高性能結構構件的案例
【JY】淺談混凝土結構/構件性能試驗指標概念（二）
/構件性能試驗指標概念（一）中從“定量”的角度對混凝土結構/構件的試驗指標進行探討，本期主要從“定性”的角度對混凝土結構/構件與大家進行交流，即從探討試驗過程中試件的損傷發展。
【JY】淺談混凝土結構/構件性能試驗指標概念（一）
在混凝土結構、節點或構件的抗震性能試驗分析中，我們一般從“定量”和“定性”兩種角度來分析。
所謂“定量”，即研究對象的滯回曲線、骨架曲線，累計耗能，等效黏滯阻尼比，屈服位移，極限位移，延性系數，剛度退化等，從數據中得到研究對象的力學性能。
所謂“定性”，即研究對象的裂縫開展形態，破壞模式，塑性鉸的產生等，從直觀的現象中得到研究對象的受力特征。
實質上，兩者是相通的，從定量性的曲線中能反映出結構的受力特征；反之，從宏觀的現象中也能反映出結構的耗能能力，延性，強度等。為了解結構/構件的力學性能，目前針對于結構、節點及構件的抗震性能試驗研究多采用擬靜力試驗。
展開 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 用于飛機內飾夾層結構的高性能塑料Ultrason E.
用于飛機內飾的夾層結構制造成本高且快速：使用巴斯夫的聚醚砜Ultrason E，內飾飛機部件制造商現在可以向實現這一目標邁出一大步。
優點是可以在單個工具中將相同的熱塑性Ultrason加工成夾層結構的不同組件。這減少了循環時間并因此也降低了制造成本。夾層由泡沫芯和碳纖維層壓板組成，它們全部由Ultrason E制成。如果需要，帶有覆蓋層的熱成型泡沫芯可以用碳纖維增強的Ultrason E 2010 C6包覆成型，以包含增強材料，結構或其他功能元素融入三明治。30％碳纖維與無定形高溫塑料Ultrason的組合可確保輕質泡沫夾層在-100至+ 200°C的溫度范圍內具有非凡且恒定的機械性能。
夾層結構允許特別低的重量，同時保持高彎曲剛度。因此，該設計特別適用于飛機內部的應用，例如面板，側壁，行李箱，門，艙室分隔壁，以及手推車和烹飪模塊。由Ultrason E制成的泡沫已被批準用于飛機。該材料具有極高的極限氧指數38（根據ASTM D 2863），因其滿足商用飛機在可燃性和熱釋放（“火，煙，毒性”）方面的要求而不同阻燃劑，這意味著它本質上是阻燃劑。這就是為什么，例如，
與涂有酚醛樹脂的傳統蜂窩結構相比，以這種方式熱塑性制造的夾層部件具有許多優點：它們可以在自動化工藝中更快地生產，它們提供各種加工選擇，例如熱成型為不同的幾何形狀或包覆成型用于加固肋骨和額外的功能整合。由于具有額外功能的重量優化的熱塑性夾層結構，可以實現用于航空的新型輕質材料，與傳統的夾層結構相比，其具有改進的特性和顯著降低的成本結構。
樹脂價格表https://www.hongyantu.com/index.php?r=landing/index&id=szjgb
展開 
利用磁渦旋結構來實現高性能磁傳感器
新型磁場傳感器的核心是可以實現磁信號轉換的微結構鐵磁薄膜元件（microstructured ferromagnetic thin-film element），但這些元件通常呈現非線性磁滯曲線，使得傳感器性能受到磁噪聲的限制。
奧地利科學家團隊著重研究了磁阻傳感器中磁噪聲的起源，并證明了在換能元件中受拓撲保護的磁渦旋狀態可以克服噪聲問題。利用解析法和微磁模型，研究者發現噪聲的主要來源是靠近Stoner–Wohlfarth模型反轉磁場的外部磁場處換能器元件不可復制的磁性反轉。為了解決這個問題，研究者利用流體封閉的渦旋結構，開發出了巨磁阻傳感器結構，即使與目前最先進的傳感器相比，該傳感器也毫不遜色：磁噪聲更低，線性度高出一個數量級，磁滯幾乎可以忽略。
旋轉磁場與Stoner-Wohlfarth模型相切產生的相位噪聲
一旦施加外部磁場，這種所謂的換能元件（transducer element）就會改變其電行為；原子“羅盤針”，即原子磁偶極子（atomic magnetic dipoles）將重新排列，從而改變了換能元件的電阻。該行為可用來探測磁場。
臨界場附近的渦旋磁化模式
圖中虛線處是剛性渦旋模型預測的臨界磁場
在維也納大學（University of Vienna）、克雷姆斯多瑙河大學（Danube University Krems）與英飛凌公司（Infineon AG）的共同合作中，由Dieter Suss領導的研究小組在基督教多普勒實驗室的“先進磁傳感與材料”組織對物理起源和理論極限進行了詳細的分析，并針對解決方案提出了具體建議。該研究結果近期發表于雜志《自然電子學》（Nature Electronics）。
在本項目研究中，科學家利用經過實驗驗證的計算機仿真表明，通過重新設計換能元件，可以顯著降低干擾信號、磁噪聲和磁滯現象。
展開 定量核磁表征聚乙烯長鏈支化結構及開發高性能吹膜樹脂中的應用
目前商業化的聚乙烯產品仍以LDPE、HDPE和LLDPE為主；盡管學術界已通過開環復分解聚合、活性聚合及特定官能化反應等手段成功制備出多種特殊拓撲結構的聚乙烯，例如梳形（comb）、瓶刷形（bottlebrush）、蜈蚣形（centipede）和環狀（ring）聚合物（圖4），但能夠實現這類復雜分子結構聚乙烯產業化應用的途徑仍十分有限。
圖4 聚烯烴結構示意圖
烯烴嵌段共聚物（OBCs）是一個典型例子——其微觀結構在實現工業化之前已被學術界廣泛研究。尤其是在溶液法中引入并控制LCB水平的能力，目前僅有兩種主流策略：第一種是通過乙烯基封端的聚合物鏈再插入反應生成LCB（常規LCB工藝）。受限幾何構型催化劑（CGC）是最早能夠實現該類反應的均相催化劑，但因每個聚合物鏈僅帶一個乙烯基，LCB的總量受限。為提高乙烯基大分子單體的濃度，第二種方法是加入二烯（常規二烯LCB），通常為α,ω-二烯，以其進料速率控制LCB的引入量。盡管該方法在溶液反應器中構建LCB的思路直觀，但隨著二烯加入，往往出現高分子量尾端，表明形成了高分子量聚合物，進而導致沉淀性反應器結垢。良好的加工性能只能在靠近凝膠點的狹窄操作區間內實現，這在大規模工業生產中是不可行的——商業級裝置中的波動會使生產運行充滿風險。
本文研究了一種采用雙金屬中心催化劑與α,ω-二烯單體在溶液相中合成具有“梯形”支化拓撲結構的新型聚乙烯，為兼具LDPE型加工性能與LLDPE型力學性能的材料設計提供了新路徑。
01
試驗方案
使用亞氨基烯酰胺催化劑與不同用量癸二烯制備的聚合物實驗數據（方案1至5），以及常規癸二烯聚合（方案6）和LDPE（方案7）的對比樣本。
展開 定量核磁表征聚乙烯長鏈支化結構及開發高性能吹膜樹脂中的應用
目前商業化的聚乙烯產品仍以LDPE、HDPE和LLDPE為主；盡管學術界已通過開環復分解聚合、活性聚合及特定官能化反應等手段成功制備出多種特殊拓撲結構的聚乙烯，例如梳形（comb）、瓶刷形（bottlebrush）、蜈蚣形（centipede）和環狀（ring）聚合物（圖4），但能夠實現這類復雜分子結構聚乙烯產業化應用的途徑仍十分有限。
圖4 聚烯烴結構示意圖
烯烴嵌段共聚物（OBCs）是一個典型例子——其微觀結構在實現工業化之前已被學術界廣泛研究。尤其是在溶液法中引入并控制LCB水平的能力，目前僅有兩種主流策略：第一種是通過乙烯基封端的聚合物鏈再插入反應生成LCB（常規LCB工藝）。受限幾何構型催化劑（CGC）是最早能夠實現該類反應的均相催化劑，但因每個聚合物鏈僅帶一個乙烯基，LCB的總量受限。為提高乙烯基大分子單體的濃度，第二種方法是加入二烯（常規二烯LCB），通常為α,ω-二烯，以其進料速率控制LCB的引入量。盡管該方法在溶液反應器中構建LCB的思路直觀，但隨著二烯加入，往往出現高分子量尾端，表明形成了高分子量聚合物，進而導致沉淀性反應器結垢。良好的加工性能只能在靠近凝膠點的狹窄操作區間內實現，這在大規模工業生產中是不可行的——商業級裝置中的波動會使生產運行充滿風險。
本文研究了一種采用雙金屬中心催化劑與α,ω-二烯單體在溶液相中合成具有“梯形”支化拓撲結構的新型聚乙烯，為兼具LDPE型加工性能與LLDPE型力學性能的材料設計提供了新路徑。
01
試驗方案
使用亞氨基烯酰胺催化劑與不同用量癸二烯制備的聚合物實驗數據（方案1至5），以及常規癸二烯聚合（方案6）和LDPE（方案7）的對比樣本。
展開 中科院金屬所Nature Materials：高性能柔性層狀結構的熱電材料
°，（e）是高角度：30°，彎曲變形的模型投影在y-z平面，其對應的原子位移沿著y軸
【小結】
在該研究中，作者開發了一種制備高性能柔性熱電材料的策略，即以SWCNT網作為支架來引導層狀結構的熱電半導體納米晶的沉積和生長以形成具有高度有序微結構的雜化材料。
挪威世界遺產觀光渡輪采用戴鉑Divinycell高性能結構芯材
為了滿足這個設計理念，Br?drene AA 需要尋找一種既能滿足強度需求又能符合設計需求的材料, 最終使用了戴鉑的解決方案，使用”三明治”結構碳纖復合材料建造。船上的所有結構部分都是用碳纖維三明治鋪層結構，包括甲板，墻壁，樓梯，天花。也包括了42米長，5米高的雙體船的船殼部分，這部分的船殼是通過一次性真空導流成型的。
船體輕質的三明治鋪層結構能使船體匹配更低能耗的電動引擎，讓其更清潔和低噪。“據JEC的評審報告表示，在這個項目中，復合材料的廣泛使用和設計需求，也使得船舶在制造過程中對環境有益”。
此次的創新獎項無論是在數量上還是在質量和多樣性上面給人留下了深刻的印象。據JEC的代表Mrs Frédérique Mutel, JEC Group President & CEO表示：“大型的工業制作在今年越來越重要，這類需求也將會觸發更多的復合材料應用。”
丙烯酸樹脂價格https://www.hongyantu.com/index.php?r=good&cd=10&cd2=1005
展開 哈工大《Sci China Mater》：微觀結構調控優化高熵非晶合金磁熱性能
總的來說，本文使用電流退火技術，通過對微觀結構調控以進一步優化x = 3纖維的磁熱性能。
一種具有竹蓀生物仿生結構的高耐用、輻射冷卻和隔熱性能的柔性薄膜
為了達到有效的冷卻效果，材料在大氣窗口波段(8 ~ 15 μm)具有高發射率，在太陽波段(0.3 ~ 2.5 μm)具有高反射率。
然而，在高溫環境中，材料與環境之間的高溫差異會導致熱交換和導熱，從而削弱冷卻效果因此，開發輻射冷卻材料的另一個關鍵因素是降低導熱性。低導熱系數阻礙了通過直接傳導獲得大量熱量，但由于其固有的脆性和易開裂性，也給材料的加工和機械性能帶來了挑戰，這可能會損害結構的完整性和耐久性。因此，開發具有低導熱性的柔性和堅固的輻射冷卻材料對于輻射冷卻技術的實際應用至關重要。
隨著輻射冷卻材料的發展，人們發現了多孔聚合物薄膜與傳統的冷卻材料相比它們的重量輕，柔韌性好，導熱性低。此外，多孔聚合物薄膜通過操縱孔徑和孔密度來控制傳熱的能力是一個關鍵優勢。研究人員仍在探索如何優化多孔聚合物輻射冷卻材料的孔徑和孔密度，以達到最佳的冷卻性能。
02
成果掠影
近期，復旦大學材料科學系膠體微球與涂料課題組武利民教授和游波教授針對開發具有低導熱性的柔性輻射冷卻材料取得最新進展。竹蓀屬鬼筆菌科，主要生長在中國四川，適宜生長溫度為20 ~ 23℃。其莖的表面有明顯的孔隙，在高倍顯微鏡下，很明顯這些大孔隙是由更小的亞微孔組成的(圖1) 。該團隊受其多層多孔生物結構的啟發，提出了一種新型的hollow@porous輻射冷卻膜，該膜將中空微粒和多孔聚合物結合在一起。制備的hollow@porous柔性薄膜具有較高的太陽光反射率(93.7%)、較強的紅外發射率(89.1%)和超低的導熱系數(17.56 mW/mk)。實驗表明，在峰值太陽強度為980 W/m2時，所制備的冷卻器的日間冷卻性能顯著降低至17.4℃。
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 濟南大學Nano Energy：基于Ag /（K，Na）NbO3異質結構的高性能壓電復合發電機
研究人員首次引入原位光還原反應構建的Ag /（K，Na）NbO3異質結構制備柔性壓電納米發生器（p-NG）。化學異質結可以改善極化過程中施加在KNN顆粒上的分壓，顯著提高電場下偶極矩的定向。具有Ag /（K，Na）NbO3異質結構的p-NG器件產生的輸出比純KNN器件的輸出高兩個數量級（在0.1MPa的機械應力下為輸出的開路電壓為240Vs；短路電流為0.3μA）。最大瞬時輸出功率（1.13 mW）比先前報告的無鉛復合壓電納米發電機高。
導電材料（Ag納米顆粒）和鈣鈦礦壓電顆粒（（Na0.5K0.5）NbO3，KNN）之間的激烈化學異質結是通過原位光還原反應構建的，可以引入了額外的導電通道來增強無機顆粒的極化程度。隨后，通過機械攪拌將Ag負載KNN顆粒和MW-CNT很好地分散在PDMS彈性體基質中以構建柔性壓電納米發電機。 具有Ag / KNN異質結構的p-NG器件在10kV / mm下極化后，在0.1MPa的外部機械應力下產生超高開路電壓（?240V）和短路電流（?23μA）比純KNN嵌入式p-NG器件高出70倍以上（分別為?3.5 V和0.3μA）。此外，這些這種p-NG器件1000次循環后的仍能保持較高的機械堅固性和電性能。此外，p-NG器件可以成功照亮9個串聯的商用LED，而無需任何存儲設備。
【全文解析】
圖1（a1）純KNN顆粒的TEM和SAED圖像。 （a2）3%Ag樣品的TEM圖像（左），HRTEM圖像和SAED圖案（右上圖），Ag納米顆粒的HRTEM圖像（右下圖）。 （a3）5%Ag樣品的TEM圖像（左），相應的SAED圖案（右側，頂部）和高倍TEM圖像（右側，底部）。 （b）具有不同Ag負載量的KNN粉末的XRD圖譜。 （c）具有不同Ag負載量的KNN粉末的XPS譜：（c1）Ag3d和（c2）Nb3d。 （d）UV-Vis漫反射光譜。
展開 『水系鋅電』中南大學潘安強/常智教授團隊Small：Maxwell極化電場優化鋅離子傳輸行為和溶劑化結構助力高性能水系鋅離子電池
由于鋅金屬的枝晶和腐蝕問題與鋅離子的傳輸行為和溶劑化結構都有關，所以鋅負極優化的關鍵在于同時調控鋅離子的傳輸行為和溶劑化結構。
基于此，中南大學潘安強/常智教授團隊發現由無機鐵電材料誘發的Maxwell–Wagner極化電場，可一方面引導鋅離子進行有序遷移，均勻沉積，另一方面可去除鋅離子溶劑鞘結構中的水分子，抑制腐蝕，提高電極可逆性。受益于這種協同作用，鋅負極在Maxwell–Wagner極化電場的作用下，Zn||Zn和Zn||Cu電池中分別表現出1400 h的循環壽命和99.9%的高庫侖效率。水NH4V4O10||Zn在2000個循環中容量保持132 mA h g-1。組裝的軟包電池性能優越，在嚴苛的條件下，可以穩定循環超150圈，無明顯產氣和漏液現象。其成果以題為 "Aligned Dipoles Induced Electric-Field Promoting Zinc-Ion De-Solvation toward Highly Stable Dendrite-Free Zinc-Metal Batteries" 在國際著名期刊Small上發表。本文第一作者為周雙博士，通訊作者為潘安強教授，常智教授，通訊單位為中南大學。
展開 中南大學李瑞迪教授：增材制造高強度鋁合金粉末成分設計、制備與應用
以探月、火星探測、空間站建設等為代表的我國航天事業正蓬勃發展，針對航空航天領域三類典型應用材料（即鋁、鈦、鎳基合金及其金屬基復合材料）、四類典型結構（大型金屬結構、復雜整體結構、輕量化點陣結構、多功能仿生結構等），鋁合金激光增材制造（SLM） 完美契合，有望成為下一代運載火箭、衛星等核心零部件成形的關鍵技術。因此，開發出新一代增材制造高強鋁合金，已經成為當前航天增材領域亟待完成的一個重要基礎研究任務。
▲SLM機理（圖片來源：楊永強等.金屬零件激光選區熔化3D打印裝備與技術）
基于粉床自動鋪粉的選區激光熔化（SLM）技術利用高能激光熔化處于松散狀態的粉末薄層（厚度通常為20～50μｍ），基于粉床逐層精細鋪粉、激光逐層熔凝堆積的方式，成形任意復雜形狀的高致密度構件。SLM技術成形精度高，對特殊復雜結構（如懸垂結構、薄壁結構、復雜曲面、空間點陣等）制造的適用程度高，其發展方向是實現中小型復雜構件直接精密凈成形，為高性能復雜結構金屬構件的低成本、短周期、凈成形制造提供一體化解決方案。
對于激光增材制造而言，鋁基材料是典型的難加工材料，這是由其特殊的物理性質（低密度、低激光吸收率、高熱導率及易氧化等）決定的。從增材制造成形工藝角度看，鋁合金的密度較小，粉體流動性相對較差，在SLM成形粉床上鋪放的均勻性較差，故對激光增材制造裝備中鋪粉系統的精度及準確性要求較高。未熔化前，鋁對CO2激光的初始吸收率僅為９％，而其熱導率高達237Ｗ/（ｍ·Ｋ），為鐵的3倍、鈦的16倍，通常的低功率CO2激光難以使鋁粉體發生有效熔化。
展開 