功能梯度多孔磁电弹板的等几何建模与自由振动分析

针对功能梯度多孔磁电弹(functional graded porous-magneto electro elastic,FGP-MEE)板结构,该文基于等几何分析法(isogeometric analysis,IGA),采用一阶剪切变形理论(first-order shear deformation theory,FSDT)建立了等几何数值分析模型。首先,根据修正幂律(modified power law,MPL)方法得到了具有4种不同孔隙分布形式(V_(u),V_(o),V_(x),V_(v))功能梯度多孔磁电弹结构的等效材料参数;然后,利用磁-电-弹耦合本构方程、哈密顿变分原理以及等几何分析方法推导了FGP-MEE板的控制方程,并通过与已有文献对比,验证了所建模型的有效性和准确性;最后,研究了孔隙系数、功能梯度指数、孔隙分布形式、结构的几何参数(宽厚比、长宽比)以及边界条件对FGP-MEE板自由振动的影响。研究结果表明,材料中孔隙分布形式、孔隙系数以及功能梯度指数的变化对FGP-MEE板的固有频率有较大影响,且在孔隙呈V_o型分布时板的固有频率最大。

梯度多孔金属材料梁的屈曲和屈曲基础上的振动

为研究梯度多孔金属材料梁的屈曲以及屈曲附近的振动特性,首先建立了随从分布压力下梯度多孔材料梁的动力学控制方程,得到了描述后屈曲的静态控制微分方程和描述屈曲前后振动响应的控制方程。通过打靶法数值求解两组强非线性方程,获得了简支-固支梯度多孔梁的屈曲临界载荷以及屈曲前后振动频率与载荷之间的关系曲线。分析了孔隙率系数和孔隙分布方式对屈曲临界载荷和屈曲前后振动频率的影响。结果表明,随着孔隙率系数e 0的增加,发生屈曲时的临界载荷减小;各阶固有频率也减小。屈曲前,各阶振动频率随载荷增大而减小,屈曲后,除三阶频率外,一阶和二阶频率随载荷增大而增大。

压电集成石墨烯增强功能梯度多孔板的等几何建模与分析

基于等几何分析方法和一种仅含有4自由度的简化一阶剪切变形理论(simple first-order shear deformation theory,S-FSDT)建立了压电集成石墨烯增强功能梯度多孔(piezoelectric integrated graphene platelets reinforced functionally graded porous,P-GPLs-FGP)板的数值分析模型。利用Halpin-Tsai微观力学模型、闭胞体高斯随机场理论和混合定律得到了石墨烯增强功能梯度多孔板的有效材料属性;基于等几何分析方法、S-FSDT和哈密顿原理推导了P-GPLs-FGP板的运动控制方程,并通过与已有算例对比验证了模型的准确性和有效性;利用所建模型分析了孔隙分布形式、孔隙系数、石墨烯分布形式、石墨烯质量分数、边界条件和宽厚比对P-GPLs-FGP板固有频率和机-电载荷作用下静态弯曲响应的影响。研究结果表明:板的刚度与孔隙系数成反比,而在基体材料中添加少量的石墨烯可以有效地增强结构的刚度;与其他组合形式相比,板的刚度在孔隙PD-S分布和石墨烯GPL-S分布时最大。

激光选区熔化制备梯度多孔镍电极及其电解水制氢性能

镍是目前应用最广泛的碱式电解水制氢电极材料之一。对镍电极进行多孔化处理,可有效提高其析氢效率并降低制氢能耗。然而,现有报道仅研究了孔隙率、平均孔径等对电极析氢性能的影响,缺乏针对梯度多孔电极孔隙尺寸和分布等影响的研究。为此,设计了4组具有不同孔隙尺寸和排布方式的多孔电极模型,并且采用激光选区熔化技术制备高精度成型电极样品,表征了样品的表面形貌、截面微观组织、电化学性能及稳定性,深入分析和研究了样品的析氢性能。结果表明,4组样品均呈现出粗糙微观表面,为析氢反应提供更多的活性位点。所有样品均表现出优异的电解稳定性,经测试后未见明显的性能衰减。梯度多孔结构有利于气液传质,减小气泡层电阻,降低析氢过电位。当电流密度为10 mA∙cm^(−2)时,梯度多孔样品的析氢过电位虽仅为406 mV,但气液传质效果较差,而气泡层电阻较大的均匀多孔样品的析氢过电位却高达766 mV。梯度多孔结构的构筑可显著提高镍电极的析氢动力学特性,梯度多孔样品的Tafel斜率最低为129 mV∙dec^(−1),明显低于均匀多孔电极的Tafel斜率168和211 mV∙dec^(−1)。析氢过程受Volmer步骤控制,尽管镍电极析氢动力学特性得到提升,但并未改变镍电极的析氢机理,所有样品的Tafel斜率均高于120 mV∙dec^(−1)。因此,引入梯度多孔结构可有效降低镍电极材料的析氢过电位,提升析氢性能。本研究为镍电极的结构优化设计及析氢性能的提升,提供了新思路。

超音速流-热载作用下梯度多孔壁板的非线性振动特性分析

基于Von Kármán薄板大挠度理论和Kirchhoff假设研究梯度多孔薄壁板的非线性振动特性分析。考虑孔隙沿壁板厚度方向呈三种不同分布,采用Galerkin法对梯度多孔壁板进行变换并对气动弦长进行积分得到非线性方程,再利用Hurwitz行列式将Hopf分岔的判定转化为非线性方程的求根,求解出无量纲临界频率和无量纲临界流速。最后通过算例计算,与已有文献得出的结果进行退化和对比,并分析了温度应力、孔隙率、气动刚度系数对梯度多孔薄壁板气动弹性的稳定性影响。

基于选择性激光熔化技术的骨缺损修复用梯度多孔钛支架的研制与表征

为提高骨缺损修复的治疗效果,设计孔隙率为78.8%、70.8%、62.6%和54.4%的梯度多孔钛支架(分别表示为P1,P2,P3和P4),并通过选择性激光熔化技术进行制备。通过模拟和实验方法研究支架的成形性、显微组织、力学性能和渗透性能。模拟结果表明,4种梯度结构的最大等效应力和渗透性分别在569.1~1469.0MPa和(21.7~54.6)×10^(−9)m^(2)范围内,并且P3和P4具有更小的最大等效应力,表明P3和P4具有更高的强度。P3和P4结构支架的显微组织为α'马氏体,屈服强度和弹性模量分别为185.3~250.8MPa和6.1~9.7GPa。相比于P3结构支架,P4结构支架展现出更高的强度和与皮质骨更加匹配的弹性模量,并且其渗透性(18.6×10^(−9)m^(2))在人体骨组织渗透性范围内。因此,具有P4结构支架有望被应用于骨科植入领域。

基于正交试验梯度多孔牙种植体结构的设计研究

目的 为解决目前实心种植体弹性模量大而导致的松动、脱落等问题,试图研究一种拥有降低应力集中、减小弹性模量等优势的梯度多孔牙种植体。方法 利用SolidWorks软件设计梯度多孔种植体基台和种植体的机械结构,从孔形、孔径、多孔层高度、周向分布4个方面,通过正交试验设计来评价梯度多孔种植体的力学性能。使用ANSYS软件评估不同结构组合参数下种植体及其周围骨组织的等效应力分布,得出最佳梯度多孔种植体的参数组合。结果 孔形、孔径、多孔层高度、孔分布4种因素对种植体所受最大等效应力的影响分别为:随着孔形的变小和孔分布的减少,等效应力均呈现显著性下降的趋势;孔径从500μm到600μm再到700μm,等效应力呈现先减小再增大的趋势;随着多孔层高度的增加,等效应力呈现上升的趋势。结论最终得到梯度多孔种植体的最佳参数组合是:孔形为正方形、孔径为600μm、多孔层高度为3 mm、孔分布为四分步。

玻璃表面梯度多孔减反射膜层的水热制备及水刻蚀剂添加Na_(2) HPO_(4)对膜层结构的影响

玻璃表面梯度多孔减反射膜层具有超低反射率、可实现可见光高增透率的特性,在光伏、电子显示、汽车等领域有广阔的应用前景。玻璃在水热过程中与水反应激烈,表面难以形成梯度多孔结构的膜层。如何通过调控刻蚀液,减缓玻璃的刻蚀反应,形成梯度多孔结构的表面膜层,是水热法制备梯度多孔减反射膜层必须克服的技术问题。本工作以商用三种钠钙硅玻璃为基底,分别以水和Na_(2)HPO_(4)水溶液为刻蚀剂,通过水热法成功制备了梯度多孔减反射膜层,分析了刻蚀膜层的微观形貌、元素分布、红外光谱以及玻璃的光学性能。通过Macleod和TFCalc软件进行了膜层的折射率和反射率数值模拟。以水为刻蚀剂,得到微米级凹凸表面。水刻蚀剂添加Na_(2)HPO_(4),所得膜层为梯度多孔减反射膜层。添加的Na_(2)HPO_(4)起减缓刻蚀反应、构筑多孔刻蚀膜层作用,其最佳添加量与玻璃碱土金属含量呈反向相关关系。反射率R 380~780 nm最低达到0.88%,增透ΔT 380~780 nm最高达到7.39%。

梯度多孔介质腔体内固液相变过程数值研究

基于格子玻尔兹曼方法,利用四参数随机生长法生成梯度多孔介质,采用描述相变糊状区的两区域模型,求解了孔隙尺度下梯度多孔介质腔体内固液相变过程,分析了相变材料的相场分布、融化速率及热壁面平均努塞尔特数的变化,并改变相邻多孔介质孔隙率的差值,探究了梯度多孔介质对固液相变影响的一般性规律。结果表明:相变材料的融化过程与多孔介质梯度的方向有关,沿热量传递方向梯度(x向梯度)变化对相变材料融化速率影响大,且低孔隙率多孔介质靠近高温壁面时相变材料融化速率最快;竖直方向梯度(z向梯度)变化对相变材料融化速率影响小,融化速率的不同主要体现在相变后期方腔内竖直方向温度均匀性的差异;相邻孔隙率差值的改变影响方向梯度多孔介质的传热能力。

选区激光熔化Ti6Al4V梯度多孔结构工艺优化

目的获得成形质量良好的医用梯度多孔金属种植体。方法基于响应面法(RSM)建立选区激光熔化成形工艺参数(激光功率、扫描速度及扫描间距)与样件致密度、表面粗糙度及孔隙率差值的数学模型。利用获取的致密度、表面粗糙度和孔隙率差值对样件成形质量进行表征,通过响应面方差分析获取SLM不同成形工艺参数对样件致密度、表面粗糙度和孔隙率差值的影响,得到成形质量最佳的工艺参数。结果样件成形质量最佳的SLM成形工艺参数如下:激光功率为240 W,扫描速度为1400 mm/s,扫描间距为0.08 mm。优化后样件成形质量的预测值如下:致密度为97.97%,表面粗糙度均值为6.88μm,孔隙率差值为2.97%。试验结果表明,预测值与试验值基本吻合,所建立的数学模型可以准确预测样件成形质量。结论通过响应面法试验设计及方差回归分析,确定了Ti6Al4V梯度多孔金属种植体SLM成形的最佳工艺参数。

梯度多孔Ti-15Mo合金材料的制备与压缩变形行为

使用激光选区熔化技术分别制备具有支杆晶胞(BCC、Kelvin晶胞)和三重周期最小曲面(TPMS)晶胞(Primitive、Gyroid、Diamond晶胞)的多孔Ti-15Mo合金试样,孔隙率分别为均匀分布(均匀试样),沿成形方向递增(垂直梯度试样)和垂直于成形方向递增(横向梯度试样),研究了其压缩变形行为。结果表明:多孔试样的倾斜支杆或曲面会黏结更多粉末,成形质量相对较差;垂直梯度试样的变形机制为由顶部到底部的逐层变形,横向梯度试样的变形机制为先整体均匀变形,随后局部发生显著变形,并且变形向均匀变形区扩展;TPMS晶胞试样的压缩性能和能量吸收能力整体上高于支杆晶胞试样;Diamond晶胞试样的综合性能最优,其横向梯度试样的弹性模量、屈服强度、平台应力、累积能量吸收值分别为4.088 GPa、134.5 MPa、175.4 MPa、117.92 MJ·m^(-3),垂直梯度试样的分别为3.761 GPa、104.8 MPa、165.2 MPa、92.19 MJ·m^(-3)。

过滤用粉末烧结梯度多孔材料

梯度多孔材料具有高过滤精度大透气系数的特点,作为过滤器大大降低了压降,从而降低了生产成本。粉末烧结是制备过滤用梯度多孔材料的主要工艺方法。本文综述了国内外过滤用梯度多孔材料的现状,包括其分类、表征以及常用的梯度成型技术和粉末烧结技术,对比了过滤用梯度多孔材料的经济优势。同时,也表述了其中存在的问题和一些解决方法。

梯度多孔金属材料制备及应用的研究进展

梯度多孔金属材料是一种性能优良的新型多孔材料,具有不对称的孔结构,这种结构实现了多孔材料过滤行业的小孔径、大透气这一要求,同时良好的力学性能使得梯度多孔金属材料的应用较陶瓷膜的应用更为广泛。本文综述了梯度多孔金属材料制备工艺和研究应用概况。

Mn含量对梯度多孔Mg-Mn合金微弧氧化膜组织与性能的影响

研究了Mn含量对梯度多孔Mg-Mn合金微弧氧化过程中电压-时间曲线、微弧氧化膜层显微组织、膜层厚度、物相组成以及耐腐蚀性能的影响。结果表明,随Mn元素含量的增加,微弧氧化电压-时间曲线中的起始电压U1、击穿电压U2和稳定电压U3均下降,但是当Mn含量超过2%后,U1、U2、U3均上升,随着Mn元素含量的增加,微弧氧化膜层厚度先降低而后增加。当Mn含量为2%时,梯度多孔Mg-Mn合金表面形成的氧化膜质量最好,孔隙细小、分布均匀,膜层厚度为39.6μm。结合XRD和EDS分析表明,微弧氧化处理后试样表面膜层由Mg2Si O4和Mg O两相组成。随着在模拟体液中浸泡时间的延长,添加2%Mn元素的梯度多孔Mg-Mn合金的质量损失最少,析氢量最低,耐腐蚀性最佳。

梯度多孔镁的制备及压缩性能研究

以镁粉和造孔剂碳酸氢铵为主要原料，采用粉末冶金技术制备梯度多孔镁。研究了造孔剂梯度分布和烧结温度对梯度多孔镁孔隙特性、烧结收缩行为以及压缩性能的影响。研究结果表明，随着梯度结构中间层造孔剂含量的增加，梯度多孔镁样品的平均孔隙度升高，烧结收缩率、抗压强度以及杨氏模量均降低。此外，随着烧结温度的升高，梯度多孔镁样品的平均孔隙度降低，烧结收缩率、抗压强度和杨氏模量均增加。造孔剂分布为质量分数5％15％的多孔镁样品经620＂C烧结2h后，平均孔隙度为27．3％，烧结收缩率为11．7％，抗压强度为24．5MPa，杨氏模量为1．83GPa．

湿-热-机耦合梯度多孔材料梁的非线性力学行为

研究均布随从载荷(随结构的变形而方向发生变化的载荷)作用下梯度多孔材料梁在湿-热环境下的非线性力学行为。考虑梯度多孔材料梁具有对称和非对称分布的两种孔隙率模型,假设材料性能在厚度上连续变化,且一维温度场和湿度场只与厚度方向有关并呈线性变化。将控制微分方程和边界条件构成的两点边值问题转化为初值问题,采用打靶法分析开孔泡沫金属材料组成的多孔梯度材料简支梁在湿-热-机载荷下(特指航空飞机上受到的随从载荷)的非线性力学行为,给出不同非均匀升温和非均匀湿度下两种模型多孔材料梁在随从载荷下的屈曲或弯曲平衡路径和平衡构形。讨论孔隙率系数、非均匀升温、非均匀湿度变化对梁后屈曲或弯曲行为的影响。结果表明:湿热环境下,同一随从载荷下对称多孔材料梁会对应三个平衡构形;非对称多孔材料梁则不同,e_(0)> 0.48时,弯曲构形随载荷单调增加。

离心-凝胶注模成型制备梯度多孔Al_2O_3陶瓷

以造孔剂PMMA、纳米Al2O3颗粒为主要原料,利用离心-凝胶注模成型工艺制备梯度多孔Al2O3陶瓷,研究了pH值对Al2O3浆料粘度的影响,观察了Al2O3浆料的凝胶固化过程,分析了离心转速和离心时间对生坯密度梯度的影响,观察了烧结产物的显微组织并对其压缩强度进行测试。研究结果表明引发剂的含量对Al2O3浆料的凝胶固化过程影响不大。随着催化剂含量的增加,Al2O3浆料的起始凝胶固化时间缩短,整个凝胶固化反应过程缩短。随着离心转速的增加和离心时间的延长,试样顶部和底部的生坯密度加大,梯度分离现象变得明显。当离心转速为1000r/min,离心5min后,制备的梯度多孔Al2O3陶瓷顶部的孔隙度为52.1%,中间为38.4%,底部为15.7%,孔隙呈现连续的梯度变化,烧结产物的抗压强度为67.2MPa。

梯度多孔陶瓷的制备技术

梯度多孔陶瓷具有高过滤精度、大透气系数、反洗效果好等特点,显示出广阔的应用前景。本文介绍了梯度多孔陶瓷的类别、表征手段和制备方法,重点介绍了一种绿色新工艺—冷冻干燥法的工艺及特点,为梯度多孔陶瓷的产业化发展提供参考。

梯度多孔陶瓷的研究进展

梯度材料由于具有特异的性能,得到了越来越多研究者的关注,而梯度多孔陶瓷作为梯度材料的一种,具有耐高温、抗氧化、耐化学腐蚀、良好的生物相容性和易于清洗再生等特点,能广泛地用于化工、冶金、环保等许多工业领域的微细粒子的过滤分离以及生物医学,更是近年来材料科学的研究热点之一.本文介绍了梯度多孔陶瓷的种类及最新研究进展.

流延法制备对称结构Al_2O_3梯度多孔陶瓷

采用流延法制备了孔隙率呈梯度变化的对称结构Al2O3梯度多孔陶瓷,观察了其微观形貌和梯度界面结构,并对其抗弯强度和热震性能进行了表征。结果表明:采用流延法制备的Al2O3梯度多孔陶瓷呈内疏外密的对称梯度变化,梯度层界面结合紧密,其相组成为α-Al2O3,与相同孔隙率Al2O3均匀多孔陶瓷相比,具有良好的抗弯强度和热震性能。