复合材料力学
复合材料力学
第九章复合材料力学材料力学的任务是研究均匀、各向同性材料在外力作用下的变形、受力和破坏的规律。
为合理设计构件提供有关强度、刚度和稳定性分析的基本理论和方法。
自20世纪40年代开始，现代复合材料得到了飞速发展，这种由两种或两种以上组分材料复合而成的多相材料，其物理、化学、力学等性能，满足了任何单一材料都难以满足的性能要求。
然而，这种复合材料在外力作用下的变形、受力和破坏的规律已不同于像传统金属材料那样的规律，因此复合材料力学就是研究这种新型的材料在外力作用下的变形、受力和破坏规律，为合理设计复合材料构件提供有关强度、刚度和稳定性分析的基本理论和方法。
本章介绍的复合材料力学是以纤维和塑料组成的纤维增强复合材料为主要对象的，主要介绍连续纤维增强复合材料在外力作用下的变形、受力和破坏的规律。
各向异性体弹性力学基础传统的金属材料一般看作是各向同性体，通常在弹性范围内研究其变形和受力采用的是各向同性体弹性力学。
然而纤维增强复合材料最常用的是层合板结构形式，即由纤维和基体组成一种铺层（或称单层），并以不同方向层合而成一种多向层合板（如果同一种铺层都处于同一方向称为单向层合板）。
这种层合板成为复合材料结构件的基本单元，而铺层是层合板的基本单元。
因此本章介绍复合材料的刚度与强度，是从介绍铺层的刚度与强度开始，然后介绍多向层合板的刚度和强度。
铺层是由无纬布或交织布经预浸胶处理并按实际结构件的形状及构成多向层合板所规定的方向进行铺设，然后加温（或常温）固化制成。
所以铺层、层合板和复合材料结构件是一次完成的一般的铺层（无论是无纬布或交织布形成的）是正交各向异性的，即具有两个相互垂直的弹性对称面。
因此复合材料不同于金属材料，它具有各向异性的弹性特性，为此首先要对各向异性体弹性力学作一简要介绍。
各向异性体弹性力学与各向同性体弹性力学的主要差别，仅在于应力-应变关系的不同，而解决弹性力学问题还需涉及的平衡方程、几何方程、协调方程和边界条件等，则完全相同。
复合材料的力学性能分析
复合材料的力学性能分析复合材料是由两种或以上的不同材料在力学上结合形成的材料，具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀等优良特性，被广泛应用于汽车、航空、航天、体育用品等领域。
然而，复合材料的力学性能与其组成材料、制备工艺、结构形式密切相关，需要经过细致的分析才能充分发挥其优势。
一、组成材料的力学性能分析复合材料由纤维和基体材料结合形成，其中纤维通常是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，基体材料通常是树脂、金属等。
因此，复合材料的力学性能与其组成材料密切相关。
1.纤维材料的力学性能纤维材料具有很高的强度和刚度，可以充分发挥复合材料的优势。
常用的纤维材料有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
其中，碳纤维的强度和刚度最高，但价格也最昂贵，适用于高端领域；玻璃纤维强度和刚度较低，价格相对便宜，适用于一般领域；芳纶纤维具有较高的温度和化学稳定性，适用于高温环境。
2.基体材料的力学性能基体材料主要起粘结纤维材料的作用，因此需要具有较好的强度和可塑性。
常用的基体材料有环氧树脂、酚醛树脂、聚丙烯等。
环氧树脂具有较好的成型性和高强度，适用于高端领域；酚醛树脂价格相对便宜，但强度和成型性较差，适用于一般领域；聚丙烯具有良好的化学稳定性和低密度，适用于航空、航天等领域。
二、制备工艺对力学性能的影响分析复合材料制备工艺是影响其力学性能的重要因素之一。
常用的制备工艺有手工层叠法、自动层叠机法、注塑成型法等。
1.手工层叠法手工层叠法是复合材料制备的最早方法之一，其优点是成本低，适用于小批量生产；缺点是生产效率低，工艺难以控制，制品质量不稳定，易产生接触、空气泡等缺陷。
2.自动层叠机法自动层叠机法是指利用专用机器进行自动化生产的方法，其优点是生产效率高，无人工干预，制品质量稳定；缺点是设备成本高，不适用于小批量生产，工艺仍需改进和控制。
3.注塑成型法注塑成型法是将熔融状态的树脂注入到预制的模具中，并在高温高压下形成制品的方法，其优点是最大程度地消除了接触缺陷、空气泡等缺陷，制品密实，精度高，产品性能稳定；缺点是成本高，需要专用模具，适用于大批量生产。
复合材料力学
复合材料力学
复合材料力学是一门在航空航天、船舶、核工业、建筑、机械及其它多种有关行业中
应用较广的力学分支学科，主要研究复合材料的性能、结构故障分析和强度评定。
简单地说，复合材料力学是一种应用力学，它主要应用于研究复合材料的性能、结构破坏分析和
强度评定。
复合材料指的是多种材料形式的组合，由两种或以上的互补有机物质的混合物组成，
例如碳纤维增强塑料、橡胶增强碳素纤维增强陶瓷、碳素纤维增强树脂等等，具有更优越
的机械性能、抗冲击性能、延伸性能和高温使用性能等优势，因此可以使机械结构得到大
量减轻，节约资源、降低成本。
复合材料力学主要研究内容包括：复合材料的弹性特性、复合材料时变力学特性、
复合材料结构强度分析、复合材料缺陷检测和失效分析、复合材料的加工工艺等。
通过对
复合材料的性能、结构破坏及强度、失效评价等方面进行研究，可以更好地发展复合材料，使其在航空航天、船舶等方面的应用更加普及。
复合材料力学是一门新兴的学科，目前在国内还处于起步阶段，全面发展需要全面照
顾复合材料的各方面特性并进行综合研究，才可以充分发挥复合材料在航空航天、船舶等
行业中的优势，更好地发展复合材料应用技术。
复合材料力学
复合材料力学复合材料力学是研究复合材料在受力作用下的力学性能和行为的学科，它涉及材料力学、结构力学、材料科学等多个学科的知识。
复合材料是由两种或两种以上不同类型的材料组成的材料，通过它们的组合可以获得优异的性能，如高强度、高刚度、轻质等特点。
因此，复合材料在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域得到了广泛的应用。
在复合材料力学中，我们需要了解复合材料的基本结构和性能。
复合材料通常由增强相和基体相组成，增强相通常是纤维、颗粒或片材，而基体相则是粘合剂或基体材料。
增强相的作用是提供材料的强度和刚度，而基体相则起到固定增强相的作用。
在复合材料力学中，我们需要研究增强相和基体相之间的相互作用，以及它们在受力时的行为。
另外，复合材料的制备工艺也对其力学性能有着重要的影响。
不同的制备工艺会影响到复合材料中增强相的分布、排列方式以及与基体相的结合情况，从而影响到复合材料的力学性能。
因此，研究复合材料力学需要考虑到材料的制备工艺对其性能的影响。
复合材料的力学性能包括拉伸性能、弯曲性能、压缩性能等多个方面。
在受拉伸力作用下，我们需要研究复合材料的强度、断裂韧性、屈服行为等性能；在受弯曲力作用下，我们需要研究复合材料的弯曲刚度、弯曲强度、弯曲疲劳性能等；在受压缩力作用下，我们需要研究复合材料的稳定性、压缩强度、压缩疲劳性能等。
通过研究这些性能，我们可以全面了解复合材料在受力作用下的行为，为其在工程领域的应用提供依据。
除了静态力学性能外，复合材料的动态力学性能也是复合材料力学研究的重要内容之一。
复合材料在动态加载下会出现疲劳、冲击等现象，这些现象对材料的损伤和破坏有着重要影响。
因此，研究复合材料在动态加载下的力学性能，对于预测材料的寿命和安全性具有重要意义。
总之，复合材料力学是一个综合性强、应用广泛的学科，它涉及到材料科学、结构力学、工程力学等多个学科的知识。
通过研究复合材料的力学性能，我们可以更好地理解和应用这类材料，在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域发挥其优异的性能。
复合材料的力学分析
复合材料的力学分析引言复合材料是由两种或更多种材料组成的材料，通过将它们组合在一起来获得新的材料特性。
它们在航空航天、汽车工业、建筑和体育器材等领域得到广泛应用。
由于复合材料具有高强度、高刚度和低重量等优点，因此分析和了解复合材料的力学性能至关重要。
复合材料的组成及结构复合材料通常由两个主要成分组成：增强体和基体。
增强体可以是纤维、微粒或纤维布，而基体可以是金属、陶瓷或聚合物。
这两种成分通过一种称为矩阵的粘合剂结合在一起。
根据增强体的类型和排列方式的不同，复合材料可以分为各种类型，如纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层合板复合材料等。
复合材料的力学行为复合材料的力学行为主要受到其组成材料及其排列方式的影响。
相对于单一材料，复合材料的力学性能具有以下特点：强度复合材料通常具有比单一材料更高的强度，这是由于增强体的存在。
纤维增强复合材料的强度通常取决于纤维的类型和排列方式。
微粒增强复合材料的强度与微粒的形状、大小和分布有关。
刚度由于增强体的高强度和高刚度，复合材料通常具有比单一材料更高的刚度。
复合材料的刚度取决于增强体的类型、体积分数以及增强体和基体之间的界面特性。
疲劳寿命复合材料的疲劳寿命与其增强体类型、触变行为以及界面特性有关。
在复合材料中，增强体和基体之间的应力转移不同于金属材料，可能导致剪切和剥离等破坏模式。
断裂韧性复合材料通常具有较低的断裂韧性，这是由于增强体和基体之间的界面层的弱点。
增强体与基体之间的界面层容易出现剥离和裂纹扩展。
复合材料的力学分析方法复合材料的力学分析方法可以分为实验方法和数值模拟方法。
实验方法实验方法是研究复合材料力学行为的重要手段之一。
常用的实验方法包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验和剪切试验等。
这些实验可以用于测量材料的强度、刚度、疲劳寿命和断裂韧性等力学特性。
数值模拟方法数值模拟方法通过建立复合材料的数学模型来预测其力学性能。
常用的数值模拟方法包括有限元分析和分子动力学模拟等。
复合材料的力学性能
复合材料的力学性能
§11.1 复合材料概论 §11.2 单向复合材料的力学性能 §11.3 短纤维复合材料的力学性能 §11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳
1
§11.1 复合材料概论
一、定义和分类
1、定义
由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合 形成的新型材料。
2、分类
按基体分：金属基复合材料；无机非金属复合材 料；聚合物复合材料。
Vfcrmu fu Nhomakorabea* m
* m
（式11-41）
∴当Vf<Vfmin时 复合材料的抗拉强度σCLu=σmu(1-Vf)
12
2、抗压强度 基体在纵向压缩中起重要作用。 基体给予纤维侧向支持，使纤维不屈曲。 拉压型和剪切型失稳模型中，纵向抗压强度 分别为 式11-44和式11-45
“纤维的微弯曲和基体剪切失稳是复合材料 纵向压缩的两个主要破坏机理”。
渡；
三次结构（多层）形成多个铺层。
2、连续纤维与非连续纤维增强
连续纤维增强 方向性明显，性能受纤维的
粗细、数量、排列的影响。
非连续纤维增强 纤维的长度与直径之比
L/d，提高剪切强度。
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5
§11.2 单向复合材料的力学性能
一、单向复合材料及其结构模型
1、定义 连续纤维在基体中呈同向平行排列的复 合材料，叫做单向连续纤维增强复合材料。
三、强度
按混合定律计算。 用纤维的平均应力代替（11-39）中的纤维抗拉强度。
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§11.4 复合材料的断裂、冲击和疲劳
一、断裂
1、损伤累积机理
裂纹萌生：缺陷处 扩展： 2、非累积损伤机理 ①接力破坏 ②脆性粘接断裂机理 ③最薄弱环节破坏机理 3、复合材料的破坏形式 ①纤维断裂 ②基体变形和开裂 ③纤维脱胶 ④纤维拨出
复合材料力学
01
有限差分法是一种直接求解偏微分方程的数值方法。
02
该方法通过将微分转化为差分来离散化偏微分方程，然后在 离散化的网格上直接求解该方程。
03
在复合材料力学中，有限差分法常用于分析复合材料的热传 导、波传播等问题。
其他数谱分析、 摄动法、离散元素法等。
02
这些方法在复合材料力学中也有 一定的应用，特别是在某些特殊 问题的求解中。
02
复合材料的力学性能
复合材料的弹性模量
弹性模量
复合材料的弹性模量取决于其组 成材料的弹性模量和纤维方向。 通常情况下，复合材料的弹性模 量高于其组成材料的弹性模量。
纤维方向效应
复合材料的弹性模量在不同纤维方 向上存在差异，表现出各向异性。
增强效果
通过合理选择增强材料和优化复合 材料的结构，可以提高复合材料的 弹性模量。
有限元分析方法
有限元分析（FEA）是一种数值分析方法，用于解决复杂的工程问题，特别是关于 结构强度、刚度、稳定性等问题。
FEA将复杂的结构分解为若干个简单的子结构，称为“有限元”，然后对每个有限 元进行分析，最后将各个有限元的解组合起来得到整个结构的解。
有限元分析方法在复合材料力学中广泛应用于预测和评估复合材料的力学性能，包 括应力、应变、位移等。
05
复合材料力学的实验研究
复合材料力学性能的实验测试
拉伸测试
压缩测试
通过拉伸实验测定复合材料的弹性模量、 泊松比和抗拉强度等参数，以评估其在轴 向拉伸载荷下的性能表现。
压缩实验用于测定复合材料的抗压强度、 弹性模量和泊松比等参数，以评估其在轴 向压缩载荷下的性能表现。
弯曲测试
剪切测试
弯曲实验用于测定复合材料的抗弯强度、 弹性模量和挠曲模量等参数，以评估其在 弯曲载荷下的性能表现。
复合材料力学
复合材料的定义：是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能；可以通过设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的性能。
复合材料的特点：1复合材料具有可设计性2材料与结构具有同一性3复合材料结构设计包括材料设计4材料性能对复合工艺的依赖性5复合材料具有各向异性和非均质性的力学性能特点.复合材料的优点:1比强度高、比模量大2抗疲劳性好3减振性能好4破损安全性好5耐腐蚀性能好6电性能好7热性能好‘复合材料的缺点：1玻璃纤维复合材料的弹性模量低2层间强度低3属脆性材料4树脂基复合材料的耐热性较低5材料性能的分散性大。
复合材料细观力学：研究复合材料单层的宏观性能与组分材料性能及细观结构之间的定量关系。
复合材料细观力学假设：1复合材料单层是宏观非均匀、线弹性的、并且无初应力2纤维是均质、线弹性的，各项同性或横观各项同性的，形状和分布是规则的3基体是均质、线弹性、各项同性的4各相间粘结完好，界面无间隙。
在分析方法上，细观力学可采用材料力学法、弹性力学法和半经验法。
一次超静定问题和静定问题（串联模型的纵、横向弹性模量）C是接触系数，它表示纤维横向接触的程度，且介于0和1之间。
哈尔平-蔡提出了一种近似地表达比较复杂的细观力学结果的内插法。
临界纤维体积含量的定义：纤维微屈曲和剪切破坏是复合材料纵向压缩破坏的两个主要原因。
织物：指以相互垂直的经纱和纬纱构成的正交织物，如玻璃纤维布。
以织物为增强材料制成的复合材料单层板称为织物复合材料单层板，又称双向单层板。
应力传递理论:当复合材料受作用时，载荷直接作用到基体上，然后基体将载荷通过纤维与基体间界面上的剪应力传递到纤维上。
主要有理想刚塑性基体、弹性基体和弹塑性基体三大类。
短纤维全部随机分布于相互平行的平面内而制得的复合材料称为平面随机取向短纤维复合材料。
假设层合板为连续、均匀、正交各向异性的单层构成的一种连续性材料，并假设各单层之间是完全紧密粘接，且限于线弹性、小变形情况下研究层合板的刚度与强度，这种层合理论称为经典层合理论。
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复合材料力学论文题目：用氧化铝填充导热和电绝缘环氧复合材料的无缺陷石墨烯纳米片院系班级：工程力学1302姓名：黄义良学号： 201314060215用氧化铝填充导热和电绝缘环氧复合材料的无缺陷石墨烯纳米片孙仁辉1，姚华1，张浩斌1，李越1，米耀荣2，于中振3（1.北京化工大学材料科学与工程学院，有机无机复合材料国家重点实验室北京100029;2.高级材料技术中心（CAMT ），航空航天，机械和机电工程学院J07，悉尼大学;3.北京化工大学软件物理科学与工程北京先进创新中心，北京100029）摘要：虽然石墨烯由于其高纵横比和优异的导热性可以显着地改善聚合物的导热性，但是其导致电绝缘的严重降低，并且因此限制了其聚合物复合材料在电子和系统的热管理中的广泛应用。
为了解决这个问题，电绝缘Al 2O 3用于装饰高质量（无缺陷）石墨烯纳米片（GNP ）。
借助超临界二氧化碳（scCO 2），通过Al(NO 3)3 前体的快速成核和水解，然后在600℃下煅烧，在惰性GNP 表面上形成许多Al 2O 3纳米颗粒。
或者，通过用缓冲溶液控制Al 2(SO 4)3 前体的成核和水解，Al 2(SO 4)3 缓慢成核并在GNP 上水解以形成氢氧化铝，然后将其转化为Al 2O 3纳米层，而不通过煅烧进行相分离。
与在scCO2的帮助下的Al 2O 3@GNP 混合物相比，在缓冲溶液的帮助下制备的混合物高度有效地赋予具有优良导热性的环氧树脂，同时保持其电绝缘。
具有12％质量百分比的Al 2O 3@GNP 混合物的环氧复合材料表现出1.49W /（m ·K ）的高热导率，其比纯环氧树脂高677％，表明其作为导热和电绝缘填料用于基于聚合物的功能复合材料。
关键词：聚合物复合基材料（PMCs ） 功能复合材料 电气特性 热性能Decoration of defect-free graphene nanoplatelets with alumina for thermally conductive and electrically insulating epoxy compositesRenhui Sun 1，Hua Yao 1， Hao-Bin Zhang 1，Yue Li 1，Yiu-Wing Mai 2，Zhong-Zhen Yu 3 (1.State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites, College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China;2.Centre for Advanced Materials Technology (CAMT), School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering J07, The University of Sydney, Sydney, NSW 2006, Australia;3.Beijing Advanced Innovation Center for Soft Matter Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)Abstract:Although graphene can significantly improve the thermal conductivity of polymers due to its high aspect ratio and excellent thermal conductance, it causes serious reduction in electrical insulation and thus limits the wide applications of its polymer composites in the thermal management of electronics and systems. To solve this problem, electrically insulating Al 2O 3is used to decorate high quality (defect-free) graphene nanoplatelets (GNPs). Aided by supercritical carbon dioxide (scCO 2), numerous Al 2O 3 nanoparticles are formedon the inert GNP surfaces by fast nucleation and hydrolysis ofAl(NO 3)3 precursor followed by calcination at 600 °C. Alterna tively, by controlling nucleation and hydrolysis of Al 2(SO 4)3precursor with a buffer solution, Al 2(SO 4)3 slowly nucleates and hydrolyzes on GNPs to form aluminum hydroxide, which is then converted to Al 2O 3 nanolayers without phaseseparation by calcination. Compared to the Al 2O 3@GNP hybrid with the assistance of scCO 2, the hybrid prepared with the help of a buffer solution is highly efficient in conferring epoxy with excellent thermal conductivity while retaining its electrical insulation. Epoxy composite with 12 wt% of Al 2O 3@GNP hybrid exhibits a high thermal conductivity of 1.49 W/(mK), which is 677% higher than that of neat epoxy, indicating its high potential as thermally conductive and electrically insulating fillers for polymer-based functional composites.Keywords:Polymer-matrix composites (PMCs); Functional composites; Electrical properties;Thermal properties 1.介绍随着电子器件的高集成化和小型化，积累的热量的快速和高效的耗散对于各种高性能器件的正常功能变得越来越重要。
导热聚合物复合材料是热传输和散热的一类重要的热管理材料，由于其轻便和易于加工而广泛应用于包括发光二极管（LED ）和电子封装的应用中。
由于大多数聚合物的低热导率（〜0.2W /（m ·K ）），使用各种导热填料来增强它们的导热性。
在这些填料中，电绝缘陶瓷填料如 Al 2O 3，BN 和AlN 可赋予聚合物高导热性，同时填充的复合材料保持电绝缘。
通常需要高负载（质量百分比> 50％）以获得具有令人满意的导热性的聚合物复合材料，这严重损害聚合物的机械性能并导致复合材料的加工困难。
与陶瓷填料相比，二维石墨烯具有更高的热导率（〜5300 W /（mK ）），因此更有效地提高聚合物的热导率。
然而，其高导电性使得不可能制备导热但电绝缘的聚合物/石墨烯复合材料，因为导电性对石墨烯的含量比热导率更敏感，并且在低填充填料下可容易地实现高电导率，然后发现聚合物复合材料的热导率明显增加。
如果导电聚合物复合材料用于电子器件，必须进行电子元件的特殊结构设计，以避免器件内部发生电短路。
为了充分利用石墨烯对于电绝缘聚合物复合材料的优异的导热性，已经开发了各种技术以通过在石墨烯表面上构造绝缘纳米颗粒或纳米层来抑制其高电导率。
Hsiao 以与其他人通过溶胶 - 凝胶法用二氧化硅涂覆热还原氧化石墨烯（TGO ）。
对于质量分数为1％的TGO-二氧化硅杂化物，其环氧复合物显示出0.32W /（m ·K ）的导热率和电绝缘性能（2.96×10 9Ω·m ）。
然而，二氧化硅涂层的差的固有热导率和杂化物的低负载导致热导率的有限增加。
与TGO 相比，TGO 通常在1050℃的中等温度下热还原，并且仍然含有含氧基团和缺陷，因此具有适度的导热性，高质量（无缺陷）石墨烯纳米片（GNP ）通过TGO 板在2200℃的热退火，更具有导热性。
例如，对于仅具有5.3％质量分数的无缺陷的GNP 的聚乙二醇复合材料，获得1.35W /（m ·K ）的高热导率。
虽然无缺陷的GNP 是高导热的，但它们的惰性表面使得难以通过电绝缘纳米材料涂覆或装饰。
幸运的是，环保超临界二氧化碳（scCO2）流体由于其零表面张力和高扩散性而被证实在润湿惰性表面是有效的，无机纳米颗粒的前体可以吸附到GNP 的表面上，并随后转化为纳米颗粒和纳米片通过煅烧。
在scCO2的帮助下，AlOOH 和MnO2很好地装饰在石墨烯的惰性表面上。
然而，分离的纳米颗粒通常导致松散和多孔结构，这将降低杂化物的热导率。
最近，我们通过使用缓冲溶液封装具有集成的层的碳纳米管（CNT）。
与CNT 相同的石墨烯表面特征应该使得可以在GNP上构造紧密和固体的Al2O3层。
然而，据我们所知，很少有文献报道了通过在scCO2流体或缓冲溶液的存在下在无缺陷的GNP上涂覆电绝缘层来合成导热但电绝缘的混合物。
在这里，通过控制成核和水解过程，Al2O3纳米颗粒和纳米层分别在scCO2流体和缓冲溶液的帮助下在GNP上生长。
合成的Al2O3@GNP混合物有效提高环氧树脂的导热性并保持环氧树脂的电绝缘性。
1％质量分数的GNP已经足以使环氧树脂具有导电性。
对于在scCO2（Al2O3@GNP-BS）的辅助下制备的杂化体，环氧复合材料的保持电绝缘的最大负荷增加至10％，导热率为0.96W /（m·K），12％的该混合物在导热率为1.49W /（m·K）的缓冲溶液（Al2O3@GNP-BS）中制备。