玻璃态高聚物细观损伤断裂统计力学

对玻璃态高聚物内部细观损伤断裂判据、机理、动力学及统计模型的最新进展，进行了较为全面、系统的介绍和总结，并简要概述了细观损伤统计描述在金属材料及玻璃态高聚物领域里的应用。     

高聚物玻璃化的不平衡性及流变行为

高聚物在玻璃化转变前后表现出截然不同的力学、物理及流变特性,并在玻璃态下继续松弛。本文介绍了有关经典理论的形成和发展,最后从热力学、统计力学、动理学(kinetics)3方面联合考虑提出了3维空间(PVT/PST)数学表象,这是目前处理这方面问题较完善的理论。      

液体的fragility及其与玻璃固体力学性能的关联

Angell在20世纪80年代提出的液体fragility概念, 为认识玻璃态本质打开了一扇新的窗口, 是联系玻璃形成液体和固体的纽带. 目前, 玻璃转变的主流理论(如模态耦合理论、势能形貌等)围绕fragility展开的研究已经成为玻 璃科学领域的一个热点; fragility与玻璃固体基本力学性能之间的关联研究为力学工作者开辟了一片新的研究领 域.本文将就玻璃态转变相关基本现象、表征玻璃态转变动力学行为的代表性理论、液体 fragility与玻璃固体力学性能关联研究现状进行分析评述, 并就本领域今后值得关注的问 题进行展望.     

基于努氏硬度表征大块金属玻璃的力学性能

采用多种载荷对14种大块金属玻璃进行努氏硬度测试,结果表明努氏硬度随载荷的增加而降低,最后趋于稳定。利用Meyer定律、弹塑性变形模型、Hays-Kendall模型和变形阻力模型对材料的压痕尺寸效应进行分析,结果表明实验材料受到正压痕尺寸效应的影响,在压痕表面未产生裂纹时应采用较大载荷下趋于稳定的硬度值进行杨氏弹性模量E和屈服强度σy的分析。对于大多数实验材料,未修正的Marshall模型和Conway模型计算的杨氏弹性模量值偏大。Marshall模型中的参数α随着压痕对角线比值b′/d的增大而线性减小,Conway模型中的修正系数β随着压痕短对角线比值的平方(b′/b)2线性增加;对两模型进行修正时α和β可以分别用b′/d与(b′/b)2线性表示;同时发现金属玻璃的努氏硬度和杨氏弹性模量成正比,比例系数为0.0445。分别利用Tabor、Lockett、Yu、Marsh、Johnson和Vandeperre模型计算屈服强度时,除Johnson模型的计算值接近实际值外其它模型计算结果偏低,为了不同的模型能够得到正确的屈服强度,需要修正努氏硬度HK与名义硬度H之间的比例关系。当大块金属玻璃的努氏硬度小于6 GPa、玻璃态转变温度小于800 K时,缺口韧性KQ分别随着努氏硬度HK和玻璃态转变温度Tg线性增加。     

爆炸荷载作用下建筑玻璃的破碎模式分析

采用JH-2模型,将有限元方法与薄板振动理论相结合,研究了建筑玻璃在爆炸冲击波作用下的破碎原因、破碎模式、碎片分布规律。结果表明,玻璃在爆炸荷载下破碎的主要原因为静水压力达到其材料的静水拉应力强度。根据第1阶、第2阶振幅的比值,玻璃的爆炸响应分两个阶段。对应玻璃在不同响应阶段破碎,玻璃破碎模式分为两种:模式1,玻璃四角与板心连线上呈对称分布的四点最先破坏,裂缝沿该四点的连线发展、贯通,玻璃被分隔成9块;模式2,板心处玻璃最先破坏,裂缝向四边发展、贯通,将玻璃板分成4块。玻璃的破碎模式与爆炸荷载及玻璃尺寸相关,根据玻璃板位移在板心处首次有极大值的时间及该时间玻璃静水压力极大值可初步判定玻璃在爆炸荷载下的破碎模式。     

风洞中灰尘在不同特性玻璃表面上粘附形貌和粘附程度的实验研究

为探究室外环境中玻璃上灰尘的形貌特征和粘附程度,本研究选择三种生活中常见的玻璃安装的角度以及三种不同特性的玻璃,利用风洞实验可控环境条件和实验参数的特性,通过工业相机拍摄得到灰尘在玻璃上的粘附形态．本方法解决了过去玻璃积灰实验周期长、难定量、误差大的问题,并利用改进的区域自适应阈值图像识别算法,分别得到不同角度下玻璃上灰尘的总数、灰尘粒径大小、不同粒径灰尘的占比、灰尘平均长轴长度等．结果表明：相同时间内,同种角度下没有涂层的玻璃比有涂层的玻璃更易吸附灰尘,且没有涂层玻璃上面积较大的灰尘更不容易脱落．同种玻璃,放置角度越大,灰尘数量越多．同种玻璃上颗粒物面积大于15 μm2灰尘颗粒数量占灰尘总数的41.9 %左右．所有实验组玻璃上的灰尘平均长轴长度均在11~18 μm之间,灰尘的长宽比均分布在1.34 上下．此项研究可为定量研究玻璃积灰奠定基础,并为工业领域中玻璃防尘、除灰技术等提供技术参考．     

爆炸冲击波对3种建筑玻璃的作用过程

借助ANSYS/LS -DYNA程序,采用ALE方法描述炸药和空气场,采用Lagrange方法描述玻璃,玻璃除考虑拉应力失效外,还增加了切应变失效判据,并给出了针对不同玻璃的建模方法和计算参数。利用建立的模型对爆炸冲击波对钢化夹胶玻璃、普通夹胶玻璃和浮法玻璃3种常用建筑玻璃的作用过程进行了数值模拟。计算结果可较好地反映实验中玻璃出现的冲切破坏现象,发生破坏时的冲击波超压也与实验结果吻合。研究表明,钢化玻璃比普通玻璃具有更强的抗爆性能,夹层玻璃中的PVB能有效地阻止玻璃的飞溅。     

建筑玻璃的爆炸动力响应及防爆距离

玻璃作为一种透明或半透明材料,广泛应用于现代建筑工程中,但其在爆炸冲击荷载作用下易于破碎,产生飞片伤人。文章应用弹性薄板振动理论,研究框支承玻璃在爆炸冲击荷载下的动力响应,得到玻璃的最大挠度与最大应力计算公式。基于爆炸冲击波传播特性和玻璃强度理论,提出了建筑玻璃爆炸冲击破坏准则,对不同类型和厚度的框支承玻璃在爆炸冲击波...     

核废料硼硅酸盐玻璃在酸性溶液环境下的摩擦磨损性能

通过环境可控的直线往复式摩擦磨损试验机，以不锈钢球为对摩副，探究核废料硼硅酸盐玻璃在不同pH酸性溶液环境中的磨损行为和磨损机理. 研究发现，随着外界溶液pH逐渐从1增大到7，摩擦过程中的摩擦系数缓慢增加，但硼硅酸盐玻璃和不锈钢球的磨损量呈现先增大后减小的变化规律. 硼硅酸盐玻璃在不同pH下的材料去除与其界面的电荷特性和接触情况密切相关. 当溶液pH <2.5时，硼硅酸盐玻璃基底和不锈钢球表面带正电荷，界面的排斥作用降低了界面的直接接触和剪切应力，从而降低了玻璃材料的磨损量；当pH为2.5时，硼硅酸盐玻璃表面几乎不带电荷，使得硼硅酸盐玻璃和不锈钢球在磨损过程中进行直接的接触，导致其磨损量最大；当pH>2.5时，硼硅酸盐玻璃表面与不锈钢球表面分别带负电荷和正电荷，界面间呈现吸引力作用，界面间的水化层对磨损界面起到润滑作用，从而降低硼硅酸盐玻璃和不锈钢球的磨损量.      

N31型磷酸盐激光玻璃的摩擦磨损性能研究

在Rtec-MFT3000多功能摩擦磨损试验机上采用硅酸盐玻璃球作为对摩副,研究了0.2~2 N的载荷条件下N31型磷酸盐激光玻璃的摩擦磨损性能,着重讨论了载荷对该玻璃摩擦磨损性能的影响.结果显示:稳定磨损阶段的摩擦系数随载荷的增加而减小,且载荷越大摩擦系数达到稳定所需的时间越短.随着载荷的增加,N31型磷酸盐激光玻璃的磨损体积先急剧增加后缓慢增加,同时磨损机理经历从磨粒磨损为主到磨粒磨损和裂纹滋生并存最后到脆性剥落为主的转变过程.而硅酸盐玻璃球的磨损体积在给定载荷范围内随载荷的增加保持线性增加,且在所有试验载荷下的磨损机理均以磨粒磨损为主.在目前试验条件下N31型磷酸盐玻璃表面磨损区域未发生可被EDS检测到的明显的摩擦化学反应,磨屑成分为对摩副两种材料的混合体.     

强酸侵蚀对钠钙硅玻璃表面改性及其磨损性能研究

使用水接触角测量仪、红外光谱仪、纳米压痕仪和显微硬度计,探究了侵蚀处理时间对钠钙硅玻璃在强酸(pH=1,HCl溶液)和纯水侵蚀条件下机械化学性能的变化规律. 采用多功能往复式摩擦磨损试验机,以SiO₂球为对摩副,分析了钠钙硅玻璃在不同侵蚀条件下的磨损行为. 研究发现:经去离子水侵蚀24和50 h后,钠钙硅玻璃的机械化学性能变化不明显,而经强酸侵蚀的钠钙硅玻璃的断裂韧性显著增大,但其纳米硬度、等效弹性模量、维氏硬度和在潮湿空气(RH=50%)下的磨损性能降低. 酸性液体对钠钙硅玻璃性能的影响与Na+析出后玻璃表面形成的侵蚀层密切相关. 与纯水环境相比,钠钙硅玻璃表层Na+在强酸侵蚀时更易被析出,表面化学结构变成“富SiO₂”,同时玻璃表面变得更亲水,磨损过程产生的磨屑易于吸附在摩擦界面,从而导致界面磨损形式由摩擦化学磨损转化为黏着磨损,最终使钠钙硅玻璃的耐磨性降低.      

玻璃微珠增强超高分子量聚乙烯的耐磨耐热性能研究

采用热压成型工艺制备了偶联玻璃微珠填充的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料,通过万能材料试验机、洛氏硬度计考察了玻璃微珠含量对复合材料力学性能、硬度的影响,对复合材料进行了X射线衍射分析(XRD)、差示扫描量热分析(DSC)和静态热机械分析(TMA),通过热变形、维卡温度测定仪考察了玻璃微珠含量对复合材料维卡软化温度的影响,通过高速环块磨损试验机和自制砂浆磨损水浴试验装置考察了玻璃微珠含量对复合材料耐摩擦磨损性能的影响,通过扫描电子显微镜观察复合材料磨损表面形貌并分析了其磨损机理.结果表明:偶联玻璃微珠在UHMWPE体系中起填充增强作用,能有效提高复合材料的硬度、维卡软化温度、熔点和玻璃化转变温度,从而降低材料的摩擦系数与磨耗.维卡软化温度最多能提高12.5%,而磨损质量最多能降低62%,玻璃微珠质量分数在5%~20%之间效果明显,材料的力学性能随玻璃微珠的含量增加而有所下降.     

影响金属玻璃中剪切带行为的微观机制

论文对金属玻璃发生剪切失稳形成剪切带的行为进行了分析,得到了其发生剪切失稳时的临界自由体积浓度,预测结果与实验观察和模拟结果吻合;利用两种方法对其剪切带厚度进行了预测,结果表明基于剪切失稳临界波长预测金属玻璃剪切带厚度的方法只在发生剪切失稳后极短的时间内有效,对成熟剪切带厚度的预测必须考虑自由体积的扩散效应;考察了金属玻璃的宏微观材料参数对其剪切带厚度的影响及其微观机制,发现金属玻璃剪切带厚度对其宏观材料参数(泊松比)不敏感,对与剪切相变区相关的微结构参数敏感.     

氟金云母玻璃陶瓷钻削过程中的刀具磨损特性研究

分别用硬质合金刀具和高速钢刀具钻削氟金云母可加工玻璃陶瓷材料,通过对刀具磨损表面形貌的观察和刀具主后刀面磨损带宽度的测试,分析了氟金云母玻璃陶瓷钻削加工中的刀具磨损过程、磨损形式及其机制.结果表明:与低碳钢相比,玻璃陶瓷材料钻削时刀具磨损较大,采用高速钢刀具时磨损比较剧烈,不适合氟金云母玻璃陶瓷材料的钻削加工;硬质合金刀具的磨损形态包括主后刀面磨损、副后刀面磨损以及横刃磨损,硬质合金钻头副后刀面的磨损为氟金云母玻璃陶瓷材料钻削加工的显著特征,磨料磨损和粘着磨损为硬质合金刀具的主要磨损形式;崩刃为硬质合金刀具非正常磨损的主要形式.     

玻璃样品表面对失效波萌生的影响

实验首次发现经过酸(5%HCl)处理的玻璃样品表面以及飞片表面粗糙度的变化均对失效波(failure wave)形成的载荷阈值有明显影响.这说明失效波的形成机制与玻璃样品表面固有微裂纹、碰撞瞬间由于样品表面与其内部力学性质差异导致的微裂纹形核、长大等因素有直接关系,从而对进一步研究失效波的萌生机制和建立相关理论模型提供重要的支持.     

空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料简支冲击实验研究

制备了质量不同配比改性空心玻璃微珠(HGB)填充环氧树脂复合材料,对该材料标准试件进行了摆锤冲击实验,得出了不同配比材料的冲击韧度,并使用SEM观察了冲击断口的断面形貌。实验发现,玻璃微珠含量为2%的复合材料冲击韧度最小,此时材料抗冲击性能最差;而当含量超过2%,复合材料的冲击韧度会随玻璃微珠含量增加而增大;断面上玻璃微珠在基体中有拔出、断裂和破碎三种状态,以断裂破坏的玻璃微珠为主导破坏形式。以上实验发现对此类复合材料的研究和应用具有参考意义。     

赝逆神经网络系统的动力学行为

本文用信噪比分析，大数定理及高斯积分方法得到了赝逆神经网络系统的动力学演化公式，固定点及吸引子半径等。与通常采用的自旋玻璃（ｓｐｉｎ ｇｌａｓｓ）理论的ｒｅｐｌｉｃａ方法相比，有较大的简化，得到温度为零及非零的宏观交叠量的演经公式。与仿真相比较，本文结果罗自旋玻璃理论符合更好。     

La30Ce30Al15Co25金属玻璃应力松弛行为

作为潜在的工程材料, 金属玻璃在材料科学和凝聚态物理等领域引起广泛的研究兴趣. 金属玻璃结构与性能的关系表明, 金属玻璃的动态非均匀性与其黏弹性和塑性紧密相关. 然而, 宏观应力松弛行为与动态弛豫之间的物理图像并不清晰. 与传统金属材料不同, 金属玻璃的变形机理非常复杂. 应力松弛是一种表征玻璃体系黏弹性和塑性变形机制的有效手段, 从而探索结构和动态非均匀性. 本研究以La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃为模型体系, 在较宽的温度窗口研究了其应力松弛行为. 研究结果表明, 与传统金属玻璃不同, La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃具有明显的β弛豫行为. 基于Kohlarausch-Willams-Watts (KWW)方程的分析表明, 金属玻璃应力松弛为动态不均匀过程; 热动力学分析发现La₃₀Ce₃₀Al₁₅Co₂₅金属玻璃应力松弛存在显著的双阶段行为, 即从高应力条件下应力驱动为主导的松弛行为, 向低应力下热激活为主导的松弛行为发生转变. 通过激活能谱模型分析表明, 应力松弛单元的激活并非均匀, 而是存在能量上的起伏, 金属玻璃对于外力响应是一个渐进过程, 具有动力学不均匀性. 本研究进一步构建了金属玻璃的结构和动态非均匀性之间的关联, 为研究金属玻璃的α弛豫和β弛豫提供了强有力的支撑.      

La30Ce30Al15Co25金属玻璃应力松弛行为

作为潜在的工程材料,金属玻璃在材料科学和凝聚态物理等领域引起广泛的研究兴趣.金属玻璃结构与性能的关系表明,金属玻璃的动态非均匀性与其黏弹性和塑性紧密相关.然而,宏观应力松弛行为与动态弛豫之间的物理图像并不清晰.与传统金属材料不同,金属玻璃的变形机理非常复杂.应力松弛是一种表征玻璃体系黏弹性和塑性变形机制的有效手段,从而探索结构和动态非均匀性.本研究以La_(30)Ce_(30)Al_(15)Co_(25)金属玻璃为模型体系,在较宽的温度窗口研究了其应力松弛行为.研究结果表明,与传统金属玻璃不同,La_(30)Ce_(30)Al_(15)Co_(25)金属玻璃具有明显的β弛豫行为.基于Kohlarausch-Willams-Watts(KWW)方程的分析表明,金属玻璃应力松弛为动态不均匀过程;热动力学分析发现La_(30)Ce_(30)Al_(15)Co_(25)金属玻璃应力松弛存在显著的双阶段行为,即从高应力条件下应力驱动为主导的松弛行为,向低应力下热激活为主导的松弛行为发生转变.通过激活能谱模型分析表明,应力松弛单元的激活并非均匀,而是存在能量上的起伏,金属玻璃对于外力响应是一个渐进过程,具有动力学不均匀性.本研究进一步构建了金属玻璃的结构和动态非均匀性之间的关联,为研究金属玻璃的α弛豫和β弛豫提供了强有力的支撑.     

玻璃样品对表面对失效波萌生的影响

实验首次发现经过酸（5％HCl)处理的玻璃样品表面以及飞片表面粗糙度的变化均对失效液（failure wave)形成的载荷阈值有明显影响。这说明失效波的形成机制与玻璃样品表面固有微裂纹。碰撞瞬间由于样品表面与其内部力学性质差异导致的微裂纹形核、长大等因素有直接关系。从而对进一步研究失效波的萌生机制和建立相关理论模型提供重要的支持。