基于有限元分析设计与制备仿生结构材料

发布时间：2021-01-26 01:21

　　伴随着纳米科技与仿生学的发展,相关研究人员已经制备出各种轻质高强的仿生结构材料。虽然目前仿生结构复合材料相关研究已经取得了显著的进展,但其与工业应用仍旧存在着不小的距离。发展精准的、高效的、参数化的、精细化的仿生微结构调控策略,是解决轻质高强仿生结构工业化的重要途径之一。本论文着眼于这一点,首先对近年来热点自然材料的多尺度结构与仿生制备方法进行了综述,重点阐述了双向冷冻技术与3D打印技术制备的多尺度力学结构材料以及其常用的计算表征手段。基于此,我们旨在通过有限元表征技术优化仿生结构材料与制备方法,以实现普适性的、经济可行的、规模化,参数化生产,为实现高性能仿生结构材料的实际应用提供一定的参考与指导。所取得的主要研究结果如下:1.优化了传统双向冷冻工艺,通过温度梯度的模拟与优化,确定更适宜的双向冷冻条件,从而制备更规则的层状结构。发展了制备微观弯曲层状结构的新方法,通过改变冷冻装置的几何形貌进而改变冷冻装置的温度场,从而调节冷冻组装体的微观形貌,最终制备微观弯曲的层状结构材料。紧接着对比几个影响冷冻装置的关键参数,系统地研究了这些参数的影响,以优化制备的组装体的微观形貌。2.研究了一种仿... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：69 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．３竹子的层次结构??

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?第二章有限元温度场设计冷冻材料的微观形貌???ａｒ（°Ｃ）?Ｓｐｅｃｉｍｅｎ．?＾??Ｉ?ＰＨＴ＿＿ｆ?＿??＾?Ｈ?Ｌｉｑｕｉｄ?Ｈ?＾??ｙ?Ｅ！ＵＩ＾?ＨＵ??ＬＩＨ?■■?■■??图２．２不同时刻的冷冻装置的温度场??为了进一步验证通过有限元分析温度场温度梯度进而优化组装体微观形貌??的合理性与有效性，本节进一步选择解决实际制备组装体过程中遇到的一普遍的??问题，即冷冻样品结晶前言在达到一定的高度的情况下，微观形貌由层状转化为??蜂窝状结构的问题。也就是说，样品在凝固到一定的高度的前提下，由于在结晶??处的固体部分无法提供足够的温度梯度，使得样品无法再维持层状结构的微观形??貌，这时候冰晶往往转化为蜂窝状结构，使得制备层状结构过程失败。本文通过??结合热传导与凝固过程耦合有限元分析，解释了温度场导致制备微观层状结构组??装体不成功这一过程。对此，有这样的解释：冷冻装置的温度场的变化以及导致??的结晶前沿推进时，当前后温度梯度过小，导致结晶前沿过于平摊，无法形成稳??定的层状结构这一过程，而这一过程在实际实验中难以被充分观察和表征。故温??度场在某种意义上影响着了冷冻样品的微观形貌。??＇?曜??………??图２．３冷冻装置的热通量??通过组装体冷冻极限高度的分析，我们进一步验证了通过温度梯度场理论分??１７??


本文编号：3000228