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国之重材（二）——特种工程材料
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陆军勤务学院
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采用局域共振超材料混凝土提升结构消波防护性能:综述和展望
姚未来, 刘元雪, 孙涛, 赵宏刚, 穆锐, 雷屹欣
材料导报
2024,38(5 ):23080236 -14. DOI:10.11896/cldb.23080236
摘要
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超材料是一种通过设计获得的人造材料,具备自然材料所不具备的超常物理性能,这种特殊性能并非来自于材料组分,而是来源于经过特别设计过的人工结构。超材料最初源自电磁学领域,可表现出频率禁带(带隙),即在该频谱范围内,电磁波传输将被有效抑制。这种能对电磁波加以操控和处理的特性为解决各类工程问题提供了方便,激发了人们将其迁移至其他学科领域的热情。随后,声学超材料被提出,可对声波进行类似的操控,实现消声和隔音。与之相似,力学超材料也应运而生,可利用带隙特性对应力波进行处理,实现消波、滤波,提升结构的防护性能。超材料混凝土是力学超材料在土木工程领域的一项具体应用,其利用人工骨料的局域共振行为产生带隙,实现特定频率应力波的阻断。可见,超材料混凝土从波的操控角度实现了防护性能,与传统防护材料通过强度、韧性实现防护目的的本质不同,具有明显的创新性,开展相关研究对提升结构的防护性能具有重要意义。本文对超材料混凝土自提出至今的主要研究进行系统梳理,立足于工程应用视角,对超材料混凝土消波的实际验证、共振骨料带隙特征及设计准则、共振骨料空间分布及掺量效应、动荷载下的能量转移规律、共振骨料的改造五个方面进行综述,最后总结了当前研究的主要结论,并紧扣工程实际应用提出了对未来研究的展望。
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新型高强钢板在结构抗接触爆炸中的应用
方新宇, 徐干成, 魏迎奇, 刘彦泉, 袁伟泽, 周俊鹏
材料导报
2024,38(5 ):23060206 -7. DOI:10.11896/cldb.23060206
摘要
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为研究NFB700E1高强钢板对钢筋混凝土结构抗震塌性能的提升效果,开展了五组组合结构抗接触爆炸试验(以Q345普通钢板为对照组),并基于试验结果,建立了较为真实的数值仿真模型,通过多组数值仿真算例,计算出钢筋混凝土-防震塌钢板组合结构的相当不震塌系数,量化了防震塌钢板对钢筋混凝土抗震塌能力的提升幅度。结果表明:抗爆试验中,随着钢筋混凝土靶板厚度减少,其爆坑等效直径、爆坑深度和防震塌钢板的最大变形量均呈增大趋势;通过对比爆坑深度和钢板最大变形量等参数,不断迭代优化,得到了吻合程度较高的有限元数值仿真模型;计算得到钢筋混凝土-防震塌钢板组合结构和钢筋混凝土的相当不震塌系数,其中NFB700E1高强钢板8 mm厚时相当不震塌系数约为0.141,6 mm厚时约为0.159,相较于钢筋混凝土(0.475),相当不震塌系数分别提高了70.3%和66.5%;相较于Q345普通钢板(0.230),相当不震塌系数分别提高了38.7%和30.9%。本工作建立的数值仿真模型可拓展延伸到更多工况,为其他防护工程抗震塌研究提供借鉴。
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用于红外和雷达波隐身的水泥基复合材料
马超, 解帅, 王永超, 冀志江, 吴子豪, 王静
材料导报
2024,38(5 ):23080165 -9. DOI:10.11896/cldb.23080165
摘要
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红外和雷达波隐身主要是通过降低目标的红外辐射信号和雷达回波信号来提高目标的隐蔽性。将相变材料与炭黑封装为相变单元,并将其与膨胀珍珠岩-磁粉/水泥复合材料结合,研制出一种兼具红外和雷达波隐身的双功能水泥基复合材料,对其吸波性能和热性能进行试验与仿真研究。结果表明:炭黑对相变材料相变温度的影响较小,潜热仅降低了约1.9%;500次冷热循环后,相变材料的潜热留存率为78.3%,循环稳定性较好。相变单元和膨胀珍珠岩均可以提高水泥基复合材料的吸波能力,且反射损耗在-5～-15 dB可调。相变单元通过吸收大量热量来降低目标外表面温度,削弱红外辐射。相变材料的加入会增加水泥基复合材料的热导率,但相变材料高储热密度和珍珠岩低热导率的共同作用使得水泥基复合材料的隔热效应更加显著,从而降低目标的红外辐射信号。仿真结果表明:磁损耗仅出现在水泥基体中,相变单元通过电阻损耗来影响水泥基复合材料的吸波性能。热量传递在相变单元处受阻,传导热通量在相变单元边缘处的传输过程出现弯曲。当相变材料相变完成后,热量趋于均匀分布。因此,水泥基复合材料可通过损耗电磁波来降低雷达回波信号,通过相变材料吸收目标的热量来降低红外辐射,从而实现不同复杂环境下建筑材料的红外和雷达波等多波段隐身。
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多维度评价
SiO
2
纳米颗粒在润滑领域中的研究与应用现状
陈进, 李默涵, 阮文琳, 孙涛, 刘晓英
材料导报
2024,38(5 ):23080225 -9. DOI:10.11896/cldb.23080225
摘要
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近年来,维修或更换摩擦损耗的材料给人们带来了巨大的经济损失,为了尽可能减少材料的损耗,设计并研发具有自润滑功能的材料成为研究热点。纳米颗粒因体积小、表面活性高等优势在摩擦学领域受到了广泛的关注。其中,SiO
2
纳米颗粒因高硬度和球形特征表现出了优异的摩擦学性能。SiO
2
纳米颗粒在自润滑领域中的应用可以分为液体润滑领域与固体润滑领域,液体领域指的是,当SiO
2
纳米颗粒作为添加剂加入到液体润滑剂中可以明显增强润滑液的润滑效果。固体领域指的是,当SiO
2
纳米颗粒与其他粒子复合制成固体自润滑复合材料并进一步应用到涂料/涂层设计中时,可以明显增强原材料的耐磨性能。现阶段,大多数研究人员主要主要针对以上两种应用领域中的一种进行详细阐述,这使得读者对SiO
2
纳米颗粒的实际应用缺乏全面性的认识与思考。
据此,本综述主要介绍了SiO
2
纳米颗粒的润滑机理与影响因素,详细论述了SiO
2
纳米颗粒在液体润滑、固体润滑领域的相关研究与应用现状,包括其在实际应用时所采用的相关表面处理与改性等手段。重点介绍了SiO
2
纳米颗粒在提高聚合物基复合自润滑材料中的作用和巨大应用潜力。最后,对现有SiO
2
纳米颗粒在自润滑领域中的应用与发展进行了陈述和展望。
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有压与无压烧结雪无侧限抗压强度对比试验研究
霍海峰, 杨雅静, 孙涛, 樊戎, 蔡靖, 胡彪
材料导报
2024,38(5 ):23060124 -6. DOI:10.11896/cldb.23060124
摘要
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雪层烧结是全球高纬度寒区雪跑道建造的重要环节,是指雪颗粒间胶结强度随时间不断增长的过程。为确定压实雪层烧结时间设计值,并深入对比有压烧结和无压烧结雪层烧结强度变化规律,自主研发加压设备进行无侧限抗压强度试验。研究表明,无侧限压缩应力-应变曲线呈现有峰值强度和无峰值强度两种形式,有峰值的情况更易发生在高压和长烧结时间下。有压烧结时雪颗粒不断受到挤压,促进雪融化成水,有利于冰的形成,故雪的密度随烧结时间延长先快后慢不断增长,而无压烧结时密度基本不发生变化,进而造成有压烧结雪样的强度和弹性模量均大于无压烧结雪样。无压烧结15 d后雪的强度增长显著放缓,故雪跑道建设过程中,在烧结温度为-10 ℃左右,建议取15 d作为压实雪层烧结时间设计值。研究成果可用来指导雪跑道建造中雪层强度指标和变形指标的确定。
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多维度评价
面芯脱粘缺陷对复合材料夹芯圆柱壳屈曲特性影响分析
陈悦, 黄静, 朱子旭, 李华东
材料导报
2024,38(5 ):23070044 -6. DOI:10.11896/cldb.23070044
摘要
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面芯脱粘是复合材料夹芯结构常见的损伤形式。本工作综合考虑面芯界面损伤演化、分层屈曲以及分层扩展的耦合作用,建立了深水静压载荷下复合材料夹芯圆柱壳极限承载能力预报方法。基于非线性极限载荷计算方法,通过预制初始缺陷,开展了含面芯脱粘缺陷复合材料夹芯圆柱壳屈曲特性分析,揭示了典型面芯脱粘缺陷对复合材料夹芯圆柱壳失效模式及极限承载的影响机理,得到不同面芯脱粘形式、脱粘尺寸、脱粘位置的影响规律。研究发现,随贯穿面芯脱粘长度增加,结构失效模式发生整体屈曲→混合屈曲→局部屈曲演化;外蒙皮/芯层面芯脱粘对含环向贯穿面芯脱粘复合材料夹芯圆柱壳极限承载敏感度更高,内蒙皮/芯层界面脱粘对含纵向贯穿面芯脱粘缺陷复合材料夹芯圆柱壳极限承载敏感度更高;对于多个局部圆形面芯脱粘,沿纵向分布越集中、沿环向分布越离散,结构极限承载损失率越高。研究成果对面芯脱粘缺陷复合材料夹芯圆柱壳的优化设计与可靠性评估具有很好的指导意义。
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基于折减因子的奥氏体不锈钢螺栓高温应力-应变模型
孙涛, 王辉, 张蕾, 刘晓英, 赵宏刚, 蒋伟, 成鑫磊, 何小涌
材料导报
2024,38(5 ):23080049 -9. DOI:10.11896/cldb.23080049
摘要
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不锈钢螺栓具有显著的耐久性、延性和耐火性,因此它们被广泛地应用于栓接的半刚性节点中。不锈钢螺栓如同其基材(不锈钢棒材)一样,在常温和高温下都表现出平滑的非线性特征,并且它们的应力-应变曲线中没有明确定义的屈服点。这种材料行为可以用不同的材料模型来表征,其中最常用的是Ramberg-Osgood公式或其修订版。然而,在现存不锈钢的材料模型中,相关力学参数的预测公式并不适用于经受冷作硬化和冷铸工艺的奥氏体和双相体不锈钢螺栓。因此,本工作基于先前研究中高温下不锈钢螺栓的折减因子建立它们的非线性高温材料模型。倘若在五个常温力学参数(杨氏模量、比例极限、屈服强度、极限强度和极限应变)已知的情况下,基于高温折减公式计算某一温度下的五个力学参数,进而评估试验应力-应变曲线与预测曲线之间的相关性。这种预测方法表明预测曲线与试验曲线具有明显的一致性,说明基于折减因子所建立的高温材料模型具有准确的预测精度。因此,联合不锈钢螺栓的高温折减公式,基于常温下的五个力学参数就可以准确预测其在某一温度下的应力-应变曲线。
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风积砂-黄土混合料与钢界面的环形剪切力学特性
姚志华, 张建华, 辛建平, 穆锐
材料导报
2024,38(5 ):23070012 -8. DOI:10.11896/cldb.23070012
摘要
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黄土高原北侧与诸多沙漠接壤,形成了广泛分布的风积砂-黄土混合区。不同比例条件下的风积砂-黄土混合料会呈现不同的物理力学特征,且风积砂-黄土混合料地基现场施工和使用过程中常与其他材料产生界面接触力学行为,相关研究目前鲜有述及。鉴于此,本工作获得了不同掺砂率条件下的混合料最大干密度,配制相同压实度和不同掺砂率的风积砂-黄土混合料环状试样,开展不同竖向压力和剪切速率条件下的混合料与钢制界面的环形剪切试验,借助扫描电镜观测不同混合料的颗粒分布特征以及颗粒破碎特征,揭示风积砂-黄土混合料与钢制界面环形条件下的残余强度形成机制。结果表明,随着掺砂率的增大,风积砂-黄土混合料的物理力学特征由黄土向砂土过渡。竖向压力小于100 kPa条件下,混合料产生剪胀的概率增大。混合料与钢界面之间的残余强度与竖向压力呈线性关系,变化趋势符合摩尔-库仑定律。随着掺砂率的增大,风积砂颗粒破碎效应增大,混合料与钢界面之间的残余内摩擦角及残余黏聚力均会减小。剪切速率的增大会缩短混合料与钢界面之间的接触时间,两者之间的接触、咬合效应尚不足以发挥作用进而减小了界面残余强度。研究结果预测了风积砂中掺入黄土的比例,可以为风积砂地基处理提供有益参考,也可为风积砂-黄土混合料施工力学行为研究提供科学借鉴。
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固液相变材料的封装制备及在建筑领域的研究进展
成鑫磊, 穆锐, 孙涛, 刘元雪, 胡志德, 蒋昊洋
材料导报
2024,38(5 ):23080048 -15. DOI:10.11896/cldb.23080048
摘要
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随着人类社会的快速发展,人们对建筑环境的舒适度要求越来越高,但建筑能耗已逐渐成为绿色建造节能的突出性问题。相变储能技术是指通过相变材料的储热特性来储存或释放热量的热储能方式,最终实现调控温度的目标。近年来,相变材料凭借其储热密度高、等温相变等特性,常以潜热形式放出或吸收热量,从而在建筑领域中发挥不可替代的作用,使相变储能技术在建筑领域中具有良好的应用前景。随着相变材料的制备、复合、封装技术的不断发展,越来越多的相变材料与建筑材料、构件结合使用,为建筑领域的保温储能材料提供了新的发展模式。鉴于此,本文从建筑领域中常见的相变材料出发,以固液相变材料为例,对相变材料的传热理论、封装方法、传热储能、工程应用等几个方面的研究和应用情况进行了简要的介绍与综述,提出了相变材料未来在建筑领域的推广应用中可能存在的关键科学问题、面临的风险挑战,并展望了其未来的发展方向。
参考文献
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轻骨料水泥基多功能吸波材料的制备及有限元分析
吴子豪, 苏荣华, 马超, 解帅, 冀志江, 王英翔, 王静
材料导报
2024,38(5 ):23080253 -7. DOI:10.11896/cldb.23080253
摘要
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为分析轻骨料种类及粒径对吸波材料性能的影响,采用五种从微米级至毫米级粒径的轻骨料制备了轻质水泥基吸波材料,测试其电磁参数和反射损耗(RL),采用有限元分析方法构建了二维截面模型,模拟吸波材料内部电磁场分布情况,并测试了吸波材料的力学性能和导热系数。结果表明,增加轻骨料掺量和增大粒径可改善水泥基材料的阻抗匹配性能,提升平均RL,拓宽有效吸波频宽,吸收峰向高频移动。20 mm厚度时,吸波材料在低频1.2 GHz处最优RL为-29.1 dB,在较高频5.9 GHz处最优RL为-20.9 dB,有效吸波频宽最宽可达14.49 GHz。有限元模拟结果表明,轻骨料可改变电磁波传输方向,增加电磁波损耗途径,相邻骨料之间可产生较强损耗,其次是在骨料内部产生损耗,这为骨料种类、粒径选择与轻质吸波材料设计提供理论基础。增大轻骨料粒径会降低吸波材料的密度、力学强度与导热系数,使其吸波效能更好,保温效果更优。
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冲击荷载作用下改性聚丙烯纤维高强珊瑚混凝土的动力特性
程雨竹, 马林建, 王磊, 耿汉生, 高康华, 谭仪忠
材料导报
2024,38(5 ):23070191 -7. DOI:10.11896/cldb.23070191
摘要
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利用100 mm分离式霍普金森压杆装置对改性聚丙烯纤维高强珊瑚混凝土进行冲击压缩试验,分析了三种不同纤维掺量的改性聚丙烯纤维高强珊瑚混凝土试样的动态压缩强度、变形特性及吸能性能。结果表明:不同纤维掺量的改性聚丙烯纤维高强珊瑚混凝土的动态抗压强度、破碎状态、韧性指数等均具有明显的应变率效应。随着纤维掺量的增加,改性聚丙烯纤维高强珊瑚混凝土的破坏程度逐渐减轻,峰值应变增大,韧性指数逐渐增大,能量吸收也呈现上升趋势。改性聚丙烯纤维的掺入能够有效增强增韧并降低珊瑚混凝土的脆性破坏特征。
参考文献
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多维度评价
低温养护对环氧树脂基砂浆早期性能的影响及机理
吕炎, 白二雷, 王志航, 夏伟
材料导报
2024,38(5 ):23080222 -6. DOI:10.11896/cldb.23080222
摘要
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环氧树脂基砂浆是一种快速修补材料,为研究低温养护条件对环氧树脂基砂浆工作性能及早期力学性能的影响,构建了全过程低温环境,分别进行了抗压强度、抗折强度、流动度、凝结时间以及内部温度测试,分析了环氧树脂基砂浆的微观结构。结果表明:环氧树脂基砂浆性能受养护温度影响较大,当养护温度为0 ℃时,流动度仅为112 mm,但随着温度升高流动度增长较快;低温养护使得砂浆内部热效应减弱,延缓了凝结时间;早期强度也损失显著,0 ℃时,砂浆养护1 d才形成强度,说明低温环境大大减慢了体系的固化速度。微观分析表明低温养护导致砂浆内部结构疏松,裂缝及孔隙增多,说明固化反应不完全,从而降低了砂浆的性能。当养护温度为20 ℃时,砂浆内部结构较为致密,宏观结构也表现出较高强度。
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国之重材（二）——特种工程材料
