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基于表面效应的多孔材料力学和物理性能设计

王建祥  段慧玲  黄筑平  
【摘要】:纳米介孔材料具有非常高的比表面积,其力学和物理性能受其表面性能的影响,从而,表面处理提供了一种改变材料性能的途径。在本文中,首先介绍表面热弹性理论的基本框架。然后,基于表面应力理论,结合细观力学方法,预测了纳米介孔材料的宏观等效弹性模量。指出,通过调整表面特性可以使纳米介孔材料的弹性模量高于基体的弹性模量。继而,通过界面应力模型与界面相模型的关联,定量地提出了通过表面涂层提高峰窝多孔材料宏观刚度的理论方法。该方法不受孔隙尺寸的限制,因此可用于设计从微观到宏观孔隙尺寸的多孔材料的刚度。最后,基于表面热弹性理论,建立了纳米介孔材料的等效弹性模量和等效热膨系数的关联,即广义Levin公式。表明,与针对宏观孔隙的经典结果不同,具有表面效应的孔隙材料的热膨系数不仅仅依赖于基体材料的热膨系数,还依赖于表面性能和孔隙尺寸。因此,同样通过表面涂层,可以对多孔材料的等效热膨系数进行设计。由于多孔材料在航空航天结构和其他工程领域的重要应用,轻质、高模的多孔材料可以减轻结构的尺寸和重量;而具有可调热膨系数的多孔材料可以降低热应力和提供稳定的结构构型。

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