不同年龄阶段膝关节有限元计算模型的材料特性分析

背景:有限元计算模型作为一种重要的工程分析技术已被广泛应用于生物工程研究的各个领域,然而,很少有文献介绍不同年龄阶段膝关节有限元计算模型每个解剖结构的材料性能,以满足不同的研究目的。目的:在前人膝关节有限元研究的基础上,总结不同年龄阶段膝关节有限元计算模型的材料特性。方法:英文检索词为“Knee,finite element,material selection,ligament injury,osteoarthritis,elderly,children,young people”等,中文检索词为“膝关节,有限元,材料选择,韧带损伤,骨关节炎,老年人,儿童,年轻人”等,分别检索中国知网、PubMed数据库,文献检索时限为1950-2024年,就纳入与排除标准,最终纳入108篇文献进行归纳总结。结果与结论:儿童膝关节骨密度会随着年龄的增长而增加,在成年后达到峰值。中年到老年阶段,膝关节股骨、胫骨、腓骨、髌骨的弹性模量会随着年龄的增加而降低,进而回归到儿童时期的弹性模量。儿童与成年人软骨的弹性模量基本一致,而老年人的软骨弹性模量增大。随着年龄的增长,膝关节韧带的弹性模量会出现一定程度降低,但年轻人与老年人膝关节韧带的弹性模量无显著差异。随着年龄的增长,膝关节半月板机械完整性的丧失会损害组织的生物力学功能,扰乱组织有效承载和传递的各向异性生物力学响应。膝关节有限元建模可以深入了解膝关节的生物力学特性,开发新的植入材料、预测膝关节疾病、改进手术技术,并指导患者康复锻炼。

PVDF改性硼、铝含能材料的制备方法研究进展

聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride,PVDF)在显著增强硼粉与铝粉点火燃烧性能方面展现了巨大的潜力。基于国内外近年来在PVDF改性硼、铝含能材料方面的广泛研究,归纳提炼了10种主流的制备技术,包括溶剂挥发法、静电纺丝技术、静电喷雾技术、静电喷雾沉积、微乳液法、3D打印技术、真空冷冻干燥法、非溶剂致相分离法、液相法以及液滴微流控技术,分别阐述了它们的制备原理、应用场景及优缺点,指出了PVDF改性含能材料面临的挑战,提出了未来研究的重点方向:1)安全改进;2)绿色技术;3)纳米材料优化;4)多尺度设计;5)创新的涂层方法;6)深入了解反应机制。

芹菜生物碳及其复合材料的制备、表征和燃烧催化性能研究

碳材料因其独特的电子结构和高比表面积,能够有效地催化含能材料的分解反应,从而提高能量释放的效率和速率。以芹菜为原料通过热解方式制备了生物碳及其复合物:QC-760、QC@Fe-760、QC@Bi-760、QC@Fe^(0)-760、QC@Fe-450和QC@Bi-450。首先,利用IR、XRD、SEM和BET等对其做了相关表征,结果表明,相对于芹菜粉末,QC-760的比表面积增大了17倍。其次,探究了芹菜生物碳及其复合物对高氯酸铵(AP)、奥克托金(HMX)和黑索金(RDX)的热分解行为的影响,结果表明,生物碳及其复合物均对AP、RDX和HMX的分解过程影响较大;其中,QC@Bi-450对AP催化性能最佳,放热量达到3344 J/g;QC-760对RDX的催化性能最好,使其放热峰温提前了41.1℃,放热量增加了713 J/g;QC@Fe^(0)-760使HMX分解峰温提前了82℃。最后,测试了样品对罗丹明B的吸附性能,发现搅拌时间为80 min,样品质量为2 mg/mL,罗丹明B浓度为350 mg/L时,QC-760吸附性能最好。

薄膜型声学超材料的发展与展望

声学超材料以可引导和控制声波反射、透射和吸收能力,在声学领域受到广泛关注。薄膜型声学超材料是声学超材料的一个重要分支。薄膜型声学超材料因其轻质、成本低、易加工并且能够在低频段产生理想的降噪效果,成为了当前声学超材料的主要研究方向之一。该文综述了薄膜型声学超材料在隔声等方面的研究进展,从薄膜理论模型建立和薄膜参数化分析出发,论述了薄膜型声学超材料基础理论及性能研究,重点介绍了不同薄膜结构的设计及其与不同隔声技术的结合,并对薄膜型声学超材料进行了总结与展望。

水体净化用聚乳酸非织造材料的研究进展

总结水体净化用聚乳酸(PLA)非织造材料的制备、改性和应用研究进展。介绍了PLA的化学合成方法,概括了当前主要的PLA非织造材料制备技术并分析其各自特点。阐述了物理共混、表面涂覆、等离子体、化学接枝改性方法对PLA非织造材料性能和功能的影响,重点总结了PLA非织造材料在油水分离、染料吸附、重金属离子吸附等水体净化领域中的应用进展。认为:低成本化、生产规模化、易回收循环将成为水体净化用PLA非织造材料未来研究发展的重要导向。

涤棉混纺织物基复合光催化材料的制备及性能研究

为了将废旧纺织品回收再生为高值产品,获得具有光催化功能的材料,以涤棉织物为原料,ZnCl_(2)作为活化剂,通过高温炭化,制备出活性炭;然后以钛酸丁酯为前驱体,在活性炭上原位生成TiO_(2),获得了活性炭光催化复合材料,并对产物结构和性能进行了表征。结果表明:混纺比80/20的涤棉织物、800℃下制得的复合光催化材料,TiO_(2)在活性炭上分布均匀,具有无定形结构;该复合材料对亚甲基蓝的吸附量可达344 mg/g,对质量浓度60 mg/L的亚甲基蓝光照6 h后降解率可达98%,并且在循环5次后,对亚甲基蓝的降解率仍可达到80%,具有良好的光催化降解性能和循环使用性能。

MOF基ZnO/NiO@C复合材料作为高性能锂离子电池负极材料

通过简单的溶剂热法和煅烧法制备了MOF衍生的ZnO/NiO@C多孔纳米复合材料,采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)对其微观形貌和结构进行表征,利用X射线光电子能谱(XPS)分析了复合材料的元素组成,通过氮气吸附/脱附实验测试了复合材料的比表面积和孔径分布,结果表明:复合材料具有高比表面积和一定数量的介孔,在100 mA/g电流密度下,ZnO/NiO@C电极首次放电比容量为1489.7 mAh/g,循环400次后的可逆比容量为1078.0 mAh/g,容量保持率为72.4%。此外,通过不同倍率的充放电实验,电极的比容量可以恢复到初始倍率的75.28%,测试结果表明ZnO/NiO@C电极具有优异的循环性能和较好的倍率性能,良好的电化学性能是由于其多孔结构、高比表面积和丰富的电化学活性位点,降低了电荷的传递阻力,促进了离子的扩散,提高了倍率性能和循环稳定性。

废旧钴酸锂材料Mg/Se共掺直接再生研究

废旧锂离子电池回收利用是新能源电池产业发展的重要环节,废旧正极材料短流程高值再生是重要发展方向。提出了一种高温固相烧结以及Mg/Se共掺杂策略,来解决废旧钴酸锂材料的升级再生难题。主要是将废旧钴酸锂粉末在高温烧结补锂的同时引入掺杂元素,一同实现体相的掺杂改性。研究发现这种直接再生协同掺杂改性的方式可以有助于提高材料的导电性和结构稳定性,从而表现出优异的放电比容量和循环保持率,但并不改变材料的层状结构和颗粒形貌。再生材料在3.0~4.6 V工作电压下,可以释放194.6 mAh/g的首圈比容量,并且循环50圈的容量保持率可以高达71.58%,并且具有优异的大倍率电化学性能,有望为其他废旧正极材料提供新的再生方向。

磁性纳米功能材料MFC对镉污染稻田土壤微生物和酶活性的影响

以磁性纳米Fe 3O 4和磷酸盐为主要原料,制备出超顺磁性纳米功能材料[magnetic nano-Fe 3O 4@Ca(H 2PO 4)2 functionalized materials,MFC],利用MFC对镉污染稻田进行大田原位磁选修复后进行水稻栽培试验,研究MFC磁选修复镉污染稻田对水稻不同生育期土壤微生物群落组成和土壤酶活性的影响。结果表明:施加MFC修复镉污染稻田,可有效降低土壤总镉和有效镉含量,投加0.5%和1.0%MFC,土壤总镉分别降低22.14%和24.08%,有效镉分别降低2.29%和12.21%;施加MFC的处理组,3个时期的土壤Shannon指数与Chao1指数均高于该时期对照组,表明提高了水稻生长期土壤细菌群落多样性和丰富度;与对照组相比,抽穗期处理组土壤的Ascomycota丰度占比提升,成熟期处理组土壤的Rozellomycota丰度占比提升,差异有统计学意义(p<0.05),表明提高了水稻拔节期和成熟期土壤真菌群落的多样性和丰富度。同时,提高了水稻生长期土壤脲酶、脱氢酶活性,其中,成熟期Y-0.5%处理组的土壤脲酶活性提升达到55.40%,抽穗期和成熟期Y-0.5%处理组的土壤脱氢酶活性分别提高了44.40%和37.21%,差异有统计学意义(p<0.05),而土壤过氧化氢酶的活性降低。

极端条件下含能材料的模拟研究思考

含能材料在军事、民用和航天等领域具有广泛应用,极端条件下其物理化学性质会发生显著变化。通过模拟研究预测和优化含能材料性能具有重要意义,包括性能预测、优化设计、安全评估、成本效率控制等。为此,综述了极端条件下含能材料的研究背景、基本性质、模拟研究方法及进展、关键问题以及相关实验研究进展。其中,详细介绍了量子力学、分子动力学、蒙特卡罗和有限元等模拟方法及其研究进展,阐述了高压、高温、激光作用和界面效应等极端条件下模拟研究的关键问题,并列举了含能材料在撞击感度、化学释能规律、3D打印、绿色电合成、爆轰机理和超高含能材料合成等方面的实验研究进展。通过遴选代表性研究,展示了模拟研究在实际问题中的应用和解决方案。同时,介绍了一些最新研究成果,以反映该领域的最新进展和未来趋势。此外,详细讨论了跨学科研究的实现方式以及含能材料在极端条件下的安全性问题,包括可能的风险和预防措施。

建筑工程中新型建筑材料的应用现状与前景

在全球资源紧张与环境问题凸显的大背景下,建筑行业面临着巨大的节能减排压力。同时,社会进程加速,人们对建筑功能与品质有了更高期待,但传统建筑材料的局限性日益明显,从而促使新型建筑材料应运而生并蓬勃发展。文章介绍了几种常见的新型建筑材料,分析了建筑工程中新型建筑材料的应用现状,如在住宅建筑、商业建筑中的使用情况,并探讨了建筑工程中新型建筑材料的应用前景,发现其对建筑行业可持续发展具有积极意义。

镁质水泥基多相胶凝材料改性固化淤泥路用性能试验研究

【目标】针对不能直接用作路基填料的武汉市两湖隧道东湖段固化淤泥,提出基于绿色环保的氯氧镁水泥,结合高钙粉煤灰和粒化高炉矿渣这2种工业固废料,复合而成镁质水泥基多组分胶凝材料(M—F—G),对固化淤泥进一步加以改性的方法。评价氯氧镁水泥基的多组分胶凝材料改善固化淤泥路用性能的效果,并探明其微观机理,为固化淤泥的路基填料化利用技术提供参考。【方法】通过界限含水率、加州承载比、压缩性、水稳定性、扫描电镜和核磁共振等宏、微观试验,研究了多组分胶凝材料配比、养护龄期等因素对固化淤泥改性效果的影响及其微观机制。【结果】M—F—G多组分胶凝材料使固化淤泥的液限、塑性指数和压缩系数降低,而加州承载比和水稳定性显著提高;粉煤灰+矿渣的“双掺”比仅粉煤灰或仅矿渣的“单掺”与氯氧镁水泥发生的水化反应更为充分,改性效果更佳。微观试验揭示,由M—F—G多组分胶凝材料改性生成的水化产物能有效地降低固化淤泥的孔隙率,水化硅酸镁(M—S—H)型凝胶物质包覆土颗粒并形成蜂窝结构,从而使固化淤泥的路用性质得到了显著的改善。【应用】综合试验结果与路基规范要求,提出了镁质水泥基多组分胶凝材料的最优配比和改性固化淤泥的最佳养护龄期。

新工科背景下材料科学与工程专业实习的改革与探索

新工科建设背景下,亟需推动材料科学与工程专业人才培养过程中的产教深度融合,专业实习作为关键的实践教学环节,仍存在校企合作薄弱、与其他实践培养环节联系不紧密、实习成效评价体系不全面等问题,制约实习成效。通过探索科技成果转化驱动的专业实习新模式,创新实习内容与形式,构建科学全面的评价体系,强化过程评价与即时反馈,并搭建专业实习与毕业设计贯通衔接体系,可望有效提升学生实践能力、职业素养及整体人才培养质量。

考虑细观随机分布的SMC/UD混杂复合材料建模与分析

本文针对片状模塑料(SMC)/单向纤维(UD)构成的混杂复合材料力学性能进行研究,在细观层面采用蒙特卡洛方法随机生成纤维片,提出的抑制干涉效应的建模方法能够有效改善纤维片间的重叠率,通过敏感度分析确定了细观代表体元尺寸,对细观代表体元施加周期性边界条件以获得混杂复合材料弹性参数,模型的弹性模量预测结果和试验结果吻合良好;并进一步探讨了纤维片尺寸、体积分数以及铺层方式对混杂复合材料弹性模量的影响。结果表明:纤维片长宽比不同会导致代表体元尺寸发生变化,长宽比增加,混杂复合材料弹性模量增加;纤维片体积分数增加将导致混杂复合材料弹性模量增加;对混杂复合材料进行铺层设计,可以使其既具有SMC复合材料的可成型性,又具有与准各向同性材料相当的弹性模量。

单晶镍纳米切削材料去除行为与机理研究

单晶镍纳米尺度加工时的材料去除机理对实现其超精密加工尤为重要。为此,借助分子动力学仿真研究单晶镍纳米切削时的力热行为、表面/亚表面形成特征以及塑性变形机制以揭示材料去除机理。结果表明单晶镍纳米切削时,有序的镍原子在刀具挤压和剪切作用下以非晶结构的形式被去除,部分具有面心立方(face center cubic, FCC)结构的镍原子转变成密排六方(hexagonal close-packed, HCP)结构和非晶结构,主导了相变与非晶化;同时出现伯氏矢量分别为1/6<112>、1/3<100>、1/6<110>、1/3<111>以及1/2<110>的位错线。单晶镍纳米切削时的塑性变形机制为相变、非晶化和位错滑移。在切削过程中,由于几何条件与能量条件被同时满足,发生1/2<110>全位错转变为1/6<112>不全位错的位错反应。在切削力热的作用下,已加工亚表面出现了位错环、梯杆位错、棱住位错、V型位错、原子团簇和空位等缺陷结构。相比于(100)晶面和(110)晶面,沿(111)晶面切削有利于减小亚表面缺陷层深度。

几种固体废弃物粉体在功能涂层材料中的应用

【目的】为了固体废弃物的高经济价值的资源化再利用,综述矿产尾矿粉体、粉煤灰、冶金废渣、硅灰、废塑料等几种常见固体废弃物在功能涂层材料中的应用。【研究现状】总结尾矿固体废弃物在功能涂层材料中直接利用和改性及利用;工业固体废弃物粉煤灰、治金废渣、硅灰等在功能材料中的应用;以及聚苯乙烯、聚丙烯等生活固体废弃物在涂层材料中的资源化再利用途径;【结论与展望】对尾矿固体废弃物进行物理或化学改性,应用于功能涂层材料中,能使涂层材料具有不同的特殊功能,拓宽涂层材料的应用领域,也可使尾矿固体废弃物实现高值化应用;工业固体废弃物在组成成分中具有大量的活性成分,可以通过后处理和改性提升附加值;塑料废弃物通过粉碎、溶解、煅烧等技术,可以作为涂料成膜物、光-热功能填料、疏水填料等应用于涂层材料中。提出将固体废弃物应用于涂层材料是具有良好经济效益的资源化再利用方式,能够缓解固体废物所带来的环境危害,实现高值化的资源化再利用。

选区激光熔化成型铝基复合材料研究进展

选区激光熔化(SLM)制备铝基复合材料,改善了传统制造方法遇到的颗粒团聚、界面结合差等问题。本文以激光参数和增强颗粒为切入点,综述了微观结构、组织转变、颗粒分散、晶体形态和界面结合等微观组织特征及演化规律。增强颗粒在基体中成为异质形核点,促进了晶粒细化,优化了晶体形态;激光参数调整能量输入,使熔池产生温度梯度,引起的Marangoni流优化了颗粒分布和界面等微观结构。阐述了SLM制备的Al基复合材料的拉伸和疲劳性能优于相同方法制造的铝和铝合金性能,并根据微观失效断面分析了影响因素。可通过调整激光参数和增强颗粒,改善微观组织,减少气孔和裂纹,从而提高材料拉伸和疲劳性能。最后总结了SLM制备的铝基复合材料的优缺点,根据仍存在的问题对尚待解决的技术问题和未来研究方向作了展望。

材料与化工专业学位人才培养模式构建与实践

经济的快速发展和行业的不断调整,使得研究生在校所学无法满足国家对高技术含量企业行业的布局需求。对材料与化工专业在校研究生而言,不仅要知行合一,还应具有创新和终生学习意识。以华南理工大学材料与化工专业学位涂料方向研究生培养为例,围绕构建高校企业联盟培养模式,为培养适应行业发展需求的高层次应用型人才提供参考。

基于多尺度广义自洽模型的耐火材料变温性能预测

针对耐火材料在高温工况下弹性模量的复杂非线性变化,从两相热膨胀系数失配导致的材料失效理论入手,借助多尺度广义自洽模型,提出了一种利用耐火材料各组分的热弹性性能对其变温过程中的宏观非线性行为进行预测的方法。以热压成型的玻璃-球形氧化铝耐火材料为例,对其升温/降温过程中的弹性模量进行了预测。结果表明,预测值与实验数据基本相吻合,利用该方法预测两相耐火材料的热弹性性能能够得到较为精确的结果。

“五闭-五到-心力”教学路径改革探索——以汽车类材料科学基础课程为例

针对学生学情与教材传统内容兼容度低、“五闭”与学习效率低、脆弱知识多与学科思维少的三大教学难点,通过“一体两翼与思政”螯合提出重组教学内容,三大教学理念引领课堂升级,三大教学目标重在因材施教等创新举措;通过信息技术与传统教学深度融合,强化师生互动,优化教学活动,完善考核机制,获得教学目标达成度良好、学生发展态势凸显、教学模式辐射、跟踪学生学习的教改效果。课程构建并实施了打开学生“五闭”,达成“五到-心力”转变,实现沉浸式教学模式,这不仅提升了教学广度与深度,还展示出良好的教学效果,同时还具有迁移应用。