木基材料自上而下多尺度结构设计研究进展

在全球气候变暖危机和“双碳”战略的大背景下,开发使用木基材料替代传统结构或功能材料,可以大大降低能源消耗,减少碳排放并增加碳封存量,对改善生态环境、实现绿色可持续发展具有重大意义.近年来,为了开发利用木质资源并提升传统木基材料的宏观性能,不少学者通过自上而下的“两步改性”策略实现了木材中从微观尺度到宏观尺度的多尺度结构设计调控,从而赋予了木基材料诸如高强度等不同的宏观性能,为开发设计可持续、绿色低碳的高性能木基材料开辟了新的天地.基于此,文章围绕木基材料中自上而下的多尺度结构设计策略进行了详细综述:首先简要概述了木材天然具备的跨尺度多层级结构,接着综述了微观尺度下木基材料中由纤维素主导的力学行为机制,其次从细胞壁工程的角度回顾了不同微结构调控策略以及得到的具有不同性能的木基材料,随后简要综述了近期木基材料的功能化应用新进展.最后总结了现有木基材料多尺度结构设计方面存在的不足并提出了相应的研究展望.

热释电材料问题的通解与界面裂纹

该文讨论了热释电材料中的热弹性问题的一般解，进而求解了共线界面裂纹问题．利用Ｓｔｒｏｈ方法，把热释电材料的热弹性界面裂纹问题化为一向量形式的Ｈｉｌｂｅｒｔ问题，求出这一Ｈｉｌｂｅｒｔ问题的通解，进而求得了热释电材料热弹性界面裂纹的闭合解，得到了温度、热流、位移、电势、应力和电位移的全场解，得到了裂纹张开位移及电势差的精确表达式．在此基础上，还求得了均匀热释电体中单个热弹性裂纹裂尖场，单个界面裂纹裂尖场以及点热源与界面裂纹的作用．此外，该文还对界面裂纹顶点附近的端部场作了渐近分析．

不规则区域热传导问题无网格Petrov-Galerkin方法的数值模拟

无网格Petrov-Galerkin(MLPG)方法是一种真正的无网格方法,它利用节点计算待求量的插值函数,并利用高斯型求积公式在局部子域内进行数值积分。本文提出了一种有效的用于不规则区域的高斯型数值积分实施方法,通过数值研究表明:该方法能很好地处理不规则区域积分,其计算结果与基准解和FLUENT的计算结果吻合很好。

双极晶体管负载瞬态辐照毁伤效应

利用有源传输线模型与漂移-扩散模型的耦合计算模型,对在瞬态X射线辐照下电缆末端典型N+-p-n-N+结构的双极晶体管负载的毁伤效应与规律进行研究,通过分析双极晶体管内部晶格温度分布,判定是否处于毁伤状态,总结双极晶体管烧毁时间和烧毁所需能量与脉冲X射线脉冲宽度和注量之间的关系。结果表明:随着脉冲X射线脉宽增加,双极晶体管烧毁能量变化较小,烧毁时间逐渐增加;随着注量增加,烧毁时间逐渐降低,在5.86J/cm2以下时,烧毁所需能量基本相同,之后呈指数逐渐增加,并通过曲线拟合得到损伤规律的经验公式。

含氢原子缺陷晶界的剪切行为

针对4个α-Fe对称倾斜晶界,采用分子静力学考察了4个晶界中H原子偏析能的分布特征,并采用分子动力学方法研究了晶界内植入不同数量H原子对其在室温条件下剪切行为的影响.H原子通过随机方式植入界面内,利用植入H原子数量与晶界面积的比值来定义H原子面密度ρ.在含H原子晶界剪切行为分析过程中,重点考察了在不同H原子密度ρ下,4个晶界的初始塑性临界应力和晶界迁移位移的变化趋势以及4个晶界在加载过程中的微观变形机理.研究表明:晶界内的H原子偏析能明显偏低,4个晶界附近的H原子会自发向晶界内偏析;随着植入H原子数量的逐渐增多,晶界的初始塑性临界应力和后续变形阶段应力均会降低.晶界内植入H原子会从本质上改变晶界的微观变形机理,进而影响晶界在外载荷条件下的迁移属性.与不含H原子晶界的变形机理对比发现,加载过程中晶界的微结构会发生剧烈的演化,H原子的扩散和团簇化效应会导致晶界内出现纳米孔缺陷.

对流项占优问题的MLPG/SUPG方法数值模拟

在计算对流项占优问题时易产生假扩散,本文把流线型迎风格式应用于MLPG方法中可以减少对流项的影响,通过两个典型例子(旋转流场问题和Brezzi问题)验证该格式的精度与有效性,并与文献中的迎风格式的计算结果进行比较,计算结果表明,该方法能有效地克服假扩散现象,有较好的稳定性和较高的计算精度。

强度与振动教育部重点实验室近期研究工作进展

本实验室于1985年由原国家计委投资建设，主要支撑学科为力学，其中：固体力学为首批博士点、首批国家重点学科．实验室主任和学术委员会主任分别由王铁军教授和杜善义院士担任．实验室总体定位是面向国家重大需求和国际学科前沿，开展应用基础研究．重点研究重大装备、国家安全、交叉边缘及其它领域中的关键力学问题，强调理论、方法与技术创新．主要研究方向为：（1）固体变形与强度理论；（2）复杂系统动力学与振动控制；（3）超轻多功能结构及多场耦合；（4）结构安全与监检测．

TLM-DDM耦合模型电磁脉冲环境适用性研究

通过改进已提出的时域传输线模型(TLM)与漂移-扩散模型(DDM)相结合的TLM-DDM耦合数值计算模型中网格单元结构,用于计算带晶体管负载电缆的电磁脉冲响应问题,该模型考虑了电磁脉冲响应经过电缆的传输过程与半导体器件不同偏置状态下剧烈的电参数变化之间的耦合过程,能够反映出传输线负载不匹配产生的反射信号所引发的信号畸变、振荡等问题。利用TLM-DDM耦合模型和通用模型分别对典型算例进行数值模拟,计算结果表明:TLM-DDM耦合模型中脉冲电压信号与反射信号叠加引发加载在双极晶体管的偏置电压翻倍导致C-B结击穿和传输线上信号失真,与理论分析相符合,比未考虑传输线部分的通用模型所得结果更加贴近于物理实际。

热释电材料的一般解

利用Ｓｔｒｏｈ公式，给出了热释电材料热弹性问题的一般解，此解适用于四对复共轭压电本征值和一对热本征值互不相等的情况。然后，讨论了压电本征值问题出现重根时退化热释电材料的通解，并给出相应通解的形式。当热本征值与一个或多个压电本征值相等时，给出了退化热释电材料热弹性问题特解的具体形式。最后，通过共线界面裂纹问题证明了退化热释电材料和非退化热释电材料一般解中的任意函数ｆα（ｚα）形式相同，只是其中的某些系数有所变化。

用于三维裂纹扩展分析的有限变形不可逆内聚元

为了能准确和高效的跟踪动态裂纹扩展,我们发展了三维有限变形的内聚元和一系列不可逆内聚力关系.该内聚元通过采用不可逆内聚力关系来控制裂纹两侧物质的逐渐分离和形成自由表面,这一点可类比于传统有限元对块体材料的离散化.为了展示该方法的预测能力及便于灵活使用的特点,我们模拟了Zehnder和Rosakis所做的重物落下动态断裂实验,值得注意的是该方法可以近似模拟出裂尖的轨迹.

基于修正剪滞模型的竹纤维/基体界面应力理论

竹维管束鞘中竹纤维/基体界面力学问题对分析竹维管束在微观尺度下的力学行为起着重要作用。本文针对竹纤维排布方式,并结合竹纤维锥形尖端几何特征,提出了适用于对竹维管束鞘做分析的修正剪滞理论模型,推导出了纤维轴向应力及纤维/基体界面位置处剪应力计算公式,在此基础上讨论了竹纤维长径比和纤维锥形尖端对复合材料内部应力分布的影响。分析发现,竹纤维较大长径比和细长锥形尖端可以实现纤维/基体界面间应力的有效传递。

具有挠曲电效应的纳米电介质变分原理及控制方程

纳米电介质具有较强的挠曲电效应,并且该效应与大的应变梯度相耦合.在纳米尺度,静电力不能被忽略.我们基于电学焓,建立了可考虑应变及极化梯度效应以及静电力影响的纳米电介质变分原理.由此变分原理,导出了其控制方程,给出了广义静电应力的表达式.广义静电应力由两部分组成,一部分为与极化及应变有关的Maxwell应力,另一部分为与极化梯度及应变梯度有关的应力.我们的工作为研究纳米电介质中的力电耦合问题提供了基础.

单晶铜中的类层错四面体稳定性

层错四面体作为受核辐照作用金属材料中一类常见的三维缺陷,会极大的改变材料塑性变形行为.论文借助分子静力学和分子动力学方法,针对不同构型、不同尺寸的类层错四面体,考察了不同形状空位团簇演化为类层错四面体的位错反应机理和形成能变化趋势,研究了类层错四面体附近空位形成能分布特征和最小空位形成能随类层错四面体尺寸增大的变化规律,分析了含不同构型、不同尺寸的类层错四面体铜单晶体的微观变形机理和单晶体屈服应力随类层错四面体尺寸增大的变化规律.研究发现:类层错四面体通过Silcox-Hirsch机制形成,且经历了空位团簇坍塌、Frank位错环分解和Shockley位错交汇形成层错四面体棱边三个过程;类层错四面体附近最小空位形成能随着类层错四面体尺寸变化而变化,且变化趋势与类层错四面体构型在稳态、亚稳态和非稳态之间过渡相关,稳态无尖端类层错四面体的最小空位形成能变化趋势表现出明显的尺寸效应;剪切会导致含类层错四面体铜单晶体产生两类层错四面体位错开动模式,即:斜面Shockley偏位错滑移和层错四面体底面压杆位错分解,且含类层错四面体的单晶体屈服应力基本上随着类层错四面体尺寸增大而逐渐减小.

悬臂梁挠曲电俘能器的力电耦合模型及性能分析

挠曲电效应指应变梯度在电介质中引起的电极化现象,是一种普遍存在的力电耦合行为.应变梯度与材料的尺寸成反比,因此挠曲电效应有望在纳米尺度主导材料的物理性质,尤其是力电耦合性能.论文建立了悬臂梁挠曲电俘能器的理论模型,基于哈密顿原理得到了悬臂梁挠曲电俘能器的控制方程和相应的边界条件;进一步,得到了悬臂梁挠曲电俘能器的输出电压频率响应和功率密度频率响应随悬臂梁的振动频率、外电路阻抗、挠曲电层厚度以及弹性层模量的变化规律.聚偏氟乙烯和环氧树脂层合挠曲电悬臂梁俘能器模型的数值结果表明输出电压频率响应和功率密度频率响应在共振频率点取得最大值,且随着各阶模态对应的共振频率的增加悬臂梁挠曲电俘能器的输出电压和功率密度均增加.此外,计算结果还表明悬臂梁俘能器存在最佳匹配阻抗,在匹配阻抗附近悬臂梁俘能器的输出功率密度随挠曲电层厚度的减小而增大,表现出明显的尺寸效应.并且输出电压随弹性层模量的增大而减小.论文工作提供了一种基于挠曲电效应的悬臂梁俘能器的理论模型,为悬臂梁俘能器的设计提供了理论依据.

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,会显著影响材料的物理性能.与压电效应和电致伸缩效应相比,挠曲电效应具有独特的尺寸依赖特征,其不受材料对称性和铁电材料居里相变温度的限制.论文综述了固体电介质中的挠曲电效应,并重点从理论、材料和应用方面综述了固体电介质中挠曲电效应的研究进展,对挠曲电效应的独特性能进行了详细地讨论,最后论文展望了固体电介质中挠曲电效应相关研究的开放性问题和发展方向.

聚偏氟乙烯薄膜挠曲电效应的实验研究

非均匀应变如应变梯度能够局部破坏晶体的反演对称,在介电材料中产生极化现象,这称为挠曲电效应。挠曲电效应是一种普遍存在的力电耦合现象,且与应变梯度相耦合,在微纳米尺度不可忽略。研究者已经测量了一系列铁电陶瓷材料的挠曲电系数,然而关于聚合物材料挠曲电效应的实验研究相对有限。本文基于四点弯曲实验测量了聚偏氟乙烯材料的挠曲电系数,避免了以往悬臂梁弯曲实验中应变梯度分布不均匀引起的误差,在1~4Hz加载频率范围测量了两种不同厚度聚偏氟乙烯薄膜的挠曲电系数;分析了准静态情况下聚偏氟乙烯材料挠曲电系数的稳定性,并验证了挠曲电系数的尺寸效应。本文工作提供了测量聚偏氟乙烯薄膜挠曲电系数的实验方法,并为基于挠曲电效应的传感、驱动器件设计提供了工程数据。

Ni／Al层合结构热传导性能的非平衡分子动力学研究

采用非平衡分子动力学方法研究了[111]方向的Ni/Al层合结构的热传导性能.首先模拟了温度为300 K下[111]方向Ni/Al层合结构的热传导,通过分析界面处的声子态密度,发现交换热冷浴位置之后,层合结构的热参数基本没有变化,说明热冷浴的位置对结果影响不大.其次讨论了300 K下单层的Ni/Al层合结构的尺寸效应,计算结果表明随着系统尺寸的增大,界面热阻值逐渐减小并趋于平缓,并分别讨论了Ni和Al的热导率的尺寸效应;采用外推法计算了无限大系统下Ni和Al的声子热导率以及声子平均自由程,结合Wiedeman-Franz定律计算了Al和Ni的电子热导率,得到了Al和Ni的总热导率,并与实验值进行比较,结果与实验值在同一量级.然后讨论了传导方向为[001]和[110]时层合结构的界面热传导性,并和[111]方向的结果对比,发现界面热阻具有明显的各向异性.最后讨论了双周期层的Ni/Al层合结构的热传导性能,结果表明最靠近热浴的界面温度跳跃值最大,对应的界面热阻值最大,即对层合结构的热传导性能影响最大;与相同长度的单周期层结构对比,发现双周期层结构的热导率明显要小,因此可以通过增加材料的层数来提高隔热效果.

一种超稳定、柔性和可拓展的纳米流体离子管理复合薄膜

具有高且稳定离子输运特性的二维层状薄膜在纳米流体器件中具有广泛的应用,但是它们的构建仍然是一个相当大的挑战.本文设计并开发了一种超稳定的芳纶纳米纤维/石墨复合薄膜,其内部包含大量的一维和二维纳米受限空间,可以实现超快的离子传输.这种薄膜不仅具有良好的柔性和可拓展性,同时还表现出优异的力学性能,即使在水中浸泡90天仍具有高的拉伸强度(~115.3 MPa).并且该薄膜在低的盐浓度下具有表面电荷控制的离子输运特性,在10^(-4)mol/LKCl浓度下,其离子电导率相对于原始KCl溶液提高了16倍.最重要的是,即使在酸、碱、乙醇等极端环境中浸泡30天以上,薄膜的结构和离子电导率仍保持稳定.分子动力学模拟进一步揭示了薄膜的超稳定性是源于纳米纤维内部强大的链间作用以及纳米纤维与石墨纳米片之间强大的界面相互作用.这种柔性、可扩展、超稳定的芳纶纳米纤维/石墨复合薄膜可能为先进的纳米流体器件在不同极端工作环境下的应用提供一种有效的策略.

挠曲电圆板的振动模态

梁、板和壳作为基本力学结构在微机电系统和纳机电系统中广泛用作传感器、驱动器、能量俘获器等。深入理解这些电介质结构的力电耦合有助于微纳机电系统中结构的设计、制备和优化。本文中,我们阐述了曲电圆板的力电耦合行为,其中通过引入应变梯度将经典力电耦合理论拓宽到中心对称各向同性,并考虑了电势沿径向非均匀分布的影响.挠曲电圆板的振动模态的解析解表明其与压电圆板的振动模态完全不同,这是由于应变梯度局部破坏晶体的反演对称从而在圆板中引起的力电耦合导致的.力电耦合振动模态对弯曲和扭转模态更加敏感,本文给出了挠曲电圆板的基本认知,其有助于设计新型挠曲电圆板器件,例如挠曲电反射镜等.