力學超材料的案例
《Nano Energy》：多功能力學超摩擦材料！
近年來隨著力學超材料的發展，兼具能量采集和監測感知功能的摩擦電材料為多功能力學超材料的智能化發展帶來新方向。
本文提出一種自感知復合力學超材料—力學超摩擦材料，其將摩擦電材料制備于力學超材料中，通過將力學超材料作為納米發電機介質，實現整體結構材料在能量采集和智能監測感知方面的多功能應用。力學超摩擦材料運用3D打印技術，實驗制備由摩擦電材料組成的無縫集成自恢復咬合微結構，并測試表征其自供電和自感應性質。本文同時運用理論方法探討了周期性荷載下咬合微結構接觸帶電的變形機制與電能產生機理。
本研究由美國匹茲堡大學土木系聯合浙江大學海洋學院、中國科學院北京納米能源與系統研究所共同開展。相關論文以“Multifunctional Meta-Tribo material Nanogeneratorsfor Energy Harvesting and Active Sensing”為題，發表在《Nano Energy》。本文第一作者為聯合指導的博士研究生，共同第一作者為焦鵬程研究員，通訊作者為王中林院士和A.H. Alavi助理教授。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106074
本文提出的力學超摩擦材料將摩擦電材料設計于力學超材料微結構胞元中，使得整體結構材料既具有力學超材料的優越力學性能，又具備摩擦納米發電機的能量采集和監測感知功能。力學超摩擦材料運用各種有機和無機摩擦電材料，設計構成復雜的分層復合結構。本文運用實驗和理論方法，系統研究了力學超摩擦材料的力-電學性能，展望了力學超摩擦材料集成系統的多功能工程應用，例如海洋工程防災減災自能量監測感知設備，自感知自能量心血管支架等。
展開 材料力學基礎知識，超全收藏！ 附材料力學劉鴻文下載
材料力學所涉及的內容分屬于兩個學科：
固體力學 (solid mechanics)，即研究物體在外力作用下的應力、變形和能量，統稱為應力分析 (stress analysis)。但是，材料力學又不同于固體力學，材料力學所研究的僅限于桿類物體，例如桿、軸、梁等。
材料科學 (materials science) 中的材料的力學行為 (behaviors of materials)，即研究材料在外力和溫度作用下所表現出的力學性能 (mechanical properties) 和失效 (failures) 行為。但是，材料力學所研究的僅限于材料的宏觀力學行為，不涉及材料的微觀機理。
力學特性是指在外力作用下材料變形與所受外力之間的關系，以及材料抵抗變形和破壞的能力，這些力學特性均需通過材料試驗確定。
以上兩方面的結合，使材料力學成為工程設計 (engineering design) 的重要組成部分，即設計出桿狀構件或零部件的合理形狀和尺寸，以保證它們具有足夠的強度、剛度和穩定性。
展開 西南大學黃進教授和甘霖副教授提出負泊松比結構力學強化輕質化生物基材料的普適性方法：軸向/徑向控比粘彈性壓縮多孔材料負泊松比結構化
隨著社會各界對于傳統石油基材料廢棄物引發的環境問題日益重視及“限塑令”的實施，傳統石油基材料被具有良好的生物相容性、可降解性、可再生性的生物基材料逐步取代是大勢所趨。生物基氣凝膠、泡沫等輕質化材料作為生物基材料典型代表，具有低原料消耗、廢棄物可資源化優勢，在生物傳感、醫療設備、汽車船舶等領域具有廣泛應用前景。然而，輕質化必將導致本身力學性能不足的生物基材料因密度急劇降低而力學性能進一步大幅降低，因此限制了輕質化生物基材料在各領域的實際應用。因此，為滿足實際應用需求，輕質化生物基材料的物理或化學改性增強成為近年來的研究熱點之一。但是，目前的改性手段均采取引入新物質到生物基材料改性的方式，引入的新物質不但增加了生產成本與難度，也大大增加生產制造過程中的不可控因素，不利于規模化生產；同時改性的增強程度有限，難以實現高性能化；更在單方面加強力學性能時不可避免地對生物相容性、可降解性等其他性能產生不可控的負面影響。
基于以上關鍵科學問題，西南大學黃進教授和甘霖副教授團隊提出了針對輕質化生物基材料構建負泊松比超結構實現力學性能大幅提升強化的普適性方法，即在生物基材料基體內部設計并構建三維負泊松比胞元結構陣列，通過自下而上的負泊松比效應賦予輕質化生物基材料超力學性能。該工作首先設計了功能性強、易調控的內凹多面體胞元結構，然后以典型生物質聚酯—聚丁二酸丁二醇酯（PBS）為原料，采取綠色環保的超臨界流體發泡技術成功制得了輕質化PBS多孔材料，最后在略高于軟化溫度的條件下通過軸向與徑向控比壓縮調控其泊松比，制得了負泊松比可調控的力學超材料—負泊松比PBS材料（PBS-NPR）。
展開 【科普系列】基于超材料的無標記光學生物傳感
DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000990
【論文介紹】鐵磁/鐵電復合介質及其超材料結構微波性能
【科普系列】太赫茲超材料
【科普系列】 蜂窩結構力學超材料彈性及抗沖擊性能
【科普系列】富鋰錳基正極材料研究進展
【科普系列】有限元軟件如何助力鑄造過程
【科普系列】基于片狀粉末冶金的石墨烯/鋁基復合材料過程控制與力學性能
這種材料厲害了！超輕、高強、大變形、缺陷不敏感！
論文鏈接：
https://www.pnas.org/content/early/2019/03/12/1817309116
近二十年來，人們基于仿生設計制備了多種多樣的具有優異力學性能的微納米多孔材料。通常，人們將密度小于水密度（1 g/cm3）的材料定義為“超輕”材料。近些年，超輕材料已經成為了全世界材料科學和固體力學領域研究的熱點。如何實現材料同時具有超輕、高強度、大變形、缺陷不敏感等優異性能是現代材料設計和制造的一個巨大挑戰。
近年來，李曉雁研究組針對這一問題和挑戰，采用新型微納米制備技術制備了多種微納米力學超材料，并利用原位電鏡測試對其進行了力學表征。這些微納米力學超材料展示出了優異的力學性能。近期，李曉雁課題組采用“雙光子光刻—高溫熱解”兩步法（圖1A所示）制備獲得了Octet型（圖1B所示）和Iso型（圖1C所示）兩類熱解碳納米點陣，其中Octet型和Iso型單胞結構均是經過拓撲優化而獲得的。這些新型熱解碳納米點陣的特征尺寸（即桿的直徑）最小可以達到261 nm（圖1D、E所示），超過了目前三維光刻技術可以實現的最小分辨率極限。這些熱解碳納米點陣的密度達到0.24-1.0 g/cm3，其強度介于0.05-1.90 GPa之間。
圖1. 熱解碳納米點陣的兩步法制備及其微結構
特別引人關注的是，當點陣結構的密度約為1.0 g/cm3時，其強度高達1.9 GPa（圖2A所示）。這一強度接近于熱解碳材料固有的理論強度極限，從而導致該點陣的比強度（即強度與密度的比值）高達1.90 GPa g-1 cm3。這一比強度值比目前所有人工制備的微納米點陣材料的比強度高1-3個量級。
展開 在 COMSOL 中分析特殊的多孔彈性超材料
超材料是一種人工材料，其性能取決于特定的結構設計而非化學成分。此類材料的結構往往很復雜，因此制造難度相當大。本文我們將通過數值研究探討一種能夠在靜水壓力的作用下膨脹的多孔彈性超材料（由帶空隙的單一材料制成）。
超材料與 3D 打印結合
“3D 打印”和“超材料”具有廣闊的應用前景，能夠制造定制的醫療植入物，打印房屋，應用于聲學隱形技術，是改變我們周圍世界的前沿科技潮流。
3D 打印機。圖片由 Jonathan Juursema 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用,通過 Wikimedia Commons 分享。
通過兩種技術的結合，我們可以使用直接激光寫入（direct-laser-writing，簡稱 DLW）打印來制造復雜的超材料，這種工藝對于其他制造技術而言相當困難或不可能實現。這個想法的靈感來源于德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）和法國勃艮第弗朗什-孔泰大學（Université de Bourgogne Franche-Comté）的研究小組。他們共同研究了在穩定和靜態條件下表現出獨特的負等效壓縮性力學性能的超材料。
研究具有負等效壓縮效應的多孔彈性超材料
研究人員的多孔彈性超材料是一種人造三維復合材料，當周圍環境產生的靜水壓力增加時，將發生各向同性的膨脹。大多數天然彈性材料的反應與之相反，當周圍的靜水壓力增加時，它們的體積會變小。
海綿是一種受多孔彈性現象影響的材料。
那么為什么超材料會膨脹呢？為了回答這個問題，讓我們來觀察一下超材料。超材料由單一的普通固體成分構成，材料內為中空的三維十字結構，此結構內部的隱藏空間包含恒壓空氣。每個十字的末端都有圓形的膜片。
當周圍壓力與十字結構中的壓力不同時，膜片向內或向外彎曲。
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研究具有負等效壓縮效應的多孔彈性超材料
研究人員的多孔彈性超材料是一種人造三維復合材料，當周圍環境產生的靜水壓力增加時，將發生各向同性的膨脹。大多數天然彈性材料的反應與之相反，當周圍的靜水壓力增加時，它們的體積會變小。
海綿是一種受多孔彈性現象影響的材料。
那么為什么超材料會膨脹呢？為了回答這個問題，讓我們來觀察一下超材料。超材料由單一的普通固體成分構成，材料內為中空的三維十字結構，此結構內部的隱藏空間包含恒壓空氣。每個十字的末端都有圓形的膜片。
當周圍壓力與十字結構中的壓力不同時，膜片向內或向外彎曲。
展開 特殊多孔彈性超材料的仿真分析
超材料是一種人工材料，其性能取決于特定的結構設計而非化學成分。此類材料的結構往往很復雜，因此制造難度相當大。在文本中，我們將通過數值研究探討一種能夠在靜水壓力的作用下膨脹的多孔彈性超材料（由帶空隙的單一材料制成）。
超材料與 3D 打印結合
“3D 打印”和“超材料”是“COMSOL 文章”版塊的兩個熱門話題。它們具有廣闊的應用前景，能夠制造定制的醫療植入物，打印房屋，應用于聲學隱形技術，是改變我們周圍世界的前沿科技潮流。
3D 打印機。圖片由 Jonathan Juursema 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用,通過 Wikimedia Commons 分享。
通過兩種技術的結合，我們可以使用直接激光寫入（direct-laser-writing，簡稱 DLW）打印來制造復雜的超材料，這種工藝對于其他制造技術而言相當困難或不可能實現。這個想法的靈感來源于德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）和法國勃艮第弗朗什-孔泰大學（Université de Bourgogne Franche-Comté）的研究小組。他們共同研究了在穩定和靜態條件下表現出獨特的負等效壓縮性力學性能的超材料。
研究具有負等效壓縮效應的多孔彈性超材料
研究人員的多孔彈性超材料是一種人造三維復合材料，當周圍環境產生的靜水壓力增加時，將發生各向同性的膨脹。大多數天然彈性材料的反應與之相反，當周圍的靜水壓力增加時，它們的體積會變小。
海綿是一種受多孔彈性現象影響的材料。
那么為什么超材料會膨脹呢？為了回答這個問題，讓我們來觀察一下超材料。超材料由單一的普通固體成分構成，材料內為中空的三維十字結構，此結構內部的隱藏空間包含恒壓空氣。每個十字的末端都有圓形的膜片。
展開 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 彈性力學對材料力學的批判與繼承 附彈性力學教程王敏中下載
相對應的，彈性力學借助于微元體，可以求出彈性體任意點的應力、應變和位移，那么，這些解對應于材料力學的工程目標，應力、應變解可用于分析彈性體的強度問題，應變和位移可以分析彈性體的剛度問題，應力可以分析彈性體的穩定性問題，也就是說彈性力學與材料力學具有相同的工程目標。
下載地址：彈性力學教程王敏中
一種具有自修復功能的兩棲超親水、超親油表面材料
超親水、超親油（即“超雙親”）表面具有自清潔、防污、抗霧、使液體迅速鋪展等功能，在日常生活、醫療、工業生產等方面有著廣泛的應用。然而，目前報道的超雙親表面只能在單一介質環境下工作。例如，在干態空氣環境中具有超雙親性質的表面材料在水中往往會表現出超疏油性質，而不是親油性。因為這些材料一旦被水潤濕，其性能主要取決于附著在表面的液態水層。相反，在水中具有親油性質的表面在干燥狀態和空氣介質中通常表現為超疏水和超親油。在空氣和水介質中均具有超雙親（即“兩棲” 超雙親）性質的表面材料報道很少，其制備一直是個挑戰性難題。
最近，澳大利亞迪肯大學（Deakin University）林童教授團隊報道了一種簡單有效的表面處理方法，可使紡織品材料表面具有穩定的“兩棲” 超雙親性質。該團隊采用一種表面涂層技術，將兩種分別帶有親水和親油官能團的化合物涂布于紡織品材料的表面，并進行交聯處理。經過處理的紡織品面料在空氣中表現為優秀的超雙親性質，對水、油和多種有機溶劑的觸角為0°。在水中或完全被水潤濕的條件下，該面料仍然可以使油和不溶性有機溶劑在表面迅速鋪展。該涂層不僅具有良好的牢度，而且可抵御酸堿侵蝕和長時間紫外照射。不僅如此，該涂層還表現出了自修復功能，在被化學侵蝕破壞后，其水下超親油性能可以通過加熱恢復到原的有功能狀態。該團隊進一步證明，這種兩棲超雙親材料在油水分離方面有很大的應用潛力。無論織物在干燥還是潤濕狀態，都表現出了穩定的吸油能力。
圖1：“兩棲”超雙親表面的處理過程及效果。
詳細結果已發表在近期的《Materials Horizons》（DOI: 10.1039/C8MH00898A）。文章共同第一作者為博士生符思達和周華博士，通訊作者為王紅霞博士和林童教授。
來源：高分子科學前沿
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“硅”助力超疏水 一文帶你了解超疏水材料的技術
超疏水性是一種特殊的潤濕性，一般指水滴在固體表面呈球狀，接觸角大于150度，滾動角小于10度。材料表面能（材料表面分子比內部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且當低表面能材料具有微觀粗糙結構時，水滴與材料之間會形成一層空氣膜，阻礙水對材料表面的潤濕，從而形成超疏水狀態。
超疏水表面最初的靈感來源于“荷葉效應”。20 世紀90 年代，德國植物學家波恩大學Barthlott等揭示了荷葉表面的結構，發現荷葉的“自潔性”源于其表面的微納結構，荷葉表面具有微米級的乳突，乳突上有納米級的蠟晶物質，這種微-納米級的粗糙結構可以大幅度提高水滴在其上的接觸角，導致水滴極易滾落。
因為水滴在超疏水材料表面滾落時可帶走污染物，使材料表面保持清潔。因此超疏水材料具有防水、防腐蝕、防冰以及防附著等多重特性。
荷葉表面除具有超疏水特性——“荷葉效應”之外，還呈現荷葉表面超疏水、底面親水的（Janus）潤濕性特性。模擬荷葉表面這種特性進行具有顯著潤濕性差異Janus膜表面構筑，目前研究開展的還相對較少。
近日，一個土耳其-德國聯合研究團隊以濾紙為多孔基底，通過單面修飾聚二甲硅氧烷（PDMS）/無機微納顆粒（粒徑范圍從數納米到數十微米），簡便構筑了具有超疏水/親水顯著潤濕性差異的Janus紙。這種紙具有優異的化學穩定性、機械穩定性和柔韌性，同時保持良好的透氣性，在傷口處理等方面具有較大的應用前景。
Janus紙構筑過程示意圖
研究人員選用Whatman No. 1濾紙和實驗室工程棉濾紙為基底材料，PDMS、硅納米顆粒以及玻璃微球混合均勻后采用噴涂技術涂覆到基底表面，經過120 ℃加熱交聯處理后PDMS共價接枝到濾紙表面。該側濾紙表面呈現出超疏水特性（CA~163.1 ± 1.2°）。同時，研究表明混入摻雜三種不同尺寸的無機顆粒（20?
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模型了解：
本案例所用模型如下：
圖1 模型認識
其中，1為壓塊，結構剛材料，2為橡膠超彈性材料。
有限元分析流程分為3大步、3小步，如下圖所示。
今天將以這種方式介紹使用workbench實現齒輪嚙合的分析流程。
一、前處理
1.1 幾何模型的構建
本案例中的幾何模型較為簡單，因此直接在abaqus中創建。
本例使用平面應力應變單元模擬實體的壓縮過程，將Module切換到Part模塊，單擊create part創建壓塊部件，部件類型選擇2D planar、Deformable、Shell，進入草圖環境，繪制壓塊圖形如圖1，繪制完成后單擊done完成壓塊的創建。繼續單擊create part創建橡膠部件，部件類型也為2D planar、Deformable、Shell，進入草圖環境，繪制橡膠圖形如圖1所示，繪制完成后單擊done退出橡膠的創建。
1.2 材料參數的定義
1.2.1 材料本構
將Module切換到property模塊。單擊create material創建材料，壓塊使用結構剛材料，密度設置7850kg/m3,楊氏模量為2.1e11Pa，泊松比為0.3。
橡膠使用超彈性材料，使用Mooney-Rivlin本構模型。
展開 材料力學中梁涉及到的截面幾何性質及一些力學概念
1. 純彎曲
如果某一段梁的截面上的剪力為零，彎矩為一不為零的常值，該段梁產生的彎曲稱為純彎曲，如下圖簡支梁的兩端受一對力偶矩的作用時，梁的任何一段的內力只有彎矩的作用而沒有剪力，該梁發生的彎曲就是純彎曲。
2. 橫力彎曲
當梁受有垂直與梁軸線的橫力時，該梁的剪力不為零，成為橫力彎曲，例如懸臂梁上作用有集中力或簡支梁受有均布載荷或集中載荷時，等這些都是橫力彎曲的例子，橫力彎曲時梁橫截面上既有彎矩又有剪力。
純彎曲時梁上的最大正應力公式為:
其中Mmax是橫梁上最大彎矩，W為梁截面的抗彎截面系數。當梁的跨度與梁橫截面尺寸比值大于5時，橫力彎曲可以近似用純彎曲時的正應力公式計算。
3. 中性面和中性軸
如圖梁在外力作用下發生彎曲時，橫截面的上部受壓應力，梁的上部發生縮短；梁截面的下部受拉應力，梁的下部發生伸長，可以預見在梁的中間某個平面將既不發生壓縮也不發生拉伸，成為該面為中性面或中性層。將中性面與梁橫截面的交線成為中性軸。
4. 對稱彎曲
在工程中有許多梁至少有一個縱向對稱面，或者說梁截面有一個對稱軸，這種梁稱為對稱截面梁，簡稱為對稱梁。如果外力和外力矩都作用在截面對稱軸與梁軸線組成的對稱面內，梁變形后軸線稱為該對稱面內的平面曲線，這種彎曲稱為對稱彎曲或平面彎曲。
展開 超全的58張結構力學常用公式，你一定用的到
2）在水平荷載作用下的軸向力變形修正系數，近似取
K＝1
（2）帶拉桿雙鉸拱
1）在豎向荷載作用下的軸向力變形修正系數
式中 E——拱圈材料的彈性模量；
E1——拉桿材料的彈性模量；
A1——拉桿的截面積。
2）在水平荷載作用下的軸向力變形修正系數（略去拱圈軸向力變形影響）
式中 f——為矢高；
l——為拱的跨度。
6．剛架內力計算表
內力的正負號規定如下：
V——向上者為正；
H——向內者為正；
M——剛架中虛線的一面受拉為正。
6.1 “┌┐”形剛架內力計算表（一）
6.2“┌┐”形剛架內力計算表（二）
6.3“”形剛架的內力計算表
來源：筑龍結構設計
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