思政和工程实践能力同步提升的材料力学性能课程建设

遴选工程案例,提炼具有震撼效应、渗透效应和可持续效应的思政要素,构建溶剂(案例)-溶质(知识要素)-催化剂(思政要素)相对平衡关系,形成专业课程和思政课程的“同频共振”。丰富教学素材,改进教学环节,还原案例中蕴含的知识要素。结合国家重大需求,通过反向设计,建立课程理论和工程应用之间的映射关系,培养工程思维、科学思维和系统思维意识,提升分析问题和解决问题能力。思政和工程实践能力同步提升,培养具有爱国情怀、堪负大任的专业人才。

材料、工艺、组织和性能一体化塑性成形实验设计

塑性成形是材料成型与控制工程专业方向的一个重要分支,着重培养学生运用专业知识分析和解决塑性加工过程中复杂工程问题的能力。金属材料成形生产中涉及材质、工艺、组织和性能等多个要素。以板材轧制成形为教学内容,设计了一个将材料、组织、工艺和性能4个方面有机结合的塑性成形工艺实验课程。在实验教学方法方面,采用问题导向和交流讨论方式,培养学生的实践能力和创新能力。

高熵复合材料微观结构、力学性能及耐磨性研究进展

自2004年以来,高熵合金因其独特的成分设计理论、微观结构以及优异的力学性能、高温稳定性、耐磨性和抗辐照性能等引起越来越多学者的关注,有望应用于核电站、航空航天等重要领域及重大装备。而在高熵合金中加入适量的增强相,或者将高熵合金作为增强相添加到金属基体中制备的高熵复合材料可以进一步提高材料的性能。与传统复合材料相比,高熵复合材料不仅克服了界面稳定性差的问题,还显示出优异的强塑性结合,因此近年来高熵复合材料逐渐成为复合材料领域研究的热点。基于此,本文简要介绍了近年来高熵复合材料的研究进展,分别从高熵复合材料的制备方法、微观结构、力学性能和耐磨性等方面进行了讨论,最后总结了高熵复合材料目前存在的一些问题,并对其未来的发展进行了展望。

Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_(2)正极材料的Ga_(2)O_(3)包覆改性及电化学性能

首先采用共沉淀方法制备富锂锰基正极材料Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_(2)原始样品(P-LRMO),然后通过简单的湿化学法以及低温煅烧方法对其进行不同含量Ga_(2)O_(3)原位包覆。透射电子显微镜(TEM)以及X射线光电子能谱(XPS)结果表明在P-LRMO表面成功合成了Ga_(2)O_(3)包覆层。电化学测试结果表明:含有3%Ga_(2)O_(3)的改性材料G3-LRMO具有最优的电化学性能,其在0.1C倍率(电流密度为25 mA·g^(-1))下首圈充放电比容量可以达到270.1 mAh·g^(-1),在5C倍率下容量仍能保持127.4 mAh·g^(-1),优于未改性材料的90.7 mAh·g^(-1),表现出优异的倍率性能。G3-LRMO在1C倍率下循环200圈后仍有190.7 mAh·g^(-1)的容量,容量保持率由未改性前的72.9%提升至85.6%,证明Ga_(2)O_(3)包覆改性能有效提升富锂锰基材料的循环稳定性。并且,G3-LRMO在1C倍率下循环100圈后,电荷转移阻抗(Rct)为107.7Ω,远低于未改性材料的251.5Ω,表明Ga_(2)O_(3)包覆层能提高材料的电子传输速率。

高熵陶瓷材料研究进展及挑战

高熵作为全新的材料体系,得益于巨大的组分空间、独特的微观结构以及较大的构型熵所赋予其独特且可调的优异性能,已成为材料领域的研究热点。高熵陶瓷的研究目前还处于探索阶段,尤其在精准的成分设计理论、高纯高产率粉体制备、新型烧结工艺等方面,亟待深入研究。因此,本文针对高熵陶瓷的五大高熵效应、新的设计理论、粉体制备方法、新型烧结工艺以及综合性能与实际应用进行了梳理归纳,并通过团簇加连接原子模型(CPGA)对高熵陶瓷(HEC)成分设计进行解析,深入挖掘了HEC的组元和微结构以及性能之间的关系。未来HEC的重点发展方向仍然为基础理论设计,尤其是针对非氧化物HEC成分结构。同时,在样品制备上要在学科交叉领域寻找突破,如采用人工智能机器学习与3D打印进行制备。最后,要寻找结构、热障耐腐涂层、机械、工程光学和磁性等方面实际应用并对探究工况环境下的强化、失效机制深入探究分析。

基于第一性原理高价元素Mo稳定层状富锂锰基材料的氧框架机制

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算探究了高价元素Mo取代Mn稳定层状富锂锰基材料氧离子框架机制.Mo掺杂将体积变化率从‒2.95%降至‒0.53%,改善了锂化前后的晶格畸变.空位形成能及巴德电荷分析结果表明,7种氧空位形成能均明显提升,且第一配位氧平均巴德电荷从1.13 e升至1.18 e,抑制了不稳定氧析出;锂化前后氧原子巴德电荷改变量从0.51 e降至0.11 e,表明循环前后的体系均具有良好的氧框架稳定性.通过差分电荷密度计算,发现Mo能够在Li去除后提供电荷补偿,而且Mo掺杂后锂离子迁移速率得到了提升,最低势垒从0.55 eV降至0.42 eV.为高价元素掺杂锂离子电池正极材料奠定了坚实的理论依据.

高频低损耗的Fe/亚微米FeNi软磁复合材料

高功率电力电子设备的应用对功率电感的高频电感性能和能量效率提出了更高的要求,迫切需要开发高频低损耗的软磁材料。为降低软磁复合材料的涡流损耗,获得高频低损耗、大功率的一体成型电感,通过等离子体炬制备了高纯度亚微米FeNi颗粒,并采用简化的有限元模型探讨了亚微米FeNi颗粒对软磁复合材料涡流损耗的影响。本工作制备了含不同质量分数亚微米FeNi颗粒的Fe/亚微米FeNi软磁复合材料,重点讨论了亚微米FeNi颗粒对软磁复合材料及一体成型电感性能的影响。结果表明:与纯羰基铁粉制备的软磁复合材料相比,当亚微米FeNi颗粒质量分数为30%时,环形磁芯代表损耗的磁导率虚部µ″由1.57降至1.36,降低了13.4%;一体成型电感在10 MHz条件下的品质因数Q由13升至20,提高了53.8%,并且自谐振频率提高了12.7%,饱和电流由2.148 A升至2.352 A。通过提高材料内阻和减小涡流流动区域的尺寸,亚微米FeNi颗粒能有效降低涡流损耗,提高软磁复合材料的高频磁导率稳定性。复合亚微米FeNi颗粒有望低成本、大规模地获得高频低损耗、综合性能良好的一体成型电感。

连续SiCf/TC17复合材料室温偏轴拉伸性能研究

采用磁控溅射法结合热等静压工艺制备SiCf/TC17复合材料,通过SEM观察试样的断口形貌,研究了复合材料在室温的偏轴拉伸性能及断裂机制。结果表明:纤维偏轴角度在0°~2°间,复合材料轴向性能变化较小,拉伸强度稳定在1960~1987 MPa;纤维偏轴角度再增大时(>2°),材料拉伸强度近似呈单调线性降低,由1870 MPa降至1797 MPa。纤维偏轴角度较小时(≤2°),平坦区基体与纤维断裂面平整,且两者的断裂面平行。纤维/基体界面没有明显的脱粘破碎迹象;纤维偏轴角度较大时(>2°),部分纤维存在“斜切断裂”,纤维拔出距离变长,且不再与基体的断裂面保持在同一平面,基体撕裂损伤严重。依据断口形貌结合局部承载模型,详细论述了SiCf/TC17复合材料两种拉伸失效的断裂过程。纤维偏轴角度较小时(≤2°),裂纹萌生于纤维间距较小的反应层,在界面处钝化或偏转进而形成不同截面的平坦区,当纤维超过承载能力极限,试样整体断裂;纤维偏轴角度较大时(>2°),“拉-剪”耦合效应导致C涂层与反应层间的界面脱粘破碎形成裂纹源,裂纹加速反应层受损或导致界面脱粘致使纤维断裂,当基体及剩余纤维超过承载能力极限,试样整体断裂。

基于贝叶斯估计和数据融合的复合材料结构冲击定位

到达时刻(TOA)是用于冲击定位的关键特征之一,目前随着信号处理技术的不断发展,在文献中可找到多种时频模型进行测量,但是在选择上通常依赖于人的经验。此外,考虑到测量模型的系统误差和测量噪声引起的不确定性,传统基于TOA的冲击定位方法存在不足。为此,本文提出了一种基于贝叶斯估计和数据融合的复合材料结构冲击定位方法。首先,应用多种不同的时频模型来获取冲击响应信号的TOA数据;然后根据TOA数据测量误差的不确定性,应用贝叶斯定理构建冲击位置的后验概率密度函数;再采用马尔可夫链蒙特卡罗采样方法估计冲击位置参数的后验分布,并用正态分布进行拟合;最后,对不同TOA数据获得的冲击位置概率分布进行融合,利用融合后的概率分布对冲击源的位置做最终决策。通过复合材料加筋板上的落锤撞击实验验证了本文方法的可行性,平均定位误差仅为0.94 cm,相比于传统基于TOA的冲击定位方法可靠性和准确性更高,且在鲁棒性和定位时间方面同样具有优势。

原位合成颗粒增强铜基复合材料的研究进展

弥散强化型铜基复合材料,兼具优异的导电导热性能、高强度、良好的热稳定性和耐磨性,是核反应堆、航空器及高端装备中各种导电导热元件的关键材料,在核电、航空、交通、军事等诸多重要领域有不可替代的作用。原位合成法是在一定温度下金属基体内发生化学反应,原位生成一种或几种陶瓷增强体的技术。原位反应制备颗粒增强铜基复合材料存在两个重要的问题亟待解决:一是增强相的团聚问题,二是增强相的尺寸调控问题。本文总结了几种较为常用的制备弥散强化型铜基复合材料的原位合成方法,并对比分析了几种方法的特点、优劣及技术难点。同时,本文综述了原位合成法对铜基复合材料中颗粒尺寸和分布的影响,分析了原位合成法不同参数对复合材料力学及综合性能的影响规律,并从增强相颗粒形核与生长的原理出发,提出了促成细小弥散颗粒增强相的工艺方案。

基于分布式光纤传感与U-Net网络的复合材料分层损伤定量识别方法

结构健康监测(SHM)是确保飞行器复合材料结构安全性和完整性的重要手段。基于背向瑞利散射的分布式光纤传感器可以通过测量高密度的应变分布为复合材料损伤监测提供数据支持。然而,结构应变分布特征和损伤的映射关系较为复杂,无法直接根据应变分布准确判定损伤的定量信息。另外,分布式光纤传感器数据量大,通过人为分析应变数据识别损伤较为耗时且准确性偏低。为了应对这一挑战,提出了一种基于分布式光纤传感数据与U-Net神经网络的智能损伤识别方法,旨在自动精确识别复合材料中常见的分层损伤。首先,通过有限元仿真构建U-Net神经网络的训练集与验证集;随后进行含分层损伤复合材料板的悬臂加载试验,通过分布式光纤传感器采集结构应变分布数据作为测试集。损伤识别结果表明,U-Net神经网络可以对分层损伤的位置、尺寸与形状进行较为精确的定量识别。

超声检测识别CFRP复合材料PTFE夹杂与富树脂缺陷

针对碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)缺陷试样制作困难且不同夹杂缺陷难识别的问题,采用仿真与试验相结合的方法,开展聚四氟乙烯(PTFE)夹杂与富树脂缺陷超声检测研究。首先建立考虑CFRP层结构弹性各向异性的多向层合板超声反射法有限元模型,对比模拟与试验得到的A扫描时域信号,证明了模型的有效性。在CFRP层合板内部设置宽度6 mm,厚度0.03~0.40 mm的PTFE夹杂和厚度0.03~0.85 mm的富树脂缺陷,模拟得到超声A扫描信号,分析比较两种缺陷厚度变化对超声信号幅值最大值和波形峭度因子的影响。结果显示,随着缺陷厚度增加,PTFE夹杂及富树脂缺陷信号的幅值最大值和峭度因子均呈现先上升后下降最后趋于稳定的趋势,但富树脂缺陷信号幅值最大值低于PTFE夹杂,其峭度因子随厚度变化滞后于PTFE夹杂。

等离子体改性多孔聚合物材料负载银纳米粒子的抗菌性能

在材料表面均匀稳定地负载纳米银粒子并提高其抗菌性能是目前面临的一项挑战。为此利用纳秒脉冲放电预处理结合化学浸渍法制备了一种纳米银-多孔聚合物复合材料。利用原子力显微、X射线光电子能谱测试分析了等离子体改性前后多孔聚合物材料表面物理性能和化学成分的变化。利用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱分析了纳米银在多孔聚合物材料表面的分布情况。以大肠杆菌和白色念球菌为测试菌种,测试在不用放电处理时间、脉冲峰值电压、硝酸银浓度以及作用时间下纳米银-多孔聚合物复合材料的抗菌性能。结果表明,等离子体改性时间为20min、脉冲峰值电压30kV的条件下,在10mmol/L的硝酸银溶液中浸渍得到的复合材料在作用时间为5h时,对大肠杆菌和白色念球菌的杀菌率仍高达99.3%和98.9%,展现出良好的抗菌效果。

基于专业认证的“金属材料工程与技术综合实验”课程建设与实践

介绍了大连理工大学金属材料工程专业"金属材料工程与技术综合实验"的建设与教学实践,该课程通过系统规划,整合了验证性、综合性、设计性的实验,层次推进实验环节,实现了专业理论课程的有机衔接,通过开放性环节和自主设计实验方案,充分发挥学生主动性,并结合工程教育专业认证理念,加深了学生对专业理论知识的理解和综合运用,培养了学生分析和解决复杂工程问题的能力,提高了学生在工程实践中的动手能力,拓展了学生视野,与日本东京工业大学联合实验教学交流增强了学生国际交流能力和团队意识。

强磁场在材料科学中的应用

随着强磁场技术的发展．强磁场在材料科学中的应用越来越广泛。其应用主要体现在强磁场能够对流体流动、物质转变及取向方面有很大影响。本文从以上三个角度综述了强磁场在材料加工和界面研究中的应用。

金属材料工程专业实验教学的设想及实践

从专业方向发展与专业课程群需求、实验教学综合平台及模块化实验教学体系建设两方面,探讨了金属材料工程专业多层次实验教学体系构建的设想及实践。即在专业发展需求和专业基础实验课程基础上,增设金属材料工程与技术综合实验,按照演示性、验证性、综合性和设计性实验的多层次系统布局,建设二级实验平台及模块化教学实验方案,形成层次合理、功能基本齐全、规模适当的实验教学体系。

材料科学基础实验课多媒体教学及网络教学平台建设

根据多媒体教学及网络教学的特点,提出材料科学基础实验课多媒体教学及网络教学平台的构建思路与方法。通过与传统实验课相比分析其存在的优势与不足,并对相应的改进方法进行初步探讨。

工程教育认证与材料专业基础课程教学思考

高等工程教育专业认证已经成为国际上实施工程师认证的前提和基础,在我国高等理工科院校中也受到高度重视。介绍了工程教育认证及其对专业课程教学的影响,并以材料科学基础课程为对象,介绍了在2015版《工程教育认证标准》背景下,对课程教学大纲、教学内容、教学方式、教学理念的理解。

材料成型与控制工程专业本科教学实验—挤压铸造成型

介绍了一个材料成型与控制工程专业本科教学实验—挤压铸造成型。以自主设计和研制的小型立式挤压铸造装置为依托,为学生提供了一个实践的平台,填补了材料成型与控制工程专业本科实验体系中挤压铸造实验的空白,让学生通过亲身实践了解挤压铸造成型的过程和特点,实际观察制件的凝固组织,亲自体验现代成型的新技术。为国内其他高校本科实验教学中类似实验的开设提供了参考。

材料科学基础MOOC平台课程建设及学习效果探讨

随着"互联网+"经济形态的快速发展,MOOCs课程建设目前已在全世界高校普及并快速发展。主要介绍了MOOCs课程的发展现状,并结合材料科学基础课程在中国大学MOOC平台上的课程建设情况,分析了MOOCs课程存在的问题及学习的效果,并分析了问题存在的主要原因,探讨了解决问题的方法。