文关键词：金属基复合材料有效性能结构拓扑优化论文摘要：金属基复合材料综合了作为基体的金属结构材料和增强物两者的优点，具有高的强度性能和弹性模量、良好的疲劳性能等特点。由于制作工艺相对容易，和价格低廉，颗粒增强金属基复合材料体现出了广泛的商业价值，金属基复合材料首先在航天和航空上得到应用，随着其价格的不断降低，它们在汽车、电子、机械等工业部门的应用也越来越广。为此全球各大公司和研究机构对它的研究和应用开发正多层次大面积地展开。笔者阅读了大量相关文献，进而综述了近些年来国内外学者对金属基复合材料的研究，具有一定的现实意义。一、颗粒随机分布金属基复合材料有效性能研究九十年代中期Povirk, Gusev等人就研究证明了可以用一个有限体积的代表体元来代替整体复合材料，模拟其细观结构，从而建立复合材料的宏观性能同其组分材料性能及细观结构之间的定量关系。随着计算机技术的高速发展，数值分析方法在复合材料力学分析中成为不可缺少的工具，在做计算数值模拟时，建立合适的数学模型，是进行数值模拟计算复合材料等效性能的基础。基于有限元法的多尺度等效性能计算是目前一种行之有效的研究复合材料细观结构与宏观力学行为之间关系的重要方法。采用这种方法的前提是建立复合材料的有限元模型，包括随机颗粒分布区域的几何建模和网格剖分，然后才能进行多尺度计算。对于复合材料等效性能计算的数值方法，国内外已经发展了名目繁多的各种数值方法。一般来说，可以分为反分析法、直接分析法。其中反分析法实质就是根据现场观测结果，来反演复合材料力学参数。反分析法主要依赖于材料程的实测位移、本构模型以及材料参数的假定。由于现场观测资料的获取受客观条件影响和对复合材料认识上的不足，往往造成模型和材料参数假定与实际差异很大，因而该方法在实际应用中遇到了一些困难。为此，人们试图选择另一种途径---直接分析法来预测复合材料的力学参数。由于离散元元方法没有很好解决对复合材料离散后的计算结果的误差，因此基于离散单元法计算宏观力学参数的研究较少目前主要是基于有限元法的数值分析法，其计算过程是首先建立颗粒材料的统计模型，然后模拟出不同尺度的复合材料"试件";这样得到的复合材料"试件"，可以视为由基体和增强颗粒两部分组成，其力学参数可以在实验室分别确定，然后应用有限元方法进行分析，进而得到颗粒统计力学参数即。这一方法计算结果的正确性取决于颗粒统计模型的正确性以及有限元算法的合理性，这一过程虽然有误差，但是误差不会比原位实测更大。该方法的不足之处在于为避免尺寸效应，模拟不同尺度"试件"时，增加了计算成木，并且当计算尺度增大时，"试件"内的颗粒数目明显增加，给有限元的剖分和计算带来了困难。还有学者基于有限元方法，基于等效观点，对颗粒增强复合材料的等效性能进行了研究，即根据一定的等效原则，宏观地考虑颗粒对材料力学特性的影响，将整个颗粒增强复合材料均匀化、连续化，然后用有限元计算得到等效力学特性.按等效方式来分，主要有材料参数等效法、能量等效法等，这些等效方法有其适用的一面，但仍有一定局限性，例如等效体的尺寸效应问题等.关于材料参数的均匀化理论.作为一种研究复合材料宏观性质的新方法，数学家们已进行了大量的研究，例如、等针对小周期结构问题的渐进分析，给出了均匀化材料系数的概念；等对具有小周期结构的均匀化理论和一阶渐进分析理论进行了深入研究；和陈志明等在此基础上给出了一阶渐进展开有限元的理论估计；崔俊芝等针对小周期结构提出了双尺度祸合算法。针对具有对称性的基本胞体给出了高阶渐进展式和有限元估计，并把此方法运用到工程计算中，从而使的均匀化从理论分析进入了数值计算。阶段和实际应用阶段，使得微观构造十分复杂的非均质材料的宏观力学参数计算成为现实，并且给出了计算周期性编制复合材料的等效力学参数的双尺度方法。在进行等效计算时，首先需建立材料的单胞模型，如二维单胞模型、二维多颗粒单胞模型、三维单胞模型、三维多颗粒单胞模型及代表体单元模型。武汉理工大学的瞿鹏程教授等，根据扫描电镜试样截面细观图，建立了有限元模型，并且成功预测出了SiC颗粒增强Al基复合材料等效弹塑性力学性能特征曲线。Soppa根据体积含量10%Al2O3,增强6061Al基复合材料的实验细观图，构件有限元分析模型，观察残余热应力对PRMMCs变形和破坏的影响。Han等人采用三维多颗粒单胞模型研究PRMMCs的力学性能和裂纹的产生。二、复合材料微结构拓扑优化研究结构拓扑优化是结构形状优化的发展，是布局优化的一个方面。当形状优化逐渐成熟后，结构拓扑优化这一新的概念就开始发展，现在拓扑优化正成为国际结构优化领域一个最新的热点。以Roderick Lakes（1987，1993）提出的具有负泊松比系数的泡沫材料以及对通过不同组分材料的复合可以获得任何单相材料无法比拟的极端材料特性(如零膨胀系数、零剪切性能)新发现的阐述为标志，材料微结构的优化设计被纳入拓扑优化领域。特别是由Sigmund于九十年代中期提出来的，现在己经成为材料研究领域的前沿课题之一。而在2002年的第9届AIAA年会上Kalidindi等人提出了"微结构灵敏设计(MSD-Microstructure Sensitive Design)"概念，进一步完善与发展了微结构构型与组分优化设计的思想与体系。这些开创性的工作为复合材料与结构的拓扑优化设计奠定了坚实的基础，进一步促进了材料微结构的优化设计。复合材料的宏观性能可由微结构单胞使用均匀化技术得到，通过对微结构单胞进行拓扑优化设计可获得具有良好特性的复合材料，例如负的泊松比、负的热膨胀系数、零剪切性能以及良好压电特性的压电材料。对单胞的拓扑优化设计，问题可分为两类:一是满足本构模量等于给定值的最小体积百分含量问题;二是满足一系列体积约束和对称条件的极值材料常数问题。Silva基于均匀化方法展开了具有极端性能的二维和三维压电材料的优化设计;国内袁振、吴长春进行了极端性能的弹性材料优化设计，杨卫等采用优化准则法进行具有特定性能的微结构设计，实现了具有负泊松比的材料设计。基于传热性能的微结构优化设计目前还处于初期阶段，张卫红等基于均匀化方法进行材料的热传导性能预测，在给定材料用量下进行复合材料的设计，得到具有极端热传导性能的复合材料。拓扑优化兼有尺寸优化和形状优化的复杂性，微结构最终拓扑形式是未知的。以最小柔度作为目标函数的微结构拓扑优化而得到的蜂窝状结构，为标准的规则正六边行蜂窝结构。三、小结金属基复合材料是近年来迅速发展起来的一种高技术新型工程材料，以其优越的性能受到国内外的高度重视。SiC颗粒增强铝基复合材料是目前复合材料中最引人注目的体系之一，不论是在理论上还是在实验上均是理想的复合材料研究对象。本文综述了国内外对金属基复合材料的有效性能研究和复合材料微结构拓扑优化，对金属基复合材料研究具有一定的知道意义。
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材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征 。
一般来说金属的力学性能分为十种：
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序号 英 文 刊 名 中 文 刊 名 ISSN SCIsearch SCI CDE 1 Acta Biochmica et Biophysica Sinca 生物化学与生物物理学报 2 Acta Botanica Sinica 植物学报 0577-7496 89 3 Acta Ahimica Sinica 化学学报 89 4 Acta Geologica Sinica-English Edition 地质学报（英文版） US1000-9515 89 5 Acta Mathematical Sinica-New Series 数学学报（新辑，英文版） 1000-9574 89 6 Acta Mechanica Sinica 力学学报（英文版） 7 Acta Mechanica Solida Sinia 固体力学学报（英文版） 0894-9166 6789 8 Acta Pharmacologica Sinica 中国药理学报 6789 9 Acta Physica Sinica- 0verseas Edition 物理学报（海外版） 1004-423X 6789 10 Acta PhySico-Chimica Sinica 物理化学学报 1000-6818 89 11 Acta Polymerica Sinica 高分子学报 1000-3304 89 12 AIgebra Colloquium 代数集刊（英文版） 1005-3867 89 13 Applied Mathematics and Mechanics-English Edition 应用数学和力学（英文版） SZ0253-4827 89 14 Biomedical and Environmental Sciences 生物医学与环境科学（英文版） 0895-3988 789 15 Chemical Journal of Chinese Universties-Chinese 高等学校化学学报 9 16 Chemical Research in Chinese Universities 高等学校化学研究（英文版） 1005-9040 6789 17 China Ocean Engineering 中国海洋工程（英文版） 0890-5487 89 18 Chinese Annals of Mathematics Services B 数学年刊-B辑（英文版） SZ0252-9599 789 19 Chinese Chemical Letters 中国化学快报（英文版） 1001-8417 789 20 Chinese Journalo of Chemical Engineering 中国化学工程学报（英文版） 21 Chinese Journalo of Chemistry 中国化学（英文版） 1001-604C 6789 22 Chinese Journal of Polymer Science 高分子学报（英文版） 23 Chinese Medical Journal 中华医学杂志（英文版） 6789 24 Chinese Physics Letters 中国物理快报（英文版） US0256-307X 6789 6789 25 Chinese Science Bulletin 科学通报（英文版） 1001- 6538 6 89 89 26 Communications in Theoretical Physics 理论物理通讯（英文版） 0253- 27 High Energy Physics and Nuclear Physics 高能物理与核物理 28 Journal of Computational Mathematics 计算数学学报（英文版） 29 Journal of Infrared and Millimeter Waves 红外与毫米波学报 1001-9014 89 30 Journal of Inorganic Materials 无机材料学报 1000- 324X 89 31 Journal of Iron and Steel Research Internatinal 国际钢铁研究学报（英文版） 1006-706X 89 32 Journal of Materials Science ＆ TechnOlogy 材料科学技术（英文版） 33 Journal of Rare Earths 稀上学报（英文版） 1002-0721 6789 34 Journal of Wuhan University of Technology-Mater Sci Ed 武汉工业大学学报（材料科学,英） 341000-2413 6789 35 Progress in Biochemistry and Biophysics 生物化学与生物物理进展 1000-3282 6789 36 Progress in natural Science 自然科学进展（英文版） US 37 Rare Metal Materials and Engineering 稀有金属材料与工程 1002-185X 89 38 Science in China Series A-Mathematics,Physics,Astronom 中国科学-A辑（数学,物理,天文学,英） 6789 39 中国科学- B辑（化学，英） 100609291 6789 789 40 Science in China Series C-Life Sciences 中国科学- c辑（生命科学，英） 1006n9305 789 789 41 Science in China Series D-Earth Sciences 中国科学- D辑（地球科学，英） 1006-9313 789 789 42 Science in China Seried E-Technological Sciences 中国科学-E辑（技术科学，英） 1006-9321 789 789 43 Transactions of Nonferrous Metals Society of China 中国有色金属学报（英文版） 44 Chinese Education and Society 中国教育与社会？ US1061-1932 789 45 Chinese Law and Government 法律与政府？ US0009-4609 89 46 Chinese Literature 中国文学cn1005-3050 FOOO9-4617 89 47 Chinese Sociology and Anthropology 中国社会学与人类学 US0009-4625 789 48 Chinese Studies in Philosophy 中国哲学研究 US0023-8627 7 9 49 Chinese Studies in History 中国历史研究 US0009-4633 789 50 Contemporary Chinese Thought 当代思潮（中文版） 1097-1467 89
中国有色金属学会会刊（英文版） 相关期刊金属学报（英文版）主办单位:中国金属学会 | 周期:双月刊锻压技术主办单位:北京机电研究所 中国机械工程学会塑性工程学会 | 周期:双月刊 | 核心刊物本刊是由国家机械局北京机电研究所主办，主要报道锻造和模锻、冲压、特种成形等领域的新理论、新工艺、新设备以及相关的技术问题，包括模具设计与制造技术，磨擦与润滑技术，锻压工艺参数与设备力能参数的测试技术，锻压CAD/CAM技术，机械化自动化和柔性生产控制技术等。本刊突出技术内容，注意技术和信息的结合，理论与生产实际的结合，以及普及与提高的结合，力争满足业内技术人员、管理人员、工人及大专院校师生的需要。成组技术与生产现代化主办单位:机械工业部第六设计研究院、中国机械工程学会成组技术分会、中原工学院 | 周期:季刊本刊主要以专题研究论文及技术报告等形式发表最新研究成果。具体内容涉及成组技术（相似工程）、先进制造技术及现代生产管理的研究与应用，包括现代设计技术、先进制造工艺技术、现代生产与管理技术、信息化技术、网络化制造、虚拟制造、生产模式研究、相似制造理论与方法、计算机应用、企业技术改造等。中国稀土学报主办单位:中国稀土学会 | 周期:双月刊 | 核心刊物本学报（双月刊）是由中国稀土学会主办、北京有色金属研究总院承办、北京大学协办的综合性学术刊物。它涉及的主要内容有稀土化学与湿法冶金；稀土金属学与火法冶金；稀土新材料（磁性材料、超导材料、纳米材料等）；稀土固体物理与固体化学；稀土应用研究；稀土分析检测；稀土地质、矿物和选矿等。主要栏目有综合评述、学术论文、研究快报及研究简报等。金属功能材料主办单位:钢铁研究总院 中国金属学会功能材料分会 | 周期:双月刊 | 核心刊物本刊系由中国金属学会功能材料分会与钢铁研究总院合办的专业技术刊物，报道内容以永磁、金属软磁、贮氢合金和电池、形状记忆合金及其它高科技金属功能材料、生产工艺、技术装备等的最新科研成果及发展动向为主，并刊登大量国内外相关信息及市场动态。主要栏目有综合述评，试验研究，环球信息，简讯，工艺设备，理化测试和行业动态等。新疆有色金属主办单位:新疆维吾尔自治区有色地质勘查队 乌鲁木齐有色冶金设计研究院 新疆有色金属学会 新疆有色金属研究所 | 周期:季刊本刊始终坚持一个中心，两个基本点的基本路线，以辩证唯物主义为指导，坚持党的双百方针，开展国内外有色金属领域的学术交流，发挥导向作用。焊接学报主办单位:中国机械工程学会 中国机械工程学会焊接学会 哈尔滨焊接研究所 | 周期:月刊 | 核心刊物本刊主要刊登焊接各专业学科理论研究的专题论文和反映焊接新材料、新工艺方法的专题论文。它代表了中国焊接学术水平具有一定的权威性，在国内外拥有广大的读者，在国际上享有一定的声誉。被美国《工程索引（Ei）》、《科学引文索引（SCI）》收录，是中国科技论文统计源期刊。稀有金属主办单位:北京有色金属研究总院 | 周期:双月刊 | 核心刊物本刊是以稀有金属材料研究、开发和冶炼为特色的大型综合性双月刊，由国家有色金属工业局主办，北京有色金属研究总院承办。是中文核心期刊，主要报道稀有金属、贵金属、稀土金属及镍、钴等有色金属在材料研制、合金加工、选矿、冶炼、理化分析测试等方面的最新科研成果及应用，同时还报道超导材料、半导体材料、复合材料、陶瓷材料、纳米材料、磁性材料等新材料的研究开发及应用。在稀有金属领域享有较高的学术水平和权威性。轧钢主办单位:钢铁研究总院 | 周期:双月刊 | 核心刊物本杂志为全冶金优秀期刊，是由钢铁研究总院（北京）主办的，国内外公开发行的专业综合技术刊物。其全面报导中厚板，热轧和冷轧板带，型钢，线材及制品生产新技术、新工艺、新设备、新产品。本刊广告业务面向轧钢企、事业单位用各种轧机及辅助设备、仪器仪表、工具、材料等产品，以及国内外公司的形象广告。中国有色金属学报主办单位:中国有色金属学会 | 周期:月刊 | 核心刊物《中国有色金属学报》是中国科协主管、中国有色金属学会主办、科学出版社出版的以有色金属材料和冶金学科为主的高技术、基础性学术期刊。创刊于1991年10月，1991—1999年为季刊，2000—2003年为双月刊，2004年起改为月刊。国内外公开发行。《中国有色金属学报》以繁荣有色金属科学技术，促进有色金属工业发展为办刊宗旨；坚持开展国内外学术交流，及时报道有色金属科技领域的新理论、新 技术和新方法。目前设置的主要栏目有材料科学与工程、选矿·冶金·化学化工。从影响因子和总被引频次来看，《中国有色金属学报》已成为我国材料、冶金和金 属学领域最有影响力的科技期刊之一。《中国有色金属学报》是中国科技论文统计与分析数据库和中国科学引文数据的源期刊，已被美国《工程索引》（核心库）、 美国《化学文摘》、英国《科学文摘》、日本《科学技术文献速报》、俄罗斯《文摘杂志》、美国《金属文摘》等国际著名检索系统收录。同时还被《中国学术期刊 文摘》、《中国学术期刊(光盘版)》、《万方数据》、美国《工程材料文摘》、英国《矿冶文摘》等国内外其他重要检索系统/数据库收录。《中国有色金属学报》近年来得到了健康稳定的发展，期刊评价指标持续快速地增高，期刊知名度和影响力大幅度提升。2002年获中国科协第三届优秀 科技期刊三等奖，2003—2006年连续四届被国家科技部中国科技信息研究所评为“百种中国杰出学术期刊”。2004—2006年获第二届、第三届、第 四届中国科协期刊优秀学术论文奖，已在作者和读者心目中树立了良好的品牌形象。2006年本刊获得了中国科协精品科技期刊工程项目的经费资助。我们相信，有了中国科协精品科技期刊工程项目的经费资助和广大作者、读者的支持， 经过编辑部全体同仁的共同努力，《中国有色金属学报》一定会办成以反映我国的科技进步和学科创新为主，为实施科教兴国战略与人才强国战略、推动自主创新和 建设创新型国家服务的精品期刊。
近五年来在国内外学术刊物上发表科研论文20多篇，其中有7篇（次）被SCI、EI收录著作1、《材料学》，高等教育出版社，2005年2月；2、《材料力学性能》，武汉理工大学出版社，2004年8月。论文1、 Cheng Xiaomin, Wu xinwen, Zhang Lianmeng, Chen Tiequn. Synthesis of Al2O3/Al Composites by Reaction between SiO2 and Molten Al. Key Engineering Materials, 2003,249:273-2762、 Cheng Xiaomin, Li Na, Zhou Shiquan. Fabrication and Mechanical Properties of SiC/Al Composites by Die-Forging in Semi-Solid. Key Engineering Materials, 2003,249:269-2723、 Cheng Xiaomin, Zhang Lianmeng, Chen Tiequn. Microstructures and Mechanism of Al2O3/Al Composites Obtained by the Reaction of SiO2 and Molten Aluminum. Journal of Wuhan University of Technology—, 2003,18(3)：50-524、 Cheng Xiao-min, Li Na, Wu xin-wen，Fang Hua-bin. Research of Eddy Current Testing System of the Carburized Layer Depth of 20CrMnTi Congress of International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering. October 26-28,2004,Shanghai,China,409-4115、 程晓敏，周世权，方华斌. Al2O3颗粒增强铝基复合材料的半固态搅熔复合.中国有色金属学报，2001，11（6）：1009-10116、 程晓敏，方华斌，吴兴文，张联盟，陈铁群. 石英玻璃与液态铝反应生成Al2O3/Al复合材料的研制.特种铸造及有色合金，2003，(4):8-97、 程晓敏，吴兴文，陶应龙. 20CrMnTi钢渗碳层深度和渗层碳分布的数值模拟. 金属热处理，2004，29（2）：53-558、 程晓敏，陈铁群，方华斌.奥氏体氮碳共渗层的组织分析及性能试验.金属热处理，2002，27（3）：19-219、 程晓敏，陈铁群，方华斌. 5CrNiMo钢渗硼层组织分析及性能试验. 金属热处理，2001，26（11）：11-1210、程晓敏，方华斌，陈铁群. 涡流检测渗碳层深度的感应电压计算.武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2003，25（2）：64-6611、程晓敏，陈铁群, 游凤荷.渗碳层电磁特性的数值模拟.武汉汽车工业大学学报，2000，22（5）：66-6812、程晓敏，陶应龙，李娜. 渗硼后的热处理工艺对5CrNiMo钢力学性能的影响. 热加工工艺，2003，（4）:9-1013、程晓敏，陈铁群，申庆. 石墨-Al基复合材料制备工艺及性能.武汉汽车工业大学学报，1997，19（3）：43-4614、程晓敏，陈铁群. RSC Al2O3/Al复合材料试验研究. 武汉汽车工业大学学报，1998，20（3）：58-6015、程晓敏，吴兴文，方华斌. 渗碳材料涡流测试系统的研究. 无损检测，2004，26（8）：396-398.
作者 | 张晴丹
你能想象克的“绳子”可以提起5公斤重的物体吗？
没开玩笑，这是科研人员创造出的一种力学性能惊人的新材料。它不但具有很好的拉伸性能，拉伸长度能达600%，而且还非常坚韧。
近日，美国北卡罗来纳州立大学Dickey实验室博士后王美香以第一作者的身份，在Nature Materials上发表论文，介绍了这款新材料。它属于离子液体凝胶的一种，在抗拉伸性能和韧性上创造了这类材料的最高纪录，也展现出比水凝胶更广阔的应用前景。
评审专家之一、麻省理工学院教授赵选贺认为，“这些透明的离子液体凝胶具有非常坚韧的机械性能，而且最大的亮点是制作简单，易于使用。”
1+1 10，凝胶界的“佼佼者”
“通常凝胶的机械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人体内的软骨。一些研究人员一直在努力制造坚韧的凝胶，这启发了我们。”论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学Dickey实验室负责人Michael D. Dickey告诉《中国科学报》。
此次创造出的离子液体凝胶含有超过60%的离子液体，主要包含丙烯酸和丙烯酰胺两种物质，前者是用于婴儿尿不湿吸水的主要材料，后者是用于隐形眼镜的主要材料。最后，混合材料兼具了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸离子液体凝胶的优点，实现了1+1 10的效果。
王美香介绍，新材料透明度达90%以上，其内部的聚合物网络微结构使凝胶拥有极高的力学性能，可拉伸而且非常坚韧。拉伸的长度能达600%，模量有约50个兆帕，断裂强度约有13个兆帕。这是目前离子液体凝胶界的最高纪录。
论文中展示的是用克的离子液体凝胶材料，轻松提起1公斤重量的物体。事实上提起5公斤的重量也不在话下，但因实验室没有5公斤的标准件，他们后来用5公斤的水桶做了实验，材料本身不会有任何破损。
离子液体这个溶剂本身不挥发，且具有很高的热稳定性和导电性。因此，创造出的这款离子液体凝胶具有广阔的应用前景。“可用于电池、传感器、3D打印、致动器和柔性电子设备等。”Michael D. Dickey说。
可穿戴柔性电子器件是当下科学研究的热门之一，要同时满足可弯折、扭曲、拉伸等需求，所以对材料的要求极高。以往做展示用的较多的是传统柔性材料——水凝胶，但水凝胶稳定性是个大问题，长期暴露在空气中会导致水分蒸发、性能受损。
“离子液体凝胶完全可以替代水凝胶在可穿戴柔性电子器件上的应用。首先它很稳定不挥发，不需要任何包覆；其次具有高导电性，不需要额外添加导电介质；可穿戴设备往往需要大变形，离子液体凝胶还可以用来开发应变传感器。”王美香说，“还有一点，它具有自愈合和形状记忆的特性。”
一步法轻松做成
长期以来，在凝胶材料领域最火的，非水凝胶莫属。
实际上，水凝胶在生活中已相当常见。比如，隐形眼镜、果冻、龟苓膏等都是水凝胶的“产物”。自62年前水凝胶横空出世，科研人员便绞尽脑汁地挖掘其力学性能，涌现了无数重大成果。
但同为凝胶材料，离子液体凝胶领域的研究则发展较慢。例如力学性能研究还是一块空白，很难把它的力学性能做到与高强度水凝胶相媲美的程度。
在这篇论文发表之前，合成高强度离子液体凝胶的方法并不易。为了提高材料的力学性能，一些研究人员采用多步法或者溶剂交换，整个过程耗时长、成本高，而且浪费资源。
挑战不可能，这是科研工作者骨子里的基因，恰好离子液体这个溶剂的“72般变化”也让王美香着迷。
“顾名思义，水凝胶用的溶剂只有一种，就是水，而离子液体凝胶用的溶剂是离子液体，有成千上万种，这正是它的魅力所在。”王美香对《中国科学报》说。离子液体在室温下是一种液态的熔融盐，里面含有正离子和负离子，只要熔融盐里的正负离子不一样，就可以实现离子液体的千变万化。
研究选材是从聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的单体开始。
最初，王美香把两种材料分开来做。当把丙烯酰胺融到离子液体后，产生的凝胶跟她预想的完全不一样，不透明、发白，就像晒干的面条一样特别脆，一碰就断。随后她又试了丙烯酸，做出来的凝胶则超级软，透明度达到百分百。
完全就是两种极端！这让她无比兴奋，如果把三者混在一起，会擦出什么样的火花呢？
“把丙烯酰胺和丙烯酸融到离子液体里，再加入引发剂和交联剂，然后混匀，用高功率紫外灯照射，3分钟就能制作出论文中这种新型混合材料。”王美香说，“就是这么简单。”
一步法就这样诞生了！它为离子液体凝胶研究开启了新世界的大门。
为实验蓄能，把理论变为现实
王美香在西安交通大学读博期间，就一直从事水凝胶研究。但她看到了离子液体凝胶材料的巨大潜力，因此萌生了调整研究方向的想法。
2018年12月，王美香从西安交通大学获得材料科学与工程博士学位后，进入北卡罗来纳州立大学Dickey实验室做博士后，主要致力于高机械性能凝胶材料的设计和制备，以及研究其在可穿戴柔性电子器件、全固态电池以及超级电容器、传感器和驱动器等领域的应用。
在新的平台，王美香也顺利转换到新赛道，开始离子液体凝胶材料研究。
但是，王美香刚进入北卡罗来纳州立大学，新冠疫情就来了，一下打乱了研究计划，学校封闭，无法进入实验室。
她便利用这段时间查阅文献，为实验蓄能。在家“闭关”三个月后，终于等来复工的消息。王美香便一头扎进实验里，每天在实验室待八个小时，把实验过程中看到的现象记录下来，晚上回家查资料来分析这些现象的成因。
幸运的是，这项工作从始至终都比较顺利，这篇论文投给期刊也很快被接收。并且，评审专家都对该成果给了很高的评价。
“接下来，我们将会做应用方面的拓展，想把离子液体凝胶与3D打印技术相结合，用于开发新型柔性机器人。”王美香说。
参与这项研究的一共有9位作者，其中华人学者就有4位。除了王美香，另外3位分别是论文共同通讯作者、西安交通大学教授胡建，西安交通大学硕士生张鹏尧，以及美国内布拉斯加州大学林肯分校研究助理教授钱文。
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金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。我们对金属材料的认识应从以下几方面开始：一、分类：金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。①黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳 2％～4％的铸铁，含碳小于 2％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属 、喷射成形金属，以及粉末冶金材料。铸造金属通过铸造工艺成型，主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型，其化学成分与相应的铸造金属略有不同。喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯。金属材料的性能可分为工艺性能和使用性能两种。二、性能为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。三、生产工艺：金属材料生产，一般是先提取和冶炼金属 。有些金属需进一步精炼并调整到合适的成分，然后加工成各种规格和性能的产品。提炼金属，钢铁通常采用火法冶金工艺，即采用转炉、平炉、电弧炉、感应炉、冲天炉(炼铁)等进行冶炼和熔炼；有色金属兼用火法冶金和湿法冶金工艺 ；高纯金属以及要求特殊性能的金属还采用区域熔炼、真空熔炼和粉末冶金工艺。金属材料通过冶炼并调整成分后，经过铸造成型，或经铸造、粉末冶金成型工艺制成锭、坯，再经塑性加工制成各种形态和规格的产品。对有些金属制品，要求其有特定的内部组织和力学性能，还常采用热处理工艺 。常用的热处理工艺有淬火、正火、退火、时效处理（将淬火后的金属制件置于室温或较高温度下保温适当时间，以提高其强度和硬度）等。四、发展趋势：金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到了迅速发展，新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料，已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用，并产生了巨大的经济效益。
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哪种？合金一般以性能优越..导热电性强著称...
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镁是最轻的结构金属。几种常用结构金属的密度（g·cm-3）(20o)如下： AL Mg Ti Fe Cu 可见镁的密度约分为Al,Ti,Fe,Cu的64%，39%，22%，19%。由于镁的密度小，它的合金也以质轻著称。一般镁合金的密度在·cm-3以下，镁，锂合金的密度低于镁 ·cm-3.某些超轻型镁.锂合金密度甚至低于1,比水还轻.镁得镁和金的低密度使其比性能提高.例如,20o时的弹性模量为45Gpa,比铝(70Gpa)和Ti(120Gpa)的低,但三者的比弹性模量相同(～26Gpa).镁和镁合金质量小的特点,使其在交通运输、航空工业和航天工业上具有巨大的应用前景.镁的熔点为 651℃,沸点为1107℃.镁的蒸气压很高,627℃时为℃时为,因此镁铍极易挥发.镁原子最外层的两个电子很易失去,是很活泼的金属.常温下镁能与F、CL、BR、I等元素作用生成相应化合物.加热时镁能与硫、氮作用生成MgS和Mg3N2。在空气中镁会慢慢氧化,失去银白光泽而变黑.若温度提高至400℃以上,镁的氧化速度增快,超过500℃以后氧化速度更快,会着火燃烧,此时会生成氧化镁和少量氮化镁.镁燃烧时会发出非常强烈的光亮.镁的这一特点,颇受人们的青睐.早期就被利用于摄影照明,给人们留下美好的形象和记忆.战争时期,被用来制造照明 弹,把战场和目标照明得如同白昼.又被用于制造燃烧 弹,点燃战区的物资装备,杀伤对方有生力量.人们还利用镁的这一特点,将镁粉、铝粉和其它原料制成烟花.每当节庆的夜晚,随着阵阵悦耳响声,人们可以看到”嫦娥奔月””天女散花”……各种形色的烟花在夜空飞舞,多彩多姿,给人们带来极大的欢乐.顺便提一下,镁的这种”牺牲自我””乐于助人”精神处处可见.例如它仗着活泼的电化学性质做了牺牲自我的阳极,保护着其它的金属和设备.它又作为原电池阳极,耗尽了自己,照亮了他人.由于化学活泼性高,金属镁是耐腐蚀性能最差的金属之一.在酸性、中性和弱碱性溶液中它都会受到腐蚀而变成Mg2+离子.各种类型大气均会对镁产生程度不同的腐蚀作用.在干燥的空气中,它的表面上形成一层暗淡的的疏松多孔氧化膜,在潮湿大气中,生成的产物组成大致为Mgco3·3H2O+Mgso4·7H2o+Mg(OH)2.大气湿度增加,工为地区和海洋环境的大气中所含的二氧化硫和氯化物等物质,能加重镁的腐蚀.镁中氯化物杂质及铁杂质也会加速镁的腐蚀.因此,工业生产的镁锭必须镀膜钝化,涂油及以蜡纸包覆. 镁是地壳中分布最广的元素之一,占地壳重量的,为第四个最丰富的金属元素(位于Al、Fe、Ca)之后.在自然界中镁只能以化合物的形态存在.在已知的1500多种矿物中,含镁矿物的有200多种,主要为碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐、氧化物.海洋及盐湖中的镁比陆地上更多,是镁的主要来源.海水中含有10多种元素,镁的含量排第三,位居Na、K之后.海水中含镁每立方千米海水中有130万t镁,相当于世界镁年消耗量的4倍(见表)盐湖水的镁浓度比海水更高.以东以色列、约旦之间的”死海”(实为另一内陆湖),受到千万干旱气候的造化,湖水极浓,含镁竟高达4%.仅此一处的镁,就能满足全世界万年的需要. 纯镁不适合做结构材料.作为结构材料应用的镁主要是镁合金和铝－镁合金.全世界约有千种铝合金牌号,若按化学成份归类的话,约为300多种.这300多种铝合金几乎都含有镁,其中以镁作为主要添加剂的铝－镁合金(镁含量最高为)约为40种.全世界各国镁合金品牌共有200多种,这些品牌按化学成份可归为30多种.共中变形镁合金黄色10多种,铸造镁合金20多种,铸造镁合金主要有以下3个体系. 1) 镁－铝合金.这种合金自第一次世界大战被德国使用以来,成了最广泛使用的铸造镁合金的基础.大部份含有8%～9%的铝及少量的锌(使拉伸性能有某些提高)和锰(改善抗蚀性)2) 镁－铝－锌合金.镁－铝合金中加锌会产生一定的强化作用,其中高含锌量的合金具有很吸引人的压铸特性.如Mg－8AL－8ZN,具有足够大的流动性.,可用于压铸件,而且流动性和抗蚀性超过传统铝－锌合金.3) 含锆镁合金.锆能细化晶粒,改善镁合金的拉伸性能,提高镁合金蠕变能力,以满足航空和航天工业的需要.属于这一系列的合金有镁－锌－锆合金,镁－稀土－锌－锆合金,以及镁－钍系为基和镁－银系为基的含ZR合金.这种含稀土金属和或含钍的合金都可焊.钍也能改善铸造性能.银可以进一步提高拉伸性能.一些铸造镁合金的性能示于表.镁是立方晶格的金属,可以承受的形变量有限(特别是在低温下).其变形材料主要在300～500℃温度范围内通过挤压、;轧制和压力锻造进行生产.变形合金可以按照它们是否含锆而分成两类.按照变形产品种类可分为三类:1薄板和厚板轧制金.如AZ31(Mg-Al-Z系),ZM21(Mg-Zn-Mn系)和ZE10(Mg-Zn-RE系),这三种合金都可焊,后两种强度较低.LA141A(Mg-Li-Al)等也属这一类,前面已作详细介绍.属于这一类的还有含钍的HK31(Mg-Th-Zr系)以及随后研制的HM21(Mg-Th-Mn等),它们的高温强度更高.2挤压合金.这类合金含铝量大多在1%～8%之间.镁合金都具有密度小的特点，特别是某些镁-锂合金（见前），密度甚至低于1。美英俄等国正在研制含钇镁合金。一种合金，其密度小于·cm-3 ，抗拉强密度420Mpa， 屈服强度360Mpa，比现有任何一种变形镁合金的都高，同高强度铝合金强度相当。 镁铝合金又名铝镁合金，分子式：Mg4Al3分子量：颜色为灰褐色，比重约为，熔点463℃，燃烧时产生的温度达2000℃-3000℃。在烟花生产过程中起着非常重要的还原剂作用，也可作为白光剂和照明剂。镁铝合金是用镁锭和铝锭在保护气体中高温熔融而成。长期以来关于镁铝合金的结构有两种说法。一种说法是镁铝合金是简单物理混合；另一种说法是镁铝合金内部改变了晶体结构，不是简单的物理混合。镁锭和铝锭在高于1150K时，部分铝与空气中的氧气反应，生成a-Al2O3,氧化铝的此种晶体化学性质呈惰性，起着屏障、隔离作用。低于1150K时，生在B-Al2O3而这种晶体与酸反应，保护不了内部的镁铝合金。标准的镁铝合金中镁、铝的含量各约为50%。活性铝含量的多少对烟花的安全生产和产品的质量有很大的影响。但是现在生产镁铝合金的企业多为私营企业，近几年来铝锭比镁锭贵，受利益的驱动，大多未按国标生产。现在镁铝合金粉中铝的含量普遍低于50%，有的铝含量低到了40%。镁含量的增加使得镁铝合金的性质接近镁粉的性质，使得烟火 药的撞击感度、摩擦感度增加，烟火剂更加敏感，从而增加隐患。我们可能以用下面的化学机理来检验镁铝合金中铝的含量。1、盐酸与镁铝合金的反应Mg+2HCl=MgCl2+H2↑2Al+6HCl=2AlCl3+3H2↑2、混合溶液与氢氧化钠溶液反应（混合溶液中滴几滴石蕊或酚酞试剂作指示剂，以避免氢氧化钠过量）MgCl2+2NaOH=2NaCl+Mg(OH)2↓AlCl3+3NaOH=3NaCl+Al(OH)3↓3、过滤、烘干、称重，重量为G1克4、氢氧化铝与过量的氢氧化钠反应Al(OH)3+NaOH=NaAlO2+2H2O5、未反应的为氢氧化镁。过滤、烘干、称重，重量为G2克镁铝合金的中铝的含量 Al%=(G1-G2)/G×规定了镁铝合金中铝的含量的范围为47-53%，铝含量低于这个范围镁铝合金容易引起质量事故和安全事故，应慎用。镁锭在镁铝合金中的应用：镁铝合金由镁锭和铝锭在保护气体中高温熔融而成，其组成有：简单的物理混合与已改变晶体结构的物理混合两种说法。