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聚合物表面空间环境防护涂层热应力分析方法研究进展

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中国表面工程 2024年第2期37卷 115-136页

作者：徐梦芸张锦麟马佳玉唐登航许文彬王亮谷红宇章俞之宋力昕中国科学院上海硅酸盐研究所特种无机涂层重点实验室上海200050 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049 上海宇航系统工程研究所上海201109 中国科学院上海硅酸盐研究所集成计算材料研究中心上海200050

柔性聚合物材料作为航天器表面用关键材料,易受到空间环境的协同损伤,在其表面制备防护涂层是实现长期服役的重要技术。但由于常用防护涂层与基体间的性能差异,涂层易因应力出现开裂和剥落,因此应力分析对于材料的设计和优化非常重要。... 详细信息

柔性聚合物材料作为航天器表面用关键材料,易受到空间环境的协同损伤,在其表面制备防护涂层是实现长期服役的重要技术。但由于常用防护涂层与基体间的性能差异,涂层易因应力出现开裂和剥落,因此应力分析对于材料的设计和优化非常重要。对于涂层应力的分析方法,主要可以分为基于试验测量以及基于数值仿真的有限元分析方法两类。梳理目前常见的试验测量方法,分析有损法和无损法试验测量的应用,整理归纳基于数值仿真的有限元分析方法的原理以及相关应用,比较不同方法的优缺点,总结其局限性以及应用前景。不同应力测试分析方法在材料的服役寿命和失效形式预测中发挥了重要作用,但传统的机械有损测量方法难对应力情况进行实时监测,近年来发展起来的无损法也存在一定的应用局限性,有限元模拟具有实时、全面的应力测量优点,但是与实际涂层模型具有一定的差距。基于目前试验方法与有限元仿真各自的局限性,提出将有限元仿真与试验表征结合成为进一步指导涂层设计的有效方法,有望有效预测涂层失效机制,优化涂层材料制备工艺,开发具有低应力结构的涂层材料,为聚合物表面用关键涂层材料的轻量化发展和长期可靠服役提供技术支撑。

关键词：聚合物材料空间环境防护涂层热应力应力分析方法有限元模拟

锈蚀及疲劳损伤后钢筋混凝土梁寿命预测及敏感性分析

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东南大学学报（自然科学版） 2024年第2期54卷 260-267页

作者：金伟良余一凡柏玉良浙江大学结构工程研究所杭州310058

为了探究锈蚀和疲劳作用后钢筋混凝土梁的长期性能,基于试验建立了钢筋混凝土梁含初始损伤的长期性能计算模型.基于该模型建立了锈蚀及疲劳损伤后钢筋混凝土梁的极限状态方程,采用蒙特卡洛模拟研究了梁长期性能的时变可靠度并进行了寿... 详细信息

为了探究锈蚀和疲劳作用后钢筋混凝土梁的长期性能,基于试验建立了钢筋混凝土梁含初始损伤的长期性能计算模型.基于该模型建立了锈蚀及疲劳损伤后钢筋混凝土梁的极限状态方程,采用蒙特卡洛模拟研究了梁长期性能的时变可靠度并进行了寿命预测,分析了设计参数和初始损伤对梁使用寿命的影响,研究了试验梁满足100 a使用寿命的临界服役条件.结果表明,锈蚀和疲劳作用会严重削弱钢筋混凝土梁的长期性能,仅含4%锈蚀率和15%疲劳损伤梁的长期性能难以满足服役要求.增加梁的截面高度和钢筋截面面积可以有效地提高梁的长期性能,增大梁的截面宽度只能改善初始损伤小的梁的长期性能.

关键词：损伤钢筋混凝土梁刚度计算模型寿命预测敏感性分析

颗粒级配对选区激光烧结打印结合常压固相烧结制备碳化硅陶瓷性能的影响

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无机材料学报 2024年第7期39卷 754-760页

作者：王康龙殷杰陈晓王力刘学建黄政仁中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050 湖南大学材料科学与工程学院长沙410082 中国科学院宁波材料技术与工程研究所宁波315201

SiC陶瓷因其独特的热学、电学性能及优异的力学性能,被广泛应用于航空航天、核能、化工、半导体等国防与工业重大领域,但是传统的成型方法无法满足大尺寸复杂构件的制备需求。选区激光烧结(SLS)打印具有无需支撑、材料利用率高、加工效... 详细信息

SiC陶瓷因其独特的热学、电学性能及优异的力学性能,被广泛应用于航空航天、核能、化工、半导体等国防与工业重大领域,但是传统的成型方法无法满足大尺寸复杂构件的制备需求。选区激光烧结(SLS)打印具有无需支撑、材料利用率高、加工效率高等优势,能高效成型复杂陶瓷结构零部件。本研究采用颗粒级配SiC的方法,系统研究了冷等静压(CIP)、前驱体浸渍热解(PIP)、CIP结合PIP后常压固相烧结等工艺对级配和中位径82μm未级配体系SiC陶瓷的影响。研究发现,级配粉末成型坯体的体积密度和抗弯强度比未级配坯体均提升了20%以上,级配体系CIP后常压固相烧结体的相对致密度达到了90%以上,实现了致密化烧结,而未级配体系烧结体的相对致密度仅为89%,这是由颗粒级配后坯体的堆积密度提升所致,且级配烧结体的抗弯强度(136.8 MPa)比未级配(99.4 MPa)提升了37%以上。采用多次重复PIP结合常压固相烧结的方法制备高致密的SiC陶瓷,发现SLS打印成型的坯体经四次PIP后致密度可达到CIP堆积致密的效果,但四次PIP后常压固相烧结体的体积密度仅为2.29 g/cm^(3),抗弯强度为59.6 MPa。

关键词：碳化硅陶瓷颗粒级配选区激光烧结打印常压固相烧结

3d过渡金属单原子掺杂石墨烯缺陷电催化还原CO_(2)的第一性原理研究

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无机材料学报 2024年第7期39卷 845-852,I0012-I0014页

作者：靳宇翔宋二红朱永福吉林大学材料科学与工程学院长春130025 中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050

将CO_(2)高效转化为有价值的化学品(如CO和HCOOH等)是缓解环境问题、实现碳中和的重要措施。然而CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)有着产物多样和路径复杂的特点,再加上目前难以确定影响CO_(2)RR活性的真正因素,使得设计对特定产物有高选择性... 详细信息

将CO_(2)高效转化为有价值的化学品(如CO和HCOOH等)是缓解环境问题、实现碳中和的重要措施。然而CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)有着产物多样和路径复杂的特点,再加上目前难以确定影响CO_(2)RR活性的真正因素,使得设计对特定产物有高选择性和高活性的催化剂十分具有挑战性。本研究从第一性原理出发,系统研究了3d过渡金属单原子掺杂石墨烯单个空位(TM@CSV)和双空位(TM@CDV)电催化还原CO_(2)的潜力,具体涵盖基底的稳定性、中间产物热力学吸附以及与之竞争的析氢反应(HER)。通过对Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu和Zn掺杂石墨烯缺陷后形成的20种催化剂进行筛选,发现Sc原子掺杂石墨烯单个空位的Sc@CSV和Sc、Ti原子掺杂石墨烯双空位的Sc@CDV和Ti@CDV同时具备吸附CO_(2)分子和抑制HER的能力。其中Sc@CDV对HCOOH表现出最佳的活性和选择性,速率决定步骤的吉布斯自由能差仅为0.96 eV。最后,通过电子结构分析进一步揭示了Sc@CDV优于其他催化剂的原因是Sc@CDV调整了费米能级附近的活性电子态,从而实现对CO_(2)的高效还原。

关键词：第一性原理单原子催化剂 CO_(2)还原反应 HCOOH 碳中和

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高熵碳化物超高温陶瓷的研究进展

无机材料学报 2024年第6期39卷 591-608页

作者：蔡飞燕倪德伟董绍明中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室上海200050 中国科学院上海硅酸盐研究所结构陶瓷及复合材料工程研究中心上海200050 中国科学院大学北京100049 国科大杭州高等研究院杭州310024

高速飞行技术的发展对高性能热结构材料提出了迫切需求。高熵碳化物(HECs)陶瓷作为近年来发展迅速的一类新型材料,兼具高熵陶瓷与超高温陶瓷的优良特性,在极端服役环境中具有广阔的应用前景,因此得到国内外学者的广泛关注。相比仅含有... 详细信息

高速飞行技术的发展对高性能热结构材料提出了迫切需求。高熵碳化物(HECs)陶瓷作为近年来发展迅速的一类新型材料,兼具高熵陶瓷与超高温陶瓷的优良特性,在极端服役环境中具有广阔的应用前景,因此得到国内外学者的广泛关注。相比仅含有一种或两种过渡金属元素的传统超高温碳化物陶瓷,HECs综合性能有所提升,且具有更强的组成和性能可设计性,因此具备较大的发展潜力。经过对HECs的不断探索,研究人员获得了许多有趣的结果,开发了多种HECs的制备方法,对HECs的显微结构和性能的认识也更加深入。本文综述了HECs的基本理论以及从实验过程中获得的规律;对HECs粉体、HECs块体、HECs涂层及薄膜,以及纤维增强HECs基复合材料的制备方法进行了梳理和归纳;并对HECs的力学、热学等性能,尤其是与高温应用相关的抗氧化、抗烧蚀性能的研究进展进行了综述和讨论。最后,针对HECs研究中有待进一步完善的科学问题,对HECs的未来发展提出了展望。

关键词：高熵碳化物超高温陶瓷力学性能抗氧化性能抗烧蚀性能综述

基于含氧氢化钆薄膜的宽波段调制光致变色智能窗

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无机材料学报 2024年第4期39卷 441-448页

作者：李众少李明曹逊中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050 中国科学院大学材料科学与光电工程中心北京100049

光致变色窗户因结构简单、被动调光和零能耗输入而被认为是一种高效的节能智能窗,然而有关光致变色智能窗的研究很少涉及中红外(MIR)波段,这限制了节能效率。本研究通过在ITO衬底上生长稀土含氧氢化物(ReO_(x)H_(y))薄膜,实现了宽波段... 详细信息

光致变色窗户因结构简单、被动调光和零能耗输入而被认为是一种高效的节能智能窗,然而有关光致变色智能窗的研究很少涉及中红外(MIR)波段,这限制了节能效率。本研究通过在ITO衬底上生长稀土含氧氢化物(ReO_(x)H_(y))薄膜,实现了宽波段调制的能力。所开发的光致变色智能窗口能够通过感应光强度自动调节发射率,同时保持可见光和近红外(NIR)调制(ΔT_(sol)=35.1%,ΔT_(l um)=37%,Δ(ε8-13μm=0.12))。研究还通过优化制备气氛,实现了GdO_(x)H_(y)的一步制备并提高了稳定性,通过综合表征分析了光致变色机理。总之,这种跨越可见光-近红外-中红外的被动协同调制方法有望推动光致变色智能窗的发展。

关键词：光致变色稀土含氧氢化物智能窗动态辐射制冷

Zr^(4+)共掺对Cs_(2)LaLiBr_(6):Ce晶体的中子/伽马甄别性能的影响

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无机材料学报 2024年第5期39卷 539-546页

作者：郑中秋魏钦华童宇枫唐高尹航秦来顺中国计量大学材料与化学学院杭州310018 中国科学院上海硅酸盐研究所人工晶体研究中心上海201899

中子探测技术广泛用于国土安全、核材料安全检测以及高能物理等领域,由于3He资源紧缺,近年来急需开发出能够同时甄别中子/伽马的新型闪烁晶体,Cs_(2)LaLiBr_(6):Ce(CLLB:Ce)晶体具有良好的中子/伽马甄别能力、优异的能量分辨率以及高的... 详细信息

中子探测技术广泛用于国土安全、核材料安全检测以及高能物理等领域,由于3He资源紧缺,近年来急需开发出能够同时甄别中子/伽马的新型闪烁晶体,Cs_(2)LaLiBr_(6):Ce(CLLB:Ce)晶体具有良好的中子/伽马甄别能力、优异的能量分辨率以及高的光输出,但其中子/伽马甄别性能有待进一步提高。本研究采用垂直布里奇曼法成功生长了Zr^(4+)共掺杂的CLLB:Ce晶体。通过不同表征手段研究了Zr^(4+)共掺杂CLLB:Ce晶体的结构和组分,结果表明Zr^(4+)成功掺入基质材料且对基质晶体结构不产生明显的影响,Zr^(4+)共掺杂后没有产生新的发光中心,紫外衰减时间约为27.0 ns,仍具有较快的荧光衰减。Zr^(4+)共掺杂CLLB:Ce晶体的品质因子(Figure of Merit,FOM)从1.2提高到1.5,表明其中子/伽马甄别能力得到改善。结合热稳定性和闪烁衰减时间,探讨了衰减时间对FOM的影响机制,Zr^(4+)共掺杂可以抑制浅电子陷阱和Vk中心,减少电子捕获和脱陷过程,使Ce^(3+)直接捕获的概率大大增加,从而表现出更快的衰减速率。本研究显示,Zr^(4+)共掺杂CLLB:Ce晶体在中子/伽马探测领域具有潜在的应用前景。

关键词：闪烁晶体 CLLB:Ce 中子/伽马甄别钾冰晶石结构

基于态基近场动力学的碳化硅陶瓷圆柱壳体断裂损伤分析

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力学学报 2024年第4期56卷 991-1005页

作者：蒋雷雷沈克纯潘光黄毅华西北工业大学航海学院西安710072 中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050

碳化硅(SiC)陶瓷材料具有优异的力学性能,广泛应用于各种工程部件中.然而,陶瓷是脆性材料,当发生脆断时会造成巨大的危害.因此对其断裂行为的准确预测显得极为重要.为了研究SiC陶瓷壳体在外载荷作用下的断裂损伤机理,首先通过准静态拉... 详细信息

碳化硅(SiC)陶瓷材料具有优异的力学性能,广泛应用于各种工程部件中.然而,陶瓷是脆性材料,当发生脆断时会造成巨大的危害.因此对其断裂行为的准确预测显得极为重要.为了研究SiC陶瓷壳体在外载荷作用下的断裂损伤机理,首先通过准静态拉伸和压缩实验获得SiC陶瓷的临界能量释放率,建立了适用于拉伸和压缩损伤分析的常规态基近场动力学模型.然后,采用Fortran语言编程实现了陶瓷壳体在线性递增外载荷作用下断裂损伤行为的数值仿真,并将所获得的仿真值与理论预测值进行对比,验证了所建模型的准确性.最后,对仿真结果进行详细分析,揭示了壳体结构的损伤扩展演化规律.仿真结果表明:初始损伤区源于壳体内壁面的压缩断裂,且沿环向呈90°均匀分布.随着载荷的逐渐增加,壳体外壁面出现拉伸断裂损伤区,内外壁面的损伤区先沿着周向扩展,再向着壳体中面缓慢延伸,并在厚度方向贯穿整个壳体.随后,在壳体轴线方向出现拉-压损伤混合区,该损伤区沿着轴向扩展,最终将壳体分成4个断裂区.所建模型能够有效地描述复杂载荷作用下SiC陶瓷结构的断裂损伤演化过程,同时弥补了态基近场动力学在断裂分析方面的不足.

关键词：态基近场动力学理论陶瓷圆柱壳体断裂损伤临界能量释放率

聚合物表面空间环境防护涂层热应力分析方法的研究进展

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中国表面工程 2024年

作者：徐梦芸张锦麟马佳玉唐登航许文彬王亮谷红宇章俞之宋力昕中国科学院上海硅酸盐研究所集成计算材料研究中心中国科学院大学材料与光电研究中心中国科学院上海硅酸盐研究所特种无机涂层重点实验室上海宇航系统工程研究所

柔性聚合物材料作为航天器表面用关键材料，易受到空间环境的协同损伤，在其表面制备防护涂层是实现长期服役的重要技术。但由于常用防护涂层与基体间的性能差异，涂层易因应力出现开裂和剥落。因此，应力分析对于材料的设计和优化非常... 详细信息

柔性聚合物材料作为航天器表面用关键材料，易受到空间环境的协同损伤，在其表面制备防护涂层是实现长期服役的重要技术。但由于常用防护涂层与基体间的性能差异，涂层易因应力出现开裂和剥落。因此，应力分析对于材料的设计和优化非常重要。对于涂层应力的分析方法，主要可以分为基于试验测量以及基于数值仿真的有限元分析方法两类。梳理了目前常见的试验测量方法，分析了有损法和无损法试验测量的应用，整理归纳了基于数值仿真的有限元分析方法的原理以及相关应用，比较了不同方法的优缺点，总结了其局限性以及应用前景。不同应力测试分析方法在材料的服役寿命和失效形式预测中发挥了重要作用，但传统的机械有损测量方法难对应力情况进行实时监测，近年来发展起来的无损法也存在一定的应用局限性，有限元模拟具有实时、全面的应力测量优点，但是与实际涂层模型具有一定的差距。基于目前试验方法与有限元仿真各自的局限性，提出将有限元仿真与试验表征结合成为了进一步指导涂层设计的有效方法，有望有效预测涂层失效机制，优化涂层材料制备工艺，开发具有低应力结构的涂层材料，为聚合物表面用关键涂层材料的轻量化发展和长期可靠服役提供技术支撑。

关键词：聚合物材料空间环境防护涂层热应力应力分析方法有限元模拟