基于功能基元拓扑优化法的任意正泊松比超材料结构设计

采用功能基元拓扑优化设计方法,以超材料结构的承载能力为目标,选取功能基元结构刚度最大化为目标函数,以指定泊松比值作为约束条件,建立了任意正泊松比超材料结构拓扑优化设计模型并求解.提取拓扑优化得到的功能基元最优构型,建立有限元模型,验算了功能基元的泊松比值.计算了基于功能基元周期性序构形成的超材料结构的面内、面外结构承载性能.结果表明,设计的超材料结构与传统多孔材料结构相比,具有更好的承载能力,具备轻量化优势.

生态功能基元材料

阐述了功能微集料、生态功能基元材料及其功能属性,如环境调节功能材料或“呼吸”功能材料、自净化功能材料、保健功能材料和安全功能材料。指出生态功能建材开发途径和重点是:不同类型的微集料及其功能属性、微集料的多功能化和复合化、微集料的复合特征与集成规律研发。作者首次提出了制造功能微集料和生态功能基元材料的“基因”技术、“材料芯片”技术。

生态友好型建筑功能基元材料的必要性以及意义

随着建筑行业的发展,大量的新型材料不断被研发出来,不少建筑材料不仅消耗优质矿产资源,还消耗大量的能源,给社会增添了能源、资源以及环境压力。生态友好型建筑功能基元材料是一种能够改善人居环境,节约能源与资源的新型建筑材料。文章在论述生态友好型建筑功能基元材料的必要性以及意义的基础上,论述了生态友好型建筑功能基元材料的研发现状。

基于功能基元序构策略提升Ag_(2)Se基柔性热电薄膜的性能

热电材料是一种能够实现热能和电能相互转换的清洁能源材料。近年来,随着可穿戴电子设备的蓬勃发展,柔性热电材料成为研究热点。热电材料中载流子和声子传输表现出强耦合特性,严重制约热电性能的提升。功能基元序构是一种优化材料性能的有效策略。在材料中构筑不同作用机制的功能基元,并将功能基元进行序构,同时增强功能基元间的协同效应,可以有效地提升材料的性能。本工作主要以硒化银基柔性热电薄膜为例,介绍功能基元序构和功能基元间协同效应对电、声输运性能和柔性的作用机制。

基元构筑的功能材料皮米尺度结构

功能材料的结构设计与性能调控是材料科学与凝聚态物理领域的前沿热点问题,功能基元的人工序构成为近年来提升材料功能特性、探索新奇物理现象的新范式.准确理解功能基元构筑的新材料宏观物性的起源要求精确地表征功能基元的结构、形态和分布,明晰功能基元之间耦合效应.具有皮米测量精度的像差校正透射电子显微镜是解析低对称性材料和复杂化学体系材料原子结构、化学组成和电子组态的重要工具,为实现高精度、多维度表征功能基元及其空间的构筑方式、建立构-效关系提供了新途径.本文通过选取不同尺度下的代表性功能基元,论述了皮米尺度下功能基元的本征特性与空间排布,及其与宏观物性之间的关联,突出了像差校正透射电子显微学的突破和发展,为理解基元构筑的功能材料功能性起源提供了坚实的基础.

任意负泊松比超材料结构设计的功能基元拓扑优化法

基于拓扑优化方法,提出了设计具有任意负泊松比超材料及结构的功能基元拓扑优化法。针对功能基元的不同初始拓扑基结构,包括矩形和三角形初始拓扑基结构,以指定的负泊松比值作为约束条件,以功能基元柔顺度最大化为目标函数,建立了任意负泊松比超材料拓扑优化模型并求解。提取拓扑优化得到的功能基元最优构型,经周期性分布从而形成负泊松比结构。建立优化得到的超材料结构有限元模型,验算了功能基元的泊松比,计算分析了该超材料试件的静、动力学特性。结果表明,该负泊松比效应超材料试件具有较好的承载能力,且在中低频段有较好的减振效果。

零泊松比超材料设计的多评价点功能基元拓扑优化方法

提出基于多评价点约束的零泊松比超材料功能基元拓扑优化设计方法。在同一功能基元拓扑基结构中,通过建立对于多个评价点的正、负泊松比约束,实现胞元零泊松比效应。分别采用最小质量和最大柔度目标函数拓扑优化模型优化设计出与半内六角蜂窝相似的零泊松比功能基元最优拓扑构型。提取功能基元最优构型并周期性序构了零泊松比超材料试件,通过有限元方法验证了该功能基元的零泊松比效应,并分析超材料试件的静、动力学特性。计算结果表明,最大柔度目标函数设计的功能基元构型的泊松比更接近于零,且具有更好的承载与隔振性能。设计了零泊松比超材料环肋双层圆柱壳结构,进行外壳静压和内部设备激振下壳体水下辐射噪声分析。研究表明,零泊松比超材料环肋可将外壳压缩变形转换为内外壳间环肋旋转,实现耐压壳内壳的保形,且具有较好的降噪性能。

结构敏感功能材料的基础研究

结构敏感功能材料是其功能对原子的空间排列变化敏感的材料。通过对结构敏感功能材料的研究 ,归纳和总结化合物的物理化学性质与原子的空间排列以及电子结构之间的内在规律 ,结合物理化学性能测试和理论计算 ,逐步推导出功能基元和数学关系式 ,以形成功能基元理论 ,为开发新型功能材料提供理论基础。本文以碳原子不同的空间排列形式而展现出显著差异的物理化学性质为引子 ,阐述光学、电学和磁学性能对结构的敏感性 ,并讨论理论计算在该学科中的应用。

胆甾相液晶微液滴及其应用

液晶作为一种典型的软物质材料,既具有液体的流动性,又具有晶体的有序性,表现出极其丰富的自组装结构和独特的物理化学性质。除液晶显示之外,液晶在光学、功能材料等领域的新应用也取得了快速发展。液晶微液滴作为新的功能基元,具有功能丰富,易于加工集成等特点,受到了越来越多的关注和研究。其中,胆甾相液晶微液滴的功能和性质可以通过其结构和组成进行调控,具有重要的应用前景。基于此,本文详细综述了球形、扁椭球形和复杂结构胆甾相液晶微液滴的分子排列结构、物理化学性质及其前沿应用,并展望了液晶微液滴作为功能基元在智能响应材料、光学器件、软体机器人等领域的应用前景。

生态混凝土集成与组装技术

本文综述了我国掺合料及辅料技术的研究及应用现状,突出掺合料及辅料技术的广义概念,在此基础上首次提出“生态功能基元材料”及“生态混凝土集成与组装”的新概念。掺合料之间的组合与插件是生态混凝土集成与组装技术的精髓,单功能集成是其关键,并以四功能基元阐述了混凝土材料的集成与组装技术的几个可能的发展方向,为绿色高性能混凝土制备技术提供一点借鉴。

1,4-双(1,2,4-三唑-4-基)苯:光诱导电荷分离产生热/空气稳定固态自由基

光诱导电荷分离与稳定自由基的形成在许多领域起着关键作用。本研究合成了一例非极性三唑基有机小分子,1,4-双(1,2,4-三唑-4-基)苯(BTB),该有机小分子可以在固态下、室温空气中进行光诱导电荷分离,并产生对热、空气稳定的自由基。通过实验和理论计算方法对光诱导电荷分离产生的自由基进行了表征。研究表明,生成的自由基能在空气中长期存在(如1年),在高温220℃下也可以稳定存在。在未来,BTB及其类似物有可能在光开关、光致变色、能量转换和光催化等方面有广阔的应用前景。

有序异构功能材料

异构材料旨在构筑不同尺寸的结构或功能基元,通过基元间的协同耦合效应来解决材料基本特性相互冲突的问题和提高材料性能。虽然该理念已被成功地用来解决材料的强度-塑性之间的倒置关系和产生优异的力学性能,但在功能材料应用方面还处于探索初期。在无序异构材料的基础上,将不同尺寸的基元如晶粒、相或畴结构等进行有序排列,可以增强基元间的耦合效应,进一步提高材料的性能,甚至产生变革性的新功能。本观点文章以永磁材料为例,简要介绍了有序异构功能材料中新的物理机制和增强的性能,讨论了异构材料中功能基元的有序化所产生的高性能或变革性的、全新的功能特性。

传统硬质合金晶粒生长抑制机理面临的挑战及其突破途径

介绍了传统硬质合金晶粒生长抑制机理-吸附机理与溶解度机理所面临的挑战以及硬质合金晶粒生长抑制机理研究的突破途径。指出,VC+Cr3C2+Ln(稀土)新型高效晶粒生长复合抑制剂的开发与V-Cr-Ln自润滑功能基元的最新发现为硬质合金晶粒生长抑制机理研究与功能导向高性能超细硬质合金研发提供了获得重要突破的可能,抑制剂掺杂硬质合金烧结过程中合金组元之间的溶解与界面偏析协同行为研究是晶粒生长抑制机理、合金强韧化机理以及稀土掺杂硬质合金服役过程中稀土定向迁移机理研究的关键环节与亟待解决的重要科学问题。同时也介绍了抑制剂掺杂硬质合金烧结过程中合金组元之间溶解与界面偏析协同行为的研究方法与研究意义。