Author Affiliations
Abstract
1 School of Integrated Circuits and Beijing National Research Center for Information Science and Technology (BNRist), Tsinghua University, Beijing 100084, China
2 Zhuhai Huafa Properties Co., Ltd, Zhuhai 519030, China
Phase-change material (PCM) is widely used in thermal management due to their unique thermal behavior. However, related research in thermal rectifier is mainly focused on exploring the principles at the fundamental device level, which results in a gap to real applications. Here, we propose a controllable thermal rectification design towards building applications through the direct adhesion of composite thermal rectification material (TRM) based on PCM and reduced graphene oxide (rGO) aerogel to ordinary concrete walls (CWs). The design is evaluated in detail by combining experiments and finite element analysis. It is found that, TRM can regulate the temperature difference on both sides of the TRM/CWs system by thermal rectification. The difference in two directions reaches to 13.8 K at the heat flow of 80 W/m2. In addition, the larger the change of thermal conductivity before and after phase change of TRM is, the more effective it is for regulating temperature difference in two directions. The stated technology has a wide range of applications for the thermal energy control in buildings with specific temperature requirements.
phase change composites controllable thermal rectification building applications Journal of Semiconductors
2024, 45(2): 022301
1 西南石油大学新能源与材料学院，四川 成都 610500
2 华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广东 广州 510640
3 成都新杉宇航科技有限公司，四川 成都 610500
钛基复合材料具有高弹性模量、高比强度、高耐磨性和优异的高温耐久性等特点，在航空航天领域有良好的应用前景。采用低能球磨制备了纳米TiC颗粒与TC4的复合粉体，然后使用选区激光熔化（SLM）制备了TiC/TC4钛基复合材料，分析了不同体能量密度（29~97 J/mm3）对复合材料成形质量、显微组织、显微硬度的影响，并总结了组织演变机理和TiC演变过程。结果表明，成形该复合材料的最佳体能量密度为50~70 J/mm3，在该范围内试样的最高相对密度可达99.7%，显微硬度为385~392 HV。横截面上，显微组织的晶粒呈特殊的双尺寸分布，即由初生β等轴晶和沿其外围生长的不规则共晶区组成；纵截面上，显微组织呈鱼鳞状形貌分布且熔池内存在大量流纹状组织。复合材料中存在未溶TiC（主要分布于初生β晶界附近）、共晶TiC（主要呈链状网络分布于共晶β晶界）以及沉淀析出TiC（主要呈颗粒状分布于晶粒内）。随着体能量密度的增加，链状共晶TiC向棒状转变，晶内TiC尺寸长大。共晶TiC与β-Ti没有取向关系，共晶TiC、沉淀析出TiC与α'-Ti均存在明显取向关系，即｛11-20｝α'-Ti∥｛110｝TiC。
激光技术 钛基复合材料 选区激光熔化 显微组织演变 TiC演变 中国激光
2024, 51(16): 1602301
1 北京理工大学机械与车辆学院激光微纳制造实验室，北京 100081
2 中国空间技术研究院北京卫星制造厂有限公司，北京 100094
碳纤维增强复合材料（CFRP）以其轻质高强、可设计性强等优势已成为航空航天领域不可或缺的关键材料之一。为满足制造装备的要求，需对一体成型的CFRP构件进行二次加工，然而CFRP非均质、各向异性、层合结构等特征使其在加工过程中易出现分层、毛刺、热影响区较大等缺陷。概述了CFRP各种加工方法的研究进展，对比分析了CFRP不同加工方法的优缺点，从方法、工艺及机理层面介绍了激光加工CFRP的研究现状，总结了CFRP在航空航天领域中的应用，分析讨论了CFRP激光加工当前面临的挑战和今后的研究重点。
激光技术 碳纤维增强复合材料 加工工艺 超快激光 航空航天
1 1.东南大学 机械工程学院, 南京 211189
2 2.高速飞行器结构与热防护教育部重点实验室, 南京 211189
高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题, 低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象, 在不同能量下开展了低速冲击试验, 分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态, 通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌, 结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线, 分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验, 研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明, 在低速冲击载荷的作用下, 试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤, 试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能, 虽然试验件损伤勉强目视可见，但其剩余压缩强度为无损件81%, 剩余拉伸强度仅为无损件的68%。
SiC/SiC 陶瓷基复合材料 低速冲击 损伤特性 剩余强度 SiC/SiC ceramic matrix composites low-velocity impact damage characteristics residual strength
1 1.西北工业大学 材料学院 NPU-SAS联合研究中心, 西安 710072
2 2.西北工业大学 极端力学研究院, 西安 710072
3 3.西北工业大学 材料学院, 西安 710072
4 4.西安科技大学 理学院 力学系, 西安 710600
二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiCf/SiC)在航空领域中得到广泛使用, 然而该材料层间强度低, 使其易萌生层间裂纹, 引起分层破坏。为此, 本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间I型断裂试验, 获得了2D-SiCf/SiC的层间裂纹驱动的加载数据, 得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程, 通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程, 探究了2D-SiCf/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiCf/SiC的层间断面特征, 揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明: W-DCB方法测量的2D-SiCf/SiC层间I型初始能量释放率与DCB方法等效; 2D-SiCf/SiC层间I型断裂过程中, 裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征, 反映了2D-SiCf/SiC层间约束关系的复杂性; 层间断面为结构性非完全损伤, 发生了局部纤维桥连现象。
2D-SiCf/SiC复合材料 层间I型断裂 表征分析 纤维桥连 2D-SiCf/SiC composites interlaminar mode I fracture characterization analysis fiber bridging
1 国网智能电网研究院有限公司, 北京102209
2 2.国网公司电力智能传感技术实验室，北京102209
3 国网北京电力科学研究院，北京100075
4 4.现场检测技术标准验证实验室，北京102209
5 国网智能电网研究院有限公司, 北京102209河北工业大学 机械工程学院，天津 300401
提出了一种利用铁电偶极子提高摩擦发电机表面电荷密度的方法。利用聚偏氟乙烯(PVDF)的铁电特性，在摩擦电层形成正电荷陷阱，增强摩擦电材料的发电性能，从而提高摩擦电纳米发电机的表面电荷密度。采用铸造工艺和单轴拉伸工艺制备了PVDF薄膜，并将其集成到具有垂直分离结构的摩擦电纳米发电机中。系统地研究了PVDF膜的埋置方向、厚度和极化强度对摩擦纳米发电机输出功率的影响。结果表明，当压电膜厚度为100 μm，最大极化电场为90 MV/m时，摩擦电纳米发电机的峰值功率提高了2.6倍。这项工作为调节摩擦电纳米发电机的性能提供了新的见解。The Influence of Ferroelectric Dipoles on the Output Performance of Triboelectric
多功能复合材料 薄膜 电气性能 摩擦纳米发电机 multifunctional composites thin films electrical properties triboelectric nanogenerator
1 中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000
2 南京诺威尔光电系统有限公司，江苏南京 210014
编织复合材料低速冲击损伤主要为内部的分层损伤，采用目视检测无法有效检测损伤，损伤使得结构承载能力严重降低，威胁编织复合材料构件的安全使用。本文使用超声红外热成像技术对编织复合材料低速冲击损伤进行无损检测研究，使用 10J、20J、30J、40J、50J的冲击能量制作了 5个试件。对超声激励过程的温升曲线、空间温度曲线进行了详细分析；对比不同冲击能量试件发现，低速冲击下损伤主要是内部损伤，冲击能量越大，损伤区域越大，且损伤具有延展性。采用曲线分类算法对损伤区域进行了定量识别，发现编织复合材料损伤面积和冲击能量成线性关系。
超声红外热成像 编织复合材料 低速冲击损伤 无损检测 ultrasonic infrared thermography, woven composites
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 湖北光谷实验室，湖北 武汉 430074
3 航空工业济南特种结构研究所高性能电磁窗航空科技重点实验室，山东 济南 250023
为改善玻璃纤维复合材料制孔的精度和质量，本文提出了一种双振镜激光扫描加工方法。双振镜激光扫描加工系统共包括4片可偏转反射镜，4片反射镜协同运动可以实现对扫描激光的四轴（x，y，α，β）控制，其中x和y为激光焦点在二维平面的位置，α和β为扫描激光的入射角度。基于双振镜激光扫描加工系统开展了玻璃纤维复合材料的制孔实验，通过调节激光入射角度和激光扫描策略，在厚度为3.6 mm的玻璃纤维复合材料板上加工了侧壁完全垂直的孔，孔直径可达10 mm，热影响区宽度小于10 μm，侧壁表面粗糙度小于2 μm，没有发现材料分层和纤维拔出等缺陷。
激光技术 激光钻孔 四轴激光扫描 玻璃纤维复合材料 飞秒激光 中国激光
2023, 50(24): 2402403
该文研究了1-3-2压电复合材料的厚度振动谐振频率与尺寸的关系。应用压电学和弹性动力学理论建立了机电等效图, 对1-3-2压电复合材料的厚度振动模态进行了机电理论分析, 并对其谐振频率进行了计算。利用有限元仿真软件分析了在厚度振动模态下, 1-3-2压电复合材料谐振频率、反谐振频率与尺寸变化的关系。结果表明, 纵向尺寸比变大时, 频率曲线呈下降趋势; 横向尺寸比变大时, 频率曲线呈上升趋势; 横纵尺寸比变大时, 频率曲线呈缓慢下降趋势; 基底厚度变大时, 频率曲线呈先减小后增大趋势。4种情况中, 纵向尺寸比对于整体的谐振和反谐振频率影响最显著。
1-3-2压电复合材料 厚度振动 机电等效图 有限元仿真 谐振频率 1-3-2 piezoelectric composites thickness vibration electromechanical equivalent diagram finite element simulation resonant frequency
