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二、体验科学探究一、声音是什么（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）班级姓名学号等级【学习目标】通过阅读“物理学家进行科学探究的故事”，使学生初步了解科学探究的过程，并激励他们像科学家那样，不畏艰辛，勇于探索。通过让学生经历“装满水的杯子里还能放多少回形针”的探究活动，体验科学探究的过程与方法。【重点、难点】重难点：通过实验探究，体验科学探究的过程与方法。【学习过程】一、自主预习（阅读课本3-5页，独立解决下列问题）1．读一读：富兰克林对“天电”的探索完成下列问题：（1）18世纪初，大多数人是怎样看待“天电”和“地电”关系的？；（2）18世纪中叶，富兰克林在探索“天电”的过程中，作出的猜想是：；（3）富兰克林为了证实自己的猜想，设计完成了一个著名的科学实验是：；（4）通过了解富兰克林探索“天电”的历程，我的感悟是：。小结：科学探究的一般环节：①,②,③,④,⑤，⑥。2．活动0.3装满水的杯子里还能放多少回形针器材：各种杯子，如玻璃杯、塑料板、纸杯，回形针，水。取一个杯子，在杯中倒满水（如书本第5页的图0-9所示）猜想：在水不溢出的前提下最多能放入个回形针？实验：在水不溢出的前提下，一共可放入个回形针，实际放入的数量与你猜想的数量相差个。二、交流合作活动1.读一读：富兰克林对“天电”的探索小组内交流讨论，推荐组内C1或C2与全班同学交流。（要求：结合课件脱稿讲述）活动2．装满水的杯子里还能放多少回形针（1）小组内交流讨论实验过程、实验现象；（2）推荐组内C1或C2叙述实验，叙述实验过程和实验现象。（要求：站在原位上，面向同学，声音洪亮，其他同学专注倾听）（3）组间讨论：对上述实验有没有异议或补充。猜想：装满水的杯子能放入回形针的数量与哪些因素有关？（4）小组内交流讨论，然后选择其中的一个猜想设计实验。（5）组间交流：推荐组内A1或A2叙述实验设计方案，然后上讲台演示(要求：面向大家，组内合作)三、课堂小结先组内交流本节课所得，然后班内交流。四、巩固拓展1.关于“猜想”，下列给出的说法中错误的是（）A．猜想是对未知事物的一种猜测B．猜想是否正确，必须通过实验验证C．猜想有时会与客观事实相差很大D．猜想一定要是正确的，否则就是谬误2．做完“装满水的杯子里还能放多少回形针”实验后，小强对实验的结果感到非常吃惊，同时对决定放入回形针数量多少的因素进行了猜想。下列猜想中，肯定不合理的是A．杯子的组成材料B．杯口的大小（）C．杯里所盛的液体D．杯子的价格3．科学探究所包含的要素有：⑴发现并提出问题；⑵做出和假设；⑶制定计划与；⑷通过、等途径来收集证据；⑸评价证据是否支持猜想和假设；⑹得出结论或提出新的问题；⑺在科学探究的过程中和也是不可缺少的。4．学校要开运动会，几个同学讨论怎样才能把铅球掷得更远？小莉认为：铅球掷出的距离，可能与掷出铅球时的速度大小有关；小强认为：铅球掷出的距离，可能与掷出铅球时的射出仰角θ（投掷方向与水平方向的夹角）有关。李红说：“我们还是通过实验来探究吧”，于是，他们制作了一个小球弹射器（如图所示），它能使小球以不同速度大小和方向射出，弹射方向与水平的仰角，可由固定在铁架台上的量角器读出，他们通过5次实验得到下表中的数据：请你根据上述所收集的信息和相关证据回答下列问题：（l）为了验证小莉的猜想，应选用序号为_____、_____、_____的实验数据，得出的结论是：在_______一定时，物体抛出_______越大，抛出的距离越远。（2）为了验证小强的猜想，应选用序号为_____、_____、_____的实验数据，得出的结论是：在射出速度一定时，射出仰角θ为_______时，物体抛出的距离最远。汽车消声器声学特性的声传递矩阵分析宫建国,马宇山,崔巍升,金涛(浙江大学化工机械研究所,浙江杭州310027摘要:根据声传递矩阵法,分析了一种汽车消声器的传递矩阵,计算了该消声器的传递损失。并利用MATLAB软件,分别分析了进气管内伸长度、排气管内伸长度、支撑板间距、穿孔直径、穿孔管壁厚、穿孔管直径对消声器传递损失的影响。结果表明:从总体趋势上看,进气管内伸长度越大,消声器的平均传递损失越大,但内伸长度为30mm时消声器的平均传递损失最大;排气管内伸长度越大,消声器的平均传递损失越大,但内伸长度为30mm时平均传递损失最大。支撑板间距对消声器传递损失影响较小,但当支撑板间距为原始长度时,消声器的平均传递损失最大。穿孔直径越大,消声器的平均传递损失越大。穿孔管壁厚越大,消声器的平均传递损失越小。穿孔管直径越大,消声器的平均传递损失越小。关键词:消声器;传递损失;MATLAB;声传递矩阵中图分类号:TB535+.2文献标识码:A文章编号:1004-4523(202106-0636-06引言随着汽车工业和城市交通的发展,城市汽车保有量日益增加,汽车噪声污染问题越来越突出。据国外资料统计,汽车所辐射的噪声占整个环境噪声能量的75%。因此,汽车噪声是目前环境噪声中最主要的噪声源[1]。而排气噪声是汽车噪声中主要的噪声源之一,安装消声器是减小排气噪声最简单最有效的方法。故研制高效实用的消声器一直是汽车噪声控制行业追求的目标。消声器的设计方法主要包括有限单元法、边界单元法、声传递矩阵法。有限单元法在消声器设计中应用较多,尤其是复杂腔体消声器。但是,消声器一旦进行结构改进,整个声场分析都要重新开始。因此,该方法的重复性工作较多,计算周期较长。边界单元法还不够成熟,求解误差较大,此方法应用较少。声传递矩阵法适用于形状相对简单、较为规则的结构。该方法首先将消声器分解为若干个消声单元,然后计算各消声单元的传递矩阵,再根据各消声单元的串并联关系,得到的传递矩阵即为消声器的声传递矩阵。在消声器结构改进中,采用软件编程,只需改变某些参数就能实现消声器的结构改进。所以,该方法的重复性工作较少,计算周期较短。本文根据声传递矩阵法,对一种汽车消声器的传递矩阵进行分析,根据得到的声传递矩阵计算消声器的传递损失。并利用MATLAB软件,分别分析进气管内伸长度、排气管内伸长度、支撑板间距、穿孔直径、穿孔管壁厚、穿孔管直径对消声器传递损失的影响。1声传递矩阵法1.1基本假设声波在消声器内部传递时,涉及较多因素,为分析方便,特引入以下假设[2]。(1线性化假设假定伴随声波随时间变化的量都是小量,忽略上述变量的高阶小量,故消声器内部的传播规律可以用线性化波动方程表示。(2无损耗假设假定声波在消声器内部传递过程中,声能不会透过管壁向外辐射,也不存在粘滞性和热传导等因素引起的声吸收。即声波在消声器内部没有能量的损耗。(3均匀流动假设假定气流沿管道横截面各处流速相同,即气流在消声器内部均匀流动;并设气流速度与声速比值M(马赫数为小值。(4均匀参数假设假定静压、介质密度、温度以及声速等反映介质特性的参数沿轴向各处相同,故这些参数按实常数处理。第23卷第6期2021年12月振动工程学报JournalofVibrationEngineeringVol.23No.6Dec.2021(5平面波假设假定管道内沿轴向传播的声波近似为平面波,即沿管道横截面上声压和质点速度等参数相同。1.2分析方法由平面波假设,沿管道系统截面上的声学状态可以用声压p以及体积速度U两个状态参数来表示。由线性化假设可知,消声单元两侧界面上的状态参数是线性相关的。对于一个消声单元,由一侧的状态参数可以确定另一侧的状态参数,故任意给定单元的特性相当于一个四端网络,如图1所示[2,3]。根据四端网络的计算原理,可得入口声压p1、体积速度U1与出口声压p2、体积速度U2的关系如下式所示p1=Ap2+BU2U1=Cp2+DU2(1若用矩阵表示,如下式所示p1U=ACDp2U=Tp2U(2式中T为消声结构的传递矩阵;A,B,C,D为四端网络参数,仅与消声结构有关。其中,A为断开传递系数,B为短路传递阻抗,C为断开传递导纳,D为短路传递系数。图1消声单元四端网络示意图1.3消声性能评价评价消声器的性能,主要考虑消声器的声学性能。消声器声学性能常用传递损失和插入损失来评价,现采用传递损失评价。根据声传递矩阵的四端网络参数计算传递损失,如下式所示TL=20lg2A+Zr+CZr+D(3式中TL为传递损失(dB;Zr为尾管声辐射阻抗[kg/(m4・s]。2消声单元的声传递矩阵2.1等截面直管的声传递矩阵T1=cos1-MjSsin1-Mjsin1-M2cos1-M2(4式中为介质密度(kg/m3;c为声速(m/s;S为直管的横截面积(m2;k为波数,且k=2f/c,其中,f为频率(Hz;l为直管长度(m;M为直管内气流的马赫数;j为虚数单位。2.2直管突变截面的声传递矩阵对于直管收缩式突变截面,其传递矩阵如下式所示[2]T21=1(1-2aSac01(5对于直管扩张式突变截面,其传递矩阵如下式所示[2]T22=1aSac1-01(6式中为突变后与突变前的面积比;Sa为较细管的横截面积(m2;Ma为较细管内气流的马赫数。2.3插管突变截面的声传递矩阵对于插管收缩式突变截面,其传递矩阵如下式所示[2,4]T31=A31B31C31D(7其中,A31=1-eSb2Mbtan(kla;B31=(1-2MbSb;C31=jbtan(kla;D31=1+jeSbMbtan(kla。对于插管扩张式突变截面,其传递矩阵如下式所示[2,4]T32=A32B32C32D(8其中,A32=1-jebSbtan(klb;B32=bSbc・1-;C32=jectan(klb1+jebSb・tan(klb;D32=1+jSe(-2SbMbtan(klb。式中Se为突变截面面积之差(m2;Sb为较细管的横截面积(m2;Mb为较细管内气流的马赫数;la为b637第6期宫建国,等:汽车消声器声学特性的声传递矩阵分析2.4穿孔管的声传递矩阵根据文献[5],穿孔管的传递矩阵如下式所示T4=coscM2jSsinc1-2jsincM2cosc1-2・1Zp1cosdMjSsinkld1-jsinkld1-2coskld1-2(9其中,Zp=j!mp-p=j!pSp-2r。式中,Zp为共振腔阻抗[kg/(m・s];mp为共振腔声质量(kg/m4;Cp为共振腔声容[(m4・s2/kg];t为穿孔管的实际厚度(m;dk为穿孔管的小孔直径(m;tp为穿孔管的等效厚度且tp=t+0.8dk(m;Sp为孔的总面积(m2;Vr为共振腔容积(m3;!为角频率(s-1;lc为穿孔管的穿孔中央与进气侧隔板的长度(m;ld为穿孔管的穿孔中央与排气侧隔板的长度(m。3消声器的声传递矩阵现分析一种汽车消声器,其结构如图2所示。消声器内部有两隔板,隔板支撑两个相同穿孔管。尾气从进气管侧进入,经穿孔管进入排气管侧,然后排入大气。进气管内伸长度50mm,排气管内伸长度50mm。两隔板间距140mm,支撑两个穿孔管。穿孔管直径80mm,壁厚1.5mm,均布60个直径为4mm小孔。图2消声器的结构示意图对于多个消声单元组成的消声系统,利用各单元分割截面处声压相等和体积连续性的边界条件,可以得到前一个消声单元的终止边界条件即为后一个消声单元的起始边界条件。根据图2所示消声器的结构,从左到右将消声和串联计算方法,将各消声单元的传递矩阵相乘,即可得到此消声器的传递矩阵[6],如下式所示T=ABC=[T]1[T]5[T]1[T]4[T]1[T]6[T]1[T]5[T]1[T]4[T]1(10式中下标1为等截面直管;2为直管收缩式突变截面;3为直管扩张式突变截面;4为插管收缩式突变截面;5为插管扩张式突变截面;6为穿孔管。4计算与结果分析利用MATLAB软件,分别分析进气管内伸长度、排气管内伸长度、支撑板间距、穿孔直径、穿孔管壁厚、穿孔管直径对消声器传递损失的影响。4.1进气管内伸长度分别计算进气管内伸长度为0,10,30,50和70mm时消声器的传递损失,得到消声器的传递损失曲线如图3所示。图3不同进气管内伸长度的传递损失曲线由图3,进气管内伸长度对消声器传递损失影响较大的频率集中在1100~1400Hz,2700~3300Hz以及3500~4000Hz。在0~4000Hz频段,不同进气管内伸长度下的平均传递损失如表1所示。表1不同进气管内伸长度下的平均传递损失(0~4000Hz内伸长度/mm平均传递损失/dB034.51035.03043.25039.97042.0由表1,从总体趋势上看,进气管内伸长度越大,,638振动工程学报第23卷度为30mm时,出现了最大值。这说明,进气管内伸长度并非越大越好,其存在较优值。若提高消声器的消声效果,可将进气管内伸长度调整为30mm。4.2排气管内伸长度分别计算排气管内伸长度为0,10,30,50和70mm时消声器的传递损失,得到消声器的传递损失曲线如图4所示。图4不同排气管内伸长度的传递损失曲线由图4,排气管内伸长度对消声器传递损失影响较大的频率集中在1100~1400Hz,2700~3300Hz以及3500~4000Hz。在0~4000Hz频段,不同排气管内伸长度下的平均传递损失如表2所示。表2不同排气管内伸长度下的平均传递损失(0~4000Hz内伸长度/mm平均传递损失/dB35.71036.33042.35039.97041.4由表2,排气管内伸长度对消声器传递损失的影响与进气管内伸长度相似。从总体趋势上看,排气管内伸长度越大,消声器的平均传递损失越大。但是,当排气管内伸长度为30mm时,出现了最大值。若提高消声器的消声效果,可将排气管内伸长度调整为30mm。4.3支撑板间距分别计算支撑板间距为100,120,140,160和180mm时消声器的传递损失,得到消声器的传递损失曲线如图5所示。由图5,当穿孔管的穿孔部分不变时,若支撑板间距变大,消声器在共振峰附近的传递损失曲线左图5不同支撑板间距的传递损失曲线的平均传递损失如表3所示。表3不同支撑板间距下的平均传递损失(0~4000Hz支撑板间距/mm平均传递损失/dB10039.212039.514039.916039.518039.1由表3,支撑板间距由100mm变化到180mm,消声器的传递损失改变了0.8dB,消声器的传递损失变化较小,且原始消声器的支撑板间距为140mm时,消声器的平均传递损失最大。故对消声器结构改进时,不需再改变支撑板间距。4.4穿孔直径分别计算穿孔直径为1,2,3,4和5mm时消声器的传递损失,得到消声器的传递损失曲线如图6所示。图6不同穿孔直径的传递损失曲线由图6,穿孔直径对消声器传递损失的影响主要集中在250~1200Hz,1900~2300Hz,3500~3900Hz等频率段。在0~4000Hz频段,不同穿孔639第6期宫建国,等:汽车消声器声学特性的声传递矩阵分析表4不同穿孔直径下的平均传递损失(0~4000Hz穿孔直径/mm平均传递损失/dB137.8238.4339.2439.9540.7由表4,穿孔直径越大,消声器的平均传递损失越大。因此,提高消声器的消声效果,可适当增大穿孔直径。但是,穿孔直径不宜过大或过小。如果穿孔直径过大,穿孔率过大,穿孔消声失去作用,将起扩张消声器的作用;如果穿孔直径过小,尾气中的颗粒可能阻塞小孔,降低穿孔管的消声效果。4.5穿孔管壁厚分别计算穿孔管壁厚为0.5,1.0,1.5,2.0和2.5mm时消声器的传递损失,得到消声器的传递损失曲线如图7所示。图7不同穿孔管壁厚的传递损失曲线由图7,穿孔管壁厚对传递损失的影响主要集中在400,1000,2300和3700Hz等频率附近。在0~4000Hz频段,不同穿孔管壁厚下的平均传递损失如表5所示。表5不同穿孔管壁厚下的平均传递损失(0~4000Hz穿孔管壁厚/mm平均传递损失/dB0.540.61.040.21.539.92.039.72.539.5由表5,穿孔管壁厚越大,消声器的平均传递损失越小。这主要是因为穿孔板壁厚的减小,声波更容易通过小孔,通过小孔的声波将在扩张腔内损失较,小穿孔管的壁厚。但是,为了保证消声器的强度,穿孔管壁厚不宜太小。4.6穿孔管直径分别计算穿孔管直径为40,60,80,100和120mm时消声器的传递损失,得到消声器的传递损失曲线如图8所示。图8不同穿孔管直径的传递损失曲线由图8,随着穿孔管直径的减小,消声器的传递损失在整个频段都有所提高。在0~4000Hz频段,不同穿孔管直径下的平均传递损失如表6所示。表6不同穿孔管直径下的平均传递损失(0~4000Hz穿孔管直径/mm平均传递损失/dB4068.06049.28039.910034.512030.7由表6也可以看出,穿孔管直径越大,消声器的平均传递损失越小。因此,提高消声器的消声效果,可适当减小穿孔管直径。同时,也应注意,穿孔管的直径不宜过小。否则,会造成气流通过消声器较为困难,从而带来较大的发动机功率损失。5结论本文根据声传递矩阵法,分析了一种汽车消声器的传递矩阵,计算了该消声器的传递损失。并利用MATLAB软件,分别分析了进气管内伸长度、排气管内伸长度、支撑板间距、穿孔直径、穿孔管壁厚、穿孔管直径对消声器传递损失的影响,得到如下结论:(1从总体趋势上看,进气管内伸长度越大,消声器的平均传递损失越大;但内伸长度为30mm时640振动工程学报第23卷第27卷增1岩石力学与工程学报Vol.27Supp.12021年6月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJune,2021收稿日期:2006–12–26;修回日期:2007–06–12长、短桩及长短组合桩加固地基特性分析马海龙1,王迪海2(1.浙江理工大学岩土工程研究所,浙江杭州310018;2.浙江中联建设集团,浙江绍兴312000摘要:在典型工程的地基加固方案优化设计中,采用有限元分析法,对天然地基上的筏板基础、短桩加固、长短组合桩加固、长桩加固等方案进行系统计算与分析。作用相同荷载时,短桩加固地基的荷载水平–变形曲线接近天然地基,长短组合桩加固地基的荷载水平–沉降曲线接近长桩加固地基。基础中心剖面上土体的沉降分布及5m深处平面上的沉降分布也是短桩加固地基接近于天然地基,长短组合桩加固地基接近于长桩加固地基。短桩加固地基与天然地基具有相似的塑性开展强度及范围,且集中在上部土层。长短组合桩加固地基则与长桩加固地基相似,塑性点往深部传递到桩端持力层。长短组合桩与长桩加固地基的反力分布及大小接近。关键词:桩基工程;地基加固;长桩;短桩;长短组合桩;荷载水平–变形曲线;塑性区中图分类号:TU47文献标识码:A文章编号:1000–6915(2021增1–3110–06CHARACTERISTICSANALYSISOFFOUNDATIONSREINFORCEDBYLONGANDSHORTPILESANDLONG-SHORTCOMPOSITEPILESMAHailong1,WANGDihai2(1.InstituteofGeotechnicalEngineering,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China;2.ZhejiangZhonglianConstructionGroupCo.,Ltd.,Shaoxing,Zhejiang312000,ChinaAbstract:Intheprocessofoptimaldesignoffoundationreinforcementforthetypicalproject,bymeansoffiniteelementanalyticalmethod,systematiccalculationandanalysishavebeenconductedaimingatraftfoundationandfoundationsreinforcedbyshortpile,longpile,andlong-shortcompositepilerespectively.Underthesameloadingcondition,theload-deformationcurveoffoundationreinforcedbyshortpilesapproximatestothatofnaturalfoundation;andtheload-deformationcurveoffoundationreinforcedbylong-shortcompositepilesissimilarwiththatoffoundationreinforcedbylongpiles.Thechangingrulesofsettlementdistributionatcentralcross-sectionoffoundationsandatdepthof5maresameasthoseofloadlevel-settlementcurves.Theintensityandrangeofextensiveareaofplasticpoints,whichcentralizesintheuppersoillayers,offoundationreinforcedbyshortpilesissimilarwiththoseofnaturalfoundation.Forthefoundationsreinforcedbylong-shortcompositepilesandlongpilesrespectively,theplasticpointdevelopsfurtherdowntobearinglayer;andthedistributionandmagnitudeofthefoundationcounterforceinthetwocasesaresimilar.Keywords:pilefoundations;foundationreinforcement;longpile;shortpile;long-shortcompositepiles;load-deformationcurve;plasticzone1引言在工程中,常遇到在同一剖面沿深度上存在两个硬层情况。第一硬层埋深较浅,下卧层为高压缩性土层,该层层厚较大。高压缩性土层下又存在第二硬层,埋深大,从承载力及变形上讲,可作为桩端持力层。此时,如果采用短桩加固,将桩端设置第27卷增1马海龙,等.长、短桩及长短组合桩加固地基特性分析•3111•在第一硬层,虽然强度满足要求,但因桩未穿越软弱下卧层,下卧层未得到加固,其变形会比较大,可能导致建筑物的沉降较大。采用长桩加固时,选择第二硬层作为桩尖持力层,要穿越较厚的饱和软黏土,虽然承载力及变形都能满足要求,但因桩长增长,将增加地基处理费用。从地基强度与变形规律看,建筑地基内的附加应力向下传递衰减较快。对地基浅层土的承载力要求较高,需要增大浅层土的承载力。另外由于软弱下卧层的存在,若仅使用短桩,深层土的沉降难以减少。显然,如果采用穿过软弱下卧层的长桩,则可控制沉降[1]。因此,对有双硬层的地基土,可以采用长短组合桩,长桩和短桩分别完成不同的任务。短桩最大限度地利用浅层硬层土,在短桩桩长范围内置换率大[2],加固后的地基强度高,同时浅层土压缩量减少。长桩穿透软弱下卧层,将部分荷载传至深层土体,减少了短桩软弱下卧层土中的附加应力,从而有效地控制深层土的变形[3,4]。对长短组合桩复合地基的应用和研究没有等长度桩复合地基的应用和研究那样成熟,等长度桩复合地基的计算已有相应规范[5]可依。鉴于长短组合桩的工程应用越来越广泛,已引起众多学者对长短组合桩研究的重视。葛忻声等[6]对长短组合桩的有限元分析认为,长短组合桩复合地基在有效减小建筑物沉降量的同时,可降低基础沉降差,使基础受力更均匀。由于长桩的存在,可使浅层土应力减少,深层土的变形降低。赵明华等[7]针对长短组合桩复合地基的桩–土–承台整体相互作用特点,通过一定的简化假定,基于剪切位移法等,建立了长短组合桩复合地基的沉降计算模型。对多元桩(多种材料的桩的长短组合桩研究[8~10]也表明,通过不同桩长的调整,可有效利用地基中的硬土层,并使设计合理,获得较好的经济效益。上述分析研究中,针对同一工程背景不同加固方案的对比分析不多,对长短组合桩型与长桩、短桩的加固机制与效果的定量研究较少。没有同一工程背景加固方案的定量对比,难以揭示长短组合桩加固方法在技术、经济上的合理性。本文采用有限元分析方法,计算了同一工程背景下的几种加固地基的变形特性和承载力特性,定量揭示了长短组合桩、长桩、短桩和天然地基的变形特性以及土反力分布特性。2工程背景常熟市某镇政府宿舍楼建于1992年,为天然地基上的筏板基础,筏板厚400mm,5层砖混结构,基础长112m,宽12m,可近似看作条形基础(l/b≥10,l为基础长度,b为基础宽度,因此是平面应变问题。由于不均匀沉降原因,从底层到顶层,结构出现了裂缝,宽度从数毫米到十几毫米。沉降观测表明,该楼虽建成十余年,但沉降还未稳定,必须对地基进行有效加固,方能满足建筑物的正常使用。地层物理力学参数见表1。筏板基础埋置在淤泥质黏土上。第3层为粉土(第一硬层,层顶在地面下3.0m处。下卧层为第4层高压缩性淤泥质土,层厚12.0m。第5层为粉质黏土(第二硬层,层顶在地面下17.0m处。表1地层物理力学参数Table1Physico-mechanicalparametersofsoillayers序号地层名称厚度/mc/kPaϕ/(°Es/MPafa/kPa1杂填土1.02淤泥质黏土2.01533.5803粉土2.0202510.01404淤泥质土12.01533.2705粉质黏土>5.030156.0100在进行加固方案的优化设计过程中,采用PlaxisV8.0岩土工程有限元分析软件,利用工程的背景资料,计算分析了天然地基上的筏板基础、短桩加固(桩端在第3层粉土、长短组合桩加固和长桩加固(桩端在第5层粉质黏土4种情况时,土体塑性区深度、变形、土反力分布等,揭示了不同加固方法的特点和分组相似性。3计算分析PlaxisV8.0有较为丰富的土体模型库(还可自定义,这里选用莫尔–库仑模型,土体计算参数c,ϕ,Es按表1选取,混凝土预制桩、筏板基础采用弹性模型,弹性模量取为35GPa。基础板上均布荷载按结构实际作用荷载取为75kPa。•3112•岩石力学与工程学报2021年根据长短桩的加固原理,并对照表1所示地层分布,为了有效利用第一硬层,短桩桩端进入第一硬层,桩长3.0m。为了控制变形,长桩进入第二硬层,桩长17.5m。桩满堂布置,桩间距为2.5m。长短组合桩中的长、短桩相间布置。计算对比的几种基础形式见表2。表2基础形式Table2Foundationstyles基础形式基础板厚/mm桩长/m桩截面/(m×m桩间距/m筏板基础400短桩加固基础4003.00.2×0.22.5长短组合桩加固基础4003.0,17.50.2×0.22.5长桩加固基础40017.50.2×0.22.5PlaxisV8.0具有完全自动生成有限元网格的功能,这里采用十五节点三角形单元。网格生成过程以可靠三角剖分原理为基础,通过搜索最优三角形单元,生成一个非结构性网格。非结构性网格不是由单元的规则组合形成的,不过,这种网格的数值表现通常优于由单元的规则组合形成的结构性网格。3.1荷载水平–沉降曲线分析图1为4种基础形式的荷载水平–沉降曲线,荷载水平1.0相应于作用荷载75kPa。图1荷载水平–沉降曲线Fig.1Curvesofload-settlement短桩地基和天然地基上的筏板基础的荷载水平–沉降曲线较为接近,均有比较明显的下弯段,而长短组合桩及长桩的荷载水平–沉降曲线也接近,但无明显的下弯段。短桩加固地基荷载水平–沉降曲线具有筏板基础的性质,这是由于短桩未能穿过基础板下主要压缩层,其表现的性质与筏板基础相似。长短组合桩加固地基荷载水平–沉降曲线与长桩的接近,这是由于长短组合桩中长桩桩端也达到了相应标高,进而使长桩起到了控制沉降的作用。观察可知,尽管长短组合桩中的长桩较为稀疏,但其控制沉降的作用却很显著。荷载水平为1.0时,短桩加固基础的沉降为267mm,筏板基础为328mm,长短组合桩加固基础为107mm,长桩加固基础为80mm。因此,在控制沉降方面,短桩作用不大,而长短组合桩的作用却接近长桩。长的疏桩控制沉降的效果很理想。3.2基础中心下土体竖向沉降图2所示为土体沉降沿深度的分布。从图中可以看出,4条曲线明显分成两大类,短桩加固基础与筏板基础下土体的沉降分布相近,长短组合桩加固基础与长桩加固基础沉降分布相近。15m以上深度内,短桩加固基础、筏板加固基础的变形量很大,而长短组合桩、长桩的沉降量较小。图2沉降沿深度分布Fig.2Distributionofsettlementalongdepth从沉降沿深度的分布来看,长短组合桩、长桩加固基础的变形分布比较均匀,大小较为接近。但是可以看到,桩端处的变形很大,这就是桩的工作原理,桩体将荷载传递到力学性能较好和压缩性较低的桩端持力层,桩端土层的压缩量有所增加,但大幅度减小了上部土体的压缩量。虽然长短组合桩中的长桩数量仅为长桩加固基础中的3/5,但这里的长短组合桩控制沉降的效果却与长桩的相当接近。荷载水平沉降/mm------沉降/mm深度/m第27卷增1马海龙,等.长、短桩及长短组合桩加固地基特性分析•3113•3.0m短桩控制沉降作用不大。在3.0m以下,短桩加固基础的变形几乎与筏板基础相同,尤其在深度7.5m以下,二者的变形曲线沿深度分布几乎重合。虽然短桩加固基础比筏板基础沉降减少了20%左右,但经短桩加固后,下卧层沉降仍无法消除。因此,短桩对天然地基不具有明显的控制沉降的作用。3.3土体沉降沿水平方向分布图3是在深度5.0m处的平面上,地基沉降沿水平方向的分布,横坐标为离开基础板中心的距离(坐标原点为基础中心,6.0m处相当于基础边缘。在5.0m深处,筏板基础、短桩加固基础在基础外3.0m处(相当于横坐标9.0m的竖向变形还很大,仍达100mm左右。由于不能将荷载传递到更深的土层中,荷载向周围扩散效果增大,短桩加固基础对周围土体的影响就大。图35.0m深处沉降沿水平方向分布Fig.3Distributionofsettlementinhorizontaldirectionatdepthof5.0m比较在5.0m深处沉降沿水平方向的变化可以看到,基础板的中心沉降最大,是沉降槽的槽底。筏板基础、短桩加固基础沉降变化急剧,长短组合桩、长桩加固基础的沉降分布较为平缓。正如葛忻声等[6]指出的,长短组合桩复合地基在有效减小建筑物沉降量的同时,可降低基础沉降差,使基础受力更均匀。3.4基础板下的土反力分布图4是3.0m短桩、长短组合桩、17.5m长桩基础下土反力在横剖面上的分布。3.0m短桩的土反力比长短组合桩、长桩的大,表明经短桩加固的土体承受的荷载比长短组合桩、长桩加固的土体承受图4不同位置土反力分布Fig.4Distributionofsoilcounterforceatdifferentposition荷载大,这是由于短桩不能将荷载传递到更深土层,从而导致基础板下土体的负担加大。中心处土反力最小,随着远离基础中心,土反力逐渐增大,到基础边缘,短桩土反力接近80kPa(第2层土的承载力特征值,而长桩土反力也接近60kPa。3.5土体中塑性区分布图5所示分别为筏板基础、短桩加固基础塑性点开展区,图6所示分别为长短组合桩、长桩加固基础塑性点开展区。图5中短桩加固基础与筏板基础具有相似的塑性开展范围及强度。筏板基础下第3层土体(软弱下卧层的塑性点水平方向开展程度比短桩的小,筏板基础的约在基础边缘外2.0m,而短桩加固基础的水平开展范围约在基础边缘外3.0m。由此可见,荷载向下传递过程中,经短桩加固后,荷载传递时的扩散作用加强,这也是经短桩加固后沉降小于天然地基上筏板基础的原因。从图6可以看出,长短组合桩、长桩加固基础具有相似的塑性区分布特性。长桩桩端设置在第二硬层中,土体的塑性点深度下移至桩端处持力层土中,充分利用了第二硬层低压缩的性质。比较长短组合桩、长桩加固基础的塑性点开展情况,尽管短桩长度只有3.0m,但由于长桩的存在,短桩对土体中塑性区的开展影响不是很大。比较图5,6可知,短桩加固地基与筏板基础的塑性区开展范围大,强度也大,且主要集中在上部土层。因上部土层压缩性大,强度低,还具有流变性,将会导致该土层产生次压缩,后期变形大,从而影响建筑物的正常使用。长短组合桩、长桩加固基础的塑性开展区远比短桩加固基础、筏板基础的离开基础板中心距离/m沉降/mm0123456离开基础板中心距离/m土反力/kPa•3114•岩石力学与工程学报2021年(a筏板基础(b短桩加固基础图5筏板基础及短桩加固基础塑性点开展区Fig.5Intensityandrangeofplasticpointsoffoundationsreinforcedbycraftandshortpilesrespectively小,并且塑性点的开展强度也不大,只是零星地分布在基础板边缘及长桩的桩端处。由于长桩的桩端持力层有上部土体的超载作用,桩端处的零星塑性区并未连成一片,不能形成连续滑动面,利用第二硬层是合理的。(a长短组合桩加固基础(b长桩加固基础图6长短组合桩、长桩加固基础塑性点开展区Fig.6Intensityandrangeofplasticpointsoffoundationsreinforcedbylong-shortcompositepilesandlongpiles采用长短组合桩既能加固表层软土,利用第一硬层土,又能利用第二硬层土,起到控制沉降的作用,这就是长短组合桩加固方法控制沉降的原理。该工程已于2004年10月完成加固,目前沉降观察资料表明,沉降已趋于稳定,小于0.01mm/d的控制标准。4结论在计算条件下(短桩长度/基础宽度=0.25,长桩长度/基础宽度为1.46,本文获得以下结论:(1短桩加固地基与上筏板基础具有相似的荷载水平–沉降曲线,长短组合桩与长桩加固基础具有相似的荷载水平–沉降曲线。(2沿深度方向的沉降大小及分布,短桩加固基础与筏板基础相近,长短组合桩与长桩加固基础相近。(3沿水平方向的沉降,短桩加固基础与筏板基础的变化大并接近,长短组合桩与长桩加固基础变化小并接近。(4长短组合桩加固基础反力大小与分布与长桩加固基础相似,并呈边缘大、中心小的分布。(5短桩加固基础与筏板基础具有相似的塑性开展区及强度,主要集中在上部高压缩地层。长短组合桩加固基础的塑性开展区与长桩加固基础相似,主要集中在基础边缘及桩尖持力层。(6由于长短组合桩加固基础效果接近长桩,因此可以采用长短组合桩加固地基,并根据地层实际分布情况确定桩的长短,使长、短桩分别发挥各-20.00-10.000.0010.0020.00基础板宽度/m-20.00-25.00-15.00-10.00-5.000.00深度/m深度/m-20.00-25.00-15.00-10.00-5.000.00-20.00-10.000.0010.0020.00基础板宽度/m-20.00-10.000.0010.0020.00基础板宽度/m-20.00-25.00-15.00-10.00-5.000.00深度/m-20.00-10.00基础板宽度/m-20.00-25.000.00深度/m第27卷增1马海龙，等.长、短桩及长短组合桩加固地基特性分析ChinaArchitectureandBuildingPress，2002.(inChinese[6]•3115•自的加固作用。参考文献(References：[1]杨桦，杨敏，王伟.长短桩组合桩基础地基中的应力场和葛忻声，龚晓南，张先明.长短桩复合地基有限元分析及设计计算方法探讨[J].建筑结构学报，2003，24(4：91–96.(GEXinsheng，GONGXiaonan，ZHANGXianming.Finiteelementanalysisanddesignoflong-short-pilecompositefoundation[J].JournalofBuildingStructures，2003，24(4：91–96.(inChinese位移分析[J].同济大学学报(自然科学版，2006，34(5：593–597.(YANGHua，YANGMin，WANGWei.Stressanddisplacementinsubsoiloflong-shortpilefoundation[J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience，2006，34(5：593–597.(inChinese[2]陈昌富，肖淑君，牛顺生.长短桩组合型复合地基优化设计方法研究[J].工程地质学报，2006，14(2：229–232.(CHENChangfu，XIAOShujun，NIUShunsheng.Optimizationdesignmethodoflong-short-pilecompositefoundation[J].JournalofEngineeringGeology，2006，14(2：229–232.(inChinese[3]杨敏，杨桦，王伟.长短桩组合桩基础设计思想及其变形[8][7]赵明华，张玲，杨明辉.基于剪切位移法的长短桩复合地基沉降计算[J].岩土工程学报，2005，27(9：994–998.(ZHAOMinghua，ZHANGLing，YANGMinghui.Settlementcalculationofthelong-short-pilecompositefoundationwithsheardisplacementmethod[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，2005，27(9：994–998.(inChinese周德泉，张可能，刘宏利.组合桩型复合地基桩、土受力特性的试验对比与分析[J].岩石力学与工程学报，2005，24(5：872–879.(ZHOUDequan，ZHANGKeneng，LIUHongli.Workingperformanceofpilesandsoilincombined-pilecompositefoundation[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2005，24(5：872–879.(inChinese[9]刘奋勇，杨晓斌，刘学.混合桩型复合地基试验研究[J].岩土工程学报，2003，25(1：71–75.(LIUFenyong，YANGXiaobin，LIUXue.Fieldtestofacompositefoundationincludingmixedpile[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，2003，25(1：71–75.(inChinese[10]王卫.长短桩复合地基性状的有限元分析[J].淮海工学院学报特性分析[J].土木工程学报，2005，38(12：103–108.(YANGMin，YANGHua，WANGWei.Designphilosophyandsettlementanalysisofthecompositelong-shortpilefoundations[J].ChinaCivilEngineeringJournal，2005，38(12：103–108.(inChinese[4]张世民，魏新江，秦建堂.长短桩在深厚软土中的应用研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(增2：427–5432.(ZHANGShimin，5WEIXinjiang，QINJiantang.Researchonapplicationoflong-shortpilestodeep-thicksoftsoilarea[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2005，24(Supp.2：5427–5432.(inChinese[5]中华人民共和国行业标准编写组.JGJ79–2002建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.(TheProfessionalStandardsCompilationGroupofPeople′sRepublicofChina.JGJ79–2002Technicalcodeforgroundtreatmentofbuildings[S].Beijing：(自然科学版，2005，14(3：68–72.(WANGWei.Finiteelementanalysisoflong-short-pilecompositefoundation[J].JournalofHuaihaiInstituteofTechnology(NaturalScience，2005，14(3：68–72.(inChinese第23卷第6期Vol.23No.6材料科学与工程学报JournalofMaterialsScience&Engineering总第98期Dec.2005文章编号:167322812(20050620933206收稿日期:2005202110;修订日期:2005203216基金项目:教育部优秀青年教师资助计划项目([2002]04和西南交通大学校基金资助项目(2001B06作者简介:许荔(1981-,女,江西南昌人,博士研究生,目前主要从事复合材料力学及结构分析方面研究。纳米复合材料特性分析及界面研究许荔,江晓禹(西南交通大学应用力学与工程系,四川成都610031【摘要】概述了纳米颗粒增强复合材料的特性与制备方法。并对于分析纳米复合材料的主要观测手段SEM,M和HREM分别举例进行分析。分析表明,对于增强颗粒与基体之间的界面进行分析是分析纳米颗粒增强复合材料。【关键词】纳米颗粒增强;纳米复合材料;界面;SEM;TEM;HREM中图分类号:TB33文献标识码:APropertiesAnalysisandInterfaceResearchofNano2XULi,(DepartmentofAppliedMechanics,Chengdu610031,China【Abstract】methodsofnano2particlereinforcedcompositeswereintroducedandanalyzed.AndseveralexamplesontechniquesSEM,TEMandHREMofnano2compositesweregivenandanalyzedrespectively.Itcanbeconcludedthattheanalysisofinterfacebetweenreinforcingparticlesandmatrixisbasicandcriticalintheanalysisaboutmechanicspropertiesofnano2particlereinforcedcomposites.【Keywords】nano2particlereinforcement;nano2composite;interface;SEM;TEM;HREM1引言数百万年前,大自然就已经制造出优异的纳米复合材料,诸如骨骼、珠母贝壳等。但是,直到最近的十年,科学家们才开始认识到纳米材料具有奇特的性能,并努力探索纳米材料在各方面的应用。用纳米材料与其它基体材料(如树脂、橡胶、陶瓷和金属制成的纳米复合材料具有独特的性能[1-3],现在已经被世界各国有关人员所关注。纳米颗粒增强复合材料的优异性,如质量上的减少,增强的机械性能,特别是高硬度和高强度,高抗腐蚀性和改进的抗磨损性等使其成为研究热点。材料的宏观力学行为是由其微观结构决定的,与其微观力学行为也是密切相关的,然而,目前有关纳米颗粒与基体之间的界面研究的报道很少,所以界面的研究对于纳米颗粒增强复合材料的力学性能的研究极具推动作用。2材料特性纳米颗粒材料添加到其他材料中,根据不同的需要选择适当的材料和添加量可以达到材料改性的目的,应用前景广阔。因为复合材料中增强体的大小尺寸降到纳米数量级,会给复合材料引入新的材料性能。首先,纳米粒子本身具有量子尺寸效应,小尺寸效应,表面界面效应和宏观量子隧道效应等特殊的材料特性,这会给复合材料带来光、电、热、力学等方面的奇异特性;其次,纳米颗粒增强复合材料所具有的特殊结构,高浓度界面,特殊界面结构,巨大的表面能等等必然会大大影响复合材料的宏观性能。2.1良好的力学性质纳米颗粒增强复合材料具有极佳的力学性能[4],如高强、高硬和良好的塑性等。纳米氧化铝添加到氧化铝陶瓷中,显著地起到增强和增韧作用。Al2O3基体中含有纳米级SiC晶粒的陶瓷基复合材料,其强度可从单相Al2O3陶瓷的300~400MPa提高到1500MPa左右,材料的断裂性能提高幅度也在40%以上[5]。可见,纳米颗粒对于解决陶瓷材料的脆性问题行之有效[6],从而为提高陶瓷材料的可靠性、扩大陶瓷材料的应用开辟了一条新的途径。纳米Al2O3弥散到透明的玻璃中既不影响透明度又提高了高温冲击韧性,加入金属或合金中可以使晶粒细化,改善材料力学性质。纳米陶瓷微粒能显著改善其填充聚醚醚酮(PEEK的摩擦学性能[7-8]。纳米颗粒增强金属基复合材料具有高的高温强度[9]。2.2热学性能的改善高居里点、低电阻的PTC陶瓷材料,添加少量纳米二氧化铣可以降低烧结温度,致密速度快,减少Pb的挥发量,大大改善了PTC陶瓷的性能。三氧化二铝陶瓷基板材料加入3%~5%的27nm纳米Al2O3,热稳定性提高了2~3倍,热导系数提高10%~15%。纳米陶瓷也可以改善炭材料的高温抗氧化性能,实现自愈合抗氧化[10]。2.3电学性能的改善纳米颗粒尺寸越小,电子平均自由程越短,偏离理想周期场越严重,使得其导电性特殊。当晶粒尺寸达到纳米量级时,金属会显示非金属特征。尺度为60nm的氧化锌压敏电阻、非线性阀值电压为100VΠcm,而4mm的氧化锌,阀值电压为4kVΠcm。如果添加少量的纳米材料,可以将阀值电压调制在100V~30kV之间,根据需要设计具有不同阀值电压的新型纳米氧化锌压敏电阻。纳米材料添加到塑料中使其抗老化能力增强,寿命提高,添加到橡胶可以提高介电和耐磨特性。纳米Al2O3磨性大大提高,2、Cr2、Fe2O3、ZnO,和介电损耗大大优于常规材料的复合材料[11]。2.4光学性能的改善金属材料的屈服强度和硬度随着晶粒尺寸效应对纳米材料的光学特性有很大的影响。如它的红外吸收谱带展宽,吸收谱中的精细结构消失,中红外有很强的光吸收能力。极性纳米PbTiO3粒子加入环氧树脂中出现了双折射效应。纳米氧化物粒子与高聚物或其他材料复合具有良好的微波吸收系数。半导体微粒(GaAs,GeSi加入玻璃中或有机高聚物中提高了三阶非线性系数。纳米微粒Al2O3加入有机玻璃(PmmA中表现良好的宽频带红外吸收性能[11]。2.5其他方面纳米材料与常规材料的在磁结构方面的巨大差异,必然在磁学性能上表现出来。当晶粒尺寸减小到临界尺寸时,常规的铁磁性材料会转变为顺磁性,甚至处于超顺磁状态。纳米材料的比表面积Π体积很大,因此它具有相当高的化学活性,在催化、敏感和响应等性能方面显得尤为突出。将纳米材料添加到复合材料中,必定会给其引入磁学、化学等方面的优异性能。3制备方法纳米颗粒增强复合材料的种类繁多,其制备方法也各不相同,同一种复合材料可以采用几种方法制备,用一种方法也可以制备几种不同的复合材料。制备方法大致可以分成两类,物理复合法和化学复合法。3.1物理复合法物理复合法多指机械复合法,通常是利用机械剪切、挤压等作用使粒子复合在一起。根据其所用复合设备的不同大致可以分为机械研磨法,干式冲击法,高能球磨法,共混法,高温蒸发法和异相凝聚法等等。下面简单介绍机械研磨法和高能球磨法。机械研磨法能升级到大产量和适用于很多种材料。最初的想法是只能适用BBC和HCP金属,FCC金属近来已经成为这个领域上的研究热点。日本国防学院采用高能球磨法把纳米粉Y2O3复合到Co2Ni2Zr合金中,它们在合金中呈弥散分布,使得Co2Ni2Zr合金的矫顽力提高约两个数量级。用高能球磨法得到的Cu2纳米MgO或Cu2纳米CaO复合材料,氧化物微粒均匀分布在Cu基体中,复合材料的电导率与Cu基本一样,但强度大大提高。机械合金化法工艺简单,成本低,基体成分不受限制,但易产生杂质,氧化及应力。高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌,把粉体粉碎为纳米级微粒的方法。如果将两种或两种以上金属粉体同时放入球磨机,、压合、碾碎、再,,而不是用。所以高能球磨法也属于机械化学法。3.2化学复合法化学复合法是指通过液相或气相反应来制备纳米复合材料的方法。化学复合法较多,现在运用较广的有溶胶2凝胶法、非晶晶化法、沉淀法、气相沉淀法等。下面简单介绍溶胶2凝胶法和非晶晶化法。采用溶胶2凝胶法合成纳米复合材料是制备纳米复合材料最早的方法之一,近年来发展迅速,如CdSΠ玻璃,AgΠSiO2复合材料等。西安交大电子材料研究所采用溶胶2凝胶工艺制备了大量多组分铁电相凝胶玻璃,成功地在凝胶玻璃中生长出PbTiO3,Pb(Zr,TiO3,BaTiO3,KTiPO4等铁电微晶[11]。非晶晶化法可以通过非晶态固体的晶化动力学过程来获得纳米晶合金,也可以获得纳米复合材料。纳米级颗粒或晶须弥散分布在另一粗晶或纳米级亚晶粒组成的粗晶基体内。非晶晶化法不仅避免了污染问题,而且基体与增强相界面结合牢固。加入Nd后Ti80Si20非晶态合金的晶化初期析出相,以及完全晶化后,α2Ti颗粒弥散分布于Ti3Si基体中形成纳米复合材料。用非晶晶化法在原非晶基体上析出大量纳米尺度磁性粒子,使材料磁导率获得提高也是磁性纳米复合材料制备的重要方法之一。4检测手段及结果讨论纳米材料处在0.1~100nm尺度范围内,用肉眼和普通显微镜难以观测其微观结构。SEM、TEM和HREM通常可以被用来观测和分析纳米复合材料的微观结构。EDX可以被用来进行成分测定和对颗粒大小进行定量分析。4.1SEM图文献[12]对金属基复合材料AA6061Π(Al2O3p和未增强的AA6061合金做了对比的力学性能的研究。颗粒在基・439・材料科学与工程学报2005年12月体中分布均匀,由于基体与颗粒之间的差的结合力,增强的复合材料的Rp和Rm值低于基体的相应值。图1中①处反应物经测定成分是MgAl2O4,从图中可以明显看出界面的结合程度很差甚至出现断裂。图1AA6061Π(Al2O3pSEM图Fig.1AA6061Π(Al2O3pSEM图3(aAl220%SiC界面SEM图;(bAl220%Al2O3界面SEM图;(cAl213%B4C界面SEM图Fig.3SEMmicrographsshowingtheinterfacesof(aAl220vol.%SiC;(bAl220vol.%Al2O3;(cAl213vol.%B4C.图2(a银增强玻璃离聚物SEM图;(bAgSn增强玻璃离聚物SEM图;(cAgSnZnAl合金增强玻璃离聚物SEM图Fig.2SEMmicrographsof(asilver2reinforcedglassionomer;(bAgSnalloy2reinforcedglassionomer;(cAgSnZnAlalloy2reinforcedglassionomer文献[13]S聚物(MM和EX行了比较。由图2,在中每个合金颗粒周围都有环形的反应层,而在KS和MM中,却没有这样的反应层,而是有缺口存在于颗粒和基体之间。正因为在KS和MM中界面结合力的缺少,金属颗粒的添加并没有提高基体的强度和耐用性。因此可以知道提高基体与增强相之间的界面结合力是改善颗粒增强复合材料力学性能的最佳途径。文献[14]对B4C,SiC和Al2O3增强的三种Al基复合材料的微结构和界面特性做了对比研究。三种颗粒在Al基中分散均匀,有少量的团聚,Al2B4C中颗粒分散情况好于Al2SiC和Al2Al2O3。得出结论,B4C增强Al基复合材料的界面结合好于其他两种复合材料的界面。对比图3中的三个图,从图(a中可以看出界面之间存在明显的空隙,而从图3(c中可以看出B4C颗粒与Al基体结合良好。4.2TEM图文献[15]对SiCpΠAl复合材料的微结构进行了TEM研究,由图4可以观察到,SiC颗粒均匀分布在Al基体中并且结合完好,但是每个SiC颗粒周围都被反应层包裹着。图4SiCpΠAl复合材料界面TEM图Fig.4TEMmicrographshowinginterfaceofSiCpΠAl・539・第23卷第6期许荔,等.纳米复合材料特性分析及界面研究aSg;(bp界面;(SpΠMgAl8界面;(dSiCpΠMgRE3界面的TEM图Fig.5theinterfacesof(aSiCpΠMg;(bSiCpΠMgZn6;(cSiCpΠMgAl8;(dSiCpΠMgRE3.图6(a蠕变之前和(b蠕变之后Al2O3TEM图;(c蠕变之前和(d蠕变之后SiC颗粒增强Al2O3复合材料TEM图Fig.6TEMmicrographsshowing(atheAl2O3microstructurepriortocreep;(btheAl2O3microstructureaftercreep;(ctheSiC2reinforcedAl2O3microstructurepriortocreep;(dtheSiC2reinforcedAl2O3microstructureaftercreep.文献[16]对SiCpΠMg界面、SiCpΠMgZn6界面、SiCpΠMgAl8界面和SiCpΠMgRE3(RE:稀土元素界面进行了TEM分析。从图5中可以观察到,SiCpΠMgZn6界面、SiCpΠMgAl8界面和SiCpΠMgRE3界面结合与SiCpΠMg界面的结合一样的好,但是明显看到SiCpΠMgZn6界面、SiCpΠMgAl8界面和SiCpΠMgRE3界面之间有反应层的存在,Mg基体中的杂质的引入对于SiCp颗粒增强镁基复合材料的界面结合能力的影响很大。文献[17]将完好聚集在一起的颗粒状Al2O3材料与纳米SiC颗粒增强Al2O3复合材料的蠕变行为进行了比较分析。纳米SiC颗粒在Al2O3基体中分散均匀,SiC颗粒的引入减少了颗粒边界的滑移,对于蠕变有黏弹性变形作出了贡献,由于断层的运动允许材料进行塑性变形使得颗粒边界强度得到了提高。对比图6中的(b和(d,明显观察到在图(b中,颗粒之间存在大量的空隙,界面结合很差,而在图・639・材料科学与工程