材料科學和力學的案例
復合材料力學介紹—— 基本概念和分類 附復合材料力學文檔下載
引言
復合材料的定義有多種，大體而言，指的是兩種或多種不同性質的材料用物理和化學方法在宏觀尺度上組成具有新性能的材料。
本系列大體上參考《復合材料力學》，沈觀林等著，清華大學出版社。
文章盡量少地牽涉數學公式，以概念和觀點為主，并在最后增加了一些案例，說明復合材料力學是如何進行分析的。
本人在復合材料力學分析的水平和經驗水平有限，希望大家能一起學習討論。
基本概念
復合材料這個概念并不新鮮，人類很早就開始使用復合材料，如古代使用的土坯磚就是由黏土和稻草（或麥稈）組成；此外，我們熟知的鋼筋混凝土、膠合板等，都是復合材料。
復合材料從應用的角度大致可以分為2類：
功能復合材料，如導電、耐高溫燒蝕、磨阻等；
結構復合材料，作為一種結構件，具有高比強度或比剛度，我們這個系列主要討論的就是這類復合材料。
基本分類
結構復合材料由基體材料和增強材料兩部分組成：
基體材料，主要起到連接、固定、傳遞、保護等作用，通常由樹脂、金屬和非金屬；
增強材料，核心作用，提供材料的剛度和強度。
復合材料相比金屬材料，復雜得多，具有很多特點，并且可設計。
展開 ：界面接觸力學與潤滑行為的科學詮釋 - 仿生自適應潤滑調控材料
軟物質濕滑材料在受力剪切條件下通常會發生嚴重的彈性變形，這不僅對滑動界面實現低摩擦狀態不利，而且會引起材料力學疲勞甚至結構破壞，加速磨損的產生。在確保界面高度水化的條件下，如何抵制軟物質材料的彈性變形，實現潤滑、承載和抗磨的統一，對于認識界面接觸力學與潤滑行為的科學關系以及開發仿生智能軟體機器人具有重要意義。
自然界中，很多生物體的軟組織或器官進化出了具有力學模量動態可調控特征的先進機制，可實現界面接觸狀態的動態轉變，以滿足運動過程中對不同界面摩擦/潤滑量級的需求。以鯰魚為例，其表面通常展現出濕滑的特性（親水的天然大分子層），在我們意識里面應該很難抓住它。事實上，在鯰魚處于平靜狀態時，我們仍然能夠很容易地用手抓住它。然而，一旦鯰魚發生掙扎，其將很容易從我們手中掙脫掉；此時，我們會感觸到魚皮表面進入了一種硬化和超滑的狀態；這主要是因為鯰魚受到外界刺激時，肌肉系統應激發生了快速硬化，導致手掌和魚皮表面接觸點大幅度減小，摩擦力顯著降低。
最近，受鯰魚肌肉硬化觸發的潤滑轉變行為啟發，中科院蘭州化學物理研究所周峰/麻拴紅團隊，報告了一種新型的模量自適應潤滑水凝膠材料，該材料由幾十微米厚度的表面聚電解質親水潤滑層（模擬鯰魚濕滑的表皮）和具有熱觸發相變特征的底部水凝膠承載層（模擬鯰魚的肌肉單元）組成。科研人員通過球-盤往復滑動摩擦測試方式驗證了制備材料的智能潤滑調控行為。低溫條件下，材料處于軟質凝膠態（模量：~0.3 MPa），盡管潤滑層處于高度水化狀態，滑動剪切仍然會引起材料的嚴重彈性畸變，此時摩擦對偶與材料表面接觸充分，使得界面摩擦系數較大（μ~0.37）。
展開 Nature綜述：機器學習（ML）—研究分子和材料科學的新型利器
【引言】
薛定諤方程為分子和材料之間提供了強大的結構-性能關系。對于給定的化學元素的空間分布，可以用來描述電子的分布以及廣泛的物理反應。其中，量子力學的發展為化學鍵提供了嚴謹的理論基礎，從而衍生出新的學科——量子化學。計算化學領域在二十一世紀變得越來越具有預測性，其具有廣泛的應用，如用于溫室氣體轉化的催化劑開發、用于捕能和儲能的材料研發以及計算機輔助藥物設計等。現代化學模擬工具包可以在實驗室合成化合物之前就預測出其性質（具有合理的準確度）；高通量計算機篩選已經變成一種常態，使科學家有能力去計算成千上萬種化合物的性質，而這只是作為單項研究的一部分；作為一種可以計算固體結構和行為的成熟技術——密度泛函理論（DFT），也已經能夠開發廣泛的數據庫，其可以涵蓋已知和假設系統的計算屬性，包括有機和無機晶體、單分子和金屬合金等。
當代人工智能方法的出現有可能大大改變和提高計算機在科學與工程領域的作用，大數據與人工智能地完美結合已經被稱為是“科學的第四范式”和“第四次工業革命”，其在化學領域的應用正以驚人的速度增長。近幾年已經得到迅速發展的人工智能子領域當屬機器學習，機器學習的核心在于統計算法，其運行過程與研究人員相似，隨著訓練次數的增多而提高自身能力。這種技術適合解決一些涉及到大型組合空間和非線性過程等復雜問題，而這些問題使用傳統技術有的不能解決，有的需要消耗很高的計算成本才能解決。
展開 科學家發現穩定正極材料的新方法 防止電池降解和安全問題
在化學家們成功合成具有獨立價態梯度的材料后，布魯克海文實驗室的研究人員利用美國能源部位于布魯克海文實驗室的兩個科學辦公室用戶設施——國家同步加速器光源II（NSLS-II）和功能納米材料中心（CFN）來研究其性能。
在超亮X射線光源NSLS-II，研究小組利用兩個尖端實驗站——硬X射線納米探針（HXN）光束線和全場X射線成像（FXI）光束線。通過綜合利用這兩種光束線，研究人員能夠在電池運行多個周期后，以3D方式觀察樣品中的原子級結構和化學組成。
HXN光束線的首席科學家Yong Chu表示：“這兩種光束線都具有世界領先的能力，你無法在其他地方進行這項研究。FXI是全球最快的納米光束，比同類設施要快十倍左右。HXN慢得多，但更敏感，是世界上分辨率最高的X射線成像光束。”
HXN光束線科學家Xiaojing Huang表示：“在HXN，我們通常以多模態模式進行測量，這意味著我們可以同時收集多個信號。在本項研究中，我們利用熒光信號和植物圖譜信號（phytography signal），在納米尺度上重建樣品的3D模型。熒光通道能夠提供元素分布，從而驗證樣品的組成和均勻性。植物圖譜通道提供高分辨率結構信息，可以完整顯示樣品中的微裂縫。”
同時，在FXI，“該光束線顯示，在這種材料中，價態梯度是如何存在的。我們以非常高的數據采集率進行全幀成像，因此能夠研究多個區域，并提升統計可靠性。”
在CFN電子顯微鏡設施，研究人員使用先進的透射電子顯微鏡 （TEM） ，以超高分辨率觀察樣品。與X射線研究相比，TEM只能探測到樣品中很小的一部分區域，因此對整個樣品的統計可靠性較低，但是相關數據也更加詳細直觀。
展開 
科學家開發出一種新的偏振異質結構發光材料！2D材料和0D量子點的“結合”，為未來新型顯示器帶來可能
在最近《光：科學與應用》期刊上發表的一篇新論文中，由中國廣東省中國科學院深圳高級技術研究院的丁寶福領導的一個科學家團隊將一種具有超高刺激敏感度的寬帶隙2D材料與0D的碳量子點（CD）集成。經過驗證，這種合成材料能夠發出高光效和偏振度的藍色熒光。
據介紹，通過這種方案，研究人員合成出首個以0D/2D構型為特征的全無機納米異質結構有機發光材料。此外，基于這種0D/2D納米異質結構發光材料的多功能設備能夠無縫融合光發射、調制和光檢測的功能。
資料來源：Xu HongWei等
圖2. a、集成器件中0D/2D構型復合材料的光學性能示意圖；b、紫外波長范圍內檢測性能的比較分析；c、電場調制（E=6V/mm）下，不同偏振角下發光強度的比較。
構建0D/2D異質結構偏振發光材料的關鍵，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特性能夠無縫協調。為了避免2D材料對0D發光材料激發和發射光之間的潛在吸收猝滅，研究團隊采用了具有寬帶隙和高場靈敏度的鈷摻雜二氧化鈦（CTO）作為基礎色散元件。
通過化學吸附誘導Ti-O-C鍵的形成，該團隊成功合成了CDs/CTO異質結的膠體溶液。這種膠體溶液剛好保留了CTO的光學各向異性特性和CDs的有效藍色發光特性，這也就意味著研究人員成功構建了一款全無機CDs/CTO異質結構的偏振發光材料。
基于上述所開發的異質結構發光材料，研究人員利用光學器件異質結的二向色吸收特性成功實現了360 nm至385 nm范圍內的紫外光的檢測。這其中，CDs的偏振光發射是通過CTO誘導的定向排列實現的，這標志著研究人員基于上述方案成功開發出一種無縫集成調制、發射和檢測的多功能光學控制原型裝置。
該研究成果不僅為偏振發光材料家族引入了一個新成員，還為開發各種異質結構發光材料提供了新的視角和創新的方法。
展開 俄羅斯科學家研制新型復合材料 大幅提高鋰離子電池容量和
盡管有這些優勢，增加電池的容量和提高充電速度仍是亟需解決的問題。
鋰離子電池的物理基體是由多孔聚合物材料分隔開的兩個電極，即陽極（正）和陰極（負）。充電時，電流把鋰離子從陰極移動到陽極，而電池使用時，鋰離子向相反方向移動。當電池電量耗盡時，電極之間鋰離子的移動能力很低，這就是為什么智能手機買了幾個月后，需要比原來更頻繁地充電的原因。
現在，使用石墨烯可以延長電池的壽命。石墨烯是一種獨特的二維材料，因發現該材料在2010年授予了諾貝爾物理學獎，它的比表面積大、導電性和彈性好。石墨烯可廣泛用于各個工業領域，包括儲能設備。
俄科學家研制的復合材料是由兩種異質層（石墨烯和二硫化釩）組成的二維結構，這種薄片的厚度大約為1納米。研究證實，不僅可以把鋰離子限制在該材料的表面上，而且還可以約束在層間的空間里，最終結果導致材料的高比容量。
科學家估計，該復合材料的正極材料容量可達569mAh/g，比現在鋰離子電池最常用于陽極的石墨要高出幾乎一倍。理論計算表明，石墨烯和釩的化合物不僅保證電子轉移的效果好，而且確保了材料的機械強化。
除了容量之外，該復合材料關鍵的特點是鋰離子在材料內部的遷移率高。這就可以快速給電池充電或者給大功率設備供電。此外，離子的高遷移率能夠使電池在低溫下正常工作。
在研究中科學家還發現另一個重要的特征，在材料充填鋰離子后，也能夠在復合材料里保持石墨烯獨特的電子特性。科學家認為，這種效應為控制石墨烯基納米材料的性能提供了新的可能。這項研究得到了俄聯邦教育科學部和俄羅斯基礎研究基金會的資助。
來源：新材料技術前沿
傳播最新最全的材料科學技術，包括金屬材料成形、熱加工、陶瓷冶金，機械加工、粉末冶金、表面處理技術、熱處理、3D打印技術等相關材料科學技術。提供各種材料科學的視頻課程、新技術、專家答疑。
展開 多模式硬X射線顯微成像：超高分辨率（近10 納米）和其在材料科學研究中的應用
【引言】
硬X射線因其良好的穿透性，對元素，化學價態和晶體結構的高敏感性，廣泛用于材料物理化學特性的表征和測量。特別對與掃描顯微成像，并行多模式的成像方式使得不同的信息的空間分布可以同時獲得，因此在很多科學領域具有極大的應用需求。 由于聚焦硬X射線非常困難， 提高其空間分辨率一直是一個巨大的挑戰。特別是到10 納米量級，基本接近現有光學器件的衍射極限。
【成果簡介】
近日，美國布魯克海文國家實驗室國家先進光源II（NSLS-II）的嚴函斐博士（第一作者，通訊作者）及同事，康涅狄格大學Wilson Chiu教授以及克萊門大學Kyle Brinkman教授合作，報道了利用一種特殊的多層膜勞埃鏡（MLL）聚焦硬X射線接近衍射極限，并用不同的方法確認了近10納米的掃描成像分辨率。采用重疊關聯衍射成像中的迭代相位恢復算法（ptychography），分辨率可以進一步提高到10納米以下。利用納米小光斑和光柵掃描，這個小組研究了一種離子電子混合導電膜（廣泛應用于燃料電池和氣體分離技術）并得到了這種材料的在極高分辨率上的熒光，吸收，微分相位和相位圖。前者給出元素分布，后三者給出電子密度，結構和形貌分布。在納米尺度上，觀察到了一個新生成的材料相。這是硬X射線掃描顯微學在近10納米分辨率上的第一個科學應用，并宣告進入10納米時代。相關成果以題為“Multimodal hard x-ray imaging with resolution approaching 10nm for studies in material science” 發表于IOP頂級期刊Nano Futures上。
展開 材料力學中強度和剛度的理解
CAE仿真與數值模擬公眾號已設立交流群， 趕快加入和小伙伴們聊聊吧！加群方法：先加CAE仿真與數值模擬小編為好友（微信號 stokisyd ），發送消息“進群”
很多人對力學中強度和剛度的概念總是混淆，今天就來談一下自己的理解。
前言
書中說為了保證機械系統或者整個結構的正常工作，其中每個零部件或者構件都必須能夠正常的工作。工程構件安全設計的任務就時保證構件具有足夠的
強度、剛度及穩定性。
穩定性很好理解，受力作用下保持或者恢復原來平衡形式的能力。例如承壓的細桿突然彎曲，薄壁構件承重發生褶皺或者建筑物的立柱失穩導致坍塌，很好理解。今天主要來講一下對于剛度和強度的理解。
一，強度
定義：構件或者零部件在外力作用下，抵御破壞（斷裂）或者顯著變形的能力。
提取關鍵字，破壞斷裂，顯著變形。
比如說孫越把ipad當成了體重秤，站上去，ipad屏幕裂了，這就是強度不夠。比如武漢每年的夏天看海時許多大樹枝被風吹斷，這也是強度不夠。
強度是反映材料發生斷裂等破壞時的參數，強度一般有抗拉強度，抗壓強度等，就是當應力達到多少時材料發生破壞的量，強度單位一般是兆帕。
破壞類型
脆性斷裂：在沒有明顯的塑形變形情況下發生的突然斷裂。如鑄鐵試件在拉伸時沿橫截面的斷裂和圓截面鑄鐵試件在扭轉時沿斜截面的斷裂。
塑形屈服：材料產生顯著的塑形變形而使構件喪失工作能力，如低碳鋼試樣在拉伸或扭轉時都會發生顯著的塑形變形。
展開 金屬材料力學性能和熱處理工藝
金屬材料力學性能是指金屬材料在外加載荷作用下或載荷與環境因素（溫度、介質和加載速率）聯合作用下表現出來的行為。
常
見
的
金屬力學性能如下表所示。
怎樣理解材料力學中的強度和剛度的
很多人對力學中強度和剛度的概念總是混淆，今天就來談一下自己的理解。
前言
書中說為了保證機械系統或者整個結構的正常工作，其中每個零部件或者構件都必須能夠正常的工作。工程構件安全設計的任務就時保證構件具有足夠的強度、剛度及穩定性。
穩定性很好理解，受力作用下保持或者恢復原來平衡形式的能力。例如承壓的細桿突然彎曲，薄壁構件承重發生褶皺或者建筑物的立柱失穩導致坍塌，很好理解。今天主要來講一下對于剛度和強度的理解。
一、強度
定義：構件或者零部件在外力作用下，抵御破壞（斷裂）或者顯著變形的能力。
提取關鍵字，破壞斷裂，顯著變形。
比如說孫越把ipad當成了體重秤，站上去，ipad屏幕裂了，這就是強度不夠。比如武漢每年的夏天看海時許多大樹枝被風吹斷，這也是強度不夠。
強度是反映材料發生斷裂等破壞時的參數，強度一般有抗拉強度，抗壓強度等，就是當應力達到多少時材料發生破壞的量，強度單位一般是兆帕。
破壞類型
脆性斷裂：在沒有明顯的塑形變形情況下發生的突然斷裂。如鑄鐵試件在拉伸時沿橫截面的斷裂和圓截面鑄鐵試件在扭轉時沿斜截面的斷裂。
塑形屈服：材料產生顯著的塑形變形而使構件喪失工作能力，如低碳鋼試樣在拉伸或扭轉時都會發生顯著的塑形變形。
強度理論
1.
展開 材料力學筆記之拉伸和壓縮
(2)截面選擇 已知荷載及材料的許用應力，按強度條件選擇桿件的橫截面面積或尺寸，即確定桿件所需的最小橫截面面積。
(3)確定許用荷載 已知桿件的橫截面面積及材料的許用應力，確定許用荷載。
應力集中
由桿件截面驟然變化（或幾何外形局部不規則）而引起的局部應力驟增現象，稱為應力集中。
在桿件外形局部不規則處的最大局部應力σ max必須借助于彈性理論、計算力學或實驗應力分析的方法求得。在工程實際中，應力集中的程度用最大局部應力σ max與該截面上的名義應力σ nom（軸向拉壓時即為截面上的平均應力）的比值來表示，即
Kσ=σ max/σ nom
這一比值Kσ稱為理論應力集中因數，其下標σ表示是正應力。
在動荷載作用下，則不論是塑性材料，還是脆性材料制成的桿件，都應考慮應力集中的影響。試驗結果表明，截面尺寸改變的越急劇、角越尖、孔越小，應力集中的程度越嚴重。
來源： 碳纖維研習社
展開 
怎樣理解材料力學中的強度和剛度
很多人對力學中強度和剛度的概念總是混淆，今天就談一談這兩個概念。書中說為了保證機械系統或者整個結構的正常工作，其中每個零部件或者構件都必須能夠正常的工作。工程構件安全設計的任務就是保證構件具有足夠的強度、剛度及穩定性。
穩定性很好理解，受力作用下保持或者恢復原來平衡形式的能力。例如承壓的細桿突然彎曲，薄壁構件承重發生褶皺或者建筑物的立柱失穩導致坍塌，很好理解。今天主要來講一下對于剛度和強度的理解。
一、強度
定義：構件或者零部件在外力作用下，抵御破壞（斷裂）或者顯著變形的能力。
比如說把ipad當成體重秤，站上去，ipad屏幕裂了，這就是強度不夠。比如許多大樹枝被風吹斷，這也是強度不夠。
強度是反映材料發生斷裂等破壞時的參數，強度一般有抗拉強度、抗壓強度等，就是當應力達到多少時材料發生破壞的量，強度單位一般是兆帕。
1. 破壞類型
脆性斷裂：在沒有明顯的塑性變形情況下發生的突然斷裂。如鑄鐵試件在拉伸時沿橫截面的斷裂和圓截面鑄鐵試件在扭轉時沿斜截面的斷裂。
塑性屈服：材料產生顯著的塑形變形而使構件喪失工作能力，如低碳鋼試樣在拉伸或扭轉時都會發生顯著的塑性變形。
2.
展開 『分享』固體力學和材料強度
固體力學和材料強度
固體力學和材料強度__(p1-70).PDF
固體力學和材料強度__(p71-140).PDF
固體力學和材料強度__(p141-210).PDF
固體力學和材料強度__(p211-280).PDF
固體力學和材料強度__(p281-350).PDF
固體力學和材料強度__(p351-420).PDF
固體力學和材料強度__(p421-490).PDF
固體力學和材料強度__(p491-560).PDF
固體力學和材料強度__(p561-630).PDF
固體力學和材料強度__(p631-671).PDF
展開 ANSYS與材料力學系列教程之軸向拉伸和壓縮（七）
掃描二維碼關注公眾號，一起聊聊力學和有限元那點兒事。
ANSYS與材料力學系列教程之軸向拉伸和壓縮（四）
我們知道，胡克定律是力學彈性理論中的一條基本定律，它描述了固體材料受力以后，材料中的應力應變關系。下式為胡克定律的一種表達形式：
ε=σ/E
式中，E稱為彈性模量（Elastic Modulus），是材料的一項重要彈性參數，數值因材料而異，表征材料抵抗彈性變形的能力。英國科學家Thomas Young曾研究了桿的彈性性能，所以之后彈性模量有時也稱為楊氏模量（Young's Modulus），在ANSYS中的材料屬性中，也是以Young's Modulus命名。
除彈性模量外，材料還有一個非常重要的彈性參數——泊松比（Poisson's ratio）。泊松比又稱橫向變形系數，常用字母ν表示。它定義為：在材料的比例極限內，橫向線應變與縱向線應變的絕對值的比值。泊松比由法國科學家泊松（Simon Denis Poisson,1781-1840） 最先發現并提出。
此外，材料還有兩項彈性參數：
體積模量（Bulk modulus）和
切變模量（Shear modulus）。其中，體積模量K=E/3(1-2ν)（這也是泊松比ν不能大于0.5的原因），切變模量G=E/2(1+ν)，均可以用楊氏模量E和泊松比ν表示，所以我們把楊氏模量E和泊松比ν定為彈性材料的基本參數。如果做線彈性靜力學分析，且不考慮重力作用的話，定義了這兩個參數，就基本可以進行計算了。下圖為WB中定義的線彈性材料，我們輸入楊氏模量和泊松比之后，體積模量和切變模量會自動計算出來。
今天，我們將通過例題2-5，來研究該題的材料力學解法和ANSYS解法。
展開 