高性能結構材料設計的案例
塑膠材料篇：高分子的結構，影響著材料的諸多性能
塑膠材料的種類繁多，性能各異，雖然常用的材料還不算太多，但是有些材料性能差異很大，有些則比較相似，如果我們光靠記憶各材料的性能來熟悉材料，顯然是比較低效的，特別是一些你不常使用的材料，即使當時你能記住它具體性能用途，但是估計也會很快忘記。所以，這個時候，理論、原理性的知識就顯得尤為重要，以下內容實際上在上學時我們都學過，只是當時很難去理解，現在回過頭來看，其實還是有些收獲的。
高分子鏈的結構，其實影響著高分子塑膠材料很多性能，如強度、剛度、沖擊強度等物理性能，有些材料分子結構式非常相似，但性能卻各異，比如這三種材料：PE、PS、PVC。
本文為啥把它們三放在一起舉例介紹呢，主要是他們名字太相似了，咋一看，一字之差，實際上它們的性能差別很大，它們都為五大通用塑膠之一，產量大，價格便宜，廣泛應用于日常產品上。
PE，學名稱為“聚乙烯”，是指由乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PS，學名稱為“聚苯乙烯”，是指由苯乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PVC，學名稱為“聚氯乙烯”，是指由氯乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PE、PS和PVC的單體化學結構式如下，可以看出，結構式的主要區別是，PS中苯環取代了PE（聚乙烯）中的一個氫原子，而PVC中氯原子取代了PE（聚乙烯）中的一個氫原子。
所以也統稱聚乙烯類塑膠，其中把苯環、CI等稱為取代基（R），它們的聚合反應如下：
由于分子結構的不同，所表現出來的性能也會不同，從上面的結構式可以看出，PE的分子結構具有對稱性，而PS和PVC分子結構不對稱。
那么對稱或不對稱的分子鏈結構對聚合物的性能有什么影響呢？
展開 青島大學《JMST》封面：復合材料設計實現高性能電磁波吸收性能！
DOI：10.1016/j.jmst.2021.01.073
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對復合材料的組分進行合理設計是實現高性能電磁波吸收性能的有效途徑。
鋼筋混凝土結構設計: 第一章(概念及材料性能)
《公路橋規》規定公路橋梁鋼筋混凝土結構使用的熱軋鋼筋牌號為HPB300、HRB400、HBRF400、RRB400和HRB500。當鋼筋混凝土構件處于受侵蝕物質等影響的環境中時，《公路橋規》建議可以采用環氧樹脂涂層鋼筋。
相關參考:
鋼筋混凝土結構的基本概念及材料的物理力學性能(1)
鋼筋混凝土結構的基本概念及材料的物理力學性能(2)
混凝土的抗拉強度(Tensile Strength of Concrete)
中科院金屬所Nature Materials：高性能柔性層狀結構的熱電材料
該設計想法與制造方法可以應用于一系列層狀結構的熱電材料，包括Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3等，而且n型和p型熱電材料也可以用這種方法制備。這種高性能柔性熱電材料將在柔性電子和能量轉換方面展現出極大的吸引力，該工作為將層狀結構的無機材料與一維SWCNT相結合，從而設計和制備高性能柔性熱電材料和實際應用開辟了一條新的路徑。
文獻連接：Flexible layer-structured Bi2Te3 thermoelectric on a carbon nanotube scaffold（Nature Materials, 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0217-z）
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3D打印點陣結構：材料疲勞容限設計與制造的力學性能綜述
近日，來自挪威科技大學和意大利特倫托大學的研究學者發表頂刊綜述文章，討論了迄今為止在改善金屬3D打印點陣結構疲勞性能方面的進展，為全面理解晶格結構中的關鍵特征做出了貢獻，填補了疲勞如何嚴重降低整體結構完整性的空白。
先進制造工藝的快速發展使超材料晶格結構的制造成為可能。這些輕量化、高性能的結構已迅速在幾個主要工業領域獲得應用，其全面使用只是時間問題。加速這一應用就必須對其相關參數有一個清晰的了解，并開發先進的方法來評估其機械性能及其在不同載荷條件下的失效機制。
事實上，晶格結構的性能深受工藝缺陷的影響。很多人只看到它具有輕量化、剛度和強度等綜合性能，但對疲勞性能卻關注甚少。疲勞始終是絕大多數關鍵結構材料的主要退化機制，尤其是在高溫（蠕變疲勞）或不利環境（腐蝕疲勞）下。與剛度和強度的整體特性不同，過早疲勞失效是由局部因素驅動的，如缺陷、微觀結構、表面粗糙度等。
展開 寧波材料所在國產高強高模碳纖維結構性能關聯性研究領域取得進展
高強高模碳纖維具有高比模量、熱膨脹系數小、尺寸穩定等系列優點，是衛星和航天器的主體結構、功能結構和防護結構等不可替代的關鍵材料。中國科學院寧波材料所特種纖維事業部長期致力于國產高性能碳纖維技術研發，于2016年2月、2018年3月相繼實現國產M55J、M60J高強高模碳纖維制備技術突破。
圖1 國產M55J高模碳纖維與東麗M55J纖維截面形貌對比
在國產高強高模碳纖維系列化制備技術基礎上，特種纖維事業部針對國產M55J級高強高模碳纖維微觀結構-宏觀性能關聯性等領域基礎科學問題開展了深入研究，通過纖維截面形貌研究發現，國產M55J高模碳纖維截面呈規則圓形，而東麗M55J碳纖維呈腰形（圖1），進一步通過高溫石墨化過程中纖維石墨特征結構演變機理研究發現，高模碳纖維拉伸模量與Raman光譜中無序結構D峰、石墨特征結構G峰的半高寬存在一定函數關系，D峰、G峰半高寬值越小，纖維拉伸模量越高；同時，國產M55J碳纖維拉伸強度高達4.86GPa，顯著高于東麗M55J碳纖維的4.02GPa，結合該性能差異針對其微觀結構研究發現，石墨微晶層間距和微晶取向是影響高模碳纖維拉伸強度關鍵因素，國產M55J高模碳纖維與東麗M55J碳纖維石墨微晶層間距相同，但國產M55J高模碳纖維具有更高石墨微晶取向（圖2），說明高取向石墨微晶結構有利于高模碳纖維拉伸強度的提高。該系列研究成果發表在Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2018, 112:111-118；Journal of Raman Spectroscopy，2019，doi.org/10.1002/jrs.5569等期刊上。
展開 這是一款專為現代運動型或高性能車輛設計的高性能輪轂 ￥5
這是一款專為現代運動型或高性能車輛設計的高性能輪轂。該模型采用輕質而堅固的多輻合金結構，并針對強度、耐用性和美觀性進行了優化。
我將此模型分享給其他學生和希望練習汽車設計技巧的 SolidWorks 學習者，作為學習資源。
來源：learnsolidworks
馬普所材料頂刊（IF31.041）：一種全新合金設計理念！實現兼具超強高韌、高熱穩定性合金
高性能結構材料的設計一直致力于追求卓越的力學強度、延展性和熱穩定性，然而這些性能通常難以兼得。雖然晶體-非晶復合合金通常具備比非晶態合金更高的延展性，但是晶體-非晶界面容易促進異質形核，不利于晶體-非晶復合合金的熱穩定性。
針對以上難點，來自德國馬克斯普朗克鋼鐵研究所（馬普所）等單位的研究人員通過熱力學理論指導，提出了一種全新的合金設計理念，成功開發出兼具高熱穩定性、超強以及可塑性的晶體-非晶納米復合合金。這一合金設計理念模仿了自然界共生系統的穩定機制，因此這種合金被稱之為“共生合金”。相關工作近期發表于材料研究領域頂級期刊Materials Today（影響因子：31.041）。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.10.025
通過設計制備Cr-Co-Ni（晶體相，18nm厚）/Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni（非晶相，12nm厚）納米片層結構合金，實現了這種共生合金設計理念。研究發現，加熱或力學加載可促進Ni、Co從Cr-Co-Ni晶體相向Ti-Zr-Nb-Hf-Cr-Co-Ni非晶相的遷移。這一行為可以動態提升非晶相的負混合焓，從而動態穩定其非晶結構。因此，該共生合金的晶化溫度（TX>973K）比初始TiZrNbHf基非晶相提高了200K。另外，加熱或力學加載可促進Cr-Co-Ni晶體相發生HCP到FCC相變，使得其具備優異的延展性。這一共生合金在室溫下具備3.6GPa的超高壓縮屈服強度以及15%的均勻塑性應變，這一綜合力學性能優于傳統的非晶合金以及納米片層合金。
展開 《Nature Commun》：高性能輕量化高熵合金的高通量設計
在這類材料的開發中，關鍵的目標導向的設計策略是先決條件，包括廉價的原材料，低密度，高熔點(Tm)，良好的抗氧化性，大的蠕變抗力，高強度和可接受的延展性等等。因此，合理地選擇化學成分，考慮這些必要因素是非常重要的。研究者此前的工作發現了Al-Cr-Fe-Mn-Ti體系中潛在的L21沉淀強化輕量化HEAs (LWHEAs)，而脆性C14 Laves相的形成，由于C14 Laves相與BCC基相的晶體結構和熱膨脹系數的不同，使C14 Laves相的裂紋傾向增大，使其性能惡化。因此，探索合適的化學成分而不形成有害的金屬間相是開發所需材料的關鍵。然而，巨大的構圖空間為有效篩選合適的構圖提出了巨大的挑戰。
實驗試錯的方法顯然是不合適的，因為在巨大的成分空間中實驗篩選合適的合金是非常昂貴且費時的
。這種趨勢甚至適用于五元體系，更不用說高階(n≥5)多組分體系，如Al-Cr-Fe-Mn-Ti體系。幸運的是，理論上，高效的計算篩選方法和工具的發展，可以加快發現有前途的HEAs的步伐。
在此，研究者利用基于CALPHAD的高通量計算工具，有效地探索Al-Cr-Fe-Mn-Ti體系，發現了新型沉淀強化HEAs。通過高通量篩選，從數千種初始成分中發現了析出強化輕量高熵合金，在室溫和高溫下，與其他同類合金相比，其強度增強。對其強化機制和有序-無序轉變的成功案例和失敗案例的實驗和理論理解，進一步提高了所發現的合金系統熱力學數據庫的準確性。該研究表明，將高通量篩選、多尺度建模和實驗驗證相結合，可以有效地促進由高熵合金概念調整的先進沉淀強化結構材料的發現。
圖1 Al-Cr-Fe-Mn-Ti體系中最佳合金成分的高通量篩選。
圖2 發現了的LWHEAs微觀結構信息。
展開 材料 | Alfa Chemistry推出高性能OLED和PLED材料
CINNO Research產業資訊，阿爾法化學(Alfa Chemistry)一直在開發適用于共軛聚合物基半導體和電子產品的有機材料。最近，該公司宣布了一項令人振奮的消息，即推出一系列高性能OLED和PLED材料，且這些材料目前都已面向市場。
Alfa Chemistry新推出的OLED和PLED材料具體包括電荷傳輸層和光敏材料、電子傳輸層和空穴阻擋層材料、空穴注入層材料、空穴傳輸層材料、主體材料、發光材料和摻雜劑、發光聚合物、熱激活延遲熒光摻雜和發光材料等。
“聚合物發光器件因其在下一代顯示器和光源方面的應用潛力而引起了市場廣泛的興趣，” Alfa Chemistry的營銷主管說道，“我們目前推出的OLED和PLED材料具有更高的發光效率和更長的器件壽命，有助于加速高分辨率噴墨打印技術的大規模生產。”
不過需要注意的是，這些材料的最終性能表現還和實際的產品結構方案有著根本關系。因此，Alfa Chemistry從未停止升級和完善其材料開發周期。目前，以下類型的OLED和PLED材料可從Alfa Chemistry購買到：
發光聚合物
Alfa Chemistry目前提供的各種發光聚合物材料，包括：含氮聚合物、聚(芴亞乙基)聚合物、聚(亞苯基亞乙基)聚合物、聚芴聚合物和共聚物、聚芴-亞乙烯基共聚物、聚亞苯基亞乙烯基聚合物和共聚物、聚噻吩聚合物和共聚物，以及水溶性LEP。
展開 貴州大學謝蘭教授團隊：高導熱的高性能電磁屏蔽材料
圖片來源詳見論文（A部分：Chemical Engineering Journal, 2020, 383, 123072（高被引論文）; B部分: ACS Sustainable Chemistry &Engineering, 2020, 8, 4427; C部分：Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8, 14506.）
為了提高聚合物導熱性能，謝蘭教授團隊前期利用強剪切流動場與層層自組裝技術，從多維填料協同、多元異質結構設計（圖1B/C）及填料多尺度構建（圖1C）等方面搭建有序層狀網絡結構，研究了生物質基復合材料“結構-界面熱阻-導熱性能”的關系（圖1），最終實現生物質基復合材料的強韌性及其高導熱性能。
圖2. 高導熱的NFC/Fe3O4＆CNT/PEO薄膜的電磁屏蔽效果展示及其機理示意圖。
基于前期研究工作，謝蘭教授團隊進一步采用“交替多層”設計思路構建了包含納米纖維素/四氧化三鐵（NFC/Fe3O4）層和碳納米管/聚環氧乙烷（CNT/PEO）層的交替多層薄膜。其復合膜展現了優異的電導率、導熱系數以及出色的電磁屏蔽效能（EMI SE）。NFC/Fe3O4＆CNT/PEO柔性薄膜同時具有出色的EMI SE和導熱系數，在通信行業，便攜式電子設備和機器人關節中具有潛在的應用前景。
圖3.復合材料的導熱與電磁屏蔽性能。
本研究成果第一作者為貴州大學材料與冶金學院2018級碩士研究生李毅，通訊作者是薛白博士和謝蘭教授。
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一種高性能超低溫材料：高熵合金
CIENCE CHINA Materials 近期在線發表的一篇論文深入研究了CoCrFeNi高熵合金的超低溫服役行為，發現液氦環境下孿晶主導的變形機制引發了鋸齒流變行為，變形孿晶和相變行為的共同作用導致了其優異的力學性能。
超低溫材料在深空探測、應用超導和氣體工業領域有諸多應用。隨著聚變反應堆領域和空間技術的進步，針對高性能低溫材料的需求越來越迫切。高熵合金作為多主元合金（多種合金元素等比例或近似等比例組成）的代名詞，近些年引起研究人員的廣泛關注。由于其合金設計理念的不同，高熵合金被認為具有突破傳統材料諸多性能極限的潛力。
美國國家航空航天局發射的好奇號、洞察號火星探測器和洞察號傳回地球的第一張圖片。（來自pixabay和百度圖片）
聚變反應堆裝置示意圖
該文詳細研究了具有面心立方結構的CoCrFeNi高熵合金的超低溫服役行為，結果顯示該合金在極低溫環境下，能夠保持高強度和極優異的韌性。
CoCrFeNi高熵合金的拉伸應力應變曲線
歸根結底，這些優異的綜合性能源于多組元合金極低的層錯能，使變形孿晶在超低溫環境下大量出現，進而導致材料在極限溫度下保持高強高韌的特點。另外，研究還發現該合金在超低溫環境準靜態拉伸時表現出FCC-HCP相變行為，說明在極低溫且高應力狀態下，HCP結構的CoCrFeNi合金比FCC結構更穩定，加深了我們對高熵合金相穩定性的認識。除此之外，高熵合金在液氦溫區拉伸時出現了鋸齒流變行為，作者認為這種特異性的現象是由孿晶主導的變形機制引起的，且相變行為的出現導致了該鋸齒行為不穩定。
不同金屬材料在4.2 K時的拉伸強度-延伸率圖
以上結果及上圖顯示，與傳統的金屬材料相比，高熵合金在極低溫環境結構材料領域具有很大的工業應用潛力。
展開 武漢理工&廣州大學：高通量計算快速篩選出高性能吸附材料！
PPN材料作為一類有序的多孔有機聚合物，在氣體吸附[10]、催化[11]、傳感[12]等領域具有廣泛的應用價值，由于其具有比表面積高、低成本、重量輕等優點，有望在天然氣酸性氣體脫除應用中發揮重要作用。
然而，由于PPN材料種類繁多，通過傳統試錯型實驗手段難以快速識別出高性能的天然氣脫硫脫碳吸附劑。分子模擬結合機器學習是目前快速篩選天然氣脫硫脫碳目標吸附材料的有效方法，武漢理工大學化學化工與生命科學學院吳選軍副教授與廣州大學化學化工學院蔡衛權教授合作，提出基于巨正則蒙特卡洛（GCMC）模擬結合神經網絡訓練的算法，從17846個虛擬PPN材料中篩選出了能夠同時脫除濕天然氣中CO2和H2S兩種酸性氣體的390種最佳吸附劑，并基于決策樹、隨機森林、梯度提升回歸樹和人工神經網絡等機器學習算法建立了PPN材料脫硫脫碳應用的結構-效能關系與設計原則，提出一種快速識別高性能天然氣脫硫脫碳PPN吸附劑的方法，為進一步實現工業化濕天然氣高效脫硫脫碳奠定了堅實的理論基礎。
展開 哥廷根大學張凱教授課題組《Small》：兼具可調結構色和力學性能的三維中空結構材料
然而，這些技術通常僅限于制備1D/2D結構（纖維或薄膜）。雖然已經證明了3D/4D打印可以獲得兼具復雜結構和有序CNC的潛力，但這種具有復雜結構的三維結構通常具有非連續表面，尤其是在垂直方向上。此外，這些技術中的許多參數會影響CNC在三維成型結構中的排列，例如ink的固有流變性/粘度、剪切速率、噴嘴幾何形狀和凝固劑的選擇。另一個關鍵問題是結構體的力學性能，在含有CNC的三維復合材料中，有序排列的CNC如何發揮作用？是否還有其他影響因素？
圖1 含有CNC的類雙曲面3D結構的制備過程。
近日，德國哥廷根大學張凱教授課題組通過“拉伸-松弛-干燥”動態共價水凝膠的方式制備了具有類似雙曲面的中空三維復雜結構（圖1）。這種方法的特點是CNC在里面是有取向的，且曲面具有連續性：基于機械拉伸和空氣干燥過程，動態水凝膠中的CNC可以單軸排列；除了力學增強之外，還提供額外的光學雙折射現象（圖2）；所獲得的類雙曲面結構參數可由原始水凝膠的形態和機械拉伸的條件控制；類雙曲面結構的表面可以通過空氣干燥過程進一步優化，從而獲得光滑、連續和彎曲的表面。更為重要的是，研究發現這種3D形狀結構的機械性能不僅依賴于CNC的有序排列，而且與結構固有的幾何形狀有很大關系（圖3）。這些結果將為設計和制造具有固定形態、力學性能和功能的先進材料提供新的視角。
圖2 類雙曲面3D結構的光學性質。
展開 鋼結構材料性能（復習）
一、 鋼結構一次拉伸應力-應變曲線
鋼材的主要強度指標和變形性能都是根據標準試件一次拉伸試驗確定的。
1、低碳鋼、低合金鋼的一次拉伸應力-應變曲線
低碳鋼、低合金鋼的鋼材單向拉伸試驗曲線是標準試件在常溫、靜載條件下一次拉伸所表現的性能曲線。
鋼材性能曲線分為以下階段：
1）彈性階段
該階段的力學指標為比例極限σp。應力不超過該值時，應力σ與應變ε的關系符合虎克定律，呈線性關系，卸荷后變形完全恢復。
直線的斜率E為鋼材的彈性模量，在鋼結構設計中，對所有鋼材統一取E=2.06x105N/mm2。
2）彈塑性階段（非線彈性階段）
當超過比例極限σp后，應力σ與應變ε呈非線性關系，一直到屈服點fy。此階段，切線模量Et=dσ/dε，Et隨應力增大而減小。當σ=fy時，Et=0。
3）塑性階段（屈服階段）
σ=fy后，材料到達彈性段頂端，鋼材暫時不能承受更大的荷載，且伴隨產生很大的變形。從曲線上看，材料屈服后，有一段水平段，表示荷載或應力不再增加，但材料的變形或應變還會增加。水平段有微小抖動，包括上屈服點、下屈服點，通常用下屈服點作為屈服強度。
應力超過比例極限σp后，任一點的變形都將包括有彈性變形和塑性變形兩部分，其中的塑性變形在卸載后不再恢復，故稱殘余變形或永久變形。
4）強化階段
屈服階段之后，如果變形或應變持續增加，荷載或應力還會提高，這個階段叫作強化階段。試件能承受的最大拉應力fu為鋼材的抗拉強度。
在強化階段，材料的應力增量與應變增量的比值，表征了在此階段的材料性能，為切線模量。如果將這點與原點連起來，即表征材料的總應力與總應變的比值，叫作割線模量。
5）頸縮階段
到達曲線的頂點fu后，試件會出現局部橫向收縮變形，即頸縮，隨后斷裂。
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