用分形理论研究低温条件下Al-Al界面间的接触导热现象

界面形貌是固体界面间接触导热的最主要影响因素 ,传统的形貌表征参数与仪器的分辨率和取样长度密切相关 ,因而基于这些参数的常规接触导热模型显然是尺度相关的。分形网络模型利用粗糙表面处处连续却不可微的分形特征 ,采用与尺度无关的分形参数 ,揭示了接触导热的本质 ,为准确预测接触热导开辟了一条新的途径。实验测定了粗糙表面的分形参数和低温条件下 Al50 52 - Al50 52界面间的接触热导 ,将接触热导的实验值与分形网络模型的预测结果进行了比较 ,并就接触热导与压力、分形参数和温度之间的关系进行了分析 ,指出分形网络模型的预测精度与分形参数相关联。     

粗糙表面接触模型的研究现状和展望

工程表面在微观尺度上都是粗糙的.研究粗糙表面的接触行为,有助于更好地理解表面的微观结构影响其功能属性的机理,以便为特定的工程应用设计表面形貌.总结了粗糙表面接触模型的研究现状,并从基体的塑性应变和材料力学行为的尺度效应两个方面对未来的工作进行了展望.     

粗糙接触界面超声非线性效应的概率模型

提出描述粗糙接触界面超声非线性效应的概率模型,利用分段均匀概率函数描述粗糙接触界面劲度系数变化,结合表面粗糙峰的几何分布特征,得到界面粗糙度和两侧表面相对运动对声波的非线性调制作用。实验观测了铝合金材料的粗糙接触界面的高次谐波现象和阈值现象,进一步分析了归一化非线性参数与界面加载压力、粗糙度之间的关系。实验测量结果与概率模型的理论预测一致,证明了该模型的正确性,为利用超声非线性效应评价粗糙接触界面提供了理论依据。      

表面粗糙度对固体内部超声背散射的影响

超声背散射法可通过多晶体金属内部的空间方差信号,实现微观结构参数的无损评价,但表面粗糙度对评价模型的精度及实用性存在显著影响.基于高斯声束理论推导垂直入射粗糙界面的纵波声场,以此研究声能的Wigner分布规律;在超声的波长远大于粗糙度的前提下,构造表面粗糙度修正系数,并建立粗糙界面的单次散射响应模型,揭示粗糙度对超声波背向散射的影响规律.用304不锈钢制备轮廓均方根值为0.159μm的光滑试块和25.722μm的粗糙试块开展超声背散射实验,结果表明模型在粗糙度修正前后均可实现光滑试块的晶粒尺寸有效评价,但未经修正的传统模型对粗糙试块的晶粒尺寸评价结果与金相法结果的相对误差高达-21.35%,而本模型的评价结果与金相法结果符合得很好,相对误差仅为1.35%.可见,本模型能有效补偿粗糙度引起的超声背散射信号衰减,从而提高晶粒尺寸无损评价的精度.     

具有分形结构的SiC/SiO2界面的粗糙散射

用结构函数的方法建立了SiC粗糙表面的分形模型,用rms粗糙度Δ,分形维数D,以及相关长度L三个参量来刻画表面高度的自协方差函数,并提出了参数的计算方法.在此分形模型的基础上,能计算出SiC/SiO₂界面对沟道电子的粗糙散射.     

对密封容器中泄漏问题的讨论

大到太空中的飞船,小到一瓶矿泉水,容器的密封都是很重要的．但理论模型对阐明密封器是如何泄漏的过程并不清晰．众所周知,最为大家所熟悉的密封圈是用橡胶制作的,它处于两个接触面之间,加大了固体表面一橡胶圈一底座间的接触面积,使彼此靠得非常紧密．尽管如此,容器中的液体或气体仍然会泄漏出来．因为各种界面相对来说都是比较粗糙的,无法达到完全的接触．如果表面上的缝隙网络能在两接触面的边界问提供一条通道,则泄漏必将产生．为了能估计沿着两界面之间的缝隙与接触面的分布状态,需要建立一些模型,但大多数模型都不能很好地预测出实际系统的泄漏率和其他的实验行为．     

分形粗糙面合成孔径雷达成像研究

研究了分形粗糙面的成像问题. 分形粗糙面能够较好的逼近真实环境, 采用带限形式的Weierstrass-Mandelbrot函数建立了分形粗糙面几何模型, 对分形粗糙面参数的选取进行了讨论. 对大尺度粗糙面散射问题提出了一种基于大面元的Kirchhoff近似方法, 采用面元模型来计算粗糙面总的后向散射场以及每一个面元的后向散射场, 并对面元的尺寸选取进行了研究, 通过与解析解进行对比证明了该方法的正确性. 在分形理论建立的确定性粗糙面几何模型与面元的Kirchhoff方法获取的散射场的基础上, 采用正侧视条带式成像模式, 并选用距离多普勒算法对不同分形参数的粗糙面进行合成孔径雷达(SAR) 成像模拟, 结果显示从SAR像中可以清晰地观察到不同分形参数对粗糙面几何轮廓的影响. 该研究包括了从环境模型、电磁模型到SAR成像技术在内的完整的分形环境SAR像模拟过程, 仿真结果显示出分形环境的SAR像特点, 这对基于分形理论的自然环境的遥感探测以及参数反演具有一定的理论支撑作用.     

粗糙纳通道内流体流动与传热的分子动力学模拟研究

为研究粗糙表面对纳尺度流体流动和传热及其流固界面速度滑移与温度阶跃的影响,本文建立了粗糙纳通道内流体流动和传热耦合过程的分子动力学模型,模拟研究了粗糙通道内流体的微观结构、速度和温度分布、速度滑移和温度阶跃并与光滑通道进行了比较,并分析了固液相互作用强度和壁面刚度对界面处速度滑移和温度阶跃的影响规律. 研究结果表明,在外力作用下,纳通道主流区域的速度分布呈抛物线分布,由于流体流动导致的黏性耗散使得纳通道内的温度分布呈四次方分布. 并且,在固体壁面处存在速度滑移与温度阶跃. 表面粗糙度的存在使得流体剪切流动产生了额外的黏性耗散,使得粗糙纳通道内的流体速度水平小于光滑通道,温度水平高于光滑通道,并且粗糙表面的速度滑移与温度阶跃均小于光滑通道. 另外,固液相互作用强度的增大和壁面刚度的减小均可导致界面处速度滑移和温度阶跃程度降低. 关键词： 速度滑移 温度阶跃 流固界面 粗糙度     

粗糙表面形貌对湿润性的影响

采用自仿射分形对粗糙表面形貌进行了定量描述。基于分形粗糙表面形貌,建立了粗糙表面润湿性的理论模型并进行了数值计算,分析讨论了均方根粗糙度和表面分形维数对接触角的影响。研究结果表明,均方根粗糙度对接触角的影响较大,而粗糙表面的分形维数对润湿性的影响则并不明显。     

固体粗糙界面与超声的非线性相互作用研究

本文提出了一种随机弹性接触界面与超声的非线性相互作用理论. 首先建立了描述随机弹性接触界面的模型, 然后分别研究了界面间应力-应变关系在线性简化模型、指数模型、高斯模型下与超声的非线性相互作用. 数值仿真和实验研究结果均表明高斯模型更适合描述固体接触界面. 本文在介观结构上解释了固体界面与超声的相互作用, 对工业超声无损检测裂缝、缺陷及损伤有指导意义. 关键词： 超声无损检测 固体粗糙界面 非线性效应     

页岩气在粗糙纳米孔中吸附和输运的分子模拟

从微观上理解固气表面的吸附和注气驱替原理，有助于完善页岩气开采理论.本文通过运用蒙特卡洛和分子动力学方法，模拟了甲烷在粗糙壁面结构孔隙中的吸附和流动行为.研究结果显示粗糙结构对甲烷的吸附量有显著影响，压力小于20 MPa时，粗糙模型中的吸附量更大.注气驱替时，粗糙模型中二氧化碳的突破时间和甲烷的采收率，相比光滑壁面模型明显增加.这是由于粗糙结构模型的页岩壁面表面积更大，在低压下气体吸附能力更强.矩形粗糙结构页岩模型的选择吸附性强于三角粗糙结构模型和光滑模型.研究阐明了甲烷吸附和驱替的微观机理，为提高页岩气采收率提供了指导.     

管间界面特性对周向超声导波传播特性的影响

采用界面弹簧模型对圆管结构的管间界面特性进行描述, 推导出含弱界面的圆管结构中声波沿周向传播时的位移场及应力场的数学表达式. 在此基础上采用导波的模式展开分析方法, 给出了与管间界面特性及激励源密切相关的周向超声导波模式展开系数的解析表达式. 数值分析了管间界面特性的变化对周向超声导波的频散和声场产生的影响. 理论与数值分析结果表明, 通过选择适当的驱动频率及周向导波模式, 可使周向超声导波的相速度及圆管外表面的位移场随管间界面特性的变化表现出非常敏感且单调的性质. 这一结果有助于采用周向超声导波方法准确定征圆管结构的管间界面特性.     

基于分形理论的超音速等离子喷涂层界面结合行为研究

为研究结合界面形貌与涂层体系结合强度之间的关系,采用超音速等离子喷涂设备制备Fe基合金涂层,选用(Ni,Al)涂层作为黏接底层.通过改变Ar气流量,获得不同粗糙表面的黏接底层.采用对偶件拉伸法测量复合合金涂层体系的结合强度,同时引入分形理论对结合界面形貌进行定量表征,结果表明:黏接底层能显著提高涂层的结合强度,随着Ar气流量的升高,黏接底层表面分形维数不断降低,涂层体系的结合强度则呈现出先增大后减小的趋势.     

溅射过程中粒子能量对钛薄膜表面形貌影响

借助于原子力显微镜研究了离子束溅射沉积工艺中入射离子能量对制备的Ti薄膜表面形貌的影响。对薄膜表面高度数据进行相关运算，发现在此工艺条件下制备的薄膜具有典型的分形特征，利用分形表面高度—高度相关函数的唯象表达形式对不同能量下制备Ti薄膜表面的高度相关函数进行拟合。得到了薄膜表面的分形维数、水平相关长度、标准偏差粗糙度等参量。研究发现，入射Ar离子能量在300—700eV之间薄膜表面的粗糙度随着沉积粒子的能量增加而增大，分形维数随着入射离子能量的增加而减少。另外，在得到的分形维数基础上对不同溅射电压下Ti薄膜的生长机制进行了初步研究。     

具有二维fBm特征的分层介质粗糙面电磁散射的特性研究

运用微扰法研究了平面波入射分层介质粗糙面的电磁散射,推出了不同极化状态下的双站散射系数公式.采用二维fBm分形粗糙面来模拟实际的分层介质粗糙面,结合二维fBm分形粗糙面的功率谱导出了平面波入射二维fBm分形分层介质粗糙面的散射系数计算公式.通过数值计算得到了HH极化下双站散射系数随散射角的变化曲线,讨论了分维、底层介质介电常数、中间介质介电常数和厚度及入射波频率对双站散射系数的影响,得到了二维fBm分形分层介质粗糙面散射系数的分维特征、基本特征、分区特征和随频率变化的特征. 关键词： 电磁散射 二维fBm分形粗糙面 分层介质 微扰法     

Contact mechanics analysis of oscillatory sliding of a rigid fractal surface against an elastic–plastic half-space

Oscillatory sliding contact between a rigid rough surface and an elastic–plastic half-space is examined in the context of numerical simulations. Stick-slip at asperity contacts is included in the analysis in the form of a modified Mindlin theory. Two friction force components are considered – adhesion (depending on the real area of contact, shear strength and interfacial adhesive strength) and plowing (accounting for the deformation resistance of the plastically deformed half-space). Multi-scale surface roughness is described by fractal geometry, whereas the interfacial adhesive strength is represented by a floating parameter that varies between zero (adhesionless surfaces) and one (perfectly adhered surfaces). The effects of surface roughness, apparent contact pressure, oscillation amplitude, elastic–plastic properties of the half-space and interfacial adhesion on contact deformation are interpreted in the light of numerical results of the energy dissipation, maximum tangential (friction) force and slip index. A non-monotonic trend of the energy dissipation and maximum tangential force is observed with increasing surface roughness, which is explained in terms of the evolution of the elastic and plastic fractions of truncated asperity contact areas. The decrease of energy dissipation with increasing apparent contact pressure is attributed to the increase of the elastic contact area fraction and the decrease of the slip index. For a half-space with fixed yield strength, a lower elastic modulus produces a higher tangential force, whereas a higher elastic modulus yields a higher slip index. These two competing effects lead to a non-monotonic dependence of the energy dissipation on the elastic modulus-to-yield strength ratio of the half-space. The effect of interfacial adhesion on the oscillatory contact behaviour is more pronounced for smoother surfaces because the majority of asperity contacts deform elastically and adhesion is the dominant friction mechanism. For rough surfaces, higher interfacial adhesion yields less energy dissipation because more asperity contacts exhibit partial slip.