功能梯度材料及其在太阳能电池中的应用

功能梯度材料(Functionally Gradient Materials,FGM)由于其独特的性能及作为一种全新的概念已引起越来越多科学家的重视.本文简要回顾了功能梯度材料的研究发展史,对FGM的各种制备技术进行了总结,并对其在太阳能电池方面的应用进行了重点介绍.     

波阻抗梯度飞片材料及其在动高压物理中的应用

波阻抗梯度飞片材料是一类新型的功能梯度材料（FGM）,它是FGM在动高压物理领域内的功能延伸.利用波阻抗梯度飞片材料可以实现对靶材料或二级飞片的准等熵压缩和超高速发射,进而能够在实验室条件下获得相当于核爆水平的极端超高压状态,从而为核武器的设计和武器物理研究提供了现实、可行的研究手段.     

面向等离子体SiC/C功能梯度材料的研究

用热压制备了SiC/C功能梯度材料（Functionally Graded Materials,FGM），评估了SiC/C FGM的微观组织和物理性能。其中SiC/C FGM的耐等离子体冲刷行为显示了它们在核聚变实验装置中作为面向等离子体材料的良好应用前景。     

功能梯度材料的制备与应用进展

功能梯度材料(FGM)是由日本人首先提出的一种新型复合材料,从提出后到现在已经得到了深入的研究和广泛的应用.阐述了功能梯度材料的概念及其产生背景,重点评述了功能梯度材料各种制备技术的原理和特点,以及国内外在应用方面取得的各种成果,探讨了功能梯度材料的发展方向.     

基于裂纹尖端应力比值的含裂纹功能梯度材料圆筒应力强度因子计算方法

由于功能梯度材料(FGM)性质的特殊性,现有含裂纹FGM结构应力强度因子计算方法难以避免复杂的矩阵运算以及数值积分。该文针对含外表面环向裂纹FGM圆筒,利用FGM圆筒与均匀材料圆筒裂纹尖端应力之间的比例关系,将复杂的FGM圆筒应力强度因子求解问题转化为简单的应力值提取问题以及经验公式计算问题,仅由均匀材料圆筒应力强度因子经验公式、均匀材料圆筒和FGM圆筒裂纹尖端应力比值即可得到任意含裂纹FGM圆筒应力强度因子。该方法仅需建立2D轴对称模型即可满足计算要求,在保证精度的基础上成功回避了传统方法中的复杂矩阵运算以及数值积分,且适用于不同FGM、筒体尺寸、裂纹深度等情况下的应力强度因子计算。通过多组算例对比分析,证明该方法计算精度高、计算过程简便,便于工程应用。     

功能梯度板壳的力学研究进展

功能梯度材料(FGM)是一种材料组分或微观结构沿一个或几个方向连续变化的新型复合材料。FGM中基本消除了宏观界面,同时具有很好的可设计性,设计人员可以有目的地改变材料组成,以获得所期望的性能。由FGM构成的功能梯度板壳结构在许多工程领域中有着广阔的应用前景,评述了FGM板壳结构的弯曲、屈曲和后屈曲、振动和动力稳定性等力学问题研究的发展现状,阐述了常用方法和理论的优缺点,并提出了未来的发展趋势和需要研究的方向。     

功能梯度Levinson梁自由振动响应的均匀化和经典化表示

在两端简支边界条件下,给出了Levinson高阶剪切变形理论下功能梯度材料(FGM)梁的固有频率与参考均匀Euler-Bernoulli(E-B)梁的固有频率之间的解析转换关系。假设FGM梁的材料性质沿着梁的高度任意连续变化,通过分析FGM Levinson梁和均匀E-B梁的自由振动控制方程以及边界条件在数学上的相似性,推导出了用参考均匀E-B梁的固有频率表示的FGM Levinson梁的固有频率的解析式;从而,将复杂的耦合微分方程边值问题的求解简化为一些与梁的材料非均匀特性及几何特性有关的系数的计算问题。从而实现了Levinson剪切变形理论下FGM梁的振动响应的经典化和均匀化表示,可为工程应用提供便利。     

温度影响下Winkler-Pasternak弹性地基上多孔FGM矩形板的自由振动分析

基于经典薄板理论和Hamilton原理研究温度影响下Winkler-Pasternak弹性地基上多孔功能梯度材料(FGM)矩形板的自由振动特性。采用Voigt混合幂率模型和孔隙任意分布模型来表征多孔FGM矩形板的材料属性,并考虑多孔FGM矩形板内部均匀温升和材料具有温度依赖特性;应用物理中面推导弹性地基上多孔FGM矩形板自由振动的控制微分方程并进行无量纲化;采用微分变换法(DTM)对无量纲控制微分方程及其边界条件进行变换,引入典型的六种边界在MATLAB统一编程且保证计算精度一致,经过迭代收敛,求解出无量纲固有频率;通过算例研究了边界条件、梯度指数、升温、孔隙率、长宽比、边厚比、无量纲弹性刚度系数和无量纲剪切刚度系数对多孔FGM矩形板振动特性的影响。     

基于物理中面FGM梁的非线性力学行为

当坐标面置于功能梯度材料(FGM)梁的物理中面上时,其本构方程中,面内力与弯矩并不耦合,这使得问题的控制方程以及边界条件得以简化.该文利用物理中面概念,基于一阶非线性梁理论,导出了FGM梁的基本方程,分析研究了热载荷作用下FGM梁的过屈曲、弯曲以及在这些构形上的振动等问题.假设功能梯度材料性质只沿梁厚度方向,并按成分含...     

含裂纹功能梯度材料梁结构的振动功率流特性分析

功能梯度材料(FGM)梁在工程中应用日益广泛,而梁中裂纹的存在改变了局部刚度等特性,使得功能梯度材料梁的振动和波传播特性发生改变。以含有张开型裂纹的功能梯度梁为对象分析其波传播和振动功率流特性。利用转动弹簧模型模拟裂纹,给出由裂纹引起的局部柔度表达式。建立无限长FGM欧拉梁结构的动力学方程,采用波动法结合梁的连续条件计算得到FGM欧拉梁的振动特性,对无缺陷梁和裂纹梁的输入功率流和传播功率流进行分析。讨论了材料梯度指数、激励频率、裂纹深度和裂纹位置等信息与输入功率流、传播功率流之间的关系,为基于振动功率流的裂纹FGM梁的损伤识别提供理论基础。     

功能梯度材料当量热导率的计算方法

本文首次提出了功能梯度材料当量热导率的概念,并推导了当量热导率的计算方法,该方法的确定不仅可以指导FGM的成分、组织和结构设计,而且还可以加速FGM实用化的进程,具有重大的理论意义和巨大的实用价值.     

SiO2/环氧(E44)热膨胀性渐变的梯度功能材料(FGM)设计中的数学模型极其热应力分析

以基体树脂环氧(E44)为连续相，SiO2颗粒为分散相，设计了一种新型的热膨胀性渐变的梯度功能材料(FGM)，通过实验测定结合理论分析，确定了FGM材料组成与弹性模量、热膨胀系数及导热系数之间的关系式。应用经典层合板理论和热弹性力学理论分析了SiO2／环氧E44叠合层在稳态温度场内温度分布和热应力分布。结果表明，在稳态温度场内，FGM板的热应力分布依赖于体系的组成分布，当组成分布指数k=1时，最大热应力具有最小值。在该组成分布下，FGM板的热膨胀系数等各项性质都呈线性渐变。     

非保守功能梯度材料杆的后屈曲分析

对受切向均布随从力作用的右端可移简支功能梯度材料(FGM)杆,基于轴线可伸长杆的大变形理论建立了非线性控制微分方程组,用打靶法对由金属和陶瓷所构成的FGM杆的后屈曲特性进行了数值分析,给出了不同梯度指标下FGM杆的后屈曲特征曲线,并与金属和陶瓷两种单相材料杆的相应特性进行了比较,讨论了FGM杆长高比对其后屈曲特性的影响。     

功能梯度压杆在均布载荷作用下的后屈曲形态

对受均布载荷作用功能梯度材料(FGM)压杆的屈曲及后屈曲行为进行了分析。基于杆的大变形理论, 考虑杆的轴线伸长, 建立了受均布载荷作用下细长FGM压杆的几何非线性平衡方程, 其中假设FGM杆的性质沿厚度方向按照幂函数连续变化。采用打靶法和解析延拓法数值求解非线性两点边值问题, 获得了一端自由一端固定FGM杆的后屈曲数值解。给出了不同梯度指标下FGM杆的后屈曲特征曲线, 并与金属和陶瓷两种单相材料杆的相应特性进行了比较, 分析和讨论了材料的梯度性质参数对杆变形的影响。结果表明: FGM杆后屈曲行为与各向同性均质杆有很大区别, 梯度指数对杆的屈曲载荷以及后屈曲形态有明显的影响。      

一般边界条件下功能梯度梁三维振动特性研究

基于卡莱拉统一公式(CUF)建立了一般边界条件下功能梯度(FGM)梁的高阶统一动力学模型和分析方法。利用二维泰勒公式对FGM梁截面位移函数进行高阶拟合,经典梁理论可以视为一阶泰勒公式的特殊形式。采用Voigt线性混合模型分别考虑了两种功能梯度材料分布形式:材料属性仅沿宽度或厚度单一方向发生变化;材料属性同时沿宽度和厚度方向发生变化。通过罚函数法将FGM梁的边界条件量化为边界能量的形式,实现了对边界条件的参数化分析,并消除了位移容许函数对边界条件的依赖性。利用瑞利-利兹法和勒让德多项式函数对FGM梁的振动问题进行求解。通过与文献中结果对比,验证了此方法的有效性和正确性。最后,研究了几何尺寸、材料属性和边界条件对FGM梁振动特性的影响规律。     

HA(ZrO2)/316L不锈钢纤维对称功能梯度生物材料

制备了HA(ZrO2)/316L不锈钢纤维对称功能梯度材料(FGM),316L不锈钢纤维的含量(体积分数)按20%→10%→0→10%→20%呈轴向对称梯度变化.分析了材料的微观结构和微区元素含量,研究了材料的性能与316L不锈钢纤维含量的关系.结果表明,在HA(ZrO2)/316L不锈钢纤维对称FGM中,316L不锈钢纤维在微观上呈无序和均匀分布状态,它被包裹于HA(ZrO2)基体中,两者紧密结合.316L不锈钢纤维与HA(ZrO2)基体间的界面表现为部分凹凸不平,紧紧地咬合在一起.在FGM基体中发生了微量的韧化相Fe元素扩散,在韧化相316L不锈钢纤维不发生基体相Ca、P元素的扩散,基体与韧化相之间不发生化学反应.随着316L不锈钢纤维含量的增加,HA(ZrO2)/316L不锈钢纤维复合材料的断裂韧性和弹性模量逐渐增加,体现了FGM中各梯度层的力学性能缓和设计.按Miao模型计算HA(ZrO2)/316L不锈钢纤维FGM中的残余热应力为515 MPa,FGM的增韧机理主要为纤维的拔出增韧和层间的裂纹偏转增韧.     

热环境对FGM壳模态频率的影响

为了推动功能梯度材料(FGM)在高超音速飞行器热防护结构设计中的应用,旨在探讨不同温度场对热防护壳模态频率的影响,提供热防护壳动力学设计参考。从陶瓷金属基FGM的热物性参数模型入手,结合圆柱薄壳能量原理,建立FGM圆柱壳的模态方程。在此基础上,首先分析热物性参数变化规律对FGM壳模态频率的影响,然后探讨考虑热应力后不同热环境下FGM壳模态频率的变化规律。结果表明,FGM物性参数变化对模态频率的影响没有热力耦合影响明显;温度梯度300 K时,物性参数变化对模态频率起主导作用,反之温度梯度300 K时,热应力和热变形对模态频率起主导作用。     

材料属性温度相关变厚度FGM圆板自由振动DQM求解

基于一阶剪切理论和哈密顿原理,研究了功能梯度材料(FGM)变厚度圆板在热环境中的自由振动问题。假设材料性质沿厚度幂指数连续变化且材料属性与温度相关,推导了问题的运动微分方程。用微分求积法(DQM)计算了变厚度FGM圆板横向振动的无量纲频率,并与各向同性等厚度圆板的固有频率进行了比较。讨论不同均匀和非均匀温度场、材料梯度变化、厚度系数变化以及不同边界条件对FGM圆板固有频率的影响。     

圆板状SiC/C功能梯度材料残余热应力特征有限元分析

功能梯度材料残余热应力的大小及分布对其性能有效发挥及长期稳定使用有着较大的负面影响,为了尽可能充分发挥材料性能,增加材料的使用寿命,需尽可能减小残余应力以及使其合理分布.本文采用ANSYS有限元分析软件对不同叠层工艺参数的等离子体第一壁候选材料--SiC/C功能梯度材料(FGM)的残余热应力进行了数值模拟,获得了使热应力有效缓和的较适宜的工艺参数,对实际研发制备目标材料也可提供一些理论参照.相关结果表明,适量增加梯度叠层数及中间梯度层厚度可逐步有效缓和残余热应力,同时,针对本文今后应用的仍以炭材料为主体的炭基陶瓷保护层复合SiC/C FGM而言,纯SiC层厚度应取较小值,而叠层成分分布指数应取0.8～1.0为宜.     

变曲率FGM拱的面内自由振动分析

基于Euler-Bernoulli曲梁理论,考虑材料沿拱厚度方向呈梯度分布时中性层的改变,将变曲率功能梯度材料(Functionally Graded Materials,FGM)拱在弧线方向离散成多个曲拱单元。视每个曲拱单元为半径一定的圆弧拱单元,根据Hamilton变分原理推导出FGM圆弧拱单元的面内自由振动方程,进而求得了单元传递矩阵。利用传递矩阵法(Transfer Matrix Method,TMM)推导出变曲率FGM拱的面内自由振动特征方程,求解两端固定边界条件下变曲率FGM拱面内自由振动的固有频率,并将得到结果与现有文献作了比较,证明TMM对求解该问题的有效性。分析了曲率变化系数和材料体积分数变化系数对变曲率FGM拱的面内自由振动频率的影响。