多层级纳米多孔金属的结构设计和力学性能表征
批准号:
12072241
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
夏热
依托单位:
学科分类:
微纳力学与多尺度力学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
夏热
中文摘要
本项目拟以基于结构转变而实现功能拓展的目标为出发点,通过开展纳米多孔金属的微结构设计,实现力学性能的可控调节和优化。选择三类多层级纳米多孔金属及合金作为研究对象,探索微结构的形成原理与演化规律,改良工艺以实现可控制备;进行各类材料基本力学性能表征;基于纳米尺度3D数值重构技术,开展特征几何缺陷统计分析和原位力学测试,明确其微观变形机制以及制备缺陷形成和影响规律;结合跨尺度有限元、分子动力学仿真,建立基于典型缺陷的纳米多孔金属设计及性能分析平台;最终确立微结构及典型缺陷特征与力学性能间的内在联系,提炼出性能优化的可行途径,构建新型多层次纳米多孔金属的力学特性调控体系,为挖掘潜在功能化应用提供指引。
英文摘要
To expand functional applications of nanoporous metals, this project aims to achieve the controllable adjustment and optimization of mechanical properties by microstructure design. Choosing three types of heterogeneous nanoporous metals and nanoporous alloys as research subject, this project develops the design of different microstructure, and looks into their forming and evolving law, as well as their controllable preparation and process improvement; Characterize the basic mechanical properties; Perform the nanoscale 3D reconstruction, statistical analysis of typical defects, and in-situ tomographic mechanical test; Establish the relationship between characteristics of microstructure/typical defects and mechanical properties; Construct the design and performance analysis platform of typical defect characteristics, by using the trans-scale simulations with finite element and molecular dynamics; Illustrate the effect trend of microstructure/defects on mechanical properties and their in-depth relationships; Build the feasible way to optimize the performance so as to provide the guidance for exploring potential functional applications of nanoporous.
纳米多孔金属兼具多孔材料、金属材料和纳米材料的优异特性,具备轻量化、高比强度、导电性好、高孔隙连通性等优异性能,在化学催化、柔性电子、传感/致动、减震隔热等领域极具应用潜能。脱合金腐蚀法是目前制备纳米多孔金属的主要途径,该方法具有简便、高效和可控性强的优势。但在酸/碱腐蚀过程,往往伴随着体积收缩和表面应力,不可避免的产生各类几何组织缺陷和损伤,如表面不规则、腐蚀微裂纹、孔棱尺寸不均、胞元不完整和孔棱缺失等。微结构的不一致性和不完整性,使得现存的纳米多孔金属力学性能测试数据也存在分散性大、甚至相矛盾的问题,阻碍了纳米多孔金属在工业场景中的规模化应用。.本项目以基于结构转变实现性能优化为出发点,开展了纳米多孔金属的微结构设计和力学性能表征。首先,建立了不同微结构/材料特性纳米多孔金属的数值模型,通过分子动力学模拟、有限元模拟进行了基本力学性能(拉伸、压缩、压痕)测试,采用数字图像分析手段统计了微结构特征,结合多尺度力学模拟结果构建了纳米多孔金属的力学性能-微结构映射关系,揭示了微观演化规律和宏观力学响应的内在联结机制。通过非晶化、纳晶化、多层级化等设计思想优化纳米多孔金属的微结构,对不同微结构、不同材料组分的纳米多孔金属进行了复杂应力状态下的力学行为研究,揭示了疲劳载荷、蠕变、动态冲击、摩擦等复杂载荷下结构的服役性能,明晰了缺陷演化和失效规律。本项目构建了完善的纳米多孔金属微结构设计与力学表征的跨尺度理论—实验—仿真体系,揭示了跨尺度变形、损伤和失效机理,考虑不同空间尺度下的特征尺寸和缺陷分布规律建立了力学性能的构效关系,通过合理的微结构设计有效优化了纳米多孔金属的力学性能,为其在真实服役环境中的力学性能按需设计提供有效理论指引。
纳米多孔金属材料力学特性的理论与实验研究
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批准号:11102140
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:30.0万元
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批准年份:2011
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负责人:夏热
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依托单位:
国内基金
海外基金