纳米材料结构分析（共12篇）
纳米材料结构分析 篇1
结构决定性能,性能与其应用紧密相关。多孔材料由于其特殊的多孔性结构,使其具有高比表面积、高孔隙率、高透过性、高吸附性、可组装性等诸多优异的物理化学性能,因而在化工、生物医药、环保、功能材料等领域均有广泛应用。按照孔径大小不同,多孔材料可以分为微孔材料(孔道尺寸小于2nm)、介孔材料(2～50nm)和大孔材料(大于50nm)。多孔材料的研究已成为当今材料科学研究领域的一大热点[1,2]。多孔材料的研究离不开结构表征分析,多孔材料的孔隙结构特性可分解为孔径、孔径分布、孔形态及孔通道特性等方面。多孔材料的表征方法很多,根据检测目的不同,一般可分为X射线小角度衍射法、气体吸附法、电子显微镜观察法、压汞法、气泡法、离心力法、透过法、核磁共振法等。本文就常用的几种方法,如X射线小角度衍射(SAXRD)、气体吸附、电子显微镜(EM)等测量技术做重点介绍,并对多孔材料的结构表征测量结果进行详细的分析讨论。
1 多孔材料的结构表征
1.1 介孔材料的孔道排列有序性
晶体的XRD图谱是对晶体微观结构的一种形象变换[3]。对于多孔材料的表征,利用小角度XRD可检测介孔材料的孔道排列的规则程度,有序排列的孔道会在小角度区域(～10°)产生相应的衍射峰。值得提出的是,小角度XRD不能很好地判断多孔材料是否是介孔材料, 它只是判断介孔材料孔的有序性,因为某些层状化合物(特别是以高分子层状模板制备的化合物)层间距很大,在小角度区域(～10°)也会产生相应的衍射峰。另一个值得提出的是,根据Bragg方程(见式(1)),在小角度区域,晶面间距(dhkl,对孔材料来说表示孔径大小)与衍射角(θhkl)的正弦成反比,因此介孔材料的孔径越大,小角衍射峰出现在越低的角度区域(见图1[4])。
2dhklsinθhkl=nλ (1)
式中:θ为半衍射角,dhkl为衍射晶面间距,对孔材料来说表示孔径大小;λ为入射X射线波长;n为衍射级数,一般取值为1;hkl为晶面衍射指标。
此外,用半高宽化法(HFMW),根据样品的XRD衍射峰宽与样品的晶粒大小之间符合Scherrer公式(见式(2)),求平均粒径:
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式中:D为粒径;K为晶粒形状因子,一般取0.89或0.94;β为衍射峰半高峰宽所对应的弧度数;θ为半衍射角;λ为入射X射线波长。
还可以根据下述经验公式[5,6] (见式(3)和式(4))分别求出多孔材料的结晶度(Xc)和晶格缺陷数(E):
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1.2 多孔材料的孔形态、比表面积、孔体积及孔径
气体吸附法是表征多孔材料最重要的方法之一。通常采用它可以测定多孔材料的比表面积、孔体积和孔径分布情况,以及进行表面性质的研究。孔道结构的类型和相关性质则可以通过吸附特征曲线来表征。
1.2.1 吸附平衡等温线
为了避免发生化学吸附,常采用化学惰性气体如N2或Ar为吸附质,恒温条件下,测定不同比压P/P0(相对压力,P为气体的真实压力,P0为气体在测定温度下的饱和蒸气压)下的气体吸附量,所得曲线称为吸附平衡等温线。吸附平衡等温线包括吸附和脱附两部分,材料的孔结构不同,吸附平衡等温线的形状不同。根据IUPAC(国际纯粹化学与应用化学联合会)的分类,气体吸脱附等温线可分为6类(见图2[3]),其中4种类型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ)适合多孔材料。
对微孔材料而言,其吸附行为对应着第Ⅰ类吸附等温线,特征为: 在很低的相对压力开始吸附,相对压力P/P0<0.3,氮气吸附观察不到毛细凝聚现象,在高相对压力区域的吸附行为与介孔和大孔材料相同。大孔材料对应于第Ⅱ类吸附等温线,在低比压区主要是单分子吸附,但随后的多层吸附与单分子吸附之间没有明显界限,没有发生毛细凝聚现象,在中等压力下没有突跃。第Ⅵ类吸附等温线对应着超微孔材料的吸附行为,如果孔在能量上是均一的,吸附将发生在很窄的压力范围内;如果孔表面的吸附活性点能量不等,吸附过程将是分步的,吸附曲线呈现台阶状,每一台阶代表一组能量相等的吸附活性点。 介孔材料的吸附行为大多对应于第Ⅳ类吸附等温线:开始主要是单分子吸附,随后是多层吸附,显著特征是在中比压区发生毛细管凝聚现象,吸附等温线上表现为一个突跃,并且孔径越大,突跃发生的压力越高,然后是外表面吸附。因为单分子吸附是可逆的,而多层吸附是不可逆的,则介孔中的毛细冷凝-蒸发是不可逆的,对应的毛细凝聚和脱附在不同的压力下发生,所以介孔材料的吸附等温线出现迟滞环。迟滞环起始点的位置只与吸附质的性质有关:对于77K的N2来说,此过程大约发生在相对压力为0.42处;对于Ar来说,在87K和77K,分别在0.34和0.26处。此外,迟滞作用也是由于孔的连通效应导致的,迟滞环的形状本身被简单地解释成孔穴的几何效应。IUPAC按形状将迟滞环分为4类——H1、H2、H3、H4(见图3[3])。
H1型迟滞环展示出平行和几乎垂直的滞后回线,多由孔尺寸高度均一和形状规则的简单连通孔造成的,常见的孔结构有:(1)孔径均一分布较窄的圆柱形的独立细长孔;(2)大小均一的球形粒子堆积而成的孔穴。由于发生毛细冷凝现象,H2型迟滞环的吸附曲线(右线)逐渐上升,而突然下降的脱附曲线(左线)几乎直立,吸附质突然脱附,空出孔穴,相应的孔结构常常归因于墨水瓶孔(口小腔大)。根据Kelvin定律——越小孔径中的气体在越低的压力下发生毛细凝聚,对于这种口小腔大的瓶状孔,吸附时凝聚在孔口的液体为孔体的吸附和凝聚提供蒸气,而脱附时则挡住孔体蒸发出的气体,必须等到孔口的液体蒸发汽化后开始脱附。也就是说,吸附线体现的是孔腔处的情况,而脱附线体现的是孔颈处的特征。H3型迟滞环是由不均匀的狭缝状孔引起的。而H4型迟滞环是由形状和尺寸均匀的狭缝状孔引起的。
1.2.2 t-曲线方法
t-曲线是以吸附层的统计厚度(t)对吸附量作图来表示的吸附曲线。不同的孔材料具有不同的t-曲线(见图4[7])。
对于大孔或无孔材料,t-曲线呈现一通过原点的直线(如图4中虚线所示);而对于微孔材料,则是先陡后缓的折线;由于介孔材料存在毛细凝聚现象,t-曲线平缓后转向上升。所有材料t较大的部分(t-曲线最后较缓的部分)均为外表面吸附,由较缓的部分外推到t=0,其截距为填充孔的吸附体积(见图5[3])。因此,利用t-曲线方法可以计算多孔材料的表面积和孔体积。
1.2.3 BET表面积
比表面积是指单位体积(或质量)的物质具有的表面积,包括外比表面积和内比表面积。比表面积是评价多孔材料的活性、吸附、催化等诸多性能的重要参数之一。根据布朗诺尔-埃米特-泰勒(BET)的多层吸附理论及其公式(见式(5))可以计算出固体物质的比表面积(As)。
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式(5)的适用范围是比压P/P0在0.05～0.35之间,式中,Na为阿伏加德罗常数;σ为吸附质分子的横截面积,N2分子的为0.162nm2;Vm为单分子层体积,可根据简化公式(式(6))进行估算[8]:
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对于存在迟滞环的介孔材料,由吸附曲线和脱附曲线的数据均可计算材料的比表面积(分别表示为Aads和Ades),所得结果与BET方法计算介孔材料的比表面积(As)相比,可推测介孔的形态,情况大致分为3种[8]:若Aads
1.2.4 孔径分析
当介孔材料的孔径大于4nm时,可以依据Kelvin公式(见式(7))计算其孔径:
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式中:σ和VL分别为吸附质的表面张力和分子体积;t为吸附层的统计厚度;r为发生毛细凝聚时的孔半径;P/P0为发生毛细凝聚时的比压。
对于大孔材料的孔径,可以通过压汞法计算,此法主要利用了汞对大多数材料的不浸润性,通常所施加的外压与汞的表面张力相等,可根据孔半径(r)与外压(P)的关系式(见式(8)) 计算其孔径,式中各物理量同式(7)中的各量:
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1.3 多孔材料的显微结构表征分析
电子显微镜是研究多孔材料最直接的手段之一,通过它可以直接观察放大百万倍的多孔材料的局部显微结构。
1.3.1 多孔材料的三维立体显微孔结构的表征
扫描电子显微镜(SEM)是利用二次电子成像技术对材料表面的显微形貌进行观察,而对于多孔材料,孔穴处不能产生二次电子,故不能成像而显示较深的颜色,这为我们分析多孔材料的SEM相片提供了依据。因为扫描电子显微镜的景深大,用它分析多孔材料的优点之一是它能在低分辨率的情况下呈现三维立体孔结构图像。用普通扫描电子显微镜只能观察材料的微米级孔结构,因此普通扫描电子显微镜一般多用于观测大孔材料[9];对于分辨率要求很高的多孔材料的表征,如纳米孔(微孔、介孔等)材料,则需要用场发射扫描电子显微镜(Field emission scanning electronic microscopy,FESEM ),又称为高倍数扫描电镜,它可以实现高分辨率观察[10,11,12,13]。
图6[13]是采用粒子溶出造孔法,用棒状谷氨酸钠晶体作为造孔粒子制备的磷酸钙骨水泥大孔支架的扫描电镜照片。
图6(a)、(b)是磷酸钙骨水泥大孔支架低倍数下的扫描电镜照片,可以看到孔隙为直径100～600μm的方形长孔;图6(c) 是高倍数下的扫描电镜(FESEM)照片,可以观察到有许多几十纳米至几百纳米的孔存在,说明骨水泥具有孔隙大孔和介孔的多级孔径结构。
1.3.2 多孔材料的骨架晶体结构及原子尺度显微孔结构表征
透射电子显微镜(TEM)可以提供样品的形态、粒径、孔径大小和分布情况等,结合选区电子衍射(SAED)花样图,可以知道样品的晶体性质以及每个衍射环所对应的衍射晶面。衍射晶面可以通过公式(9)计算:
Rd=Lλ (9)
式中:R为中心透射斑点与衍射环斑点间的距离;d为衍射晶面间距;L为衍射长度(试样到照相底板的距离);λ为电子波波长。
而高分辨透射电子显微镜(High resolution transmission electronic microscopy,HRTEM)可以在原子尺度直接观察多孔材料的微缺陷和骨架结构。如果所观测的多孔材料是晶体的话,将出现晶格条纹图(见图(8)),通过晶格条纹图可以很直观地看到孔结构的有序性、孔排列情况、孔壁厚度以及外来原子的填充情况等。
另外,值得注意的是,分辨哪儿是孔,哪儿是原子,要依据透射电子显微镜的背底情况。例如,如果成的是暗场像,背底是暗色,暗处是孔,反之亦然,即孔的明暗与背底颜色一致。还有确定SAED花样图中R值的大小时,也要依据成像的背底情况:如果成的是暗场像,则中心透射斑点和衍射环斑点(亮环)间的距离为R值;反之亦然,即所选衍射环斑点明暗与背底颜色相反。下面举2个实例来说明透射电子显微镜在多孔材料结构分析中的应用。
图7[14,15]显示的是用有机模板制备的纳米样品的TEM及选区电子衍射花样图。
图7中,(a)为SiO2纳米管和介孔分子筛(插图),(b)为 SiO2纳米粒子, (c)为介孔锐钛矿TiO2的选区电子衍射花样图。因为TEM图像背底都是明场,所以图像中亮的部分为管道(图7(a))或孔(图7(b))。而选区电子衍射花样 (图7(c))成的是暗场像,则中心透射斑点和衍射环斑点(亮环)间的距离为R值。
图8[16]是有机模板-溶剂热-超临界流体干燥法制备的TiO2介孔粉体以及利用浸泡沉淀法将CeO2填充到TiO2的介孔孔道中制备的CeO2/TiO2介孔复合体的HRTEM和电子衍射照片。从图中可以看出,所制得的TiO2介孔固体(见图8(a))的单个颗粒上具有分子尺寸(2～4nm)周期排列的有序介孔,孔排列规整,孔壁厚为2～3nm,其电子衍射花样呈现明显的四方形对称性[17]。由形貌图8(b)可知,在TiO2四方形孔道中填充有CeO2量子点团簇,并且TiO2的格位原子与CeO2团簇原子形成了配位,TiO2的骨架将CeO2量子点团簇的表面有效地包裹起来,降低了CeO2表面原子的活性,阻止了CeO2原子团簇的长大。当CeO2的充填量较大(x(Ce)/x(Ti)=0.20)时,CeO2团簇则长大,相互连接形成了团簇阵列和超团簇(见图8(c)),并沿TiO2孔道的几何方向排列,CeO2团簇密度增大,呈絮状,并且填充CeO2后,使TiO2介孔的有序程度变差。从HTREM照片所反映的结构特征可见,所制得的CeO2/TiO2介孔复合体实现了纳米尺寸组织结构的均匀复合(见图8(b),x(Ce)∶x(Ti)=0.10[18]。
1.3.3 多孔材料的表面形貌表征
原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)[3]是通过测量针尖与样品表面之间的力来获得样品表面形貌的,是当今最好的纳米观测技术之一。它可以直接观察原子和分子,对导体、半导体和绝缘体等固态或液态材料均适用。AFM广泛用于材料、生命科学及聚合物的研究。尤其在生命科学的研究中极其重要,在AFM发明以前,人们只能观察干细胞的纳米显微结构,而无法观察活细胞的纳米显微结构。有了AFM,人们不仅能观察活细胞的显微结构,而且能对其生理活动过程进行跟踪观察。图9是我们拍摄的微生物酵母活细胞的AFM照片。从原子力照片可以清晰地看到,酵母细胞表面周期排布着高度有序的、精美的多级纳米网络结构。
1.4 多孔材料的结构表征新技术
核磁共振技术(NMR)是一种重要的表征多孔材料结构的新方法。其中,激光抽运和自旋交换的超极化129Xe核磁共振是近几年发展起来的一种新方法,是检测多孔材料孔结构比较有效和灵敏的手段,文献[19]综述了其原理及在无机微孔和介孔等多孔催化材料研究中的应用。另外,文献[20,21]综述了核磁共振技术的另一些新方法在多孔材料结构表征中的应用。
2 结语
综合上述分析可以看出,X射线小角度衍射(SAXRD)、气体吸附、电子显微镜(EM)和原子力显微镜(AFM)等测量技术在多孔材料的结构表征分析中发挥了重要作用,为多孔材料的研发提供了必不可少的强有力的依据。X射线小角度衍射法主要表征介孔材料的有序性;气体吸附法则是从宏观上对多孔材料的孔道结构类型和相关性质进行分析表征;电子显微镜则对多孔材料的局部进行观察等。它们之间互相补充,相互印证。
但是应该指出是,这些测试方法在实际应用中还存在一些不足,例如,某些物质强烈地吸收阳极靶的特征X射线而出现荧光辐射现象,导致X射线小角度衍射技术无法正确表征介孔材料的有序性;而双原子分子的N2具有扁长的形状和较长的四极矩,作为吸附质,应用气体吸附法测定某些多孔材料的孔体积并不理想[3];高能电子束对材料孔结构的超辐射破坏,以及过高的放大倍数降低了图像的清晰度等,严重影响了高分辨透射电子显微镜对显微孔结构的观察。目前,迫切需要发展一些多孔材料表征的新技术和新方法,特别是研发更有效的原位分析鉴定手段。相信随着传统测量技术的不断提高以及新技术和新方法的研发,必将推动多孔材料研究的发展。
纳米材料结构分析 篇2
本人从事的是材料的细观力学和材料的性能预测，使用ABAQUS有两年的历史了。前一段时间应cafe0519大虾的邀请，做一个与本人课题相关的讲座，因为当时时间很紧，再加上论文尚未发表，所以一直拖到现在。特在此表示歉意！由于是第一次尝试这种类型的讲座，所以没有任何经验可言，大家在看的过程中有什么好的意见和建议，可以随时在论坛上和我联系，另外，在文章中出现的错误和不足之处，也恳请大家提出批评意见！
第一讲：多晶材料微观组织结构的模型导入
众所周知，材料的微观组织结构对于材料的宏观物理和力学性能有着直接的影响。随着有限元方法和计算技术的发展，人们可以利用有限元的方法来模拟微观组织结构，以达到材料微观组织结构的‘性能导向型’设计与预测的目的。然而，材料的微观组织结构是极其复杂的，其组成物分布也是大量分散，极不规则的。因此，如何在CAE软件中获得这些微观组织结构的几何信息，就是我们首先必须解决的问题。
图1 微观组织结构示意图
如上所示，就是多晶体微观组织结构RVE(所谓的RVE就是能够代表微观组织结构的体积代表单元)示意图。很显然，试图在ABAQUS中直接获得上述结构信息是相当困难的。原因之一就是在通常状况下，一个微观组织结构RVE包含有成千上万个Voronoi晶胞,因此，如果想在ABAQUS中对上述微观组织结构进行建模，必须通过编程解决上述问题。（以下讲述了从编程直至网格划分的全过程，仅代表个人的思想，如有更好的想法，可以在论坛上进行交流）
一．编程的技术准备：
1.数字化的微观组织结构：之所以要将其数字化，目的就是为了得到其中每个晶粒的几何信息(顶点坐标，顶点数，中心点等)，本讲中的多晶体微观组织结构模块只需用到每个晶粒顶点数和顶点坐标即可。为了采集上述信息，我们使用了本课题组(实际上是老板自己编的)的Pro/Design软件.这个软件的功能之一就是能够自动生成上述多晶体微观组织结构，同时生成它的几何信息。2.编程语言准备：通过将微观组织结构数字化，我们便得到一个关于其几何信息的文件。编程的目的就是将这个几何文件变成ABAQUS所能读取的几何信息。因此，了解Python语言是必须的。另外，我自己用C编了个软件(老板取名叫Transmesh,实际上与网格划分没什么关系，只是起一个转化作用)，直接可以读取上述信息，并转化为Python脚本。(由于此模块相对来说比较简单，框图也就免了)。下面就是在ABAQUS中运行脚本后所成的图形。(由于是示意图，所选的晶粒较少)
图2 多晶体材料微观组织结构几何图
二．参数化的多晶体微观组织结构网格划分
在找到多晶体微观组织结构图形生成以及网格划分的规律之后，编写了程序，用于生成多晶体微观组织结构网格划分的参数化Python脚本文件。下面是该程序的框图：
图3 多晶体材料网格划分的流程图
在ABAQUS中运行参数化脚本之后的界面如下：
(a)RVE区域选择提示框
(b)文件输入提示框
(c)网格划分起始提示框
(d)网格单元类型选择框
(e)网格节点间距选择框
(f)网格划分结束提示框
(h)网格划分的最后结果(节点类型为混合节点)
图4 运行参数化脚本后的图形界面
按要求输入RVE的长度和宽度值后，一个网格划分区域便确定了，此时会出现如图4(c)所示的对话框，用以提示用户开始进入网格划分。这表明系统已经成功读入晶粒的所有几何信息，并即将开始进行晶粒的网格划分。敲入字母C(字母C代表英文continue,大小写均可)后，开始对当前晶粒进行网格划分。
图4(d)表明，系统已经进入晶粒的网格划分阶段。首先，用户将要选择输入网格节点单元的类型，“1”代表四节点单元，“2”代表四节点与三节点混合单元，“3”代表三节点单元，当用户输入单元类型代号后，网格单元类型选择完毕点击,OK按钮，继续进行选择。这时，出现如图4(e)所示的对话框，提示用户输入网格节点的节点间隔，单位是毫米(mm),输入数字16(当然可以选择你认为所有合适的数据)后，点击OK按钮，网格划分完毕。此时便出现如图4(f)所示的对话框，4(h)即为网格划分完毕以后的晶粒图形。根据你对网格划分效果的满意度，可以进行两种选择：输入字母“r”，即remesh，然后回到图4(d)，重新输入参数，再次进行网格划分；或者是输入字母“s”，即stop，结束晶粒的网格划分程序。
图4(h)即是一个我们认为满意的RVE的网格划分图形。从图中可以看出，就每个晶粒而言，晶粒边界上网格节点的分布是均匀的，而就整个RVE区域而言，晶粒与晶粒间网格是连续的，均匀过渡的。由此我们可以认为这种网格划分的效果是良好的。
附图：多晶体材料微观组织结构的网格划分
(a)多晶体材料微观组织结构几何图
(b)网格均匀划分的晶粒图
(c)网格局部密集的晶粒图
纳米材料结构分析 篇3
【关键词】WE型试验机；试验机结构；故障及排除措施分析
1、WE型万能材料试验机结构
WE型万能材料试验机属于摆锤样式的实验机，规格多元化，使用起来很广泛，具有定性很早，很有代表作用，因此以WE-600类型实验机为实例进行讲解。此种机器的最大负荷为600KN，三个度盘相应的为：（0-120）KN，（0-300）KN，（0-600）KN。上下的距离为750mm，弯度实验的两支点距离为（100-1000）mm。实验机的外部结构有主体和测力两方面组成。功能上可划分为主体结构、测力机构、油路系统、电路系统方面，现在讲解如下：
1.1主体结构方面
两个立住、底盘、横梁构成实验机的主要框架，横梁之间稳固着工作油缸、活塞并且通过球座和球端固定在横梁的中间部分，横梁与拉杆、工作台部分构成主要框架。支撑的框架与工作的框架的相对活动是主要依靠电机经过皮带的带动进行压紧和打弯等试验，在工作平台和下部分进行弯曲试验。另外，工作台下装有四个导向轮，使工作平台能按立住的方向上下运动，减少在工作过程中的左右分力。工作平台右边有指针，右边立柱上有尺度，方便查看工作平台的活动范围，工作平台下边有上夹头。为了实现方便调整上下夹头的间距，特别设计转动结构，由开关主要控制电机的转动，由皮带转动蜗杆，蜗杆转动带着涡轮，涡轮和丝杆一块，通过丝杆的左右转动带着下边夹头的转动，进而实现了上下夹头的调整和控制，另外，为了保险起见还设立了下边夹头的限位开关及工作平台的限位开关。
1.2测力机构
工作油缸的油通过回油阀进到测力油缸的上部，通过液能带动测力塞口进行运动，测力塞到拉杆框架的下横梁部分，使拉杆的框架的上部分稳压在摆锤的刀子上面，进而使摆锤环绕着朝一个方向旋转，进而与杠杆机构为一体的拉杆带动齿杆，齿杆带动齿轮从而主动指针带动从动指针按一个角度转动，便在度盘上显示出受力的数值，在摆锤的长臂的杆上有一个平衡的秤砣，主要作用于拉杆的的框架、测力活塞、工作的框架和工作平台的平衡调节，使摆锤在理想状态下，处于绝对垂直的状态，另外，拉杆的框架标配有最低的限位开关，防止超重，为了使测力机构实现不同的测试内容，摆锤有三个，为A、B、C标志，摆杆上有秤砣A，主要测试（0-120）KN，B秤砣主要测试（0-300）KN，C秤砣主要测试（0-600）KN。而机动阀主要协同三个不同的称砣应用。就是用节流针调控量的大小。另外此种测力机构还有绘图方面的装置，有绘画笔、绘图画筒、导向的架子和线构成，进而能绘画出各种图形。
1.3油路系统
油路系统主要由油的箱子、油泵、送油的开关、回油的开关、机动的开关、连接油管的东西和抗磨的液压油构成的，当回油的开关处于关闭时，油缸下部分和测力的油缸上部分为想通的封闭状态，当回油开关开着时，液压油回到油箱里，当油泵开始供应油缸和油阀门的油量大于需要量时，则是通过出油管道返回到油箱里。
1.4电路系统
电路系统由两个电机、电器开关按钮和线路组成，分别调整油泵的工作和下部分夹头的上下波动，还控制工作平台、下夹头和摆杆的范围。
认识了其工作的结构，对一些出现的日常问题，就能很快找到解决问题的方法。
2、故障及排除措施分析
WE型的全能材料实验机的故障及排除措施分析主要由以下部分：
故障现象一：度盘的指针不够灵敏了而且还有停止的情况发生，起点位置容易变动
排除措施分析：齿轮太脏，有尘土；指针转动的地方挺脏；压片抵的太紧了；机动的回油筒不顺畅；皮带不紧，老松动；测力活塞和活塞套的摩擦太大了；摆轴太脏了而且生锈，主动针和从动针重合了太紧。
以上故障的排除方法相应的分别为：清洗，少加油；也是拆下来清洗；经常调整压片；查下来清洗，经常调整；经常调整皮带；用氧化铬磨膏对研；拆下表盘，进行清洗。
故障现象二：工作时，经常加不到最大的负荷
排除措施分析：挡板的位置低；油的粘度低；液压系统有时候漏油；工作活塞金额油缸的协调间距太大，中间漏油多；送油开关的孔容易被油堵塞；油箱里面的油看不清楚；压力活塞和测力的油箱有点间距大；带动油泵的皮带松动；油泵柱有生锈；油泵的集油器没有压住在泵体上。
以上故障的排除方法相应的分别为：将挡板进行调整到一定高度，是指针转动一周才能调整限位开关；使用上等的矿物油进行酸度调整；对漏油的地方进行加紧和更换密封圈；加厚或进行调换油液的粘度；拆下来进行清洗；将油加到油箱的一般便能看清楚；更换测力活塞；固定皮带位置或者更换；取出后重新清洗；将螺钉进行拧紧固定。
故障现象三：做弯曲试验时，试验机的末端总是在两边切断
排除措施分析：钳口夹没有放得很稳；钳口质量不好，齿老是坏；导轮调整不好，钳口不是一个心。
以上故障的排除方法相应的分别为：应当按要求使钳口夹好试验；进行更换钳口；做一个检验棒，在钳口上下拉好后，用两根立柱进行百分表测量，直到符合标准为止。
故障现象四：试验机的工作中，试验机老是振动的很厉害，指针老晃，数值已经不准确了
排除措施分析：试验机安装的不牢靠；电机的动静太大；链接油泵的皮带长短不一；油泵里的空气没彻底排除完；油泵里的活塞不能正常工作；油泵里的活塞间距不一致；送油开关的压力不平衡指针和阀体的间距；试验机液压系统没有空气全排完，油内有气泡或者进油管进气；活塞和活塞太摩擦很大，套划破了或者活塞不动了；齿杆和齿轮之间有脏东西。
以上故障的排除方法相应的分别为：找好位置固定好；找出原因进行维修；重新选择皮带；拆下来重新排除空气再使用；拆下来重新找原因再排除；用工具将间距拉到同样大小；重新调整间距或者重新换针；找出原因进行排除；找出原因进行逐一排除；用研磨膏进行打磨使之光滑，摩擦力小；找出相应的原因进行排除。
故障现象四：摆锤不能调到最佳的垂直位置
排除措施分析：刀陈老脱落；测力活塞不在里面，老出来；缓冲的老是不工作。
以上故障的排除方法相应的分别为：卸下了防护板，将刀放在刀刃上；测量的部分重新找位置；进行好好清洗。
故障现象五：试样裂开后，摆锤直接掉落，造成损坏
排除措施分析：油太脏了；缓冲器失灵了。
以上故障的排除方法相应的分别为：重新换油并好好清洗；彻底好好青瓷、排除脏污。
故障现象六：工作时，油路系统油管裂了或者出现漏油严重
排除措施分析：油管的强度不行；送油管、溢油管活塞顶的太厉害了，回不来；送油管、溢油管活塞装倒了；V型密闭环损坏了，产生了间隙。
以上故障的排除方法相应的分别为：重新更换好油管；找出原因来进行排除故障；拆下來重新按照流程进行安装；更换新的密闭圈。
故障现象七：电动机不工作了
排除措施分析：电压不行、保险丝烧断、导线短路。
以上故障的排除方法相应的分别为：重新检查电路问题，排除问题。
3、总结
纳米材料结构分析 篇4
与第三代发动机相比, 第四代发动机的推重比增加20%, 零件数目减少40%~60%, 零件的寿命增加150%, 寿命循环成本至少降低25%, 耐久性增加两倍[1]。预测在未来航空发动机性能的提高中, 新材料的贡献率将为50%~70%, 而材料和制造技术对发动机减重的贡献将为70%~80%。
1 新材料的种类及特点
1.1 有机、无机复合材料
复合材料是指结合两种或两种以上有机、无机相的物质以物理方式结合而成, 撷取各组成成分的优点, 以构成特定的结构组成。往往以一种材料为基体, 另一种材料为增强体组合而成的材料, 各种材料在综合性能上取长补短, 产生协同效应, 使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大, 其特点是比重小、比强度和比模量大。其中高聚物复合材料PMCS的发展已有半个多世纪的历史, 在工业、民用、航天航空、生态、智能等领域取得了广泛的应用[1]。补充列举在航空发动机上运用过的有机、无机复合材料。
1.2 金属及金属间化合物基复合材料
以金属或金属间化合物为基体, 并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。其特点是在力学方面为横向及剪切强度较高, 韧性及疲劳等综力学性能较好, 同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点[2]。钢材主要用于发动机的齿轮、涡轮轴、涡轮盘等一些主要承力部件的制造, 而铝基材料主要应用于压气片叶轮、叶片等部件。国内研究的重点是铝、钛基复合材料, 从前景上看铝基复合材料可以替换铝合金, 在质量没有改变的同时提高了性能, 钛基复合材料可以替代传统钛合金制造压气机整级叶片, 可以使质量减轻40%[3]。
1.3 陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料 (CMC) 是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅, 碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进的陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能, 但它的致命弱点在于脆性, 因而大大限制了其广泛应用。Chouwb等[4]利用Ni Al金属间化合物增韧Al2O3陶瓷获得了较好的效果。F119发动机矢量喷管使用了具有隔热和防热的CMC壁板;M88-3发动机使用了C/Si C尾喷管调节片;F414发动机使用了CMC加力燃烧室喷管;V2500发动机使用了CMC燃烧室浮壁[5]。
1.4 应用
这三种新型复合材料不仅仅应用于发动机, 在飞机的其它部位同样有广泛的应用。表2列举了几种不同机型的复合材料应用量及部位。
2 发动机主要部件新材料的应用及原因
2.1 轴承
航空发动机轴承经常要在相对较高的温度下工作。轴承工作时, 轴承外圈上有很大的周向拉应力, 这种接触表面过大的拉伸力不仅易于导致表面疲劳。而且由于这种原因造成的疲劳剥落还引起拉伸应力升高, 从而使整体淬透钢轴承套圈出现疲劳断裂。由于航空发动机轴承转速的增加, 原有的轴承钢如M50, 18-4-1和14Cr-4Mo已经不能满足需求。SKF的MRC轴承公司在美国空军支持下, 最终选择了高温渗碳钢 (M50Ni L) , 它不仅具有M50轴承钢的所有性能, 并且断裂韧性更好。同时与其它高温淬透轴承材料相比, 显微组织和疲劳强度也都很好。其原因之一是M50Ni L中没有大颗粒碳化物, 这种钢对碳化物引起的疲劳裂纹不敏感, 实质是消除了套圈疲劳裂纹的潜在出现;另外其本身的残余压应力也能延长轴承的滚动接触疲劳寿命。因此M50Ni L钢在飞机上的使用, 能满足更高水平转速下发动机轴承的工作需要。
轴承保持架虽然不直接承受轴承载荷, 但它伴随着高速滑动而旋转, 在高速轴承中常常由于保持架的磨损、疲劳等原因造成轴承的损坏。过去国外所使用的发动机轴承保持架材料多采用硅铁青铜 (AMS4616) 镀银再镀铅。这种材料最高回火温度可达315℃, 当温度超过315℃时, 则机械强度显著降低, 不能使用。经过广泛的实验验证, 发现镀银的AMS6415制造的保持架在温度高于315℃时仍然可以继续保持它的机械强度, 这种高温强度与低摩擦保护架材料和镀层的配合大大地延长了发动机在贫铀和断油时的运转时间。
研究表明[6], 550℃以上的工作温度使用高温合金材料, 硬度和尺寸稳定性均会丧失, 几乎很难研制出耐高温的合金材料。由于陶瓷材料的工作温度明显高于550℃, 这给研制耐高温的轴承带来了希望。在经过科研工作者们多年不断地探索, 氮化硅是理想的耐高温轴承材料。它具有飞机发动机轴承的高级钢材所具有的许多特性, 而且还具有优于钢材的附加特性———良好的高温强度和硬度以及优异的强度重量比。实验证明, 用固体润滑剂润滑并用热等静压法制成的氮化硅轴承, 能在500℃以上长时间运转。然而, 氮化硅也有缺点, 如抗拉强度低, 止裂韧性差和热膨胀系数极低等。因此, 陶瓷轴承要想真正实现在航空领域的应用还需要做很多研究。
2.2 风扇和压气机
军用航空发动机推重比的不断提高, 质量的不断减轻, 越来越多地依赖于高强度、低密度、高刚度和耐温能力强的先进材料。经过多年的研究和发展, 树脂基复合材料、金属基复合材料和金属化合物已经成为航空涡扇发动机风扇和压气机部件的理想候选材料[7]。
因具有质量轻、费用低、阻燃能力优良等特点, 树脂基复合材料外涵机匣已经广泛地应用在涡扇发动机上。如F119发动机的碳纤维增强的聚酰亚胺基复合材料外涵机匣采用DowUT公司研发的先进树脂转移造型技术制造。该技术可以制造形状复杂的进气机匣, 不仅其所有外部气流通道的表面粗糙度、最终尺寸精度可与经机械加工的钛合金进气机匣相媲美, 而且可使进气机匣减少零件总数和取消许多劳动密集的装配工序, 因而可以大幅度减轻结构质量和降低成本。PW公司还采用AFR700B超高温树脂基复合材料研制F119发动机外涵机匣等静止部件, 研究F119发动机和综合高性能涡轮发动机验证机采用的Avimid K热塑性复合材料中介机匣, 希望使后者完全能承受347℃的高温和400 k Pa的大气压, 并具有极好的热稳定性。
树脂基复合材料风扇叶片是实现高性能宽弦风扇叶片推广应用的有一种途径, 它以GE90发动机复合材料风扇叶片为代表。20世纪90年代, GE公司吸取GE36 UDF发动机的研制经验, 成功地开发了GE90发动机树脂基复合材料风扇转子叶片。该叶片的叶身和叶根由IM7中长碳纤维与增强的8551-7环氧树脂组成的称为“大力神”的8551-7/IM7复合材料制成一体。叶片的压力面涂覆聚氨酯防腐层, 叶身的吸力面涂覆一般的聚氨酯涂层;为了提高叶片的抗大鸟撞击能力, 在叶片前缘胶粘钛合金薄片;为了避免工作中复合材料叶片脱层, 在叶尖与后缘处采用Kevlar细线缝合。采用该材料和工艺, 不但明显减轻了风扇叶片本身的质量, 还减轻了其包容系统、盘以及整个转子系统的质量, 收到了成本低、抗振、抗颤振性能好、抗损伤能力强等效果。
目前普遍作为压气机盘和叶片材料的钛合金耐高温能力最高是600℃。随着压气机压比及出口温度的增加, 在压气机的后几级也逐步采用了耐热钢和镍基合金。今后, 随着压气机总压比的进一步提高, 压气机的出口温度将继续提高, 预计, 推重比15~20的发动机压气机出口温度可达760℃, 而目前的钛合金和镍合金已经难以满足这一温度要求。最近, 国外粉末冶金镍合金全盘工艺取得了一定进展, 通过增加难溶金属和更好地控制晶粒尺寸, 已经发展了一种可使压气机排气温度升高40~70℃的新型盘合金。
今后, 压气机将采用由密度更低的钛金属基复合材料和γ-钛铝金属间化合物制成的整体叶环, 这种技术可使压气机的重量在钛合金整体叶盘的基础上进一步减轻40%, 同时, 还可提高疲劳强度。如果耐高温树脂研制成功, 可使高压压气机的重量大大减轻。国外正在发展用于压气机叶片的聚合物复合材料, 这种材料可使压气机叶片比钛合金轻30%~50%。并且还研制一种阻燃钛合金, 它将使压气机后面级的钛叶片取代铜叶片或镍叶片, 可进一步减轻压气机的重量。
2.3 燃烧室和涡轮
燃烧室是发动机中温度较高的部件, 其材料要求抗氧化, 抗腐蚀、抗冷热疲劳性能好、强度高。现在的发动机燃烧室和加力燃烧室的工作温度最高可达2 000℃, 冷却后可以降低到1 000℃左右, 目前常采用钴基和镍基合金材料。而现在为了提高发动机的推重比需要通过高温燃烧, 提高燃烧室的工作温度也可同时降低氮氧化合物的排放量, 从而降低先进战斗机发动机的目标特征, 改善民用发动机的环境特征, 因此, 需要采用高温性能更好的材料。陶瓷基复合材料可在1 200~1 400℃的极高温度下工作。可显著提高燃烧室的工作温度, 同时可减少冷却空气的需求, 甚至可取消冷却。将氮氧化合物的排放量降至最低程度, 是未来发动机燃烧室部件很有希望的材料[8]。
提高涡轮进口温度也可提高发动机性能, 推重比10一级的发动机涡轮进口温度已达到1 850~1 950 K, 推重比为12~15一级发动机的涡轮进口温度可达到2 000~2 100 K。目前使用的镍基和钴基超级合金的抗高温能力对于进一步提高涡轮温度是有限的。涡轮温度的进一步提高将更依赖于新材料的性能, 比如具有更低导热率和更低成本的热障涂层, 先进的掺杂重金属如镍和钌的单晶材料, 这两项技术都可使涡轮温度提高50℃。
发动机高压涡轮盘的工作温度可达816℃, 其轮缘部位要求有良好的抗蠕变性能, 而中心孔周围要有最佳的抗疲劳性能。为此, 涡轮盘将采用双合金材料, 即轮缘和中心腹板部位采用不同的合金, 两部位用冶金方法连接在一起, 使轮盘的轮缘和中心腹板两个部位都有最佳的物理性能。新的金属间化合物单晶材料如Ni Al用作涡轮转子叶片材料后可使叶片的重量减轻40%, 这种材料的热传导率比超级合金高200%, 可使涡轮转子叶片叶身温度降低38℃, 有望近期在涡轮部件上获得应用。
长远看, 陶瓷材料也可能用于涡轮部件, 这种材料可使温度能力提高, 并减少冷却需求, 预计陶瓷材料将首先用于高压涡轮导向叶片。
3 航空发动机材料发展的看法
应充分重视航空传统材料的研究与提高。由于高温合金及钛合金良好的综合性能及在研制与服役中较长期的经验积累, 在未来相当一段时间内它们仍然将在发动机材料中占有一席之地。因此对传统金属材料的研究开发, 我们仍应予足够的重视, 最大限度地挖掘传统材料的潜力[1]。
加强新材料体系的研制开发。随着发动机的快速发展, 传统材料已经不能满足发动机的需求, 要求我们加强对新材料的研制开发。目前, 作为在更高温度下服务的结构材料, 被人们注意的有金属间化合物或以金属间化合物为基的复合材料, 金属基复合材料及陶瓷及复合材料。
要科学的表征材料性能, 提高材料使用的针对性与可靠性。我国航空材料, 特别是高温材料与发动机通用规范和结构完整性大纲要求差距较大, 材料的力学性能数据表征内容和测试方法与发动机结构分析和可靠性设计很不适应。在规划航空发动机材料发展的战略时, 必须将结构与材料、材料设计与成形工艺、组织结构与缺陷行为、高性能指标与可靠性统一于材料的研究与开发之中, 建立在科学的理论与实践结合的基础上[9]。
4 结语
本文对航空发动机主要部件的材料变化进行了分析比较, 重点论述了新材料的特点和优势。分析得出:随着发动机的性能不断提高, 传统材料的部分性能已经不能满足发动机的需要, 为了更好地提升发动机的性能, 应加强新材料的开发与研究, 完善新材料体系, 这对提高航空发动机的性能有着重大的意义, 必须引起我们足够的重视, 才能立于不败之地。
摘要：提高发动机的性能, 进一步降低燃油率, 改善经济效益, 都须依靠材料技术的进步。航空发动机的服役环境特殊, 所以开发耐高温, 抗氧化性、导热性与加工性能好的新型材料意义重大。本文重点分析了几种新型材料的性能特点, 及新型材料在发动机主要部件的使用情况, 展望了未来新材料的发展动态, 对提高航空发动机的性能有很大的意义。
关键词：航空发动机,高温合金,金属间化合物
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纳米材料结构分析 篇5
基于粘弹性材料的随机性对粘弹性结构的`振动特性进行了分析.研究了模量模型的随机性对结构固有频率和模态损耗因子的影响.在模型的随机性中分别考察了常复数模型、Kelvin_Voigt模型和三参数标准流变学模型.结果表明,粘弹性材料参数的随机性对粘弹性结构的模态损耗因子的影响还是比较大的.因此,对粘弹性结构采取随机分析是非常必要的.
作 者：桂洪斌 赵德有 金咸定 作者单位：桂洪斌,金咸定(上海交通大学船海学院结构力学研究所,上海,30)
赵德有(大连理工大学船舶工程系,大连,116024)
优化建筑结构材料 篇6
【关键词】建筑结构；建筑材料；可再生技术
1、结构用材的现状
建筑结构的形式主要有：砌体结构、木结构、钢结构、钢筋混凝土结构。我国土地资源紧张、森林资源匮乏，木结构和粘土砖砌体结构受到限制、淘汰，钢结构造价偏高，难以普及。据统计，我国建筑业每年消耗的混凝土达15亿m3，建筑用钢超过7000万t，几乎占全球的1／3。钢筋和混凝土作为主要的工程结构材料，是国家工程建设必不可少的物质基础，但消费了大量的能源和资源，给国民经济可持续发展带来了挑战。
2、存在问题
1)资源和能源不足；2)消费结构不合理；3)环境污染严重。
3、结构优化的途径
3．1提高结构材料的强度
一般来讲，在同等结构体系中，混凝土强度等级越高，其结构构件尺寸、体积就会相对减小，其用料就会减少。例如HRB400，HRB500的钢筋，对于受力钢筋，可节约钢材10％～25％。配制C35混凝土，用42．5级比用32．5级可节约水泥80kg／m3左右。
随着材料强度的提高，强度价格比(即每元购得的单位重量材料的强度)明显增加，可降低配筋率，节省钢筋；减少运输、加工、绑扎等施工量；缓解密集配筋区域(如节点)的施工困难；还可减轻结构自重，技术经济效益显著。因此，推广应用新型高强钢筋，加大C30，C40向C40，C50升级应用，以及C70，C280高性能混凝土在建筑结构中的应用技术研究是节约材料的基本途径。
3．2重视结构材料的耐久性
混凝土结构的耐久性是当前困扰土建基础设施工程的世界性问题。长期以来，人们一直认为混凝土结构是非常耐久的材料，直到20世纪70年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程，在一些环境下出现过早损坏，许多城市的混凝土结构基础设施工程和港口工程建成后不到20年、30年甚至更短的时间内就出现劣化。国内外统计资料表明，由于混凝土结构的耐久性病害而导致的经济损失是巨大的。
而且，混凝土结构的质量检查习惯上以单一的强度指标作为衡量标准。工程中为满足施工工作性能要求，用水量大，水灰比高，导致混凝土的孔隙率很高，约占水泥石总体积的25％～40％，特别是毛细孔占相当大的部分。毛細孔是水分、各种侵蚀介质、氧气、二氧化碳及其他有害物质进入混凝土内部的通道，使混凝土结构耐久性大大降低。
3．3大力发展空心结构
将目前重量达1．8t／m2的粘土实心砖混合结构建筑，改用空心砖或空心砌块可使建筑重量下降到0．8t／m2～1t／m2，无疑会节约大量建筑材料，或者说用同样数量的自然资源可建造更多面积的建筑。
3．4大力发展预应力混凝土结构
日新月异的生产工艺变革以及人们对物质文化生活需求的迅速提高，使建筑结构正在向大柱网、大开间、大跨度、多功能方向发展，人们总想在有限的建筑面积和空间内获得最好的使用功能和最佳的投资回报。
经验证明：8m～18m柱网(或跨度)的房屋正处于预应力混凝土建筑结构经济跨度范围内，对于大多数多层工业厂房，各类公共建筑如文化娱乐建筑、体育建筑、医疗建筑、商业建筑、办公建筑、航站建筑等，预应力混凝土结构常常是最佳的选择，具有良好的技术和经济指标。
预应力混凝土在高层建筑中的应用有很大的发展前景，尤其是无粘结预应力混凝土平板和预应力混凝土扁梁用于高层建筑的楼盖，具有降低层高、简化模板、加快施工等明显效果。预应力混凝土除用于楼盖外，有时还用来解决大跨度、大空间部位柱网转换时的转换梁、转换桁架，以及复杂柱网情况下的转换板。此外，8m～18m跨度的预应力混凝土空心板，外墙用的装饰保温复合预应力混凝土墙板在高层建筑中的应用前景也很广阔。
3．5大力发展预制、现浇相结合的装配整体式结构
预制混凝土构件具有工厂化规模生产的各种优点，如质量控制水平高、构件耐久性好、模板周转率高、损耗小。在道路及运输吊装条件较好，运距不太大(200km以内)的情况下，预制构件常常有良好的技术经济指标。先进工业化国家中，预制混凝土构件的比例很高，美国占70％～80％，法国、德国约占60％。
随着大柱网、大开间多层建筑和高层建筑迅猛发展，大力发展装配整体式建筑结构体系，把预制与现浇二者的优点结合起来，避免纯装配式建筑对产品尺寸的高精度要求，结构整体性差和节点耗钢量大等缺点，又避免了现浇结构现场湿作业工程量大，受制于现场施工及气候条件，耗用大量模板、支撑等缺点。
3．6大力发展可再生技术
建筑垃圾中的许多废弃物经过分捡、剔除和粉碎后，大多可作为再生资源重新利用。如废钢筋、废铁丝、废电线和各种废钢配件等金属，经分拣、集中、重新回炉后，可以再加工制造成各种规格的钢材；废竹木材则可以用于制造人造木材；砖、石、混凝土等废料经破碎后，可以代砂，用于砌筑砂浆、抹灰砂浆、打混凝土垫层等，还可以用于制作砌块、铺道砖、花格砖等建材制品。因此大力发展可再生技术将固体废弃物作为建筑材料生产的原材料：1)实现自然资源的可再生；2)实现垃圾、建筑材料等人造材料的可再生利用。以可再生资源逐步替代不可再生资源，以应对未来建筑必须面临的诸如环境和生态保护。
3．7加强已有建筑的修复与维护
我国是发展中国家，现在正大兴土木，可是过去建成的大量工程已经过早老化。如：国内40％的公路桥梁的桥龄已大于25年，加上进入20世纪90年代以后交通量猛增、超载严重，以往的设计标准又低，路桥的维修问题十分突出。由于养护维修费得不到保障，造成工程安全隐患，并在以后需支出更多的大修费用。因此，定期的检查和维护是非常必要的，这对围护结构的适用性和耐久性，延长结构使用寿命是非常重要的。
4、结论和建议
可持续发展要从土地开发、建材选择、建筑使用及维护以及建筑拆除的整个生命周期中，体现出对自然资源的索取少，能源消耗小，对环境影响小，再生利用率高的新特征。在这个发展过程中：1)应当避免低性能钢筋和低品质水泥造成对资源的浪费，将提升钢材、水泥、混凝土等建筑用材消费层次作为主线，形成合理的消费结构。2)优化建筑结构，用较少的材料满足大规模的建设，同时重视可再生资源的利用。并将成熟和行之有效的科学成果及时纳入国家标准规范，做到以最小的资源投入获得最佳的经济效果。只有这样才能合理利用自然资源，实现建筑的可持续发展。
纳米材料结构分析 篇7
在现阶段高层住宅钢结构应用过程中, 影响其墙体材料的因素非常多。这就需要进行钢结构住宅的有效设计, 进行关键性建筑材料的应用, 实现建筑造价的控制, 进行其处理难度的控制, 从而有效抵消地震的破坏影响, 这也需要进行整体化建筑的应用, 保证其处理难度的提升, 实现地震及其相关的防护控制。
1 关于高层住宅钢结构住宅墙体特点的分析
1.1 在现阶段高层住宅钢结构设计中, 进行住宅墙体的设计。通过对高层住宅钢框架建筑的分析, 可以得知影响其荷载的因素是非常多的。比如梁柱传递、墙体承重等。实现其综合应用的优化。一般来说, 高层住宅钢框架建筑的荷载受到高层住宅钢结构墙体的影响。和传统的剪力墙住宅设计存在区别。比如进行钢结构的住宅墙体的设计, 更好的进行纯围护结构的应用。进行传统的结构空间的限制。比如进行空间灵活性的分隔, 保证高层住宅钢结构特征的分析。高层住宅钢结构具备良好的轻质性。为了更好的配合这种特性, 进行钢结构建筑墙体材料的控制。保证整体结构荷载的增加, 进行高层住宅钢结构的控制。这需要针对重型墙体的结构体系进行控制, 保证结构梁的良好支撑, 满足其灵活性的布置需要, 又如进行良好的保温隔热控制, 保证其环境居住的舒适性, 健康性, 从而保证其整体结构荷载性的控制。在重型墙体控制过程中, 进行重量承担的结构体系优化, 这需要进行结构梁的支撑, 更好的满足其灵活性的布置需要, 保证其很好的隔热性, 保证防火防渗漏的应用, 更好的满足居住环境的舒适性的需要。
在住宅产业化的今天, 进行建筑材料的工业化生产。这就需要进行高层住宅的钢结构控制, 进行工业化生产体系的健全, 积极做好相关的制作及其安装的需要。进行高层住宅钢结构控制的优化。保证高层住宅墙体材料的控制, 进行其应用的优化。为了满足钢结构住宅的工业化需求, 进行现场装配式施工的优化。保证其高度工业化的墙体材料的质量控制。
1.2 在现阶段工业化墙体控制中, 进行墙体材料的特点及其类型分析, 从而满足施工安装的需要, 比如进行施工安装的节点构造类型的分析。相对于一般的砌筑式墙体, 其具备更加复杂的功能。应该进行居住建筑的材料物理性能的优化, 满足现阶段节点构造的需要。这需要进行居住建筑的物理性能的提升, 保证节点的有效处理, 更好的解决问题。只有这样才能保证墙体建材产品的良好功能性。
2 关于高层住宅外墙材料特点及其相关的分析
2.1 在高层住宅外墙体设计中, 其需要进行多种材料的混合, 从而保证墙体结构的稳定性。
受到高层住宅钢结构体系的框架自身性质。进行轻质块材墙体的选择。比如进行混凝土空心砌块墙体的应用, 进行混凝土砌块的实践。保证其原料的有效控制。这也需要进行多孔混凝土的制造, 以满足工作的需要。比如进行各种应用工序的协调, 保证多孔混凝土的运作, 进行成品加工、包装及其相关的控制, 保证空心砌块的整体控制的优化。根据实践分析, 其具备良好的防火性、保温性、质量性, 更好的满足高层住宅的外墙材料工作需要。混凝土小型空心砌块是以砂子、石子等为原材料的产品, 也需要进行外加剂的应用。
通过对粉煤灰切块的应用, 更有利于提升多层建筑的钢结构的稳定性。该材料的应用需要进行多种原料的混合。比如进行石灰、石膏、集料等材料的应用, 按照一定的比例进行加水搅拌, 保证其砌体的密实性。这就需要进行多种轻质砌体的材料控制。保证其良好的保温性、防水性及其抗震性能, 保证其原材料资源的丰富性。进行环境的保护及其控制, 这就需要进行生产工艺的分析, 保证造价的控制。板材型墙体可以定型化设计、工厂化生产, 更加符合工业化住宅发展的要求。随着我国建材工业的发展, 以及大量引进国外先进的建材产品生产线, 作为建筑物外围护结构的墙体板材品种越来越多。目前适用于钢框架结构, 并且能够达到居住建筑外围护结构保温隔热、防渗隔声要求的板材类墙体材料主要有以下几种。
2.2 在加气混凝土板的应用过程中, 其需要进行水泥、生石灰、石膏等的混合搅拌。
进行铝粉浆料的控制, 进行钢筋网片的模具的分析。这也需要进行高温高压蒸汽养护工作的应用。保证其板材的整体保温性能。由于发泡及高温蒸养, 板材内部形成很多封闭的小孔, 在减小材料密度的同时使板材具有良好的保温性能, 发泡过程中产生的闭口式孔隙可以有效的防止雨水、潮汽的渗透, 同时微气孔具有一定的隔音效果。
在工作中, 进行钢筋混凝土绝热材料的应用。这就需要进行复合外墙板的应用。比如进行内外薄壁钢筋混凝土板的应用。其中间需要进行保温材料的夹芯式材料的应用, 保证多种保温材料的应用。这就需要进行复合成型生产工艺的应用, 保证各种模具的应用, 从而满足工作的需要。大板式复合墙板令墙板生产制作的大量作业在工厂内预制完成, 大大简化了现场施工量, 同时板材尺度与结构框架尺寸相对应, 方便施工安装, 并有利于抗震处理。由于保温层是整体预制在复合板内部的, 在板与板的接缝处必然会形成一定的冷、热桥, 对建筑的整体热工性能产生不利影响。
2.3 金属面夹芯板在应用中也环节, 其需要进行金属面材料的应用, 进行各种钢板的应用, 也需要进行芯体材料的应用。
保证板型接缝处的规格尺寸种类的控制。这就需要进行模数生产的优化, 。保证其材料的面板样式及其衍生的控制, 从而满足钢结构居住建筑的工作需要。其金属面夹心板具备良好的重量性能, 具备良好的强度性, 其施工比较简单。具备良好的应用性能, 能够满足钢结构的住宅建筑需要。在工作中, 内隔墙的砌体材料比较多。比较常见的有石膏砌块、加气混凝土砌块等。这一系列的轻型砌块的施工做法在我国的应用非常广泛。比如水泥砂浆砌筑, 其具备良好的墙体应用性能, 能够满足建筑物的防火及其隔声的需要。为了更好的控制砌块的质量, 进行一些养护措施的应用。
3 结束语
在内隔墙工作中, 进行板材预制板的控制。这就需要进行板材类型的控制, 比如进行预制复合墙板及其单一材质墙板的控制。比如进行单一材质的墙板的控制, 保证其均匀性, 满足建筑物的防火需要及其隔声的需要, 从而提升其应用性能。空心条板在用作分户墙时常采用双层墙夹隔声材料的做法以满足隔声要求。
摘要：为了满足现阶段多层住宅居住的需要, 进行钢结构及建筑材料特色的分析。这就需要进行钢结构住宅体系的健全。保证住宅产业化工作的开展。这需要进行一体化的住宅体系的配套。比如进行建筑体系、结构体系及其排水体系的优化。保证结构体系的优化设计。保证结构的有效受力及其使用。这就需要进行多层住宅钢结构墙建材特点的分析。
关键词：住宅,存在问题,钢结构,混凝土
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纳米材料结构分析 篇8
热电材料的性能表征由ZT来实现, 其中Z=S2σ/κ, S为Seebeck系数, σ为电导率, κ为热导率, S2σ为功率因子。ZT值的提高可以通过提高功率因子和降低热导率等途径来实现, 但是S、σ、κ都是载流子的函数, 彼此联系紧密又相互限制。为了提高材料的热电性能, 采用掺杂技术[4,5]结合固相反应法和湿化学合成法等合成方式, 通过CP、HP以及SPS等特殊烧结方式[6,7], 或者利用激光浮区法[8]、热锻方法[9]、制备热电薄膜[10,11]以及金属颗粒与氧化物基体复合[12]的方式, 对材料进行织构, 使晶体定向生长排列, 从而改善该类材料的性能。其中, 具有Na层的NaCo2O4单晶在ab面方向的Seebeck系数于300K达到100μV/K, 电阻率为200μΩ·cm[13], 而具有Ca-O/Co-O/Ca-O层的Ca3Co4O9单晶体在一定的温度范围内ab面方向具有金属性电学特征, 而c轴方向则都是半导体性特征, 在300K时ab面方向的电阻率为99μΩ·cm[6]。
本研究选取Na-Co-O (简写NCO) 以及Ca-Co-O (简写CCO) 两个体系为研究对象, 借助密度泛函离散变分法讨论其电子结构与热电性能之间的关系, 并提出改善该类材料热电性能的途径。
1 晶体结构及模型的建立
Na-Co-O是由Na层和CdI2型CoO2层沿着c轴交叠形成的层状六角形结构, Na呈无序状态处于CoO2层之间, Co在八面体中间形成了一个二维的三角形格子。Na含量可在50%~75%范围变化[14]。研究表明Na含量在50%附近材料的热电性能最好[15], 因此本研究体系中取Na含量为50%, 晶体结构见图1 (a) , 其中CoO2层中Co-O键长分别为1.906、1.862。以Na层和层间CoO2层为中心, 考虑原子的配位性, 将晶胞原子数扩展到55个, 建立原子簇模型, 即Na8Co17O30。计算模型具有C2v点群对称性。计算采用冻芯模型, Co冻结到3p轨道, Na冻结到2s轨道, O冻结到1s轨道。
Ca-Co-O体系可以用化学式[Ca2CoO3][CoO2]1.62表示。该体系由Ca2CoO3层和CoO2层沿c轴方向交替堆叠形成, Ca2CoO3层和CoO2层具有相同的a、c和β参数, 但是在b轴方向存在点阵错配 (b1/b2=1.6164) , 形成失配层结构[16]。Ca2CoO3子系统的结构也可以用Ca-O/Co-O/Ca-O表示, 元素掺杂基本都发生在该层中, 晶体结构见图1 (b) , 其中CoO2层中Co-O键长分别为1.906、1.892。本研究以Ca2CoO3层的中心为依据, 考虑其所有近邻原子, 将晶胞原子数扩展到53个, 建立原子簇模型Ca6Co13O34。计算模型具有C2h点群对称性。计算采用冻芯模型, Co冻结到3p轨道, Ca都冻结到3s轨道, O冻结到1s轨道。
以密度泛函离散变分法为计算方法, 该算法是将Schrodinger方程经单电子轨道近似以后, 变换为Hartree-Fock方程, 对交换作用势作统计平均近似得到离散变分方程, 然后通过取样点, 确定误差函数, 对误差函数中的适当参数求变分, 使得所有的取样点有极小值, 从而得到久期方程, 求解分子轨道能级、波函数等。
2 理论分析
图2为两体系的总态密度及中心部分原子的分态密度图, 横坐标原点代表费米能级的位置, 选取的能量范围为-8~8eV, 纵坐标表示态密度的能量值。从总态密度图中可以看出, 在费米能级附近, 两体系均有较强的峰值 (图2 (A) ) 。NCO的强峰主要体现在价带, 而CCO体系的价带区相对较弱。从NCO的分态密度上看, 体系中Co原子和O原子对价带部分做主要贡献, 高能态的Co和低能态的O之间存在极强的杂化作用。Na原子的贡献主要集中在导带, 结合其他Na原子的分态密度图可知, 体系中Na-Na原子间形成了金属键, 这将对NCO体系的电学性能直接起到积极的作用。
CCO体系由CoO2和Ca2CoO3两个子系统组成, 从分态密度图中可以看出, 两子系统中Co原子与O原子对价带和导带的贡献以及原子间成键存在一定的差别。从图2 (B) 可以看出, 在CoO2层中, Co 3d轨道在价带和导带区域均有贡献, 且在相应的能量区间近邻O 2p均以低能态的形式出现, 说明Co-O之间均已成键。在Ca2CoO3层, Co 3d轨道主要对导带做贡献, 与CoO2层类似, 相应的近邻O 2p能量值主要出现在导带部分, 这也反映出Ca2CoO3层中Co原子与O原子之间的相互作用。与NCO体系类似, CoO2层中Co 3d轨道在费米能级附近做主要贡献, 而Ca2CoO3层中Co 3d的贡献则主要集中在导带区域。
键级是键合原子之间电子云的成键重叠程度的直接反映, 原子间键性的相对强弱可以用Mulliken的重叠布居函数来表述, 键级越大, 原子间的键性越强。建立模型时, 考虑中心原子的配位情况, 使各原子位于计算模型的中心。两体系的计算结果见表1。
CoO2层作为电子存储层, 负责电导率和热电性能。层中Co原子除了与O原子之间存在化学键外, 在Co-Co之间还存在弱的金属键性结合。此现象在两个体系中均有体现。在NCO体系中, Co-O之间的键性强弱以及Na-Na之间的金属键从波函数 (图3 (a) ) 中也可以看出。在CCO体系中, 键性较为突出的是Ca2CoO3层, 该层中Co原子与不同方向上近邻O原子的键性相差较大, 键性在不同方向上的强弱反映出材料的各向异性特征, 这也可以从Ca2CoO3层的波函数 (图3 (b) ) 中看出。在CoO2层和Ca2CoO3层两个子系统之间存在Ca-O键, 键级值为0.1062, 比NCO体系中Na-O键的键级值 (0.1938) 弱。此外, NCO体系的层间还存在Na-Co的弱键性结合。这些弱结合可能与材料具有较低的热学性能有关。
3 结论
选取了具有单原子层的Na-Co-O体系以及具有多层氧化物的Ca-Co-O体系作为研究对象, 以某原子面为中心, 考虑各原子配位情况, 建立原子簇模型, 利用密度泛函离散变分法讨论两体系的电子结构。通过比较分析可以看出, 在费米能级附近, 两体系CoO2层的表现基本一致, 主要由Co和O起主导作用。在键级的讨论中, 可进一步确定CoO2层中存在的Co-Co金属键影响材料的电学性能, 在NCO体系中Na与Na之间也存在金属键, Na原子组分浓度的变化对材料的热电性能产生直接影响。在CCO体系中, Ca2CoO3层中Co与O在费米能级附近主要对导带做贡献, 且从计算键级以及波函数图中也可看出, 其各向异性的特征尤为明显。结合这一明显特点, 以及CoO2层对电学的主导作用, 可以通过改进制备方法和工艺、降低材料的维度等提高材料的热电性能。此外, 实现在某一方向上的电子输运也可能大大改善材料的热电性能。
摘要：采用密度泛函离散变分法计算了具有不同中间层的Na-Co-O和Ca-Co-O体系的电子结构和化学键。结果表明, 在费米能级附近, 两体系均有较强的峰值, 且CoO2层中Co 3d和O 2p对价带和导带的贡献表现相似, Co3d在费米能级附近做主要贡献。通过对中间层比较分析可知, Na层中Na-Na之间存在金属键, 而Ca2CoO3层则表现出明显的各向异性特征, 这些也可从键级计算与波函数图形中看出。两体系的层间分别存在Na-O和Ca-O的弱结合, 在NCO体系中还存在Na-Co的键性弱结合。由此可以看出, 对两体系Na、Co和Ca的组分调节都将对材料的热学和电学性能产生影响。
纳米材料结构分析 篇9
水泥混凝土来源广泛、容易成型、适应性较强的特点, 促使其成为建筑施工中一种使用量非常大的材料, 同时该种材料广泛地应用于光口与基础设施建设等重要领域。据不完全统计, 我国水泥混凝土生产量已经占据全世界的50%以上。在建筑行业快速发展的过程中, 我国已经成为全球生产和消费水泥混凝土最多的国家。在水凝混凝土使用量增多, 应用拓宽的过程中, 其在自然环境中性能退化问题开始逐渐显露出来。这种问题产生的严重影响已经受到社会各界的广泛关注。虽然常见的水泥混凝土具有极强的抗压性与较大的刚度, 但是在凝结与硬化的时候非常容易产生开裂, 同时韧性受到影响。在水泥混凝土脆性不断增加的过程中, 混凝土建筑物的耐久性受到一定影响。基于此, 研究分析水泥混凝土特性具有非常重要的意义。
1. 高韧性水泥混凝土材料组成与基本特点
在此次研究活动开展的过程中, 以实现高韧性为设计目标, 研究分析高韧性水泥混凝土材料的组成与拌合物的基本特点。
1.1 原材料的选择与性能分析
纤维混凝土是一种复合型材料, 其中产生的力学与损伤破坏性受到纤维性能参数影响的同时, 海域纤维/水泥机体之间界面应力传递规律有一定的联系[1]。在纤维弹性模量较高的时候, 纤维与水泥基本协同受力, 就可以促使应力从基体转向为纤维, 这样就能够有效抑制裂缝的扩展。但是在摸两下, 纤维具有较小的泊松比, 纤维拔出的时候并不容易变形, 同时水泥基体也会有紧缩的趋势, 就会加大纤维拔出阻力, 具有良好的粘结性。其实在研究的时候就会发现, 纤维/水泥基体界面粘结性具有双重效应。如果粘结性并不是非常的良好, 其应力就不会传递给纤维, 在此刻纤维的增强性作用很难发挥出来。但是如果纤维与基体的粘结性过强, 纤维在受力的时候就会非常容易脆断, 导致复合材料变形能力下降。针对这么一种情况, 急需要根据原材料与基体性能进行调控, 促使粘接达到理想的状态, 实现增强与增韧的双重作用。针对这样一种情况, 高韧性水泥混凝土的原材料应当包含胶凝材料:42.5普通硅酸盐水泥 (C) 和I级粉煤灰 (F) ;集料:粗集料为粒径4.75-16mm的石灰岩碎石 (A) , 细集料为洁净天然河砂 (S) ;纤维:超高分子量聚乙烯短切纤维 (PE) 和高性能聚丙烯异型纤维 (CPP) ;功能调节材料:液体聚羧酸类高效减水剂 (SP) , 自配聚丙烯酸类纤维分散助剂 (M1) 和自配功能复合粉体材料 (M2) , 其中功能复合粉体材料由超细矿物组分和保水组分按照7:3的比例组成;拌合水:饮用自来水。在研究高韧性水泥混凝土的时候, 需要分析不同材料的性能, 并且发挥其在水泥混凝土中的作用, 促使材料符合研制的各项要求。
1.2 新拌混凝土工作性能
针对纤维性比较强的水泥混凝土来说, 交办的均匀性与纤维分散都会对其产生非常重要的影响。在研究的时候需要经过试拌和观察之后才决定采用湿拌的工艺。在研究分析的过程中, 观察混凝土拌合物观测记录, 发现混凝土的拌合物粘聚性欲保水性都较好, 并未出现纤维结团的情况[2]。研究发现, 在粉煤灰的使用不断加大, 直至120kg/m3的时候, 塌落度会很明显地缩小。在过去, 人们研究的时候发现加入一定的粉煤灰可以明显的提高拌合物流动性。但是如果粉煤灰的使用量超过一定范围的时候就会带来一定的负面影响。因此, 在同等条件下, 纤维用量增大的时候, 拌合物的流动性减小, 是因为纤维将大量的自由谁覆盖住, 在其中具有润滑作用的水分有所减少, 造成拌合物的摩阻力增加, 同时纤维产生的三维随机网络也会阻止拌合物的流动, 致使流动浆体减少。这样就会减少混凝土坍塌的落度, 引起粗集料裸露。
2. 高韧性水泥混凝土路面结构力学
行对比普通水泥, 高韧性水泥混凝土的弯拉强度与变形性能都非常高。因而如果将其使用在水泥混凝土路面上, 将可以很明显的提高路面结构的耐久性, 同时还能够降低面板的厚度, 增强横缝的间距。高韧性水泥混凝土的优良特点与带裂缝的工作能力与普通水泥混凝土有很大的区别, 因而在荷载力扩散与普通水泥混凝土面板上有着很大的不同。
2.1 高韧性水泥混凝土弯曲疲劳性
路面结构失效受到很多种因素的影响, 其中疲劳荷载作用造成的损伤是关键性的因素, 同时也是引起耐久性破坏的重要原因[3]。因此需要针对高韧性水泥混凝土弯曲疲劳性进行分析。通过实践研究分析就会发现, 弯曲抗疲劳性搜受到多方面因素的影响。首先, 加载间歇时间的影响。室内实行的疲劳试验荷载脉冲并没有设置间歇时间, 但是实际上的车辆荷载有着明显的间歇, 这有助于材料疲劳损伤的恢复, 材料内部水化组分与雨水作用的水化导致强度缓慢下降。其次, 车辆轮迹横向分布的影响。所谓的车辆轮迹其实就是在道路横断面中心线附件一定范围内左右摆动。通常情况下, 车道行驶车轮通过路面上某点的概率不会超过45%。因此, 这与室内试验具有一定的差异。再次, 不利季节的影响。众所周知, 对公路造成最不利影响的季节就是在气温15摄氏度的时候, 通畅每年都以60天来计算。这就是相当于南方雨季与北方春融的时候。面板下支撑结构的强度是最低的, 就会产生面板支撑不够, 因此路面实际疲劳与室内疲劳分析有所减小。
2.2 计算模型的建立
在前文中就已经有所论述, 即高韧性混凝土具有非常强的弯拉强度、良好的抗裂性与变形能力。因此, 如果将其应用在水泥混凝土路面结构上, 不仅降低混凝土面板的厚度, 还会增强横缝的间距, 提高车的舒适性[4]。但是这样一种情况, 路面板的横缝间距与板厚之比将超出我国现行水泥混凝土路面设计方法的适用范围, 同时比较明显的塑性变形特点采用传统的计算方法是很难进行描述的。在这样一种情况下, 需要借用高韧性混凝土拉压应力-应变关系参数输入, 利用塑性的有限元素, 将这种新型路面结构形式在荷载与温度的作用下力学影响进行研究分析, 同时还需要结合高韧性混凝土面板的疲劳应力系数计算公式, 分析疲劳寿命。这种模型是由混凝土面板与基层、路基共同组成。在模型建立的过程中, 其中所需要的各项数据都要根据实际研究来进行取值, 而路基与基层需要根据尺寸来模拟。需要在前任研究的基础上, 借鉴相应的基础理论, 并应用于该模型中。混凝土塑性损伤模型以塑性连续介质损伤为基础, 采用各向同性损伤弹性结合各向同性拉伸和压缩塑性的模式来表示混凝土的非弹性行为。该模型可用于单向加载、循环加载及动态加载等情况, 具有较好的收敛性, 可以模拟混凝土材料的拉裂和压碎等力学现象
3. 结语
总而言之, 在研究分析高韧性水泥混凝土相关材料特点的时候, 还需要根据材料的结构来研究高韧性混凝土。在建筑行业水泥混凝土应用量越来越大, 应用范围越来越广的情况, 研究其韧性具有重要的意义。
参考文献
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[3]郑建军.混凝土多边形骨料分布的数值模拟方法[J].浙江大学学报 (工学版) , 2004.38 (5) :581-584.
纳米材料结构分析 篇10
声子晶体[1]的带隙特性具有非常重要的理论价值和实际应用价值, 因而受到广泛关注。周晓敏等人[2]研究了固/固声子晶体的声聚焦现象;陈阿丽等人[3]结合实验研究了二维8 重固-流型准周期声子晶体带隙特性;Yantchev等人[4]探讨了声表面波的横向耦合特性;Sigalas等人[5]在研究二维声子晶体中的能带结构时发现, 相比于将高速材料散射体填充到低速材料基体中所形成的的声子晶体, 将低速材料散射体填充到高速材料基体中所形成的声子晶体, 更容易得到带隙, 且密度比越大, 越容易产生带隙。
声子晶体是通过调节其带隙来实现对声波调控的。影响声子晶体带隙的结构参数分为两类:构成声子晶体的材料参数和结构参数, 其中的材料参数主要包括各组分的材料密度、杨氏模量、剪切模量、波速以及声阻抗等。
1 基础理论
1.1 声子晶体的本征方程
理想声子晶体是指在某个方向上具有无限多周期而其他方向上均匀且无限大的声子晶体, 其理论模型就是式 (1)
在弹性波理论中也称为弹性波方程。理想二维声子晶体由轴向无限长的柱体周期性分布在基体中构成;通常将二维晶格平面取为x Oy平面, 轴向取为z方向。将式 (1) 化成两个方程, 分别是z轴方向的质点位移分量方程和x Oy平面内的质点位移矢量方程。
z轴方向的位移分量, 一般称为z模式的标量方程, 如式 (2) 。
平面内的位移矢量, 一般称为模式的矢量方程, 有
1.2 平面波展开法
由于声子晶体具有周期性结构, 可以把弹性常数、密度等参数按傅里叶级数展开, 应用Bloch定理, 将弹性波波动方程在倒格矢空间以平面波叠加的形式展开, 即将波动方程转化为本征值求解, 从而得到声子晶体的本征方程 (4) 和 (5) 。
Z模式的本征方程
XY模式的本征方程
式 (4) 和式 (5) 为无限阶复数矩阵的特征值, 其中G' 取遍整个倒格矢空间。为了求得该问题的数值解, 通常使用倒格矢空间原点附近的有限个倒格矢代替整个倒格矢空间, 对称地进行近似求解。
2 材料参数对声子晶体能带结构的影响
(1) 为便于分析材料参数对手二维固/固声子晶体带隙结构的影响, 使材料的材料参数对声子晶体能带结构作用更为明显, 假设构成声子晶体基体材料的相关参数见表1 所示。
将散射体A以正方形排列的形式镶嵌在基体B中, 形成二维声子晶体, 见图1 所示。
晶格常数a=0.02 m。设散射体的密度为3e3 (kg·km-3) 和杨氏模量为2e-3 (1010Pa) , 在不同的剪切模量下所出现的带隙情况见表1 所示。
表2 中剪切模量 μ 单位 (1010Pa) , 散射体半径Rs单位 (10-3m) , 频率 ω 单位为 (k Hz) 。
表2 中第一、二组数据显示:当散射体的剪切模量大于基体时, 在填充率较大的地方出现声子晶体的带隙, 且与基体的剪切模量差值较大, 出现的带隙就越宽。比较第三、四组数据, 发现在散射体的剪切模量小于基体时, 即使在填充率很小, 也会产生声子晶体带隙, 声子晶体的能带并不会随着填充率的增加而无限增宽, 而是会出现一个峰值, 并出现了多层带隙。当散射体的剪切模量越是接近于基体时, 产生的能带结构越宽, 且能带条数越少。
同上, 假设散射体满足如下条件:密度为3 000 kg·km-3和剪切模量为2e-3 (1010Pa) , 在不同的杨氏模量情况下, 所得到的声子晶体的能带结构见表3 所示。
表中散射体半径Rs单位 (10-3m) 、频率 ω 单位 (k Hz) 、杨氏模量E单位 (1010Pa)
表3 中的数据显示, 在物质的密度和剪切模量非常接近的情况下, 散射体的杨氏模量无论如何变化, 都未出现声子晶体带隙。说明了材料的杨氏模量并不是影响声子晶体带隙的主要因素。
假设散射体的杨氏模量为2e-3 (1010Pa) , 剪切模量为4e-3 (1010Pa) , 在不同密度下产生的声子晶体能带结构见表4 所示。
表中散射体Rs的单位 (10-3m) 、密度单位 (kg/m-3) 、频率 ω 单位 (k Hz) 。
表4 中的数据表明, 当散射体的密度小于基体密度时, 声子晶体带隙会在填充率较大的情况下出现, 且其带隙极为狭窄;当散射体的密度大于基体时, 即使填充率很小, 也会产生带隙, 并且会出现多条带隙。
综上所述, 剪切模量和密度是影响声子晶体能带结构的主要因素, 而杨氏模量对声子晶体能带结构的影响极小。散射体的剪切模量比值与密度比值在远小于1 时, 声子晶体带隙在填充率较大时出现。散射体与基体的剪切模量比值在大于1 时, 声子晶体带隙在填充率较小时也会出现。
(2) 声子晶体能带结构
选取钨、硅、碳、铍四种材料作为声子晶体的制作材料。它们的相关参数见表5 所示。
比较这四种材料的相关参数, 发现钨与碳的密度相差较大, 而杨氏模量和剪切模量都比较接近。若用这两种材料设计声子晶体, 若以碳为散射体, 钨为基体, 根据上述预测, 该种声子晶体的带隙极窄, 反之, 若以碳为基体, 钨为散射体, 该种散射体具有多条能带。铍和硅的密度和杨氏模量相差很小, 而剪切模量很大, 若以铍为散射体, 硅为基体。按上述条件设计的声子晶体的能带结构见表6 所示。
表6 中的数据说明在以钨为散射体而硅橡胶作为基体所设计的二维声子晶体在填充率很低的情况下就出现了声子晶体带隙, 而将散射体与基体交换之后, 仅在散射体半径Rs=0.006 5 m时出现了极窄的声子晶体带隙。而二维铍/硅声子晶体, 无论填充率如何变化, 都没有出现带隙, 但二维硅/铍声子晶体则在整个填充率的变化过程中都会出现能带结构。这与前面分析所得结论颇为吻合。
3 结束语
在设计声子晶体时, 通常应该将密度大的材料作为散射体, 而将密度小的作为基体。在密度接近的情况下, 将剪切模量较大的选作散射体, 最后再考虑材料的杨氏模量。
参考文献
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[2]Xiaoming Zhou, M.Badreddine Assouar.Acoustic super-focusing by solid phononic crystals[J].Applied physics letters 105.22355 (2014) .
[3]陈阿丽, 梁同丽, 汪越胜.二维8重固-流型准周期声子晶体带隙特性研究[J].物理学报, 2014, 63 (3) .
[4]V.Yantchev.A transversely coupled phononic surface acoustic wave transducer[J].Applied Physics Letters 104 (2014) .
光纤陀螺结构细分及材料优选 篇11
关键词：光纤陀螺； 有限元； 结构材料； 温度性能； 动态性能
中图分类号： TP 391.9 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.018
Abstract：This paper introduces fiber optic gyroscope （FOG） error caused by the temperature field and stress. Through the subdivision of FOG structure， finite element models for different materials were established. Thermal stress analysis and transient temperature analysis were carried out. We select a representative of the new material beryllium aluminum alloy and invar alloy and compare them with the conventional aluminum alloy. The results show that the use of beryllium aluminum alloy can increase the frequency of the FOG， while increasing the temperature performance of FOG. Invar alloy can greatly reduce the influence of the stress change of the optical fiber coil. The subdivision of FOG structure with the optimization of materials can significantly improve the temperature performance and precision of dynamic output of FOG， which is proven in the experimental test.
Keywords：fiber optic gyroscope（FOG）； finite element； structural materials； temperature performance； dynamic output precision
引 言
随着光纤陀螺的广泛应用，光纤陀螺中各个光电器件对结构的要求不断细化，例如，光纤线圈要求其骨架要有较高的机械强度和很小的热膨胀性；光源要求其安装板有好的散热性能；陀螺基座要有较高的机械强度和好的散热性能；相位调制器（Y波导）要求绝缘；电路板要求有良好的散热，并且与光纤线圈热隔离。
传统光纤陀螺的光纤环骨架既要用于固定光纤线圈、相位调制器、光电探测器、耦合器和电路板，又要作为光纤陀螺的安装基座，所以要求光纤环骨架要有足够的机械强度，不能有太大的热膨胀性。另外，光纤环骨架要进行热设计，使电路板、光源、光电探测器等光电器件产生的热量有良好的导热通道传到光纤陀螺外，尽可能减小光纤线圈温度变化和温变速率。这种情况下，使得在光纤陀螺的结构设计和材料选择上要综合考虑，这极大地降低了这些光电器件的工作性能。
本文按照光纤陀螺中不同光电器件对工作环境的要求将光纤陀螺的结构细分成单独的零件，逐一进行结构优化和材料优选。
1 光纤陀螺基本原理和主要器件的特性
1.1 基本原理
光纤陀螺基于Sagnac效应，即沿闭合光路相向传播的光波返回到起始点干涉后，干涉信号的相位差正比于闭合光路敏感轴的输入角速度。
干涉型光纤陀螺的基本光路如图1所示，由光源、探测器、分束器、准直透镜和光纤线圈构成。从光源发出的光波被分束器分成两束，一束透射过分束器后经准直透镜耦合进光纤线圈后顺时针传播，由光纤线圈出射后经准直透镜准直后透射过分束器。另一束被分束器反射后经准直透镜耦合进光纤线圈后逆时针传播，由光纤线圈出射后经准直透镜准直后被分束器反射。两束光会合时会产生干涉信号，干涉信号的强度随光纤线圈法向的输入角速度变化而变化，通过探测器检测干涉信号的强度变化，可以获得输入的角速度变化。
1.2 光纤线圈
光纤线圈是光纤陀螺中用于敏感输入角速度引起的两相向传播光波之间Sagnac相位差的部件，因而是影响光纤陀螺性能的主要因素。光纤线圈可以分为有骨架和无骨架两种，目前得到广泛工程化应用的是有骨架的光纤线圈。对光纤陀螺有影响的光纤线圈参数主要有光纤线圈的结构参数（包括平均直径、光纤长度、光纤线圈的横截面比例）、损耗、偏振串音、应力分布及光纤线圈的对称性。其中，光纤环骨架的强度、温度变化速率、温度变化下的形变量对光纤线圈的参数影响较大。减小光纤线圈在振动和温变情况下的形变和温变速率可以大幅度提高光纤陀螺的性能。
1.3 Y波导集成光学器件
Y波导是光纤陀螺中的关键器件，它和光纤线圈形成Sagnac干涉仪，它是作为光纤陀螺的专用调制器件出现的，它要对输入的光波进行偏振滤波、对光波进行分束和合束、对光波进行偏置和反馈调制，它对偏振抑制和半波电压稳定性要求高，要防止和探测器输出信号的电子形成串扰误差，实际应用中，可对Y波导进行绝缘安装以提高其抗干扰能力。
nlc202309021303
1.4 光 源
光源的作用是为光纤陀螺提供产生Sagnac效应所需的合适光信号，需要其有较高的、稳定的尾纤输出光功率，以提高光纤陀螺的信噪比，这就需要光源有良好的散热环境保证它有较高的温控精度，另外，由光源产生的热也是光纤陀螺主要的噪声源头，因此，在保证其散热良好的前提下，还要尽可能地减少其传到光纤线圈上的热量。
1.5 光电探测器
光电探测器将Sagnac干涉仪返回来的光信号转换为电信号，一般直接焊接在电路板上，通过实验发现，探测器在实际工作中也会产生一定的热量，影响光纤陀螺的性能[1-2] 。
1.6 Shupe效应和弹光效应
在光纤陀螺中，由于外界温度随时间变化，光纤线圈每一点的折射率都随温度变化而变化，而相向传播的两束光波经过该点的时间不同（除光纤线圈中点以外），因此，两束光波经过光纤线圈后由于温度引起的相位变化不同，这个效应最初由Shupe发现，称为Shupe效应。
应力对光纤陀螺的作用主要通过光纤线圈体现。对于常用的保偏光纤，除了内部应力区引起的保持偏振所需要的高双折射外，光纤陀螺在振动、冲击、过载和温变等环境条件下，作用在光纤上的外部机械应力会引起光纤的附加双折射，引起这种双折射的效应称为弹光效应[3-4] 。
1.7 光纤陀螺温度场模型
通过测量光纤陀螺中的各个器件在工作时的温度，得出主要发热器件的温度曲线，再利用ANSYS软件建立起光纤陀螺常温工作状态下的温度模型。SLD（超辐射发光二极管）是光纤陀螺中最主要发热器件，其底部在常温工作状态下的温度曲线如图2所示。光源驱动板用于驱动SLD，其安装面在常温工作状态下的温度曲线如图3所示。
主板上的FPGA芯片和光电探测器发热，也给光纤陀螺带来了一定的误差热源，其安装面在常温工作状态下的温度曲线如图4所示。利用得到的温度数据对光纤陀螺建立接近实际工作状态的温度场有限元模型，分别将以上温度曲线赋予光纤陀螺的光源安装面、光源驱动板安装面和主板安装面，忽略光纤陀螺中热辐射的影响，进行有限元分析。
2 光纤陀螺结构细分和材料优选
2.1 光纤陀螺结构细分
按照光纤陀螺各个光学器件（包括光纤线圈、相位调制器、耦合器、光电探测器、光源）的功能和对使用环境的要求，将光纤陀螺的主体结构细分成光纤环骨架、相位调制器支架、光源底板和基座几部分。如图5所示，为传统光纤陀螺基体和细分后的结构对比。
2.2 光纤陀螺材料优选
针对光纤陀螺各个光学器件对环境的要求，在目前广泛应用的工程材料和近几年在惯性器件行业得到应用的新型材料中进行筛选，选取了铍铝合金和因瓦合金替代原有铝合金，并在建立的温度场模型下对不同材料进行结构热力学分析和瞬态温度分析[5-7]。
铍铝合金具有质量轻、强度高、刚度高、热稳定性好、高韧性、抗腐蚀、结合了铍的低密度与铝的易加工性等许多优良特性，随着航空、航天工业、计算机制造业、汽车工业及高精度、高速度电焊机器制造工业的飞速发展，其已成为一种越来越重要的新型材料[8]。
因瓦合金，是一种镍铁合金，其成分为镍36%，铁63.8%，碳0.2%，它的热膨胀系数极低，能在很宽的温度范围内保持固定长度。绝大多数的金属合金都是在受热时体积膨胀，冷却时体积收缩，但因瓦合金由于它的铁磁性，在一定的温度范围内，具有因瓦效应的反常热膨胀，其膨胀系数极低，有时甚至为零或负值[9-10]。
表1是有限元分析所用到不同材料的主要性能参数。
3 分析结果和试验论证
3.1 分析结果
基座选用目前在航天航空领域得到一定应用的铍铝合金，这种材料的强度和导热性能均优于常用的铝合金，图6是传统铝合金材料和铍铝合金在同等条件下的模态分析对比，表2是计算模型的固有频率。
光纤环骨架选用低膨胀因瓦合金，这种材料的力学性能与铁合金相似，最大的特点是具有极低的线膨胀系数，对于光纤陀螺这种温度变化大的使用环境，可以很好的保证光纤线圈的稳定性。图7是传统铝合金和因瓦合金在相同情况下的热应力变形的分析对比。在同样状况下，因瓦合金热应力变形为1.296×10-6 m，远远小于铝合金4.564×10-5 m。
基座选用铍铝合金，光纤环骨架选用低膨胀因瓦合金，图8是铍铝合金及因瓦合金与传统铝合金材料在同等条件下的瞬态温度分析对比，发现使用铍铝合金可以使光纤线圈更快的达到热平衡，将减小光纤陀螺的启动时间，从而提高光纤陀螺的精度。
3.2 试验论证
采用细分后的新结构和优选的新型材料，加工两台样机，保证各个光电器件与现有成熟陀螺状态一致，随机选取一只现有陀螺与两台样机分别做温度定点和随机振动试验，对比陀螺输出曲线，见图9和图10。
将试验数据进行对比，看到样机的启动时间为10 s左右，零偏稳定性为0.1（°）/h，相比成熟的光纤陀螺启动时间为60 s，零偏稳定性为0.13（°）/h，都有大幅度减小，证明将光纤陀螺的结构细分和材料优选对其温度性能有一定提高。
将试验数据进行对比，看到样机的随机振动振动中与振动前后的零偏极差为0.05～0.1（°）/h，成熟光纤陀螺的随机振动振动中与振动前后的零偏极差为0.01～0.03（°）/h，证明结构细分和材料优选对光纤陀螺的振动性能也有一定改善。
4 结 论
通过对光纤陀螺结构的细分，并对光纤陀螺实际工作状态建立温度场模型，选用铍铝合金和因瓦合金代替传统的铝合金，利用ANSYS Workbench软件针对优选的材料分别进行模态分析、热应力分析和瞬态温度分析，获得了对实际研究有指导意义的结论，运用得到的结果，对陀螺结构进行结构改进，减小光纤环的温度漂移、启动时间和热应力变形，最终提高光纤陀螺精度，意义重大。
参考文献：
[1] 张维叙.光纤陀螺及其应用[M].北京：国防工业出版社，2008.
[2] 王巍.干涉型光纤陀螺仪技术[M].北京：中国宇航出版社，2010.
[3] 张桂才.光纤陀螺原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2008.
[4] 傅长松，汪绳武，袁一方.光纤陀螺技术研究[J].光学仪器，2002，24（6）：19-23.
[5] 刘海霞，蒋鹞飞，宋凝芳，等.结构材料对光纤陀螺动态性能的影响[J].北京航空航天大学学报，2014，40（1）：39-43.
[6] 于中权，张珉，陈习元，等.光纤环温度性能仿真分析[J].应用光学，2012，33（2）：421-426.
[7] 陈蕴博，岳丽杰.机械工程材料优选方法的研究现状[J].机械工程学报，2007，43（1）：16-20.
[8] 刘孝宁，马世光.铍铝合金的研究与应用[J].稀有金属，2003，27（1）：62-65.
[9] 李青禄，胡笛川.因瓦合金的特性及应用前景[J].机械管理开发，2003（6）：34-35.
[10] 陈昀，李明光，张艳红，等.因瓦合金发展现状及应用前景[J].机械研究与应用，2009，22（4）：9-11.
[11] 陈文海，牟旭东，舒晓武，等.光纤陀螺的振动特性研究[J].光学仪器，2003，25（5）：19-23.
（编辑：张 磊）
纳米材料结构分析 篇12
虽然从上世纪80年代起我国开始了聚晶金刚石 (PCD) 拉丝模的应用开发研究, 而且近年来随着我国拉丝行业的技术进步, PCD拉丝模在行业内得到了越来越广泛的应用[1]。但是国内PCD拉丝模产品的实际使用性能与国外产品还存在不小的差距[2,3,4,5], 这主要是由于国内拉丝模坯材料制备技术及拉丝模的制造工艺技术与国外相比仍存在较大差距。近年来人们对PCD拉丝模孔型结构设计及拉丝过程的工艺控制方面的研究较多[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16], 而对PCD拉丝模坯材料本身的研究却很少[17,18]。随着拉丝行业的不断发展, 目前国内线材工业生产中拉丝模的孔型结构及加工工艺已经基本趋于一致, 然而不同厂家拉丝模生产出来的产品性能及模具使用寿命方面还存在不小的差距。为此我们把注意力转移到对拉丝模坯材料本身的微观结构及性能的比较研究上。众所周知, 材料内部的物质组成、结构及表面形貌特征决定了其物理力学性能键[19,20], 本文通过选取国内外三种典型聚晶金刚石 (PCD) 拉丝模坯材料, 对比研究其微观形貌和显微组织结构, 并结合其拉丝模实际使用情况, 分析国内外产品存在的差距, 为开发国产高档PCD拉丝模坯材料进一步明确具体研究目标。
2 测试分析方案
本实验选取国内外普遍应用的具有代表性的拉丝模坯材料生产商提供的同一型号的PCD拉丝模坯作为研究对象 (见表1) 。首先采用BDMT-JP903型聚晶金刚石镜面抛光机对拉丝模坯样品进行机械研磨抛光处理, 使其表面达到镜面;然后采用日本日立公司生产的S-3400N型扫描电子显微镜对聚晶金刚石拉丝模坯材料样品进行表面形貌观察, 并采用EDS能谱分析样品中的粘结剂组分;最后采用日本Rigaku公司生产的D/max-rA 12kw 型X射线衍射仪对所选样品进行物相分析。
3 结果与讨论
3.1 PCD拉丝模坯微观形貌SEM观察分析
图1是三种PCD拉丝模坯材料样品的扫描电镜观察结果。图中黑色部分是金刚石, 白色部分是粘结相。从图中可以看出, 三个样品PCD中粘结相基本上呈线条状和絮状较均匀地分布在金刚石周围, 不同厂家生产的PCD拉丝模坯材料的晶粒大小明显不一样, 其粘结相的分布均匀性也有所不同。其中以1#PCD拉丝模坯样品中的金刚石晶粒最粗大、2#样品次之、3#样品的晶粒最细小。进一步观察统计结果表明, 1#、2#和3#PCD拉丝模坯样品中金刚石晶粒大小分别为5～10μm、2～5μm和≤1μm。从图1中还可以看出, 三个样品中金刚石晶粒间均形成了D-D直接结合, 并互相连成网络骨架结构。其中以3#样品中的金刚石晶粒D-D结合最充分、1#样品次之, 2#样品虽然也形成了网络骨架结构, 但其D-D结合网络骨架结构不均匀, 局部粘结相成团致区域网络骨架结构被中断。1#样品粘结相以叶脉状分布在金刚石晶粒间界、粘结相分布较均匀;3#样品中粘结相以星点状分布在金刚石晶粒三叉晶界处、其分布区域小且较为均匀;2#样品中粘结相以大小不均匀的团块状分散其金刚石D-D结合网络骨架之外, 且粘结相分布不均匀, 从图中可看出其相对含量较高 (白色区域相对面积大) 。
照片: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#样品
(a) No.1 sample, (b) No.2 sample, (c) No.3 sample
3.2 PCD拉丝模坯中粘结相成分EDS分析
对上述三种典型PCD拉丝模坯样品中粘结相 (即白色部分) 进行EDS能谱分析, 其分析结果如图2～图4所示, 相应的EDS分析数据列于表2。
由表2可以看出, 三种不同PCD拉丝模坯样品中粘结剂组分不同, 但均含有Co元素。1#样品Co含量远高于2#和3#样品, 为55.46 wt%, 还含有微量的Fe、Mo。可推断1#PCD拉丝模坯材料可能主要以Co作粘结剂, 其中微量的Fe可能来源于金刚石微粉原料中未处理干净的触媒金属包裹体, 而Mo可能是由其屏蔽材料Mo杯高压高温烧结扩散所致。2#样品的Co、Mn、Fe含量较高, 可能是以Co-Fe-Mn作粘结剂, 其中的微量元素Si、Al、Cr可能来源于其高温高压合成传压密封材料。3#样品中W含量特别高、其次是Co, 表明其粘结剂中可能添加了硬质合金粉末或W粉和Co粉, 而其微量元素Si、Al、Cr、Ti含量均相对较高, 说明其高压高温烧结过程中使用的屏蔽材料的屏蔽效果欠佳。上述三个样品分析结果中较高的C含量主要是由于能谱分析区域中周边金刚石造成的。上述EDS分析结果表明, 各厂家生产的PCD拉丝模坯材料不仅使用的粘结剂不同、金刚石原料不同, 而且其高温高压合成腔体结构及使用的材料也不相同, 这直接影响了烧结PCD拉丝模聚晶金刚石结构与性能, 从而影响其拉丝模的实际使用效果。
3.3 PCD拉丝模坯XRD物相分析
三种不同典型PCD拉丝模坯样品的X射线衍射分析结果见图5。从图中可以看出1#PCD拉丝模坯样品中的主要物相是金刚石和钴;2#PCD拉丝模坯样品中除金刚石和钴物相之外, 还存在少量FeNi合金相;3#PCD拉丝模坯样品中主要物相有金刚石、WC及钴, 且其WC、Co相含量不低。三种PCD拉丝模坯样品的X射线衍射分析图谱中均未出现明显的 (002) 石墨峰。说明PCD拉丝模坯材料高压烧结不存在石墨化残留。
通过对国内外PCD拉丝模的实际拉丝使用寿命统计得出, 在拉拔钢丝、焊丝等硬丝时, 国内PCD拉丝模产品与国外产品的平均使用寿命比为1∶2;在拉拔铜丝、铝丝等软丝时, 国内PCD拉丝模产品与国外产品的平均使用寿命比为7∶10。这一使用效果很大程度上可能与上述典型PCD拉丝模的微观结构不同有关。国外2#和3#PCD拉丝模坯金刚石晶粒相对国内产品普遍要细, 且组织也相对均匀一些。此外, 随着晶粒细化, 要考虑相应改进粘结剂配方问题。因为PCD拉丝模坯材料性能, 除了与其烧结聚晶晶粒尺寸大小有关外, 主要还与其添加剂的种类有关。由此我们提出开发国产高品质聚晶金刚石拉丝模坯应考虑优选金刚石原料, 尽量细化晶粒, 优化粘结剂组分, 还应通过改善聚晶金刚石高压烧结工艺, 使合成的聚晶金刚石拉丝模坯中组织均匀。
4 结论
(1) 同一型号、不同厂家生产的PCD拉丝模坯产品中, 其金刚石晶粒大小及粘结剂种类、含量存在差异。国外PCD拉丝模坯中金刚石晶粒细小, 其平均粒度≦5μm;国内PCD拉丝模坯中晶粒较粗大, 其粒度为5～10μm。
(2) 国内外PCD拉丝模坯中粘结剂成分都含有Co, 但国内产品中粘结剂基本为Co;国外产品中除主要粘结剂Co之外, 还含有W、Mn、Si、Ti等成分。国外中细颗粒PCD拉丝模坯中的主要物相有金刚石、Co, 与国内粗颗粒产品基本相同、但细颗粒PCD拉丝模坯中的物相除金刚石、Co之外, 还有WC相。
(3) 国内外生产的典型PCD拉丝模坯材料不仅使用的粘结剂不同、金刚石原料不同, 而且其高温高压合成腔体结构及使用的材料也不相同, 这直接影响了烧结PCD拉丝模的聚晶结构与性能, 从而影响拉丝模的实际使用效果。