结构材料（精选12篇）
结构材料 篇1
1 建筑钢结构材料的概述
建筑钢材中的基本性能, 从使用这一方面来看有塑性、可焊性、强度等一系列的性能。在对建筑钢结构材料进行检测时, 不能仅仅只是从钢结构材料中的单项标准来判断钢结构材料的全部特征, 必须对钢结构材料进行全面的检测, 然后对钢结构材料各个方面中的指标进行深入的分析与研究, 综合各项指标对钢结构材料进行评定。在对钢结构材料进行评定的过程中, 还应该收集相关的资料作为评定中的参考数据, 应当收集的资料主要体现以下几个方面:钢结构材料的生产时间, 钢结构材料所使用的生产技术, 钢结构材料中相关的产品说明书。在对建筑钢结构材料进行检测的时, 必须查明钢结构材料中的技术指标、屈服强度、反复弯曲、化学成分、冲击韧性、极限强度、冷变以及受拉时的延伸率等一系列因素。
建筑钢结构材料的检测内容, 主要包括钢材型材、钢结构材料的类型、焊管、连接紧固件、螺栓球、焊接球的检测。螺栓球、焊接球、型材是钢结构建筑在建设过程中的基本元素, 这些基本元素的质量直接影响着钢结构建筑的质量。钢结构建筑具有非常多的优点, 这些优点也是钢结构建筑在我国建筑行业中处于重要地位的重要原因, 钢结构体系中的工期短、无污染、工业化程度高、施工干作业、无建筑垃圾、制造工场化等, 都符合我国建筑市场在发展中的趋势, 钢结构建筑是我国建筑行业在发展过程中必然的趋势, 应当在我国建筑工程中广泛的推广钢结构体系。
2 建筑钢结构材料检测的分析
2.1 利用测厚仪器对钢结构截面的厚度进行测量
就目前来看, 在对钢结构截面进行测量的工具有两种, 一种是利用卡尺对截面厚度进行测量, 还有一种就是利用测厚仪器对截面厚度进行测量。卡尺在钢结构截面厚度中的测量, 只适用于建筑工程中小型钢结构中截面厚度的测量, 无法对大型钢结构的截面厚度进行测量, 而且测量的精度也不够准确, 测量的数据与实际的数据存在着误差。测厚仪器在建筑工程中, 适用的范围非常广泛, 而且对钢结构截面厚度测量出来的数据非常的精确。我国在钢结构建筑工程的钢结构截面厚度进行检测时, 普遍使用的都是测厚仪器, 最常用的是超声波数字测厚仪器。
超声波数字测厚仪器在对钢结构截面厚度进行测量的过程中, 采用的是超声波脉冲式反射方法, 也就是超声波由一种均匀介质向另外一种介质进行传播时, 在相关介质的分界面上会出现声的反射现象, 从超声波数字测厚仪器的探头上, 发出相关的超声波, 然后超声波通过延迟块进入到被检测构件中, 超声波在到达被检测构件中的分界面时被反射回来, 然后又一次通过延迟块被超声波数字侧口仪器中的探头接收。在这一过程中只要将探头发出超声波的时间与超声波被反射回来之后被探头所接收的时间, 再除去超声波经过延迟块这一段时间之后, 通过距离、时间、声速三者之间的关系进行分析, 就可以得出被检测构建中的厚度, 即超声波数字测厚仪器中所显示出来的厚度值。
2.2 钢结构中涂层厚度的测量
在钢结构建筑工程中, 对钢结构中涂层厚度的测量, 最常用的就是磁性测厚仪器, 在使用磁性测厚仪器对钢结构涂层的厚度进行测量的过程中, 首先要将磁性测厚仪器进行调节, 确保磁性测厚仪器能够正常的进行工作, 其次是确定对钢结构涂层厚度的测量范围, 在测量时的第一档应该调为0~50μm, 第二档应该调为为0~500μm, 然后用磁性测厚仪器中的探头触碰钢结构中的涂层, 要对钢结构涂层中存在的油污与灰尘进行清除, 防止磁性侧厚仪器在对钢结构涂层进行测量时精度的不准确。使用磁性测厚仪器对钢结构涂层厚度进行测量时, 要结合涂层的具体情况进行, 先要确定钢结构中是否有相关的涂层, 因为在钢结构长期处于相应环境中时, 会造成涂层的损失与消失, 所以钢结构中是否存在涂层是使用磁性测量仪器对涂层进行测量的一个重要参数, 钢结构中是否有涂层, 是钢结构锈蚀程度的一个重要反映, 也是对钢结构永久性进行评测的一个重要的依据。
2.3 钢结构建筑中屋架挠度的测量
钢结构建筑中的屋架, 在跨度上一般都会比较大, 例如21m、30m等, 所以在对钢结构建筑屋架挠度进行测量时非常的困难, 在测量过程中必须费很大的力气将钢丝拉紧, 对钢丝的使用也有一定的要求, 即抗拉强度。在对钢结构建筑中的屋架进行测量时, 将钢丝拉直是一个关键的因素, 对于测量数值的准确性有着非常重要的作用, 在测量过程中也要有相应的记录, 这是测定原钢结构建筑屋架在施工过后是否出现反拱现象的重要依据, 只有将这两个关键的数量进行确定之后, 才能够有效的测定出钢结构建筑屋架在荷载作用力中的应力挠度值, 对于测量的数值必须要对正负值进行标注。在测量钢结构建筑屋架中的挠度值时, 还要有一个相对应的固定点, 这对于测量结果的准确性有着重要的作用。
3 结语
钢结构建筑中的材料, 关系着钢结构建筑在建设中的效率与质量, 钢结构材料是保障钢结构建筑整体质量的基础, 是钢结构建筑在建设过程中的前提, 所以建筑钢结构材料的检测对于钢结构建筑的发展非常的重要, 在一定程度上促进了整个建筑行业的发展。
参考文献
[1]何荣娇, 文敏.浅析建筑钢结构材料检测[J].中国高新技术, 2010 (17) .
[2]孙志远.基于磁力耦合法建筑钢材料应力检测技术研究[J].中国工程力学报刊, 2009 (13) .
结构材料 篇2
xx1，xx2
1xx材料学院xx班xx号
2xx材料学院xx班xx号
摘要：室温条件下抗拉强度大于1400 MPa、屈服强度大于1200 MPa的钢被称为超高强度钢，通常还要求具有良好的塑韧性、优异的疲劳性能、断裂韧性和抗应力腐蚀性能。超高强度钢是应用范围很广的一类重要钢种，大量应用于火箭发动机壳体、飞机起落架、防弹钢板等性能有特殊要求的领域。按其物理冶金学特点，超高强度钢大体可以分为低合金超高强度钢、二次硬化超高强度钢和马氏体时效钢。目前，典型的低合金超高强度钢是AISI 4340 和D6AC；典型的二次硬化型中，合金超高强度钢是HY180 和AF1410。
关键字：航空航天；超高强度钢；研究现状。
1.引言
随着航空工业的快速发展，开发强度高(1586～1724MPa)、断裂韧性好(125 MPa·m1/2)、可焊接性好的新型航空材料成为发展方向。以往的通过改变合金成分来提高超高强度钢的强度和韧性已很困难，所以要想有所突破，就要从开发新工艺、新技术方向着手，为此就很有必要深入学习超高强度钢的研究发展历程以及其制造工艺。
2.超高强度合金钢材料的研究进展
2.1低合金超高强度钢
AISI 4340是最早出现的低合金超高强度钢，也是低合金超高强度钢的典型代表。美国从20世纪40年代中期开始研究4340钢，通过降低回火温度，使钢的抗拉强度达到1600~1900MPa。1955年4340钢开始用于F-104飞机起落架。
300M钢在1966 年后作为美国的军机和主要民航飞机的起落架材料而获广泛的应用，F-
15、F-
16、DC-
10、MD-11 等军用战斗机都采用了300M 钢，此外波音747 等民用飞机的起落架及波音767 飞机机翼的襟滑轨、缝翼管道等也采
用300M 钢制造。
尽管以4340 和300M 钢为代表的低合金超高强度钢具有高强度，但它们的断裂韧性和抗应力腐蚀能力都比较差，因而其应用受到了一定的限制。美国于60 年代初开始研制D6AC，由AISI 4340 钢改进而成，被广泛用于制造战术和战略导弹发动机壳体及飞机结构件。到了70 年代中期，D6AC 逐渐取代了其它合金结构钢，成为一种制造固体火箭发动机壳体的专用钢种。美国新型地空导弹“爱国者”，小型导弹“红眼睛”，大中型导弹“民兵”、“潘兴”、“北极星”、“大力神”等，美国航天飞机的φ3.7m助推器壳体也采用D6AC 钢制造。D6AC 还曾用于制造F-111飞机的起落架和机翼轴等。
苏联开始研制低合金超高强度钢的时间大体上与美国同步，具有自己的钢种体系，最有代表性的是30XГCH2A 和40XH2CMA（ЭИ643）钢。40XH2CMA 是在40XH2MA 基础上发展起来的，40XH2CBA是用W代替40XH2CMA中Mo而成的。近十几年来他们又研制了新型经济型的低合金超高强度钢35XCH3M1A(BKC-8)和35XC2H3M1ФA(BKC-9)，其抗拉强度分别可达到1800~2000MPa 和1950~2150MPa。
我国低合金超高强度钢的研究开始于20世纪50年代，一是仿制国外已有的牌号，五六十年代主要以仿制前苏联的钢种为主，如30CrMnSiNi2A，70年代开始以仿制美国的钢种为主，如4340、300M、D6AC 等。二是根据我国的资源情况和工程的需要，自主开发研制了具有我国特点的低合金超高强度钢，如406钢等。我国成功仿制了一系列国外钢种，在许多重大工程中发挥了很大作用。最早研制的30CrMnSiNi2A是仿制前苏联30XГCH2A钢生产的。70年代开始仿制美国的钢种，最具代表性的有40CrNi2MoA钢，是仿4340钢研制而成的[FS:PAGE]；40Si2Ni2CrMoVA钢是仿美国的300M钢研制的，45CrNiMo1VA是仿D6AC钢研制的。
50年代，我国立足国内资源，走自我研制的道路，先后研制出一系列新型合金钢种，无镍铬的35Si2Mn2MoVA，不含镍的406、D406A、40CrMnSiMoVA(GC-4)，含少量镍的37Si2MnCrNiMoVA等。406钢是我国自行设计、自行研制最成功的典范，它是为解决航天固体火箭发动机壳体材料而研制的超高强度钢。为了提高材料的韧性又开发了D406A。
2.2二次硬化超高强度钢
二次硬化超高强度钢特点是在 480~550℃范围回火(或时效)后，析出合金碳化物产生强化效应，强度和硬度明显提高，具有硬化峰值，表现出二次硬化特征，同时韧性提高。HY180钢是1965 年由美国U.S.钢公司开发出来的优良高韧性超高强度钢，其化学成分(重量百分比)为：0.10C、10Ni、8Co、2Cr、1Mo，应用于深海舰艇壳体，海底石油勘探装置等，但它一直未能在航空航天结构上获得应用，其原因在于该钢的比强度和韧性虽能满足对低温高压深水潜艇使用要求，但尚不能满足航空航天器对超高强度钢的高强韧性的要求。
随着航空工业的快速发展，开发强度高(1586?1724MPa)、断裂韧性好(125 MPa·m1/2)、可焊接性好的新型材料成为发展方向。为了达到航空构件材料的损伤容限和耐久性，在对Fe10Ni 系合金钢进行的研究基础上，对HY180 进行了改进，1978年开发了AF1410超高强度合金钢，该钢经830℃油淬+510℃时效后，σ0.2≥1517MPa，KIC≥154MPa·m1/2。因此该钢以极高的强韧性、良好的加工性能和焊接性能成为受航空界欢迎的一种新型高强度钢。
在保持AF 1410 超高强度合金钢良好韧性的基础上，为进一步提高其强度及在海水环境中的抗应力腐蚀开裂性能和降低韧脆性转变温度，1992年Carpenter公司开发出Aermet 100 超高强度合金钢。该钢与AF1410 钢相比，强度有了进一步提高(σb≥1930 MPa)，但韧性稍有下降(KIC≥110MPa·m1/2)。Aermet 100是目前综合性能最高的超高强度钢，是新一代军事装备中关键器件的首选材料，美国己成功地将其应用在最先进的F/A-22战斗机起落架和F-18舰载机的起落架上。
我国目前已经成功地研制出具有我国特色的二次硬化超高强度钢。G99是由钢铁研究总院、长城特殊钢公司、航天部703所、东北大学共同承担研制的，该钢的σb >1520MPa，KIC>124 MPa·m1/2，与国外应用最广的AF1410相当，成功用于神舟系列飞船的黑匣子壳体。钢院牵头组织攻关研制了16Co14Ni10Cr2Mo(F206)钢，并成功用于某飞机平尾轴。我国从“九五”期间开始研制Aermet 100钢，超高纯净钢材提纯技术取得重大进展，有害元素S、P、O、N、H控制在ppm量级，总和小于40ppm。抚顺特殊钢公司的试制产品达到了美国Aermet 100钢实物水平，将用于我国四代机和舰载机的起落架。
2.3马氏体时效钢
马氏体时效钢以无碳(或微碳)马氏体为基体的，时效时能产生金属间化合物沉淀硬化的超高强度钢。具有工业应用价值的马氏体时效钢，是20世纪60年代初由国际镍公司(INCO)首先开发出来的。1961～1962年间该公司在铁镍马氏体合金中加入不同含量的钴、钼、钛，通过时效硬化得到屈服强度分别达到1400、1700、1900MPa的18Ni(200)、18Ni(250)和18Ni(300)钢，并首先将18Ni(200）和18Ni(250)应用于火箭发动机壳体。
我国从20世纪60年代中期就开始研制马氏体时效钢，目前已形成1700~2500MPa不同级别十余个钢种，实现了工业化生产。最初以仿制18Ni(250)和18Ni(300)为主，到70年代中期又开始研究强度级别更高的钢种和无钴或节镍钴马氏体时效钢。80年代开发出用于浓缩铀离心分离机旋转筒体用的超高纯、高强高韧的CM-1钢，高弹性的TM210钢。90年代以来研制了C300、C350马氏体时效钢。
18Ni马氏体时效钢含9%的贵重钴元素，而我国钴资源缺乏，80年代以来国际市场钴价不断上涨，因此国内大型固体火箭发动机壳体一般不选用这种材料。近十几年来国外无钴马氏体时效钢的开发取得了很大进展。90年代，国内在18Ni马氏体时效钢的基础上，采用取消钴元素，提高镍、钛含量的方法，成功研制出了T250、T300马氏体时效钢。T250马氏体时效钢力学性能为: σb~1760MPa、σ_0.2>1655MPa、KIC>80 MPa m^1/2，是制造我国固体发动机壳体的新一代材料。2006年，宝钢特殊钢分公司、抚钢、安大厂和太钢等单位联合攻关，成功试制出直径为1200mm的T250钢固体发动机壳体，已用于某航天型号。
3.铝合金的制造工艺研究进展
3.1低合金超高强度钢
低合金超高强度钢合金元素含量少（<5%），经济性好，强度高，屈强比低，但韧性相对较低。此类钢是通过淬火和低温回火处理获得较高的强度和韧性，钢的强度主要取决于钢中马氏体的固溶碳浓度。含碳量增加，钢的强度升高；而塑性和韧性相应降低。因此，在保证足够强度的原则下，尽可能降低钢中含碳量，一般含碳量在0.30~0.45%。钢中合金元素总量约在5%左右，Cr、Ni和Mn在钢
中的主要作用是提高钢的淬透性，以保证较大的零件在适当的冷却条件下获得马氏体组织，Mo，W和V的主要作用是提高钢的抗回火能力和细化晶粒等。
为了抑制低合金超高强度钢回火脆性，1952 年美国国际镍公司开发了300M钢。该钢通过添加了1~2％的硅来提高回火温度（260~315℃），并可抑制马氏体回火脆性。尽管以4340 和300M 钢为代表的低合金超高强度钢具有高强度，但它们的断裂韧性和抗应力腐蚀能力都比较差，因而其应用受到了一定的限制。
苏联开始研制低合金超高强度钢的时间大体上与美国同步，具有自己的钢种体系，最有代表性的是30XГCH2A 和40XH2CMA（ЭИ643）钢。30XГCH2A 是在30XГC 基础上加入1.4~1.8%的镍而得到的低合金超高强度钢，由于镍的加入提高了钢的强度、塑性和韧性，也提高了钢的淬透性，由此改良和派生出了一系列钢种。
3.2二次硬化超高强度钢
H—11钢是最早研制成功和使用的中合金超高强度钢。钢的含碳量约0.40％，含铬5％。钢的淬透性高，一般零件在空气冷却条件下即可获得马氏体组织。经500C回火时，析出M2C(M表金属元素)和V4C3，产生二次硬化效应，钢的强度达到1962MPa以上。该类钢具有较高的中温强度，除用于制做热作模具外还制做飞机发动机后框架等，在400～500℃工作条件下能承受较高的应力。9Ni-4Co系列钢是高韧性超高强度钢，按照强度级别含碳量范围0.20～0.45％，通常使用的有HP9—4—20和HP9—4—30，含碳量分别为0.20％和0.30％。该类钢经820℃加热后油淬，450～550℃回火，抗张强度为1400～1600MPa，断裂韧度达到90MPa√m以上。
AFl410钢近年来受到了航空和航天部门的极大重视，该类钢含有M、Co、Cr和Mo等合金元素(表2·12．2)，经固溶和油淬处理形成高位错密度板条马氏体，在板条边界分布有少量残留奥氏体。时效处理析出弥散分布的合金碳化物，从而
获得高强度和高韧性。从表2·12·2看出，钢中琉、磷含量控制到极低的水平，氮和氧分别为3ppm和7ppm。因此，AFl410钢必须选用低硫、磷精料，采用真空感应和真空自耗重熔双联工艺，获得超纯净钢。经油淬和时效处理，抗拉强度为1620MPa，断裂韧度达到190 MPa·m。加入稀土金属可改变非金属夹杂物的形态和分布，进一步提高钢的韧性。AFl410钢不仅强度高，韧性好，可焊性好，并且具有较高的抗应力腐蚀性能。3.3马氏体时效钢
该类钢含碳量极低，含有18～25％Ni。从820～840℃固溶处理冷却到室温时，转变成微碳Fe-Ni马氏体组织，其韧性较Fe-C马氏体为高，通过450～480℃时效，析出部分共格金属间化合物相(Ni3Ti、Ni3Mo),达到较高的强度。镍可使钢在高温下得到单相奥氏体，并在冷却到室温时转变为单相马氏体，而具有较高的塑性。同时镍也是时效强化元素。钴能使钢的马氏体开始转变温度升高，避免形成大量残留奥氏体。Co在钢中的作用是提高Ms点，减少残留奥氏体量，降低Mo在马氏体中的固溶度，增加Mo的沉淀强化效应。马氏体时效钢经固溶和时效处理，析出金属间化合物Ni3Mo、Ni3Ti和Ni3A1等产生弥散强化效应。其中性能好，使用最广泛的是18Ni马氏体时效钢。根据Mo和Ti含量不同，可获得几种强度级别的钢种(表2．12·3)。
马氏体时效钢在固溶处理后为超低碳马氏体组织，加工硬化指数低，冷加工成型性好。在固溶状态下可焊性好，采用钨极氩气保护焊不需要预热和后热。热处理时零件变形小，尺寸稳 定。但合金元素含量高致使钢的成本增高。马氏体时效钢具有独特的优点，在较高的强度条件下使用安全可靠性好，固体火箭发动
机壳体用18Ni马氏体时效钢，使用强度为1750MPa，浓缩铀离心分离机旋转简体用马氏体时效钢，使用强度达到2450MPa。
4.结束语
当今世界国与国之间科技、经济实力的竞争集中体现在航空航天，军事上的竞争。而轻金属和超高强度钢作为航空航天，军事装备的重要结构材料往往对其发展起着至关重要的作用。如果轻金属与超高强度钢的发展上不去将严重制约我国在航空航天及军事领域的发展，所以可以预见到轻金属与超高强度钢将具有极其广阔的发展前景和应用。
参考文献
材料作文写?思路与结构 篇3
【议论文写作构思】
材料作文的议论文思路关键在于要围绕材料有明确地角度进行论述，要层次清晰地展开论证，要脉络分明、井井有条地组织文段，最好能够以并列加递进的模式来呈现出层层推进的议论思路，使文章思想观点凸显出一定的深度。此外，目前新材料作文命题的议论文写作在行文中概括材料，从材料出发来展开论述，也可以在选取角度提炼观点后，不必顾及所提供材料的内容，由此写作思路不再拘于一格而变得更为开阔。以2012年全国大纲卷作文题（文题见第29页）举例谈一谈具体的构思示范：
【示例一】
从作文题所给材料出发，选取角度概括材料，引出中心论点。如“妈妈的话提醒了‘我’，解除了‘我’的窘态，脱掉外衣和鞋袜，甩掉了多余的顾虑，故而‘我’得以把秧苗挑到了妈妈跟前。人生一世，不要有太多的顾虑，也不要慨叹生活中有太多的不完美，只有放下顾虑，解除心锁，才能成就美好的未来”。这样，在文章开篇之时就做到了紧扣材料，切合题意。
在提出论点之后，就可以依据中心展开论证，如针对“人生路上的顾虑”可以做多角度、全方位的解读，可以理解为“困难前的徘徊”“挫折后的举棋不定”等，然后以理性的思考“克服困难，走向成功”，揭示“放下顾虑的重要性和必要性”。在行文中为使文章论证形象，可以尝试采用比喻论证的方式，对“顾虑”作形象化的举例。其后，可以反面论证“不放下顾虑可能会导致的后果”。层层深入的论证将能更好地凸显议论中心，行文中可以继续从生活出发，进一步揭示“放弃顾虑”这一中心，可以从“提升人的思想认识”的角度深入议论，让读者感到亲切自然。
最后以诸如“要想成功，需要放下顾虑；要想克服困难，需要放下顾虑；要想超越自我，需要放下顾虑……”这样的排比句式作结，强化中心。
这样整个文章结构层次严谨，思路流畅，中心凸显，论述充分深入而富有感染力。
【示例二】
从作文题中提炼出观点，不必概括叙述原材料，这也是符合命题要求的。如可以再准确审题基础上提炼出“学会舍弃”的观点，然后直接围绕这一中心论点展开议论。具体论述中可以通过正反对比论证方式，通过采用正面事例和反面事例的正反结合，鲜明对照中凸显观点，增强说服力，达到说理目的。当然，在收束文章的时候，少不了对前面的内容进行归类概括，总结观点。
【示例三】
议论文在于说理，所以写作中结构清晰是很关键的。在对材料解读之上，可以不必急于给出中心论点，可以引出论题，带着阅卷者一起思考。如“孩子下田劳动效果不佳，然而妈妈的话语却让孩子最后获得了成功。你说，这是为什么呢？”在引出论题后，可以适时举例分析生活中面对这样的情况的应对，结合材料给出答案“材料中的母亲凭借经验一语道破孩子窘态的根源所在，唯有放下顾虑，方能书写完美人生”。接下来进一步以举事例、引名言等方式展开论述，如“放下顾虑，庄子在楚大夫盛情相邀中选择了‘持竿不顾’，漠然视之；放下顾虑之心，让他超然世外，独善其身，享受着一份心灵的逍遥，把持着心灵的净土，这不能不使我们对他肃然起敬，而且是那样的刻骨铭心”。接下去可以继续选择名人，如以“放下顾虑，使人明志；放下顾虑，使人豁达；放下顾虑，使人有所作为”等不同角度展开论证，这样并列论证的框架形成，思路一样清晰明了，最后以总结中心论点的简单一句话有力地收束全篇。
【记叙文写作构思】
以记叙文文体来写目前的新材料作文命题相比较以前的材料作文题来说，思路相对打开了，但往往受材料的观点性指向，同学们选择写记叙文的不是很多，即便选取了记叙文体，若不进行构思，在行文中还是会不自觉地倾向于议论，最后造成文体不清。所以在此想谈，新材料作文题的记叙文构思应该作为建立在审题立意之后的一个重要环节来处理，避免简单化选材搭构文章。应立足于立意选择记叙的对象，在构思中注重事件情节记叙的完整性，增强记叙文的可读性，不能忘记点题，最好能够在构思中把点题性的语句组织好，在体现文章结构脉络的同时也是对主题的凸显。
【示例】
可以围绕“遇见生活中的顾虑”——“困惑而徘徊”——“思考而明了”——“走出顾虑，实现超越”来组织事件，选取事件的横断面进行交代，或直接进行场景勾勒，或心理活动描写，或进行环境描写烘托渲染。此外，可以组织几件事来表现不同情境下的顾虑以及不同的解决方式，以小标题方式来解读命题，来表达自己的立意。
在2012年的高考作文中，有一考生采用《中国达人秀》刘伟的事迹作为高考素材，在结构组织中，首先在文章开头以第三人称“他”来设置悬念，最后在文末点明“他”就是“刘伟”，此外通过“做鞋套”“穿鞋套”“脱鞋套”的细节搭起了“一个在绝境中崛起，与命运和世俗偏见抗争的人物故事”，呈现了一个坚韧顽强的人物，震撼着读者的心灵。
【佳作示范】
全心
林清玄在他的《心的菩提》中说：“我们要以全心来绽放，以花的姿态证明自己的存在。”我想，是啊！在生活中，我们为人做事要以全心全意的态度，集中思想，心无旁骛，那么，结果也往往是遂心如意的。
我们其实有共同的感受，站在泥泞的田间，那双溜滑的鞋子让我们很难挺直站稳，当脱下鞋，卷起裤脚，重新回到那片土地上时，你顿时觉得有一种稳重之感。你的脚的每一个神经都处于泥土之中，扎在其中，像大树一样，有牢固的根基。也因此你的每一个脚印都是那样实，那样一步一步地走来，也因此，你没有了负担，不再害怕滑倒，走得很专心，很踏实。最终，你踏过了那片泥泞的土地，感到一种成功，而这种成功来源于你的专一，来源于心无旁骛的境界。
荀子有云：“蚯蚓上食埃土，下饮黄泉，用心一也，蟹六跪而二鳌，非蛇鳝之穴无可寄托者，用心躁也。”我们就要像蚯蚓那样用心一也。那么，首先就要静。只有在静中，我们才可秉气凝神，有一股浩然之气，全心地对待一件事，也因全心而忘我。就如一泓清泉，一片落叶于其上，顿时水面起伏，但泉的深处，却安谧静止，这也说明，不管外界如何变化，我们自己始终要有一颗沉静之心，才可能有所作为，才可坚持到最后。其次，就是要抛开一切杂念，不管外界多么美好或丑恶，我们不能因此丧失了自我的节奏。要把多余的顾虑全放下来，安心地做自己的事，不能躁动，更不能急功近利，否则，结果往往很不好。
只有在忘我之中，我们才能让一件事更加圆满，也只有在忘我中，一切的事物会变得自然。忘我，可让我们专心，专心则让我们更加用心，世间之繁杂，让我们每个人都有点不安，有点躁动，那何不学学陶渊明，拥有“采菊东篱下，悠然见南山”的淡定，何不学学王国维进入“内美以修能”的无我之境，有这样的心态我们才能有这样的思想与认知，也因为上升到整个人生当中去，把物与我相结合，达到一种忘我、无我之境，那么，我们的步伐才会更加稳重。
正严法师说：“凡心佛心，实乃一心，只要秉持一心，立足之地即为灵山。”要秉持一心，我们才可从中获取人生中的大智慧，也正如同是泥泞的路中挑担子，忘记你的衣服，忘记你会摔倒，那么，你得到的，是踏过这片土地，走到了对岸。同时，也悟到了人生的真谛。
全心，忘我，去除一切杂念，这是我们今后所要的，同样，也是人生的至高境界。只有高格的人生境界，才可能有高尚的品行与情操。也同样，在静、稳、沉中，才可能具有这样的品行。因为人静，就如一泓水，可以容纳一切，也可以被一切容纳，能屈能伸，柔能克刚。因人稳重，就如磐石般坚不可摧，不与世俗同流合污。
正因此，以全心之态，对待生活中的每件事，才可至善，至美！
【点评】本文构思方面结构完整，议论层次鲜明。首先文章从所给的材料引发出去，提出“成功来源于你的专一，来源于心无旁骛的境界”的观点，随后层层深入展开论述，归结到“以全心之态，对待生活中的每件事，才可至善至美”，充满哲理意蕴，启迪人深思生活。
飞机复合材料结构修理技术 篇4
关键词：飞机,复合材料,修理,应用
1 复合材料在飞机上的应用
复合材料是由两种或两种以上的不同材料、不同形状、不同性质的物质复合形成的新型材料。一般由基体材料和增强材料所组成。复合材料可经设计, 即通过对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等, 使原组分材料优点互补, 因而呈现了出色的综合性能。
随着玻璃纤维、凯夫拉、碳纤维等复合材料的发展, 并且早期复合材料结构的使用预示着复合材料运用的辉煌。在飞机上翼尖小翼、雷达罩和尾锥上少量玻璃纤维增强塑料的使用标志着飞机设计上复合材料的重新应用。从那时起复合材料在这些部件上的成功应用导致在每一种新机型上复合材料应用的增加。波音747使用了超过10000平方英尺表面的复合材料结构。在过去几年当中先进复合材料技术运用到诸如大翼面板、地板梁等主要结构上[2]。显而易见对基本复合材料结构和复合材料结构修理技术的理解对航空企业特别是航空维修企业是多么重要。
2 复合材料结构修理技术
飞机复合材料的修理目的是最大限度的恢复飞机结构的完整性和安全性, 主要修理的效果如何与多种因素有关, 如修理后的强度、耐久性、气动平滑度、重量、工作温度、环境因素等[3], 强度主要考虑恢复结构的刚度、静强度和疲劳强度, 因此, 为了避免修理中出现意外的错误, 必须严格按照一定的操作规程进行, 一般的修理程序为:
找出损伤区域→评估损伤的程度→损伤应力的评估→修理方案设计→修理结构的准备→补丁的制造→补丁的安装→修理后的无损检测。当今复合材料修理的主要工艺有以下几种:
2.1 复合材料的连接和打孔
飞机复合材料不同于其他金属或合金材料, 由于自身的特点, 在修理时容易出现下列问题[4]:复合材料件装配前的钻孔困难, 容易磨损钻具, 钻孔附近易出现分层现象;复合材料与金属件连接时, 由于电位差较大, 容易腐蚀金属件;复合材料装配时易造成损伤等, 基于这种种原因, 必须对打孔和连接工艺做特殊的处理, 才能保证复合材料件的安装和修理后的使用安全。
2.2 胶结修理技术[5]
胶结修理的应用非常广泛, 它的优点是导致应力集中小, 增重少。缺点是对施工环境要求高, 质量难以控制, 其应用主要在下面3个方面:
1) 装饰性修理。对仅影响气动外观的小损伤如小凹坑、划痕、脱漆等进行的修理。
2) 注胶修理。小面积脱胶或分层用该种方法修理, 方法是钻一些通往损伤层的小孔作为注胶孔和溢胶孔, 将加热的胶液用注胶枪从注胶孔注入, 渗透到损伤层并从溢胶孔流出为止, 然后加热时胶液固化二完成修理。
3) 补强修理。对猪承力构件的较大损伤, 要用补强板修理。补强板胶接修理有两种方法: (1) 外补强板修理, 主要用于薄的层合板及蜂窝板的修理, 用该种方法修理后的结构强度可达原结构材料强度的50%-80%。 (2) 光滑外表面修理, 主要用于较厚板或气动光滑性要求严格部位的修理修理效率高, 修理后结构强度可达原结构材料极限强度的60%-100%。
2.3 铆接 (或螺接) 修理技术
铆 (螺) 接修理技术适用于较厚的整体壁板, 常用的补板材料是铝合金和钛合金[6]。铝合金和碳纤维复合材料接触时容易发生电化学腐蚀, 因此, 在用铝合金修补时要在铝合金板和复合材料之间进行隔离, 制作隔离层。钛合金不存在这样的问题, 可以直接用于复合材料修补。
2.4 微波快速修复
复合材料微波修复技术是指将微波引入复合材料修补领域, 在修复区注入微波吸收剂, 以提高修复区材料的导电磁率, 同时用特殊设计的微波施加器对修复区施加微波能, 使之在数十秒内形成新的、更强的界面, 见那个损伤或缺陷修复[7]。
2.5 光固化预浸修理技术
光固化预浸胶接修理技术是利用光敏胶固化速度快的特点和适宜的力学性能, 以光敏胶作基体树脂, 用玻璃纤维作为增强材料, 预先制备成预浸修理补片, 根据修理对象的需求, 选用合适的修理补片, 在紫外光的辐照下迅速固化, 以达到快速修复飞机蒙皮表面裂纹、孔洞、腐蚀、灼烧等损伤的方法。
3 复合材料结构修理实例
复合材料结构修理的一般要求:
a.满足结构强度, 稳定性要求, 即恢复结构的承载能力, 在压剪载荷下不失稳。
b.满足结构刚度要求 (包括挠度变开, 气弹特性和载荷分布及传递路线等) 。
c.满足耐久性要求 (包括疲劳、腐蚀、环境影响等诸方面) 。
d.修理增重小, 操纵面等动部件满足质量平衡要求。
e.气动外形变化要小, 即保证原结构表面光滑完整。
f.修理所用时间要短, 以满足使用需要。
g.修理费用成本要低。
根据损伤情况, 以及可能提供的修理条件 (修理经验和修理材料、设备等) 选择最佳的修理方法。
以损伤的蜂窝结构为例, 来介绍复合材料的修理技术, 下面就按照上述步骤来一一介绍:
1) 确定损伤区域, 做目视检查来确定损伤程度;检测是否有水、油、燃料或者其他有害物质进入部件, 使用X射线检查方法检测水是否进入部件;检查部件损伤附近是否存在分层
2) 清除损伤, 在需要更换蜂窝的修理中, 可采用各种不同的手持工具来切除损伤。对于较大的、形状多变的损伤, 可以选择特形铣刀、80号和150号砂轮以及切割机等。对于形状为圆形的损伤, 可以选择不同外径的孔锯。
3) 切除损伤, 应尽量使用导向装置。切除损伤蒙皮后要修正边缘, 切口形状为带圆角的矩形、圆形或椭圆形。要注意切除损伤时不能损伤完好的纤维铺层、蜂窝和周围材料。当蜂窝也有损伤时, 按与蒙皮切口相同形状切除受损蜂窝。切除蜂窝必须超过目视损伤范围至少0.5in。同时要避免损伤对面完好的蒙皮。
4) 测量修理区域切口的深度和直径, 按照测量的深度大0.04in, 直径稍大的尺寸切一个蜂窝芯塞必须与原来的蜂窝或者蒙皮表面齐平, 并且要与周围蜂窝密切接触。清洁、干燥蜂窝芯塞
5) 在修理蜂窝芯子周围涂上粘稠剂的胶黏剂。
6) 制作浸有树脂的玻璃纤维布, 尺寸与损伤切口相同
7) 将玻璃纤维布平铺在安装好的蜂窝芯塞上
8) 完成蜂窝芯塞安装之后, 对修理进行封装, 为固化芯塞做准备。需要依次铺放热电偶、一层带孔的隔离膜、一层透气毡、电热毯、热电偶、透气布、抽真空罐和真空表的接头座, 铺好后打包真空袋。
9) 加温固化, 在完成蜂窝芯子修理之后, 需要将热电偶、电热毯和抽真空设备等于热补仪连接, 设定需要的温度、温升率、保温时间和降温速率。
10) 检查和修整, 在修理区域完成固化并拆除封装材料后, 检查蜂窝芯塞与原蜂窝的粘结情况, 打磨端面, 使之形成平整、光滑的表面, 并清洁表面。
在修理合格的表面上打磨清洁后恢复原有漆层, 到此复合材料蜂窝夹层结构修理完成。
4 结束语
复合材料在飞机上的应用, 有了较长的应用历史, 其修理技术也随之得到了相应的发展, 但同材料领域的研究与发展相比, 复合材料在飞机上应用的种类、数量却极其有限, 主要还是以碳纤维复合材料为主, 这也就限制了其修理技术的相对单一, 技术含量有限, 在许多方面还无法满足飞机快速高效、高可靠性和安全性的需要[8]。同时, 结构修理是目前阻碍复合材料进一步扩大应用的两个主要问题之一 (另一个问题是复合材料成本) , 如何提高修理水平, 降低维修成本是非常重要的问题。针对不同的损伤需要确定不同的修理方案, 在满足结构修理的要求下如何可以更经济, 快捷高质量地完成修理仍是一个待研究的热点问题。近年来, 随着国内在材料研究与应用方面取得的一些重大进展, 研究机构和队伍规模也在逐渐壮大, 但是在复合材料应用及其修理方面的研究和人才培养方面和国外相比略显不足, 特别是民航领域飞机复合材料方面的人才培养和研究亟需加强。
参考文献
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[2]张立.复合材料飞机地板[J].航空制造工程, 1996 (1) :21-22.
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[5]吕建坤.飞机复合材料结构的修理技术[J].航空工艺技术, 1996 (6) :40-42.
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[7]许陆文, 代永朝, 苗励刚.飞机结构战伤复合材料微波快速抢修技术[J].航空工程与维修, 2002 (3) :17-21.
结构验收汇报材料 篇5
尊敬的各位专家、各位领导：
感谢你们在百忙之中，亲临现场对合川区人民医院搬迁新建工程住院楼负一层进行结构验收。现在我代表****人民医院项目部所有建设者就本工程的建设情况向各位专家、各位领导进行汇报，汇报由工程概况、工程材料检测和验收情况、工程质量控制情况、工程难点和亮点共四个部分内容组成。
一、工程概况
参加本工程建设的责任主体及质量监督单位：
工程名称：*******搬迁新建工程
工程地址：********
建设单位：******
质监单位：***
中控单位：*******
勘察单位：*********
设计单位：**********
监理单位：**************
总承包单位：**************
劳务分包单位：*************
该工程为地上19层，地下一层。建筑总高度***m，耐火等级一级，抗震**************
烈度7度，屋面防水等级为Ⅱ级，建筑合理使用年限50年，由三栋高楼和裙楼连体组成，南北方向建筑造型呈扇形，中部15层副楼与南北建筑物形成一个整体，属一类高层民用建筑，建筑面积：********* m2。本工程主体负一层为钢筋砼框架剪力墙结构，框架剪力墙抗震等级为二级，楼盖采用超长无缝设计。主体结构强度混凝土等级：梁板C40,柱、剪力墙C60,档墙C60P6。
二、工程材料检测和验收情况
经检查工程资料与工程进度同步、真实、完整、有效，做到了验收及时、手续齐全，组卷合理，装订整齐，具有可追溯性。本工程由于主体尚刚开始，现将部分资料整理如下：
1、原材料及复试情况
钢筋出厂合格证份
钢筋复试报告份
钢筋直螺纹连接件出厂合格证份
钢筋直螺纹连接件复试报告份
商品砼质量承诺书份
焊条、焊剂合格证份
焊接试验报告份
该工程涉及质保资料共份，质保资料实有份。
2、验收情况
模板安装检验批验收记录份
钢筋加工检验批验收记录份
钢筋安装检验批验收记录份
隐蔽工程验收记录份
三、工程质量控制情况
1、质量目标：****优质结构工程、**“**杯”、国家建筑工程“鲁班
奖”。
2、技术组织保证：本项目《创“鲁班奖”实施计划》作为技术指导大纲，具体实施：各工序施工前由技术部编制合理可行的专项施工方案，经项目总工程师审核后作为施工的指导性文件。由技术部组织各工种工人进行班前技术交底。建立项目质量岗位责任制，层层签订质量保证书。建立全员质量意识，贯彻“谁管生产谁管质量、谁施工谁负责质量、谁操作谁确保质量”的原则，实行质量“一票否决权”，从组织机构和技术层面确保工程质量。
3、过程控制：
1）原材料控制：严把进场材料的质量关，所有进场材料均符合设计和国家标准，并在监理的见证下取样送检，待试验合格后方可使用，对试验不合格的材料坚决清除退场，杜绝不合格的材料在工程中出现。
2）分项工程质量控制：从工序入手，贯穿配料、加工制作、安装整个过程，实行自检、交接检、专职质量工程师检查制度。
测量放线：
该工程测量放线所用仪器采用国家二级标准测量仪器，对仪器有专人使用，并经常校验以确保测量的精度，对测量用基准点严格保护并在施工期间定期复核确保测量正确。每次测量结束后立即请监理复核验收，保证测量的准确性。
钢筋工程：
钢筋工程分钢筋的制作和绑扎，钢筋由现场钢筋车间统一制作。首先对进入加工车间的钢筋在监理见证下分类按量进行取样送检，待复试合格后再加工制作，对于加工好的钢筋根据图纸设计及施工规范检查，并在需要焊接的部位在监理见证下随机取样送检，合格后再绑扎成品钢筋。对于钢筋的质量如油渍及老锈，则必须先清除干净。进入施工现场的钢筋按部位，型号分类堆放整齐，经监理复验后才进行绑扎。在绑扎过程中跟踪检查以避免出现返工现象影响工程质量和进度，钢筋绑扎完毕后我们针对钢筋的直径，规格型号，位置，数量及其锚固长度，搭接长度，几何尺寸，保护层厚度等进行自检，互检，交接检，检查合格后报监理验收，待监理验收合格后才进行下道工序施工，为保证在砼浇筑时钢筋不变形，不移位，我们安排有责任心的钢筋工值班，随时调整柱、梁等钢筋的位置。
模板工程：
为保证工程质量，首先对模板的材料进行选择，编制了模板工程专项施工方案，对模板设计作了设计计算并有具体设计计算书。模板安装前，首先对施工缝的清理进行检查验收，待清理干净后方才进行安装，模板安装时对模板的清理进行检查，对施工工人进行构件的几何尺寸、形状、轴线位置标高进行技术交底。在施工中如出现不符合图纸设计及施工规范的工序立即制止。模板安装完毕后为保证其强度、刚度及稳定性，再对模板及其支架进行支撑的检查，重点控制支杆，水平杆的间距及其稳定性；检查斜撑的位置及
数量，检查梁、柱节点处是否符合要求，对于大跨度梁板检查模板起拱处的高度是否符合设计要求，待模板全部安装完毕后再进行复查重点检查模板的轴线标高、断面尺寸、墙体模板的垂直度及平整度。各项检查合格后报监理验收，经监理验收合格后才进行下道工序施工，砼浇注时为防止在浇注砼模板出现意外胀模，发生意外，特安排专人值班负责检查，随时处理问题。
对于每个分项工程我们都始终坚持“百年大计，质量第一”的原则，严把工程的质量关，杜绝了一切不合格的工序在工程中出现。当然，在现场的实际施工中仍然存在不足之处，希望各位领导、各位专家提出宝贵的意见。
四、工程难点和亮点
1、本工程为地下1层，地上19/15层，由两个弧形及连接体组成。施工测量是工程的难点，对于建筑物的轴线定位、高程测量、垂直度控制以及施工放样等均需严格控制。施工放线要精确，轴线的投测、标高的控制要求高。
采取措施：施工中建立施工测量控制网，结合电脑CAD布置确定控制点位置及坐标点。采用全站仪、经纬仪、激光铅垂仪、水准仪进行内外测量控制。
2、该工程地下室单层层高达到6m模板支设、混凝土浇筑和钢筋绑扎及防止移位均有较高难度。
采取措施：采用全大模板一次配置到板底，减少剪力墙施工缝。并在混凝土浇筑过程中采用增加浇筑套管，模板底部开排气孔等措施保证混凝土施工质量。钢筋绑扎过程中加大定位梯子筋的使用数量，减小使用间距有效的防止了剪力墙钢筋的移位问题。
3、本工程采用无缝楼盖设计，楼盖模板架设面积大，钢筋加工绑扎
量大，也是本工程难点之一。
采用措施：采取按伸缩缝划分施工段，模板一次架设到位，钢筋按构件分类加工、吊装、绑扎。确保施工期间满足设计要求。
本工程在各级领导的亲切关怀下，各方责任主体的共同努力下，负一层已经达到验收要求，质保资料基本齐全，分项工程经监理工程师认定全部合格，本工程自施工以来未出现任何质量、安全事故，自评合格，现提请验收。
***************工程项目部
结构材料 篇6
科学探究涉及提出问题、猜想结果、制订计划、观察、实验、制作、搜集证据、进行解释、表达与交流等活动。这些活动全部是围绕着教师提供的材料来进行的。材料的选择、合理组合和适时呈现，建立层次性和针对性较强的实验材料结构系统，可以最大限度地体现科学学习的探究性，进行有意义、有价值的而非“伪探究”的活动，无结构的材料致使课堂教学效益较低，影响儿童科学素养和谐有效的发展，使科学课变得“不科学”。
一、优化材料结构，“玩”得有意义
认识生活中的科学是孩子学习科学的必经之路。玩是孩子的天性，孩子的玩蕴藏着知识、创造和对科学的认识过程。自发的无目的的“玩”，是学生天生的、纯粹的玩，但是有意义的“玩”的基础。老师要细心呵护学生与生俱来的无目的的“玩”，使之逐步进入有意义的玩。
提供给孩子们“玩”的材料必须是有意义、有结构的。无结构或结构松散的实验材料可能使学生在一大堆实验材料面前陷入茫然或产生杂乱无章的问题，不能有效引导学生进行教师所期望的高价值的探究活动；经过优化的有结构的材料组合或合理呈现的材料有助于帮助学生在能力范围内完成层次不同的探究，满足学生的探究欲望。
二、创设情境，玩出问题——声音是碰撞、摩擦产生的吗？
激发学生的学习兴趣的目的是让学生主动参与到探究活动中去，经历假设、设计方案、实验验证、获得数据、分析数据、得出结论的科学探究过程。根据儿童的心理特点，结合所要探究的具体内容，从孩子身边寻找教学的切入点，创设情境让学生参与探究活动。
声音是怎样产生的？首先让学生用身体“制造”声音，学生发现了平时很多没有关注的能够发出声音的现象，比如打嗝、放屁、打呼噜，肚子饿得“咕咕”叫，等等，再通过模拟各种声音，引发学生对声音现象的关注，并适时引出问题：声音是怎样产生的？
三、材料合理选择，适时呈现，分批呈现，“玩”出水平
要引导学生进行有步骤，高效率的探究，并不是简单地把一堆材料呈现就可以了，即使是经过精心挑选，具有典型性的有结构材料，如果没有把握好呈现的时机，依然只是一堆没有价值的材料。为了使材料的结构更清楚，让孩子们更容易看出其结构，学具的发放有时需要分阶段，分层次进行，较后发放的材料称为“后续材料”。
1.适时呈现。孩子们的好奇心强，本课的材料都是可以发出声音的，不适当的材料出现时机会严重分散他们的注意力，从而使课堂教学和探究的效果大打折扣。
2.分批呈现。为了使材料的结构更清楚，让孩子们更容易看出其结构，材料的发放和呈现有时需要分阶段。
（1）揭示前概念，引发概念冲突
提供给学生一组能够发出声音的材料：锣、鼓、气球等。
学生发现：摩擦、碰撞、撞击、敲打等可以让物体发出声音，根据已有的前概念，得出“声音是由碰撞、敲打产生的”。
橡皮筋也能用这样的方法发出声音吗？似乎上面的方法都不行，只有弹拔能让橡皮筋发出声音，弹拔也是声音产生的一种方法。
（2）观察声音产生时现象
提供的材料：橡皮筋、尺子。
通过“玩”皮筋、尺子探索让它们发出声音的方法，分别听到了怎样的声音？能模仿这种声音吗？皮筋和尺子发出声音时，能观察到什么现象？
学生观察发现：尺子、橡皮筋在发声时都在振动，做出假设：声音是振动产生的吗？
（3）感受“振动”，验证假设——声音产生的奥秘
提供的材料：音叉和水槽；绿豆和小鼓。
让学生经历敲击音叉后听“振动”—摸“振动”-看“振动”的实验过程，让学生真切地感受到：声音发生时，音叉在振动！通过观察绿豆在鼓面上的舞蹈，更加直观地看到物体发声时的振动现象。
（4）实证意识：如果声音振动是产生的，振动停止，声音也应该停止
提供的材料：前面用过的所有能发声的器材。
怎样证明自己的想法是正确的？反过来想一想：如果声音是由振动产生的，停止振动，声音也应该停止。通过设计实验加以证实，学生探究的兴趣盎然。
（5）生活中的发声现象能证明我们的观点吗？
提供的材料：响尾蛇和青蛙发声时的动画。
响尾蛇和青蛙在发声时是否在振动？生活中还有哪些现象能证明我们的观点——声音是由振动产生的。
（6）水和空气发出声音是否也在振动？
提供的实验材料：空瓶子，烧杯。
通过吹瓶子发出声音，以及用烧杯倒水产生声音，引导学生观察思考：在振动吗？
四、深入探究，“玩”出创新——得出结论，其实我们还需要更多的证据
学生惊喜地发现，物体发声时都在振动；当振动停止时，声音也就停止了。学生很容易激动地得出结论——声音是由振动产生的。
科学探究中，培养学生的证据意识是非常重要的，千万不能以偏概全。很多执教者此时就武断地告诉学生：声音是振动产生的。而科学课的意义就在于引导学生深入探究：这样证据足够了吗？能不能找到证据推翻我们的结论呢？
因而，本课的教学并不能到此为止，需要引导学生进一步观察更多的声音的现象，思考这些发声现象是不是都是振动产生的，只要有一个不是，我们的结论就是武断的。
五、拓展活动——留给学生更多的问题和思考
万能的发声工具——音箱为什么能发出那么多丰富美妙的声音？了解我们发声器官和听觉器官的工作原理——其实它们都在振动。
“玩”是本课教学的主线，让学生经历无意义的“玩”（让身体发出声音）-玩出问题（声音是怎么产生的）-有目的地玩（观察与实验）-总结（分析与交流）的科学认知过程，在“玩”的过程中，逐步学会认真仔细全面地观察，能像科学家那样真刀真枪地实验，对科学现象进行合理的解释，把自己的观点和想法完整地表达和交流，让学生在宽松愉悦的情境中开展探究声音奥秘的活动，并能有所感、有所悟，并将科学探究活动由课内向课外有效延伸，让科学课不随着铃声的结束而结束。
结构材料 篇7
对材料性能的监测技术分为实时的自动监测和间隔性的人工检测技术两大类,下面分别加以介绍。
1 自动监测技术
1.1 混凝土裂缝的监测
1)利用埋设在混凝土中的仪器进行裂缝监测:常规技术是利用卡尔逊式或弦式测缝计,其控制范围仅0.2 m～1 m,属点式检测,由于裂缝出现的空间随机性,往往漏检。开裂的空间随机性正是混凝土裂缝监测的难点所在。
2)为了及时、无遗漏地监测裂缝,必须实施大范围的、连续、分布式监测,即所谓全分布监测。分布式光纤传感首次为此提供了高技术手段。光纤传感灵巧、精度高、抗电磁干扰、可靠耐久、易于光纤传输组成自动化遥测系统[1]。
裂缝的发生可用光纤光强的变化来监测,而裂缝的定位可用多模光纤在裂缝处光强的突然下降或EFGH 来诊断完成。美国Schiess bergstrasse大桥桥面上采用了光纤传感监测结构裂缝。基于光时域反射技术的光纤裂缝传感网络[2]可实现桥梁混凝土结构的分布检测,凡裂缝与光纤传感网络相交均可感知,并可定宽、定位、定向。
此外,还可采用超声波和磁分析仪系统、热成像系统、便携式声发射系统、无线应变测量系统、微波探测和定量分析、无源疲劳荷载测量设备和电磁——声发射传感器等。
1.2 混凝土内钢筋腐蚀的监测
多年的大量研究证明,内部钢筋锈蚀可以说是导致各类混凝土结构破坏的最主要原因。因此对所有重要的混凝土结构都应该监测内部钢筋的锈蚀状况。
美国联邦公路管理局(FHWA)开发了一种预埋式腐蚀传感器。这种传感器预埋在混凝土结构内,可以测量腐蚀的速度、混凝土的导电性、氯离子的聚集。这种传感器体积很小,甚至最终会自带能量,并通过射频方法被“询问”。目前已经用一些单个的元件组装了样品,下一步可以采用集成电路技术使该装置微型化。
先进的锈蚀监测技术还有:磁漏探测技术、探测先张法压浆空隙的冲击—反射系统及以磁为基础的测量系统等。
1.3 疲劳状况的自动监测
为了监测疲劳裂纹的扩展,可以采用声音辐射(AE)技术[4]。用特制的传感器可检测到应力波,这种方法就是声音辐射技术。
在进行长期疲劳监测时可采用一种完全被动的传感器,它基于一种特殊的被动应变放大设计,利用2个带模拟应变片的预先开裂试样来测量裂纹长度。试样用具有不同裂纹开展特性的材料造成。预制的疲劳裂纹在桥梁的随机变幅应变作用下开展。利用专用测量仪定期测量2个试样上的裂缝长度,可以定出预先设定应力范围内的有效循环次数,这种传感器称为疲劳探测仪。利用该技术就可能记录下桥梁的疲劳过程。
美国2006年开发了第二代钢桥疲劳监测系统,可长期采集应变时间历史和峰值,并做雨流分析,直接给出所消耗的疲劳寿命。这套装置2006年在特拉华州的1-704桥上做了量测。日本也早已使用了类似设备。它们都可用于专项实时监测。
为了准确量测裂缝尖端的应力梯度,可使用应变片条(strip strain gage)。例如型号EA-06-031MF-120,由Measurements Group Inc.制造,每条由10片应变片等距离排成一条线,每个应变片长度仅有0.78 mm。
2 人工检测技术
2.1 钢材及连接件的检测
对钢材性能的检测主要是指裂纹、孔洞、夹渣等;对焊缝主要是指夹渣、气泡、咬边、烧穿、漏焊、未焊透以及焊脚尺寸不足等;对铆钉或螺栓主要是指漏铆、漏检、错位、错排及掉头。检测方法主要是外观检查、X射线、超声波探伤、磁粉探伤方法和渗透探伤方法检查。
2.2 钢筋的性能检测
1)钢筋锈蚀状况检测:
可选用的仪器有:GECOR 8钢筋锈蚀率测定仪、SW-3C型钢筋锈蚀检测仪、CORMAP钢筋腐蚀区域测定仪、GXY-1A型钢筋锈蚀测量仪等。
2)钢筋扫描:
包括确定钢筋位置、检测保护层厚度和钢筋直径。可选用的仪器有:Pro6S钢筋扫描仪、GBY-1A型钢筋保护层测试仪、钢筋定位测试仪5/5S(瑞士)等。
2.3 混凝土材料的性能检测
1)混凝土结构层析成像检测系统[5]:
基于超声原理,采用稀土换能器作为超声源,可输出大功率的窄脉冲信号,检测大体积的混凝土结构。信号接收采集采用了24通道的并行数据采集电路,每通道的A/D分辨率为12 bit,采样率最大为3.10×109个/s采样点,这使得层析成像检测成为可能。另外可以实现24个接收点同时接收信号,大大提高了检测效率,并可保证采样点位置的精确一致性。内部层析成像计算采用的是改进的ART 快速算法。
2)红外热像仪:
美国FLIR SYSTEMS公司生产,能生成红外图像或热辐射图像,可用来检测混凝土的病害、缺陷等。
3)混凝土裂缝宽度的检测:
可选用的仪器有:SW-LW-101裂缝宽度观测仪、FCV-21便携式裂缝宽度测量仪(日本)、ZIRE72裂缝检测仪、BJQF-1型桥梁裂缝观测系统、裂缝检测仪等。
4)混凝土中氯离子含量的检测:
可选用的仪器有:氯离子含量快速测定仪CLCONT-U,C-CL-2000混凝土氯含量测定仪、RCT氯含量快速测定仪(丹麦)等。
5)混凝土碳化深度检测:
可选用的仪器有:混凝土碳化深度测定仪CORBO DETECT(美国)等。
6)混凝土强度回弹仪:
可选用的仪器有:Digi-Schmidt2000混凝土数显回弹仪(瑞士)等。
7)混凝土电阻率测量:
通过测量混凝土构件的电阻率可以评价其腐蚀的危险程度,电阻率越低,腐蚀电流流过混凝土就越容易,腐蚀的可能性就越大。可用的仪器有RESI混凝土电阻率测试仪(瑞士)等。
人工检测技术对结构材料性能进行的是间隔性的检测,目前科技含量越来越高,效果和效率都得到了很大的提升,普遍比自动监测技术对材料的微小损伤更加敏感,而且直接有效、方便可靠。缺点是需要较多人力、容易有检查盲点、有时候欠缺整体性等。随着新技术的不断出现,这些问题正逐渐得到解决。
3 结语
文中介绍了可用于混凝土结构和钢结构材料性能监测的一系列先进技术,分为实时的自动监测技术和间隔性的人工检测技术两大类。利用这些先进技术,可及时有效地发现并确认材料的性能退化,以便采取合理的处理措施,从而可以有效地保障结构安全。
摘要：介绍了对混凝土结构和钢结构的材料性能进行监测的先进技术,包括自动监测技术和人工检测技术两大类,以通过采用这些技术,及时发现结构材料的性能退化,从而有效保障结构安全。
关键词：混凝土,钢结构,材料性能,监测
参考文献
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墙体材料行业结构调整指导目录 篇8
1.1 板材类
1.纸面石膏板 (工业副产石膏为原料) , 必须达到GB/T 9775-2008技术要求, 以工业副产石膏为主要原料, 其单线年生产规模3000万m2及以上生产线。
2.建筑用轻质隔墙条板、灰渣混凝土空心隔墙板、玻璃纤维增强水泥轻质多孔隔墙条板, 必须达到GB/T 23451-2009、GB/T 23449-2009、GB/T 19631-2005技术要求, 采用机械化生产, 单线年生产规模≥15万m2。
3.纤维水泥夹芯复合墙板, 必须达到JC/T 1055-2007技术要求, 采用成组立模生产工艺, 年生产规模50万m2及以上生产线。
4.石膏空心条板 (工业副产石膏为原料) , 必须达到JC/T 829-2010技术要求, 采用机械化生产, 年生产规模15万m2及以上生产线。
5.蒸压加气混凝土板, 必须达到GB 15762-2008技术要求, 年生产规模20万m3及以上生产线。
6.建筑用金属面绝热夹芯板, 必须达到GB/T23932-2009技术要求, 绝热材料必须达到国家有关防火安全要求, 年生产规模50万m2及以上生产线。
7.钢丝网架水泥聚苯乙烯夹芯板、大模内置外墙外保温系统用钢丝网架模塑聚苯乙烯板, 必须达到JC623-1996、GB 26540-2011技术要求, 聚苯乙稀夹芯板必须达到国家有关防火安全要求, 年生产规模20万m2及以上生产线。
8.纤维增强硅酸钙板、蒸压纤维水泥板, 必须达到JC/T 564.1-2008、JC/T 412.1-2006技术要求, 并增加高密度板比例, 其单线年生产规模800万m2及以上生产线。
9.建筑用U型玻璃 (以废玻璃为原料) , 必须达到JC/T 867-2000、06J505-1、11J508构造图集技术要求, 以废碎玻璃为原料, 年生产规模60万m2及以上生产线。
10.玻璃纤维增强水泥外墙板, 必须达到JC/T1057-2007技术要求, 以耐碱玻璃纤维、低碱度水泥为原料, 采用机械化喷射成型工艺, 年生产规模20万m2及以上生产线。
11.幕墙用烧结装饰板, 必须达到正在报批的GB××××-201×技术要求。
12.纤维增强水泥外墙装饰挂板, 必须达到JC/T2085-2011技术要求, 其单线年生产规模60万m2及以上机械化生产线。
1.2 砌块类
1.采用以煤矸石、粉煤灰、页岩、建筑基坑土、建筑渣土、江河湖 (渠) 海淤泥、污泥、为建设用地平整土丘荒坡土等为原料的烧结多孔砌块、烧结空心砌块、烧结保温砌块、烧结复合保温砌块, 必须达到GB13544-2011、GB 13545-2003、GB 26538-2011技术要求, 经过原料精细化处理 (包括建设陈化库) 、55型以上成型砖机、人工干燥、自动码卸坯、4.6 m以上断面的隧道窑、自动控温, 单线年生产规模6 000万块普通砖及以上生产线。
2.普通混凝土小型空心砌块、轻集料混凝土小型空心砌块、装饰混凝土砌块、混凝土复合保温砌块, 必须达到GB 8239-1997、GB/T 15229-2011、JC/T 641-2008技术要求, 成型主机功率为40 kW以上, 振动频率55 Hz以上, 振幅为1.2 mm～1.5 mm, 采用自动计量配料, 人工养护 (包括太阳能养护) , 机械码坯系统, 生产规模单机单班年生产规模6万m3及以上生产线。
3.蒸压加气混凝土砌块, 必须达到GB 11968-2006技术要求, 采用4.2 m以上切割机, 年生产规模20万m3及以上生产线。
4.石膏 (空心) 砌块 (工业副产石膏为原料) , 必须达到JC/T 698-2010技术要求, 采用自动生产工艺成型, 年单线生产规模30万m2及以上生产线。
1.3 砖类
1.采用以煤矸石、粉煤灰、页岩、建筑渣土、建筑基坑土、河湖 (渠) 海淤泥、污泥、为建设用地平整土丘荒坡土等为原料的烧结多孔砖、烧结空心砖、烧结保温砖、烧结复合保温砖、烧结路面砖, 必须达到GB13544-2011、GB 13545-2003、GB 26538-2011、GB/T29060、GB/T 26001-2010技术要求, 经过原料精细化处理 (包括建设陈化库) 、55型以上成型砖机、人工干燥、自动码卸坯、4.6 m以上断面的隧道窑、自动控温, 单线年生产规模6000万块普通砖及以上生产线。
2. 蒸压灰砂多孔砖、蒸压粉煤灰多孔砖, 必须达到JC/T 637-2009、GB 26541-2011技术要求, 采用双向液压成型机、公称压力8 000 kN以上、自动计量配料, 年生产规模6 000万块普通砖及以上生产线。
3.道路用混凝土砖, 必须达到JC/T 446-2000技术要求, 采用成型主机功率为40 kW以上, 振动频率55 Hz以上, 振幅为1.2 mm～1.5 mm, 自动计量配料, 人工养护 (包括太阳能养护) , 机械码坯, 单机单班年生产规模3000万块普通砖以上生产线。
4.复合保温砖, 必须达到GB/T 29060-2012技术要求的生产线。
5.烧结装饰砖, 参照执行GB 13544-2011、GB13545-2003技术要求的生产线。
6.烧结瓦, 必须达到GB/T 21149-2007技术要求, 采用以煤矸石、粉煤灰、页岩、建筑渣土、建筑基坑土、江河湖 (渠) 海淤泥、污泥、为建设用地平整土丘荒坡土等为原料, 并经过原料精细化处理 (包括建设陈化库) 、挤出成型机、压瓦机、自动码卸坯、人工干燥、隧道窑焙烧、自动控温, 年生产规模500万片及以上生产线。
2 限制类
2.1 板材类
1.年生产规模15万m2以下的各种条板、复合板生产线。
2.年生产规模800万m2以下的各种纤维水泥平板生产线。
3.年生产规模3000万m2以下的纸面石膏板生产线。
2.2 砌块类
1.成型主机功率小于40 kW, 振动频率小于55 Hz, 振幅大于2.0 mm, 配料无自动计量、无养护室 (窑) 单机单班年生产规模5.0万m3以下的混凝土砌块生产线。
2.年生产规模20万m3以下的蒸压加气混凝土砌块生产线。 (经济不发达地区和边远地区除外)
3.机械化程度较低, 单线年生产规模50万m2以下的石膏砌块生产线。
4.年生产规模5万m3以下的烧制陶粒生产线。
2.3 砖类
1.原料中页岩或各种废渣 (土) 含量低于70%, 采用45型或以下挤出机, 单线年生产规模3 000万块普通砖以下的各种烧结砖及烧结空心砌块生产线。
2.压砖机成型压力低于200 t, 年生产规模3000万块普通砖以下的蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖生产线。
3. 年生产规模5万m3以下的烧制陶粒生产线。
4.成型主机功率小于40 kW, 振动频率小于55 Hz, 振幅大于2.0 mm, 配料无自动计量, 无养护室 (窑) , 单机单班年生产规模3 000万块普通砖以下的混凝土实心砖、非承重混凝土空心砖、承重混凝土多孔砖、装饰混凝土砖和混凝土路面砖生产线。
3淘汰类
3.1 板材类
1.各种手工制作墙板的生产线。
2.使用非耐碱玻璃纤维和非低碱度水泥生产的玻纤增强水泥空心条板生产线。
3.年产1000万m2及以下的纸面石膏板生产线。
3.2 砌块类
1.以破坏农田、耕地和破坏环境取土为主要原料的黏土烧结砌块生产线。
2.成型主机功率小于20 kW, 振动频率40 Hz以下, 采用简易移动式混凝土砌块成型机或附着式振动成型台, 单机单班年生产规模2.5万m3以下的混凝土砌块生产线。
3.年生产规模10万m3以下的蒸压加气混凝土砌块生产线;手工切割或预铺钢丝式蒸压养护加气混凝土生产线;非蒸压养护的加气混凝土砌块生产线。
4. 以黏土为原料生产的陶粒生产线 (陕西、青海、甘肃、新疆、西藏、宁夏六省除外) 。
5. 人工浇注, 非机械成型石膏空心砌块生产线。
3.3砖类
1.破坏农田、耕地和破坏环境取土烧制的实心黏土砖生产线。
2、28门以下轮窑及立窑、无顶轮窑、马蹄窑等土窑生产线 (2013年完成淘汰) 。
3.普通挤出机、SJ 1580-3000双轴、单轴制砖搅拌机。
4.SQP 400500～700500双辊破碎机、1000型普通切条机。
5. 不符合国家产业政策, 以及在城市规划区、生态保护区、风景名胜区、文物古迹保护区、基本农田保护区范围内和国道、省道、铁路、高速公路沿线可视范围内的烧结砖瓦窑生产线。
6. 成型主机在200 t (不含) 以下盘转式压砖成型的蒸压灰砂砖和蒸压粉煤灰砖生产线。
7. 非烧结、非蒸压粉煤灰砖生产线。
复合材料天线骨架结构设计 篇9
球载雷达是一种空中平台监视系统。该系统利用系留气球作为平台, 搭载专门研制的雷达升空, 用以实现对远距离低空小目标的探测。为了尽可能增加气球的剩余浮力, 提高气球空中工作的稳定性, 结构总体设计时应贯彻轻量化设计原则, 其中采用轻质复合材料设计制造球上设备是一种行之有效的方法。本文根据雷达系统的总体要求, 结构设计时充分考虑质量、布局、体积等条件的约束, 进行综合优化设计, 最终采用复合材料设计制造天线骨架。
2 天线骨架结构设计
该雷达系统球上设备主要包括通侦设备、雷达设备、稳定平台以及作为承载结构的天线骨架。球上设备安装在气球整流罩内, 通过稳定平台悬挂于气球的设备挂架。各天线设备则通过天线骨架悬挂在稳定平台下方。天线骨架作为系统的主承力结构及安装平面, 要求其具有较好的刚度和强度。
根据系统设计要求, 天线骨架为矩形平板结构, 尺寸约为3000mm×1250mm, 天线骨架正面安装通侦设备及雷达设备的天线阵面, 同时天线骨架背面安装射频前端等其他设备。球上天线设备总重超过75kg, 且总体重量 (不包括稳定平台) 要求小于110kg。综合分析以上需求, 确定天线骨架选择复合材料进行设计, 同时为了验证其可靠性, 对其进行力学分析。
以天线骨架结构力学分析为设计依据, 考虑现有材料的性能以及天线结构形式本身的特点, 天线骨架的材料选择铝蒙皮-碳纤维/泡沫-蜂窝夹层结构, 以提高天线骨架的整体刚度及稳定性, 同时满足使用的需求。天线骨架的主体结构包括碳纤维/泡沫结构承力梁, 铝蜂窝中间夹层以及覆盖在两者外表面的薄铝蒙皮, 如图1所示。
碳纤维/泡沫结构作为天线骨架的主承力梁, 对整体的刚强度及稳定性起到了至关重要的作用。梁结构内部为泡沫F50-50胶结而成的泡沫框架, 框架外部缠绕5层厚度为0.2mm的碳纤维布, 框架内部相应位置预埋预制的铝件作为稳定平台的安装接口。框架中间拼接厚度为50mm的铝蜂窝夹层, 夹层内部同样通过预埋预制铝件的方式作为天线其他设备的安装接口。拼装完成后, 在天线骨架的正反两面安装薄铝蒙皮, 稳定平台与天线骨架的安装点通过厚铝件进行加固处理。
3 天线骨架力学分析
天线骨架的有限元建模首先采用CAD软件PRO/E建立详细的几何模型, 然后使用Hypermesh对几何模型进行网格划分和网格优化, 然后导入ABAQUS求解器进行求解。复合材料各组分的力学参数如表1、表2所示。
计算过程中, 模拟天线系统实际使用条件, 稳定平台在最上端与天线骨架上相应的安装接口相连, 计算时约束稳定平台最上端节点上所有自由度。有限元模型共1437865个节点, 划分为1662341个单元, 如图2所示。坐标原点取稳定平台转轴的最上端点, Z向为由天线阵面指向天线阵面背面方向, Y向为竖直向上方向, X向由右手定则确定。
由计算结果可知, 天线骨架在工作状态沿OX轴横滚23°且受到法向 (Z向) 5m/s2过载时, 结构发生最大变形, 最大变形为5.3mm, 最大变形位置出现在天线骨架底部;天线骨架在工作状态沿OX轴横滚23°且受到法向 (X向) 3m/s2过载时, 结构产生最大应力, 最大应力为34.1MPa。取安全系数1.5, 则最小剩余安全裕度为1.5>0, 满足强度设计要求。
4 结论
(1) 经过力学分析, 可以看出设计的复合材料天线骨架力学性能满足设计指标的要求, 工作状态下结构的应力水平远小于材料的许用应力, 最小剩余安全裕度较高, 同时结构变形也可以满足使用要求。 (2) 通过实测可知, 复合材料天线骨架总重量约为32kg, 满足总体的重量要求, 较金属铝合金制造的天线骨架减重超过40%, 较好地达到了轻量化的设计目的。 (3) 在设计各个阶段充分运用经验分析、理论计算、试验测试等设计手段, 不仅保证了整个设计过程沿着正确的方向进行, 避免造成设计反复、浪费人力和物力, 而且现代设计手段的应用有效提高了设计水平, 很好地解决了该复合材料天线骨架结构设计中的各种难点。
摘要：球载雷达对球上设备的重量要求严格, 因此结构设计时应贯彻轻量化设计原则。为了达到设计要求, 天线骨架采用轻质维复合材料以减轻重量。同时, 利用有限元软件对天线骨架进行力学分析, 在力学分析的基础上, 充分利用复合材料的可设计性, 设计并研制出符合要求的复合材料天线骨架结构。
关键词：球载雷达,复合材料,天线骨架
参考文献
[1]彭天杰.复合材料在雷达天馈系统结构设计中的应用[J].纤维复合材料, 2008, (2) :18-19.
[2]万录明.雷达天馈系统轻量化技术[A]//第九届机械加工技术学术年会论文集[C].2004.
浅析粘结层材料结构及性能研究 篇10
关键词：粘结层,材料结构,性能研究
1 粘结层材料稳定性研究
1.1 水稳定性
材料放置24h后, 由于室温达3012, 沥青立方体变成为薄层状, 将瓷片浸入5%Na2C03水溶液巾放置48h, 观察沥青层状态和与瓷片结合状态。
通过观察, 四种材料在Na2C03溶液中进行48h浸水后.与瓷片接触紧密.沥青未发生鼓包等明显性质改变.说明材料具有一定的抗水损能力。
1.2 热流变性
将室温状态下的沥青涂样放入80℃烘箱中, 瓷片与烘箱底部呈60角.每l0min观察涂样状态 (见图1) 。
通过高温状态下的沥青流变性能比较实验乳化SBS改性沥青拥有比其他乳化沥青强的高温流变性, SBR改性乳化沥青耐热性最差。
2 粘结层材料防水性能研究
防水粘结层材料的主要作用之一就是防止水分的侵蚀.虽然桥面铺装能阻止大部分的水分渗入到粘结层位置, 粘结层材料还是应当具有一定的防水能力。
2.1 碎石代替上铺混凝土
防水层材料防水能力的嵌失很大程度是因为桥面铺装在进行热辗压时集料棱角对防水层的刺穿作用。为了更明显地表现集科棱角对防水层的刺穿作用, 在设有防水粘结层的试件上用具有一定级配碎石代替沥青混合料, 加热至200℃。按照沥青混合料压力成型试件的办法在压力机上进行压力压实.保持1分钟后取出试件, 清除不稳定的集料颗粒。进行防水试验。
碎石集配粗料部分接近ACl6.采用10~20和5~10两种集料组合, 集配曲线见 (图2) 。
2.2 粘结层材料防水能力
使用上述制得的试件进行渗水检测, 将渗水仪水平安装在试件防水面, 因加有碎石层, 表面缝隙巨大, 用矿物黄油密封周围, 加装配重使水分不至于流出, 进行渗水实验。因为矿物黄油的粘度有限, 渗水仪器内水高为20cm。超过20cm水头, 水压过大容易冲破黄油密封层, 渗水时间统一为2小时。
从表中数据可以看出, 四种粘结层材料均有不同程度的防水能力, 乳化SBS改性沥青与SBR改性乳化沥青的防水能力最佳, 其次为混合沥青, 掺加纤维的乳化SBS改性沥青防水能力最差。
原因分析:改性沥青本身拥有优良的粘性, 即使经过乳化工艺, 粘结能力降低也仍然拥有比较强的防水能力。掺加纤维的乳化沥青性质发生改变, 由于纤维的模量与理清模量之间的差异, 涂在试件表面的乳化沥青在进行蒸发时容易发生开裂, 导致防水粘结层破损, 防水能力降低。
按照规范推荐的方法, 在底试件上压力成型5cm OGFC混合料, 进行渗水实验, 四种材料20cm水头2小时渗水高度均没有变化, 四种材料可以满足一定的防水要求。
3 粘结层剪切性能研究
3.1 粘结层结构试验方法
粘结层设置在桥面板和铺装层之间, 模拟粘结层的工作状态, 采用混凝土试件+粘结层+沥青混凝土铺装的结构, 进行不同正应力下的剪切强度实验。
使用表2所示材料, 计算喷洒量蒸发后残留沥青的厚度在lmm左右。取制作好的圆形底层试模, 清洁干燥施工表面, 根据蒸发残留物含量计算其表面乳化沥青用量喷洒于其表面, 再均匀撒布3-5mm碎石, 放置于室外干燥备用。
现今没有一种关于粘结层实验的统一方法, 有采用倾斜角度剪切、直接剪切和直接拉拔的方法。抗拉拔能力是一种间接的粘结能力表现方式, 主要还是起稳定层间的作用。现今粘结材料的主要测试方法就是粘结试件纵向直接拉伸试验, 直接拉伸试验简单明了, 可以排除其他方面的干扰, 是一种近似理想状态。但是直接拉伸试验只能说明粘结面垂直方向的粘结力大小, 测的是其纵向力, 不能反应正应力和界面粗超程度对粘结力的影响。而汽车作用力呈平行于桥面板的纵向方向, 与试验测的数据没有直接关系。平行剪切实验可以模拟汽车轮胎对桥面铺装的水平作用力。现今使用的剪切仪, 上下包面可以使层间力集中于粘结层, 排除混合料内的剪切破坏影响, 数据直接反应粘结层的抗剪能力。实验采用正应力下的剪切试验测定不同材料在最不利温度下的抗剪切能力, 不仅可以反映实际桥面铺装结构受力, 还可以预估出不同正应力下的剪切强度。
3.2 粘结层结构材料剪切强度 (25℃)
根据规范要求, 进行无正应力条件下25℃时的直接剪切强度实验, 以测定材料是否满足规范要求。
从表中数据可以看出, 粘结层撒布碎石后可以明显增大粘结层抗剪切能力。若采用纯结合料粘结层, 四种材料都无法满足规范要求, 撒布碎石后, 乳化SBS改性沥青和混合沥青剪切强度增大到0.5Mpa, 达到规范要求。但是实际工程中应用乳化沥青材料作粘结层的不在少数, 并且使用效果还算满意, 因此应用25℃材料剪切强度决定乳化沥青类材料应用于粘结层存在一定限制。
3.3 粘结层结构材料剪切强度 (50℃)
根据现场测定桥面铺装在粘结层位置的温度可以达到50℃以上, 根据力学分析, 进行最不利状态下施加正应力的剪切试验。a.实验时的困难:实验时由于竖向荷载比较大, 施加于50℃的沥青混合料上, 容易使混合料产生变形, 造成应力施加的不稳定.况且仅测定一点的剪切强度不足以反应材料的抗剪切能力。b.解决方案:参考应力圆模型, 相同温度条件下, 正应力的大小与粘结层抗剪切能力存在线性关系.测定不同正向应力下的抗剪切能力.绘出应力曲线, 预测出目标正应力下的抗剪切强度。
4 结束语
综上所述, 虽然我国目前在粘结层材料方面取得了一定的成就, 但对于水泥混凝土桥梁防水等工作还欠缺很多。目前, 国内外对大跨径桥梁钢桥面柔性铺装层的数值模拟、材料应用、层问粘结防水等做了大量工作, 取得了一定的研究成果, 然而对应用较多的水泥混凝土桥梁防水粘结层体系研究较少。
参考文献
[1]戴刚, 钱振东.水泥混凝土桥面环氧沥青防水粘结层性能研究[J].新型建筑材料, 2009, (05) .
[2]张珂峰, 曹青来, 李翠红.苏通大桥桥面防水粘结层试验研究[J].绍兴文理学院学报 (自然科学版) , 2008, (03) .
航空复合材料结构修补技术与应用 篇11
关键词：航空；复合材料；结构；修补技术
中图分类号：TQ436.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0056-02
1 概 述
复合材料修补的设计和可行性研究最早始于上个世纪70年代初叶。当时，美国和苏联的冷战正处于关键时期，也是太空竞赛的重要节点，因此，以英美为首的资本主义国家开始积极投入资源研究复合材料的修补技术，并且采取了积极而严密的保密机制。而我国的复合材料修补技术研究直到上个世纪的80年代中后期才开始筹建。在1989年，我国首次实现了对某飞机副油箱水平安定板支臂裂纹进行了以碳纤维复合材料为补片的外场修补，标志着我国航天材料修补技术及工艺应用开端。然而，我国在该项技术的研发上落后于发达国家太多，加上各国之间的技术交流缺乏有效的途径，这使得我国的航空符合材料结构修补技术研究综合水平不高。尤其是在某些特点材料结构的修补上缺乏足够深入和系统的研究，其中的不足之处表现在多个方面，不仅仅是对该复合材料的研究和修补技术上，更表现在有限元模拟和工程应用技术储备等方面。
因此，这也是本文介绍结构复合材料修补技术的初衷，希望可以有更多力量投入到在航空领域材料结构修补技术的研究和应用当中。
2 航空复合材料结构损伤及修补的分析
2.1 航空复合材料结构的损伤
复合材料在制造和应用的阶段往往容易产生结构性的损伤，这主要是由于该类材料在物质组成和系统性能上具有一定的特殊性。然而，该类材料往往具有较高的物质成本，整个部件的置换往往需要耗费大量劳务成本和物质成本，因此，往往对航空复合材料的结构损伤采取修补的方式，使之再次投入使用。对于修补技术而言，首先便是需要对复合材料的损伤特点进行分析，并通过对其结构损伤详情和材料组成差异性的分析，决定相应的修理工作。
具体而言，航空复合材料的结构损伤往往分为高速冲击损伤与低速冲击损伤两个大的类别，其修补技术也需要根据这两类损伤的不同具体确定。因为低速冲击损伤所附带的能量水平较低，所以其引发的复合材料内部结构的层间分离和集体裂纹，其材料结构表明并不会有太明显的特征，但是这类损伤也会使得材料结构的强度大大减弱，无法继续发挥使用性能。而高速冲击损伤的表象则相对明确，因为具有大量的能力，而且相对集中，因此所造的破坏和易见性损伤都明显，例如裂缝、空洞、断裂等等。
2.2 航空复合材料结构的修补原则
2.2.1 基本的修补原则
航空复合材料的基本修补原则主要包括了便捷性、时效性、经济效益以及使用性能的恢复等诸多方面。
具体来看，第一，需要修补之后的强度和硬度满足使用要求，同时还需要保障材料在结构性上的完整，无论是承载状况还是使用性能都能恢复到标准水平。第二，需要在修补的过程中要尽可能少影响机械整体结构、重量以及其他性能，控制在可接受的标准范围内。第三，还需要材料表明的平整性、光洁度以及完备性，这主要是为了保障航空设备的外形不发生变化，减少对设备的启动影响。第四，由于修补具有较强的操作性，同时不需要太多的器材和设备。第五，修补具有在经济效益是符合标准的，需要保障成本是处于可接受的范围内。
2.2.2 结构性修补的原则
对于从事修补的技术人员来说，除开对于基本修补原则的注重之外，还需要对结构性修补原则引起重视。首先，需要保障修补通道的预设置，方便今后检修工作和强化工作的进行。其次，要对频繁损坏的位置进行设计方案上的优化。最后，还需要强化对组合构件的设计和应用，降低单一项目修补所带来的难度，及其对整体结构的影响。除此之外，还需要尽量减少对整体构建的置换和装卸，进一步避免安装所带来的时间成本。
3 航空符合材料结构修补技术的分类
3.1 机械连接类
机械类的修补技术大多是通过焊接和铆接来实现，通常而言，这类修补需要在所需修补的位置外表覆盖补片，然后通过螺栓或铆钉对补片进行固定。这样一来，被损坏位置在经过修补之后有可以维系完整的载荷传递路线，满足其原有的功能性需求，具有非常明显的优势，而且在操作上也相对简单。同时这类修补技术也有效地避免在修补过程出现冷藏和加热的需求，因此对辅助设备功能性要求较低。在最后阶段的修补连接件处理上并不需要投入太多的技术施工，同时又满足了效率和便捷性的需求，具有相对可靠的修补性能。然而，该类修补技术模式也存在一定的技术缺陷，尤其是连接孔的位置会出现应力过于集中的问题，需要引起高度的重视。
同时，这类机械连接修补技术还存在不少的问题需要解决。
①补片采用的材质（一般采用钦合金、铝合金、不锈钢等纤维复合材料）、厚薄以及形态；
②紧固件的材质（常用单面螺栓或抽芯铆钉）和类型；
③紧固件的位置排布（间距一般为4～5D，孔边距为3D，保持和铆钉孔的间距）；
④科学的打孔技术；
⑤打孔对于整体结构的效果；
⑥紧固件的安装、配置以及保存问题。
3.2 胶接类
胶接类修补技术可以直接从名称进行理解，是指通过特殊的胶体将损坏位置与补片进行连接固定，以实现使用性能的恢复。胶接法的应用，使得损坏部位的修补模式有了更多的选择空间和更强的可调节性，可以实现切除填补，这也使得胶接类修补法主要分为贴补、挖补等不同的类别。
首先是贴补修补，其本质是利用外部补片的胶接完成对损伤位置的修补，但是能够用到贴补修补的损伤位置并不多，一般只能在平面损伤中进行修补，而且大多都是不会影响到整体气动外形的部位。通常应用到贴补补片模式的材料也具有较多的选择空间，除了可以选用钛、铝、不锈钢等金属材质之外，还可以直接运用碳/环氧、硼/环氧等类型的复合材料。然而事实上，对于这类外贴补片的材料选择，往往会优先选用和母体材质相近的材料完成修补工作。
其次是固化完成的复合材料层板，钛、铝合金金属材料。胶接修补模式可以有效减少在修补中所消耗的时间成本，并且对修补位置的气动外形影响也相对较小。挖补修补，应用这类修补的主要原因是因为这类损伤部位需要进行高强度的清理，然后再由新材料进行填补。而这类修补技术也可以根据填充模式的不同进行划分，主要是斜接填充和阶梯填充两大类。
以斜接填充法为例，主要是将损坏位置进行二次修整，保证其呈现斜面状，然后采用新的材料进行补充，而对于基于胶接面的剪切则可以保证其匀称性，同时避免载荷偏离、剥离应力过小的问题，所以修补效果更好，特别是关于厚层合板方面的修补完全可以忽略厚度因素，就可以保证修补位置表面恢复光洁。然而，相比贴补法的特点分析，这类修补模式往往对操作工艺具有较高的要求，而且会耗费较大的时间成本，还需要特别的操作环境和操作设备，因此，在一般的厂家并不容易开展。加上阶梯修补本身与斜接修补就有不少的相似性，只是阶梯修补需要将损坏位置修整为阶梯型，再利用新选用的修补材料进行填充。然而，这类修补模式往往需要对修补工作的操作人员有较高的要求，不仅仅需要利用专业的设备，还需要高超的技术水平和严谨的工作态度。值得注意的是，这类修补模式需要对没有损失的部位进行清除，因此会衍生出不少的风险。
3.3 其他修补类
对于航空复合材料而言，除了其本身材料构成上的特殊性之外，还有其所运用领域的特殊性，综合下来，其易受损的状况也比普通金属材料要频繁的多。因此，该类材料的修补模式也和其他传统修补模式存在一定的差异性。
因此，除了前两种常用的修补方法之外，我国在技术发展的过程中也涌现出了不少的新型修补模式。其中发展和应用状况相对良好的主要是：电子束固化修补、光固化修补以及微波修复等等。这类修补模式往往具有相对较高的修补效率，通常适用于非补片式的修补需求，例如微波修补，则主要采用的是一种特殊的“胶接”方法，即在损坏地方加入微波吸收剂，然后强化该位置的磁导率，然后以特定的微波施加设备对修补位置导入微波，使之在较短的时间周期可以构建全新的高强度修复面，最终实现对于损伤位置的修补，恢复其使用性能。
4 结 语
随着时代的发展，航空复合材料的应用领域和前景也得到了进一步的显现，同时也催生航空复合材料结构修补产业和技术的发展和完善。然而，我国目前的航空符合材料及其修补的发展还相对较慢，与发达国家存在较大的差异。
因此，需要国家加大对航空复合材料结构修补技术的支持和引导，尤其是对教育产业的引导和扶持，让更多的人可以有平台接触该知识，通过扩大教育基础加大高级技术人才对该领域研究的深入，为我国航空复合材料修补技术的发展提供坚实的基础。
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结构材料 篇12
某一维度上的尺寸在1~100nm之间的材料为一维或二维纳米材料。相对于块体材料,由于性能特殊且优异,一维、二维纳米材料已成为近20年的研究热点,且在许多领域有着巨大的应用潜能。自2004年发现单原子层石墨材料———石墨烯[1]后,很快人们已经能够成功可控地剥离或合成单个或数个原子层石墨烯。在掀起了石墨烯研究热潮的同时,也给研究前沿带来一个新问题———与石墨烯相对应的BN薄膜(一种类石墨烯结构且仅由B原子和N原子组成的单原子层材料)是否同样能够大量制备并广泛运用。
氮化硼薄膜目前尚处于基础研究阶段,大批量生产高纯度和高结晶度的低维BN纳米材料还具有一定难度和挑战性。目前氮化硼薄膜的主要制备方法有机械剥离法、化学剥离法、化学气相沉积法(Chemical vapor deposition,CVD)等。二维的BN纳米材料具有高热导率,高抗氧化性,高化学、热学稳定性,优良的电绝缘性以及良好的力学性能等,在多功能复合材料的改性、传感器件、场发射器件、紫外激光器件以及抗氧化涂层和超疏水涂层等方面将有重要应用。本文综述了近年来二维六方氮化硼薄膜材料结构性能的研究进展,并展望了氮化硼薄膜的潜在应用。
1 氮化硼的不同结构类型
1.1 块体氮化硼的结构类型
氮化硼BN和碳材料的结构相似,存在各种晶型。其中sp2杂化的六方氮化硼(h-BN)是一种白色具有润滑性质的多晶型材料,类似石墨的层状结构。这种层状结构也可以斜方六面体(r-BN)的形式进行堆垛。BN其他常见的结构还有以sp3杂化的立方氮化硼(c-BN),其结构类似金刚石,且是迄今已知第二硬的材料。BN还有一种罕见的类似于六方碳的sp3杂化纤锌矿结构(w-BN)。图1总结了BN的各种晶型[2]。
1.2 低维氮化硼的纳米结构
2004年,石墨烯出现不久之后人们便获得了从BN晶体上剥离的单独的二维BN薄膜[3]。2008年,Chen等[4]合成了长度可变、宽度较窄的BN纳米带。零维、一维和二维氮化硼纳米结构模型如图2[5]所示。目前,BN纳米结构系统是最具应用前景的非碳纳米结构系统。以下各节讨论的BN纳米结构均指纳米薄片或纳米带。
2 六方氮化硼薄膜的结构特性
单原子层六方氮化硼同单原子层石墨烯结构相同,只需将石墨烯中的碳原子全部替换成交替的硼原子和氮原子。同石墨烯相似,每层六方氮化硼中,原子间通过强共价键结合,而层间则有微弱的范德华力。六方氮化硼堆垛方式为AA′堆垛,其晶格参数和石墨烯十分接近,如表1所示[5]。
实际纳米材料中不可避免地存在拓扑结构上的缺陷,例如空位、吸附原子等,这些缺陷对纳米材料的电学性质和化学反应活性有显著影响。石墨烯中一种常见的缺陷是Stone-Wales缺陷,即六元环结构中碳原子的重排,在六方氮化硼薄膜中也存在Stone-Wales缺陷,可以形成五元环-七元环结构或者四元环-八元环结构,这些Stone-Wales缺陷位点具有较高的活性。Stone-Wales缺陷一般存在于BN纳米薄膜的畸变区[6],图3(a)-(c)为六方氮化硼薄膜中StoneWales缺陷[7]。单原子层BN薄膜的高分辨透射电镜图像(High resolution transmission electron,HRTEM)表明,BN晶界多由五元环-七元环结构构成,如图3(d)所示[8]。
单原子层或双原子层BN薄膜经高能电子辐照或离子刻蚀会出现点缺陷[9,10,11]。图4[9]为单原子层BN中缺陷的HRTEM图像,理论证明硼原子对电子的撞击有较低的能量阈值,大约74eV,而氮原子则为84eV[12],这说明硼原子比氮原子更容易在电子束的轰击下形成空位。因此,所有的点缺陷边缘终端原子应为氮原子。
3 六方氮化硼薄膜的合成
二维BN纳米结构具有多种合成方法,其中大部分均与合成石墨烯的方法相似。
3.1 机械剥离
工程应用中获得数个原子层BN薄膜的常用方法为机械剥离法,该法在2004年由A.K.Geim等[1]首先应用并获得了石墨烯,之后的几个月内,人们将该法成功运用于获得其他层状材料,例如BN、NbSe2和MoS2[3]。机械剥离法采用固定于基底上(例如Si/SiO2)的黏性胶带进行剥离,此种方法获得的纳米薄片具有良好的厚度和截面尺寸,可以用于物理和光电子方面的基础研究[10,13,14]。
2011年,Li等[15]首先采用湿法球磨从BN粉体上制备BN纳米薄片,将BN薄膜剥离的作用力为剪切力。该法加入了苯甲酸苄酯作为球磨助剂,以减小球磨时对BN薄膜的碰撞和破坏。图5为采用该法制得的纳米薄片的扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)图像以及相应的剥离机理。
3.2 化学剥离
2008年,Han等[16]首次用化学溶液法从单晶BN制备了单个和数个原子层BN纳米薄片。将单晶BN放入5mL的m-苯乙烯、2,5-dictoxy-p-苯乙烯共聚物的1,2-二氯乙烷溶液(1.2mg/10mL)中超声分散1h后,BN晶体剥离成片状BN。化学剥离法中需要加入强极性溶剂,例如N,N-二甲基甲酰胺(Dimethyl formamide,DMF),极性的DMF分子和BN表面有强烈的相互作用,有助于获得BN纳米薄片。通过化学剥离法,可以获得毫克级别的纯BN纳米薄片,且厚度均在2~10nm之间。
3.3 化学气相沉积(CVD)
3.3.1 外延生长
采用沉积技术外延生长BN薄膜已有几十年历史。CVD法制备h-BN薄膜采用的二元系统先驱体有BF3-NH3、BCl3-NH3、B2H6-NH3,或者采用单一先驱体进行热解,例如环硼氮烷(硼吖嗪B3N3H6)、三氯环硼氮烷(B3N3H3Cl3)或者六氯环硼氮烷(B3N3H3Cl6)[17,18,19]。其中,由环硼氮烷的热解可以沉积出化学计量比为1∶1的BN薄膜。通过CVD法可以在过渡金属上沉积BN薄膜,例如3d族过渡金属Ni(111)[20,21]、Co(111)[22],4d族过渡金属钯Pd(111)[23],5d族过渡金属Pt(111)[24,25]等,h-BN薄膜与这些金属基底表面均能形成一定程度的结合。
目前在金属镍表面上沉积单原子层h-BN薄膜的研究较为深入[20,21,26,27,28]。最近的研究表明,镍的d轨道与h-BN的π轨道存在很大程度的杂化,这说明在h-BN薄膜和金属基底之间有很强的结合[26]。第一性原理的密度泛函理论(Density functional theory,DFT)研究表明[20,27],只有当氮原子在金属基底的上方且硼原子占据面心或者六方间隙位置时(如图6(a)所示),金属基底对硼原子的吸引大于对氮原子的排斥,h-BN薄膜才能与金属表面紧密结合[28]。
图6 h-BN/Ni(111)结构模型俯视图(a)[28],采用LPCVD法在铜基底上制备的三角形BN单原子层的AFM图像(b)[31],60℃和70℃升华温度下沉积的h-BN薄膜SEM图像(c、d)[31],以铷为基底的h-BN薄膜的显微图像(e)[32]Fig.6 Top view of the h-BN/Ni(111)structure model(a)[28],AFM image of a triangular BN monolayer grown on Cu substrate via an LPCVD technique(b)[31],SEM images showing the temperature dependent growth of BN at 60℃and 70℃,respectively(c,d)[31],Microscopic BN domains on Ru(0001)(e)[32]
除了金属Ni(111),在金属铜[29,30,31]上也成功沉积了hBN薄膜,h-BN/Cu(111)界面同以镍为基底的界面一样,hBN薄膜和铜基底晶格相互匹配。有研究表明,采用NH3-BH3作为先驱体,通过低压化学气相沉积法(Low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)可以在铜基底上生长三角形的单原子层BN[31](见图6(b)),在较高的先驱体升华温度(70~90℃)下,还形成了其他形状的晶粒,如图6(c)和(d)[31]所示。为了在过渡金属基底上沉积出高质量、低畴界密度的二维BN层状材料,还需要较低的先驱体压力。图6(e)为采用低压环硼氮烷作为先驱体,在Ru(0001)上沉积BN的显微图像。首先在金属铷上形成稀疏的BN晶核,这些晶核经过一段时间的生长直到显微镜下可观察的尺寸,最后合并成为覆盖整个金属表面的薄膜[32]。
3.3.2 非外延生长
大部分BN薄膜制备的研究中,BN都需要在基底上生长,然而不采用基底也可以生长出BN薄膜。2009年,Gao Rui等[33]最先采用无催化化学气相沉积法,在1100~1300℃下成功制备出BN纳米薄片,他们以氧化硼(B2O3)和三聚氰胺粉末作为先驱体,通过控制不同的生长温度,可将薄膜的厚度控制在25~50nm之间。Angshuman Nag等[34]采用硼酸(H3BO3)和尿素(CH4N2O)进行反应,也制备出了数个原子层BN纳米薄膜,BN薄膜的层数由反应物的浓度决定。
3.4 其他合成方法
3.4.1 高能电子辐照
独立的单原子层BN薄膜可以通过高能电子辐照,经可控的逐层溅射来制备。采用机械剥离法制备BN纳米薄片或粉体时,通常还需要用密集的电子束辐照对获得的薄片和粉体进行减薄。直径为几个纳米的入射电子束集中照射在样品上,电子束的强度设置为一个较高值,通过电子束的手动扫描,BN纳米薄片被逐层减薄,直至获得单原子层的BN薄膜[9,10]。
3.4.2 BN纳米管的打开
石墨烯纳米带可以通过打开壁厚为多个原子层的碳纳米管来制备[35],受此启发,人们通过氩气激光刻蚀将BN纳米管打开,也制备出了BN纳米薄膜。Zeng Haibo等[36]首先在Si基底上沉积出BN纳米管,并旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate,PMMA)薄膜,然后剥离PMMA薄膜,接着再通过氩气激光刻蚀,将PMMA-BN纳米管打开,最后再用丙酮蒸汽带走PMMA并煅烧以除去可能存在的含碳残余物,最终得到BN纳米带,如图7所示。
3.4.3 离子束溅射沉积
通过离子束溅射沉积(IBSD:Ion beam sputtering deposition)可以有效地合成h-BN薄膜。Wang Haolin等[37]采用IBSD技术,以纯度为99.5%的Ni箔为基底进行h-BN薄膜的沉积。在采用IBSD生长h-BN薄膜之前,Ni箔首先由辅助离子源进行原位预刻蚀,然后在1000℃下退火10 min。接着,如图8所示,主离子源发出的氩离子束(1.0×103eV,1×10-4~4×10-4A/cm-2)从h-BN靶材上溅射出B原子和N原子,在预处理后的Ni箔上进行沉积。整个溅射过程中,溅射腔体压力保持为3×10-2Pa,溅射沉积温度为1000℃。沉积结束之后,Ni箔和h-BN薄膜在氩气氛围中冷却到室温,然后再对获得的h-BN进行转移和进一步表征。
4 六方氮化硼薄膜的性能及应用
单原子层的h-BN亦被称为“白石墨/石墨烯”,是一种类石墨烯的二维原子层状材料,其密度低,摩擦系数低且不导电,同时具有高温稳定性、低介电常数、高机械强度、高热导率、高硬度以及高的耐腐蚀性,在结构材料和电子材料中有许多潜在的应用。
4.1 电学性能及其应用
BN纳米材料是宽能带隙半导体(5.0~6.0eV)。由于BN的化学和热学稳定性,且没有悬挂键和表面电荷带,基于BN的石墨烯器件比基于SiO2的器件具有更高的迁移率和化学稳定性,场发射效应也得以改善[30,38,39,40,41,42,43]。几个原子层厚的多层BN纳米薄膜-石墨烯异质结(例如BN-C-BN三明治结构)具有更高的电荷迁移率,达到500000cm2·V-1·s-1[40]。C-BN-C型的异质结结构则用于制备场效应隧穿晶体管器件[41],该结构的电子隧穿电流测试显示,单原子厚的二维BN薄膜是一个良好的绝缘屏障,其隧穿电流的强度与BN薄膜的厚度呈指数级变化关系,即量子隧穿效应[42]。
4.2 抗氧化性能及其应用
在空气中,二维h-BN薄膜在温度达到1500℃仍然十分稳定,与大部分的物质不发生反应,具有优异的热学和化学稳定性,可以用作高温下材料抗氧化的保护层[44,45]。Liu Zheng等[45]采用CVD法,以氨硼烷(NH3BH3)为先驱体,在镍基底上制备了原子层数可控的h-BN薄膜。该研究表明数个原子层厚的h-BN薄膜在高温下对氧分子的扩散有阻碍作用,沉积了5nm厚的h-BN薄膜的金属镍仅有轻微的氧化,而未沉积h-BN薄膜的金属镍则氧化十分严重。因此,h-BN薄膜可以作为1100℃氧化环境下金属镍高效的抗氧化涂层。同时该研究还表明,覆盖了数个原子层厚h-BN薄膜的石墨烯在高温下抗氧化性也大大提高。
4.3 其他性能及其应用
热学性能方面,石墨烯优异的热传导性能引起了人们对其他具有蜂窝状晶格材料(例如BN)热传导性能研究的兴趣。室温下块体BN的热导率可以达到将近400 W·m-1·K-1,比大部分的金属和陶瓷材料的热导率都高,BN纳米材料一个重要的应用是作为导热聚合物的填料[46,47,48]。聚合物材料的热导率普遍较低,纳米材料由于有更高的比表面积,从而能更有效地改善聚合物基体的性能[48]。
力学性能方面,研究表明BN纳米薄膜也同样具有良好的力学性能[49,50]。Song Li等[51]通过金刚石探针压印h-BN薄膜中心,测得了h-BN薄膜的力学性能,如图9所示,表2为不同厚度h-BN薄膜力学性能理论值和实验值对比,其中E2D为弹性参数,σm2D为预拉伸应力。
5 结语和展望
二维纳米材料的研究热潮大大促进了对h-BN薄膜的基础研究和应用探索。BN纳米材料性能优异,在许多科技领域具有巨大的应用潜能。然而相对于碳纳米材料系统(例如碳纳米管、石墨烯和富勒烯系列的纳米材料),BN纳米材料系统的基础物理研究和具体的应用还比较有限,同时生产高纯度和高结晶度的低维BN纳米材料还具有一定难度和挑战性,从而限制了BN纳米材料大批量投入工业应用。本文概述了二维BN纳米材料的结构、合成、性能和应用的研究进展。深入了解二维BN纳米材料的性质特点及其研究现状,将能更好地将其应用于实践之中。
在BN的同素异形体中,由六方氮化硼h-BN可以制备出单原子层的BN纳米薄膜、纳米带等。单原子层h-BN和石墨烯结构相似,由相互交替的硼原子和氮原子取代石墨烯上的碳原子构成。h-BN薄膜上的结构缺陷,包括StoneWales缺陷、空位、原子吸附以及晶界上的缺陷等,都会改变二维平面的sp2杂化状态,引起薄膜的畸变,从而大大影响hBN薄膜的性能。
有许多可以有效合成BN纳米材料的方法,例如机械剥离法、化学剥离法、CVD法、高能电子辐照和BN纳米管的打开等。然而,要大批量合成BN纳米材料还需要进一步改进合成工艺和条件,以满足工业中对BN薄膜的层数、薄膜大小、边缘结构、缺陷控制等方面的要求,这也是BN纳米材料研究中最具挑战和难度之所在。