本发明涉及一种基于应变协调的NC ECC功能梯度材料设计方法,包括:将NC ECC功能梯度材料看成由多层不同ECC体积分数的NC ECC复合材料组成,NC ECC复合材料的弹性模量随着ECC体积分数的增加以指数函数形式E(v)呈现非线性变化;列出弹性模量沿厚度方向线性变化的函数E(z),使NC ECC功能梯度材料在受力时层间应变趋于协调;对NC ECC功能梯度材料进行分层设计,通过把位置坐标代入弹性模量线性函数得到E(k,n),通过与指数函数E(v)取等,计算得到不同梯度子层所对应的体积分数;对NC ECC功能梯度材料进行一维理论描述,通过各层求得的体积分数设计值与一维描述理论取等,得到形状系数N的值。该方法设计的NC ECC功能梯度材料具有良好的力学性能和裂缝控制能力以及低廉的成本。

本发明采用的技术方案是：一种基于应变协调的NC-ECC功能梯度材料设计方法，包括：步骤S1、将NC-ECC功能梯度材料看成由多层不同ECC体积分数的NC-ECC复合材料组成，所述NC-ECC复合材料的弹性模量随着ECC体积分数的增加以指数函数形式E(v)呈现非线性变化；步骤S2、以厚度方向z作为自变量，列出弹性模量沿厚度方向线性变化的函数E(z)，使NC-ECC功能梯度材料在受力时层间应变趋于协调；步骤S3、对NC-ECC功能梯度材料进行分层设计，以每层的重心坐标来代表各层的位置，通过把位置坐标代入弹性模量线性函数得到E(k,n)，通过与指数函数E(v)取等，计算得到不同梯度子层所对应的体积分数；步骤S4、对NC-ECC功能梯度材料进行一维理论描述，其中形状系数N被用来描述NC-ECC功能梯度材料的体积分数从一个位置到另一个位置的渐变过程，通过各层求得的体积分数设计值与一维描述理论取等，得到形状系数N的值。

普通混凝土(Normal Concrete，简称NC)因其具有抗压强度高、原料丰富、价格低廉、工艺简单等优点，被广泛应用于各种基础设施建设中。但又因其具有脆性大、韧性差、抗拉强度过小以及开裂后裂缝宽度难以控制等缺点，同时伴随着自然环境的恶劣作用，会给构件带来碳化反应、碱-集料反应、腐蚀破坏等一系列问题，造成巨额的检测和维修费用，因此研究出一种具有裂缝控制能力的新型材料势在必行。

为了解决此类问题，工程用水泥基复合材料(Engineered CementitiousComposites，简称ECC)应运而生，这种水泥基材料纤维体积掺量不大于2％，具有良好力学性能，在受拉时会产生多缝开裂的效果。但由于ECC的价格与混凝土相比昂贵许多，对整个构件使用ECC性价比太低，因此，通过把功能梯度的概念引入水泥基材料，将NC与ECC结合得到NC-ECC功能梯度材料，充分利用材料的同时降低造价。

功能梯度材料是人类通过从自然界的梯度结构(竹茎、牙齿、骨骼等)中得到启发而形成的概念，它与均一材料、简单复合材料相比，优越之处主要在结构组成方面，其原理是将两种或者多种性能不同的材料在结构上进行渐变复合，复合后的材料组分随着结构均匀变化，内部无明显界面，材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，从而呈现出梯度功能的效果。在航天航空领域，通过引入功能梯度概念将金属与陶瓷材料结合，使材料表面具有陶瓷的隔热性能，内部又有金属的强度和韧性，同时能够满足材料在巨大温差作用下能够取得热应力缓和的效果。

发明人：陈伟宏 徐应豪 崔双双 郑祥增 郑剑峰福州大学（Fuzhou University），简称福大，位于福建省福州市，创建于1958年，是国家“双一流”建设高校，国家“211工程”建设高校，国家教育部、国家国防科技工业局与福建省人民政府共建高校，福建省三所重点建设的高水平大学之一，福建省一流大学建设高校，入选国家建设高水平大学公派研究生项目、教育部首批“卓越工程师教育培养计划”高校、新工科研究与实践项目、数据中国“百校工程”项目、国家“111计划”、“高校国际化示范学院推进计划”、国家级大学生创新创业训练计划、全国首批深化创新创业教育改革示范高校、中国政府奖学金来华留学生接收院校、全国专业学位研究生教育综合改革试点单位、国家集成电路人才培养基地、首批高等学校科技成果转化和技术转移基地、高校国家知识产权信息服务中心。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种基于应变协调的NC-ECC功能梯度材料设计方法，该方法针对ECC材料成本昂贵的问题和普通层合材料容易出现的界面破坏问题，将NC和ECC作为基础相，以弹性模量线性变化作为设计原则，通过功能梯度的方法对其进行分层设计，在不同体积分数的NC-ECC复合材料分层结合的同时能够消除界面弱区并实现层间应变相互协调，使NC-ECC功能梯度材料依然具备ECC的高延性和裂缝控制能力，且具有低廉的成本，做到对材料的充分利用，避免资源浪费，节约大量的成本，在工程建设中具有广阔的应用前景。

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