时间：2023-02-21 08:24:09
序论：在您撰写研究性学习材料时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
1 材料的结构
材料的结构是指材料的组成单元之间互相排斥、互相吸引的作用达到平衡时的空间分布。从宏观到微观有三个不同的层次，分别是宏观组织结构、显微组织结构和微观结构。其中，宏观组织结构是指用肉眼或者使用放大镜观察到晶粒、相的集合状态。显微组织结构也可称为亚微观结构，它是利用电子显微镜或者光学显微镜观察到材料内部的微区结构或者晶粒、相的集合状态。微观结构是比显微组织结构更细的一层结构，它本文由收集整理包括分子结构、原子结构、分子的排列结构以及原子的排列结构。通常情况下，金属材料也被看做是由晶体的聚集体组成的。例如，合金可以看做是母相金属原子的晶体和加入的合金晶体等聚集形成的聚集体；纯金属被看做是微细晶粒的聚集体。晶粒晶界上的结合其实是机械组合，展开来讲就是当金属由高温熔体凝固析晶时，彼此啮合牢固的在一起。晶粒之前的接触面积越大，结合力也就越大。晶粒内部的结合力要大于晶粒间的结合力。软铜、钢、铝、金可以承受较大的变形和塑形是因为在发生滑移变形时，原子间的相互位置依次错开，并形成新的键，原子之间的键很难断开。
2 材料的力学性能理论
2.1 材料受牵伸时的力学性能
塑形材料是指在外力作用下，产生巨大变形但不易被破坏的材料。屈服强度是指金属材料发生屈服现象时的屈服极限，也是指抵抗微量塑形变形的应力。脆性材料是指在外力作用下，产生极小的变形，如陶瓷、灰口铸铁等，不存在缩颈现象和屈服阶段。
2.2 材料受压缩时的力学性能
压缩试验是用来测定材料受压时的力学性能。在金属压缩试验时，大多采用短粗圆柱形试样，细长试样在压缩时极易失稳。相同的是，在屈服以前，拉伸曲线和压缩曲线基本相同。不同的是，低碳钢试样在压力逐渐增大的情况下，越来越扁。
2.3 材料的力学性能分析
刚度、强度和稳定性是评价一种材料和结构
力学性能的三大要素[3]。刚度是指材料抵抗变形的能力，具体体现在变形分析上。强度是指材料抵抗破坏的能力，具体体现在应力分析中。断裂和疲劳也是强度问题的一部分，断裂在宏观中是因为结构中裂纹的扩展，结构中的最大应力大于结构材料的破坏极限引起断裂。在微观中是由于分子之间或者是原子之间的键断开引起的。疲劳问题主要出现在塑形较高的材料中。对于强度更进一步的分析是弹塑性极限分析。稳定性是指结构抵抗外来扰动的能力，尤其是板、梁、壳在压缩荷载下的稳定性问题。稳定性问题是结构设计和分析中非常重要的一个问题，可以从不同的理论分析稳定性问题，一方面是振动分析，结构的模态、动力相应和固有频率，对结构固有频率进行分析目的是为了避免结构的固有频率和外力频率接近引起的共振破坏。弹性稳定性理论还有初始后屈曲理论、非线性大挠度理论和前屈曲一致理论等。薄壳稳定性有塑性稳定性理论和弹性稳定性理论等。
3 多晶体新型材料力学性能分析
工程中的金属材料很大一部分是多晶体材料，由于各晶粒是通过晶界联结在一起，各晶粒的空间取向是不相同的，因此也就决定了多晶体材料塑性变形的特点。各晶粒塑性变形时的不均匀性和不同时性，当多晶体试样受到外力作用时，虽然大部分晶粒还处于弹性变形范围之中，个别取向有利的晶粒中和试样的宏观切应力方向一致的滑移系统中首先达到了滑移要求的临界条件，因此塑形变形从这些晶粒开始。随着应力的逐渐增大，参加塑形变形的晶粒逐渐增多。由于这种原因，多晶体材料的塑形变形不会发生在不同晶粒中。受此影响，塑性变形和连续屈服材料的应力之间没有明显的界限。
关键词：材料力学；弹性力学；研究方法
概述
力学作为一门研究物质机械运动规律的科学，其在建筑、机械、航天、航海等关系国计民生、国家安全等重大项目上发挥着重要作用。材料力学（Mechanics of materials）和弹性力学（Theory of elasticity）都是力学的重要分支学科，尽管他们都是研究和分析各种结构物在弹性阶段的应力和位移，但在研究对象和方法上仍然具有很大的差异。材料力学主要研究物体受理后发生的变形、由于变形而产生的内力以及物体由此而产生的失效和控制失效准则[1]。其主要的研究对象是杆状构件，即长度远大于高度和宽度的构件及其在拉压、剪切、弯曲、扭转作用下的应力和位移。材料力学除了从静力学、几何学、物理学三方面进行分析之外，通过试验现象的观察和分析，忽略次要因素，保留主要因素，引用一些关于构件的形变状态或应力分布的假定，大大简化了数学推演。虽然解答只是近似的，但是可以满足工程上的精度要求。弹性力学作为固体力学的一个分支，研究可变性固体在外部因素如力、温度变化、约束变动等作用下产生的应力、应变和位移[2]。其研究对象既可是非杆状结构，如板和壳以及挡土墙、堤坝、地基等实体结构，亦可是杆状构件，并且其不引用任何假定，解答较材料力学更为精确，常常用来校核材料力学里得出的近似解答。
材料力学与弹性力学同样作为变形体力学的分支，在解决具体问题使，需要将实际工程构件的研究对象抽象为理想模型。作为理想模型，在建立其已知量和未知量的推导关系时，要满足如下基本假设：连续性假设、均匀性假设、各向同性假设、小变形假设、完全弹性假设。下面本文将就在一下具体问题的解决中，探讨材料力学和弹性力学在研究方法上的差异。
1.直梁在横向荷载作用下的弯曲研究
1）在纯弯曲梁中，对于平截面假定的验证
材料力学在研究梁的弯曲应力时，采用纯弯曲段分析。通过观察对比梁变形前后表面横向线和纵向线的几何变形，推测梁内部横截面在变形后仍为平面。在弹性力学中，证明了其横截面是否为平面的过程如下：
假定平面应力情况，已通过多项式解答取φ=ay3，求得纯弯曲矩形梁的应力分量，将应力分量代入物理方程、几何方程，并积分变换得位移分量的表达式：u=MEIxy+f1（y）ν=-μM2EIy2+f2（x）
通过数学变换求得位移分量为：
u=MEIxy-ωy+u0
ν=-μM2EIy2-M2EIx2+ωy+ν0
其中ω、u0、ν0为刚移
由上式可得，铅直线段的转角为：
β=uy=MEIx-ω
在同一个截面上，x是常量，因而β也是常量。可见，同一横截面上的各铅直线段转角相等，即横截面保持平面。
2）对于截面弯曲应力的修正与分析
在材料力学中，根据平面假设和单向受力状态导出了应力公式。但此公式仅限于纯弯曲梁，当梁受横向外力作用时，梁发生横力弯曲，此时变形后已不再是平面，单向受力状态也不成立。针对此问题，材料力学一般做简化处理。对于跨长与横截面高度之比大于5的梁，用纯弯曲正应力公式σ=MIy进行计算，结果虽然有误差，但足以满足工程上的精度要求，近似用该公式得到的结果作为横力弯曲的正应力计算公式。
而在弹性力学中，采用半逆解法严密的推导了各应力分量。以均布荷载下的简支梁为例，假设应力分量形式σy=f（y），由应力函数与应力分量的关系导出应力函数，并代入相容方程得到各应力分量的表达式。考虑主要边界与小边界后，得截面上的应力分量为：
σx=MIy+qyh（4y2h2-35）
σy=-q2（1+yh）（1-2yh）2
τxy=FSbI
由上式可见，在弯应力σx的表达式中，第一项是主要项，和材料力学中的解答相同，第二项是弹性力学提出的修正项。对于通常的浅梁（跨高比大于5），修正项很小，可以忽略不计，对于较深的梁，则必须考虑修正项。
应力分量σy是梁各层纤维之间的挤压应力，它的最大绝对值是q，发生在梁顶。在材料力学中，由于单向应力假设，认为纵向线之间互不挤压，一般不考虑该应力分量。
切应力τxy的表达式和材料力学完全一样。
从表达式中可以看到，当l>>h时，σx最大，τxy次之，σy最小，且σx中的qyh（4y2h2-35）是高阶小量。因此进一步说明了，材料力学的公式可以近似满足工程梁的计算精度，而弹性力学推导相对复杂因此材料力学具有较强的实用性。
2.切应力互等定理
在材料力学中，以圆杆的扭转为背景，考虑了一个特殊的简单应力状态，并加以推理得到了切应力互等定理。在沿杆轴线方向取微段dx，垂直于径向的平面截出一无限小的单元体，则很容易得出内外表面无应力，只在左右两个面上有切应力τ。则该单元体将会转动不能平衡，所以推定在上下两个纵截面上必定存在着τ'。由于面积很小，近似认为切应力在各面上均匀分布。
由平衡方程ΣM=0得到
（τdydz）dx=（τ'dxdz）dy
从而得到：τ=τ'
而在弹性力学中，则从最普遍的情况出发，不作任何假设。取微小的平行六面体，根据平衡条件导出应力分量之间的关系。由对中心点的力矩平衡方程，得到：
（τxy+τxyxdx）dy×1×dx2+τyxdy×1×dx2-（τxy+τxyydy）dx×1×dy2+τyxdx×1×dy2=0
将上式两边同除dxdy，合并同类项，并命dx dy趋于零，得到τxy=τyx
从而验证了切应力互等定理。
从切应力互等定理的导出我们可以发现，材料力学在推导过程中运用了一些推理和假设，而弹性力学的推导过程是比较严密和精确的。
总结
弹性力学与材料力学同样作为力学的分支，基本假定和理论体系是相同的。在力学史上，首先出现了研究变形体力学的理论，属于弹性力学的研究范畴，但由于当时相应的数学水平得不到相应问题的解析解，才在求解过程中引入一些关于变形和应力分布的假设，形成材料力学这门学科。
在研究对象方面，材料力学的研究对象是杆状构件，而弹性力学的研究对象则有杆、梁、柱、板等结构。因此弹性力学有更广的适用性，而材料力学具有一定的局限性。
在解决具体问题是，材料力学常采用截面法，即假想将物体剖开，取截面一边的部分物体作为截离体，利用静力平衡条件，列出单一变量的常微分方程，以求得截面上的应力，在数学上较易求解。弹性力学解决问题的方法与材料力学的方法是不相同的。在弹性力学中，假想物体内部为无数个单元平行六面体和表面为无数个单元四面体所组成。考虑这些单元体的平衡，可写出一组平衡微分方程，但未知应力数总是超出微分方程数，因此，弹性力学问题总是超静定的，必须考虑变形条件。由于物体在变形之后仍保持连续，所以单元体之间的变形必须是协调的。因此，可得出一组表示形变连续性的微分方程。另外，在物体表面上还必须考虑物体内部应力与外荷载之间的平衡，这样就有足够的微分方程数以求解未知的应力、应变与位移，所以在解决弹性理论问题时，必须考虑静力学、几何方程、物理方程以及边界等方面的条件。因此需要研究人员具备较扎实的数学基础。由于数学上的困难，弹性理论问题不是总能直接从求解偏微分方程组中得到答案的。
在计算精度方面，材料力学在计算过程中引入一些假设以简化计算，得到的计算结果虽然精度偏低，但已经能够满足工程上的精度需要，并且受力模型简单，能够很快的得到应力分布，实用性较强。而弹性力学通过严密的推导，虽然计算过程繁琐但精度高。
综上，材料力学和弹性力学两门力学分支学科关系密切，适用范围互补，研究方法及精度各有长处，将他们综合应用，才能在我们的学习和科研中取得更好的效果。
[参考文献]
【关键词】取样规范性；加荷速度；温度湿度；尺寸精度；数据处理
在工程建筑中，应当充分强化对建筑材料的把关问题，其对整体建筑质量具有重要意义，对建筑材料检测过程中，应当充分发挥科学检测设备与规范操作程序的作用，提高材料检测的科学性与准确性。本文主要针对影响建筑材料检测科学性与准确性等方面开展研究。
1 建筑材料检测取样
1.1 取样必须遵循规范原则
对建筑材料的规范取样非常重要，因为检测的报告不仅是对样本的性能反映，也是对整批次材质性能的反映，代表整体质量，检测报告的科学性与样品采集规范化程度具有直接关系，只有按照规范进行取样，才能够保证整个检测与分析过程的科学性，出具的报告才具有科学性与权威性。
1.2取样必须遵循代表原则
检测样本的取样必须具有代表性，在完成样本数量的同时，一定要严格按照部位与方式进行，应当坚持从每一批材料的不同方位随机抽取检测样本，钢材采取的是指定位置截取的方式。取样数量不足以及方式方法的差异性，都会对检测结果的科学性产生影响，甚至与实际情况不一致[1]。
在实际建筑材料检测工作中，个别技术人员贪图省事，在检测样本的选取方面出现数量不足或者取样方式不正确的现象，如袋装水泥的检测，应当从同一批次不少于20袋的产品中进行随机抽样，质量不少于12kg，实际检测中，经常会出现半袋或者整袋水泥作为样品的检测，不具代表性，有时候检测结果与使用前复检结果出现较大出入，其检测结果不具备科学性。
2 材料检测过程注意点
2.1 环境温度湿度影响
部分建筑材料的性能受到环境湿度温度的影响，会导致其性能发生改变。在建筑材料的贮存以及性能检测中，一定要兼顾到环境的湿度温度关系，要将其严格控制在规定范围之内，这样才能够保证检测结果的准确性，检测结果的对比性才更加科学。如水泥胶砂强度试体成型检测中，环境的温度应当有效控制在20土2℃的范围之内，相对湿度不得小于50%，再比如试体水池养护温度一般应控制在20土1℃的水平，要避免因为环境湿度温度超出规定范畴而导致的检测结果不准确。
2.2 加荷速度影响
正常条件下，开展建筑材料力学性能检测过程中，如果加荷速度偏快，那么试件变形要比加在上面的荷载要慢一拍，检测出来的强度数据会比材料实际强度高一些。但是，在芯样混凝土等试件抗压强度测试中，加荷速度快慢对检测结果影响却不同（见表1），主要原因是速率过大导致双球座装置未能及时调整到位，试件与上压板有间隙，产生偏心受压降低了强度。所以，测试中的加荷速度一定要严格按照规范程序操作，在规定范围内以低值为准[2]。
表1 不同速率混凝土抗压强度对比分析数据
序号 速率/（MPa/s） 芯样抗压强度/ 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 试件尺寸与精度
开展材料力学性能检测时，测试件应该为标准件，否则要进行规范化处理。如混凝土抗压强度试件以边长150mm的正方体为标准件，集料最大粒径31.5mm。当混凝土抗压强度以非标准试模制作出非标准件时候，集料粒径要与下表2规定相符，抗压强度数据应当乘以尺寸换算系数，专门在报告中阐述。
表2抗压强度尺寸换算系数参照表
开展试件检测前，要对试件的形状与尺寸进行检查，平整度不好以及尺寸不规范，都能够影响测试数据精确性。
2.4 关于误差问题
整个检测过程应当严格遵守规范，但是受到操作习惯、设备差别以及环境、材料等方面差别，检测结果能够出现误差。对误差的检测主要有三种途径，第一种就是平行检测误差，将同一样品分为几个试样，在相同机器上进行检测，之间的差异为平行检测差异，主要考虑到材料匀质性，允许误差值很小。另一种就是同一组试件误差，侧重于兼顾到操作人员熟练性不同。如混凝上试件抗压强度以及抗折强度监测数据中, 以一组3个试件测值平均值作为测定值。如出现测值和中值偏差达到15%时，去中间值，三组试件中有两组出现上述现象，表明该实验无效。还有一种误差为同一批次材料、同一种样品，在不同设备检测中表现出来检测结果误差，称为再现性误差或对比性误差。这一类性误差较大，因为不同设备与操作人员以及不同的环境湿度温度，都影响检测结果。采取此检测方式，一般将样品平均分为两份，一份交给专业质检机构，另一份留在本单位，对检测结果进行对比，之间相差过大要分析原因并加以解决。这样的检测活动，每年一般进行1-2次，有助于提高本单位检测技能[3]。
3数据处理问题
3.1 数值修约
数据处理修约应当与材料标准要求的位数相吻合，还要与数值修约规则吻合，数值修约不正确容易造成结果误判。检测数值必须按标准规定开展修约，计算过程中不得修约。《数值修约规则》规定四舍六入五单双。
3.2数据取舍
即使在同一组试件中进行测定，检测结果离散性经常出现，为确保检测数据科学准确，对一些检测结果可以进行取舍，将明显过大或过小的数据作为可疑数据。因此, 在开展数据分析之前，可以运用数理统计法进行真伪性辨别，科学取舍，常用的数据取舍方法有拉依达法、肖维纳特法、格拉布斯法格拉布斯法灯。
4 检测结论问题
我们认为探究性学习即是在教学过程中创设一种类似研究的情景和途径，让学生通过主动的探索、发现和体验，学会分析和判断，从而增进思考力和创造力。
1．探究性教学把教学活动的本质看成是“学生的发展过程”，教师指导学生认识世界只是为学生发展服务的，即是达到学生发展目的的手段与条件。因此，教学过程中教师不是盯着学生“知道了什么”，而始终着眼于学生“发展得怎么样”。所以，在课堂中，我们认为不是看教师讲得什么样，而是应该看学生学得怎么样。即（1）增加学生紧张的智力活动时间。（2）尽可能提高学生紧张的智力活动的品味，不断提高学生对学习材料进行智力加工的思维质量，只有通过这两方面的努力，才能真正体现一堂课的效益。这样，才体现了“教育是培养人”的教育本质。
2．探究性教学在教学内容的运用上，教师既凭借教材又不局限于教材，教学过程中教师可根据学生发展的要求，随时调整与更新教学内容，最大限度地满足学生求知与发展的需要。
3．探究性学习的教学方法以“启发”式为方法论的指导思想，教学中教师特别注重指导学生学会学习，学会发现与探究，培养他们的探究创新能力，所以，探究性教学还须注重实践锻炼方法的运用。
4．积极探索探究性学习的过程性评价体系。我们认为探究性学习更关心学习的过程，学生是否掌握某个具体的知识当然重要，但更关键的是能否对所学知识有所选择。判断。解释、运用，在教学中我们往往训练学生用“是什么”、“为什么”、“怎么办’’来完成对一个问题、一件事情的思维过程。这种教学中重视思维过程训练，淡化思维结果追求的做法，会逐渐使学生形成一种解决问题的能力，一种不断学习新知识的能力，一种可持续发展的能力。因此，探究性学习的评价趋向全程化。多元化和弹性化是势在必行的了。5．探究性学习应积极实施以有效发展为标准的调控，认真做到凡对学生发展产生积极作用的教学行为就强化和肯定，做到形式服从内容的需要。例如：对课堂座位的排例不作整齐划一的硬性规定。又如课堂中对某些内容、某些实验操作学生特别感兴趣，教师可作临时调整，增加一至数倍时间，以满足学生的好奇心与求知欲，以培养他们的探索精神。
二、指导学生合作学习
合作学习的形式与时机
1．教学中，无论是什么方式的合作学习，都必须以学生扎扎实实的独立学习为基础，合作学习不是以尖子生做小老师，中下学生做听众的学习方式，而是每个学生积极参与，人人贡献出思维成果，人人既是老师，又是学生。
2，教学中，合作学习可以是同桌议论，也可以是四人小组讨论，还可以让学生自由选择合作对象，三四个、七八个都行，只要有利于合作学习，应当有多种选择：内容简单的题目，可以同桌合作；难度大的问题，可以四人小组讨论，学习的内容不一样，应当选择相同学习内容的伙伴合作。
3．合作学习在安排上必须遵循“宁少勿滥、宁短勿长”的方针，做到可有可无的不安排，不适当的不安排，一般来说，合作学习的时间可短些，有半数小组结束讨论时，应当及时打停，转入新的学习。
4．小组学习后，同伴讨论得出的结果，用于集体，每个学生都有所有权，在全班学习汇报时，应当由小组推选一位同学汇报，其他同学来补充。在评价时，教师应肯定的是这整个小组的学习成功，而不是哪一个尖子生。
合作学习的效果及评价
1．激活思维
小学生的思维受环境的影响，常常会碰撞出绚丽的思想火花，然而他们的思维又常常是稍纵即逝的。伙伴之间的合作学习，给学生提供了一个安全的、融洽的、自由的环境，为他们积极的思维活动创造了条件。讨论不同于交换物品，一个苹果交换一个苹果，合作学习交换的是思想，有效的小组讨论，激活的是学生的思维，必定产生1＋1≥2的效果。
2．训练语言
课堂教学中，学生只凭耳朵听，一般只能吸引5—20％的的信息，传统的教师和个别学生的一问一答，即使尖子生的回答是100％正确，这一尖子生单位时间里得益是100％，但是其他学生语言训练却难以得到提高，当学生合作时，每个学生必须动脑、动口、动手，每个学生都即是老师又是学生，还是听众，耳、口、眼、脑并用，教学的单位时间效率大大提高，每个学生独立地在课堂上表情达意的训练次数和时间也相应增加了许多。
【关键词】 碳纤维 复合材料低温力学性能
1 碳纤维复合材料超低温环境力学性能研究背景
如何降低空间飞行器在发射时的成本，使空间飞行器的发射效率提高，一直以来都是各国进行研究的关键领域之一。20世纪90年代中期，美国国家航空航天局（NASA）开始了对亚轨道可重复使用飞行器（RLV）的研发试验。
针对这一新形势，我国在“十五”计划初期，即开展了可重复使用飞行器技术的跟踪、探索和研究。为了避免在全球竞争中出现装备跨代落后的不利局面，而加大了对可重复使用飞行器的研发力度。
由液氢（-253℃）、液氧（-183℃）、液氮（-196℃）、液氦（-269℃）及其蒸发气体共同组成了主要的超低温流体介质。其中，液态氢和液态氧是液体火箭发动机发射过程中，一种具备比推力大的燃料，并且不产生污染物质；液He是作为空间装置、超导装置中广泛应用的低温密封介质；液态氮具有惰性特质、价格低廉并且介于液氢和液氧之间的热力学特点，常应用于低温试验和作为预冷介质[2]。
在以液态燃料作为飞行器动力系统燃料供应的设计中，液氧（LO2）燃贮箱及工作系统使用温度为-183℃，液氢燃料贮箱及工作系统使用温度为-253℃，液氢燃料贮箱及供给管系统和液氧燃贮箱及供给管系统工作于低温环境。当飞行器返回时，可重复使用运载器贮箱及供给管要承受170℃的高温考验，燃料贮箱工作温度范围很大，因此在设计时必须综合考虑在此温度范围内应用复合材料贮箱的可靠性[3]。
上世纪80至90年代，研发复合材料液氢贮箱的课题在美国国家航天飞机（NASP）计划以及DCX计划都涉及，并取得了一些成就。X-33计划则直接计划使用复合材料液氢贮箱，但由于在实验中，热应力引起微裂纹导致液氢渗漏以及其他技术方面问题，最终决定用铝制贮箱将出问题的复合材料贮箱代替下来。相比其国外研究机构对飞行器贮箱材料方面的尝试，国内对超低温用树脂基增强复合材料的研究还处于起步阶段，出于保险考虑，贮箱一直采用金属材料，在超低温复合材料方面技术性的突破成为国内研究的重点课题。
2 国内外对碳纤维复合材料超低温力学性能的研究现状
目前，在工程中有着非常广泛应用的树脂基复合材料主要包括：连续纤维增强环氧、双马和聚酰亚胺复合材料。他们具有较高的比强度和比模量，能够有效的抗疲劳、耐腐蚀，并且可设计性较强，便于大面积整体成型，并且，他们还具有特殊电磁性能等特点。先进树脂基复合材料已经成为继铝合金、钛合金和钢之后的最重要航空结构材料之一。
先进树脂基复合材料在飞行器材料应用上表现出色，目前已经在部分机型上实现减重效益，这是使用其它材料所不能比拟的。因此，先进树脂基复合材料的用量比例已经成为航空结构先进性的重要标志之一。
2.1 超低温复合材料用基体
据了解，应用在超低温环境下的树脂基体主要有：
（1）热固性树脂包括：环氧树脂，氰酸酯树脂，聚酰亚胺等；
（2）热塑性树脂包括：聚醚酰亚胺，聚醚醚酮，聚四氟乙烯，聚醚砜，聚苯硫醚，聚砜，液晶聚合物等。
配方的设计对于树脂基体制备非常重要。对于环氧树脂材料，经常会碰到脆性过高、容易开裂的问题。解决这一问题行之有效的方法是使环氧树脂柔性化，或是使整个配方体系柔性化。而这也是我们在该试验中在选取材料方面提前做好的准备。经过柔化的环氧树脂脆性降低，不易开裂，在工程应用中表现更加出色。
可重复加工的特点是高性能热塑性树脂具备的特点之一，在低温复合材料中的具有很大的潜在应用价值。比如说，碳纤维增强聚醚醚酮复合材料力学性能，虽然在超低温破坏强度方面表现良好，但由于成型困难以及巨大的加工成本，限制了热塑性基体在低温领域下的应用。
在本次试验中所应用到的便是改性后的环氧树脂，改性后使其在常温和低温下均具备稳定的力学性能。
2.2 超低温复合材料用增强材料
纤维增强复合材料是由增强纤维，如玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维等材料与基体经过模压、缠绕或拉挤等工艺而形成的复合材料。
在一些低温工程中，由于纤维增强复合材料具有如下特点：
（1）比模量大，比强度高；（2）材料具有可设计性；（3）抗腐蚀性和耐久性能良好；（4）热膨胀系数与混凝土材料形似。根据他们特性及制备加工工艺方面的综合考虑，应用最广泛的增强纤维是碳纤维和玻璃纤维。
对于玻璃纤维，研究表明，低温下纤维的拉伸强度和拉伸模量均有不同程度的增加，玻璃纤维Weibull分布尺度参数有很大的提升。玻璃纤维，E-glass从室温到4K，它的杨氏模量提高15%，S-g lass从295K到4K其杨氏模量提高10%。
碳纤维增强树脂基复合材料，由于它在航空航天军事等领域应用较多，因而也成为科研工作者研究的热点。试验发现，将模高强碳纤维作为超低温复合材料的增强材料，强度和模量与室温时相比变化很小，是比较理想的超低温增强材料。
2.3 树脂基复合材料制造工艺
依据不同类型的复合材料、不同形状的构件以及对构件质量和性能的不同要求，先进树脂基复合材料可采用不同的成型工艺。目前航空航天领域先进树脂基复合材料主要成型工艺包括：热压罐成型工艺、RTM成形工艺、缠绕成型工艺、拉挤成型工艺、热压成型工艺、自动铺放工艺等。
通过对上世纪六十年代至九十年代不同组织及个人对各类常用纤维复合材料常、低温力学性能测试的结果做出总结与比较。R.P.Reed、M.Golda、J.B.Schutz等人发现：低温状态下，芳族聚酰胺纤维复合材料的低温拉伸强度与常温时比较变化较小，而其他各类纤维复合材料的低温拉伸强度均比常温状态时有所提高。
参考文献：
[1]王嵘，郝春功，杨娇萍，张雄军，付绍云，王继辉.超低温复合材料的研究进展.化工新型材料，2007.
关键词：FRP 力学性能 研究进展
如何提高钢筋混凝十结构的耐久性、增强使用寿命是土木工程中迫在眉睫的问题。鉴于上述方面的需要，由于纤维增强聚合物(FRP)具有轻质、高强、耐久性好等优点，日本、美国、欧洲等发达国家很早就开始对其研究，探索其替代预应力高强钢筋(钢绞线)的可行性。现在FRP材料在混凝土结构中的应用受到越来越多的国家学者的关注，已成为国际混凝土领域的一大热点。
1、FRP的组成
根据FRP纤维种类的不同，FRP可分为碳纤维CFRP、玻璃纤维GFRP、芳纶纤维AFRP以及近来国外新开发的PBO-FRP复合材料和DFRP等复合材料，还有国内最近投入生产的连续玄武岩纤维CBF等。
FRP筋是以纤维为增强材料，以合成树脂为基本结合材料，并掺入适量的辅
助剂，采用挤拉成型技术形成的一种新型复合材料。FRP复合材料的物理力学特性与纤维种类、纤维含量、粘结基体、表面处理以及成型工艺等因素有关，不同成分的FRP筋性能差别很大。
2、FRP筋的特点及力学性能
FRP复合材料具有抗拉强度高、质量轻、不锈蚀、热膨胀系数低、无磁性以及抗疲劳性能好等特性。如CFRP的抗拉强度可达到3000MPa以上，比强度高(比钢材高lO～15倍)；CFRP和AFRP的抗疲劳性能较好，大大优于钢材，其疲劳极限可达静荷载强度的70％～80％，但GFRP的疲劳性能低于钢材。
与钢筋不同，FRP筋是各向异性材料，FRP筋的应力-应变关系呈线性关系，
与钢材应力-应变关系比较如图1所示。FRP在达到极限抗拉强度之前无塑形，且FRP筋的极限应变比钢筋小。
FRP材料与普通钢材的性能比较见表1。新型FRP产品PBO-FRP除具有与高强CFRP有相近的力学性能外，还表现出更好的物理性能，如良好的柔韧性等；DFRP冲也具有优异的物理力学性能，抗拉极限应变可达3.5％，延性良好[1]。
三种材料虽然同属于复合材料有很多共性，但在具体量值上也存在着很多差异：
(1)在抗拉强度方面，CFRP筋最高，达到甚至超过高强钢筋；AFRP筋居中，与高强钢筋强度相近；GFRP筋强度最低，总体上略低于高强钢筋。
(2)在弹性模量上，由高到低分别为CFRP、AFRP、GFRP，各自弹性模量大致相当于高强钢筋弹性模量的75％、40％、20％。
(3)与高强钢筋相比，FRP筋还存在徐变断裂问题。GFRP筋最容易发生徐变断裂，CFRP筋不易断裂，AFRP筋介于其间。
(4)FRP筋的温度膨胀系数与混凝土有些差异，GFRP筋与混凝土相差不大，设计计算中可以忽略不计，而CFRP筋和AFRP筋与混凝土差别较大，计算中要予以考虑。
3、FRP材料在土木工程中的研究和应用现状
美国是首先研发FRP材料的国家。但由于GFRP用于混凝土中效果并不理想而一度中断。而后，随着FRP筋在日本的成功运用，得到世界各国的普遍重视，纷纷加入到FRP筋应用的研究领域，并相继取得了一些可喜的成果。在最近5年内，美国己建成近百座FRP桥梁。
近几年来，FRP筋混凝土结构和预应力混凝土结构在国外发达国家相继取得成功，极大地调动了我国技术人员的研究热情，多家科研单位和高校纷纷开展了对FRP筋的研究。我国在FRP筋应用方面尚未颁布相关的指导意见和规范，采用FRP筋建成的混凝土结构还很少。近期，国内第一座CFRP斜拉桥和CFRP体外预应力简支粱桥将分别于江苏镇江和淮安建成，两座桥梁均由东南大学设计完成。
4、结语
在借鉴国外研究成果的基础上，结合国内实际工程的使用特点，FRP材料的应用研究将步人一个崭新的阶段，其使用面也将得到全面的扩大。通过相关规范与规程的制定，以及纤维复合材料国产化的加速，FRP在改善结构体系，加固修复混凝土结构技术方面将比以往传统的技术更加优越，更有效率，具有重大的经济和社会效益。
参考文献:
[1]罗益锋.高科技合成纤维新进展．高科技纤维与应用，2000，25(4)：1.8
1.青岛大学附属烟台毓璜顶医院脊柱骨科，山东烟台 264000；2.重庆大学机械工程学院，重庆 400044；3.第三军医大学附属新桥医院骨科，重庆 400037
[摘要] 目的 研究新式微创经骶骨前入路腰骶椎内固定系统在材料力学方面的生物力学特点。方法 对新式微创腰骶椎中轴固定螺钉进行有限元建模，并以材料（不锈钢）和负荷状态（生理负荷或极限负荷）为边界条件，通过有限元分析，研究其在不同边界条件组合下的载荷强度和分布状况。结果 在人体腰骶椎生理和极限两种负荷状态下，中轴固定螺钉所承受的最大压强值为489MPa，此数据小于冷轧加工和冷锻条件下不锈钢的屈服强度（792MPa和1213MPa），说明以这两种加工条件所制造的不锈钢为制造材料，新式微创内固定系统均可达到强度要求，而且机械性能特点基本相同。结论 新式微创经骶骨前入路腰骶椎内固定系统在材料力学方面达到了设计要求，适合临床应用。
[
关键词 ] 微创；内固定；生物力学；有限元
[中图分类号] R687.3
[文献标识码] A
[文章编号] 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首次公开报道了经骶骨前入路的经皮腰骶椎前柱融合内固定系统—AxiaLIF系统[1]，其做为新型的微创手术系统，最大限度的减少了手术对入路旁组织、椎旁软组织及脊柱结构的损伤。该系统先后在美国及欧洲应用于临床，取得较好的效果，近年来国内亦有应用。本文作者将AxiaLIF系统技术理念与国人腰骶椎解剖特点相结合，设计出适合国人的新式微创经骶骨前入路腰骶椎内固定系统及手术方式，并获得国家发明专利授权(专利号：ZL 200710092647.1)，并于2012年1月—2013年12月通过对该专利系统的核心器械—中轴固定螺钉的有限元建模和分析，研究其在材料力学方面的生物力学特点，评估其是否达到设计要求，为其进一步改进和最终应用于临床提供材料力学研究基础。现报道如下。
1材料与方法
1.1实验对象
实验设计的适合国人的微创经骶骨前入路腰骶椎内固定系统中的中轴固定螺钉。
1.2实验方法及指标
1.2.1建立实验对象的有限元模型 通过PRO/E WILDER 3.0软件，建立中轴固定螺钉的三维立体模型，通过MSC.PATRAN 2005R2软件，建立三维有限元模型。
1.2.2实验对象的有限元分析 采用MSC.NASTRAN 2004软件进行分析，结果由MSC.PATRAN 2005R2软件读取。
（1）边界条件。①材料。以脊柱内固定常用的不锈钢为制造材料，其力学特性见表1。② 负荷状态。以腰骶椎生理和极限两种负荷状态为实验对象的负荷状态，具体数据见表2。
（2）边界条件分组。将材料和负荷状态两类临界条件进行组合，得到6组不同的临界条件组合，具体如下：第一组：不锈钢+生理状态垂直压缩；第二组：不锈钢+生理状态屈曲+生理状态扭转；第三组：不锈钢+生理状态垂直压缩+生理状态屈曲+生理状态扭转；第四组：不锈钢+极限状态垂直压缩；第五组：不锈钢+极限状态屈曲+极限状态扭转；第六组：不锈钢+极限状态垂直压缩+极限状态屈曲+极限状态扭转；
（3）边界条件加载。将三维有限元模型底部固定，在其顶部施加力和力矩。
（4）分析指标。实验对象在上述各边界条件组合下的载荷强度和分布状况。
2结果
建立中轴固定螺钉的三维立体模型及三维有限元模型，该模型共有节点36498个，网格20257个。
中轴固定螺钉的有限元分析，见表3。
3讨论
近30年来，脊柱内固定技术得到了十分迅猛的发展，目前应用于几乎所有脊柱疾患[2] 。近年来，微创脊柱外科(minimally invasive spinal surgery，MISS)的发展进一步要求和决定了脊柱内固定必然发生巨大的变化和发展，而这种发展必然离不开新的脊柱内固定器械的设计研究和临床应用推广[3]。2003年Cragg首次报道了新式的AxiaLIF(axial lumbar intervertebral fusion)系统，其最大限度的减少了手术对入路组织、椎旁软组织及脊柱结构的损伤。由于国人与欧美人腰骶椎的解剖差异较大，为此，我们在对国人应用该系统可行性进行评估的基础上，进行器械的本土化设计，初步设计出适合国人的微创经骶骨前入路腰骶椎内固定系统及手术方式，并获得国家专利授权。任何内固定器械在正式临床应用之前，必须对其进行全面细致的评价。生物力学评价已经成为一种新的重要评价模式，为临床应用提供了可靠的理论基础[4]，并成为目前脊柱外科生物力学研究的重点和热点。目前有限元分析已经成为脊柱内固定器械生物力学研究中应用最多的理论分析方法之一[5]。
近年来，脊柱内固定器械的制造在应用生物材料特别是金属合金上，取了巨大的成功，然而，生物材料的局限及器械制造商对这些局限的认识不足，或对生物材料的不恰当应用均会直接造成临床应用的失败[6]。因此，当我们在进行脊柱内固定器械的设计时，必须对材料的物理和化学性能有充分的认识，才能正确的选择内固定器械的制造材料，才能够为设计的成功提供重要的保证。
最常见的骨科用不锈钢是316L，加工条件主要包括退火、冷轧加工和冷锻三种。不同的加工条件所得到的不锈钢的力学特性是不同的[7]。在冷轧加工条件下，不锈钢的弹性模量是190GPa，屈服强度为792MPa；而退火加工条件的则分别为190GPa和331MPa；冷锻的则是190GPa和1213MPa。
在本实验的有限元分析中，以不锈钢为制造材料，在腰骶椎生理负荷状态下，实验设计的中轴固定螺钉所承受的最大压强为105MPa，最小压强为2.24Mpa，在腰骶椎极限负荷状态下，螺钉所承受的最大压强为489MPa，最小压强为105MPa。在这所有数据中，最大压强值为489MPa，此数据大于退火加工条件下的屈服强度值331MPa，而小于冷轧加工和冷锻条件下的792MPa和1213MPa，这说明以冷轧加工和冷锻为加工条件所制造的不锈钢，其强度均能够满足人体腰骶椎正常负荷条件下的强度要求，可以做为实验设计的中轴固定螺钉的制造材料，而退火加工条件下制造的不锈钢则不太适合。
从腐蚀和长期的生物相容性等方面考虑，不锈钢一般只用于骨折和脊柱固定方面，它们只需要在骨愈合或植骨融合阶段起作用并从体内取出[8]。当然，永久性植入体也使用过不锈钢，如髋关节的股骨植入体，这从一定程度上说明不锈钢仍可被长期的应用。本实验设计的中轴固定螺钉，其作用是稳定腰骶椎运动节段和撑开椎间隙，这一作用的维持最终需要椎间植骨的良好融合，以不锈钢为制造材料，能够满足这两方面的需要，为椎间植骨的融合提供合适的稳定环境，是完全适合的。
综上所述，通过本实验中对新式微创经骶骨前入路腰骶椎内固定系统的材料力学研究，我们可以得出，该系统在材料力学方面均达到了设计要求，同时，我们可以根据所得到的生物力学特点和数据，对该系统进一步的优化、改进，使其最终安全、顺利地应用于临床。
[
参考文献]
[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.
[2] ZDEBLICK TA, MAHVI DM. A prospective study of laparoscopic spinal fusion.Technique and operative complications[J].Ann Surg,1996,224:85-90.
[3] SHEN FH, SAMARTZIS D, KHANNA AJ, et al. Minimally invasive techniques for lumbar interbody fusions[J].Orthop Clin North Am,2007,38:373-386.
[4] Grosse IR, Dumont ER, Coletta C, et al.Techniques for modeling muscle- induced forces in finite element models of skeletal structures[J].Anat Rec,2013,290(9):1069-1088.
