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UHMWPE表面磨损区变质层演化过程与力学特性研究

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摩擦学学报 2024年

作者：谷靖萱郑庭张会臣大连海事大学船舶与海洋工程学院

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为人工关节的主要衬垫材料，材料磨损及磨屑形成是影响其植入寿命的关键问题。本文中通过表征UHMWPE表面磨损区域微观形貌和微观组织变化规律，分析磨损区域变质层的演化规律与力学特性。在摩擦磨损试验的基... 详细信息

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为人工关节的主要衬垫材料，材料磨损及磨屑形成是影响其植入寿命的关键问题。本文中通过表征UHMWPE表面磨损区域微观形貌和微观组织变化规律，分析磨损区域变质层的演化规律与力学特性。在摩擦磨损试验的基础上，通过压痕试验和划痕试验发现，随摩擦速度和压力增加，磨损区表面硬度增加，且沿滑动方向的划痕阻力减小。借助拉曼光谱分析发现，即随摩擦速度增加，磨损区域表层材料的结晶度增加，即聚乙烯分子链会形成长程有序的分布状态。借助分子动力学模拟方法分析了金刚石压头在UHMWPE表面压痕和划痕的分子过程，分子模拟结果显示压痕深度和划痕阻力也随UHMWPE结晶度增加而降低。当UHMWPE表面结晶度较高时，聚乙烯分子更容易在金刚石压头的挤压作用下发生塑性流动；相反，结晶度较低时，彼此缠结聚乙烯分子链不利于其塑性流动，导致沿摩擦方向的划痕阻力增加。因此，磨损后的UHMWPE表面形成了微观组织和力学性能差别于基体的磨损变质层。随摩擦工况加剧或时间延长，磨损变质层内的或者与基体相连的聚乙烯分子链发生断裂，将造成UHMWPE表面疲劳断裂或形成剥层磨损。本研究UHMWPE磨损区变质层的演化与力学性能变化规律，对于评价人工关节使用性能具有重要参考价值。

关键词：超高分子量聚乙烯磨损变质层力学性能微观结构

蒽醌型染料分子羟基最优取代位置的多目标优化设计方法

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纺织学报 2024年第1期45卷 128-135页

作者：颜素崟周丽春郑庭金福江华侨大学机电及自动化学院福建厦门361021

为解决染料分子设计中染料溶解度与色谱深度2个指标的矛盾问题,首先将染料溶解度与色谱深度2个目标优化问题转化成以染料分子溶解度为优化目标函数,色谱深度函数为约束,羟基取代位置为优化变量的单目标0-1规划问题。其中染料溶解度用内... 详细信息

为解决染料分子设计中染料溶解度与色谱深度2个指标的矛盾问题,首先将染料溶解度与色谱深度2个目标优化问题转化成以染料分子溶解度为优化目标函数,色谱深度函数为约束,羟基取代位置为优化变量的单目标0-1规划问题。其中染料溶解度用内聚能表示,建立了内聚能与羟基取代位置的模型;染料色谱深度用可见光波段的最大吸收光谱强度表示,建立了最大吸收光谱强度与分子母体上的羟基数和羟基取代位置的模型。然后根据蒽醌型染料分子结构的几何特征,以分子对称性为一层启发规则,排除重复取代位置,减少可行路径;通过隐数法迭代计算出在色谱深度不低于设定值条件下,内聚能减小最多的羟基最优取代位置。最后以一种蒽醌型染料母体为实例,进行不同羟基数和羟基最优取代位置及数量溶解过程模拟实验,将其溶解度与实际相似结构染料进行对比,结果表明本文分子结构优化设计方法具有有效性。

关键词：蒽醌型染料羟基溶解度隐数法分子对称性最优取代染料分子设计

界面水分子扩散对超高分子量聚乙烯摩擦学性能影响的反应分子动力学模拟研究

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高分子学报 2024年第2期55卷 222-234页

作者：郑庭谷靖萱程启昊张会臣大连海事大学船舶与海洋工程学院大连116026

采用基于反应力场(ReaxFF)的分子动力学模拟方法,研究了摩擦界面水分子向超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基体扩散和渗透的基本过程.分子模拟结果表明:摩擦过程中,水分子稳定吸附在Fe板表面,并与聚乙烯链形成分子内摩擦,使聚乙烯分子产生剪切... 详细信息

采用基于反应力场(ReaxFF)的分子动力学模拟方法,研究了摩擦界面水分子向超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基体扩散和渗透的基本过程.分子模拟结果表明:摩擦过程中,水分子稳定吸附在Fe板表面,并与聚乙烯链形成分子内摩擦,使聚乙烯分子产生剪切变形.当Fe板表面存在纳尺度外凸结构时,其在UHMWPE表面的耕犁作用更为显著,使摩擦界面的内摩擦力显著增加.当摩擦速度增加时,摩擦界面原子温度显著升高.在水润滑条件下,界面水分子逐渐扩散到UHMWPE基体中,引起相邻聚乙烯链之间的原子距离增加,这导致聚乙烯链之间的相互作用强度降低.此外,摩擦界面处还伴随着水分子中氢氧键断裂,并引起相应原子的电荷跃变.此时,水氧原子与Fe原子形成Fe―O化合物,且具有与Fe2O3相似的晶体结构.水分子扩散进入UHMWPE内时,还引起其周围聚乙烯分子的电荷发生改变,造成UHMWPE表层原子电荷分布不均匀.

关键词：反应分子动力学模拟超高分子量聚乙烯水分子扩散分子键断裂电荷转移

计入粗糙峰的微纳结构表面水润滑流体动力学仿真

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物理学报 2024年第11期73卷 189-200页

作者：谷靖萱郑庭郭明帅夏冬生张会臣大连海事大学机械工程系大连116026

随着表面精密加工技术与润滑减摩研究的发展,利用表面织构化技术提升其表面减摩效果的研究已引起广泛关注,但少有研究考虑摩擦副表面粗糙形貌对润滑特性带来影响.本研究采用计算流体动力学(CFD)模拟方法,建立了矩形织构模型,并在其表面... 详细信息

随着表面精密加工技术与润滑减摩研究的发展,利用表面织构化技术提升其表面减摩效果的研究已引起广泛关注,但少有研究考虑摩擦副表面粗糙形貌对润滑特性带来影响.本研究采用计算流体动力学(CFD)模拟方法,建立了矩形织构模型,并在其表面计入粗糙峰结构,讨论水润滑条件下不同粗糙峰结构模型润滑特性变化规律.结果表明:调节微纳复合表面结构参数,将改变润滑水膜承载力,进而影响微纳复合结构表面的动压润滑效果.此外,织构内涡流生成导致涡量变化,引起能量耗散并影响摩擦力.对矩形织构模型,适当的深度比(H=0.6)可使其表面动压润滑效应达到最优;而增大织构宽度比(W),动压润滑效应增强.在微织构表面引入高斯随机粗糙峰后,当随机粗糙峰高度变化标准差δ为0.5时,承载力可提升44%,摩擦系数降低30.9%.若引入半正弦粗糙峰,承载力和摩擦系数的变化范围均小于10%,对润滑效果的影响不明显.若同时引入高斯随机粗糙峰和半正弦粗糙峰,承载力可提升42%,摩擦系数下降31.1%,即表面动压润滑效果提升也较为显著.

关键词：微织构粗糙度动压润滑流体动力学

计入粗糙峰的微纳结构表面水润滑流体动力学仿真研究

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物理学报 2024年

作者：谷靖萱郑庭郭明帅夏冬生张会臣大连海事大学机械工程系

随着表面精密加工技术与润滑减摩研究的发展，利用表面织构化技术提升其表面减摩效果的研究已引起广泛关注，但少有研究考虑摩擦副表面粗糙形貌对润滑特性带来影响。本研究采用计算流体动力学(CFD)模拟方法，建立了矩形织构模型，并在... 详细信息

随着表面精密加工技术与润滑减摩研究的发展，利用表面织构化技术提升其表面减摩效果的研究已引起广泛关注，但少有研究考虑摩擦副表面粗糙形貌对润滑特性带来影响。本研究采用计算流体动力学(CFD)模拟方法，建立了矩形织构模型，并在其表面计入粗糙峰结构，讨论水润滑条件下不同粗糙峰结构模型润滑特性变化规律。结果表明：调节微纳复合表面结构参数，将改变润滑水膜承载力，进而影响微纳复合结构表面的动压润滑效果。此外，织构内涡流生成导致涡量变化，引起能量耗散并影响摩擦力。对矩形织构模型，适当的深度比(H=0.6)可使其表面动压润滑效应达到最优；而增加织构宽度比(W)，动压润滑效应增强。在微织构表面引入高斯随机粗糙峰后，当随机粗糙峰高度变化标准差δ为0.5时，承载力可提升44%，摩擦系数降低30.9%。若引入半正弦粗糙峰，承载力和摩擦系数的变化范围均小于10%，对润滑效果的影响不明显。若同时引入高斯随机粗糙峰和半正弦粗糙峰，承载力可提升42%，摩擦系数下降31.1%，即表面动压润滑效果提升也较为显著。

关键词：微织构粗糙度动压润滑流体动力学

基于苯并噻二唑的共轭高分子材料的合成及其阻变存储性能

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功能高分子学报 2024年第2期37卷 91-101页

作者：赵泽淼贺筱婷郑庭安刘佳璇车强陈彧华东理工大学化学与分子工程学院教育部结构可控先进功能材料及其制备重点实验室上海200237 北京外国语大学附属上海田园高级中学上海201108

设计合成了一种新的基于苯并噻二唑的电子给体(D)-电子受体(A)型高分子阻变存储材料聚{[4,4′-(2,7-二苯基-9H-芴-9,9-二基)双(N,N-二苯基氨)]-alt-[4,7-双(4-正十二烷基-5-乙烯基噻吩-2-基)-苯并[c][1,2,5]噻二唑]}(PFVT)。以PFVT为活... 详细信息

设计合成了一种新的基于苯并噻二唑的电子给体(D)-电子受体(A)型高分子阻变存储材料聚{[4,4′-(2,7-二苯基-9H-芴-9,9-二基)双(N,N-二苯基氨)]-alt-[4,7-双(4-正十二烷基-5-乙烯基噻吩-2-基)-苯并[c][1,2,5]噻二唑]}(PFVT)。以PFVT为活性材料制备的Al/PFVT/ITO(ITO:氧化铟锡)器件在室温下展现了非易失性阻变存储(RRAM)性能。器件经过50次开启、关闭循环操作,获得的平均开启和关闭电压分别为(-0.54±0.01) V和(2.42±0.05) V,电流开/关比为1.50×103。在循环操作期间的编程电压变化小于2.1%,器件展现出优良的可靠性。经200℃退火处理后,薄膜材料的结晶性增加,器件的平均开启和关闭电压减小,分别为(-0.49±0.01) V和(2.27±0.02) V。器件存储机制归属于电场诱导的分子内电荷转移。利用空间电荷限制电流模型和欧姆电流模型可以分别完美拟合OFF态和ON态电流。为了比较,用苯环替代高分子结构中的9,9-二(4-二苯胺基苯基)-芴单元,合成了聚{4-(4-十二烷基-5-(4-甲基苯乙烯基)噻吩-2-基)-7-(4-十二烷基-5-(丙烯-1-基)噻吩-2-基)苯并[c][1,2,5]噻二唑}(PPVT),该材料展现出类似的阻变存储性能。与PFVT相比,PPVT的开启电压明显变大,而电流开/关比则小了一个数量级,用苯环取代大体积芴单元后材料的热稳定性急剧下降,带隙增大。

关键词：苯并噻二唑共轭高分子阻变存储材料合成电荷转移

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基于指令滤波与观测器的柔性机械臂跟踪控制

组合机床与自动化加工技术 2024年第8期 127-133页

作者：赖悟行佃松宜游星星郭斌郑庭四川大学电气工程学院成都610065 泸州职业技术学院智能制造与汽车工程学院泸州646000

针对复杂工况下单连杆柔性机械臂(single-link flexible manipulator, SLFM)系统的轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于指令滤波与观测器相结合的自适应神经网络控制算法。该算法考虑了SLFM系统的未知外部干扰和未建模动态影响。首先,利用... 详细信息

针对复杂工况下单连杆柔性机械臂(single-link flexible manipulator, SLFM)系统的轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于指令滤波与观测器相结合的自适应神经网络控制算法。该算法考虑了SLFM系统的未知外部干扰和未建模动态影响。首先,利用单连杆柔性机械臂机理参数间的物理关系构建了其分数阶动力学模型,通过引入全局坐标变换将其转化为严格反馈控制系统;其次,针对SLFM系统状态不完全可测问题,构建了基于神经网络的分数阶状态观测器,并证明了其有效性;然后,利用观测信息设计了SLFM系统的轨迹跟踪控制算法,同时为了克服高阶求导导致的控制误差,提出了基于指令滤波的反步控制机制。理论分析表明,提出的控制方法可以保证闭环系统信号的半全局一致性与有界性;最后,通过数值仿真验证了所提控制方法的可行性和有效性。

关键词：单连杆柔性机械臂(SLFM)系统观测器反步控制指令滤波

Molecular dynamics simulation of the flow mechanism of shear-thinning fluids in a microchannel

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Chinese Physics B 2024年第4期33卷 516-525页

作者：杨刚郑庭程启昊张会臣 Naval Architecture and Ocean Engineering College Dalian Maritime UniversityDalian 116026China

Shear-thinning fluids have been widely used in microfluidic systems,but their internal flow mechanism is still ***,in this paper,molecular dynamics simulations are used to study the laminar flow of shear-thinning fluid in a *** validated the feasibility of our simulation method by evaluating the mean square displacement and Reynolds number of the solution *** results show that the change rule of the fluid system's velocity profile and interaction energy can reflect the shear-thinning characteristics of the *** velocity profile resembles a top-hat shape,intensifying as the fluid's power law index *** interaction energy between the wall and the fluid decreases gradually with increasing velocity,and a high concentration of non-Newtonian fluid reaches a plateau ***,the velocity profile of the fluid is related to the molecule number density distribution and their values are inversely *** analyzing the radial distribution function,we found that the hydrogen bonds between solute and water molecules weaken with the increase in *** observation offers an explanation for the shear-thinning phenomenon of the non-Newtonian flow from a micro perspective.

关键词： molecular dynamics simulation non-Newtonian fluid microchannel shear-thinning

经导管主动脉瓣置换术后主动脉窦及新窦血流动力学探究:冠脉影响

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医用生物力学 2024年第S1期 646-646页

作者：魏宇浩陈飞陈茂郑庭辉四川大学建筑与环境学院四川大学宜宾园区/宜宾产业技术研究院四川大学华西医院心内科四川大学华西生物医学大数据中心

目的经导管主动脉瓣植入术后(TAVI)患者可能出现主动脉窦内形成血栓等严重并发症,评估TAVI后窦内血流状况对于预防并发症,取得最佳植入效果具有重要意义,而大部分已有的评估TAVI术后窦内血流动力学的研究没有考虑冠脉对于窦内血流的影...

目的经导管主动脉瓣植入术后(TAVI)患者可能出现主动脉窦内形成血栓等严重并发症,评估TAVI后窦内血流状况对于预防并发症,取得最佳植入效果具有重要意义,而大部分已有的评估TAVI术后窦内血流动力学的研究没有考虑冠脉对于窦内血流的影响。本文的目的是探讨冠脉存在时TAVI前后窦及新窦内血流动力学变化。方法自主搭建了一个能模拟生理条件的体外实验平台。通过3D打印制作了无冠脉、单侧冠脉及双侧冠脉的理想主动脉窦模型。分别部署无支架的人工主动脉瓣以及美敦力Core Valve瓣膜以作为对照组和实验组。采用粒子图像测速法(PIV)测量左冠窦及新窦的速度场,通过速度、流线、涡度评估血流动力学。采用拉格朗日粒子追踪法描述原生窦及新窦内的冲洗和血流停滞状况,并通过冲洗曲线量化冲洗效果。结果存在单侧冠脉时pre-TAVI模型的冠脉窦内血流流速显著高于post-TAVI后模型,窦内可观察到明显回流,涡度明显更大。两个心动周期后pre-TAVI窦内无残余粒子,冲洗显著优于post-TAVI模型。对比无冠脉模型,存在单侧冠脉时窦内血流流速明显较大且可观察到明显涡流,窦内冲洗效果更好。双侧冠脉情况也具有类似趋势。结论TAVI显著降低了主动脉窦内血液流速,降低原生窦内以及新窦内粒子冲洗,增大血栓形成风险,而忽略冠脉会明显低估窦内血流流速以及粒子冲洗。

关键词：