利用模型预测和优化多相各向异性TiB_2增强钢复合材料的力学性能

基于Mori-Tanaka均匀化方法及Eshelby等效夹杂理论建立了解析计算模型,用以预测多相各向异性TiB_2增强钢复合材料的力学性能,并系统研究了增强体的长径比、体积分数和取向对复合材料横向和纵向弹性模量的影响。结果表明:建立的模型可以准确预测多种不同金属基复合材料的弹性模量;大的长径比可以显著提高TiB_2增强钢复合材料的纵向弹性模量,且只造成横向弹性模量少量损失;增强相体积分数与弹性模量呈正相关;纵向弹性模量随着增强体排列方向与载荷方向之间夹角的增大而先增大后减小。

玻璃/铝基废弃物复合材料搅拌流场的模拟

运用流体软件Fluent对采用机械搅拌法制备的玻璃/铝基废弃物复合材料流场进行模拟,采用MRF动参考系模型、多相流Mixture混合模型及标准k-ε模型,模拟使用三层正交组合轴流搅拌桨产生的流场。结合搅拌工艺特点对模拟的结果进行了分析,通过分析搅拌槽的宏观流场、轴向速度和径向速度分布,定性指出了各区域搅拌混合的效果,并同其它搅拌桨产生的流场进行了比较。

复合双性LTCC材料基础研究

随着电子技术在自动化、工业控制、医学、航天航空和日常生活等领域的广泛应用,高密度、宽温域、小尺寸、多功能、高品质等特性日益成为其发展的必然趋势,同时这些特性给传统封装技术及工艺带来了巨大的挑战。在众多的封装技术中,低温共烧陶瓷LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)技术成为了国际研究的焦点,因为利用LTCC技术制备的产品不仅能具备高电流密度、小体积,而且还具备高可靠性和优良的电性能、传输特性及密封性。LTCC技术是一种先进的混合电路封装技术。它将四大无源器件,即变压器(T)、电容器(C)、电感器(L)和电阻器(R)集成,配置于多层布线基板中,与有源器件(如:功率MOS、晶体管和IC电路模块等)共同集成为一完整的电路系统。因此LTCC技术又称为混合集成技术,它能有效地提高电路的封装密度及系统的可靠性。笔者围绕LTCC技术中的低温共烧铁氧体LTCF(Low Temperature Co-fired Ferrite)材料,采用理论、实验及应用三位一体的研究模式,开发了一种新型LTCC复合介质材料,不但对该材料的复合机理进行了理论模拟而且对其在LTCC滤波器中的应用展开了研究。笔者在理论模型、材料制备和器件设计上做了一些探索性和创新性的工作,具体内容如下:(1)探索性地建立了针对LTCC陶瓷的低温烧结模型。模型基于液相烧结理论,以液相在晶粒边界引起的毛细管压力及溶解–淀析过程中化学势能的变化为烧结驱动力,将烧结温度、时间与烧结后的最终晶粒大小、相对密度联系起来,模拟出低温烧结动态过程中相对密度的变化趋势。(2)首次提出铁电–铁磁复合材料的复合理论并给予了系统的分析。讨论了复合材料中两相成分的化学结构及电磁性能在理论上对复合可能性的影响,根据材料的微观结构建立了复合模型,模型中假设铁电相均匀分布于铁磁相晶粒表面,并和气孔一起形成非磁性薄层将铁磁晶粒之间隔断,使铁磁颗粒孤立。通过对复合结构中铁磁晶粒内场变化的分析,推导出复合材料铁电/铁磁成分比与复合磁导率的关系方程;另外,利用微观结构中电流流通的等效电路,推导得到不同铁电/铁磁成分比时复合材料复数介电常数与频率的关系表达式。(3)研究了工艺条件对材料电磁性能的影响。按照工艺流程改变工艺参数预烧温度、二次球磨时间、烧结曲线中升温降温速度、烧结温度和保温时间,通过SEM、XRD等分析手段了解改变工艺参数对铁氧体材料微观结构的影响规律,通过对材料介电常数频谱、磁导率频谱及品质因数的测量得知工艺参数对材料电磁性能的影响规律,根据实验数据结果得到最佳铁氧体烧结工艺参数。(4)研究了不同掺杂离子及助熔剂的加入对低温烧结铁氧体LTCF材料的微观结构及电磁性能影响。首先研究了不同MnCO3和CuO含量对NiZn铁氧体烧结特性、微观结构及电磁性能的影响,首次发现了掺杂Mn离子的NiZn铁氧体其电磁性能对烧结温度具有敏感性。其次研究了不同助熔剂Bi2O3、WO3和Nb2O5对NiCuZn铁氧体烧结特性、微观结构及电磁性能的影响,实验揭示W6+对材料微观结构的改善;最后对低温NiCuZn铁氧体进行改性掺杂,研究稀土氧化物CeO2对其微观结构及电磁性能的影响,并给出NiCuZn铁氧体掺杂稀土元素时的磁频谱及介频谱。(5)开发了一新型的基于不同低温烧结NiCuZn铁氧体与高介电常数(BaTiOk+X)钙钛矿的具有电感、电容双性的铁电–铁磁复合材料,研究了不同铁电–铁磁含量对各组复合材料微观结构及电容电感双性的影响。并研究了不同助熔剂Bi2O3、WO3和Nb2O5对其烧结特性、微观结构及电容电感双性的影响。最后对复合材料进行稀土掺杂改性,研究稀土氧化物CeO2对其微观结构及电容电感双性的影响。(6)设计并制作出两种使用LTCC复合双性材料的3G通讯设备用带通滤波器。采用Ansoft HFSS电磁仿真软件对所建立的滤波器模型进行模拟仿真,通过调节滤波器结构参数使滤波器各性能指标达到要求,并实现生产制备。制得带通中心频率3.5 GHz,插损<2.8 dB,带宽>400 MHz,阻带衰减大于35 dB的微带式带通滤波器和带通中心频率1.4 GHz,插损<3 dB,带宽>160 MHz,阻带衰减大于30 dB的LC式带通滤波器。

混凝土湿度和干缩变形及应力特性的细观模型分析

基于扩散理论的混凝土非线性湿度理论和干缩应力的有限元数值计算方法,将混凝土视为砂浆和骨料所组成的多相复合材料,对比数值计算,探讨了各相材料湿度特性差异对混凝土细观和宏观湿度特性、干缩变形和干缩应力的影响,认为只有考虑了这种材料特性差异的细观模型和计算方法才能得到较符合真实情况的混凝土湿度、干缩和干缩应力的分布规律,有助于更好地理解和诊断混凝土早期和后期裂缝产生的机理、启裂点位置和防止方法。所采用的细观研究方法也适用于混凝土温度应力和自生体积变形致裂问题的研究。

沥青混合料介电特性与密度关系研究

为研究沥青混合料介电特性与密度的关系,进行不同压实度条件下沥青混合料介电常数的测定试验。试验采用旋转压实成型试件,通过高温介电常数平台测定不同压实度试件的介电常数,应用复合材料多相介电常数模型计算各试件的毛体积相对密度,与室内水中重法测得实际值相比较验证计算结果的准确性。研究表明:不同级配、集料的矿料介电常数并不相同,矿料介电常数应以标准级配及空隙率试件反算求解,不局限于传统7～9的取值范围;通过Rayleigh模型建立沥青混合料介电常数与毛体积相对密度之间的关系,计算结果与水中重法的测定结果误差小于1%,精度较高;旋转压实成型试件在同一深度处压实不均,沥青混合料毛体积相对密度和空隙率相差分别为0.092和3.5%,试件毛体积相对密度随压实深度增加而逐渐减小。

沥青混合料介电特性与沥青含量研究

为建立探地雷达检测沥青含量方法,进行不同油石比的沥青混合料介电常数测试实验.根据矿料及沥青介电常数等参数,采用Rayleigh模型推导混合料沥青含量计算公式.结果表明,不同沥青含量的混合料介电常数不相同,且其介电常数随沥青含量的增大而减小;采用Rayleigh模型推导的沥青含量公式计算结果与室内合成混合料燃烧法测定结果平均误差在4%以内,精度较高,满足室内测定的要求;而在实际工程验证中,虽然计算结果与实际路面钻芯取样燃烧法测定结果相差较大,但为检测道路摊铺均匀性等方面提供理论基础.

Model Catalysts from Single Crystal to Nanocrystals/Nano-Composites

Heterogeneous catalysis is a key technology for chemical and materials synthesis,fuel production,power generation and conversion,and environmental remediation.To cope with resources(energy)shortage and environmental pollution,chemical processes should be not only effi cient but also clean,and catalysts must be active and selective.The innovation of such catalysts requires a fundamental understanding of the structure-activity relation of catalysts that can guide the design of catalyst structures.