层状结构

层状结构（共10篇）

层状结构 篇1

受电弓滑板是电力机车的灵魂部件,安装在机车顶部,与输电网的接触导线之间通过滑动接触为电力机车供电。优质的受电弓滑板材料必须满足以下性能要求[1]:(1)减摩性能好,对电网导线的磨损小;(2)自身耐磨性好;(3)导电性能好,温升低,散热性能好;(4)力学强度高。粉末冶金受电弓滑板的力学强度高,抗冲击性能较好,电阻率低,具有一定的自润滑性,使用寿命较长,一般可达3.5万~7万km,目前被广泛采用。但由于粉末冶金滑板的基材是金属体,与接触导线材质类似,其对接触导线的磨耗仍十分严重[2]。纯碳滑板的摩擦系数与磨损量均小于金属滑板[3],它滑动时电磁噪声小,且耐高温,耐弧性强,不易与接触导线发生焊附现象。但碳滑板的力学强度低,耐冲击性差,运行中遇到导线硬点易折断和破碎,此外,碳滑板固有电阻大,接触温度高,易引起导线过热氧化,加速导线磨耗。浸金属碳滑板具有纯碳滑板对导线磨耗小和耐弧性强的特点,同时导电性和力学强度比纯碳滑板有所提高,但浸金属碳滑板的力学强度,尤其是抗冲击强度有待进一步提高[4]。新兴的碳纤维复合材料滑板具有优良的摩擦磨损性能、力学性能和导电性能。目前,虽有多家单位进行该产品的研制和开发工作,但在滑板结构上各不相同。对于选定结构的滑板,优化制备工艺是非常必要的。

本实验以酚醛树脂、碳纤维、铜纤维、丁腈橡胶和石墨等组成基本的配方,通过热压成型工艺制备层状结构受电弓滑板。采用正交试验方法,通过测试滑板的冲击性能、电阻率、磨损性能,优化滑板的制备工艺。这对提高层状结构受电弓滑板的性能、降低成本、缩短该滑板的研制周期具有重要意义。

1 实验

1.1 材料

碳纤维是由江苏宇杰碳纤维科技有限公司提供的长度为3~5cm的短切碳纤维,酚醛树脂、硅灰石纤维、石墨、丁腈橡胶、铜网、铜纤维均为市售。

1.2 滑板制备

采用无水乙醇将一定配比的酚醛树脂、碳纤维、丁腈橡胶、石墨粉、硅灰石、铜粉及铜纤维混合料调成糊状,搅拌均匀,晾干。使用前于60℃烘干1h,称取一定质量的铜网,与混合料依次铺入模具(尺寸为15mm×10mm×120mm)中,在YTDT1-100A型塑料制品液压机上按照正交试验方法[5]设计的试验方案(如表1所示)模压成型。压制时放气3次,间隔时间分别为30s、60s、90s。

1.3 性能测试

采用电桥法测滑板电阻,电阻率的计算公式为:

ρ=RS/L (1)

式中:R为电阻值,S为滑板试样的横截面积,L为实际测试长度。

采用XJJ-50型冲击试验机严格按照GB/T1043标准检测滑板的冲击性能αk。滑板试样尺寸为15mm×10mm×120mm,冲击速度为3.8m/s。

采用MM-200型磨损试验机测试滑板的磨损性能。磨损实验测试的对磨材料为铜,其磨轮转速为400r/min,磨轮外径为40mm,压力为20kg,时间为60min,用质量磨损表征磨损量。

磨损量为:

Δm= m1-m2 (2)

式中:m1为磨损前的质量,m2为磨损后的质量。

2 结果与讨论

表2为各因素的级差大小。级差R反映试验中各因素作用的大小,级差大表明该因素对指标的影响大,通常为主要因素,级差小表明该因素对指标的影响小,通常为次要因素[6]。由表2可知,各影响因素对各性能影响的主次顺序为:电阻率,tp>T>t>P;冲击韧性,tp>T>t>P;磨损量,t>T>tp=P。

综合考虑各指标的影响因素的主次关系,可确定受电弓滑板制备工艺影响因素的主次顺序为:加压时机tp,模压温度T,单位厚度保压时间t,模压压力P。

2.1 模压工艺对电阻率的影响

图1为各影响因素与电阻率的关系图,由图1可见电阻率随各影响因素水平变化的波动情况,由级差大小可知加压时机对电阻率的影响最大。由图1(a)可知,随加压时机的延后,电阻率先升高而后降低。加压时机过早,会使液化的树脂在压力作用下从模具的边缘缝隙中溢出,造成缺料,从而使滑板中的导电成分比例显著增加,具有良好的导电性。碳纤维和酚醛树脂的膨胀系数存在很大差异,加压时机的略延虽然避免了物料的溅出,但是各物料来不及均匀分布,造成滑板中气孔过多,影响了受电弓滑板的导电性。加压时机进一步延后,材料内部温度分布较均匀,在压力作用下随液体树脂的流动有层间取向的趋势,并且使固化时产生的气体分子易于排出,气孔率较低,因此电阻率降低。

由图1(b)可知,当模压温度从150℃升至170℃时,随模压温度的升高,滑板的电阻率先升高后降低。因为当温度较低(150℃)时基体树脂的活性低,固化速度较慢,固化过程中虽然出现小孔隙,但固化温度不高,孔隙细小且分布均匀,电子在一定范围内可以绕过一些细小孤立的孔隙,故电阻率较低。当温度升高时,孔隙率提高,细小弥散的气孔聚集成大孔,阻碍了导电通路,电阻率升高。当模压温度再次升高时,加速了气体的排出,反而减小了气孔率,使石墨、碳纤维等物料与基体紧密结合在一起,增加了滑板的致密性,使单位体积内的导电物质增多,电阻率降低。

由图1(c)可知,随单位厚度保压时间的延长,电阻率先降低后升高。当保压时间为4min/mm时电阻率相对最低,这是由于保压时间过短(3min/mm),酚醛树脂没有充分固化,在成型过程中,靠近模具表面的材料先固化,而内部得不到充分固化,在材料内部形成一定的孔隙,故电阻率较高。而保压时间过长(5min/mm),酚醛树脂过渡交联导致收缩率增大,由于各物料之间的膨胀系数不同,材料之间出现微裂纹,不利于导电载流子的流动,故电阻率升高。

由级差可知,模压压力并不是影响受电弓滑板电阻率的主要因素,但模压压力的增加有利于物料的紧密结合,滑板密度和单位体积内导电物质的增加以及导电性的增强。

从提高滑板导电性的角度看,最佳制备工艺是tp=1min,T=150℃,t=4min/mm,P=60MPa。

2.2 模压工艺对冲击韧性的影响

图2为冲击韧性随各因素水平的波动情况。加压时机是影响受电弓滑板冲击韧性的重要因素,加压时机过早造成的不均匀固化及物料缺失将严重影响受电弓滑板的抗冲击能力。随加压时机的延后,配合合理的排气,物料中挥发物质、树脂固化释放出的小分子及混入的空气都能被更好地排出,从而使气孔率降低,滑板的冲击韧性提高。

由图2(b)可知,在一定范围内滑板的冲击韧性随模压温度的升高先降低后升高。塑料是热的不良导体,温度过低时,滑板材料中心和边缘的温差较大,会出现不均匀固化,使制品产生表层残余压应力和内部残余张应力[5],从而使得冲击韧性较低。当温度升高时,物料中小的孔隙积聚成大孔,且物料中的易挥发物质不能及时挥发排出,它们锁入滑板材料中,造成滑板的脆弱点,从而使冲击韧性降低。当温度继续升高时,加速了气体的排出,使气孔率降低,滑板的致密性提高,冲击韧性增强。此外,模压温度较高(>160℃)有利于物料的均匀流动,使各物料均匀牢固地结合且固化均匀,从而提高受电弓滑板的抗冲击能力。总的来说,较高的模压温度有利于提高受电弓滑板的冲击韧性。

保压时间的延长以及较高的压力都有利于提高受电弓滑板的冲击韧性。二者使滑板内物料之间的间隙减小,提高了滑板的致密性,增强了其结合强度,从而提高了抗冲击能力。

对于冲击韧性来说,最佳制备工艺参数是tp=3min,T=170℃,t=5min/mm,P=60MPa。

2.3 模压工艺对磨损量的影响

图3为各影响因素与磨损量的关系图。滑板的耐磨性随保压时间的延长而增强。当保压时间较短时,滑板材料不能均匀固化,造成应力集中、结合强度较低,在摩擦过程中很容易使各物料分离,从而导致磨损量上升。保压时间的延长有利于物料特别是石墨的充分扩散,组织更加均匀,从而在摩擦过程中使石墨的润滑作用得以充分实现。

较高的模压温度有利于减小气孔率,增加滑板的致密性,从而在摩擦过程中使纤维不易剥落。且较高的模压温度有利于固化过程中物料的均匀流动,使各物料牢固结合,从而提高受电弓滑板的耐磨性。

图3(a)显示,加压时机的延后有利于提高受电弓滑板的耐磨性。因为加压时机较早时各物料的流动速度不同,物料来不及均匀分布,特别是石墨不能均匀分布在滑板材料中,从而使石墨在摩擦过程中不能均匀地覆盖在摩擦副接触面,石墨的润滑作用不能得以充分实现,导致磨损量较大。另一方面,加压时机过早使液态的树脂在压力作用下从模具缝中溢出,造成缺料,容易在滑板内部形成大的空隙和脆弱点,从而使磨损量增多。

压力的增大有利于物料的紧密结合,提高其耐磨性,但从图3(d)中发现,当压力过大时反而增加了滑板的磨损量。因为在强大压力作用下碳纤维可能发生断裂,形成脆弱点,在摩擦过程中破损碳纤维及其周边物料容易脱落,从而使磨损量增多。

对于磨损量来说,最佳制备工艺参数是tp=3min,T=170℃,t=5min/mm,P=50MPa。

比较影响因素的主次关系,结合各被测试性能的最优组合,综合考虑得出最佳模压工艺是T=170℃,P=60MPa,t=5min/mm,tp=3min。

2.4 受电弓滑板的表面磨损形貌

图4为采用表1试验7工艺所制的滑板与铜对磨1h后的磨损表面形貌像(不同部位磨损表面的二次电子像)。从图4(a)中可以看到较深且宽的磨痕,即犁沟形磨痕。在摩擦磨损试验中,宏观上平滑的表面实际是凹凸不平的,面的接触实际是若干点的接触[7]。摩擦过程中,接触表面硬的微凸体以及硬的颗粒刺入基体,对材料表面进行切削,形成宽且深的磨痕。由此可知,磨粒磨损是受电弓滑板的磨损形式之一。从图4(b)中可以看到不规则的沟槽。在压力作用下,滑板及铜轮的接触表面在摩擦点产生瞬时高温而发生粘着,由于铜轮的移动使粘着在铜轮上的物质与滑板脱离,从而导致大的磨屑及不规则沟槽的产生。由于滑板沿导线高速滑行,有时速度可达20~30m/s[8],其高温粘着、冲击碎裂倾向十分严重,由此造成的磨损在滑板总磨损中应当占有相当比重。由此可知,受电弓滑板在摩擦过程中最主要的机械磨损形式是粘着磨损和磨粒磨损。

石墨以及具有“乱层石墨”结构的碳纤维具有良好的自润滑和减磨性能[9]。从图4(c)中可以看出,碳纤维部分突出于磨损表面,在磨损过程中,碳纤维成为摩擦的接触点,起到了抗磨作用。此外,覆盖于接触表面的石墨在摩擦过程中也起到润滑剂的作用,从而使接触表面的摩擦力大大减小,磨损降低。优化受电弓滑板的制备工艺对提高滑板材料的耐磨性具有重要意义。选取最佳的滑板制备工艺,不仅能保证滑板物料特别是石墨、碳纤维等减磨材料的均匀分布,同时还能提高材料的致密性,使其在摩擦过程中具有优良的耐磨性。

3 结论

(1)综合考虑各影响因素的作用,根据正交试验得到最佳模压工艺是:模压温度170℃,单位厚度保压时间5min/mm,压力60MPa,加压时机3min。

(2)模压温度和加压时机对滑板的综合性能影响较大。较高的模压温度有利于提高滑板的致密性,而加压时机的适当延后能避免缺料且有利于物料的均匀分布。

(3)受电弓滑板的主要磨损形式是粘着磨损和磨粒磨损,其特征表面磨损形貌分别为不规则沟槽及较深磨痕。

摘要：采用正交试验方法优化受电弓滑板的制备工艺,通过测试滑板的冲击性能、电阻率、磨损性能,确定其最佳制备工艺;利用电子探针对磨损后的表面进行了观察,并分析了受电弓滑板的磨损机理。结果表明,受电弓滑板的主要磨损形式是粘着磨损及磨粒磨损,模压温度和加压时机对滑板的综合性能影响较大。分析得到最佳制备工艺参数为:模压温度T=170℃,单位厚度保压时间t=5min/mm,压力P=60MPa,加压时机tp=3min。

关键词：电力机车,受电弓滑板,碳纤维,复合材料

参考文献

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[9]高春明,凌跃成,钱振华,等.减磨型碳纤维复合材料受电弓滑板的研制[J].电力机车与城轨车辆,2004,27(4):31

层状结构 篇2

层状云系是中国人工增雨催化作业的主要对象.云系人工增雨潜力的大小是判断是否作业的最为重要的科学依据.但是,目前中国还没有一套比较完整的`综合判断云系人工增雨潜力的评估方法.自然降水形成过程是个复杂的科学问题,因此判断人工增雨潜力也是一个非常复杂的科学问题.作者利用中尺度MM5数值模式模拟的层状云系研究与人工增雨潜力有关的要素,从理论上研究了不同要素与降水的关系.在分析云体的垂直结构、降水机制、水汽厚度、冰面过饱和水汽量、云水厚度、过冷水含量、冰晶浓度、降水效率(凝结水降水效率和凝华水降水效率)等潜力要素基础上,获得了新的潜力要素,例如 “催化-供给” 云结构、降水机制、冰面过饱和水汽量,并提出了定性综合判断云系人工增雨潜力思路.

作 者：洪延超 周非非 HONG Yan-Chao ZHOU Fei-Fei 作者单位：洪延超,HONG Yan-Chao(中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室,北京,100029)

周非非,ZHOU Fei-Fei(国家气象中心,北京,100081)

层状结构 篇3

(1.天津大学土木工程系， 天津 300072； 2.天津市土木工程结构及新材料重点实验室， 天津 300072；3.天津大学仁爱学院， 天津 301636)

引 言

基岩地震动求解是进行场地地震响应和结构抗震计算的必要步骤，基岩地震动反演是由场地参数和地表地震记录推求基岩输入运动。20世纪80年代初胡聿贤、谢君斐等就开展了基岩地震动非线性反演的研究[1，2]。陈厚群等通过自由场地表运动的反演分析和正演计算[3]，确定坝址河谷自由场地震运动。蔡袁强等采用非线性土层平稳随机地震反应分析的等价线性化方法反演分析了非线性成层地基基岩的地震动[4]。陈清军和刘拓对地震波反演的波动法和有限元法进行了比较[5]，并对频率截断问题进行了探讨。

值得指出的是，上述基岩地震动反演均是仅根据地表水平地震动加速度记录来推求基岩面水平地震动，是一维反演问题；而实际上，地表某点的水平加速度记录只是该地表点地震记录的一个方向，在该点同时还有竖向加速度记录和另外一条水平加速度记录，或者说该地表点的实际地面运动是三维的；虽然地震记录通常均是以三个正交方向的地震动来表示，但三个方向的地震动自基岩到地表的传播过程中却是耦合的，或者说，斜入射的波自基岩向地表传播过程中，每遇到一个土层界面均存在波型转换，因此可以设想，仅根据地表水平加速度记录来推求该方向的基岩面水平地震动无疑存在一定的误差。

不失一般性，以二维反演问题为例，本文提出了层状弹性场地基岩斜入射地震动反演的一个方法，方法根据地表一点的水平和竖向的两个加速度记录，进行基岩输入地震动和入射角的反演，并以剪切波斜入射为例对方法进行了验证。最后对文献中一维反演的误差进行了分析。

1 斜入射地震动反演方法

图1所示层状弹性半空间场地，由基岩半空间和其上的N个土层组成。本文的目的是根据地面水平加速度记录uL和竖直加速度记录wL来反演基岩斜入射地震动aSV和斜入射角φ。图中，uR和wR分别表示基岩面运动，uR0和wR0则分别表示基岩露头运动。

图1 斜入射地震动二维反演模型

利用土层动力刚度矩阵和半空间动力刚度矩阵[6]，第m(m=1,2,…,N)个土层和基岩半空间在频域内的动力平衡方程可以分别写为

(1)

(2)

将各土层和半空间的动力刚度矩阵集整，得到场地的动力刚度矩阵K，自由场的动力平衡方程可写为

(3)

上式两边同时左乘K的逆矩阵(柔度矩阵)Δ，得到

(4)

式中 矩阵Δ只与场地动力特性和波入射角度φ有关，右边位移向量中的U1，W1可由地表加速度记录uL和wL的Fourier变换并积分求得。

式(4)展开后得

(5)

方程两边分别相除，并将等号右边项左移，可得如下方程

(6)

反演的目的在于求解基岩入射地震动和入射角，使得地表加速度时程响应等于地表加速度记录。由于场地动力特性已知，则式(6)为仅含未知量φ的方程，最优求解即可得到基岩入射角φ，进而求得基岩斜入射地震动。

2 斜入射地震动二维反演步骤

以基岩半空间上N个土层场地为例进行反演分析，其主要步骤如下。

(2)求解方程(6)，得出地震波入射角φ。求解的关键在于寻找一个合适的角φ，在所有频率上满足式(6)，可采用最小二乘法最优寻解。即考虑M个频率点的残差均方根

(7)

求取使e取得最小值的角度值φ作为方程的解。值得指出的是，当入射角为0°时方程(6)无意义，自然也无需最优寻解。

(3)将求得的入射角φ代入整体柔度矩阵Δ，求解方程组(5)得到半空间荷载幅值P0和R0。

(5)频域内基岩处入射波由下式可得

(8)

3 方法验证与算例分析

首先，通过模拟产生地表水平和竖向加速度记录。在层状弹性场地(场地土参数资料见表1)基岩处斜入射幅值为0.1g的El Centro波(图2)，斜入射角分别为0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°，35°和40°，求得地表水平和竖向加速度响应作为地表水平加速度记录和竖向加速度记录，图3给出了斜入射角φ=0°，10°，20°，30°和40°情况下地表水平加速度记录uL和竖向加速度记录wL。

图2 输入地震波加速度时程

3.1 基岩斜入射地震动二维反演

图4给出了基岩斜入射地震动时程二维反演结果和入射角最优寻解结果。值得指出的是，对于入射角为0°的情况，入射角无需最优寻解，仅凭地表无竖向运动即可判断地震波的入射角度(图4(a))。可以看出，在不同(斜入射角情况)地表水平加速度记录和竖向加速度记录情况下(图4(b))，均可以准确反演出基岩斜入射地震动的入射角和时程。说明本文方法是正确的，计算精度是非常高的。

表1 场地基本资料

3.2 基岩垂直入射地震动(一维)反演

图5给出了入射角为0°，10°，20°，30°和40°情况下，一维反演得到的基岩面运动和基岩露头运动分别与实际基岩面运动和基岩露头运动的比较，表2和3则分别给出了入射角为0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°，35°和40°情况下，基岩面运动和基岩露头运动时程的峰值及峰值出现时刻的反演值和实际值的比较。可以看出，斜入射角φ=0°时，反演的基岩面运动和基岩露头运动与实际基岩面运动和基岩露头运动完全重合；随着斜入射角的增大，差别(误差)逐渐增大。可以看出，当入射角φ=25°时，基岩面运动反演误差为9.71%，基岩露头运动反演误差为7.35%，而φ>25°时误差将显著增加。原因在于，虽然地震记录均采用相互正交的地震动来表示，但斜入射地震动自基岩到地表的传播过程中却是耦合的，每遇到一个土层界面均存在波型转换，因此，仅根据地表一条水平加速度记录来推求该方向的基岩面水平运动必然存在一定的误差，且该误差随着实际地震动斜入射角的增大而增大，误差的本质在于忽略了竖向地震动的影响。由于实际地震动无疑是三维的，或者说竖向地震动不可忽视(有时竖向地震加速度峰值甚至大于水平地震加速度峰值)，因此，文献中的一维反演可能存在较大的误差，值得重视。

为了进一步说明误差的影响，图6分别给出了入射角为0°，10°，20°，30°和40°情况下，基岩面运动反应谱和基岩露头运动反应谱分别与实际基岩面运动反应谱和基岩露头运动反应谱的比较。可以看出，当入射角φ≥30°时，基岩面运动反应谱和基岩露头运动反应谱均与实际相差已非常明显，此时采用一维反演将造成较大的误差。

图3 模拟的地表水平和竖向加速度记录

图4 基岩斜入射地震动二维反演结果

图5 一维反演的基岩面水平运动和基岩露头运动(左图)与实际二维基岩面水平运动uR和基岩露头水平运动uR0(右图)的比较

表2 基岩面运动水平加速度时程反演误差

表3 基岩露头运动水平加速度时程反演误差

图6 按垂直入射(一维)反演加速度反应谱对比图

4 结 论

本文提出了层状弹性场地基岩斜入射地震动二维反演的一个方法，方法利用半空间和土层的精确动力刚度矩阵，根据地表某一点的水平和竖向的两个地震加速度记录，进行基岩斜入射地震动和入射角的反演，并以SV波斜入射为例对方法进行了验证。研究表明，根据水平和竖向两个地震加速度记录可以准确进行基岩地震加速度时程和入射角的反演。论文并分析指出了文献中一维反演存在的误差及出现误差的原因。

参考文献:

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层状结构 篇4

在道路工程施工中,常需要进行路基的整体稳定性分析。影响路基边坡稳定性因素主要是边坡体自身材料的物力力学性质、边坡的形状和尺寸、边坡的工作条件和边坡的边坡的加固措施。

岩石路堑边坡的失稳,实质上是岩体受力后产生的压缩变形、剪切变形和刚性破坏的结果。构造不同的岩体,其力学特性各有差异,在岩石路堑边坡的稳定性分析中,要根据具体工程的岩体构造特性与力学性质,判别其可能的变形与破坏形式。对于均质碎裂结构岩石边坡和土质路堑边坡可能产生圆弧滑动面;存在软弱结构面的边坡可能形成直线形平面滑动面;对于层状结构岩石,且断层节理发育的边坡可能形成折线形滑动面。在进行边坡稳定性评价时,必须根据工程地质条件、已经出现的变形破坏迹象对边坡破坏形态做出准备的判断,以选定合适的评价计算方法。

2 计算模型

当边坡上的变形岩体为单一层状结构时,可按直线滑动面法分析,如图1所示。

岩体在重力产生的侧向滑动分力T等于或小于滑动面的抗滑阻力F时处于平衡,即T燮f,其稳定系数K为:

式中:G为变形岩体重力,kN;h为变形岩体在滑动面上的高度,m;ω为滑动面的倾角,(°);l为滑动面的长度,m;γ为岩体的容量,kN/m3。

由式1可以得出单一倾斜结构面所构成的直立平顶边坡,如图2所示。

岩体的极限变形体高度hv为:

当确定边坡角为β或坡率为m(m=cosβ)时,可用下式来求极限边坡高度Hmax。

当坡高为H时,则边坡保持极限稳定状态的最大边坡的坡角为:

3 工程应用

某工程线路中有一稳定边坡,边坡面同向的一组层状岩石软弱面的抗剪强φ=30°,c=50kpa,软弱面倾角ω=45°,岩石容量γ=23KN/m3,边坡率为m=0.2,验算其边坡稳定性。

(1)按极限状态计算。

在极限状态下,稳定系数。则其变体高度为

按m=0.2(即βv=78.69)求边坡高度:

(2)按稳定系数计算。

取K=1.25,则

按m=0.2计算:

若H=25.71m,则

按1:0.2坡率施工边坡,其坡高为16.16m,变形体高12.93m时,稳定系数达到1.25。当坡率为1:0.2,坡高为25.71m,变形体高为20.57m时,稳定系数只达到1(极限状态)。

4 结语

上述计算模型及工程应用实例说明,在同一结构层条件下,为了保证同一坡角,就要降低坡高以求稳定。为了减少工程量,当变形体高度一定时,必须改变坡角方向才可稳定。给定边坡高度时,求得极限变形体高度,即可获得稳定坡角。进行削坡减荷,将变形体高度减小,有利于提高变形体的抗滑稳定性。验算的边坡坡度是否稳定,取决于最小稳定系数。当时,边坡处于极限平衡状态。由于计算中存在假定条件,计算参数的取值都与实际情况存在一定的差异。为了保证边坡有足够的稳定性,通常按边坡所处的工况条件满足工程规定的安全系数要求,否则应对边坡进行支护。

摘要：本文对岩石路堑边坡的失稳做了简要分析,给出了单一结构层状结构变形岩体的计算模型和工程实例计算。

关键词：边坡,稳定性,单一层状结构,极限状态

参考文献

[1]胡毅夫,王昌衡.筑路工程学,长沙:湖南大学出版社,2005

[2]张雨化.道路勘测设计.北京:人民交通出版社,1997

层状结构 篇5

论述了层状岩体的地质特征及其物理力学特征,在此基础上,归纳了层状岩体构成的边坡几种变形破坏模式,然后对边坡破坏后形成的滑坡进行了稳定性数值分析.最后得出一些结论及认识.

作 者：范文 俞茂宏 李同录 彭建兵 Fan Wen Yu Maohong Li Tonglu Peng jianbing 作者单位：范文,俞茂宏,Fan Wen,Yu Maohong(西安交通大学,西安,7l0049)

李同录,彭建兵,Li Tonglu,Peng jianbing(西安工程学院,西安,710054)

层状结构 篇6

热电材料是一种能将热能和电能直接相互转换的功能材料。利用热电材料制成的发电系统可直接利用垃圾燃烧、工厂和汽车排放的废热来发电, 不产生任何废弃物, 并具有使用寿命长、性能稳定等优点, 对开发新型能源和保护环境具有重要意义。目前, 层状钴氧化物热电材料由于具有性能稳定、可在氧化气氛下长期工作、无毒无污染、制备方便、成本低等优点, 已引起研究者的广泛关注。

热电材料的性能通常用无量纲品质因子ZT值来衡量, 其表达式为ZT=S2Tσ/κ (S为Seebeck系数, σ为电导率, κ为热导率) 。ZT值越大, 材料的热电转换效率越高[1]。因此, 优良的热电材料应具有高的Seebeck系数和电导率以及低的热导率。目前层状钴氧化物的热电转换效率普遍偏低, 离实际应用还有较长的距离。为了提高其热电性能, 国内外研究者做了大量工作, 在积极寻找热电性能优良的新材料体系的同时, 对原有材料进行了性能改进, 如制备工艺的改进[2,3,4]、掺杂改性[5,6,7,8,9,10,11,12]和材料结构的调控等。理论和实验研究发现, 热电材料的结构对其性能有着直接影响, 因此, 通过对层状钴氧化物结构的有效调控可以在很大程度上优化其热电性能。主要途径有织构取向优化、纳米结构复合化、低维化等。

1 织构取向优化

层状钴氧化物 (如NaCo2O4、Ca3Co4O9等) 是目前广泛研究的新型氧化物热电材料。它们具有相似的层状结构, 载流子的迁移可以在层内和层间进行, 层与层之间的界面可以降低材料的热导率。这种层状结构使其ab面内的电导率 (σab) 远大于沿c轴方向的电导率 (σc) , 而Seebeck系数无明显不同[13]。这意味着具有织构取向的样品将比随机排列的样品具有更大的功率因子 (P = S2σ) 。因此, c轴取向织构化是提高层状钴氧化物热电性能的有效途径之一。已经报道的有利于形成织构化的方法主要有放电等离子烧结、反应模板生长法和热锻法等。

1.1 放电等离子烧结

放电等离子烧结 (Spark plasma sintering, 简称SPS) 是利用粉末颗粒间隙所产生的微放电现象进行快速烧结的技术, 具有传统烧结工艺无法比拟的优点, 如加热均匀、升温和传热速度快、烧结温度低、烧结效率高等, 并且其独特的等离子体活化和快速烧结作用可以抑制晶粒长大, 较好地保持原始颗粒的微观结构。由于层状钴氧化物粉体的晶粒是片状的, 在SPS烧结过程中施加的压力可使片状晶粒易定向排列, 从而使材料具有较高的择优取向和致密度。Zhang等[14]的研究表明, SPS工艺制备的Ca3Co4O9陶瓷在973K时平行于加压方向的电阻率降低至6.13×10-5Ω·m, 仅为固相烧结法制备试样的1/5。Matsubara等[15]研究发现, 利用SPS工艺制备的Ca2.75Gd0.25Co4O9试样的电阻率比热等静压烧结的试样降低了20%, 且不会降低Seebeck系数, 从而使材料的热电性能显著提高。

最近, 研究者又将SPS烧结技术与其它工艺手段相结合获得了具有更高取向度的材料。例如, Horii等[16]将粉体先放入磁场中定向后 (即MA工艺) 再进行SPS烧结, 即采用MA+SPS烧结工艺制备了致密的、晶粒高度定向排列的Ca3Co4O9和[Ca2Co1.3Cu0.7O4]0.62CoO2陶瓷。这2种高度织构化材料的电阻率都大幅度降低, 分别为固相法制备试样的20% 和17% (973K) , 无量纲优值ZT增至0.3和0.24。Zhou等[17]也利用MA-SPS工艺制备了取向度高达0.92的Ca3Co4O9材料, 其功率因子在973K为5.7×10-4W/ (m·K2) , 相对于取向度低的固相法制备的样品提高了3.9倍。Matsubara等[18]分别采用SPS和SPS-HP (热压) 烧结方式制备了 (Ca, Bi) 3Co4O9材料, 结果显示, SPS-HP烧结样品的取向度和相对密度都大于SPS烧结样品, 电阻率明显低于SPS烧结样品, 两者的Seebeck系数却差别很小, 因此, SPS-HP烧结样品的热电性能大大优于SPS烧结样品, 973K时, 功率因子相对于SPS烧结样品提高了30%。

1.2 反应模板生长法

反应模板生长法 (RTGG) 是制备织构型多晶陶瓷的典型方法。该工艺是将一定体积分数的各向异性的片状晶或者针状晶作为模板 (籽晶) 定向埋入致密的初始原料中, 烧结时, 原料反应生成产物的晶相并在定向排列的模板上成核生长, 形成具有一定尺寸晶粒、晶粒定向排列的织构陶瓷, 即在烧结过程中同时完成反应烧结与晶粒定向生长这2个过程。反应模板生长法制备出的织构陶瓷各向异性程度高, 性能优良, 且成本较低, 方法简便, 可用于大规模生产。例如, Itahara等[19]以β-Co (OH) 2为模板, 合成了高度择优取向的[Ca2CoO3]0.62CoO2材料, 1060K时, 该样品ab面的电导率σab达到2.61×104 S/m, 是采用其它方法制备的试样的1.7倍。Tajima等[20]以Co3O4为模板, 制备了具有c轴取向结构的NaCo2O4陶瓷材料, 在973K时, 样品ab面的电导率σab达3×104S/m, 功率因子为5×10-4W/ (m·K2) , 材料的热电性能显著提高。Tani等[21]以片状β-Co (OH) 2为反应模板, 在1193K条件下热压烧结制备了高度织构化的Ca3Co4O9材料, 其电导率增至2.4×104S/m, 是晶粒随机排列样品电导率的6倍, 而Seebeck系数没有大的变化, 因此, 热电性能获得显著改善。

1.3 热锻法

热锻法是在热压条件下采用较高温度和较大压力, 使坯体产生塑性变形, 晶粒呈现定向排列, 使陶瓷织构化, 从而改善其热电性能。例如, Mikami等[22]采用热锻工艺制备了高度择优取向的Ca3Co4O9材料, 1073K时, 该材料的功率因子为8×10-4W/ (m·K2) , 是晶粒随机排列材料的6倍。另外, Guilmeau等[23]采用热锻工艺制备的高度 (00l) 取向的[Bi0.81CaO2]2[CoO2]1.69材料的电阻率仅为固相烧结试样的20%, 而Seebeck系数基本不变, 因此, 其热电性能明显优于普通烧结方法制备的陶瓷材料。

2 纳米结构复合设计

纳米复合结构是指在材料中掺入纳米尺寸的杂质相, 对于层状钴氧化物, 掺入的杂质相多为导电性较好的金属颗粒。一方面, 弥散在基体中的金属纳米颗粒的渗流效应和特殊界面效应可大大降低复合材料的电阻率;另一方面, 当金属相为纳米尺寸时, 这一尺寸与声子平均自由程相近, 而远小于电子 (或空穴) 的平均自由程。因此, 当声子在晶格内运动时, 被散射的几率增加, 热导率降低, 而电导率不受明显影响, 这两方面的综合作用可使热电材料的ZT值整体提高, 性能得到改善。目前, 在这方面研究较多的是钴氧化物与Ag单质的复合。例如, Ito等[24]利用机械研磨法制备了NaxCo2O4/Ag复合陶瓷, 研究表明, Ag的掺入提高了材料的Seebeck系数, 并有效降低了电阻率, 使功率因子提高。但是, 由于在机械研磨和烧结过程中, 单质Ag易发生团聚, 颗粒较大, 在基体中分布不均匀, 使材料的热导率有所增大, 因此, 材料的ZT值没有得到显著提高。为了获得颗粒小、粒径分布均匀的Ag单质, Ito等[25]又采用聚合反应法制备了NaxCo2O4/Ag复合材料。该试样中的Ag颗粒大小在1μm左右, 比固相法制得的颗粒显著减小, 所得材料的电阻率和热导率也比采用固相法时低, 其原因是由于Ag粒径的减小, 提高了载流子的迁移率和声子的散射几率。当Ag的掺入量为10% (质量分数) 时, 试样的功率因子和ZT值比利用固相法制备的试样分别提高了30%和80%。

另外, Mikami等[26]在研究Ca3Co4O9/Ag复合材料时发现, 其电阻率明显低于Ca3Co4O9单相的电阻率, 并随着Ag含量的增加而减小。虽然Seebeck系数随着Ag含量的增加而减小, 但由于电阻率降低的程度比Seebeck系数降低的程度大, 材料的功率因子仍显著提高。当Ag的掺入量为10% (质量分数) 时, 功率因子最大值为1×10-3W/ (m·K2 ) (1073K) , 是Ca3Co4O9单相陶瓷的3倍。Xiang等[27]利用湿化学法与热压烧结相结合的方法制备了Ca3Co4O9/Ag复合材料, 研究发现, Ag颗粒分布在Ca3Co4O9晶界处, Ag的加入使材料的致密度和织构化程度显著提高, 从而大大提高了电导率。当Ag的复合量为7.5% (体积分数) 时, 功率因子比未复合Ag的试样增加了40%。

3 低维化

目前, 性能最好的热电块体材料的热电优值只能达到1左右, 而量子点、量子阱超晶格结构材料的热电优值预计可达2.4以上[28], 其原因为: (1) 低维化提高了费米能级附近的态密度, 促进了Seebeck系数的提高; (2) 势垒阱界面增强了界面声子散射, 同时又未显著增加表面的电子散射, 从而在降低材料热导率的同时并不影响材料的电导率; (3) 显著增加载流子的迁移率, 提高了电导率。因此, 利用分子束外延、磁控溅射、激光熔融、气相沉积等手段获得高取向性、高质量的低维热电材料是提高热电优值的有效途径之一。Zhang等[29]利用化学溶液沉积法成功地在Si半导体片上制备了Ca3Co4O9多晶薄膜, 研究发现, 其电阻率在T≤85K时呈半导体导电行为, 而在85K≤T≤300K范围内呈金属导电行为, 电阻率的最低值为1.45×10-4Ω·m, 仅为块体材料的50%;Seebeck系数随温度的升高而增大, 在300K时为80μV/K。Sugiura等[30]采用拓扑离子交换法制备了Ca3Co4O9薄膜, 300K时, 其电导率高达2.95×104 S/m, Seebeck系数为125μV/K, 功率因子达到4.6×10-4W/ (m·K2) , 约为块体材料的3倍。Hu等[31]利用脉冲激光沉积技术在玻璃衬底上也制备出了Ca3Co4O9薄膜, 研究了其低温下的热电性能。

另外, 纳米线或纳米管作为一维量子线可以显著提高量子约束作用, 从而比二维的量子阱、超晶格以及传统的块体材料更能显著提高材料的热电优值ZT。目前制备一维纳米线的方法主要有高压注入和汽化冷凝等物理方法。Funahashi等[32]制备了Ca2Co2O5缎带状晶须。该晶须呈半导体导电特性, 873K时, 电阻率仅为1.5×10-5Ω·m, Seebeck系数却高达210μV/K, 估计ZT值可达到1.2～2.7。Pelec-kis等[33]制备了长为1.6mm的NaxCoO2晶须, 发现该晶须呈金属导电行为, 300K时其电阻率和Seebeck系数分别为1.02×10-6Ω·m和83μV/K, 功率因子高达6.8×10-3W/ (m·K2) , 约为块体材料的6倍。

4 结语

随着人们环境保护意识的加强以及对传统能源观念的转变, 寻找高效率、无污染的能量转换方式已成为当今能源科学急需解决的问题。美国、日本及欧洲等国家对于氧化物热电材料的研究已拓展到废热发电、低功率电源等领域的实用阶段。我国中科院上海硅酸盐研究所、清华大学、浙大、武汉理工和北理工等单位在国家自然科学基金以及国家“863”研究计划的支持下, 已在热电氧化物的基础和应用研究方面展开工作, 并取得了初步成果, 但仍迫切需要国家项目的连续投入, 以探索新材料的制备途径、优化制备工艺、提高材料性能、降低成本, 改善目前国内热电材料均存在的热电转换效率低、稳定性差、制造成本高等缺点, 这对于发展循环经济、建设节约型社会意义重大。

层状结构 篇7

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。

层状岩体中隧道受力特性分析 篇8

关键词：隧道,断层,衬砌,数值模拟

1 概述

随着现代科技的进步, 人们越发青睐在地下建立洞室, 这就意味着不可避免的将其建立在复杂地质中。岩体作为一种地质材料, 其失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。早在先前的块体理论中就提出围岩是一种非连续介质, 它认为大多数岩体是被断层、节理、裂隙、层面、以及节理断层等结构面切割成许多相对较为坚硬岩块所组成的结构。20世纪80年代孙广忠提出了“岩体结构控制论”全面系统地研究了结构面影响岩体变形与破坏的基本规律;文献2~6分别采用数值模拟的计算方法探讨断层对隧道稳定性的影响。与此同时, 人们对隧道衬砌的研究也在不断的进行。1989年, Shigeyuki Kohno Al-fredo H-S提出隧道支护体系可靠度的概念及分析方法, 其后谢锦昌教授等人2007年, 李志刚[7]等人针对扁平特大断面公路隧道核心土模拟与分析, H.Yoshida[8]和H.Horii采用有限元分析对岩块受力进行分析。

2 工程概况

论文结合实际工程石棉隧道, 考虑到隧道衬砌作为主要承担荷载的受力结构, 其厚度变化直接影响隧道的安全性和使用寿命。因此论文针对层状岩体中隧道衬砌进行有限元分析, 借助ANSYS软件[9]模拟隧道开挖与支护。根据模拟的数值结果分析二次衬砌的受力特点, 探讨其厚度的不同对隧道稳定性的影响, 为该工程提供施工参考。

石棉隧道为单线双车道, 支护结构采用曲墙式带仰拱衬砌, Ⅳ级围岩, 洞跨13m, 埋深80m。二次衬砌采用C25混凝土。围岩及混凝土的力学参数[10]如表1所示。

3 数值模拟

3.1 模型建立

隧道的力学分析采用弹性理论中的平面应变模型进行模拟[11]。隧道模拟的地层范围:水平方向长度为洞跨的8倍, 即总宽度为104米;垂直方向隧道到底部边界取为洞跨的5倍, 即总共地层高为145米。断层位于距离隧道左拱肩3m处 (约为隧道跨径的0.2倍) , 其走向平行隧道, 宽8米, 厚2米, 倾角为45°, (其中距离指断层面与隧道开挖轮廓线的最短距离) 。模型左、右边界施加水平方向约束, 下部边界施加水平、垂直方向约束, 上部边界为自由边界, 不受任何约束。围岩、开挖土体采用4节点平面单元PLANE42加以模拟;衬砌采用BEAM3梁单元模拟, 锚杆采用Link1单元模拟。论文主要考虑衬砌厚度为30cm、45cm、70cm、90cm四种情况下隧道结构的受力情况。

3.2 隧道开挖与支护模拟

隧道开挖和支护过程利用程序提供的单元进行"生死"处理的功能模拟。

计算时, 首先计算岩石的自重应力, 在此基础上模拟隧道的开挖与支护。其步骤:

(1) 将隧道模型进行有限元网格划分, 如图1所示;

(2) 利用单元“死”的功能杀死开挖土体单元, 并向杀死的土体单元施加X、Y方向的位移约束, 模拟隧道开挖, 如图2所示;

(3) 利用单元“生”的功能激活衬砌单元, 解除激活单元上位移约束, 模拟隧道的支护。

4 结果分析

4.1 衬砌内力分析

利用ANSYS程序对衬砌厚度为30cm、45cm、70 cm、90 cm四种情况进行分析, 得出二次衬砌关键部位内力与衬砌厚度的关系, 如图1~图3所示。

由图1可知:随着衬砌厚度的增加二次衬砌的拱顶、拱脚及仰供的弯矩值也随之增加, 右拱脚尤为显著。拱脚应力集中, 并且发生最大正负弯矩, 仰拱弯矩值变化明显, 应加强仰拱处的监测, 防止变形导致衬砌破坏。

由图2可知:随着衬砌厚度的增加二次衬砌的拱顶、左拱脚及仰供底部处剪力值随着增加, 但增加的幅度不大, 曲线基本持平, 右拱脚剪力值随着衬砌厚度增加急剧增加, 曲线在衬砌厚度为70cm出现拐点。右拱脚发生最大正负剪力, 容易造成受剪破坏。

由图3可知:二次衬砌拱顶、两侧拱脚、仰拱处基本为压力, 且随着厚度的增加, 轴力值也增加, 当增加到一定厚度时, 轴力值减小。

4.2 锚杆受力分析

利用ANSYS程序对衬砌厚度为30cm、45cm、70 cm、90 cm四种情况下锚杆受力情况进行分析, 如图4、图5所示。

由图4、5可知:随着衬砌厚度的增加, 隧道顶部锚杆轴变及轴力逐渐减小, 隧道两侧锚杆轴变由正变为负。

5 结论

本文针对石棉隧道复杂的地质条件, 对隧道围岩受力情况进行数值模拟, 通过以上分析得出下列结论:

(1) 衬砌是维持隧道围岩稳定性重要影响因素之一。不同厚度衬砌对隧道稳定性影响不同, 不是一味的增加衬砌厚度对维持隧道稳定性越好, 因此采用合适的衬砌厚度对实际工程有重要意义。

(2) 随着衬砌厚度增加, 其各项内力均随之增加, 拱脚处的弯矩、剪力及轴力都达到最大值, 出现应力集中现象。建议在施工过程中及日后的运行中都应对拱脚进行监测, 时刻注意二次衬砌的变形及受力情况。

(3) 随着衬砌厚度增加, 隧道顶部锚杆轴变、轴力随之减小, 隧道两侧锚杆轴变、轴力由正变为负。可见衬砌的厚度对锚杆受力有着很大的影响。

参考文献

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层状功能材料的研究与发展 篇9

本文探讨的层状功能复合材料指依靠两种或两种以上的组元通过界面接合而能完成功能转化的一类新型材料。通常,层状功能复合材料相比较其他功能材料具有成本低、力学性能优良、生产效率高等优点,因而越来越受到关注。按照组元材料可分为金属/金属、金属/陶瓷、金属/高分子、高分子/高分子、高分子/陶瓷、陶瓷/陶瓷等6大类叠层功能材料。

1 层状复合材料的典型结构及制备技术

图1为4种主要的层状复合材料结构,其中A类为由一种组元材料包覆另一组元而成的管、棒、线材等;B类为由厚度相近的两种组元材料复合而成的板、块料等;C类为一组元材料被另一相同的两片组元材料包裹住,成夹心结构,此类结构通常还有呈“1/2/1/2/1/…”多层的周期叠置方式;D类为在一基体材料上镀覆另一种材料,此镀覆材料常较薄,多用于保护基体材料或为其有益补充。

层状材料的制备技术以有效稳定复合组元材料为目的,其工艺因结合组元材料而异。金属基层状材料的复合制备工艺一般有机械结合法与冶金结合法两大类,其中机械结合法包括镶套、液压扩管、冷拉拔等,而冶金结合法包括爆炸焊接、轧制复合、扩散焊接、挤压成形、粉末塑性加工、摩擦焊接、复合铸造、磁控溅射等[1];陶瓷基层状材料通常由流延法、热压烧结、等离子溅射、微弧氧化等工艺来制备[2];高分子基层状材料则通常由层压复合、超声波焊接、化学镀、真空镀、喷涂等工艺制备,或其自身同时作为粘结剂而结合。对于难以复合的两组元材料,还常引入过渡层,填进易结合两组元的填料达到稳固结合的目的。另外,自20世纪80年代开始研究的层状梯度功能材料(FGM),其制备工艺有气相沉积法、粉末冶金法、等离子溅射法、薄膜叠层法、自蔓燃高温合成法等。

2 6类层状结构的功能材料及其应用

2.1 金属/金属叠层

金属/金属层状复合材料是将两种金属材料利用其各自的性能优势进行分层组合形成的一类金属材料。双金属复合材料能使由复合金属构成的零件具有适应恶劣工况等特殊的性能,延长零部件的使用寿命,并取得良好的综合经济效益。如金属材料作为导体时,由于存在集肤效应,单一金属导线在电力电子行业中的输电经济性较差,由此开发出如图1-A所示结构的双金属叠层材料,采用导电性能良好的材料作表层材料,强度高且成本低的材料为芯材。如常采用的层状铝包钢代替钢缆线应用于高压输配等电力线路、采用铜包铝复合线应用于有线电视传输等,这样既增加了导线的力学强度又提高了输电效率。此类叠层材料常采用挤压等方式制备。

利用不同金属材料在传热、导电及热膨胀性能等方面的差异,又开发了如图1-B所示结构的叠层材料,其可对不同环境作出“反应”。如具有热敏功能的热双金属材料是采用在导热性、导电性或线膨胀系数有差异的两个金属材料叠合,作为一种实现温度控制较简单的自控元件,广泛应用于热继电器、家电保护器、温控器、启辉器、断路器、自动保护装置等,成为许多机械、电器和仪表上不可缺少的热敏元件[3]。

对于一些有特殊要求且工作环境复杂的材料,如面板二维方向上要求有很好的热导率和较低的膨胀系数的电子封装材料,一般设计为如图1-C所示结构的三层“夹心”复合材料,其中间层是低膨胀材料,两边则为高导电导热材料。现已广泛应用的此类材料有Cu/Mo/Cu、Kovar/Cu/Kovar、Cu/Kovar/Cu和Steel/Cu等。这类材料的生产工艺大多为轧制复合或者电镀复合。采用轧制复合等方法制备的这种材料加工成本比较低,如现已可成卷地连续轧制复合生产Cu/Invar/Cu复合板材,不仅大大降低了生产成本,还可加工成70μm箔材,被广泛应用于PCB的芯层和引线框架材料[4]。

对于如图1-D所示结构的金属功能材料,现开发有针对X射线、紫外线呈高反射率的薄膜。如采用磁控溅射方法在周期数为30、硅基片取向为(111)、基片温度470℃左右下制备的Ti/Cu多层金属膜,其对紫外光的反射率比较高,且随着波长的减小反射率增加,在波长为250nm时反射率达65%。现今采用分子束外延(MBE)、直流磁控溅射(DCMS)、射频磁控溅射(RFMS)、电子束蒸发(EBV)和有机金属汽相外延(MOCVD)等技术制备多层金属反射薄膜,其对软X射线、紫外光表现出较高的反射率[5]。

2.2 金属/陶瓷叠层

金属/陶瓷层状复合材料是以金属与陶瓷两种材料为组元,通过控制材料的组成和微观结构的梯度分布,消除传统的金属和陶瓷复合材料的性能不匹配界面,充分发挥金属和陶瓷的优异性能。目前金属/陶瓷叠层功能材料研究的难点多还是集中于两种材料的界面连接问题。

现金属/陶瓷层状复合材料的研究在航天科技中应用较多,因其对超耐热材料的需求,单一金属或陶瓷已难以满足其复杂工作环境。开发的层状复合材料在承受高温的一侧配置高温陶瓷,在用液氢冷却的另一侧则配置导热性和力学性能较好的金属材料。其采用等离子溅射等工艺使陶瓷和金属两种材料的相对比例和组织结构呈连续的梯度变化,得到性能相互匹配的界面,使材料的力学、热学和化学性能等呈现连续的梯度变化,从而达到缓和热应力和耐热隔热等目的。由于此种材料缓和热应力效果良好,是未来航天飞行的理想耐热、隔热材料,同时在核能、电子、化学和生物医学等领域也有着广阔的应用前景[6]。

同样,因装甲材料有“高硬度、高强度、高韧性、低密度”的需求,现也已开发有由陶瓷与金属构成的复合装甲,其基本形式为采用较硬的陶瓷作面板、具有良好韧性的金属作背板或者如图1-C所示的金属/陶瓷/金属三明治结构,叠层间通常用活性铸接、活性金属钎焊或胶粘剂粘接等工艺复合。这不仅利用了陶瓷材料的高硬度、高弹性模量来满足装甲要求的抗侵彻能力,又利用了金属材料的韧性及延展性来满足装甲要求的抗冲击能力和抗崩落能力。其表现出较好的防护高速弹丸打击能力,被广泛应用于防弹衣、装甲车辆和需要装甲防护的飞行器上[7,8]。

除金属陶瓷块体组元的连接外,20世纪80年代开发的微弧氧化(Microarc oxidation,MAO)又称微等离子体氧化(Microplasma oxidation,MPO)技术也被应用于金属陶瓷的制备,由此大多制得如图1-D所示的结构材料。它是通过电解液与相应电参数的组合,在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用,生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。其微弧氧化膜层与基体结合牢固,结构致密,韧性高,而表现出良好的高表面硬度、耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性,引起学术界的研究兴趣和工程界对应用开发的极大关注[9,10]。

2.3 金属/高分子叠层

金属/高分子层状复合材料由具有强韧性的金属基层与具有弹性、耐蚀、绝缘等特性的高分子材料层复合而成。其典型应用是始于20世纪60年代的双面涂塑钢板等。

双面涂塑钢板兼有金属的强度和刚度,塑料的耐腐蚀性和色彩、图案而被广泛应用。如今其内涵更是不断拓展,如具有防静电功能的金属塑料复合板,它由金属塑料复合板基材底层、溶剂无铬纯化液膜中间层和防静电涂料面层复合而成,金属塑料复合板基材底层又包括中间的塑料层及复合在塑料层上下表面的金属板层。其主要用于医疗、卫生部门的无菌室,药厂、食品厂、化妆品厂的生产车间等的内外墙装饰[11]。发光金属塑料复合板由金属塑料复合板基材底层和发光涂料面层复合而成,其在建筑装饰材料技术领域应用广泛,主要用室内、外装饰和户外广告等[12]。此类复合材料还有隔墙保温用双面金属塑料复合板、具有抗菌作用的金属塑料复合板、蓄光型发光金属塑料复合板等。

与双面涂塑钢板相应的金属/高分子层状复合材料便是夹层减振钢板,它在20世纪70年代末由日本首先开发出,并被广泛应用于汽车工业中,通常由两层较厚的钢板中间夹一薄层树脂构成,钢板可采用冷轧板、酸洗板、镀锌板、着色钢板和不锈钢板,夹层树脂可选用聚丙烯或尼龙等。两者可以直接利用夹层树脂粘合,也可以另选用粘结剂。减振钢板中的树脂层吸收振动能,发生变形并转化为热能失散,因此可以起到减振作用。以上两种材料基本为图1-C所示结构。

另外,金属/高分子层状复合材料同样有如图1-D所示结构的应用。如在电磁屏蔽材料领域,有通过贴金属箔、化学镀、真空镀、喷涂等方法,对绝缘体表面进行导电化处理而达到对电磁屏蔽效果的目的,其属于反射损耗为主的屏蔽材料。例如,把镍箔、铜箔、铝箔、铁箔、不锈钢箔等与塑料薄片、薄板等用粘合剂连在一起,然后再压制成型,工艺较简单,但屏蔽效果可达到60～70dB[13,13]。

2.4 高分子/高分子叠层

高分子层状复合材料的特点是集各类高分子材料之长,如拥有高强度、质轻、耐腐蚀、绝热、绝缘等性质的材料。依据具体需求,选取不同高分子材料,采用粘合剂粘结等复合制备的高分子/高分子层状材料表现出新的功能。

双高分子层状材料在工业上的一个典型应用是吸声、吸波功能。由于声波在不同的媒质中有不同的传播速度和损耗,声能的损耗又主要是通过粘滞性内摩擦、热传导和弛豫作用来完成的。在叠层高分子吸声材料内,因界面的增加、粘弹内阻尼以及填料阻抗的合理匹配可实现分子的无规则运动,达到吸声的目的。例如,潜艇和许多水下装置为提高自身的隐蔽性能,在弹性壳体外敷设消声瓦等多层高分子复合材料的结构,以吸收入射声波的能量[14]。

日常生活中双高分子层状材料的应用出现在20世纪,如人造革等,如今又开发了用作隔音与减震地板的层状复合材料,其由塑料上板层与塑料下板层扣合而成,如图1-B所示。其塑料上板层的上表面粘有玻璃纤维布层,底面边缘设有扣齿或条。塑料下板层的上面边缘设有扣孔或凹槽,格状凹槽内还装填有防火棉,塑料下板层底面粘有橡胶垫片。由于采用了玻璃纤维布、防火棉、塑料板、橡胶垫片,达到了隔音、减震、透气的目的[15]。

2.5 陶瓷/高分子叠层

陶瓷材料具有很高的硬度、极佳的耐高温性和耐化学药品性,而高分子材料通常只在较温和的条件下使用。如能将陶瓷材料涂敷于高分子材料表面,形成一层坚固的陶瓷保护层,就可大大拓宽其应用温度范围,提高塑料等的耐候性和耐化学药品性,改进塑料的耐磨性能等,从而扩展材料的使用领域。

由于陶瓷与高分子材料性质的差异较大,将此两种材料制备为叠层复合材料难度大,具体应用也很少见。有报道指出,日本于2005年研究出一种使塑料与陶瓷一体化的新技术,首先在塑料表面涂上特殊的无机材料,并应用一种特殊的处理方法,使它的表面结构具有瞬间的超耐热性,容易与陶瓷紧密结合;然后,采用等离子熔射法,在20000℃的超高温下高速喷出陶瓷粒子,从而使塑料与陶瓷一体成型。这样制成复合材料的表面硬度是钢铁的2倍以上,具有质量轻、强度高、耐冲击、加工性能好等优点[16]。

另一典型应用的陶瓷/高分子层状功能材料是压电复合材料,它是由压电陶瓷/聚合物两相体系连接构成的一种具有压电效应的复合材料,根据此两者的连接方式压电复合材料可分为10种[17],其中由层叠-浸渍或切割-填充法等制备的2-2型便为明显的叠层结构。压电复合材料因其如下特点:克服了压电陶瓷硬度大、韧性较差、易脆性开裂等缺点;具有低的密度和声阻抗,与生物体、非金属材料、水及气体介质有较好的匹配特性;其机械品质因素Qm值比普通压电陶瓷低2～3个数量级;具有较高的接收电压灵敏度;其平面机电耦合系数要小于普通压电陶瓷的平面机电耦合系数,而在医疗探头;无机非金属材料无损检测超声领域;声纳、水听器、深度仪、鱼探仪等水声领域;声学成像、机器人领域都有巨大的应用前景;甚至在军事领域的作用也很巨大,用其制作的被动声纳换能器,作用距离可以提高1～3倍。

2.6 陶瓷/陶瓷叠层

陶瓷层状复合材料的特点同样是利用各类陶瓷材料的优点,如电真空中介质损耗小、介电常数小、耐高温性、耐腐蚀、绝热、绝缘等性质。目前因陶瓷层状功能材料的研究难度大,功能优势不明显,针对层状陶瓷复合材料的研究报道多侧重于陶瓷的强韧化。尽管如此,近些年来还是开发了多层陶瓷微波滤波器、红外导电陶瓷及高吸波效率的陶瓷基层状材料等功能材料。

多层陶瓷微波滤波器是经过电子陶瓷材料流延成型工艺、低温叠层烧结技术、高精度印刷叠层技术及封装技术等多种工艺流程而制成的高频多层陶瓷微波滤波器。它具有频率高、体积小、插损小、衰减大的特性,在移动通信、数字化家电等产品中得到广泛的应用[18]。

一种新型红外导电陶瓷是由如图1-C所示的夹层结构构成,其中间为导电层,两边为绝缘层。它的特征在于两绝缘层和导电层,经陶瓷压机压制成陶瓷坯体。其绝缘层材料为非导电的陶瓷原料,导电层材料以绝缘层原料为基料掺杂导电材料而成,添加的导电材料可以是碳类、导电陶瓷粉、金属材料中的一种或上述几种导电材料的混合,三层压合成型烧结为一体。此红外导电陶瓷材料表面致密、绝缘强度高、抗折强度高,有效地解决了导电陶瓷电阻率不均匀、易吸潮、高温迅速老化等问题[19]。

还报道有高吸波效率的陶瓷基层状材料,此陶瓷基层状材料的一端为透波层,另一端为反射层,中间是至少一层的吸波层。其制备过程为:首先制备陶瓷浆料;接着将连续碳纤维(Cf)浸渍到浆料中进行挂浆,制成一定尺寸的Cp-陶瓷素坯,并置于石墨模具的底层;之后加入碳纳米管(CNTs)/陶瓷粉体,热压烧结得到阻抗渐变的层状材料[20]。

3 层状功能材料的发展前景

如今,高新技术的发展日新月异,材料科学的内涵也日益丰富。层状复合材料以其低成本、高效的加工制备工艺,优异的力学、物理、化学性能正被广泛关注与研究。回顾各新兴材料的发展历程,层状功能材料未来可朝如下方向发展:成形过程短流程化、设计制备一体化、构建层状复合材料数据库等技术融合;保证叠层复合质量及实现难接合材料的有效复合;同时积极开展学科综合,拓宽层状功能材料的应用领域等。只有各门技术、学科的多管齐下才能真正实现新兴材料产业的跨越式发展,最终能为实现低碳技术、低碳经济、低碳生活贡献一份力量。

摘要：回顾了近些年来层状功能材料研究的概况,介绍了层状功能材料的特点及其常用的成形加工工艺,分析了6类层状结构功能材料的特点,并综述了各类功能材料的研究与发展现状,最后指出了技术、学科综合是其今后的主要研究与发展方向。

层状锰酸锂的单元掺杂改性研究 篇10

1 实验部分

1.1 实验器材

高能球磨机、高压反应釜、搅拌器、真空干燥箱以及一般化学实验中常用到的设备, 如电子天平、各种玻璃容器。

1.2 实验方案

本实验采用水热法制备层状Li[MnxMy]O2 (M=Cr、S, x+y=1) , 其中nLi/nM=4:1, 反应温度为180℃。采用水热法制备出纯的层状锰酸锂待用。首先称取一定量的Li OH·H2O、Mn2O3和Cr2O3 (或Na2S·9H2O) , 按球料比20:1将药品倒入球磨罐中进行球磨混料, 转速为160rpm球磨3h。然后将取出的药品用无水乙醇反复洗涤, 直至其p H接近7, 将清洗后的样品放入恒温干燥箱中, 在80℃下干燥2h, 干燥后的产物在研钵中进一步研磨, 得到Cr3+ (或S2-) 掺杂的样品。

2 实验结果与分析

2.1 层状Li Mn O2掺杂Cr3+的研究

2.1.1 不同Cr3+掺杂比例的研究

图2.1、是Cr3+不同掺杂比例、180℃下水热反应24h制备样品的XRD图谱, 图2.1为10%wt Cr3+掺杂水热反应后样品SEM实验照片。从图2.1中可以看出, 不同工艺下得到掺杂样品均为o-Li Mn O2。45°、40°和15°分别为o-Li Mn O2的三强峰, 对应的晶面指数分别为 (021) 、 (111) 和 (010) 。

2.1.2 不同搅拌温度对水热反应结果的研究

图2.2为在不同水热反应时间下掺杂10%S2-的XRD图谱。从图2.2中可以看出, 相同水热温度和掺杂量下, 则随着水热时间的延长, 衍射峰的强度逐渐下降, 偏移量逐渐增大, 反应更加完全。同样在图2.2中不同水热反应时间下掺杂5%S2-的反应产物的XRD图谱中也证明了这一实验现象。

因此实验结论表明, 同一水热温度和掺杂量下, 时间越长所得到的产物纯度越高、洁净度更高, 制备效果更好。

3 结语

本次实验对水热法制备层状锰酸锂进行了单元Cr3+和S2-掺杂研究, 得出以下结论:

3.1采用水热法工艺可以掺杂Cr3+制备LiMnO2。实验结果表明, Cr3+的掺杂随着掺杂比例的增加, 掺杂现象越明显。

3.2水热合成法可以掺杂S2-进LiMnO2。实验结果表明, S2-的掺杂随着时间的增加, 掺杂现象越明显。偏移量随S2-掺杂比例的增大而逐渐增加, 当S2-掺杂比例达到一定量时, 随掺杂比例继续增大, 偏移量不再发生变化, 这可能是由于层状Li Mn O2中S2-的掺杂达到饱和。

3.3 利用水热法用合适的元素及合适的剂量对层状锰酸锂进行掺杂制备, 能够稳定其层状结构。

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