時間：2023-02-21 08:24:09
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1 材料的結構
材料的結構是指材料的組成單元之間互相排斥、互相吸引的作用達到平衡時的空間分布。從宏觀到微觀有三個不同的層次，分別是宏觀組織結構、顯微組織結構和微觀結構。其中，宏觀組織結構是指用肉眼或者使用放大鏡觀察到晶粒、相的集合狀態。顯微組織結構也可稱為亞微觀結構，它是利用電子顯微鏡或者光學顯微鏡觀察到材料內部的微區結構或者晶粒、相的集合狀態。微觀結構是比顯微組織結構更細的一層結構，它本文由收集整理包括分子結構、原子結構、分子的排列結構以及原子的排列結構。通常情況下，金屬材料也被看做是由晶體的聚集體組成的。例如，合金可以看做是母相金屬原子的晶體和加入的合金晶體等聚集形成的聚集體；純金屬被看做是微細晶粒的聚集體。晶粒晶界上的結合其實是機械組合，展開來講就是當金屬由高溫熔體凝固析晶時，彼此嚙合牢固的在一起。晶粒之前的接觸面積越大，結合力也就越大。晶粒內部的結合力要大于晶粒間的結合力。軟銅、鋼、鋁、金可以承受較大的變形和塑形是因為在發生滑移變形時，原子間的相互位置依次錯開，并形成新的鍵，原子之間的鍵很難斷開。
2 材料的力學性能理論
2.1 材料受牽伸時的力學性能
塑形材料是指在外力作用下，產生巨大變形但不易被破壞的材料。屈服強度是指金屬材料發生屈服現象時的屈服極限，也是指抵抗微量塑形變形的應力。脆性材料是指在外力作用下，產生極小的變形，如陶瓷、灰口鑄鐵等，不存在縮頸現象和屈服階段。
2.2 材料受壓縮時的力學性能
壓縮試驗是用來測定材料受壓時的力學性能。在金屬壓縮試驗時，大多采用短粗圓柱形試樣，細長試樣在壓縮時極易失穩。相同的是，在屈服以前，拉伸曲線和壓縮曲線基本相同。不同的是，低碳鋼試樣在壓力逐漸增大的情況下，越來越扁。
2.3 材料的力學性能分析
剛度、強度和穩定性是評價一種材料和結構
力學性能的三大要素[3]。剛度是指材料抵抗變形的能力，具體體現在變形分析上。強度是指材料抵抗破壞的能力，具體體現在應力分析中。斷裂和疲勞也是強度問題的一部分，斷裂在宏觀中是因為結構中裂紋的擴展，結構中的最大應力大于結構材料的破壞極限引起斷裂。在微觀中是由于分子之間或者是原子之間的鍵斷開引起的。疲勞問題主要出現在塑形較高的材料中。對于強度更進一步的分析是彈塑性極限分析。穩定性是指結構抵抗外來擾動的能力，尤其是板、梁、殼在壓縮荷載下的穩定性問題。穩定性問題是結構設計和分析中非常重要的一個問題，可以從不同的理論分析穩定性問題，一方面是振動分析，結構的模態、動力相應和固有頻率，對結構固有頻率進行分析目的是為了避免結構的固有頻率和外力頻率接近引起的共振破壞。彈性穩定性理論還有初始后屈曲理論、非線性大撓度理論和前屈曲一致理論等。薄殼穩定性有塑性穩定性理論和彈性穩定性理論等。
3 多晶體新型材料力學性能分析
工程中的金屬材料很大一部分是多晶體材料，由于各晶粒是通過晶界聯結在一起，各晶粒的空間取向是不相同的，因此也就決定了多晶體材料塑性變形的特點。各晶粒塑性變形時的不均勻性和不同時性，當多晶體試樣受到外力作用時，雖然大部分晶粒還處于彈性變形范圍之中，個別取向有利的晶粒中和試樣的宏觀切應力方向一致的滑移系統中首先達到了滑移要求的臨界條件，因此塑形變形從這些晶粒開始。隨著應力的逐漸增大，參加塑形變形的晶粒逐漸增多。由于這種原因，多晶體材料的塑形變形不會發生在不同晶粒中。受此影響，塑性變形和連續屈服材料的應力之間沒有明顯的界限。
關鍵詞：材料力學；彈性力學；研究方法
概述
力學作為一門研究物質機械運動規律的科學，其在建筑、機械、航天、航海等關系國計民生、國家安全等重大項目上發揮著重要作用。材料力學（Mechanics of materials）和彈性力學（Theory of elasticity）都是力學的重要分支學科，盡管他們都是研究和分析各種結構物在彈性階段的應力和位移，但在研究對象和方法上仍然具有很大的差異。材料力學主要研究物體受理后發生的變形、由于變形而產生的內力以及物體由此而產生的失效和控制失效準則[1]。其主要的研究對象是桿狀構件，即長度遠大于高度和寬度的構件及其在拉壓、剪切、彎曲、扭轉作用下的應力和位移。材料力學除了從靜力學、幾何學、物理學三方面進行分析之外，通過試驗現象的觀察和分析，忽略次要因素，保留主要因素，引用一些關于構件的形變狀態或應力分布的假定，大大簡化了數學推演。雖然解答只是近似的，但是可以滿足工程上的精度要求。彈性力學作為固體力學的一個分支，研究可變性固體在外部因素如力、溫度變化、約束變動等作用下產生的應力、應變和位移[2]。其研究對象既可是非桿狀結構，如板和殼以及擋土墻、堤壩、地基等實體結構，亦可是桿狀構件，并且其不引用任何假定，解答較材料力學更為精確，常常用來校核材料力學里得出的近似解答。
材料力學與彈性力學同樣作為變形體力學的分支，在解決具體問題使，需要將實際工程構件的研究對象抽象為理想模型。作為理想模型，在建立其已知量和未知量的推導關系時，要滿足如下基本假設：連續性假設、均勻性假設、各向同性假設、小變形假設、完全彈性假設。下面本文將就在一下具體問題的解決中，探討材料力學和彈性力學在研究方法上的差異。
1.直梁在橫向荷載作用下的彎曲研究
1）在純彎曲梁中，對于平截面假定的驗證
材料力學在研究梁的彎曲應力時，采用純彎曲段分析。通過觀察對比梁變形前后表面橫向線和縱向線的幾何變形，推測梁內部橫截面在變形后仍為平面。在彈性力學中，證明了其橫截面是否為平面的過程如下：
假定平面應力情況，已通過多項式解答取φ=ay3，求得純彎曲矩形梁的應力分量，將應力分量代入物理方程、幾何方程，并積分變換得位移分量的表達式：u=MEIxy+f1（y）ν=-μM2EIy2+f2（x）
通過數學變換求得位移分量為：
u=MEIxy-ωy+u0
ν=-μM2EIy2-M2EIx2+ωy+ν0
其中ω、u0、ν0為剛移
由上式可得，鉛直線段的轉角為：
β=uy=MEIx-ω
在同一個截面上，x是常量，因而β也是常量?？梢姡粰M截面上的各鉛直線段轉角相等，即橫截面保持平面。
2）對于截面彎曲應力的修正與分析
在材料力學中，根據平面假設和單向受力狀態導出了應力公式。但此公式僅限于純彎曲梁，當梁受橫向外力作用時，梁發生橫力彎曲，此時變形后已不再是平面，單向受力狀態也不成立。針對此問題，材料力學一般做簡化處理。對于跨長與橫截面高度之比大于5的梁，用純彎曲正應力公式σ=MIy進行計算，結果雖然有誤差，但足以滿足工程上的精度要求，近似用該公式得到的結果作為橫力彎曲的正應力計算公式。
而在彈性力學中，采用半逆解法嚴密的推導了各應力分量。以均布荷載下的簡支梁為例，假設應力分量形式σy=f（y），由應力函數與應力分量的關系導出應力函數，并代入相容方程得到各應力分量的表達式?？紤]主要邊界與小邊界后，得截面上的應力分量為：
σx=MIy+qyh（4y2h2-35）
σy=-q2（1+yh）（1-2yh）2
τxy=FSbI
由上式可見，在彎應力σx的表達式中，第一項是主要項，和材料力學中的解答相同，第二項是彈性力學提出的修正項。對于通常的淺梁（跨高比大于5），修正項很小，可以忽略不計，對于較深的梁，則必須考慮修正項。
應力分量σy是梁各層纖維之間的擠壓應力，它的最大絕對值是q，發生在梁頂。在材料力學中，由于單向應力假設，認為縱向線之間互不擠壓，一般不考慮該應力分量。
切應力τxy的表達式和材料力學完全一樣。
從表達式中可以看到，當l>>h時，σx最大，τxy次之，σy最小，且σx中的qyh（4y2h2-35）是高階小量。因此進一步說明了，材料力學的公式可以近似滿足工程梁的計算精度，而彈性力學推導相對復雜因此材料力學具有較強的實用性。
2.切應力互等定理
在材料力學中，以圓桿的扭轉為背景，考慮了一個特殊的簡單應力狀態，并加以推理得到了切應力互等定理。在沿桿軸線方向取微段dx，垂直于徑向的平面截出一無限小的單元體，則很容易得出內外表面無應力，只在左右兩個面上有切應力τ。則該單元體將會轉動不能平衡，所以推定在上下兩個縱截面上必定存在著τ'。由于面積很小，近似認為切應力在各面上均勻分布。
由平衡方程ΣM=0得到
（τdydz）dx=（τ'dxdz）dy
從而得到：τ=τ'
而在彈性力學中，則從最普遍的情況出發，不作任何假設。取微小的平行六面體，根據平衡條件導出應力分量之間的關系。由對中心點的力矩平衡方程，得到：
（τxy+τxyxdx）dy×1×dx2+τyxdy×1×dx2-（τxy+τxyydy）dx×1×dy2+τyxdx×1×dy2=0
將上式兩邊同除dxdy，合并同類項，并命dx dy趨于零，得到τxy=τyx
從而驗證了切應力互等定理。
從切應力互等定理的導出我們可以發現，材料力學在推導過程中運用了一些推理和假設，而彈性力學的推導過程是比較嚴密和精確的。
總結
彈性力學與材料力學同樣作為力學的分支，基本假定和理論體系是相同的。在力學史上，首先出現了研究變形體力學的理論，屬于彈性力學的研究范疇，但由于當時相應的數學水平得不到相應問題的解析解，才在求解過程中引入一些關于變形和應力分布的假設，形成材料力學這門學科。
在研究對象方面，材料力學的研究對象是桿狀構件，而彈性力學的研究對象則有桿、梁、柱、板等結構。因此彈性力學有更廣的適用性，而材料力學具有一定的局限性。
在解決具體問題是，材料力學常采用截面法，即假想將物體剖開，取截面一邊的部分物體作為截離體，利用靜力平衡條件，列出單一變量的常微分方程，以求得截面上的應力，在數學上較易求解。彈性力學解決問題的方法與材料力學的方法是不相同的。在彈性力學中，假想物體內部為無數個單元平行六面體和表面為無數個單元四面體所組成?？紤]這些單元體的平衡，可寫出一組平衡微分方程，但未知應力數總是超出微分方程數，因此，彈性力學問題總是超靜定的，必須考慮變形條件。由于物體在變形之后仍保持連續，所以單元體之間的變形必須是協調的。因此，可得出一組表示形變連續性的微分方程。另外，在物體表面上還必須考慮物體內部應力與外荷載之間的平衡，這樣就有足夠的微分方程數以求解未知的應力、應變與位移，所以在解決彈性理論問題時，必須考慮靜力學、幾何方程、物理方程以及邊界等方面的條件。因此需要研究人員具備較扎實的數學基礎。由于數學上的困難，彈性理論問題不是總能直接從求解偏微分方程組中得到答案的。
在計算精度方面，材料力學在計算過程中引入一些假設以簡化計算，得到的計算結果雖然精度偏低，但已經能夠滿足工程上的精度需要，并且受力模型簡單，能夠很快的得到應力分布，實用性較強。而彈性力學通過嚴密的推導，雖然計算過程繁瑣但精度高。
綜上，材料力學和彈性力學兩門力學分支學科關系密切，適用范圍互補，研究方法及精度各有長處，將他們綜合應用，才能在我們的學習和科研中取得更好的效果。
[參考文獻]
【關鍵詞】取樣規范性；加荷速度；溫度濕度；尺寸精度；數據處理
在工程建筑中，應當充分強化對建筑材料的把關問題，其對整體建筑質量具有重要意義，對建筑材料檢測過程中，應當充分發揮科學檢測設備與規范操作程序的作用，提高材料檢測的科學性與準確性。本文主要針對影響建筑材料檢測科學性與準確性等方面開展研究。
1 建筑材料檢測取樣
1.1 取樣必須遵循規范原則
對建筑材料的規范取樣非常重要，因為檢測的報告不僅是對樣本的性能反映，也是對整批次材質性能的反映，代表整體質量，檢測報告的科學性與樣品采集規范化程度具有直接關系，只有按照規范進行取樣，才能夠保證整個檢測與分析過程的科學性，出具的報告才具有科學性與權威性。
1.2取樣必須遵循代表原則
檢測樣本的取樣必須具有代表性，在完成樣本數量的同時，一定要嚴格按照部位與方式進行，應當堅持從每一批材料的不同方位隨機抽取檢測樣本，鋼材采取的是指定位置截取的方式。取樣數量不足以及方式方法的差異性，都會對檢測結果的科學性產生影響，甚至與實際情況不一致[1]。
在實際建筑材料檢測工作中，個別技術人員貪圖省事，在檢測樣本的選取方面出現數量不足或者取樣方式不正確的現象，如袋裝水泥的檢測，應當從同一批次不少于20袋的產品中進行隨機抽樣，質量不少于12kg，實際檢測中，經常會出現半袋或者整袋水泥作為樣品的檢測，不具代表性，有時候檢測結果與使用前復檢結果出現較大出入，其檢測結果不具備科學性。
2 材料檢測過程注意點
2.1 環境溫度濕度影響
部分建筑材料的性能受到環境濕度溫度的影響，會導致其性能發生改變。在建筑材料的貯存以及性能檢測中，一定要兼顧到環境的濕度溫度關系，要將其嚴格控制在規定范圍之內，這樣才能夠保證檢測結果的準確性，檢測結果的對比性才更加科學。如水泥膠砂強度試體成型檢測中，環境的溫度應當有效控制在20土2℃的范圍之內，相對濕度不得小于50%，再比如試體水池養護溫度一般應控制在20土1℃的水平，要避免因為環境濕度溫度超出規定范疇而導致的檢測結果不準確。
2.2 加荷速度影響
正常條件下，開展建筑材料力學性能檢測過程中，如果加荷速度偏快，那么試件變形要比加在上面的荷載要慢一拍，檢測出來的強度數據會比材料實際強度高一些。但是，在芯樣混凝土等試件抗壓強度測試中，加荷速度快慢對檢測結果影響卻不同（見表1），主要原因是速率過大導致雙球座裝置未能及時調整到位，試件與上壓板有間隙，產生偏心受壓降低了強度。所以，測試中的加荷速度一定要嚴格按照規范程序操作，在規定范圍內以低值為準[2]。
表1 不同速率混凝土抗壓強度對比分析數據
序號 速率/（MPa/s） 芯樣抗壓強度/ MPa 不同速率差/%
一 0.3 27.4 11.8
0.5 24.5
二 0.45 31.4 5.4
0.55 29.8
三 0.5 37.4 5.4
0.8 35.5
2.3 試件尺寸與精度
開展材料力學性能檢測時，測試件應該為標準件，否則要進行規范化處理。如混凝土抗壓強度試件以邊長150mm的正方體為標準件，集料最大粒徑31.5mm。當混凝土抗壓強度以非標準試模制作出非標準件時候，集料粒徑要與下表2規定相符，抗壓強度數據應當乘以尺寸換算系數，專門在報告中闡述。
表2抗壓強度尺寸換算系數參照表
開展試件檢測前，要對試件的形狀與尺寸進行檢查，平整度不好以及尺寸不規范，都能夠影響測試數據精確性。
2.4 關于誤差問題
整個檢測過程應當嚴格遵守規范，但是受到操作習慣、設備差別以及環境、材料等方面差別，檢測結果能夠出現誤差。對誤差的檢測主要有三種途徑，第一種就是平行檢測誤差，將同一樣品分為幾個試樣，在相同機器上進行檢測，之間的差異為平行檢測差異，主要考慮到材料勻質性，允許誤差值很小。另一種就是同一組試件誤差，側重于兼顧到操作人員熟練性不同。如混凝上試件抗壓強度以及抗折強度監測數據中, 以一組3個試件測值平均值作為測定值。如出現測值和中值偏差達到15%時，去中間值，三組試件中有兩組出現上述現象，表明該實驗無效。還有一種誤差為同一批次材料、同一種樣品，在不同設備檢測中表現出來檢測結果誤差，稱為再現性誤差或對比性誤差。這一類性誤差較大，因為不同設備與操作人員以及不同的環境濕度溫度，都影響檢測結果。采取此檢測方式，一般將樣品平均分為兩份，一份交給專業質檢機構，另一份留在本單位，對檢測結果進行對比，之間相差過大要分析原因并加以解決。這樣的檢測活動，每年一般進行1-2次，有助于提高本單位檢測技能[3]。
3數據處理問題
3.1 數值修約
數據處理修約應當與材料標準要求的位數相吻合，還要與數值修約規則吻合，數值修約不正確容易造成結果誤判。檢測數值必須按標準規定開展修約，計算過程中不得修約?！稊抵敌藜s規則》規定四舍六入五單雙。
3.2數據取舍
即使在同一組試件中進行測定，檢測結果離散性經常出現，為確保檢測數據科學準確，對一些檢測結果可以進行取舍，將明顯過大或過小的數據作為可疑數據。因此, 在開展數據分析之前，可以運用數理統計法進行真偽性辨別，科學取舍，常用的數據取舍方法有拉依達法、肖維納特法、格拉布斯法格拉布斯法燈。
4 檢測結論問題
我們認為探究性學習即是在教學過程中創設一種類似研究的情景和途徑，讓學生通過主動的探索、發現和體驗，學會分析和判斷，從而增進思考力和創造力。
1．探究性教學把教學活動的本質看成是“學生的發展過程”，教師指導學生認識世界只是為學生發展服務的，即是達到學生發展目的的手段與條件。因此，教學過程中教師不是盯著學生“知道了什么”，而始終著眼于學生“發展得怎么樣”。所以，在課堂中，我們認為不是看教師講得什么樣，而是應該看學生學得怎么樣。即（1）增加學生緊張的智力活動時間。（2）盡可能提高學生緊張的智力活動的品味，不斷提高學生對學習材料進行智力加工的思維質量，只有通過這兩方面的努力，才能真正體現一堂課的效益。這樣，才體現了“教育是培養人”的教育本質。
2．探究性教學在教學內容的運用上，教師既憑借教材又不局限于教材，教學過程中教師可根據學生發展的要求，隨時調整與更新教學內容，最大限度地滿足學生求知與發展的需要。
3．探究性學習的教學方法以“啟發”式為方法論的指導思想，教學中教師特別注重指導學生學會學習，學會發現與探究，培養他們的探究創新能力，所以，探究性教學還須注重實踐鍛煉方法的運用。
4．積極探索探究性學習的過程性評價體系。我們認為探究性學習更關心學習的過程，學生是否掌握某個具體的知識當然重要，但更關鍵的是能否對所學知識有所選擇。判斷。解釋、運用，在教學中我們往往訓練學生用“是什么”、“為什么”、“怎么辦’’來完成對一個問題、一件事情的思維過程。這種教學中重視思維過程訓練，淡化思維結果追求的做法，會逐漸使學生形成一種解決問題的能力，一種不斷學習新知識的能力，一種可持續發展的能力。因此，探究性學習的評價趨向全程化。多元化和彈性化是勢在必行的了。5．探究性學習應積極實施以有效發展為標準的調控，認真做到凡對學生發展產生積極作用的教學行為就強化和肯定，做到形式服從內容的需要。例如：對課堂座位的排例不作整齊劃一的硬性規定。又如課堂中對某些內容、某些實驗操作學生特別感興趣，教師可作臨時調整，增加一至數倍時間，以滿足學生的好奇心與求知欲，以培養他們的探索精神。
二、指導學生合作學習
合作學習的形式與時機
1．教學中，無論是什么方式的合作學習，都必須以學生扎扎實實的獨立學習為基礎，合作學習不是以尖子生做小老師，中下學生做聽眾的學習方式，而是每個學生積極參與，人人貢獻出思維成果，人人既是老師，又是學生。
2，教學中，合作學習可以是同桌議論，也可以是四人小組討論，還可以讓學生自由選擇合作對象，三四個、七八個都行，只要有利于合作學習，應當有多種選擇：內容簡單的題目，可以同桌合作；難度大的問題，可以四人小組討論，學習的內容不一樣，應當選擇相同學習內容的伙伴合作。
3．合作學習在安排上必須遵循“寧少勿濫、寧短勿長”的方針，做到可有可無的不安排，不適當的不安排，一般來說，合作學習的時間可短些，有半數小組結束討論時，應當及時打停，轉入新的學習。
4．小組學習后，同伴討論得出的結果，用于集體，每個學生都有所有權，在全班學習匯報時，應當由小組推選一位同學匯報，其他同學來補充。在評價時，教師應肯定的是這整個小組的學習成功，而不是哪一個尖子生。
合作學習的效果及評價
1．激活思維
小學生的思維受環境的影響，常常會碰撞出絢麗的思想火花，然而他們的思維又常常是稍縱即逝的?；锇橹g的合作學習，給學生提供了一個安全的、融洽的、自由的環境，為他們積極的思維活動創造了條件。討論不同于交換物品，一個蘋果交換一個蘋果，合作學習交換的是思想，有效的小組討論，激活的是學生的思維，必定產生1＋1≥2的效果。
2．訓練語言
課堂教學中，學生只憑耳朵聽，一般只能吸引5—20％的的信息，傳統的教師和個別學生的一問一答，即使尖子生的回答是100％正確，這一尖子生單位時間里得益是100％，但是其他學生語言訓練卻難以得到提高，當學生合作時，每個學生必須動腦、動口、動手，每個學生都即是老師又是學生，還是聽眾，耳、口、眼、腦并用，教學的單位時間效率大大提高，每個學生獨立地在課堂上表情達意的訓練次數和時間也相應增加了許多。
【關鍵詞】 碳纖維 復合材料低溫力學性能
1 碳纖維復合材料超低溫環境力學性能研究背景
如何降低空間飛行器在發射時的成本，使空間飛行器的發射效率提高，一直以來都是各國進行研究的關鍵領域之一。20世紀90年代中期，美國國家航空航天局（NASA）開始了對亞軌道可重復使用飛行器（RLV）的研發試驗。
針對這一新形勢，我國在“十五”計劃初期，即開展了可重復使用飛行器技術的跟蹤、探索和研究。為了避免在全球競爭中出現裝備跨代落后的不利局面，而加大了對可重復使用飛行器的研發力度。
由液氫（-253℃）、液氧（-183℃）、液氮（-196℃）、液氦（-269℃）及其蒸發氣體共同組成了主要的超低溫流體介質。其中，液態氫和液態氧是液體火箭發動機發射過程中，一種具備比推力大的燃料，并且不產生污染物質；液He是作為空間裝置、超導裝置中廣泛應用的低溫密封介質；液態氮具有惰性特質、價格低廉并且介于液氫和液氧之間的熱力學特點，常應用于低溫試驗和作為預冷介質[2]。
在以液態燃料作為飛行器動力系統燃料供應的設計中，液氧（LO2）燃貯箱及工作系統使用溫度為-183℃，液氫燃料貯箱及工作系統使用溫度為-253℃，液氫燃料貯箱及供給管系統和液氧燃貯箱及供給管系統工作于低溫環境。當飛行器返回時，可重復使用運載器貯箱及供給管要承受170℃的高溫考驗，燃料貯箱工作溫度范圍很大，因此在設計時必須綜合考慮在此溫度范圍內應用復合材料貯箱的可靠性[3]。
上世紀80至90年代，研發復合材料液氫貯箱的課題在美國國家航天飛機（NASP）計劃以及DCX計劃都涉及，并取得了一些成就。X-33計劃則直接計劃使用復合材料液氫貯箱，但由于在實驗中，熱應力引起微裂紋導致液氫滲漏以及其他技術方面問題，最終決定用鋁制貯箱將出問題的復合材料貯箱代替下來。相比其國外研究機構對飛行器貯箱材料方面的嘗試，國內對超低溫用樹脂基增強復合材料的研究還處于起步階段，出于保險考慮，貯箱一直采用金屬材料，在超低溫復合材料方面技術性的突破成為國內研究的重點課題。
2 國內外對碳纖維復合材料超低溫力學性能的研究現狀
目前，在工程中有著非常廣泛應用的樹脂基復合材料主要包括：連續纖維增強環氧、雙馬和聚酰亞胺復合材料。他們具有較高的比強度和比模量，能夠有效的抗疲勞、耐腐蝕，并且可設計性較強，便于大面積整體成型，并且，他們還具有特殊電磁性能等特點。先進樹脂基復合材料已經成為繼鋁合金、鈦合金和鋼之后的最重要航空結構材料之一。
先進樹脂基復合材料在飛行器材料應用上表現出色，目前已經在部分機型上實現減重效益，這是使用其它材料所不能比擬的。因此，先進樹脂基復合材料的用量比例已經成為航空結構先進性的重要標志之一。
2.1 超低溫復合材料用基體
據了解，應用在超低溫環境下的樹脂基體主要有：
（1）熱固性樹脂包括：環氧樹脂，氰酸酯樹脂，聚酰亞胺等；
（2）熱塑性樹脂包括：聚醚酰亞胺，聚醚醚酮，聚四氟乙烯，聚醚砜，聚苯硫醚，聚砜，液晶聚合物等。
配方的設計對于樹脂基體制備非常重要。對于環氧樹脂材料，經常會碰到脆性過高、容易開裂的問題。解決這一問題行之有效的方法是使環氧樹脂柔性化，或是使整個配方體系柔性化。而這也是我們在該試驗中在選取材料方面提前做好的準備。經過柔化的環氧樹脂脆性降低，不易開裂，在工程應用中表現更加出色。
可重復加工的特點是高性能熱塑性樹脂具備的特點之一，在低溫復合材料中的具有很大的潛在應用價值。比如說，碳纖維增強聚醚醚酮復合材料力學性能，雖然在超低溫破壞強度方面表現良好，但由于成型困難以及巨大的加工成本，限制了熱塑性基體在低溫領域下的應用。
在本次試驗中所應用到的便是改性后的環氧樹脂，改性后使其在常溫和低溫下均具備穩定的力學性能。
2.2 超低溫復合材料用增強材料
纖維增強復合材料是由增強纖維，如玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維等材料與基體經過模壓、纏繞或拉擠等工藝而形成的復合材料。
在一些低溫工程中，由于纖維增強復合材料具有如下特點：
（1）比模量大，比強度高；（2）材料具有可設計性；（3）抗腐蝕性和耐久性能良好；（4）熱膨脹系數與混凝土材料形似。根據他們特性及制備加工工藝方面的綜合考慮，應用最廣泛的增強纖維是碳纖維和玻璃纖維。
對于玻璃纖維，研究表明，低溫下纖維的拉伸強度和拉伸模量均有不同程度的增加，玻璃纖維Weibull分布尺度參數有很大的提升。玻璃纖維，E-glass從室溫到4K，它的楊氏模量提高15%，S-g lass從295K到4K其楊氏模量提高10%。
碳纖維增強樹脂基復合材料，由于它在航空航天軍事等領域應用較多，因而也成為科研工作者研究的熱點。試驗發現，將模高強碳纖維作為超低溫復合材料的增強材料，強度和模量與室溫時相比變化很小，是比較理想的超低溫增強材料。
2.3 樹脂基復合材料制造工藝
依據不同類型的復合材料、不同形狀的構件以及對構件質量和性能的不同要求，先進樹脂基復合材料可采用不同的成型工藝。目前航空航天領域先進樹脂基復合材料主要成型工藝包括：熱壓罐成型工藝、RTM成形工藝、纏繞成型工藝、拉擠成型工藝、熱壓成型工藝、自動鋪放工藝等。
通過對上世紀六十年代至九十年代不同組織及個人對各類常用纖維復合材料常、低溫力學性能測試的結果做出總結與比較。R.P.Reed、M.Golda、J.B.Schutz等人發現：低溫狀態下，芳族聚酰胺纖維復合材料的低溫拉伸強度與常溫時比較變化較小，而其他各類纖維復合材料的低溫拉伸強度均比常溫狀態時有所提高。
參考文獻：
[1]王嶸，郝春功，楊嬌萍，張雄軍，付紹云，王繼輝.超低溫復合材料的研究進展.化工新型材料，2007.
關鍵詞：FRP 力學性能 研究進展
如何提高鋼筋混凝十結構的耐久性、增強使用壽命是土木工程中迫在眉睫的問題。鑒于上述方面的需要，由于纖維增強聚合物(FRP)具有輕質、高強、耐久性好等優點，日本、美國、歐洲等發達國家很早就開始對其研究，探索其替代預應力高強鋼筋(鋼絞線)的可行性?，F在FRP材料在混凝土結構中的應用受到越來越多的國家學者的關注，已成為國際混凝土領域的一大熱點。
1、FRP的組成
根據FRP纖維種類的不同，FRP可分為碳纖維CFRP、玻璃纖維GFRP、芳綸纖維AFRP以及近來國外新開發的PBO-FRP復合材料和DFRP等復合材料，還有國內最近投入生產的連續玄武巖纖維CBF等。
FRP筋是以纖維為增強材料，以合成樹脂為基本結合材料，并摻入適量的輔
助劑，采用擠拉成型技術形成的一種新型復合材料。FRP復合材料的物理力學特性與纖維種類、纖維含量、粘結基體、表面處理以及成型工藝等因素有關，不同成分的FRP筋性能差別很大。
2、FRP筋的特點及力學性能
FRP復合材料具有抗拉強度高、質量輕、不銹蝕、熱膨脹系數低、無磁性以及抗疲勞性能好等特性。如CFRP的抗拉強度可達到3000MPa以上，比強度高(比鋼材高lO～15倍)；CFRP和AFRP的抗疲勞性能較好，大大優于鋼材，其疲勞極限可達靜荷載強度的70％～80％，但GFRP的疲勞性能低于鋼材。
與鋼筋不同，FRP筋是各向異性材料，FRP筋的應力-應變關系呈線性關系，
與鋼材應力-應變關系比較如圖1所示。FRP在達到極限抗拉強度之前無塑形，且FRP筋的極限應變比鋼筋小。
FRP材料與普通鋼材的性能比較見表1。新型FRP產品PBO-FRP除具有與高強CFRP有相近的力學性能外，還表現出更好的物理性能，如良好的柔韌性等；DFRP沖也具有優異的物理力學性能，抗拉極限應變可達3.5％，延性良好[1]。
三種材料雖然同屬于復合材料有很多共性，但在具體量值上也存在著很多差異：
(1)在抗拉強度方面，CFRP筋最高，達到甚至超過高強鋼筋；AFRP筋居中，與高強鋼筋強度相近；GFRP筋強度最低，總體上略低于高強鋼筋。
(2)在彈性模量上，由高到低分別為CFRP、AFRP、GFRP，各自彈性模量大致相當于高強鋼筋彈性模量的75％、40％、20％。
(3)與高強鋼筋相比，FRP筋還存在徐變斷裂問題。GFRP筋最容易發生徐變斷裂，CFRP筋不易斷裂，AFRP筋介于其間。
(4)FRP筋的溫度膨脹系數與混凝土有些差異，GFRP筋與混凝土相差不大，設計計算中可以忽略不計，而CFRP筋和AFRP筋與混凝土差別較大，計算中要予以考慮。
3、FRP材料在土木工程中的研究和應用現狀
美國是首先研發FRP材料的國家。但由于GFRP用于混凝土中效果并不理想而一度中斷。而后，隨著FRP筋在日本的成功運用，得到世界各國的普遍重視，紛紛加入到FRP筋應用的研究領域，并相繼取得了一些可喜的成果。在最近5年內，美國己建成近百座FRP橋梁。
近幾年來，FRP筋混凝土結構和預應力混凝土結構在國外發達國家相繼取得成功，極大地調動了我國技術人員的研究熱情，多家科研單位和高校紛紛開展了對FRP筋的研究。我國在FRP筋應用方面尚未頒布相關的指導意見和規范，采用FRP筋建成的混凝土結構還很少。近期，國內第一座CFRP斜拉橋和CFRP體外預應力簡支粱橋將分別于江蘇鎮江和淮安建成，兩座橋梁均由東南大學設計完成。
4、結語
在借鑒國外研究成果的基礎上，結合國內實際工程的使用特點，FRP材料的應用研究將步人一個嶄新的階段，其使用面也將得到全面的擴大。通過相關規范與規程的制定，以及纖維復合材料國產化的加速，FRP在改善結構體系，加固修復混凝土結構技術方面將比以往傳統的技術更加優越，更有效率，具有重大的經濟和社會效益。
參考文獻:
[1]羅益鋒.高科技合成纖維新進展．高科技纖維與應用，2000，25(4)：1.8
1.青島大學附屬煙臺毓璜頂醫院脊柱骨科，山東煙臺 264000；2.重慶大學機械工程學院，重慶 400044；3.第三軍醫大學附屬新橋醫院骨科，重慶 400037
[摘要] 目的 研究新式微創經骶骨前入路腰骶椎內固定系統在材料力學方面的生物力學特點。方法 對新式微創腰骶椎中軸固定螺釘進行有限元建模，并以材料（不銹鋼）和負荷狀態（生理負荷或極限負荷）為邊界條件，通過有限元分析，研究其在不同邊界條件組合下的載荷強度和分布狀況。結果 在人體腰骶椎生理和極限兩種負荷狀態下，中軸固定螺釘所承受的最大壓強值為489MPa，此數據小于冷軋加工和冷鍛條件下不銹鋼的屈服強度（792MPa和1213MPa），說明以這兩種加工條件所制造的不銹鋼為制造材料，新式微創內固定系統均可達到強度要求，而且機械性能特點基本相同。結論 新式微創經骶骨前入路腰骶椎內固定系統在材料力學方面達到了設計要求，適合臨床應用。
[
關鍵詞 ] 微創；內固定；生物力學；有限元
[中圖分類號] R687.3
[文獻標識碼] A
[文章編號] 1672-5654（2014）06（c）-0021-02
Study on materials’ mechanics of a new minimally-invasive lumbosacral internal fixation device.
LV Honglin1 LIU Hongtao1 YANG Xiangang2 ZHENG Wenjie3 ZHOU Yue3
1.Department of Spinal Orthopedics, Yantai Yuhuangding Hospital, Medical College of Qingdao University, Shandong 264000 ,China;2.College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044 ,China;3.Department of Orthopedics, Xinqiao Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400037 ,China
[Abstract] Objective To research the biomechanical characteristics of the new designed device that were in the mechanics of materials. Methods Set up the finite element model of the device, and for the boundary conditions of materials (stainless steel) and load conditions (physiological or extreme loads), study its combined intensity and distribution of load under different combinations of the boundary conditions, by finite element analysis. Results Under the physiological and extreme load states of the lumbosacral vertebrae, the maximum pressure bear by the device was 489MPa, the data was less than the yield strength of cold rolling and cold forging conditions of stainless steel (792MPa and 1213MPa), so made with this two kinds of processing conditions for manufacturing stainless steel material, the device both met the requirement of strength, and the characteristics in mechanical function were basically identical. Conclusion The new fixation device has met the designing requirements in the mechanics of materials, and was fit to be applied in the clinical treatment.
[Key words] Minimal invasion; Internal fixation; Biomechanics; Finite element analysis2004年Cragg首次公開報道了經骶骨前入路的經皮腰骶椎前柱融合內固定系統—AxiaLIF系統[1]，其做為新型的微創手術系統，最大限度的減少了手術對入路旁組織、椎旁軟組織及脊柱結構的損傷。該系統先后在美國及歐洲應用于臨床，取得較好的效果，近年來國內亦有應用。本文作者將AxiaLIF系統技術理念與國人腰骶椎解剖特點相結合，設計出適合國人的新式微創經骶骨前入路腰骶椎內固定系統及手術方式，并獲得國家發明專利授權(專利號：ZL 200710092647.1)，并于2012年1月—2013年12月通過對該專利系統的核心器械—中軸固定螺釘的有限元建模和分析，研究其在材料力學方面的生物力學特點，評估其是否達到設計要求，為其進一步改進和最終應用于臨床提供材料力學研究基礎。現報道如下。
1材料與方法
1.1實驗對象
實驗設計的適合國人的微創經骶骨前入路腰骶椎內固定系統中的中軸固定螺釘。
1.2實驗方法及指標
1.2.1建立實驗對象的有限元模型 通過PRO/E WILDER 3.0軟件，建立中軸固定螺釘的三維立體模型，通過MSC.PATRAN 2005R2軟件，建立三維有限元模型。
1.2.2實驗對象的有限元分析 采用MSC.NASTRAN 2004軟件進行分析，結果由MSC.PATRAN 2005R2軟件讀取。
（1）邊界條件。①材料。以脊柱內固定常用的不銹鋼為制造材料，其力學特性見表1。② 負荷狀態。以腰骶椎生理和極限兩種負荷狀態為實驗對象的負荷狀態，具體數據見表2。
（2）邊界條件分組。將材料和負荷狀態兩類臨界條件進行組合，得到6組不同的臨界條件組合，具體如下：第一組：不銹鋼+生理狀態垂直壓縮；第二組：不銹鋼+生理狀態屈曲+生理狀態扭轉；第三組：不銹鋼+生理狀態垂直壓縮+生理狀態屈曲+生理狀態扭轉；第四組：不銹鋼+極限狀態垂直壓縮；第五組：不銹鋼+極限狀態屈曲+極限狀態扭轉；第六組：不銹鋼+極限狀態垂直壓縮+極限狀態屈曲+極限狀態扭轉；
（3）邊界條件加載。將三維有限元模型底部固定，在其頂部施加力和力矩。
（4）分析指標。實驗對象在上述各邊界條件組合下的載荷強度和分布狀況。
2結果
建立中軸固定螺釘的三維立體模型及三維有限元模型，該模型共有節點36498個，網格20257個。
中軸固定螺釘的有限元分析，見表3。
3討論
近30年來，脊柱內固定技術得到了十分迅猛的發展，目前應用于幾乎所有脊柱疾患[2] 。近年來，微創脊柱外科(minimally invasive spinal surgery，MISS)的發展進一步要求和決定了脊柱內固定必然發生巨大的變化和發展，而這種發展必然離不開新的脊柱內固定器械的設計研究和臨床應用推廣[3]。2003年Cragg首次報道了新式的AxiaLIF(axial lumbar intervertebral fusion)系統，其最大限度的減少了手術對入路組織、椎旁軟組織及脊柱結構的損傷。由于國人與歐美人腰骶椎的解剖差異較大，為此，我們在對國人應用該系統可行性進行評估的基礎上，進行器械的本土化設計，初步設計出適合國人的微創經骶骨前入路腰骶椎內固定系統及手術方式，并獲得國家專利授權。任何內固定器械在正式臨床應用之前，必須對其進行全面細致的評價。生物力學評價已經成為一種新的重要評價模式，為臨床應用提供了可靠的理論基礎[4]，并成為目前脊柱外科生物力學研究的重點和熱點。目前有限元分析已經成為脊柱內固定器械生物力學研究中應用最多的理論分析方法之一[5]。
近年來，脊柱內固定器械的制造在應用生物材料特別是金屬合金上，取了巨大的成功，然而，生物材料的局限及器械制造商對這些局限的認識不足，或對生物材料的不恰當應用均會直接造成臨床應用的失敗[6]。因此，當我們在進行脊柱內固定器械的設計時，必須對材料的物理和化學性能有充分的認識，才能正確的選擇內固定器械的制造材料，才能夠為設計的成功提供重要的保證。
最常見的骨科用不銹鋼是316L，加工條件主要包括退火、冷軋加工和冷鍛三種。不同的加工條件所得到的不銹鋼的力學特性是不同的[7]。在冷軋加工條件下，不銹鋼的彈性模量是190GPa，屈服強度為792MPa；而退火加工條件的則分別為190GPa和331MPa；冷鍛的則是190GPa和1213MPa。
在本實驗的有限元分析中，以不銹鋼為制造材料，在腰骶椎生理負荷狀態下，實驗設計的中軸固定螺釘所承受的最大壓強為105MPa，最小壓強為2.24Mpa，在腰骶椎極限負荷狀態下，螺釘所承受的最大壓強為489MPa，最小壓強為105MPa。在這所有數據中，最大壓強值為489MPa，此數據大于退火加工條件下的屈服強度值331MPa，而小于冷軋加工和冷鍛條件下的792MPa和1213MPa，這說明以冷軋加工和冷鍛為加工條件所制造的不銹鋼，其強度均能夠滿足人體腰骶椎正常負荷條件下的強度要求，可以做為實驗設計的中軸固定螺釘的制造材料，而退火加工條件下制造的不銹鋼則不太適合。
從腐蝕和長期的生物相容性等方面考慮，不銹鋼一般只用于骨折和脊柱固定方面，它們只需要在骨愈合或植骨融合階段起作用并從體內取出[8]。當然，永久性植入體也使用過不銹鋼，如髖關節的股骨植入體，這從一定程度上說明不銹鋼仍可被長期的應用。本實驗設計的中軸固定螺釘，其作用是穩定腰骶椎運動節段和撐開椎間隙，這一作用的維持最終需要椎間植骨的良好融合，以不銹鋼為制造材料，能夠滿足這兩方面的需要，為椎間植骨的融合提供合適的穩定環境，是完全適合的。
綜上所述，通過本實驗中對新式微創經骶骨前入路腰骶椎內固定系統的材料力學研究，我們可以得出，該系統在材料力學方面均達到了設計要求，同時，我們可以根據所得到的生物力學特點和數據，對該系統進一步的優化、改進，使其最終安全、順利地應用于臨床。
[
參考文獻]
[1] CRAGG A, CARL A, CASTENEDA F,et al.New Percutaneous Access Method for Minimally Invasive Anterior Lumbosacral Surgery[J].J Spinal Disord Tech,2004,17(1):21-28.
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