材料性能的分析方法

本文从方法论角度,讨论材料性能的逻辑分析和系统分析方法,分五节: 1.引言——定义了“材料”,引出“性能”的重要性。 2.逻辑分析——采用定义和划分这两种逻辑方法,分别明确“材料性能”这个概念的内涵和外延。从整体、联系和变化的观点,讨论材料性能的五个共性问题——现象与本质,区分与联系,复合与转换,主要与次要,发展与改造。 3.系统分析——从系统功能的分析方法,提出并讨论了三种“材料性能分析方法”:黑箱法、相关法、过程法。 4.韧性与韧化——定义了韧性,讨论了光滑、缺口及裂纹试样的韧性;从韧性的系统分析图理出并讨论了韧化的四个命题:应力、应变和应变能,内因和外因,能量和过程,韧性和脆性。 5.结语——强调跨学科、复合和仿生的“方法”。     

功能梯度材料评价方法的进展

一个研究功能梯度材料的国家项目正在进展中,它旨在开拓可用于航天飞机超耐热材料发展所需要的基本技术。功能梯度材料是一种新的复合材料,它用各种方法设计的成份和显微结构在每一处都是连续变化的,从而使它具有减轻诱导热应力的最大作用。该项目的研究中心分为三个小组:材料设计组、材料合成组及材料评价组。本文特别着眼于材料评价组的活动,概述了功能梯度材料项目的研究现状。为了提供材料设计数据并评价材料合成组提供的功能梯度材料的机械性能及隔热性能,设计了下冽试验方法:①小穿孔试验;②激光加热热冲击试验;③隔热性能试验。本文概述了这些试验方法及到目前为止所获得的试验结果。最后,从这三个研究组学科之同相互配合关系,讨论了试验方法标准化及建立材料性能数据库的意义。     

材料的工程性能与材料选择

本文介绍了材料的主要工程性能指标及有关选材判据;讨论了材料工程性能的物理本质、表征参量、相互关系、材料性能图及其应用。     

纳米多孔硅含能材料性能研究

结合微机电系统(micro-electromechanical systems)加工技术采用电化学腐蚀法制备多孔硅,通过扫描电镜、比表面积测试仪、差热和红外对多孔硅结构参数以及多孔硅含能材料性能进行了分析,同时对其发火性能进行了测试,结果显示多孔硅具有均匀的纳米尺度孔径,孔径为20 nm左右,较大的比表面积以及良好的海绵体结构特性;纳米多孔硅含能材料在热能刺激下515℃时可发生热分解反应;在热烘烤2 min或者1.6 A直流条件下多孔硅含能材料可靠发火。表明了纳米多孔硅含能材料在没有金属壳体条件限制时,可以在热能和电能刺激下发生点火作用。     

纳米碳在含能材料中的应用进展

纳米碳具有比表面积大、安全钝感、燃烧产物绿色无污染、与反应物接触面积大及易改性等优点,在调节高能炸药、推进剂、铝热剂等含能材料性能方面具有一定优势。本文总结了纳米碳对含能材料的分解特性、感度、力学性能、燃烧性能的影响、以及其用于含能材料检测、吸附、降解方面的应用进展。分析了典型纳米碳,如纳米金刚石、富勒烯、纳米碳纤维、碳纳米管和石墨烯在含能材料改性中的作用机理,并指出纳米碳在含能材料应用中存在的问题,提出未来的发展方向：（1）优化纳米碳制备工艺,解决纳米碳成本高、易团聚和批次差异较大等问题;（2）扩大纳米碳应用范围,探究洋葱碳等新型纳米碳结构以及改性纳米碳对含能材料性能的影响;（3）根据特定环境与纳米碳调节机理,优化纳米碳在含能材料性能提升中的应用条件。     

铍在航天飞机轨道器上的成功应用

本文讨论了航天飞机轨道器的三个主要部分(宇航员座舱风档支架、垫片和梁;座舱中的导航基座;机身尾端的外贮箱加注门)的设计和材料性能要求。这些设计和要求导致了选用优质结构级铍。使用铍有两个主要原因:轻和刚度好。每个轨道器有22个用机械方法连接起来的铍零件和15个用粘结方法连接起来的铍零件。研制出了专用工具并提出了加工方法。精密零件的加工,要求用特定的切削参数和侵蚀参数,以消除切削过程引起的晶粒结构的双晶现象。详细地讨论了这些方法和过程以及碰到的一些问题。用优质热压结构铍制造的风档部件首次在载人受压的航天飞行器上获得成功应用。     

分层材料的不同排列次序对透射冲击波强度的影响

本文分析了分层材料的不同排列次序对冲击波透射效果所产生的影响 ,提出了削减爆炸冲击波透射强度的最优化排列次序的选取方法 ,并用该法对坦克装甲双层内衬材料的排列结构进行了讨论 ,结果表明该法对抗爆震结构的设计将有十分重要的指导意义。     

固体氧化物燃料电池阳极材料的制备和性能研究新进展

作为固体氧化物燃料电池(SOFC)关键材料之一,阳极材料的性能对整个SOFC的性能有着十分重要的影响.概述了SOFC阳极材料的最新研究动态,重点对以钇稳定氧化锆(YSZ)、掺杂氧化铈(DCO)、以及镓酸镧(LaGaO3)作电解质时SOFC阳极材料的选择,不同结构类型SOFC中阳极的制备方法,以及阳极的热学、电学及电化学性能的研究现状进行总结.     

Fe2O3/BAl纳米复合含能材料的制备及性能研究

利用溶胶-凝胶法制备了Fe2O3/BAl纳米复合含能材料,用SEM、XRD、DSC等方法对Fe2O3/BAl复合含能材料的微观形貌、结构以及热力学性能进行了研究。结果表明:Fe2O3紧密包覆在B粉和纳米Al颗粒表面;与普通Fe2O3/Al铝热剂相比,溶胶-凝胶法制备的Fe2O3/BAl纳米复合含能材料具有更好的点火特性。     

显微结构对浸银石墨材料性能的影响

研究了浸银石墨材料基体与浸渍银显微结构对材料力学与热膨胀行为的影响,讨论了材料组织结构与性能的关系,提出了满足高温使用性能要求的材料所应具有的显微组织结构特点。     

纳米复合含能材料的研究进展

对纳米复合材料的研究进展进行了综述,例举多种纳米复合材料的制备方法： sol-gel法、溶剂/非溶剂法、高能研磨法、多孔金属/填充物复合法.对这些制备方法及制品的性能进行了分析,认为纳米复合材料提供了研究含能材料的新角度,改进了纳米粉体含能材料储存使用过程的安全性,减轻了粒子团聚现象,有利于充分发挥材料的纳米特性.纳米复合含能材料的制备技术、制备工艺参数及制品结构对其性能的影响规律研究还处在探索阶段,今后还需理论和实践两个方面进行更加深入地分析、探讨.     

DNA自组装制备CuO/Al纳米复合含能材料

为了制备结构均匀且热性能优异的纳米复合含能材料,采用脱氧核糖核酸(DNA)自组装法在室温和水相中制备了CuO/Al纳米复合含能材料。采用红外光谱(FT?IR)、动态光散射(DLS)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)以及差示扫描量热仪(DSC)表征了纳米复合含能材料的结构及热反应性能。结果表明,通过DNA自组装法成功制备了一种微观结构更均匀的CuO/Al纳米复合含能材料;DNA自组装样品与同配比物理共混样品相比具有更高的反应热,且当φ=1.6时,自组装样品反应热达到1520 J?g~(-1),比同配比物理共混样品(999 J?g~(-1))提高52.15%。     

软化材料的弹塑性有限元分析

给出了软化材料弹塑性有限元分析的基本算法：选用显式Euler法作为本构积分方案;在结构未达到极限荷载前采用初应力法配合Thomas加速方案作为平衡迭代方法;而当结构接近极限荷载时,程序转换为弧长法控制迭代,使结构越过极值点进入软化区直至破坏。最后,讨论了该领域面临的重要问题——由于材料软化而导致的应变局部化现象及其有限元模拟。     

实际飞行环境中的航天器材料

在近20年里,通过地面模拟试验的方法,对空间环境中材料的衰变已经进行了很多实验研究。但是由于缺乏专项的飞行实验,很少有可能在实验室结果与轨道环境中获得的真实衰变之间进行比较。地面试验中有一些明显的限制,例如由太阳产生的远紫外线辐射在地面上很难复现;还有对在这一领域中有关氧原子对表面的影响及模拟方法的有限的了解并不可靠。为了研究一系列材料在实际空间环境中的表现,并评估实验室模拟试验的有效性,设计了两次空中试验。第一次安排在LDEF卫星中,该卫星在低地球轨道工作5.5年之后已经回收。另一次是在飞行器外活动过程中安排在MIR空间站的外部,1.1年之后回收,由宇航员带回地面。此两次试验的目的都在于获得有关热控制涂层、聚合物、复合材料和光学元件的衰变的情报资料。将60种材料的大约200个试样曝露在低地球轨道环境条件中,实验室对它们在曝露前后的性能进行了测量。大多数试样在空间环境中保持在静置状态,有些试样在飞行期间维持在机械应力条件之下(聚合物薄膜受拉;复合材料受弯曲)。提供了4个相同的试样的几组试验,用来研究氧原子和紫外线辐射的叠加作用的影响,并将它们与单独受太阳紫外线辐射作用的试样进行了比较。结果获得了有关在轨道上形成的破坏机理的有价值的资料,并导致了更为有效的模拟方法,这些方法在今后将用来更好地预测航天器材料的特性。     

多孔陶瓷材料制备工艺研究进展

介绍了多孔陶瓷材料的表征、制备工艺和应用,着重分析了孔隙结构与性能的关系,以及控制孔隙结构的制备工艺.并讨论了多孔陶瓷材料目前存在的问题及发展方向.     

雷达吸波材料研究进展

在讨论吸波材料工作原理的基础上, 综述了目前国际上吸波涂层材料的进展状况, 介绍了吸波材料的种类、性能特点、合成方法, 并指出了吸波材料研究中的问题及未来的方向.     

石墨烯基材料对含能材料性能影响的研究进展

从石墨烯基材料的制备出发,系统综述了其对含能材料的热分解性能、燃烧性能、力学性能和安全性能的影响、以及掺杂石墨烯用于爆炸物检测方面的研究。石墨烯基材料在促进单质含能组分热分解和提升复合含能材料应用性能等方面表现出了较好的应用前景。对石墨烯基材料在含能材料领域中的发展方向和趋势进行了梳理,指出以下几点是今后研究的重点方向:石墨烯及其衍生物负载纳米级金属催化剂的制备及结合方式的探究;在功能化或氧化石墨烯表面接枝含能官能团,制备含能纳米石墨烯基材料;石墨烯基材料提升含能材料性能的作用机理研究。     

超疏材料与结构在航天装备中的应用

随着航天器的生产与存储、发射与回收朝着临海和海上发展,航天装备面临着高湿度的环境,对防潮、防水、防腐、防冰、减阻的需求日益增加。传统三防材料由于存在厚度大、增重大和性能不够优异等问题,无法满足航天装备临海和高湿地区的新任务应用以及对材料的轻质、高性能的要求。近年来,受荷叶、蝶翅、猪笼草等生物体疏水现象启发,具有超疏水、超疏油以及超润滑性能的众多新型的超疏材料与结构被逐步开发出来。本文以航天应用为背景,首先通过表面理论上解释了超疏材料具有的疏水机理、防冰机理和防腐机理;其次,总结了目前超疏材料的常用制备方法：两步法和一步法;最后举例说明国内外超疏材料应用于航天装备的防水、防冰和防腐。超疏材料具有制备工艺简单、增重低、效果佳等特点,可为航天领域多重防护问题性提供轻质高效的解决思路。     

含能共晶制备及应用研究进展

共晶是指不同种类的中性组分在分子间非共价键的作用下形成的具有固定比例与特殊结构的晶体,属于超分子领域范畴.共晶技术是一种新型的含能材料改性方法手段,具有广阔的发展前景与应用价值.共晶可以降低含能材料的感度,提高安全性,改善力学性能、热性能与能量密度.综述了含能共晶制备及应用研究进展,其中包括共晶炸药国内外研究现状、制备方法、表征方法、形成机理.介绍了含能共晶面临的问题:部分共晶炸药性能有待进一步改善;共晶炸药制备条件苛刻,产率低;共晶炸药的测试表征手段较为单一.指出了今后研究的重点方向为:加强多组分含能共晶的研究;改善共晶炸药制备工艺,提高产量;研究共晶的结晶动力学行为,寻求共晶的最佳结晶条件以及寻找良好的表征共晶结构的方法手段.     

含能晶体密度预测的研究进展

密度是决定含能材料爆轰性能的重要参数。为评估现有CHON类含能材料密度的计算方法,对等电子密度面法、分子表面静电势法、基团加和法、晶体堆积法、定量构效关系法、经验公式法等进行分析和归类。结果表明,基于分子体积预测方法的精度取决于分子间和分子内相互作用对密度影响描述的准确度。其中,准确描述氢键和van der Waals作用充满了挑战性。基于晶体体积计算密度的核心在于晶体结构的准确预测,结构搜索要面对巨大的状态空间和高度复杂的能量曲面的困难,预测效率是亟待解决的问题。体积加和法和经验公式法存在无法区分同分异构体和晶型的缺点,且对新发现的具有特殊结构的分子由于缺乏实验数据难以获得准确的经验参数,计算结果偏差较大。引入人工神经网络、遗传算法以及支持向量机等机器学习算法后,定量构效关系法在含能化合物性能与结构关系研究中取得很大成就,模型精度进一步提高将为基于材料基因组模式的含能材料设计研发奠定基础,这也是今后密度预测方法发展的主要方向。