轻质多孔材料研究进展
第28卷第4期2007年12月 力 学 季 刊CHIN ES E QUARTERL Y OF MECHANICS Vol.28No.4 Dec.2007
轻质多孔材料研究进展
杨亚政1,2,杨嘉陵1,曾涛3,方岱宁4
1.北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100083;
2.中国科学院力学研究所,
北京100080;3.哈尔滨理工大学,哈尔滨150080;4.清华大学航天航空学院,北京100084)
摘要:高超声速武器是军事装备的发展方向,在未来战争中起着重要作用。轻质材料是高超声速飞行器设计与
制造的关键技术之一,它是实现高超声速飞行器高超声速、高机动性、远程打击等性能的基础和保障。高超声速
飞行器轻质材料主要有蜂窝材料、泡沫金属材料、点阵材料。这些材料具有超轻、高比强、高比刚度、高强韧、高
能量吸收等优良机械性能,以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽等特殊性质,它兼具功能和结构双重作用,是一种性
能优异的多功能材料。本文从材料制备、结构设计、力学与物理性能表征等方面综述了高超声速飞行器轻质材
料的研究与应用现状,比较了三种轻质材料的机械和物理性能,重点评述了新型点阵材料的制备工艺、结构构
型、力学及其他性能,指出了其发展趋势。
收稿日期:2007209211
基金项目:国家自然科学基金(10632060,#90305015);国家“973”基金(G2006CB601202)
作者简介:杨亚政(19682),男,黑龙江北安市人,副编审.研究方向:固体力学.
通讯作者:方岱宁,教授,研究方向:电磁固体力学、细观力学、材料的强韧化和微电子器件可靠性.fangdn @https://www.wendangku.net/doc/c018107693.html,
关键词:高超声速飞行器;轻质材料:制备工艺:力学性能:多功能
中图分类号:TB383 文献标识码: 文章编号:025420053(2007)042503214
Progre ss in Re search Work of Light Materials
Y AN G Ya 2zhe ng 1,2,Y ANG J i a 2li ng 1,ZHENG Tao 3,FAN G Dai 2ni ng 4
(1.School of Aeronautic Science and Technology ,Beijing University of Aeronautics and
Ast ronautics ,Beijing 100083,China ;2.Institute of Mechanics ,Chinese Academy of Sciences ,
Beijlng 100080,China ;3.Harbin University of Science and Technology ,Harbin 150080,
China ;4.School of Aeronautics and Ast ronautics ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China )
Abstract :Hypersonic vehicles rep resents f ut ure t rends of military equip ments and play an important role in f uture war.Light mate rials and st ruct ures are one of t he most key techniques in design and manufact ure of hype rsonic vehicles.They are foundation and safeguard of hype rsonic velocit y ,high flexibilit y and long distancedest roying p roperties for hype rsonic vehicles.Hypersonic vehicle light materials ,which include honeycomb sandwich st ruct ures ,foamed metals and t russ st ruct ures ,possess light weight ,high specific st rengt h ,high specific stiff ness ,high toughness and good energy absorp tion p rope rties.They also possess energy dissipation ,heat dissipation ,sound absorption and elect romagnetic s hielding p roperties.They can be used not only as st ruct ural materials ,but also as f unction mate rials.In s hort ,hypersonic vehicle light materials are excellent multi -f unction materials.The recent p rogresses of research and application of light hypersonic vehicle mate rials in p reparation ,st ructure design ,mechanical and p hysical characteriza 2tion are s ummarized in t his paper.A comparison of mechanical and p hysical p roperties of t hree kinds of light materials are made.Fabricated p rocess configuration ,mechanical and f unctional p rope rties are em 2p hasized and t he tendency of light mate rials is pointed out.
Key words :hypersonic vehicle ;light materials ;materials p rocessing ;mechanical behaviors ;multif unction
高超声速(Hypersonic)一般指的是流动或飞行的速度超过5倍声速,即马赫数超过5。超高声速飞行器包括弹道导弹、拦截导弹、高超声速巡航导弹、再入飞行器、跨大气层飞行器以及高超声速飞机等。以高机动性、远距离精确打击为主要技术特征的高超声速武器已成为军事装备的发展方向,将在未来战争中起着重要作用。与传统武器相比,高超声速武器具有极大的优势,可以有效地减少防御响应时间,增强武器突防和反防御能力,提高武器生存能力。高超声速飞行器要实现高超声速、高机动、远程打击,必须尽可能降低飞行器的重量。对于高超声速飞行器结构设计,减轻结构质量、提高结构的承载效率和功能效率是非常重要的设计要求。提高结构的承载效率就是要提高结构材料的比刚度和比强度,同时要使得材料能满足结构设计的特定力学要求。提高结构的功能效率,就是要提高结构的功能密度,用更少的质量实现更多的功能。轻质多功能材料是近年来随着材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新颖材料,它的出现对于材料的选择及其性能研究提出了新的课题。轻质多功能材料包括蜂窝材料、泡沫金属材料、点阵材料。通常,轻质多功能材料单位体积的重量仅是同等材质实体材料的十分之一或更轻,而且不同构型的微细观结构对材料的力学及其他物理特性有显著影响。除了承载,轻质多功能材料还可同时承担其他功能,如利用材料的多孔特点进行对流换热以满足温度控制要求,以及降低噪音、屏蔽电磁辐射、吸收碰撞能量等。因此,关于高超声速飞行器轻质多功能材料的研究十分重要。
1 蜂窝材料
蜂窝夹层结构材料是一种轻质、高强、各向异性材料。蜂窝夹层结构材料具有优良的抗冲击能力、耐热防腐、导电、导热、隔热、隔音、吸能减震、电磁屏蔽等功能,广泛应用于航天航空、交通运输、电子、环保、能源、建筑等领域。
1.1 制备工艺
蜂窝夹层结构分为金属蜂窝夹层结构和非金属蜂窝夹层结构。金属蜂窝通常用0.02～0.1mm厚的铝合金箔制造,最常用的厚度是0.03、0.04、0.05mm。非金属蜂窝常用的材料有纸、玻璃布、塑料和陶瓷等,其中纸蜂窝应用较多。制造蜂窝结构需要三种胶粘剂:粘接蜂窝芯的芯条胶,面板与蜂窝芯粘接的面板胶和稳定蜂窝芯的浸润胶。布蜂窝芯子制备方法主要是胶线粘接拉伸法。涂胶叠层布在一定压力下固化,然后在胶线的垂直方向切断形成蜂窝芯坯料,切断的高度就是蜂窝芯的高度。将蜂窝芯坯料在加压的方向拉开,就形成形状规整的蜂窝,再经过浸胶、固化、定型就成为布蜂窝芯子。金属蜂窝芯的制造方法有成型法和拉伸法。成型法是先将材料压成波纹状,然后将波纹状材料叠合胶接而成,这种方法用于厚度大或刚性大的材料,或特殊的非正六边形蜂格的蜂窝。拉伸法是先在材料上涂胶条,然后将材料叠合胶接起来,最后再将叠合胶接起来材料拉伸成蜂窝[1～5]。
1.2 性能表征
描述蜂窝夹层结构力学性能的主要指标有侧压性能、弯曲性能、平压性能、剪切性能等[6～23]。
(1)平压性能
利用均匀化方法,将蜂窝芯折合成相当均质体,面板、夹心采用串联模型,计算蜂窝夹层结构平压模量
1 E x =
1
E fz
2t
H
+
1
E cz
h
H
(1)
蜂窝芯是由单、双层蜂壁结构组成的,其平压破坏过程是从芯子单层斜壁的失稳开始,或双层纵向壁达到其最大承载能力而发生最终破坏。平压的最大承载能力有三种不同的判据:(ⅰ)应力达到失稳临界应力,(ⅱ)应力达到失稳后最大平均应力,(ⅲ)应力达到材料的压缩强度。根据不同的破坏形式,蜂窝夹层结构可以得到不同的平压强度。
(ⅰ)斜壁平均应力达到失稳后最大平均应力,视为破坏而不再承载,此时,夹层结构的最大平均应力为
σ
zmax =2.1σ-B E(t s/c)2(2)
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(ⅱ)破坏以纵壁应力达到其材料压缩强度控制时,夹层结构的最大平均应力为
σzmax =0.8(t s /c )σ-B (3)
(ⅲ)破坏以纵壁的失稳临界应力控制,夹层结构的最大平均应力为
σzmax =9.9E (1-v 2)t s c 3(4)
(2)侧压性能由于蜂窝芯子在夹层结构面内无承载能力,芯子面内刚度近似为零。蜂窝夹层结构面内弹性模量可表示为
E =E f 2t H (5)
侧压强度来源是面板,但面板很薄,承受不了大的压缩载荷,需要芯子的支撑,使面板避免屈曲失稳,从而承受较大的载荷。侧压破坏形式主要有芯子剪切失稳、面板皱曲失稳和面板与芯子分层开裂破坏三种形式。
夹层板芯子剪切失稳时,如果计及芯子的剪切变形,夹层板的总体稳定的临界载荷可简化为1P cr =1P ε+1F c G c (6)
当芯子剪切模量较小时,夹层板因芯子剪切失稳的临界应力为
σcr =F c G c 2t f (7)
当夹层结构中芯材的密度较大且芯子较厚时,不大会发生芯子的剪切失稳,此时面板皱曲失稳显得更重要。当考虑到芯子的剪切变形时,可求得夹层结构的最小面板临界应力为
σcr =0.86(E f E c G c )
13(8)
(3)剪切和弯曲性能面板、夹心采用串联模型,并考虑芯子在面内无承剪能力,面内剪应力为G xy =G f xy 2t H (9)
当蜂窝夹层结构受到面内(xy )的剪力作用时,由于芯子在这个方向上的剪切强度很小,剪应力完全由面板承担,剪切强度为
τxy =2
t f h τf (10)
弯曲强度为
σf1=M
t f hb (11)τ′c =Q hb (12)2 泡沫金属材料
泡沫金属是一种结构内部含有大量孔隙的、功能与结构一体化的新型材料。泡沫金属材料具有重量轻、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能,以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽、渗透性优等
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特殊性质,是一种性能优异的多功能工程材料。泡沫金属材料在高能耗装备(汽车、高速列车、航空航天器、轮船等)的广泛应用,不仅会大幅度降低对常规能源的需求,同时也可减少环境污染。目前,关于泡沫金属的研究主要集中在材料制备工艺和性能表征两方面。
2.1 制备工艺
泡沫金属从结构上可分为闭孔和通孔泡沫金属两种。前者含有大量独立存在的气孔,而后者则是连续贯通的三维多孔结构。近年来国内外开发了多种泡沫金属的制备方法,主要分为发泡法、烧结法、铸造法和沉积法等。
(1)发泡法[24～28]
熔融金属中加入发泡剂或吹入气泡使金属发泡的方法主要包括粉体发泡法和熔融金属发泡法。粉体发泡法是将金属粉末和发泡剂粉末混匀,加热到金属熔点以上,使之发泡,既适于铝和镁等熔点低的金属,又适于熔点较高的金属。熔融金属发泡法是将发泡剂直接加入到金属熔液中使之发泡。这两种方法是制造泡沫金属的最基本方法。此外还有利用溶解于金属中的气体,在金属凝固时因溶解度的急剧下降而释放,使金属发泡的溶解度差的方法,以及在无重力条件下将氩气等惰性气体吹入金属熔液中使之发泡的无重力混合法等。
(2)烧结法[29～35]
烧结法是英国Porvair公司在制备通孔陶瓷泡沫的基础上发展起来的一种成本较低且可大规模生产的工艺方法,可用于制备泡沫铁合金等耐高温多孔金属。简单烧结是于较高温度时物料产生初始液相,在表面张力和毛细管现象的作用下、物料颗粒相互接触,相互作用,冷却后物料发生固结而成为泡沫金属。在制备高孔隙率的泡沫金属时,可以采用含有机支撑物烧结的方法,先把天然海绵或人造海绵切成所需要的形状,使其充分吸收含有金属粉末的浆液,干燥后加热使海绵分解,继续加热使有机金属化合物分解和使物料烧结,冷却后可得到孔隙率很高的泡沫金属。该制备方法目前需解决的问题是如何减少泡沫结构中包含的大量因制备工艺造成的微缺陷:这些微缺陷的存在导致了经烧结而成的泡沫骨架的力学、热传导等物理性能不如用熔模法制成的金属泡沫。
(3)铸造法[36～39]
铸造法可分为熔模铸造法和粒状物料周围浇铸法两种。熔模铸造法是先将已经发泡的塑料填充入一定几何形状的容器内,在其周围倒入液态耐火材料,在耐火材料硬化后,升温加热使发泡塑料气化,将液态金属浇注到模具内,在冷却后把耐火材料与金属分开。粒状物料周围浇铸法,是先把粒状物料放置于铸模之内,在其周围浇铸金属,然后把粒状物料溶解,得到泡沫金属。
(4)沉积法[40～42]
在具有三维网状结构的特殊高分子材料的骨架上沉积各种金属,再经焙烧除去内部的高分子材料,制得泡沫金属。该方法是制造大孔隙率泡沫金属的最简单的方法。制得的泡沫金属富有可挠性,可进行弯曲、切断和深冲等加工。沉积法根据沉积的方式可分为电沉积法、气相沉积法和喷射沉积法等。
2.2 性能表征
泡沫金属具有孔隙率高、密度小和比表面积大等特征,在消声、减震、隔热、吸能缓冲、电极材料和电磁屏蔽等应用方面具备多种优异的性能。影响泡沫金属性能的因素有:基体金属的性能、相对密度、孔结构类型、孔结构的均匀性、孔径大小、孔的形状和孔结构的各向异性性、孔壁的连接性以及缺陷(如孔壁的不完整性)等。
(1)力学性能[43～46]
力学性能是结构材料研究和使用的基本参数。涉及金属泡沫材料力学性能研究的文献较多,关于金属泡沫材料力学性能研究集中在金属泡沫材料静态力学性能、动态力学响应、能量吸收特性以及影响金属泡沫材料力学性能的因素等方面。弹塑性金属泡沫材料单轴拉伸时,应力应变关系明显分为线弹性变形、塑性变形、线性硬化和破坏四个阶段。泡沫金属材料被静态压缩时,应力应变曲线都可以分为三个阶段:弹性段、屈服段及致密段。当应变很小时,应力应变曲线呈线弹性:然后出现一个平台,这时随着应变增大而应力几乎恒定不变;最后随着胞壁被挤压在一起,材料被压实,应力又迅速增大。在动态压缩实验中,
不管泡沫金属的密度为多少,其应力应变响应曲线与准静态压缩条件下的响应曲线是一样的,均经过三个阶段:弹性段、屈服段及致密段。但在动态条件下应力应变响应还有着与准静态下不同的特征:动态条件下的屈服应力比静态条件下的要高,并随着应变率的增加,屈服应力的增加有上升的趋势;动态条件下的平台区应变比静态条件下的稍低,平台区长度稍短。泡沫金属的压缩应力应变响应曲线上出现较长的塑性变形段,这表明泡沫材料在被压缩过程中能够在保持相对较低的应力下吸收大量的压缩能量,泡沫金属的压缩吸能性大小可用单位体积的泡沫材料被压缩到致密段的过程中所吸收的能量来表示。
(2)热物理性能[47～52]
泡沫金属材料的孔隙率较高,在大量的孔隙中存在低导热系数的空气介质,其隔热性能较实体金属优越,甚至可与一些常用的绝热材料相媲美。文献[47]对泡沫铝的常温导热系数进行了测定,并对空气为冷却介质的单相对流换热进行了试验及数值研究,而文献[48]对泡沫铝的渗透率及泡沫的非均质性对传热的影响进行了理论及试验研究。研究得出结论:(1)导热系数:通孔泡沫铝的表观热系数介于一般金属及合金的导热系数和隔热材料的导热系数之间,且通孔泡沫铝的导热系数随孔隙率增大而减小,并与传热条件有关。闭孔的多孔泡沫金属可用作绝热材料,与其他相应材料相比具有耐高温及强度高的优点。(2)散热能力:通孔多孔泡沫金属具有高的散热能力。强迫对流可显著提高对流换热能力。试验还表明,采用金属与多孔泡沫金属的组合结构有可能开发出新型高效散热器。
(3)电磁屏蔽和吸声性能[53～59]
泡沫金属材料的电磁屏蔽性能远比常用的含铁粉和含铜粉的涂料优良,其中泡沫铝对电磁波;尤其是对高频电磁波具有优良的屏蔽作用。声波在泡沫金属材料中的传播特性主要考虑两个方面。一是空隙中填充介质里的波的传播,一是多孔介质骨架内的弹性波传播。同时考虑两者的传播问题一般采用Biot 发展的理论[53],即构造连续介质的本构方程及其波动问题的控制方程。在上述模型中,泡沫金属材料都是由平行直通管簇所构成。文献[54]对泡沫金属材料发展了一个新的模型,在静流阻之外又引入了两个新参数:—个与孔洞的几何结构相关,而另一个则与由热和粘性分别决定的特征长度的比值相关。实验发现,纤维直径、纤维绕结方式以及空隙率都是决定多孔金属声吸收效果的重要参量
[57]。泡沫金属材料的吸声机制除材料本身的阻尼衰减外,渗流在孔隙间的热弹性压缩膨胀、与孔壁摩擦的粘滞耗散以及流过边
角所产生的涡也是使声音衰减的主要原因。3 点阵材料
点阵材料是一种模拟分子点阵构型制造出的一种有序超轻多孔材料。点阵材料是由结点和结点间连接杆件单元组成的周期结构材料[60]。它的特点是其细观构型均为二维或三维网架体系,网架中的空隙没
有用来承载的填充物。这样的设计节省了大量的质量,提高了比刚度和比强度,在同等重量下点阵材料比无序微结构金属泡沫具有更好的力学性能
[61,62];网架间的空隙能够执行储油、配置电池等功能化要求:材料的多孔特点满足了进行对流换热以达到温度控制的要求[63～65];网架独特的伸展性能使得其促动、制动和阻尼振动的研究大有发展空间
[66];同时,它也具有良好的降低噪音、屏蔽电磁辐射、抗冲击和碰撞吸能
能力。
3.1 点阵材料制备工艺英国剑桥大学提出了熔模铸造法工艺制作点阵材料
[67]。利用注模技术可制备长细比小于5的聚合物结构。可用聚脂做成单层带有定位孔的聚脂牺牲模,按结构排列方式将单层结构叠合成空间点阵结构[68]。以聚合物为牺牲模制备砂模,高温下聚合物熔化分解,在砂模中形成点阵空间,将高温熔融状的金属熔液缓慢注入砂模,冷却后将砂模破坏,取出得到金属点阵复合材料。利用该工艺可制造八面体点阵材料。利用这种工艺,点阵材料胞元的尺寸可以小到几个毫米,单元直径可以达到122mm 。
熔模铸造法对熔融状液态金属的流动性提出了很高的要求,一般材料难以实现。并且熔模铸造法工艺流程复杂,成本高。为了得到更为简便的低成本制备方法,发展了冲压折叠成型工艺[69,70]。首先对金属平板进行冲切,得到由平面杆系组成的点阵结构。这种平面点阵可以直接作为点阵夹层的面板使用,也
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可以进一步在V 形模具上冲压折叠形成波浪形空间构型,可作为夹层结构的夹芯材料。面板与夹芯间采用焊接或粘结工艺形成夹层体系。这种方法工艺相对简单,适用的金属材料也比较广泛,可以用来制备四面体夹层和金字塔形夹层。
B rittain 等[71]介绍了一种利用μCP 和电镀工艺制作点阵材料的工艺。该方法主要用微接触印刷技术
制作平面网格体系。利用模具将平面网格体系压制成空间波浪型构形,将各单层体系对垛成三维体系,采
用电镀的方式将结构焊接为整体。利用该方法得到的点阵结构单元尺寸可达50
μm 。这种工艺适用于微机电系统。
常见三维点阵材料一般为金属材料,由于纤维复合材料在力学性能、重量以及多功能性方面的优越
性,Fan 和Y ang [72]研究了复合材料点阵结构的三维编织方法。该工艺的主要特点是先制备夹层面板和预
浸纤维束,以面板为基准,在上下面板间有规律的穿插纤维束形成点阵夹层结构。该方法首次在工艺上实现了三维复合材料点阵的制备,但也存在杆单元不规则的缺陷
。
图1 嵌锁格栅夹层结构Fig.1 I nte rloc ked grid s a ndwich s t r uct u re
制造平面点阵格栅较常用的方法是采用模具工
艺[73,74]。模具由两层结构组成,底座由预制凹槽的坚硬材
料组成,并且材料具有很高的热稳定性。模具的扩展部分
由膨胀橡胶材料组成[75]。预浸纤维可在模具扩展部的凹
槽中采用铺层或缠绕的方法制作格栅的肋板。模具格栅
工艺较为复杂,层间剪切强度仍然较弱,嵌锁格栅是制备
格栅的另一种相对简单的工艺方法[76,77]。基本特点是利
用铺层技术或拉挤成型技术制备格栅肋条,再在肋条上加
工槽口,将带槽口的肋条对位嵌锁,利用胶和机械嵌锁将
肋条紧固,形成点阵格栅结构。虽然材料模量和抗弯强度
因周期槽口的出现而折减,但抗剪强度增强。根据这种工
艺,Han 和Tsai [76]利用拉挤成型和嵌锁工艺制备了四边形
格栅。这种构型的力学性能并不理想。在此基础上,清华
大学课题组[77]制备了炭纤维六角形点阵格栅,见图1。
3.2 点阵材料构型构成点阵材料的周期性单胞一般具有二维或三维构
型。二维的点阵杆系材料通常包括以下几种构型:(a )正方形胞元;(b )三角形胞元;(c )六角形胞元;(d )混合胞元;(e )Kagome 胞元;(f )矩形胞元;(g )菱形胞元。各种二维点阵结构的构型如图2所示。
三维的点阵杆系材料则通常包括以下几种构型:
(1)周期性网架结构(Isot russ )
美国PYRamat rix 公司开发生产了一种轻质高强的管柱状梁式结构,命名为Isot russ 结构[78],如图3
(a )所示。结构由纵向单元和螺旋单元组成。当承受屈曲和轴压的时候,结构中螺旋结构主要受扭和横剪并且用来稳定纵向的成员;当承受弯曲、扭转和横向剪切的时候,纵向的结构主要承受轴向压力和屈曲荷载,同时螺旋部分承受弯矩。
(2)编织叠层夹层结构
编织叠层夹层结构是建立在二维编织结构基础之上将层间结点处编织连接到一起的三维编织构
型[79,80]。典型的编织结构如图3(b )所示。其制备方案是积层成型,利用钎焊连接平面正交编织金属之间的元件接触点。多层结构的刚度和强度随着密度线性增加,能吸收大量的机械能量且传热能力很好。
(3)全三角型构架
全三角型构架点阵材料是一个有加强杆的八面体结构。如图3(c )所示,该材料的特点是每个单元均由三角形组成,单元只在X 和Y 方向周期展开。对于每个结点,均有10根杆件交汇。杆件只受轴向力作用。这种结构的各个方向上的剪应力不是独立的,X -Z 方向上的剪力和Y -Z 方向上的剪力是耦合
的[81]。
(4)八面体结构(Octet 2t russ )
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图2 二维点阵结构示意图
Fig.2 Conf igu r ations of diff e rent 2D lat tice s t r uct u res
相比全三角形结构,八面体结构减少了其Y 方向上的部分杆件。八面体的胞元是一个模拟面心立方(FCC )晶体分子的结构,这个构型可以化为两种简单的单元:白色的四面体元和黑色的八面体元。它的每一个节点的连通性(配位数)Z =12,是拉伸主导型的。此结构比全三角形构架相对密度低,承载能力不变,是点阵材料的代表构型[67,82]。
(5)四面体(Tet rahedral )和四棱锥(Pyramidal )点阵核芯夹层结构
点阵核芯夹层结构是由两块面板中间夹超静定次数较低的点阵构型而构成的一类点阵材料。比较常见的核芯胞元是正四面体单元和四棱锥单元。这种材料层芯的刚度和强度同八面体结构相当,但有较轻的重量。同时,由于面板的存在使得材料在复杂载荷的作用下和多种静力学和动力学上的状态下,仍能保持稳定。因为航空航天上应用点阵材料终究要有面板的存在,所以此种结构有其应用的合理性
[83]。(6)Kagome 结构
Kagome 结构是两个正四面体对顶连接的网架结构,如图3(d )。将这种核芯焊接在面板上,就形成了Kagome 夹层板;若将六个Kagome 胞元水平连接成类似蜂窝的正六边形,则形成了Kagome 网架[84,85]。与前几种结构不同的是,Kagome 网架或核芯拥有更加稀少的杆件布局和更小的相对密度,并且仍旧保持着其平面内的各向同性性质。这种结构有着良好的促动性能,能够受到很小的内部抵抗力而获得很大范围内的整体变形。Kagome 板是人们目前所能知道的唯一一种同时拥有横观各向同性的刚度和适宜被促动的动力学性能的周期性网架。在同一相对密度的情况下,相比较四面体胞元,它有更强的抗失稳屈曲的能力[86]。
3.3 性能表征
3.3.1 力学性能
(1)等效模量
对于一维和二维周期结构的力学性能,Noor [87]和Abrate [88～90]分别对研究成果进行了总结。Noor 给出了周期结构连续化的四种典型方法:1)基于力和位移给出材料宏微观力学性能的转化关系;2)基于离散单元化给出材料宏观力学性能;3)能量等效方法;4)基于微小变形的均质化方法。随着数值计算技术的发展,应用杆系有限元方法研究点阵材料的力学性能也成为十分有效的方法。
(2)塑性屈服性能
点阵材料强度取决于杆件的破坏力学特征。杆件的破坏存在塑性屈服、脆性断裂、弹性屈曲和塑性屈曲等多种方式,主要取决于杆单元的长细比和材料的脆性特征。Des hpande 和Fleck [82]等对基于铝合金L M25和硅铜合金MB1制备的全三角点阵夹层结构的压缩试验也存在一段很长的平台,应变达到0.1～
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图3三维点阵结构胞元示意图
Fig.3 Conf igu r ations of diff e rent 3D lat tice s t r uct u res
0.2。剪切试验也存在较长的屈服平台。Des hpande et al.[67]系统研究了八角点阵材料的塑性屈服特征,
给出了(σzz ,σxz )、(σxxz ,σyy )和(σ33,σ13)空间的塑性屈服面。
Mohr [91]基于点阵胞元拉压变形机制,提出了点阵材料的多屈服面小应变塑性理论。理论研究了材料在轴向反复加载、纯剪切和三点弯曲条件下的塑
性屈服特征。Des hpande 和Fleck [82]研究了三点弯曲作用下点阵夹层材料在(σ11,σ22)和(σ33,σ13)空间塑
性屈服。屈服面为四条直线段包络形成的四边形。Wang 和McDowell [93]研究了于二维点阵的屈服面特征,研究表明材料的初始屈服取决于杆件的轴向拉压特征,屈服面为平面,屈服强度正比于材料的相对密度;而材料的后继屈服面取决于杆单元的抗弯性能,后继屈服面为曲面。
(3)抗冲击性能
点阵材料具有较强的抗冲击吸能作用。Kooist ra et al.
[94]研究发现,单位体积或单位质量吸收冲击能量较低时,采用蜂窝材料具有优势,但点阵材料更适合于要求单位体积或单位质量吸收冲击能量较高的工况。Qiuetal.[95,96]研究表明,夹层结构抗冲击性能优越于单一板结构,而金字塔型点阵夹层的抗冲击性能
又强于棱柱型蜂窝夹层。点阵材料的破坏模式与杆单元材料相关。当采用韧性较好的材料时点阵材料具有较好的韧性和吸能作用。Xue 等针对夹层固支圆板受爆炸载荷问题给出了有限元计算分析结果
[97,98]。分析了折板结构(folded plate )、四棱锥点阵和方形蜂窝结构,结果证实良好设计的点阵夹层材料比同质量下的实心材料具备更好的抗冲击能力。同时,他们进行了点阵结构受冲击载荷作用下的优化计算[99],并针对冲击问题建立了金属夹层材料的本构关系
[100]。Des hpande 等理论分析了二维波纹状夹层材料(egg 2box )的冲击吸能能力[101],画出了它的破坏机制图[102]。Rat hbun ,Radford ,McShane 等使用金属泡沫撞击
试件来模拟试件受爆炸波冲击载荷的情况
[103],实验分析了多种结构的动态响应。Vaughn 等研究了塑性波传播与屈曲耦合作用下四面体胞元的屈曲分析
[104]。(4)力学性能的综合比较不同材料制作出来的点阵材料具有不同的等效刚度和强度。对于四面体、四棱锥和八面体点阵三种构型,其弹性刚度系数和初始屈服强度随材料的密度ρs 的变化曲线如图4和图5所示,图中重点比较了不同材料制成点阵材料的刚度和强度。可见,复合材料点阵结构比金属点阵结构有更好的刚度和屈服强度。
对于具有不同细观构型(四面体、四棱锥和八面体点阵以及六角蜂窝)的点阵材料,其刚度和屈服面比较见图6和图7。可见,蜂窝的面外模量的面外比刚度很高,高出了三维点阵材料,而面内模量却低于三维点阵材料。三种三维点阵结构具有相当的弹塑性性能。
3.3.2 声、热性能
点阵材料具有良好的传热效率。由于点阵胞元内存在连续通道,流体可以在材料内部流动,同时可以传递热量。在点阵材料的传热性能及力热一体化优化设计方面已经存在大量的详细的研究成果[104～109]。
当传热设备同时要求具有一定的承载能力的时候,点阵材料是一种比较好的选择。在低密度高孔隙率的情况下,点阵材料的强度和模量比泡沫材料高出可达一个量级。点阵材料的传热体现在两个方面,金属杆单元的热传导和内部连通空间的流体对流。针对点阵材料的传热效能与结构承载能力,Gu et al.[106]
015力 学 季 刊 第28卷
图4 利用不同材料制备的点阵结构的等效刚度比较图
Fig.4 Comp a ris ons of eff ective s tiff ness f or la t tice s t r uct u res ma de f r om diff e rent ma te
rials
图5 利用不同材料制备的点阵结构的等效强度比较图
Fig.5 Comp a ris ons of eff ect ive s t rengt h f or la t tice s t r uct u res m a de f r om diff e rent m ate rials
优化设计了二维点阵的构型并进行了比较。
L u 等人理论建模分析了声在轻质折板夹层材料中传播的损耗[110]。他们分别利用将折板等效成弹簧的理论模型(s meared model )和周期函数理论分析了声波的转播过程。L u 等人对铜合金编织点阵材料的热交换性能进行测试和计算[111],发现这种散热介质几乎可以和最好的散热介质相比拟。他们还对四面
体点阵材料的热交换性能进行实验测量和有限元模拟[112],发现其热交换性能对点阵杆件的方向和位置
敏感。L u 等人研究了关于在二维棱柱形结构和三维点阵结构夹层板中热液压问题,同时进行了理论研
1
15第4期 杨亚政,等:轻质多孔材料研究进展
图6 不同结构等效杨氏模量和剪切模量比较图
Fig.6 Comp a ris ons of eff ective elas tic modul us a nd s hea r m odul us f or lat tice
s t r uct u res wit h diff e rent conf igu r a
tions
图7 不同金属结构的屈服面比较图
Fig.7 Comp a ris ons of yield s u rf aces f or met al lat tice s t r uct u res wit h diff ere nt conf igu r at ions
究、数值模拟和试验验证[113]。在此基础上,国内很多学者将以上理论模型结合基于金属泡沫微观结构的对流传热模型,应用于指导热交换器的优化设计,如大型集成电路板的散热控制,以及用于航空器上的空气和燃油对流式热交换器中。
3.3.3 促动与致动性能
作为新一代轻质材料的点阵材料,其独特的三维网架体系方便了其实现促动(act uation )和致动等功能化要求。作为促动的基础理论,Guest 和Hutchinson 在2003年证明了一个定理,即无限的周期性变化的结构不能够同时是静定的和运动学决定的[114,115]。Wicks 和Guest 用数值方法计算了三种二维构型(八
面体表面的三角形结构,Kagome 形和蜂窝形)的点阵材料促动一根杆件所需要的能量
[116]。Hutchinson R G 等进而分析了两种三维模型的促动效果,一种是单层Kagome 核心加一层面板,另一种是双层Kagome 网架[117]。Symons 等分析了促动Kagome 双层网架结构的单根杆件所需要的力,并且同时其他杆件内力
215力 学 季 刊 第28卷
在容许范围内[84]。L u 分析了折板夹层结构促动优化设计问题,其方法是温度的变化导致形状记忆合金
面板弯曲,使得材料整体促动。L u 和Evans [119]采用电致伸缩的聚合物制备致动夹层结构,面板采用层合
板结构,将聚合物放置在面板内,夹芯为开放式三角形波纹结构,随着聚合物的电致伸缩作用,面板产生伸缩运动,带动夹芯弯曲,改变结构形状。Doneva 和Torquato [119]理论研究表明,通过对周期点阵结构中的某些杆件进行致动,在不消耗能量的情况下使点阵结构达到任意均匀的变形场,从而使结构具有自适应能力,并给出了双三角型点阵结构的致动模式。Hutchinson et al.
[117]研究了混合三角形点阵结构的致动性能。Dos Santos e L ucato et al.[120]制备了致动结构并进行了试验研究。
4 结束语
高超声速飞行器轻质多功能材料是高超声速飞行器设计与制造的关键技术之一,它关系到高超声速飞行器高速、高机动、长航时、高精度打击等关键性能的实现。高超声速飞行器轻质材料,特别是点阵材料是近年来随着材料制备以及机械加工技术的迅速发展而出现的一类新颖材料,它的出现为高超声速飞行器设计与制造提供了性能优异的结构功能一体化材料。经过几十年的不懈努力,高超声速飞行器轻质材料在材料制备技术、材料微结构优化设计、力学和热物理性能表征方面都取得了突破性进展。但随着人们对高超声速飞行器性能指标要求的不断提高,现有的高超声速飞行器轻质材料还难以满足要求。为满足现代国防发展对高超声速飞行器轻质材料的需求,笔者认为需要在以下方面进一步加强研究:
(1)高超声速飞行器轻质材料,特别是树脂基点阵复合材料制备工艺;
(2)高超声速飞行器轻质材料微细观组织与结构的优化设计理论;
(3)各种缺陷对高超声速飞行器轻质材料性能的综合影响;
(4)点阵材料完备的理论框架和细、微观模型;
(5)大规模数值模拟。
致谢
本项目获得国家973和国家自然科学基金委的资助,特此表示感谢。
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纳米复合材料最新研究进展与发展趋势
智能复合材料最新研究进展与发展趋势 1.绪论 智能复合材料是一类能感知环境变化，通过自我判断得出结论，并自主执行相应指令的材料，仅能感知和判断但不能自主执行的材料也归入此范畴，通常称为机敏复合材料。智能复合材料由于具备了生命智能的三要素：感知功能(监测应力、应变、压力、温度、损伤) 、判断决策功能(自我处理信息、判别原因、得出结论) 和执行功能(损伤的自愈合和自我改变应力应变分布、结构阻尼、固有频率等结构特性) ，集合了传感、控制和驱动功能，能适时感知和响应外界环境变化，作出判断，发出指令，并执行和完成动作，使材料具有类似生命的自检测、自诊断、自监控、自愈合及自适应能力，是复合材料技术的重要发展。它兼具结构材料和功能材料的双重特性。 在一般工程结构领域，智能复合材料主要通过改变自身的力学特性和形状来实现结构性态的控制。具体说就是通过改变结构的刚度、频率、外形等方面的特性，来抑制振动、避免共振、改善局部性能、提高强度和韧性、优化外形、减少阻力等。在生物医学领域，智能复合材料可以用于制造生物替代材料和生物传感器。在航空航天领域，智能复合材料已实际应用于飞机制造业并取得了很好的效果，航天飞行器上也已经使用了具有自适应性能的智能复合材料。智能复合材料在土木工程领域中发展也十分迅速。如将纤维增强聚合物（FRP）与光纤光栅（OFBG）复合形成的FRP—OFBG 复合筋大大提高了光纤光栅的耐久性。将这种复合筋埋入混凝土中，可以有效地检测混凝土的裂纹和强度，而且它可以根据需要加工成任意尺寸，十分适于工业化生产。本文阐述了近年来发展起来的形状记忆、压电等几种智能复合材料与结构的研究和应用现状，同时展望了其应用前景。 2.形状记忆聚合物（Shape-Memory Polymer）智能复合材料的研究 形状记忆聚合物（SMP）是通过对聚合物进行分子组合和改性，使它们在一定条件下，被赋予一定的形状（起始态），当外部条件发生变化时，它可相应地改变形状并将其固定变形态。如果外部环境以特定的方式和规律再次发生变化，它们能可逆地恢复至起始态。至此，完成“记忆起始态→固定变形态→恢复起始态”的循环，聚合物的这种特性称为材料的记忆效应。形状记忆聚合物的形变量最大可为200％，是可变形飞行器
新能源材料的研究进展探究_付浪
2012年6月（下）新能源材料的研究进展探究 付浪 （铜仁市科学技术局，贵州铜仁564300） [摘要]随着经济全球化发展，能源的消耗日渐增加。因此，对新能源材料的研究成为了人们关注重要问题。在现代化科技下新能源是优化能源结构、降低碳排放以及实现可持续发展之重要的途径。但是随着科技的发展，新能源材料研究的进展究竟如何一直是有待探究的问题。本文对镍氢动力电池的关键材料、轻质高容量的储氢材料等新能源材料研究做了阐述，进而体现出新能源材料的研究进展。 [关键词]研究进展；新能源材料；探究 所谓的新能源材料泛指能够储存、转换及支撑新能源的材料或者一体化材料。该材料极大推动新能源大力发展，甚至还催生出新能源系统产生，有效的提升了系能源利用的效率。但是随着现代化科技的推进，新能源材料的研究进展究竟如何，成为人们探究的重要话题。在这种形势下，探究新能源材料的研究进展具有实际意义。 1镍氢动力电池的关键材料 在我国较强高科技产品中镍氢电池占据着一席之位，具有强劲的竞争优势。经过多年发展，我国的镍氢电池在出口上已经超过了日本，成为了第一生产大国，在世界上确立了镍氢电池的生产战略地位。随着镍氢动力电池逐渐趋于成熟，该电池成功在各种混合动力汽车中被验证使用，并很快被各种汽车中普及使用。如今日本的PanasonicEVEn-ergy公司中所使用到的技术相比较为领先，生产电池大都属于6.5Ah，而且有圆柱型与方型两种形状，电池比之能量是45Wh/kg，比功率高达1300W/kg。而使用这种动力电池Prius混合动力汽车销售更是如日中天，超过了120万辆，并成功经受多年的使用考核。而且随着轿车中大量混合动力使用，过去电池产量已经不能够满足社会市场需求，因此PanasonicEVEnergy公司组建了更大的生产镍氢动力电池生产线，如今已在逐渐投入生产。 我国在镍氢动力电池上也有相当的研究进展，清华大学所开发出来燃料电池混合的动力客车采用镍氢动力电池为辅助动力，所开发出来的电池主要有80、40、28、8及6.5Ah，尤其是80Ah的功率已经高达了1000W/kg。 至今，在研发负极的储氢合金方面取得大量成绩，如：使用多元合金中调节材料，其中的热力学性质，对材料的电催化活性有效改善，在宽温度范围中对材料的综合电化学的性能等；在新材料开发商，对AB3·5合金上的研究也具备较大进展，其中容量已经达到430mAh/g，如果环境的温度低于了零下40摄氏度，容量比常温下的容量高大约70%，其电荷转移的阻抗以及传质扩散之阻抗都比较低，但是其循环的稳定性方面依然存在缺陷。在我国研发质子交换膜的燃料电池方面所投入比例较大，但是主要还是放在了燃料电池发动机方面，质子交换膜、催化剂及碳纸等各种材料还是要进口。经过各个国家共同努力下，燃料电池的催化剂研发上得到进一步发展，尤其是在Pt/C及PtRu/C催化剂研发上进展比较大，并有了稳定的批量供应能力，同时低铂催化剂、抗中毒催化剂及非铂催化剂等再生与回收技术上都取得较大进步。 2轻质高容量的储氢材料 对于储氢材料上也有较大研究进展，如今使用比较普遍的是AB5型储氢合金、AB2型Laves相合金及钛系AB型合金。但是所使用材料质量分数不高，都低于了2.2%。不久之前美国能源部将储氢系统质量分数调整到5.5%，虽然有一些国家的储氢质量分数正在逐渐升高，但是还没有那种储氢方式达到了这个要求，从各种情况来看，研究新型储氢材料是科技发展的必然趋势。 从各种文献中可知，陈萍等下了极大功夫在高容量的氨基磞烷化 合物氢材料上，也取到了极大进展，如果将碱金属的氢化物放进NH3BH3中，就能够形成碱金属的氨基磞烷化合物，当条件达到90摄氏度时其放氢的质量分数达到了10.9%，但是可控放氢的性能还需要进一步提升。 3固体氧化物燃料电池 这种燃料电池（SOFC）常常工作在800~1000摄氏度高温下，因此必然给选择材料及成本较高等各种问题，经过多次试验发现如果将工作稳定降低到400~600摄氏度，能够实现SOFC在极短时间内进行启动与关闭，依据SOFC该性能，就能够使用在军用潜艇、电池汽车及便携式移动电源等各个领域之中。但是经过相关人士大力研究发现，要想SOFC在低温下能够运行，必须要满足两个途径：1）使用传统的YSZ作为电解质材料，并且要将该材料制成薄膜，进而降低了电解质的厚度，在较低温度下让燃料电池得到较高功率输出；2）在中低温环境下开发新型固体电解质的材料，以及相匹配的连接材料与电极材料。 在碳氢燃料中SOFC进行内重整就可以得出H 2 与CO，之后CO 和H 2 在阳极上进行反应，经过氧化反应就能够生成H 2 O与CO2，在反应的同时也会散发出高温热能以及电能。而且经过了内重整之后有效提升了效率，降低了使用成本，但是采用直接内重整一般在Ni阳极上极易出现沉积，影响到电池活性。从这个方面可以看出来，阳极必须要有长期抗积碳之能力。 假如对SOFC运行稳定进一步降低，必将造成阴极极化增大过电位与界面的电阻。因此研发中温SOFC的基础与前提，就是先研制出与中温电解质相匹配之新型阴极材料。 4结语 总之，新能源材料大力推动氢能材料电池的快速发展。这样能够提升效能、节约资源、降低成本及环境友好，这也是新能源发展之永恒主题。但是究竟怎样才能够发挥新能源的重大需求，进而解决有关新能源材料的科学基础研究与工程技术问题。 ［参考文献］ [1]Yuan Gaihuan,LiHengyu,Wang Dehua.锆材在核电站的应用及前景[J].综合 评述,2007. [2]许妮君.稀土-镁-镍系贮氢合金电极材料的最新研究进展[J],R areEarth (稀土),2007. [3]樊晓光.复合添加Lu2O3和Er2O3对镍氢电池Ni(OH)2正极高温性能的影 响[J].R areMetals(稀有金属),2007. [4]张丽华.稀土贮氢合金现状及市场前景[J].稀土信息,2006. 10
多孔材料的研究进展培训资料
多孔材料的研究进展
引言 固体材料所包含的空间和表面的多少直接影响着该材料在实际应用中的性能。具有大量的空间和表面积的固体多孔材料已经成为了当代科学研究的热点，在各式各样物理化学过程中显示出极为突出的优势。根据孔径的大小，可以将多孔固体材料分为三类:孔径小于2nm的归为微孔材料;孔径在2-50nm之间的归为介孔材料;孔径大于50nm的归为大孔材料。多孔材料在化工石油催化、气体吸附、药物输送、组织工程支架制备、海洋深潜装备中都有很广泛的应用，是当今时代一种很重要的材料。 1. 纳米多孔材料 相比于传统的纳米颗粒材料，具有可调结构和性能的纳米多孔材料有着非凡的特性。孔径大于50nm的大孔材料具有极快的传质过程和蛋白分子吸附固定速率，在蛋白质组学分析及酶反应研究中有巨大的潜力。在当今组学的前沿，蛋白质的酶解严重缺乏效率，影响后续的分析测试，而目前发展的快速酶解技术需要较为复杂的前处理过程和过量的蛋白消耗;另一方面酶解技术难于联合应用于后续的肤段富集之中[1]。因此，多孔纳米材料的功能化设计合成及其在蛋白质组学分析中的应用至关重要。这种纳米多孔材料的典型就是大孔二氧化硅泡沫材料，它可以作为催化剂极大的提高酶解反应速率。 2. 金属-有机骨架材料[2] 金属-有机骨架材料是一种新型的多孔材料，具有高孔性、比表面积大、合成方便、骨架规模大小可变以及可根据目标要求作化学修饰、结构丰富等优点，在气体吸附、催化、光电材料等领域有广泛的应用。MOFs又名配位聚合物或杂合化合物，是利用有机配体与金属离子间的金属配体络合作用自组装形成的具有超分子微孔网络结构的类沸石材料。MOFs由于能大量进行氢气的可逆吸
磁电复合材料研究进展.
《复合材料学》课程论文 题目：磁电复合材料的研究进展 学生姓名：李名敏 学号： 051002109 学院：化学工程学院 专业班级：材料化学101 电子邮箱： 904721996@https://www.wendangku.net/doc/c018107693.html, 2013年 6 月
磁电复合材料的研究进展 摘要：本文介绍磁电复合材料的研究现状和合成工艺，讨论了磁电复合材料性能的影响因素，最后提出了其目前存在的问题及对今后的展望。 关键词：磁电复合材料铁电相铁磁相纳米材料合成工艺性能 1 引言 材料在外加磁场作用下产生自发极化或者在外加电场作用下感生磁化强度的效应称为磁电效应，具有磁电效应的材料称为磁电材料[1]。而磁电复合材料，它由两种单相材料—铁电相与铁磁相经一定方法复合而成。磁电复合材料的磁电转换功能是通过铁电相与铁磁相的乘积效应实现的, 这种乘积效应即磁电效应。磁电复合材料不仅具有前者的压电效应和后者的磁致伸缩效应，而且还能产生出新的磁电转换效应。这种材料能够直接将磁场转换成电场，也可以把电场直接转换为磁场。这种不同能量场之间的转换一步而成，不需要额外的设备，因此转换效率高、易操作。磁电复合材料不但具有较高的尼尔和居里温度，磁电转换系数大等诸多优点，而且还可被用于微波、高压输电、宽波段磁探测，磁场感应器等领域，尤其是在微波泄露、高压输电系统中的电流测量方面有着很突出的优势。此外，磁电复合材料在智能滤波器、磁电传感器、电磁传感器等领域也潜在着巨大的的应用前景[2]。目前, 磁电复合材料作为一种非常重要的功能材料，已成为当今铁电、铁磁功能材料领域的一个新的研究热点。 2 磁电复合材料的研究现状 2.1 磁电复合材料的历史 1894年法国物理学家居里首先提出并证明了一个不对称的分子体在外加磁场的影响下有可能直接被极化，磁电材料概念就此被提出。随后，一些科学家又指出了从对称性角度来考虑，在磁有序晶体中可能存在与磁场强度成正比的电极化以及与电场强度成正比的磁极化即线性磁电效应。直到20世纪80年代，已经发现50多种具有磁电效应的化合物，以及几十种具有此性能的固溶体。虽然发现了一系列具有磁电效应的单相材料，而这类材料虽然既具有铁电性(或反铁电性)，又具有铁磁性(或反铁磁性)，然而这些材料的居里温度大都远远低于室温，并且只有在居里温度以下这些材料才会表现出微弱的磁电效应。当环境温度上升到居里温度以上时，磁电系数就迅速下降为零，磁电效应也就随之消失。因此，难以利用单相磁电材料开发出具有实际应用价值的器件。这些局限性使得材料科学工作者们又将目光转移到复合材料上，Van Suchtelen首先提出通过复合材料的乘积效应来获得磁电效应，为制备高性能磁电材料开辟了一条新途径。1978
新能源技术应用的现状及发展趋势
目录 摘要 (2) 第一章对能源的认识 (3) 1.1能源的定义 (3) 1.2能源的源头 (3) 1.3能源的种类 (4) 第二章新能源的发展趋势 (5) 2.1 多元化 (5) 2.2 清洁化 (5) 2.3 高效化 (5) 2.4 全球化 (6) 2.5 市场化 (6) 第三章启示与建议 (7)
摘要 我们人类生存与发展中最具有决定性意义的要素是三个：物质、能量和信息。组成我们的世界是物质；人类生存活动决定于对信息的认知和反应；而维持生命，从事发展的活动又地要通过消耗能量来进行。一切能量来自能源，人类离不开能源。能源是人类生存、生活与发展的主要基础。能源科学与技术，能源利用的发展在人类社会进步中一直扮演着及其重要的角色。 能源发展的里程碑可以这么说，每一次能源利用的里程碑式发展，都伴随着人类生存与社会进步的巨大飞跃。几千年来，在人类的能源利用史上，大致经历了这样四个里程碑式的发展阶段：原始社会火的使用，先祖们在火的照耀下迎来了文明社会的曙光；18世纪蒸汽机的发明与利用，大大提高了生产力，导致了欧洲的工业革命；19世纪电能的使用，极促进了社会经济的发展，改变了人类生活的面貌；20世纪以核能为代表的新能源的利用，使人类进入原子的微观世界，开始利用原子部的能量。 未来对能源的要求有足够满足人类生存和发展所需要的储量，并且不会造成影响人类生存的环境污染问题。未来对能源的需求未来的人类社会依然要依赖于能源，依赖于能源的可持续发展。因此，我们须现在就很清楚地了解地球上的能源结构和储量，发展必须开发的能源利用技术，才能使人类的生存得于永久维持。而我们赖于生存的能源是取之不尽用之不完的吗？回答是：不是，也是。事实上，进入21世纪后，人类目前技术可开发的能源资源已将面临严重不足的危机，当今煤、石油和天然气等矿石燃料资源日益枯竭，甚至不能维持几十年。因此，必须寻找可持续的替代能源。而近半世纪的核能和平利用，已使核能已成为新能源家属中迄今为止能替代有限矿石燃料的唯一现实的大规模能源。而且，未来如能实现核能的彻底利用，人类的能源将是无穷的。 除了物质、能量和信息三大因素外，人类对安全的要求也越来越重要了。安全包括社会安全、健康安全和环境安全等。它们同能源的关系也是非常密切的。现在利用的能源已造成了大量的环境污染问题，严重影响了人类的生存。因此，未来对能源的要求将不仅是储量充足，而且还必须是清洁的能源。相对其它化石能源而言，核能的和平利用已充分证明了核能是清洁的能源之一。 关键字：能源利用可持续发展环境污染
复合材料的最新研究进展
复合材料的最新研究进展 季益萍1, 杨云辉2 1天津工业大学先进纺织复合材料天津市重点实验室 2天津工业大学计算机技术与自动化学院, （300160） thymeping@https://www.wendangku.net/doc/c018107693.html, 摘要：本文主要介绍了当前复合材料的最新发展情况，主要集中在复合材料的增强纤维、加工技术、智能材料和非破坏性检测技术等方面。希望能抛砖引玉，激发研究人员更有价值的创意。 关键词：复合材料，最新进展 1. 引言 人类社会正面临着诸多的问题和需求，如矿物能源、资源的枯竭、环境问题、信息技术以及生活质量等，这推动了复合材料的发展，也促进了各种高新技术的发展。但目前人们已不仅仅局限于新材料的创造、发现和应用上，科学研究已进入一个各种材料综合使用的新阶段，即向着按预定的性能或功能设计新材料的方向发展。并且，在复合材料性能取得飞速发展的同时，其应用领域不断拓宽，性能持续优化，加工工艺不断改善，成本不断降低。 复合材料的独特之处在于其可提供单一材料难以拥有的性能，其最大的优势是赋予材料可剪切性，从而优化设计每个特定技术要求的产品，最大限度地保证产品的可靠性、减轻重量和降低成本。近年以来，复合材料在加工领域中取得了一系列重要的进展，由于计算机辅助设计工具的介入和先进加工技术的开发，使复合材料的市场竞争力有了很大的提高，应用领域不断扩大，除用于结构复合材料外，还大量的进入了功能材料市场。我们观察到，复合材料的发展趋势是[1]： （1）进一步提高结构型先进复合材料的性能； （2）深入了解和控制复合材料的界面问题； （3）建立健全复合材料的复合材料力学； （4）复合材料结构设计的智能化； （5）加强功能复合材料的研究。 近年来，复合材料在增强纤维、加工技术、智能材料和非破坏性检测技术等方面研究较多，并且不断有新的市场应用，能够代表复合材料的最新发展方向。 2. 增强纤维环保化[2] 目前，增强纤维的发展趋势主要是强度、模量和断裂伸长的提高。但随着全球环保意识的风行，复合材料产品也逐渐受到环保方面要求的压力，尤其欧洲地区已有相关规定，热固性复材产品由于无法回收再利用而不易销往欧洲。在树脂之外，复材产品中的增强纤维迄今绝大部分都是无法回收再利用的，包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶等，全都是如此。 最近有一种新型增强纤维－玄武岩纤维(Basalt Filament)，是由火山岩石所提炼而成的，堪称100% 天然且环保，预期在不久的未来，将会取代相当比例的各种纤维，而加入复合 - 1 -
新能源材料——储氢材料的研究进展
目录 1 储氢合金 (1) 1.1 储氢合金的原理 (1) 1.2 理想的贮氢金属氢化物 (2) 1.3 常用储氢合金 (2) 1.3.1 稀土系储氢合金 (2) 1.3.2 镁系储氢合金 (2) 1.3.3 镁基储氢材料的主要制备方法 (2) 2 碳基和有机物储氢材料 (2) 2.1 碳基储氢材料 (2) 2.1.1 活性炭储氢 (2) 2.1.2 碳纤维储氢材料 (3) 2.1.3 碳纳米管储氢材料 (3) 2.2 有机物储氢材料 (3) 2.2.1 有机液体储氢 (3) 2.2.2 金属有机物储氢 (3) 3 络合物储氢材料 (3) 4 玻璃微球储氢材料 (4) 5 总结 (4) 6 参考文献 (5)
新能源材料——储氢材料的研究进展 摘要综述了近年来储氢材料的研究进展, 简要介绍了合金、碳基和有机物、络合物和玻璃微球等几种主要储氢材料的储氢材料应用并指出储氢材料发展趋势。 关键词储氢材料，应用，进展 能源是国民经济的基础, 是人类赖以生产、生活和生存的重要源泉。随着科学技术的进步, 人类社会经历了薪柴、煤炭和石油三个能源阶段。从未来社会能源结构看, 人类一方面要面对煤、石油等矿物能源的日益枯竭, 另一方面又要正视矿物能源所造成的环境污染问题。如酸雨、温室效应等已给人类带来了相当大的危害, 而汽车尾气也成为大气污染的一个主要来源之一。因此寻找一种可替代传统碳氢化合物能源的新能源已成为世界各国科学家毕生奋斗的目标。 氢在宇宙间含量丰富, 具有许多特殊的性质, 是理想的二次能源。氢是一种高能量密度、清洁的绿色新能源, 它在燃料电池以及高能可充放电电池等方面展现了很好的应用前景。在利用氢能的过程中, 氢气的储存和运输是关键问题。 传统的高压气瓶或以液态、固态储氢都不经济也不安全。而使用储氢材料储氢能很好地解决这些问题。目前所用的储氢材料主要有合金、碳基和有机物、某些络合物和玻璃微球储氢材料。本文讨论了几种主要储氢材料的储氢功能特点, 综述了它们的近期研究进展。 1 储氢合金 储氢合金是一种能储存氢气的合金，它所储存的氢的密度大于液态氢，因而被称为氢海绵。而且氢储入合金中时不仅不需要消耗能量，反而能放出热量。储氢合金释放氢时所需的能量也不高，加上具有安全可靠、储氢能耗低、单位体积储氢密度高等优点，因此是最有前途的储氢介质。 1.1 储氢合金的原理 合金可逆地与氢形成金属氢化物，或者说是氢与合金形成了化合物，即气态氢分子被分解成氢原子而进入了金属之中。由于氢本身会使材料变质。而且，储氧合金在反复吸收和释放氢的过程中，会不断发生膨胀和收缩，使合金发生破坏，因此，良好的储
浅谈负泊松比材料及其在土木工程中的应用
浅谈负泊松比材料及其在土木工程中的应用 发表时间：2018-05-15T14:56:59.703Z 来源：《知识-力量》2018年3月上作者：张涛1 吴江川2 陈博3 [导读] 本文主要介绍了负泊松比材料的发展概况、分类以及负泊松比材料的力学性能和它在土木工程中的应用。 （1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074；3.重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074）摘要：负泊松比材料作为现代新型高性能材料，它具有许多与普通材料不同的性质。它与普通材料最大的区别就在于它的几何性质--受拉时其垂直方向膨胀，受压时垂直方向收缩。本文主要介绍了负泊松比材料的发展概况、分类以及负泊松比材料的力学性能和它在土木工程中的应用。 关键词：负泊松比；分类；性能；应用 以著名法国数学家西蒙·泊松命名的泊松比,用公式表示为: 。式中:εj表示横向收缩应变,εi表示纵向伸长应变；i、j分别为两相互垂直的坐标轴。自然界大多数材料是正泊松比材料，受拉时横截面面积将变小,受压时横截面面积变大；自然界中也存在与此性质相反的材料，拉时横截面面积将变大,受压时横截面面积变小。如黄铁矿、砷、镉和一些动物的皮肤就是天然的负泊松比材料。 一、负泊松比材料研究概况 自20世纪80年代Lakes首次通过对普通聚合物泡沫的处理得到具有特殊微观结构的负泊松比材料,测得其泊松比值为-0.7后，负泊松比材料的相关研究从此变得日益活跃，越来越多的科研人员投入到负泊松比材料的研究之中。目前对负泊松比材料的研究主要分为以下四方面：(l)各种负泊松比材料的制备及微观结构特征研究；(2)引起材料负泊松比的机理研究；(3)负泊松比材料的静、动力学行为研究；(4)负泊松比材料的应用研究。 二、负泊松比材料分类 Lakes首次对普通聚合物处理得到负泊松比材料后，近三十年以来，与负泊松比材料的相关的研究越来越多、涉及领域越来越广泛，拓扑学的引入更是为探索新型负泊松比结构垫定了数学基础。目前负泊松比材料类型主要分为以下几类：1、多孔状负泊松比材料 多孔状负泊松比材料包括泡沫材料和蜂巢状结构材料，它是指一相为固体,另一相完全由孔隙或液体组成的复合材料,如自然界的岩石、木材等。多孔状负泊松比材料可以在二维结构结构上具有负泊松比效应,也可以三维结构上具有负泊松比效应。目前已发现，在二维结构上由内凹泡孔结构单元组成的蜂窝状固体材料具有负泊松比值；在三维结构上Lakes和 Witt通过对传统结构单元进行转变得到三维内凹结构单元，三维凹结构单元组成的多空状材料具有负泊松比效应。 2、负泊松比复合材料 负泊松比复合材料包含两类，第一类是由普通材料通过特别的铺层方式形成的负泊松比复合材料;另一类就是引入负泊松比增强纤维或者其他负泊松比材料来使复合材料具有负泊松比效应。第一类负泊松比复合材料制备较第二类负泊松比复合材料制备更难，所以一般制备的负泊松比复合材料都是通过第二类方法进行制备。 3、分子负泊松比材料 分子负泊松比材料是指微观结构上具有负泊松比结构（如有倒插蜂窝网络形状）的一类材料。这种材料通过微观上的负泊松比效应的某种叠加机制，最终形成这种宏观层面上的负泊松比效应的物质。目前从分子层面上，设计一种负泊松比材料是不少科研人员研究负泊松比材料的方向。比如说，Evans等基于凹式蜂窝几何学的立体分子网络进行了负泊松比效应预测；Baughman等提出一种由聚二炔链组成的三维分子网络可表现出负泊松比效应。 三、负泊松比材料的力学性能 负泊松比材料由于它特殊的几何结构和力学反应导致了它具有许多普通材料不具备的优异性能，其主要力学性能主要分为以下几种：（1）抗爆抗冲击性能，在冲击过程中，破口周围材料由于负泊松比效应，会向破口聚，将破口填充，封闭或减小弹孔，提高抗爆抗冲击能力。因此，它可以作为于舰艇、坦克等的防御装甲。 （2）缺口断裂韧性高，根据张耀强等人进行的负泊松比材料与正泊松比材料的对比实验，可知负泊松比材料因为存在独特的裂纹尖端应力场，所以它在断裂破坏时断裂强度比普通材料更大、断裂韧性也比普通材料更大。 （3）剪切模量高，根据负泊松比泡沫材料的抗剪实验数据可以得到其剪切模量最高可以达到普通泡沫的2倍左右，远远超过一般材料。一般大型飞机机身蒙皮要承受较大的扭转载荷，芯层的泡沫或蜂窝极易被剪切破坏，所以一般都选用负泊松比泡沫或蜂窝作为夹芯材料。 （4）减振吸能，张梗林等人通过对负泊松比蜂窝材料与正泊松比材料分别构成的减振器实验分析得到负泊松比材料构成的减振器的性能更优。这是因为蜂窝隔振器内部是由蜂窝胞元周期性组合而成，具有良好的变形特性，可以将动能转化为应变能，从而达到减振效果。 四、负泊松比效应在土木工程中的应用 负泊松比材料的优异性质目前主要应用于航天飞机蒙皮制造以及船舶防撞装置设计。在土木工程方面的应用也有不少，主要目前主要有以下几方面。 （1）桥梁伸缩缝装置，2015年长安大学的尹冠生教授等人成功实现了基于负泊松比结构的桥梁伸缩缝装置。桥梁变形要求伸缩缝在平行、垂直于桥梁轴线的两个方向，均能自由伸缩、牢固可靠；车辆行驶过时应平顺、无突跳与噪声；要能防止雨水和垃圾泥土渗入阻塞；安装、检查、养护、消除污物都要简易方便。而负泊松比蜂窝结构具有拉时其垂直方向膨胀，受压时收缩的性能。所以安装在梁体间隙之间具有足够的变形能力，同时负泊松比效应使得材料的力学性能得到增强使蜂窝结构在横向和竖向具有一定的承载能力，这样既可满足桥上汽车平稳通过，又能满足桥梁横向具有足够的刚度和强度。 （2）以NPR锚杆/索支护原理为基础的围岩支护体系的应用，何满潮等根据负泊松比材料的结构效应，设计了宏观尺度上的NPR锚杆/索，通过的带有椎体的杆件与套管的相对滑移实现拉伸-膨胀效应，以钢构件的摩擦损耗吸收岩体多余的变形能，实现了岩体大变形的控制加固、监测预警技术。该应用在岩石力学领域首次提出NPR支护的概念及其理论应用。
新能源材料论文
摘要 本文根据制作材料的种类和状态的不同将太阳能电池分为以下几种：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、薄膜型太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化纳米晶太阳能电池，并对每种太阳能电池进行了简要的介绍。对于不同材料的太阳能电池的优缺点进行了比较和分析，从而为以后改进与发展提供依据。采用图表的方式，介绍了目前世界各国不同太阳能电池的实际生产量。由于在材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1％。预期今后10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。提高转换效率和降低成本仍然是太阳能电池发展的大趋势。概括介绍了几种新的技术探索方向，为今后的科学研究指明了方向。 关键词太阳能电池工作原理单晶硅多晶硅化合物有机物薄膜纳米晶
引言 当今世界，随着人类对传统资源如煤矿等的过度开采和利用，引发了一些环境污染问题，也引起了社会各界人士的广泛关注，如今，能源问题已成为全球关注的重大问题。各大国在经济竞争的同时，也在竞争着对新能源的开发及利用。因而，为了使人类更加合理地利用自然资源，同时也为了国家的可持续发展，新能源材料的研发已经成为国家科技战略的基本内容。 新能源是指传统能源之外的各种能源形式，主要包括太阳能、地热能、风能、海洋能以及由可再生能源衍生出的生物燃料和氢所产生的能量。 新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。新能源材料主要包括：太阳能电池材料、镍氢电池材料、锂离子电池材料、反应堆核能材料。 一.材料介绍 1、光伏材料 太阳能光伏材料是目前我国正大力发展的新能源材料。 光伏材料是能将太阳能直接转换成电能的材料。光伏材料又称太阳电池材料，只有半导体材料具有这种功能。可做太阳电池材料的材料有单晶硅、非晶硅、多晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。其中单晶硅、多晶硅、非晶硅材料已实现批量生产。我国财政部现已出台十大措施助力光伏产业发展，其中一条是"金太阳工程"。该工程的重点内容将是以国家财政补贴的形式，支持国内光伏市场的启动，计划在近2-3年的时间内，在全国建立500兆瓦的光伏发电示范项目。除此之外，光伏电站和光伏并网发电等项目，都将成为“金太阳”工程补贴的重点。 目前我国国内著名的太阳能公司有无锡尚德，江西赛维LDK，保定天威英利，晶澳太阳能，浙江昱辉。 然而太阳能光伏产业依然面临着挑战：如何进一步降低材料成本和提高转换效率，使太阳电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模的应用创造条件。 2、反应堆核能材料 反应堆核能材料以铀、氘、氚为代表。 其中铀是高能量的核燃料，１千克铀可供利用的能量相当于燃烧2050吨优质煤。虽然陆地上铀的储藏量并不丰富，且分布不均匀，只有少数国家拥有，然而在海
负泊松比(拉胀)材料相关资料收集
负泊松比（拉胀）材料相关资料收集 一、概述 泊松比是基本的材料参数之一，衡量了固体在垂直加载方向变形与加载方向变形之间的比值，变化范围在0。5与-1之间。 下表是一些材料的典型泊松比值： Material poisson's ratio rubber~ 0。50 gold0。42 saturated clay 0。40–0。50 magnesium0。35 titanium0。34 copper0。33 aluminium-alloy 0。33 clay0。30–0。45 stainless steel0。30–0。31 steel0。27–0。30 cast iron0。21–0。26 sand0。20–0。45 concrete0。20 glass0。18–0。3 foam0。10–0。40 cork~ 0。00 auxetics negative 泊松比作为基本的弹性常数，可以由体积模量K和剪切模量G的比值来确定，满足如下关系： 这意味着泊松比实际上表征了材料在载荷作用下发生形状畸变或者体积变形之间的竞争。 通常情况下，材料具有正的泊松比(Positive Poisson Ratio)，即材料在受到纵向拉伸时，横向尺寸收缩。如果横向尺寸变大，这种材料就是负泊松比（Negative Poisson Ratio，简称为NPR或Auxetic）材料。 二、历史
1982年，Ashby首次指出具有细胞状结构的材料，在变形时，能产生负的泊松比。人们也已经发现合成材料能够产生负泊松比的现象，如：“可再入”泡沫材料、多孔聚合物、聚合物层压材料。 从分子设计出发合成负泊松比材料少有报道。Evans于1991年用分子模拟技术，利用分子内的自由体积，从几何结构出发，设计了一种可能产生NPR效应的二维分子网络结构，提供了一个从分子水平裁剪泊松比的例子。1997年，Griffin 提出了一种基于主链型液晶高分子NPR材料的模型（Fig。 1），随后又从理论上计算了这种分子模型产生负泊松比时横向液晶基元需要满足的尺寸条件。 受Griffin分子模型的启发，通过液晶共聚酯实现负泊松比效应的尝试，合成了一系列有望具有负泊松比效应的液晶共聚酯（Fig。 2）。 三、实例 聚乙烯醇(PVA)水凝胶 具有特殊多孔结构，除有高含水性、高弹性、化学稳定性、对小分子的透过性以及良好的生物相容性，还具有负泊松比效应的可设计性，可作为软骨、椎间盘、肌肉韧带等软组织的替代植入修复材料，应用在生物医用材料领域，缓解动脉硬化、血栓等血管疾病对人体造成的危害。虽然人们已对一些生物组织和生物材料的负泊松比效应进行了研究，但迄今为止还没有出现临床应用的生物功能拉胀材料的相关报道；在关于多孔聚乙烯醇(PVA)水凝胶出现负泊松比效应的微观结构、形态与形变机理等方面，国内外研究较少，对相关的材料体系缺乏充分的实验数据和理论依据。 液晶高分子聚酯阻燃PVC 经分子设计，通过2，5—二对烷氧基苯酰氧基对苯二酚、4，4&apos；—二羟基—αω—二苯氧基癸烷和4，4&apos；—癸二酰氧基二苯甲酰氯之间的缩合反应合成了一系列具有负泊松比潜能的液晶共聚酯。 所有聚合物的熔点都非常低，表明合成的一系列液晶聚合物非常容易进入液晶态，并且液晶场能够很好地保存到室温。另外，所得聚合物的分解温度都高于聚合物的清亮点，这为负泊松比材料的加工提供了条件。
新能源材料分类及其研究进展
新能源材料概况及最新研究进展 摘要：随着经济全球化发展，能源的消耗日渐增加。因此，对新能源材料的研究成为了人们关注重要问题。在现代化科技下新能源是优化能源结构、降低碳排放以及实现可持续发展之重要的途径。但是随着科技的发展，新能源材料研究的进展究竟如何一直是有待探究的问题[1]。本文主要介绍了新能源材料的概况及最新研究进展。 关键词：新能源材料，概况，最新进展 1前言 新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，它是发展新能源的核心和基础。新能源材料是新能源开发的物质基础，近几年，我国政府比较重视能源材料的开发和应用，9 7 3 计划、8 6 3 计划、科技攻关计划、高技术产业化专项等计划对绿色二次电池、燃料电池和太阳能电池等能源器件及其关键材料的研究开发和产业化均有一定投入[2]。当前的研究热点和技术前沿包括高容量储氢材料、锂离子电池材料、质子交换膜燃料电池和中温固体氧化物燃料相关材料、薄膜太阳能电池材料等。 2.新能源材料概况 目前比较重要的新能源材料有：（1）裂变反应堆材料，如铀、钚等核燃料、反应堆结构材料、慢化剂、冷却剂及控制棒材料等。（2）聚变堆材料：包括热核聚变燃料、第一壁材料、氚增值剂、结构材料等。（3）高能推进剂：包括液体推进剂、固体推进剂。（4）燃料电池材料：如电池电极材料、电解质等。（5）氢能源材料：主要是固体储氢材料及其应用技术。（6）超导材料：传统超导材料、高温超导材料及在节能、储能方面的应用技术。（7）太阳能电池材料。（8）其它新能源材料：如风能、地热、磁流体发电技术中所需的材料。 新能源材料是指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料。新能源材料对新能源的发展发挥了重要作用, 一些新能源材料的发明催生了新能源系统的诞生, 一些新能源材料的应用提高了新能
复合材料加工研究进展
复合材料加工技术的最新研究进展 摘要：本主要综述了陶瓷基、树脂基这两种主要的非金属基复合材料的加工技术。通过对传统加工和新型加工技术的比较，认为今后研究非金属基复合材料加工工艺参数的优化，工艺过程中关键步骤的改进，新技术的研究，生产设备自动化、智能化程度的提高，生产线的规模化、专业化、可控制化，是其加工技术发展的关键。 关键词：陶瓷基、树脂基、复合材料加工 复合材料是由两种或两种以上不同化学性能或不同组织结构的材料，通过不同的工艺方法组成的多相材料，主要包括两相：基体相和增强相。20世纪40年代，因航空工业需要而发展了玻璃纤维增强塑料，是最早出现的复合材料，从此以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成了格局特色的复合材料。复合材料由于其具有各方面独特的性质，广泛应用与军事工业，汽车工业、医疗卫生、航空、航海以及日常生活的各个方面。对于复合材料的加工技术的研究，将是扩大其适用范围的关键之一[1]。 1 陶瓷基复合材料的加工 由于陶瓷材料同时具有高硬度、高脆性和低断裂韧性等特点，使得其加工、特别是成形加工，至今仍非常困难。在陶瓷材料加工中，使用金刚石工具的磨削加工仍然是目前最常用的加工方法，占所有加工工艺的80％。而陶瓷材料磨削加工不仅效率低，而且在加工中很容易产生变形层、表面/亚表面微裂纹、材料粉末化、模糊表面、相变区域、残余应力等缺陷，这对于航空、航天、电子等高可靠性、高质量要求的产品是决不允许的。陶瓷精密元件的加工费用一般占总成本的30％～60％，有的甚至高达90％。因此，通过新的陶瓷加工制造技术的探索，能够很好的提高产品制造精度和降低生产成本[2]。 1.1新型加工技术 1.1.1 放电加工 放电加工(EDM)是一种无接触式精细热加工技术，当单相或陶瓷／陶瓷、陶瓷／金属复合材料的电阻小于100Ω.m时，陶瓷材料可以进行放电加工。首先将形模(刻丝)和加工元件分别作为电路的阴、阳极，液态绝缘电介质将两极分开，通过悬浮于电介质中的高能等离子体的刻蚀作用，表层材料发生熔化、蒸发或热剥离而达到加工
中国新能源的发展现状与未来趋势
中国新能源的发展现状与未来趋势The Current Development Situation and the Future Trend of Chinese New Energy 新能源发展趋势、前景 从新能源行业发展总体情况来看,大部分新能源利用方式始于20世纪70年底,并在90年代开始普及应用,虽然部分技术趋向成熟,但无论从市场扩张速度还是成长前景看,新能源行业仍然处于生命发展周期中的成长期,并将在3年左右的时间内陆续进入成熟期。 由于技术的限制,短期内电力行业没有替代品,电力行业生命周期的问题主要研究对象是各种具体的电源类型,比较的是这些电源类型之间的替代和生命周期。新能源由于具有清洁、可持续的特性,因此新能源行业的成熟期持续时间将较长,即使到了行业的饱和衰退期,其衰退速度也将很慢。 具体来看,水电行业历史悠久,技术已经比较成熟,可以看作是步入成熟期的行业;风电产业在20世纪70年代末起始西欧国家,风电设备行业克服了“能量不稳定”、“转换效率低”等弱点,在丹麦、德国、西班牙、荷兰、美国、日本、印度等国家得到广泛应用,风电设备产业在部分国家开始饱和,逐步向外技术输出。从这些特征可以确定,风电设备产业在先发国家已经进入了成熟期,但在中国、印度等新兴国家,风电产业仍处于快速成长期;太阳能发电行业目前在技术研发、试点应用等方面取得了显着成效,已经脱离了幼稚期,但由于成本仍然过高,限制了技术的推广应用,可以看作刚刚进入成长期的朝阳产业。 新能源行业目前投资成本仍然较高,尤其是大型风电基地、核电站的投资规模要求很高,行业存在一定风险,但短期来看,国家新能源发电优先上网的政策对新能源行业盈利水平提供了基本的保障。虽然风电设备、多晶硅等部分潜在产能过剩或存在低水平重复建设的行业竞争趋向激烈,部分企业发展面临困难。但在2020年前,在国家节能减排及能源结构调整的大背景下,新能源行业均将保持在景气区间,行业盈利水平有望持续提高。一、中国能源行业发展历史
多孔材料研究进展.
多孔材料研究进展 1前沿 根据国际纯粹化学与应用化学联合会的规定 1, 由孔径的大小, 把孔分为三类:微孔 (孔径小于 2nm 、介孔(2~50nm 、大孔(孔径大于 50nm ,如图 1所示。同时,孔具有各种各样的类型(pore type和形状(pore shape ,分别如图 2, 3所示。在一个真实的多孔材料中, 可能存在着一类, 两类甚至三类孔了。在这片概述中, 我们把多孔材料 (porous materials 分为微孔材料 (microporous materials、介孔材料 (mesoporous materials、大孔材料 (macroporous materials ,将分别对其经典例子、合成方法,及其应用予以讨论。
Figure 1 pore size Figure 2 Pore type Figure 3 Pore shape 2 多孔材料 2.1 微孔材料 (microporous materials 典型的微孔材料是以沸石分子筛为代表的。在这里我们要举金属 -有机框架化合物 MOFs (metal-organic frameworks 的例子来给予介绍。 MOF-52是这类材料中的杰出代表, 是 Yaghi 小组在 1999年最先合成出来的。以 Zn (NO 3 2·6H 2O 和对苯二甲酸为原料,通过溶剂热法合成了非常稳定(300℃,在空气中加热 24小时,晶体结构和外形保持不变、具有很高孔隙率(0.61-0.54 cm3 cm-3 、密度很小(0.59gcm 3的多孔材料 MOF-5。如图 4所示分别是 MOF-5的结构单元及其拓扑结构。在MOF-5中, Zn 4(O(BDC3构成了次级构筑单元 SBU(second building unit, SBU通过
复合材料研究进展讲述
铝基复合材料的制备和增强技术的研究进展 摘要本文简单介绍了铝基复合材料的一些基本的制备方法。对于纳米相和碳化硅颗粒增强的铝基复合材料，它们也有不同的制备方法。 关键词铝基复合材料纳米相碳化硅颗粒 0前言 复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成。金属基复合材料基体主要是铝、镍、镁、钛等。铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。此外,铝基复合材料比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨。同其他复合材料一样,它能组合特定的力学和物理性能,以满足产品的需要。因此,铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。本文主要讲述铝基复合材料的制备方法以及增强技术的发展情况。 1 铝基复合材料的制备工艺 1.1 无压浸渗法 无压浸渗法是Aghaianian 等于1989 年在直接金属氧化工艺的基础上发展而来的一种制备复合材料的新工艺[1]，将基体合金放在可
控气氛的加热炉中加热到基体合金液相线以上温度，在不加压力和没有助渗剂的参与下，液态铝或其合金借自身的重力作用自动浸渗到颗粒层或预制块中，最终形成所需的复合材料。 Aghajanian 等[2]撰文指出，要使自发渗透得以进行，需具备两个必要条件：①铝合金中一定含有Mg元素；②气氛为N2环境。影响该工艺的主要因素为：浸渗温度、颗粒大小和环境气氛种类。无压渗透工艺的本质是实现自润湿作用，通过适当控制工艺条件，如合金成分、温度、保温时间和助渗剂等，可取得良好的润湿，使自发浸渗得以进行。 1.2 粉末真空包套热挤压法 采用快速凝固技术与粉末冶金技术相结合制备高硅含量铝基复合材料。由于Al 活性很高，在快速凝固制粉时不可避免地会形成一层氧化膜，导致在致密化过程中合金元素的相互扩散受到阻碍，难以形成冶金粘结。因此，采用了粉末真空包套热挤压这一特殊的致密化工艺[3]。 1.3 喷射沉积法 喷射沉积技术是一种新的金属成形工艺，由Singer 教授于1968 年提出，后经发展逐步形成了Osprey工艺、液体动态压实技术和受控喷射沉积工艺等。 喷射沉积的基本原理是：熔融金属或合金经导流管流出，被雾化
发展新能源材料的时代意义
发展新能源材料的时代意 义 Prepared on 22 November 2020
发展新能源材料的时代意义 摘要：我国经济的迅速发展使得对能源的需求增加，常规的化石能源供应不足的矛盾日益突出。能源安全成为我国必须解决的战略问题。发展新能源和可再生能源十分紧迫，也是世界各发达国家竞相研究的热点课题之一。新能源与可再生能源不仅有利于解决和补充我国化石能源供应不足的问题，而且有利于我国改善能源结构，保障能源安全，保护环境，走可持续发展之路。开发利用新能源与可再生能源也是构建资源节约型与环境友好型社。 关键字：化石能源新能源能源结构可持续发展资源节约型环境友好型 一、新能源定义 新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。 二、新能源的发展趋势及国内外新能源最新进展 部分可再生能源利用技术已经取得长足的发展，并在世界各地形成了一定规模。表1-34为可再生能源转换技术的分类。目前生物质能，太阳能，风能以及水力发电，地热能等的利用技术已经得到利用。 表1-34 可再生能源转换技术的分类
2001世界一次能源消费总量为Mtoe，其中石油占35%，煤炭占%，天然气占%，可再生能源占%(其中生物质能占%，水力占%，太阳能等占%)，核能占%，2000年世界电力生产中可再生能源的贡献率占19%，仅次于煤炭，其中水力发电占17%，生物质占5%，太阳能等不到3%。 在表1-35为2001年世界主要地区可再生能源的消费情况。可以看出，在发达国家，生物质能占总的一次性能源的3%左右，而发展中国家生物质能占总的一次能源大约35%，而且主要是用于炊事。这反映出不同国家和地区的科技水平的差别。1971~2000年30年间可再生能源的平均增长率和总的一次能源平均增长率相当。其中地热能，太阳能，风能和海洋能的发展速度最快，年均增长率达到%，风能和太阳的增长率高达%、%，表明他们在快速发展。 在表1-35的数据表明，在2001年我国的可再生能源站总的一次能源的%，然而其中大部分是燃烧型的生物质能，小部分是水电，而太阳能、地热能、风能等能源的利用率几乎为零。我国的能源统计年鉴等都没有对可再生能源的生产、消费等情况进行统计，表明这些有较高技术含量的可再生能源在我国正处于研究开发之中的起步阶段，利用率还比较低，利用规模和水平与国际相比差距很大。 表1-35 2001年世界主要各地区可再生能源的消费情况 国际能源署（IEA）对2000~2030年国际电力的需求进行了研究，如表1-36所示。其中来自可再生能源的发电量平均增长最快。IEA的研究认为，在未来30年内非水力的可再生能源发电将比其他任何燃料的发电都要增长得快，年增长速度接近6%，在2000~2030年间其总量发电将增加5倍，到2030年买它将提供世界总电力的%，其