結(jié)構(gòu)材料的案例
梯度納米晶材料的本構(gòu)建模及微結(jié)構(gòu)調(diào)控
強(qiáng)度和韌性是衡量材料性能的兩個重要標(biāo)準(zhǔn)，高強(qiáng)度材料抵抗應(yīng)力的能力很好，而高韌性意味著材料能承受更多的塑性變形。但是，強(qiáng)度和韌性通常無法兼顧，超強(qiáng)材料往往容易發(fā)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致韌性很差，容易斷裂。近年來，能夠很好協(xié)調(diào)強(qiáng)度和韌性的梯度結(jié)構(gòu)材料逐漸興起，并且成為研究熱點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。
梯度結(jié)構(gòu)材料在自然界中就普遍存在，例如：竹子和貝殼就是典型的梯度材料，人類和動物的骨骼也具有梯度結(jié)構(gòu)的特征。根據(jù)不同的材料變形機(jī)理和制備工藝，梯度結(jié)構(gòu)被越來越多地應(yīng)用到工程材料中，比如通過在內(nèi)部引入不同的梯度微結(jié)構(gòu)（梯度晶粒結(jié)構(gòu)、梯度孿晶結(jié)構(gòu)、梯度位錯結(jié)構(gòu)、梯度相變結(jié)構(gòu)等），使材料具備更高的強(qiáng)度、硬度、加工硬化能力、延展性和抗疲勞性能。經(jīng)過多年發(fā)展，目前制備梯度結(jié)構(gòu)材料的方法已經(jīng)十分豐富，比如表面研磨、表面碾磨、物理或化學(xué)沉積、激光沖擊等。
為了更好地發(fā)展和應(yīng)用梯度結(jié)構(gòu)材料，需要預(yù)測不同梯度結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，從而進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。因此，深入理解梯度結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)韌性機(jī)理、微結(jié)構(gòu)演化與宏觀力學(xué)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而建立描述梯度結(jié)構(gòu)材料變形行為的本構(gòu)模型，成為亟待解決的關(guān)鍵問題。
圖1 不同的梯度微結(jié)構(gòu)示意圖。（來源：盧柯. 梯度納米結(jié)構(gòu)材料，金屬學(xué)報 51（2015）1-10）
在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《梯度納米晶粒/孿晶材料的本構(gòu)建模及微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》（項(xiàng)目編號：1167020206）的資助下，西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院張旭研究組與德國馬普鋼鐵所Dierk Raabe教授團(tuán)隊(duì)合作開展研究，論文第一作者陸曉翀針對2011年中科院金屬所盧柯院士團(tuán)隊(duì)在《Science》上報道的梯度納米晶粒材料，建立了基于復(fù)雜位錯演化機(jī)制的尺寸相關(guān)晶體塑性本構(gòu)模型，并引入了晶粒長大機(jī)制和損傷演化模型。
展開 先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷納入國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料”重點(diǎn)專項(xiàng)
為落實(shí)“十四五”期間國家科技創(chuàng)新有關(guān)部署安排，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃啟動實(shí)施“先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料”重點(diǎn)專項(xiàng)。根據(jù)本重點(diǎn)專項(xiàng)實(shí)施方案的部署，科技部近日發(fā)布了2021年度項(xiàng)目申報指南。該指南重點(diǎn)圍繞先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷與陶瓷基復(fù)合材料、高溫與特種金屬結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)工程結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)材料制備加工與評價新技術(shù)等7個技術(shù)方向。
本重點(diǎn)專項(xiàng)總體目標(biāo)是：面向制造強(qiáng)國、交通強(qiáng)國、航天強(qiáng)國建設(shè)等國家重大需求部署先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料研發(fā)任務(wù)，形成國產(chǎn)材料體系化自主研制和保障能力，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)、重載火箭、國產(chǎn)大飛機(jī)、核電工程裝備、深海油氣資源開采等
國家大型工程等急需的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料的國內(nèi)自主供給。
先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷與陶瓷基復(fù)合材料
高端合金制造及鋼鐵冶金用關(guān)鍵結(jié)構(gòu)陶瓷材料開發(fā)及應(yīng)用（示范應(yīng)用）
研究內(nèi)容：
面向冶金產(chǎn)業(yè)提升的發(fā)展需求，研究高端合金制造及鋼鐵新技術(shù)領(lǐng)域用關(guān)鍵結(jié)構(gòu)陶瓷材料組分設(shè)計(jì)與制備技術(shù)，開發(fā)高品質(zhì)高溫合金制備用結(jié)構(gòu)陶瓷材料、冶金領(lǐng)域用
高效節(jié)能
硼化鋯陶瓷電極、薄帶連鑄用結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷材料
的規(guī)模化生產(chǎn)工藝，開展應(yīng)用評價技術(shù)研究，建立規(guī)模化生產(chǎn)線，研制關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，制定制備及檢測標(biāo)準(zhǔn)。
展開 ：液基自適應(yīng)結(jié)構(gòu)材料研究綜述
近日，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院侯旭教授課題組探討了關(guān)于液基自適應(yīng)結(jié)構(gòu)材料的最新進(jìn)展，并以“Liquid-Based Adaptive Structural Materials”為題發(fā)表于《先進(jìn)材料》(Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.202005664)。該綜述為慶祝廈門大學(xué)百年校慶專刊論文之一。
結(jié)構(gòu)材料用于提供穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在材料科學(xué)與技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。在結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的漫長過程中，其功能性日益突出，自適應(yīng)結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)材料方面具有顯著的優(yōu)勢，能夠響應(yīng)外界的刺激。然而，許多固體自適應(yīng)結(jié)構(gòu)材料仍存在功能單一、缺乏動態(tài)性能，例如易被污染、能耗問題、材料在微觀尺度上隨處可見的缺陷等。為了滿足人們?nèi)找娑鄻踊男枨螅夯?em>材料憑借其固有的自發(fā)性、動態(tài)性和功能性而受到越來越多研究者的關(guān)注。因此，科學(xué)家們提出并發(fā)展了液基自適應(yīng)結(jié)構(gòu)材料。建立在動態(tài)液體和固定固體的基礎(chǔ)上，液基自適應(yīng)結(jié)構(gòu)材料已被證明可同時擁有動態(tài)自適應(yīng)性（來自活躍的液體部分）和穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)（來自固定的固體部分），這在3D打印、液滴操縱、全憎表面、微流控、物質(zhì)分離等方面具有廣泛的應(yīng)用。這一研究將為液基自適應(yīng)結(jié)構(gòu)材料的最新進(jìn)展提供統(tǒng)一的觀點(diǎn)，包括有粒子的液體、有表面的液體以及有膜的液體。此外，該綜述還討論了促進(jìn)液基自適應(yīng)結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的前景與挑戰(zhàn)。
該論文在廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院侯旭教授指導(dǎo)下完成，博士生張儉與博士后陳柏屹為論文的共同第一作者。
展開 聚氨酯復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
?但混凝土屬于脆性材料，抗拉強(qiáng)度低，使電桿的抗彎、抗震性能和抗沖擊性能差，在臺風(fēng)作用時，極易損壞，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害，也造成了供電中斷與電力維修困難。
?混凝土結(jié)構(gòu)重量大，運(yùn)輸與安裝也不方便。
2.聚氨酯樹脂的特點(diǎn)
?聚氨酯（PU）的分子結(jié)構(gòu)中含有氨基甲酸酯基團(tuán)（—NH—COO—），擁有良好的力學(xué)性能（輕質(zhì)高強(qiáng)高模量，斷裂延伸率大，耐沖擊），優(yōu)異的耐酸堿、紫外線和大氣老化性能；成型方便、環(huán)保（無苯乙烯揮發(fā)）。
?纖維纏繞聚氨酯復(fù)合材料電桿的優(yōu)越性能：
（1）質(zhì)量輕，容易運(yùn)輸、搬運(yùn)和安裝；
（2）彎曲強(qiáng)度大，斷裂延伸率大，抵抗臺風(fēng)等的彎曲應(yīng)力；絕緣性能好；
（3）耐候性能好，抵抗風(fēng)吹日曬等惡劣環(huán)境。
二、聚氨酯復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1. 復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)：材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化。
（1）性能設(shè)計(jì)：充分考慮最終產(chǎn)品的使用目的和使用條件，使設(shè)計(jì)出復(fù)合材料產(chǎn)品與設(shè)計(jì)要求相同。
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性計(jì)算。根據(jù)所承受的載荷及使用環(huán)境，設(shè)計(jì)出確保材料安全可靠經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸。是選用不同材料，結(jié)合工藝，在各種載荷組合工況下的力學(xué)計(jì)算與鋪層的反復(fù)過程。
（3）工藝設(shè)計(jì)：應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)成型方便、成本低廉。
這三者相互關(guān)聯(lián)，不能截然分開。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含了材料設(shè)計(jì)的所有內(nèi)容，是復(fù)合材料產(chǎn)品合理設(shè)計(jì)和降低成本的關(guān)鍵。
2. 復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與必要性
（1）雖然電桿的幾何形狀簡單，但和所有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一樣，材料為各向異性材料，極具可設(shè)計(jì)性。
（2）電桿具有較大的錐度：1/75；纏繞工藝和等直桿不同，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不同截面的材料參數(shù)和幾何參數(shù)不同。事實(shí)上，工藝參數(shù)的不同，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能不同，也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的迥異。
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復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊
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Ansys Workbench | 材料微觀結(jié)構(gòu)：四種 RVE 的均質(zhì)化分析
概述
材料的性能在很大程度上受其微觀結(jié)構(gòu)影響。本文檔使用 Ansys 材料設(shè)計(jì)器展示四種不同類型的微觀結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的宏觀尺度材料性能：隨機(jī)單向纖維結(jié)構(gòu)、體心立方顆粒結(jié)構(gòu)、金剛石晶格結(jié)構(gòu)和編織結(jié)構(gòu)。
目標(biāo)
理解微觀結(jié)構(gòu)與宏觀尺度材料性能之間的關(guān)系
步驟
案例1：隨機(jī)單向纖維（木材）
1. 打開 Ansys Workbench，創(chuàng)建一個“材料設(shè)計(jì)器”組件。檢查單位。
2. 定義材料。創(chuàng)建一種纖維材料，楊氏模量為18000MPa，泊松比為0.1；然后創(chuàng)建一種基體材料，楊氏模量為1800MPa，泊松比為0.35。
3. 在材料設(shè)計(jì)器中定義微觀結(jié)構(gòu)。選擇隨機(jī)單向纖維作為代表性體積元（RVE）。設(shè)置纖維體積分?jǐn)?shù)為0.4，纖維直徑為50μm。創(chuàng)建幾何模型（圖1），并使用默認(rèn)設(shè)置生成網(wǎng)格。
4. 創(chuàng)建一個恒定材料，并求解工程常數(shù)。工程常數(shù)匯總?cè)鐖D2所示。可以觀察到，纖維方向上的整體楊氏模量 E1 比 E2 和 E3 大100%以上。這是因?yàn)槔w維的楊氏模量高于基體，從而增強(qiáng)了縱向剛度。這種微觀結(jié)構(gòu)的典型例子是木材和一些復(fù)合材料。
圖1. 隨機(jī)單向纖維的 RVE
圖2. 隨機(jī)單向纖維結(jié)構(gòu)材料的工程常數(shù)
案例2：體心立方結(jié)構(gòu)（金屬）
5. 按照案例1的相同步驟操作。為顆粒定義各向同性材料屬性（E=25000MPa, ν=0.3），并為基體定義各向同性材料屬性（E=18000 MPa, ν=0.3）。
6. 定義體心立方結(jié)構(gòu) RVE（圖3）。顆粒尺寸設(shè)為1nm。生成網(wǎng)格。這種微觀結(jié)構(gòu)是金屬的典型代表。
圖3. 體心立方結(jié)構(gòu)的 RVE
7. 求解工程常數(shù)。工程常數(shù)概覽如圖 4 所示。
展開 《Nature Commun》：揭秘多晶宏觀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)化機(jī)制！
本文系統(tǒng)地探究了金屬架構(gòu)材料的強(qiáng)化機(jī)理，為自由調(diào)節(jié)材料強(qiáng)度及控制材料的局部變形提供了理論基礎(chǔ)。
金屬架構(gòu)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)有序但不密實(shí)，具有輕質(zhì)、高承重能力、高沖擊能量吸收能力的優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛用于航空、汽車、醫(yī)療器件等領(lǐng)域。由周期性結(jié)構(gòu)單元以及撐桿構(gòu)成的宏觀點(diǎn)陣材料是金屬構(gòu)架材料中的一種，這種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料一般具有單一的結(jié)構(gòu)取向。但是這種結(jié)構(gòu)存在一個明顯的問題，當(dāng)材料達(dá)到屈服強(qiáng)度以后，剪切帶的形成及其快速擴(kuò)展會極大地降低了材料的強(qiáng)度。
為了解決單一取向點(diǎn)陣材料的強(qiáng)度驟減問題，來自英國帝國理工學(xué)院材料系的Chen Liu等以多晶金屬材料的結(jié)構(gòu)為靈感，設(shè)計(jì)出多取向宏觀點(diǎn)陣材料。通過增加單位體積內(nèi)點(diǎn)陣單元的個數(shù)以及調(diào)節(jié)撐桿在接觸點(diǎn)之間的連接方式，制備出了高強(qiáng)度、高耐壓的宏觀多晶點(diǎn)陣金屬材料。相關(guān)論文以題為“The origin of the boundary strengthening in polycrystal-inspired architected materials”發(fā)表在Nature Communications。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-24886-z
本研究以金屬材料多晶結(jié)構(gòu)為靈感，選取面心立方作為研究結(jié)構(gòu)，利用熔融沉積制造的方法制備出宏觀多晶點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料。類似于多晶金屬中包含隨機(jī)取向的晶粒，宏觀多晶點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部由不同取向的點(diǎn)陣單元組成。每個點(diǎn)陣單元內(nèi)部材料的取向一致，點(diǎn)陣單元之間的連接部分稱之為邊界。通過壓縮力學(xué)性能測試以及有限元分析探究材料塑性變形及失效的機(jī)理。
展開 【技術(shù)】復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識共享系列（一）
【技術(shù)】復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識共享系列（一）
1、引言
作者最近寫了一些文章，闡述了對國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化之路的一些觀點(diǎn)，國產(chǎn)碳纖維實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是用國產(chǎn)碳纖維開發(fā)出“買得起的復(fù)合材料制品”，而開發(fā)“買得起的復(fù)合材料制品”的過程中“設(shè)計(jì)是主導(dǎo)，材料是基礎(chǔ)，制造是關(guān)鍵，應(yīng)用是目的”。縱觀國際復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域幾十年的發(fā)展，無疑航空航天領(lǐng)域積累了最多的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，被稱為“復(fù)合材料圣經(jīng)”的CMH-17《復(fù)合材料手冊》主要是航空航天領(lǐng)域研究和應(yīng)用復(fù)合材料40多年的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，其他領(lǐng)域的高端應(yīng)用無不顯現(xiàn)航空航天的痕跡，例如從風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)中可以看到直升機(jī)旋翼槳葉的設(shè)計(jì)理念。目前復(fù)合材料應(yīng)用方興正艾的交通運(yùn)輸車輛結(jié)構(gòu)與航空航天結(jié)構(gòu)類似，都屬于受力復(fù)雜的桿板殼結(jié)構(gòu)，因此順理成章地交通運(yùn)輸車輛結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理應(yīng)繼承航空航天領(lǐng)域復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。作者在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域馳騁了30多年，對飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)積累了一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，希望能把這些體會寫出來與碳纖維復(fù)合材料界同人共享。
飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在確定結(jié)構(gòu)布局和生產(chǎn)工藝后，首先面臨著選材的任務(wù)，本文試圖從飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性要求出發(fā)，在滿足工藝需求和材料工作極限（MOL，對環(huán)氧樹脂MOL=濕態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg-28℃）的前提下，闡述飛機(jī)結(jié)構(gòu)對碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能要求。
2、 飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性要求
2.1 復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的特點(diǎn)
飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性的定義是：影響飛機(jī)安全使用和成本費(fèi)用的機(jī)體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、損傷容限、耐久性和功能的總稱。”因此對飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材料體系的要求就必須滿足這些要求。
展開 科學(xué)家開發(fā)出一種新的偏振異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光材料！2D材料和0D量子點(diǎn)的“結(jié)合”，為未來新型顯示器帶來可能
此外，基于這種0D/2D納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光材料的多功能設(shè)備能夠無縫融合光發(fā)射、調(diào)制和光檢測的功能。
資料來源：Xu HongWei等
圖2. a、集成器件中0D/2D構(gòu)型復(fù)合材料的光學(xué)性能示意圖；b、紫外波長范圍內(nèi)檢測性能的比較分析；c、電場調(diào)制（E=6V/mm）下，不同偏振角下發(fā)光強(qiáng)度的比較。
構(gòu)建0D/2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)偏振發(fā)光材料的關(guān)鍵，不僅在于用不同尺寸的材料有效地錨定組件，還在于確保它們的光學(xué)特性能夠無縫協(xié)調(diào)。為了避免2D材料對0D發(fā)光材料激發(fā)和發(fā)射光之間的潛在吸收猝滅，研究團(tuán)隊(duì)采用了具有寬帶隙和高場靈敏度的鈷摻雜二氧化鈦（CTO）作為基礎(chǔ)色散元件。
通過化學(xué)吸附誘導(dǎo)Ti-O-C鍵的形成，該團(tuán)隊(duì)成功合成了CDs/CTO異質(zhì)結(jié)的膠體溶液。這種膠體溶液剛好保留了CTO的光學(xué)各向異性特性和CDs的有效藍(lán)色發(fā)光特性，這也就意味著研究人員成功構(gòu)建了一款全無機(jī)CDs/CTO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的偏振發(fā)光材料。
基于上述所開發(fā)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光材料，研究人員利用光學(xué)器件異質(zhì)結(jié)的二向色吸收特性成功實(shí)現(xiàn)了360 nm至385 nm范圍內(nèi)的紫外光的檢測。這其中，CDs的偏振光發(fā)射是通過CTO誘導(dǎo)的定向排列實(shí)現(xiàn)的，這標(biāo)志著研究人員基于上述方案成功開發(fā)出一種無縫集成調(diào)制、發(fā)射和檢測的多功能光學(xué)控制原型裝置。
該研究成果不僅為偏振發(fā)光材料家族引入了一個新成員，還為開發(fā)各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光材料提供了新的視角和創(chuàng)新的方法。這些特性的融合為光學(xué)調(diào)制和檢測，以及對偏振發(fā)光的調(diào)制提供了一種有形的原型器件。這一發(fā)現(xiàn)將有可能應(yīng)用于光催化、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、顯示和光通信等多個不同領(lǐng)域。
展開 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
一、復(fù)合材料的定義與構(gòu)造特點(diǎn)
1）復(fù)合材料的定義
復(fù)合材料——由兩個或兩個以上獨(dú)立的物理相（粘結(jié)材料和顆粒、纖維或片狀材料）所組成的一種固體產(chǎn)物。
定義中說的物理相，可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。連續(xù)相稱為基體材料；不連續(xù)相（分散相）稱為增強(qiáng)材料。
增強(qiáng)材料——起承受載荷的作用，主要提供復(fù)合材料的力學(xué)性能，其幾何形式有長纖維、短纖維和顆粒狀物等多種；
基體材料——起著粘結(jié)、支撐、保護(hù)增強(qiáng)材料和傳遞應(yīng)力的作用，主要提供復(fù)合材料的物理、化學(xué)性能，常采用橡膠、石墨、樹脂、金屬和陶瓷等。
2）復(fù)合材料的主要特點(diǎn)
1）復(fù)合材料的性能具有可設(shè)計(jì)性
2）材料和結(jié)構(gòu)具有同一性
3）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含材料設(shè)計(jì)
4）材料性能對復(fù)合工藝的依賴性
5）復(fù)合材料具有各向異性和非均質(zhì)性
3）復(fù)合材料的構(gòu)造特點(diǎn)
復(fù)合材料與其說是材料，不如說是結(jié)構(gòu)更確切。因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可分為
三個結(jié)構(gòu)層次：
單層板（一次結(jié)構(gòu)）
層合板（二次結(jié)構(gòu)）
工程結(jié)構(gòu)（三次結(jié)構(gòu)）
4）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也分為三個層次：
單層設(shè)計(jì)——正確選擇増強(qiáng)材料和基體，確定組分比。
（單層材料性能設(shè)計(jì)）
層合板設(shè)計(jì)——確定單層層數(shù)、鋪設(shè)方向和鋪設(shè)順序。
展開 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識共享系列之二復(fù)合材料沖擊損傷的來龍去脈
在發(fā)表的文獻(xiàn)中給出了當(dāng)時波音民用飛機(jī)使用的復(fù)合材料體系T300/5208的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線（見圖1），其門檻值大約為2800με。
圖1 翼面結(jié)構(gòu)典型鋪層試樣壓縮下沖擊破壞曲線
國內(nèi)從1985年開始沖擊損傷的研究，在中國飛機(jī)強(qiáng)度所建立了壓縮下沖擊的試驗(yàn)設(shè)備及開展了相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究。這項(xiàng)研究在航空用復(fù)合材料體系的研發(fā)和復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證中得到應(yīng)用。1980年代國內(nèi)開始軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研制，當(dāng)時首先遇到的問題是沒有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識，特別是當(dāng)時作為設(shè)計(jì)入門的國外某公司《復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊》中給出一組設(shè)計(jì)用材料數(shù)據(jù)（見圖2），從文獻(xiàn)可知，其所用材料體系是T300/5208。通常金屬結(jié)構(gòu)極限載荷與限制載荷相差1.5倍，結(jié)構(gòu)在極限載荷下的設(shè)計(jì)許用值一般采用材料的極限強(qiáng)度，因此限制載荷下使用的材料性能應(yīng)是極限強(qiáng)度除以1.5，這組數(shù)據(jù)背離了人們的常識。當(dāng)時國內(nèi)軍機(jī)采用T300碳纖維，但使用國內(nèi)研制的樹脂，其設(shè)計(jì)值該如何確定成了航空復(fù)合材料界的難題，航空界進(jìn)行了研究和向國外專家咨詢，但始終沒有解決（關(guān)于許用值與設(shè)計(jì)值將在另文討論），但在該文件中指出了壓縮限制應(yīng)變的確定與沖擊損傷有關(guān)。在此背景下，當(dāng)年作者提出了確定設(shè)計(jì)值的一種工程方法：鑒于設(shè)計(jì)值與沖擊損傷有關(guān)，且國外該公司所用的材料體系是T300/5208，而文獻(xiàn)中提供了該材料體系典型結(jié)構(gòu)鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線的門檻值為2800με，只要將國內(nèi)軍機(jī)所用材料同樣結(jié)構(gòu)典型鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線門檻值與其進(jìn)行比較，即可確定國內(nèi)軍機(jī)所用材料體系的壓縮設(shè)計(jì)值。在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)比較缺乏的1990年代，根據(jù)作者提出的這種確定壓縮設(shè)計(jì)值的簡便方法，解決了軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制中遇到的一系列問題。
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三坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)材料對性能的影響
三坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)材料對測量精度、性能有很大影響，隨著各種新型材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用，三坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)材料種類越來越多。目前三坐標(biāo)測量機(jī)主流結(jié)構(gòu)材料為花崗巖、鋁合金，工業(yè)陶瓷基本只出現(xiàn)在高端三坐標(biāo)測量機(jī)中。
一、材料分類
1.1鑄鐵
鑄鐵是應(yīng)用較為普遍的一種材料，主要用于底座、導(dǎo)軌、立柱、支架、床身等。優(yōu)點(diǎn)是變形小、耐磨性好、易于加工、成本較低、熱膨脹系數(shù)與多數(shù)被測件（鋼件）接近，是早期三坐標(biāo)測量機(jī)廣泛使用的材料。
1.2花崗巖
花崗巖（俗稱大理石）密度比鋼輕,比鋁重,是目前應(yīng)用較為普遍的一種材料。由于花崗巖在地下經(jīng)過億萬年的時效，應(yīng)力釋放充分，加工后的穩(wěn)定性好、不生銹,易于作平面加工,達(dá)到比鑄鐵更高的平面度,適合制作高精度的平臺與導(dǎo)軌，目前多數(shù)三坐標(biāo)測量機(jī)用這種材料。
目前超高精度三坐標(biāo)主要采用固定橋式，固定橋三坐標(biāo)測量機(jī)采用固定“封閉框架”和移動工作臺的設(shè)計(jì)，工作臺、X軸橫梁和Z軸一般也是用優(yōu)質(zhì)花崗巖，各軸具有相同的熱力學(xué)性能，能有效消除溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響，保證儀器長時間運(yùn)行的高精度和穩(wěn)定性。
1.3陶瓷
工業(yè)陶瓷是近年來發(fā)展很快的材料類型，它是將陶瓷材料壓制成形后燒結(jié)、研磨得到。三坐標(biāo)X軸橫梁和Z軸采用陶瓷結(jié)構(gòu)，可以充分發(fā)揮工業(yè)陶瓷重量輕、剛性與抗熱膨脹性優(yōu)異、容易加工成超高精度表面的特性，在各種工業(yè)制造環(huán)境中都能夠獲取精確可靠的測量數(shù)據(jù)。
由于主軸和橫梁采用工業(yè)陶瓷，工作臺采用花崗巖，三軸熱匹配性合理，更有利于在20℃±2℃溫度范圍內(nèi)保證精度。
1.4鋁合金
高強(qiáng)度鋁合金密度小，表面硬質(zhì)陽極氧化后硬度良好，不易銹蝕，機(jī)械強(qiáng)度高，能夠制作大尺寸零件。
展開 《Nature Commun》：多晶宏觀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)化機(jī)制！
考慮到晶格材料的高各向異性，增加不同晶體取向的疇，即類多晶-元-晶的數(shù)量，不僅可以提高結(jié)構(gòu)晶格材料的強(qiáng)度和能量吸收，而且可以最大限度地減小結(jié)構(gòu)晶格材料的各向異性。這種最小的各向異性，可以提高材料在多軸和復(fù)雜加載路徑下的性能。
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復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識共享系列之二復(fù)合材料沖擊損傷的來龍去脈
在發(fā)表的文獻(xiàn)中給出了當(dāng)時波音民用飛機(jī)使用的復(fù)合材料體系T300/5208的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線（見圖1），其門檻值大約為2800με。
圖1 翼面結(jié)構(gòu)典型鋪層試樣壓縮下沖擊破壞曲線
國內(nèi)從1985年開始沖擊損傷的研究，在中國飛機(jī)強(qiáng)度所建立了壓縮下沖擊的試驗(yàn)設(shè)備及開展了相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究。這項(xiàng)研究在航空用復(fù)合材料體系的研發(fā)和復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證中得到應(yīng)用。1980年代國內(nèi)開始軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研制，當(dāng)時首先遇到的問題是沒有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識，特別是當(dāng)時作為設(shè)計(jì)入門的國外某公司《復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊》中給出一組設(shè)計(jì)用材料數(shù)據(jù)（見圖2），從文獻(xiàn)可知，其所用材料體系是T300/5208。通常金屬結(jié)構(gòu)極限載荷與限制載荷相差1.5倍，結(jié)構(gòu)在極限載荷下的設(shè)計(jì)許用值一般采用材料的極限強(qiáng)度，因此限制載荷下使用的材料性能應(yīng)是極限強(qiáng)度除以1.5，這組數(shù)據(jù)背離了人們的常識。當(dāng)時國內(nèi)軍機(jī)采用T300碳纖維，但使用國內(nèi)研制的樹脂，其設(shè)計(jì)值該如何確定成了航空復(fù)合材料界的難題，航空界進(jìn)行了研究和向國外專家咨詢，但始終沒有解決（關(guān)于許用值與設(shè)計(jì)值將在另文討論），但在該文件中指出了壓縮限制應(yīng)變的確定與沖擊損傷有關(guān)。在此背景下，當(dāng)年作者提出了確定設(shè)計(jì)值的一種工程方法：鑒于設(shè)計(jì)值與沖擊損傷有關(guān)，且國外該公司所用的材料體系是T300/5208，而文獻(xiàn)中提供了該材料體系典型結(jié)構(gòu)鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線的門檻值為2800με，只要將國內(nèi)軍機(jī)所用材料同樣結(jié)構(gòu)典型鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線門檻值與其進(jìn)行比較，即可確定國內(nèi)軍機(jī)所用材料體系的壓縮設(shè)計(jì)值。在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)比較缺乏的1990年代，根據(jù)作者提出的這種確定壓縮設(shè)計(jì)值的簡便方法，解決了軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制中遇到的一系列問題。
展開 塊狀納米結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)助力抗斷裂鋰金屬負(fù)極
塊狀納米結(jié)構(gòu)材料(BNM)是一類具有精細(xì)納米結(jié)構(gòu)的塊體材料。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)Hall-Petch(H-P)方程，屈服應(yīng)力與材料整體的強(qiáng)度和硬度相關(guān)，與晶粒尺寸的平方根成反比。因此，分離的晶粒使材料更堅(jiān)固，疲勞耐久極限增強(qiáng)意味著在某些外部應(yīng)力下斷裂的形成受到抑制。同時，BNM的離子傳輸特性同時顯著增加，因?yàn)橘|(zhì)量傳遞沿晶界比在晶粒中更快地發(fā)生。研究表明，如果晶粒尺寸低于臨界尺寸，電極體積波動引起的應(yīng)力可以自適應(yīng)而不發(fā)生顆粒破裂。
【成果簡介】
近日，天津大學(xué)羅加嚴(yán)教授(通訊作者)等根據(jù)塊狀納米結(jié)構(gòu)材料概念，通過冶金工藝設(shè)計(jì)了抗斷裂LMA，并在Adv. Mater.上發(fā)表了題為“Bulk Nanostructured Materials Design for Fracture-Resistant Lithium Metal Anodes”的研究論文。在塊狀納米結(jié)構(gòu)Li(BNL)中，離子導(dǎo)電相存在于晶界處，促進(jìn)了Li+傳輸。 BNL中精細(xì)的鋰晶粒尺寸和沉淀硬化提高了機(jī)械強(qiáng)度和耐疲勞性，減輕了不均勻分布的應(yīng)力并防止電極粉碎。作者利用密度泛函理論研究鋰與各種氧化物之間的結(jié)合能，發(fā)現(xiàn)SiO2是篩選氧化物中最佳的添加劑。BNL具有91 %的鋰金屬理論容量。在具有BNL負(fù)極的全電池中，LiFePO4在10 C下具有90 mAh·g-1的容量，比具有鋰箔負(fù)極的全電池高出一個數(shù)量級。該策略有望為抗斷裂LMA在鋰金屬電池中的應(yīng)用鋪平道路。
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