材料不均勻性的案例
孔尺寸的不均勻性顯著降低多孔絕熱材料的熱導率
【亮點】
1.首次揭示了孔徑不均勻性的定量降解效應。
2.提出了適應性界面傳感器技術以確保精確測量。
3.比較了充足的傳熱模型，以提取不均勻性效應。
4.這項研究為開發超級熱絕緣體提供了新的研究思路。
【引言】
已有研究證明在均勻孔徑的多孔材料體系中，材料的密度或孔隙率會對材料的熱輸運能力發揮關鍵作用。為了生產超級絕熱材料，研究人員已經追求材料的高孔隙度長達數十年。最近有研究闡明了如何通過引入不均勻的孔洞進一步降低材料熱運輸。報道指出，由于多尺度孔徑引起熱傳播路徑曲折導致熱輸運性能劣化，因此與具有均勻孔隙度的對照物相比，非均勻孔徑和低孔隙分布會導致多孔介質的晶格熱導率顯著降低。此外，對垂直排列的碳納米管陣列的研究顯示出不均勻直徑和長度的分布會誘導聲子散射概率增加及不匹配，能有效降低熱導率。從微觀角度來看，多孔陶瓷材料結構可以簡化為三維立方細胞晶格，微晶界面間的導熱系數會對整體的熱傳輸起主導作用。通過實驗可以進一步證實界面導熱系數較高的青銅顆粒會顯著提高燒結多孔青銅材料的導熱性。不均勻的孔徑會大幅限制材料系統中的熱傳遞，因此相關研究人員正努力揭示孔徑不均勻性對熱量傳輸產生影響的機制，并設計導熱系數較低的通用多孔材料。
【成果簡介】
北京科技大學邱琳副教授（第一作者），馮妍卉教授（通訊作者）團隊研究了不均勻孔徑對多孔絕熱材料的影響，在Applied Thermal Engineering上發表了題為“Inhomogeneity in pore size appreciably lowering thermal conductivity for porous thermal insulator ”的文章。
展開 .: 空間不均勻性作為結構特性表征金屬玻璃的結構-性能相關性
【引言】
晶態材料的力學性能可以通過引入溶質原子、位錯、孿晶和晶界等晶體缺陷，用固溶強化、Taylor應變強化和Hall-Petch晶界強化模型來定量描述。然而對于無序的金屬玻璃，還缺乏可以準確定義材料力學性能的結構參量。
【成果簡介】
為描述結構無周期性的金屬玻璃的力學行為，自由體積（free volume）、流變單元、以及剪切轉變區域（STZs）等概念已被引入金屬玻璃彈性-塑性轉變的研究中，來描述結構不穩定性。盡管流變單元和STZ理論是基于金屬玻璃結構不均勻性是剪切局域化及剪切軟化起源的假設，有關金屬玻璃結構不均勻性和宏觀力學性能之間的關系仍未明確建立起來。受實驗技術的限制，還未能描述金屬玻璃空間不均勻性，并確定其和宏觀力學性能之間本征關聯的定量關系。
近日，上海交通大學尖端物質結構研究中心團隊在Nature Communications上發表了題為“Spatial heterogeneity as the structure feature for structure–property relationship of metallic glasses”的文章。該工作報道了納米尺度空間不均勻性是金屬玻璃固有的結構特征，和強度及形變行為有著本征關聯。金屬玻璃的強度和楊氏模量可以通過空間不均勻性特征長度倒數的平方根來定義。此外，時間相關的應變弛豫的拉伸指數也可以通過特征長度來定量描述。該研究有力證明了空間不均勻性可作為描繪金屬玻璃力學性能的結構參量。
展開 看3D打印如何實現不均勻材料分布的散熱結構？
已經使用諸如擠壓、機加工與壓鑄的制造方法來制造傳統的縱向翅片設計，然而這些技術并不適合用來制造更加復雜的散熱器設計，而更加復雜的結構設計可以改進散熱器的性能。 3D打印在制造復雜的散熱器方面打開了廣闊的前景。
或不均勻或梯度
根據3D科學谷的市場研究，國內在3D打印用于集成電路的散熱系統方面進行了積極的探索。通過3D打印的散熱結構可以是不均勻材料密度分布的復雜結構，散熱結構可以是點陣結構，柵格或格架，還可以是突出或延伸的翅片。可以利用選擇性激光熔融3D打印增材制造技術來制造金屬結構，散熱器可以由鋁、銅、氮化鋁(AIN)、陶瓷或含有石墨、石墨烯或碳納米管的合成物而制成。
根據3D科學谷的市場觀察，在變梯度分形點陣夾芯強化相變熱沉方面，西南電子技術研究所（中國電子科技集團公司第十研究所）開發了一種技術方案予以實現：強化傳熱結構按陣列分布在相變熱沉殼體中，每個變梯度分形點陣夾芯單元按相變熱沉熱傳遞與熱交換特性，以變梯度V結構作為第一級強化傳熱結構，并以此為基礎，在第一級強化傳熱結構的變梯度V形端，以形狀相同的變梯度V結構逐級遞增形成多級強化傳熱結構，各級強化傳熱結構比表面積依次呈倍數增加，其中，第一級強化傳熱結構可將熱量快速強化傳導至遠離熱擴散底板的區域，第二級強化傳熱結構、第三級強化傳熱結構將熱量快速擴散至遠離熱擴散底板的相變材料完成熱交換。
航空、航天領域的結構熱控設計對熱沉的質量、體積與環境適應性有極高要求，使用相變材料(PCM，Phase Change Materials)作為熱沉相較于傳統的質量熱沉其效率高出一個數量級，隨著大規模集成電路和功率電子器件的日益普遍應用而得到廣泛的應用。
展開 哈工大邵路教授團隊Materials Today：特異不對稱性和功能性的多孔Janus材料
Janus材料是根據古羅馬神話中的雙面神Janus命名的，兩面具有不對稱的性質，包括潤濕性、電荷、孔徑或結構、熱/電導率、化學活性等。自然界中的Janus材料，比如荷葉，具有典型的不對稱潤濕性，它的上表面的是超疏水的，下表面是親水/水下超疏油的，使其在空氣中具有自清潔性，在水中具有防油污染的特性。多孔的Janus材料憑借不對稱性質的協同或獨立效應在液體、離子或氣泡的定向運輸以及材料的多功能集成中展現出巨大的潛力，使霧收集、個人濕熱和健康管理、能量轉換、水凈化、傳感器設備和生物醫學應用等多個領域取得極大進展，引起人們的廣泛關注。
近日，哈爾濱工業大學、英國皇家化學會會士邵路教授團隊與美國阿貢國家實驗室Seth B. Darling團隊合作在頂級期刊Materials Today（影響因子31.04）上發表了題為“Porous Janus materials with unique asymmetries and functionality”的綜述，主要總結了近年來多孔Janus材料的相關研究進展，重點介紹了多孔Janus材料的制備策略、協同/獨立工作機制以及新興的先進應用。最后，提出了多孔Janus材料研究面臨的挑戰以及對未來發展進行了展望。
多孔Janus材料的各種不對稱性及其應用
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702121002248?via%3Dihub
展開 
新論文 | 顆粒材料不確定性量化的隨機離散元方法
變異系數)
剪切應力
和
應力比
在不同應變狀態下的概率分布：
孔隙比
隨應變的概率密度演化特征：
孔隙比和
力學孔隙比在不同應變狀態下的概率分布：
配位數
隨應變的概率密度演化特征：
配位數
和
力學配位數
在不
同
應變狀態下的概率分布：
關鍵力學響應的隨機性評價：
結論
作為一個在顆粒材料力學行為研究領域的探索者，我們在這次的研究中，提出了一種新的研究方法—隨機離散元方法 (Stochastic Discrete Element Method)。這個方法是針對顆粒材料隨機力學行為的一種全新的量化與評價框架。我們首先對實驗過程中觀測到的參數不確定性進行了深入的表征，進一步通過概率密度演化方法，對顆粒材料的不確定性傳播進行了定量分析。此處的不確定性傳播，受制于系統物理機制的驅動，我們采用了詳盡的離散元分析方法求解相關物理方程。我們的研究目標是確認哪些力學行為的隨機性可以在力學建模中暫時忽略，哪些必須得到適當的考慮。因此，本研究的結果將為顆粒材料力學行為以及進一步的工程計算提供有價值的參考。
關于研究的結論，我們有以下幾點要強調：
1. 在分析顆粒材料中顆粒間摩擦系數時，概率分布的考慮至關重要。因此，本研究強調，在數值建模研究中，單一值的使用可能會導致結果偏離真實情況。
2. 不確定性對土體力學行為的影響，與剪切狀態和特定土體參數密切相關。在大應變宏觀尺度行為和非活動顆粒比例方面，存在較大的不確定性。
3. 本研究提出，使用隨機離散元方法和統計方法評估關鍵巖土參數是必要的，這將為了解土體力學行為的全概率特性提供了有力的工具。
展開 隨機有限元模型（賦予不同單元隨機材料屬性腳本） ￥20
基于概率理論和有限元數值模擬技術，在ABAQUS平臺上編制PYTHON材料隨機模擬程序，建立了考慮鑄鋼材料不均勻性的隨機有限元模型，分析了鑄鋼材料不均勻性對索鞍極限承載力的影響規律。
材料屬性采用PYTHON的NUMPY數據庫隨機產生，各單元的彈性模量E和屈服強度fy的參數服從正態分布。
單元所采用的彈性模量的概率分布圖和屈服強度的概率分布圖如下圖所示：
生成的隨機模型如下圖所示：
尋求不可替代性—碳纖維復合材料在汽車中應用的突破之路
四、如何實現碳纖維的不可替代性
碳纖維的特性決定了其在汽車領域具有很好的商業應用前景，但目前的價格也決定需要將碳纖維復合材料用在“刀刃”上，即要體現碳纖維在汽車上應用的不可替代性，同時逐步提升技術，降低成本。而要實現這種不可替代性，就要實現創新性設計。一種方式是體現功能、結構上的特殊性，另外就是工藝上的先進性，這樣就可能實現碳纖維在汽車上功能性的不可替代性，或者綜合成本上的不可替代性。這需要從事復合材料及制品開發及汽車設計、制造的人員互通信息、深入合作，揚長避短，找到適合的材料及工藝，達到共贏。相關的政策、設備、配套的材料等也需要跟上。
碳纖維布https://www.hongyantu.com/index.php?r=new%2Fview&id=2891
展開 制造業的一道硬菜：圓度
5~15 UPR分量
通常表示加工方法或生產工件的過程中的不平衡因素。
15(更多） UPR分量
15（或更多）UPR條件通常由工具顫振，機器振動，冷卻劑輸送效應，材料不均勻性等自身原因引起的。
評價圓度的主要參數
參數
含義
RONt
圓度測量值，表示正圓度曲線的最大值和負圓度曲線的最小值的差或者絕對值的和
RONp
圓度曲線波峰高度測量值，表示正圓度曲線的最大值
RONv
圓度測量值 ，表示負圓度曲線的最小值的絕對值
RONq
二乘均平方根圓度測量值，表示圓度曲線的二乘均平方根
以上僅摘自LSCI“”
最后，讓我們一起看看都有哪些測量圓度的工具和儀器呢？
評價圓度的常用工具/儀器
千分尺：
圓度測量儀：
三坐標測量機：
篇幅有限，未盡事宜，歡迎各位留言指摘。
來源：Mitutoyo三豐量儀量具
展開 劉錦川院士又發《Science》！另辟蹊徑，實現3D打印超級鈦合金
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3770
值得一提的是，今年9月17日來自美國加州大學伯克利分校、北京航空航天大學等單位的研究者在鈦合金領域也取得重要進展，在純Ti中通過低溫力學過程，構建多層次納米孿晶結構，顯著提高了其抗拉強度和延展性。純鈦達到了接近2GPa的極限拉伸強度和77K下接近100%的真實失效應變，這篇文章登上了同期《Science》的封面。（登頂《Science》正刊封面！2GPa超高強度塑性納米孿晶鈦）
3D打印，也稱為增材制造，往往被看做是一種單純的直接成型技術。然而很少有人會想到，3D打印過程中所蘊含的獨特的物理過程在合金設計中同樣可以發揮意想不到的優勢。
在此，來自香港城市大學的張天隆博士在國際著名材料科學家劉錦川院士的指導下，創造性地提出了一種違反直覺的3D打印策略，即通過精心調控熔池中不同粉末的混合程度，設計出一種前所未見的微米級成分梯度結構，從而形成熔巖狀組織并由此帶來優異的力學性能。
通常而言金屬材料中的成分不均勻性往往被看做材料內部的重大缺陷，是研究人員一直所努力避免的。然而，材料的成分不均勻性卻很少被積極地利用起來作為有效的合金設計方法。一方面，這是由于人們對成分不均勻性的積極作用缺乏足夠的認識；另一方面，也是因為傳統的鑄造、鍛造等方法往往無法對材料內部的成分波動實現人為有效的調控。
增材制造過程中所固有的金屬粉末快速融化和凝固過程，以及超快的冷卻速度，為研究人員提供了這樣一種有效調控成分波動的手段。基于這種全新的思路，研究人員嘗試在3D打印過程中采用兩種常見合金粉末（Ti64和316L不銹鋼）進行混合打印。
展開 鋼筋混凝土的測試樣品往往太小
據研究人員介紹，這種差異可能是因為混凝土作為復合材料的不均勻性所導致的。他們解釋說，工程結構中的鋼筋混凝土界面可能會顯示出在某些局部特性上具有不同的差異，這些特性主要是起因于局部存混凝土裂縫、蜂巢、不同來源的空洞、間距器、連接線、密件、原生鐵銹層和鋼表面污染物等引起的。這些特性中的許多都被認為是混凝土中的薄弱環節，而且會引發腐蝕，比如會引起工廠腐蝕的空氣孔洞或裂縫。
“混凝土不是同質的”，Angst說道：“腐蝕的尺寸效應可以直接由這些差異來解釋。只有對一個較大的標本進行分析，比如一米長，才能對腐蝕情況進行更為全面的評估”。
但是，這些較大的樣品并不總是非常容易提取或帶到實驗室。因此，這些研究人員建議使用數學公式來解釋規模差異，而不是簡單地堅持使用0.4％這一固定閾值。
例如，如果一個1000毫米（1米）的樣本不能被提取，他們建議采取組合較小的樣本以達到相同的尺寸，比如10個尺寸為100毫米的樣本。然后，可以使用10個較小試樣中最小值處的腐蝕開始時的氯離子濃度作為計算的基礎。研究人員將這稱為“最薄弱環節理論”。
“最終，將最薄弱環節理論應用于混凝土中氯化物引起的腐蝕現象可能有助于將實驗室結果成功轉化以及應用與工程結構上”，他們寫道。
研究結果與所用傳感器有關
研究人員解釋說，他們的發現也與所使用的傳感器有關，這些傳感器一般內置在鋼筋混凝土結構中以監測腐蝕現象。通常情況下，采用傳感器的方法是基于嵌入在混凝土覆蓋層深處的碳鋼樣本之上，監測這些樣品直到在一定深度的探頭處發生腐蝕。然而，據這些教授所說，實際使用的大多數探頭的表面積范圍從100平方毫米至5000平方毫米左右。因此，傳感器尺寸包含的表面積小于他們研究后推薦的1米尺寸。根據研究人員的說法，這可以通過增加給定深度處的傳感器數量或通過應用所需尺寸轉換的最薄弱環節理論來抵消。
展開 航空發動機輪盤振動特性解析
傘型振動又稱節圓振動，這種振動形式對稱于盤的中心，沿著輪盤的徑向盤面，在不同直徑上呈現質點不動的一個或者數個節圓，節圓上質點的振幅等于0。葉輪上各質點均作同相位振動，同一半徑上各點振幅都一樣，半徑越大，振幅越大。
這樣的振動伴隨著軸向激振而產生，并且沿著盤周線上產生軸向力。如果盤裝在軸上，會在軸上出現一個縱向力，如果是沿盤的外緣安裝，則沿軸向分布而給出一個平行于軸線的合力，在這兩種情況下，盤和支撐系統通過軸向力而相互作用。
傘型振動有許多振型，每個振型對應于一種節圓。一般情況下，節圓數比振型階數少1。特殊情況下是m=n=0，既無節徑，也無節圓。
2. 反對稱振動
這種振動只在盤上形成一個節徑，并可能形成幾個節圓。當安裝邊繞徑向軸線轉動時，會出現這種振動。比如當軸彎曲振動時，裝在軸上的輪盤將產生帶一個節徑的彎曲振動，這是由于盤的安裝部分做角向擺動的結果。作反對稱振動時，其動力不是自相平衡的，在盤和支撐系統之間，不可避免地會有互相作用的力矩。由此可見，在分析軸-盤-葉片耦合彎曲振動時，盤的振動也僅考慮此種振動形式。
3. 扇形振動
這種振動在盤上形成幾個節徑，同時有若干節圓，這種振型變化是最多的。不管變化有多大，所有扇形振動有一個共同的性質——它們的振動是動力自相平衡的，也就是所謂慣性力和力矩合力等于零。因而，扇形振動不會產生軸向力或彎矩作用在支撐上。
扇形振型很容易激振起來，在經常出現的不對稱軸線的作用力、盤的約束條件、軸向分布的結構元素，以及由于盤材料的不均勻性的作用，都會產生扇形振型。
展開 
仿真干貨丨航空發動機輪盤振動特性分析
傘型振動又稱節圓振動，這種振動形式對稱于盤的中心，沿著輪盤的徑向盤面，在不同直徑上呈現質點不動的一個或者數個節圓，節圓上質點的振幅等于0。葉輪上各質點均作同相位振動，同一半徑上各點振幅都一樣，半徑越大，振幅越大。
這樣的振動伴隨著軸向激振而產生，并且沿著盤周線上產生軸向力。如果盤裝在軸上，會在軸上出現一個縱向力，如果是沿盤的外緣安裝，則沿軸向分布而給出一個平行于軸線的合力，在這兩種情況下，盤和支撐系統通過軸向力而相互作用。
傘型振動有許多振型，每個振型對應于一種節圓。一般情況下，節圓數比振型階數少1。特殊情況下是m=n=0，既無節徑，也無節圓。
2. 反對稱振動
這種振動只在盤上形成一個節徑，并可能形成幾個節圓。當安裝邊繞徑向軸線轉動時，會出現這種振動。比如當軸彎曲振動時，裝在軸上的輪盤將產生帶一個節徑的彎曲振動，這是由于盤的安裝部分做角向擺動的結果。作反對稱振動時，其動力不是自相平衡的，在盤和支撐系統之間，不可避免地會有互相作用的力矩。由此可見，在分析軸-盤-葉片耦合彎曲振動時，盤的振動也僅考慮此種振動形式。
3. 扇形振動
這種振動在盤上形成幾個節徑，同時有若干節圓，這種振型變化是最多的。不管變化有多大，所有扇形振動有一個共同的性質——它們的振動是動力自相平衡的，也就是所謂慣性力和力矩合力等于零。因而，扇形振動不會產生軸向力或彎矩作用在支撐上。
扇形振型很容易激振起來，在經常出現的不對稱軸線的作用力、盤的約束條件、軸向分布的結構元素，以及由于盤材料的不均勻性的作用，都會產生扇形振型。
展開 從材料特性到實操技巧 | 在纖維增強塑料上安裝應變片
這取決于測試應用：
我們建議使用Y系列（最大5%應變）進行靜態、高應變和試片試驗
我們建議使用M系列（最大1%應變）進行交變載荷試驗
我們建議對復合材料使用預接線 Y 系列應變片 ，因為復合材料對典型焊接溫度具有臨界響應。大部分復合材料應變片均備有庫存。
單直片通常用于結構和樣品測試
T 型應變花用于確定泊松比
也可使用3柵應變花; 但是，僅建議使用均勻材料來確定主應變和應力方向
選擇測量柵絲長度
應變片測量表面下的所有應變值，然后求出平均應變。正確的測量柵絲長度取決于測試件。柵絲長度 6mm 和 10mm 是復合材料應變測量的常用解決方案。原則上，選擇應變片的規則與混凝土相同：應變片長度應至少超過纖維間隔的5倍。應變片的寬度也應覆蓋多根纖維。
由于材料的不均勻性，可能出現局部應變峰值。在這種情況下，鏈式應變片可用于確定應變梯度。通常，纖維之間的應力峰值是平均應變的倍數。因此，應變片可能在某些點過載，超過其最大伸長率，盡管放大器顯示出更小的應變。因此，應變片有可能在個別點過載（永久損壞）或導致整個裝置故障。通過在應變片和工件之間插入一層聚酰亞胺薄膜可以消除這個問題。薄膜被粘在元件和應變片之間并進行初步整合，也就是“平均化”應變柵絲的應力峰值。 但只有在預期高應變的情況下才應使用薄膜。
應變片電阻
HBK建議在緩慢冷卻材料上使用1000 歐姆應變片。也可以選擇使用 350歐姆應變片。但是，建議檢查應變片或復合材料是否存在不允許的溫升。
激勵電壓
每個應變片上的電壓都會轉換成熱量。纖維復合材料是導電性差的材料，因此發熱量更大。為了保證測量的穩定性，熱流Q必須與外加功率P相對應。
展開 仿真技術在生物醫學領域的應用
有限元分析在脊柱腰椎段的應用，也覆蓋了生理負載及外來負載下腰椎各部分應力分布，手術內固定及人工假體，脊柱內固定對鄰近脊柱結構影響，骨質疏松椎體壓縮性骨折，以及肌肉和韌帶在有限元模型中的應用等多個方面，有力促進了脊柱動力學(載荷下的脊柱運動)、運動學(椎體間運動)和脊椎及椎間盤內部的應力應變等各種研究。
圖 | 人工假肢結構仿真分析
關節有限元分析人體關節尤其是大腿骨兩端的髖關節以及膝關節，一直以來也是病癥多發部位，應用CAE技術模擬人體關節力學結構是一種有效的方法。上肢的肘關節、腕關節的研究常常與骨折以及其他骨骼創傷性疾病的應力分析聯系在一起。
而在髖關節方面，有限元分析較為廣泛地應用于全髖關節置換的研究，分析全髖關節置換術前術后髖關節應力的分布情況，而且還可對骨水泥殘余應力的細致分析和假體設計進行研究。對于膝關節分析來說，建立一個完整的三維有限元計算模型，不僅可以了解各部位的應力分布和工作原理，還有助于人工膝關節置換的合理設計。
C：足部仿真分析
當CAE技術應用于足部生物力學研究時，復雜的骨胳幾何結構、邊界條件和材料的不均勻性等問題便找到了可能的解決途徑，人們也嘗試對足部骨骼、軟組織等結構內部的應力傳遞機理進行力學解釋。
展開 ABAQUS用戶子程序USDFLD應用實例
1.后處理
四、小結
在本案例中，利用ABAQUS軟件的USDFLD接口進行Fortran程序編寫，實現了材料本構模型參數隨著模壓過程中相對密度的變化而變化，從而在時間和空間兩個維度上描述了材料屬性的不均勻性（譬如，彈性模量在空間上的非均勻分布和在時間上的持續演化），極大的拓展了ABAQUS軟件的使用范圍。
