条件下智能CFRP筋的力学及传感性能和试验后性能损失情况。试验表明:智能CFRP筋应变传感性能在不同工况(15 kN、42 kN)下3次循环拉伸的线性相关系数均大于0.99,说明智能CFRP筋应变传感性能较好,具有可重复性,同时将FBG监测值与应变片监测值进行对比,表现出较好的吻合性。低周疲劳试验过程中FBG监测值与疲劳荷载变化规律一致,且监测值与理论应变上下限误差少于8%,试验过程中未出现数据异常、应变感知迟滞等现象,FBG存活率达到100%,验证了智能CFRP筋良好的应变传感性能,可实现智能CFRP筋轴向动应变的监测。在极限静力拉伸试验中,FBG最大波长变化量达13 454 pm,监测应变达到了11 000με以上,可实现智能CFRP筋更大量程应变的监测。经过3次循环静力拉伸和低周疲劳试验后智能CFRP筋的FBG监测值线性相关系数相比对照组试件有所提高,智能CFRP筋极限荷载有所降低,FBG应变监测量程受影响较小,前期试验主要对智能CFRP筋筋材造成了累积损伤。试验结果可为CFRP拉索智能监测的理论设计和研究提供重要的依据。

人工智能驱动新型界面分离材料的创制

计算机技术与人工智能的发展给新材料的开发带来了新的研究范式(第四代),也为新型界面分离材料的创制带来新的发展契机。然而,受界面分离过程机理研究和材料、基团的理化数据的局限性,人工智能在新型界面分离材料的创制中的应用仍处于初期阶段。本文为解决特定体系数据缺失的问题,构建了百万级(10^(6))的样板数据库,为大预测模型与生成模型提供了可靠、规范的示范数据基础;通过从大数据中挖掘分子结构与性质的隐藏关联,并借助分子模拟计算剖析其分子间相互作用机理,解析分子间相互作用机制和重组过程规律,进而实现高性能界面分离材料的构筑。最后,本文浅析了介尺度样板大数据、机器学习势理论、国产软件开发、有机合成、智能算法等多学科交叉在界面分离材料创制中的重要影响与发展机遇,以期推动虚拟实验室前沿发展。

新型零泊松比蜂窝结构的等效弹性参数分析

在四角星形蜂窝结构的基础上,提出了一种新型零泊松比蜂窝结构。采用结构基因方法分析研究了蜂窝结构的等效弹性参数,并对结果进行了精细化模型有限元仿真验证;进而分析了蜂窝结构单胞尺寸参数对于结构等效弹性参数的影响。结果表明,结构基因法在进行蜂窝结构等效弹性参数预测时具有较高的正确性与效率性;蜂窝结构尺寸参数对结构的等效弹性参数影响很大,与原材料模量相比,蜂窝结构的面内模量会降低(1~2)个数量级。最后,通过与四角星形蜂窝结构进行对比发现,新型蜂窝结构可以保证较为稳定的零泊松比特性,而且在面内变形能力以及抵抗面外变形能力优于四角星形蜂窝结构,具有在变体飞机中的良好应用前景。

反向消磁条件下磁流变脂隔震模拟试验研究

采用电磁线圈及永磁体共同控制磁场,自主设计一种可反向消磁的磁流变脂(MRG)剪切试验装置。利用ANSYS Electronics软件对该试验装置磁场分布进行仿真分析,并制备不同羰基铁粉质量分数的MRG,采用振动台对反向消磁条件下MRG的动态剪切性能开展试验测试,分别研究励磁电流、激振幅值和激励频率对MRG动态性能的影响。结果表明:羰基铁粉质量分数对MRG的动态性能影响显著;MRG的剪切应力随励磁电流的增大先快速增大后趋于平缓,阻尼力则逐渐减小;MRG的耗能能力随位移幅值的增加而增强;随着加载频率的增大,其阻尼力略有增加。

磁控表面粘附性能的研究型实验教学设计与实践

该文将磁控表面粘附性能研究作为探究型创新实验教学项目融入设计力学课程。针对湿环境下粘附难以调控的问题,设计了一种由磁场控制、制备简单、可调节粘附力的智能表面,并针对此表面进行了湿粘附力实验装置设计和力学分析。结果表明,对该表面通过施加不同的磁场强度、方向、载荷,会使表面微结构发生变化,进而影响润湿状态,使得粘附过程的接触角和接触半径发生改变,最终使表面分别处于低粘附态和高粘附态。该实验通过对磁控表面的设计与分析,有利于学生进一步了解智能粘附概念,有利于提高创新实践能力。

具有智能蒙皮潜质的磁流变弹性体磁力学特性

变体飞机的难点之一在于变形机翼,而变形机翼的难点之一在于变形蒙皮,其中后者的研究难度长期以来被忽视。以往很多变形翼蒙皮的研究与设计中,一般更加关注基于力学特征的智能材料。本文从变体结构中的变形蒙皮特性与需求出发,简述了变形蒙皮的研究进展,论述了磁流变弹性体(MRE)的概念、材料组成以及功能等内容,以及磁流变弹性体磁力学的相关表征。

基于ANSYS的SMA复合材料双闭室梁动力响应分析

将形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)层与玻/碳纤维混杂复合材料双闭室复合材料梁相粘合,利用SMA的超弹性效应对复合材料梁进行振动被动控制。利用有限元软件ANSYS对悬臂式复合材料梁进行动力响应分析,分别研究了自由端作用有脉冲荷载及上表面作用有简谐压力两种情况下梁自由端的位移响应,分析了SMA对梁的振动抑制效果,并讨论了SMA铺设位置、铺设长度以及铺设厚度对该复合材料梁振动抑制效果的影响。结果表明,由于SMA超弹性耗散能量的特性,双闭室复合材料梁的振动得到了一定程度的抑制。而且,SMA铺设在梁的上下表面比铺设在左右腹板具有更好的减振效果。此外,在梁的上下表面只粘贴距离固定端1/4长度的SMA层对梁的振动抑制效果等同甚至优于沿全长粘贴SMA层的振动抑制效果;脉冲载荷作用下,SMA层的厚度越大,其对复合材料梁的振动抑制效果越好。

pH响应材料及其在智能肥料中的应用

肥料行业的发展正从传统化肥向新型肥料转变。肥料使用在保障粮食安全方面发挥了重大作用,但传统肥料利用率低、养分损失大、环境风险加剧,大多数肥料产品不能按照作物的营养需求规律实现养分精准供应。而智能肥料的研发与创新为解决该问题提供了有效途径,在时空上更精准匹配作物对养分的需求。本文系统综述了pH响应材料的类型、来源及响应机理,探讨pH响应材料的化学结构对pH响应行为的影响,提出pH响应材料促进根肥互馈的观点,剖析pH响应材料在智能肥料中的应用前景,进一步明确pH响应材料在绿色智能肥料创制领域的应用潜力、未来的研究方向及面临的挑战。文章以根肥互馈理念为核心,综合考虑pH响应材料与作物根际酸化效应,设计并利用pH响应材料把根分泌物与智能肥料有机连接,提出开发pH响应肥料的创新思路,指出根肥互馈是协同肥料养分释放和作物养分吸收的关键,提出基于根肥互馈原理匹配作物养分需求规律且具有环境友好性的绿色智能肥料将成为新型肥料的发展趋势。

超磁致伸缩致动器非线性动力学的分数阶时滞反馈控制

设计了一种分数阶时滞反馈控制器,用于控制单自由度的超磁致伸缩致动器(GMA)的非线性动态响应。考虑到预压碟形弹簧机构引入的几何非线性因素影响,建立了GMA系统的非线性数学模型。利用平均法求解系统在含分数阶时滞反馈控制策略下主共振的幅频响应方程,根据Routh-Hurwitz准则得到系统的稳定性条件。通过数值模拟研究GMA系统中关键结构参数对幅频响应特性的影响,以及主共振峰值和系统稳定性随每个时滞反馈参数变化的特性规律;通过分岔图和Lyapunov指数图得到外激励幅值对系统混沌运动的影响;最后调节时滞反馈增益和分数阶次抑制系统的混沌运动。结果表明,时滞反馈增益和分数阶次能够有效抑制系统的主共振峰值和不稳定区域,可以将系统响应从混沌运动调整为稳定的周期运动,提高系统的稳定性。

弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳的自由振动分析

旨在研究热-力-电载荷下弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳的自由振动。首先,建立弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳动力学模型;然后,应用三阶剪切变形壳体理论和修正的偶应力理论,推出弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳模态频率的解析解;最后,通过数值算例分析了微圆柱壳模态频率的影响因素。结果表明:Pasternak弹性支撑比Winkler弹性支撑更有利于提高微圆柱壳的模态频率;改变弹性支撑的刚度系数、轴向力、外加电压、孔隙分布、材料体积分数指数和结构尺寸可调节微圆柱壳的模态频率;孔隙体积分数越大,温度或轴向力对模态频率的影响越大,而电压对模态频率的影响则越小;不同材料指数下,增大孔隙体积分数对模态频率的影响趋势不同;弹性支撑会减弱温度、轴向力和电压对模态频率的影响,对薄圆柱壳或短圆柱壳模态频率的影响较为显著。

柔性无机电致发光器件及其在智能纺织品上的应用进展

柔性无机电致发光器件具有发光效率高、响应速度快、制备成本低、发光稳定等特点,可以实现柔性显示、智能传感等功能,在智能手机、电子皮肤、智能可穿戴等领域有着广泛的应用前景。而纺织材料的柔性、可穿戴性及成熟的加工技术使其成为柔性电致发光器件的优良载体。柔性无机电致发光器件主要包括硫化锌柔性电致发光器件、钙钛矿基柔性电致发光器件和其他无机发光材料基柔性电致发光器件,其与纺织材料的结合方法主要包括印刷、涂层、层压及编织等。因此,文章从无机电致发光材料出发,对其发展历程、设计思路、制备方法、发光原理及其在纺织品上的应用及存在的问题和面临的挑战进行综述,并对基于电致发光技术的智能可穿戴纺织品应用及发展展开讨论,以更好地推进智能纺织品的发展。

生物质基导电水凝胶的研究进展

随着石油危机日趋严重与“绿色发展”观念持续推进,生物质材料凭借其可再生、来源丰富、可生物降解、生物相容性好等诸多优势已成为众多领域的研究热点。生物质基导电水凝胶(Biomass-based conductive hydrogels,BCHs)是以生物质为原料制备的具有导电性质的水凝胶,具有生物质材料良好的生物相容性和生物降解性等本体性能,同时具有水凝胶的柔软特性和导电功能材料的电化学性能。本文首先根据导电原理的不同,将BCHs划分为离子导电、电子导电、离子-电子协同导电三个类型,接着介绍了基于BCHs的柔性可穿戴设备、超级电容器、发电机、智能机器人、组织工程等领域的最新应用研究,最后结合目前研究现状,对BCHs的应用前景和发展趋势进行展望。

磷酸盐基新型激光隐身智能材料的性能研究

为提升飞行器的抗激光损伤性能,本试验开展基于相变原理的智能化高能激光防护材料研发。基于Sm对1050~1150 nm波段红外光的吸收,利用沉淀法制备了SmPO_(4)⋅nH_(2)O水磷钐石,重点研究了SmPO_(4)⋅nH_(2)O及其热相变产物在1064 nm波长的激光隐身与防护特性。结果表明,水热合成14 d制备的SmPO_(4)⋅nH_(2)O具有较好的激光隐身性能,其在约1080 nm波段的反射率为43.8%;1~7 d合成SmPO_(4)⋅nH_(2)O的晶粒团聚严重,影响细小晶粒吸收截面比。SmPO_(4)·0.667H_(2)O具有良好的脱水吸附可逆性和结构稳定性,其在250℃左右完全脱水,842℃左右转变为热障涂层用的SmPO_(4)独居石;SmPO_(4)独居石在1064 nm处的反射率为70.9%,表明SmPO_(4)⋅nH_(2)O可通过晶型转变实现材料反射率的转化,是一种可代替VO_(2)的新型智能化激光隐身与热防护材料。

前言

智能材料与结构是一类能够响应外部环境变化,并自适应调节其性能或形态的材料或结构系统.这些材料或结构对外界的力、热、电、磁、光等作用高度敏感,能够在这些作用下产生可控的物理或化学变化.因此,智能材料与结构已经成为现代科技发展的关键基石,在机械、航空、航天、信息、能源、生物、医疗、机器人等众多领域得到了广泛应用,大大推动了技术进步与产业升级.

前言

智能材料与结构是一类能够响应外部环境变化,并自适应调节其性能或形态的材料或结构系统.这些材料或结构对外界的力、热、电、磁、光等作用高度敏感,能够在这些作用下产生可控的物理或化学变化.因此,智能材料与结构已经成为现代科技发展的关键基石,在机械、航空、航天、信息、能源、生物、医疗、机器人等众多领域得到了广泛应用,大大推动了技术进步与产业升级.