多孔氧化铝薄膜横观各向同性弹性性质的研究

电化学阳极氧化生成的氧化铝薄膜含有高度有序的纳米孔阵列,本文首先假设氧化铝薄膜基体(无孔部分)为各向同性,结合其周期性孔结构特点和均匀化理论,可以得到氧化铝基体和薄膜弹性性质之间的关系。然后利用单轴拉伸结合电子散斑干涉(ESPI)的方法得到薄膜面内的杨氏模量为63.4GPa,并根据均匀化方法得到的基体与薄膜弹性性质的关系进一步推出薄膜横观各向同性的其它弹性参数,如基体杨氏模量等。为证明结果的可靠性,利用推出的弹性参数建立三维有限元模型,模拟纳米压痕实验,得到的加卸载曲线与实验曲线相吻合。     

微纳米尺度膜/基结构界面性能的实验研究

为了研究铜膜/有机玻璃结构的界面性能,首先对沉积在有机玻璃基底上300nm厚的铜膜进行了单轴压缩实验,部分区域的薄膜因屈曲而脱离基底。选择在膜/基粘接良好区域、膜/基脱粘区域分别进行等位移纳米压痕实验。利用膜/基粘接良好区域处硬度/弹性模量与压痕位移的关系来确定膜/基结构的临界脱粘位移。基于宏观力学中表征界面性能的能量法,利用两个区域等位移的塑性功差值来确定界面能量释放率。研究结果表明:当压痕位移约450nm时,膜/基结构开始出现界面脱粘,实验测得铜膜/有机玻璃结构的界面能量释放率值在6.81~10.32J/m2之间。     

含纳米添加剂的润滑体系在摩擦过程中的接触电阻研究

采用UMT-2型微摩擦磨损试验机考察了4种纳米颗粒LaF3、Ag、SiO2 及Al2O3作为润滑油添加剂在摩擦过程中的接触电阻随时间变化的情况,并由此监测摩擦副表面的成膜状况;采用X射线光电子能谱仪分析4种纳米添加剂润滑下磨损表面典型元素的化学状态,并结合接触电阻测试结果分析纳米油润滑添加剂的润滑机理.结果表明:接触电阻测试能够适时监测添加剂在摩擦副表面的成膜过程,4种纳米润滑油添加剂在边界润滑条件下均能够在磨损表面沉积成膜,其在试验过程中的化学状态没有发生变化,但4种纳米润滑油添加剂在摩擦过程中的成膜性能不同,Ag和LaF3在摩擦过程中的沉积速率、沉积膜厚度及其在摩擦副表面的结合强度优于SiO2和Al2O3.     

基于数字图像相关方法的TiO_2/PI纳米杂化薄膜低温力学性能研究

开展基于数字图像相关方法的材料低温变形测试技术的应用性研究,对材料低温力学性能的研究工作具有重要意义。本文首先将数字图像相关方法与低温拉伸系统相结合,建立了一套适用于测量低温环境下薄膜材料全场变形的测试系统。利用该系统测量了纯铜薄膜在-100℃~20℃范围内的热变形,实验结果与文献数据吻合良好,验证了该系统具有较高可靠性与准确性。其次,利用该系统对不同TiO_2含量的二氧化钛/聚酰亚胺(TiO_2/PI)纳米杂化薄膜进行低温(-60℃~18℃)单轴拉伸实验,获得了不同含量TiO_2/PI纳米杂化薄膜低温应力-应变曲线、弹性模量及泊松比,结果表明:不同含量的TiO_2/PI薄膜随温度降低,其应力-应变曲线线性趋势加强,弹性模量均有不同程度的提高,随着TiO_2纳米颗粒的引入和含量的增加,TiO_2/PI薄膜弹性模量也有明显提高;而TiO_2/PI薄膜泊松比随温度的下降和TiO_2颗粒的引入,均有不同程度的降低,但纯PI薄膜泊松比的降低随温度的下降并不显著。     

数字散斑相关法在聚偏氟乙烯压电薄膜力学性能测试中的应用

利用数字散斑相关方法对PVDF透明压电薄膜进行了单轴拉伸力学性能研究。首先比较了喷漆与不喷漆两种条件下不同厚度薄膜的单轴拉伸曲线,发现当薄膜厚度超过一定值时,样品表面喷漆与否对测试结果无显著影响。然后,利用数字散斑相关方法对PVDF挤出薄膜进行了单轴拉伸下的应力-应变关系研究,得到了PVDF薄膜的应力-应变曲线和反映PVDF薄膜全场应变信息的三维信息图,以及线性阶段的弹性模量和泊松比。实验结果表明:数字散斑相关方法用于PVDF压电薄膜的力学性能研究是一种行之有效的方法。     

碳纳米管纤维及其传感器力电性能实验研究

基于UTM T150微纳米力学测试系统搭建了纤维力电耦合测试平台,并对碳纳米管纤维进行了多组力电耦合作用下的拉伸性能实验研究。通过观察分析碳纳米管纤维的电阻-应变曲线,发现其电阻变化与应变大小密切相关,随着应变的不断变大,碳纳米管纤维的电阻也在逐渐增加。基于此,设计制作了碳纳米管纤维柔性应变传感器,并将其贴在标准试件上分别进行了弯曲变形测试、单次/循环加载性能测试以及标定实验。结果表明:当对试件进行加载时,碳纳米管纤维柔性应变传感器的电阻会随着载荷的增大而增大;当载荷逐渐消失时,其电阻会逐渐减小直至回归初始电阻值附近。这表明碳纳米管纤维具备优异的电学与力学特性,并且利用它所制作的柔性应变传感器也有着较好的灵敏度与稳定性。     

固体薄膜拉伸分叉行为的研究进展

薄膜材料被广泛应用到各个领域.柔性电子产品中大量使用薄膜组件和薄膜连接导线,在使用过程中会受到反复的拉伸、卷曲和折叠.薄膜在拉伸过程中发生的断裂及界面破坏是制约薄膜组件性能和广泛应用的重要因素,其元件和结构稳定性决定了产品的质量和使用寿命,因此,研究固体薄膜在拉伸载荷下的变形和断裂失效至关重要.本文着重从理论、实验和数值模拟三方面综述了国内外对薄膜拉伸分叉行为的研究情况,并提出薄膜基底结构在拉伸载荷下尚需解决的力学问题.     

基于能量变化的微尺度金属应变突变准则研究

微尺度金属在塑性变形过程中呈现出显著的应变突变特性。本文以力加载条件下单晶Ni微米柱体和位移加载下Au纳米柱体为对象，探讨应变突变的判定准则与不同特征阶段的判别条件。首先从经典塑性理论Hill稳定性条件出发，分析微柱体变形过程中的动能变化，提出了应变突变发生与结束的判定准则。进一步分析柱体变形过程中的内能变化，结合动能变化的分析结果，给出了微尺度金属不同变形阶段的判别条件。通过与文献中实验与理论结果对比发现，基于动能变化的应变突变判定准则能够判断应变突变的发生与结束，基于能量变化的判别条件可以有效区分微柱体的不同变形阶段。最后对新理论准则的可靠性与适用性进行了讨论。     

FCC金属塑性屈服的尺度效应和应变率响应

对纳米尺度单晶铜的剪切变形进行了分子动力学（MD）模拟．模拟结果表明，单晶铜的剪切屈服应力随模型几何尺度的增大而降低，而随着应变率的增大而升高．基于位错形核理论，建立了一个修正的指数法则来描述面心立方（FCC）金属的尺度效应，该法则与较大尺度范围内（从纳米到毫米以上）的数值模拟结果以及实验数据都符合得比较好．另外，MD模拟中发现单晶铜存在一个临界应变率，当施加的应变率小于该值，剪切屈服应力几乎不随应变率变化而变化；当大于该值，剪切屈服应力会随着应变率的增加迅速升高．最后根据模拟的结果建立了单晶铜和单晶镍塑性屈服强度的应变率响应模型．     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

微尺度金属薄膜屈曲稳定性的实验研究

微尺度金属薄膜的脱粘和屈曲严重影响着膜基结构的性能和使用寿命。本文对微尺度的金属铜薄膜在残余应力和外部压力共同作用下的脱粘屈曲和后屈曲模式进行了研究,用自行设计的单轴对称加载装置进行压力加载,用一台光学显微镜观察薄膜表面的屈曲形貌。在外力作用下薄膜会出现垂直于加载方向的直线型屈曲,但在外力卸载过程中该屈曲并不稳定,会演化成电话线型屈曲,完全卸载后形成泡状屈曲。再次加载后,恢复到直线型屈曲。研究表明:直线型屈曲的不稳定现象主要与薄膜的残余应力、基底的泊松比以及薄膜沿纵向与横向的应力比有关。     

Micromechanics of substrate-supported thin films

The mechanical properties of metallic thin films deposited on a substrate play a crucial role in the performance of micro/nano-electromechanical systems (MEMS/NEMS) and flexible electronics. This article reviews ongoing study on the mechanics of substrate-supported thin films, with emphasis on the experimental characterization techniques, such as the rule of mixture and X-ray tensile testing. In particular, the determination of interfacial adhesion energy, film deformation, elastic properties and Bauschinger effect are discussed.     

原位微拉曼测试技术在碳纳米管纤维和薄膜材料力学性能研究中的应用

利用宏观应力联合原位微拉曼测试技术对双壁碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)纤维和薄膜材料的力学性能进行了实验分析,探讨了拉伸加载期间纤维和薄膜内CNT的载荷响应及其与宏观力学性能的关联,揭示了两种材料力学性能差异性的微观机理。实验分析表明,CNT纤维和薄膜的拉伸变形呈现弹性、强化和损伤断裂三个阶段,但其内的CNT只发生弹性变形,没有塑性形变,且没有明显的损伤或键的断裂,纤维和薄膜呈现阶段性拉伸变形的原因可归结为滑移。纤维的弹性模量显著高于薄膜,是薄膜的4.7倍,原因是弹性阶段纤维中CNT的轴向伸长对宏观应变的贡献较大。纤维和薄膜的拉伸强度相差较小,原因是强化阶段薄膜内不断有大量CNT进入承载队伍,这也使得薄膜具有比纤维更高的韧性。     

油松根系的轴向疲劳性能研究

初次室内模拟自然界导致土壤侵蚀的循环荷载作用,研究油松根系的轴向疲劳性能.结果表明：油松根系100次和1 000次疲劳后的抗拉力和抗拉强度均大于疲劳前根系单调轴向抗拉力和抗拉强度;油松根系轴向循环应力-应变滞回曲线表现出明显的周期循环特征,“滞回环”最初阶段为较饱满的“梭形”,具有较好的塑形变形和耗能能力,其间距较大,表现为“稀疏型”排列;随着循环次数的增加,“滞回环”间距越来越小,表现为“密集型”排列,趋于稳定;“滞回环”的加载段和卸载段均可用二次函数拟合,拟合曲线参数A、B、C除较小直径波动较大外,其余各根径的函数参数变化平稳;根系的疲劳轴向应变包括弹性变形和塑性变形两部分,以第20次循环为界限,总应变可划分为两个阶段：应变迅速增长阶段和应变缓慢增长阶段.     

Spinodal surface instability of soft elastic thin films

When the thicknesses of thin films reduce to microns or even nanometers, surface energy and surface interaction often play a significant role in their deformation behavior and surface morphology. The spinodal surface instability induced by the van der Waals force in a soft elastic thin film perfectly bonded to a rigid substrate is investigated theoretically using the bifurcation theory of elastic structures. The analytical solution is derived for the critical condition of spinodal surface morphology instability by accounting for the competition of the van der Waals interaction energy, elastic strain energy and surface energy. Detailed examinations on the effect of surface energy, thickness and elastic properties of the film show that the characteristic wavelength of the deformation bifurcation mode depends on the film thickness via an exponential relation, with the power index in the range from 0.749 to 1.0. The theoretical solution has a good agreement with relevant experiment results.     

Delamination of an elastic film from an elastic–plastic substrate during adhesive contact loading and unloading

Adhesive contact between a rigid sphere and an elastic film on an elastic–perfectly plastic substrate was examined in the context of finite element simulation results. Surface adhesion was modeled by nonlinear springs obeying a force-displacement relationship governed by the Lennard–Jones potential. A bilinear cohesive zone law with prescribed cohesive strength and work of adhesion was used to simulate crack initiation and growth at the film/substrate interface. It is shown that the unloading response consists of five sequential stages: elastic recovery, interface damage (crack) initiation, damage evolution (delamination), film elastic bending, and abrupt surface separation (jump-out), with plastic deformation in the substrate occurring only during damage initiation. Substrate plasticity produces partial closure of the cohesive zone upon full unloading (jump-out), residual tensile stresses at the front of the crack tip, and irreversible downward bending of the elastic film. Finite element simulations illustrate the effects of minimum surface separation (i.e., maximum compressive surface force), work of adhesion and cohesive strength of the film/substrate interface, substrate yield strength, and initial crack size on the evolution of the surface force, residual deflection of the elastic film, film-substrate separation (debonding), crack-tip opening displacement, and contact instabilities (jump-in and jump-out) during a full load–unload cycle. The results of this study provide insight into the interdependence of contact instabilities and interfacial damage (cracking) encountered in layered media during adhesive contact loading and unloading.     

QUASI－FLOW CORNER THEORY ON LARGE PLASTIC DEFORMATION OF DUCTILE METALS AND ITS APPLICATIONS

ＱＵＡＳＩ－ＦＬＯＷＣＯＲＮＥＲＴＨＥＯＲＹＯＮＬＡＲＧＥＰＬＡＳＴＩＣＤＥＦＯＲＭＡＴＩＯＮＯＦＤＵＣＴＩＬＥＭＥＴＡＬＳＡＮＤＩＴＳＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳＨｕＰｉｎｇ（胡平）ＬｉｕＹｕｑｉ（柳玉启）ＧｕｏＷｅｉ（郭威）ＴａｉＦｅｎｇ（台风）（Ｒ...     

基于三维DIC方法的高强钢拉伸力学性能测定

高强度钢在建筑等工程领域发挥着极为重要的作用,因此准确测定其力学性能具有至关重要的意义．鉴于传统机械引伸计在小尺寸试样变形测试中的不便性,利用三维数字图像相关(3D-DIC)方法,对8.8级螺栓和Q690钢这两类试样在单轴拉伸试验全过程中的变形进行了测试,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、强度极限、断后延伸率和断面收缩率,由于试样在屈服阶段应变增加而应力基本不变,因此同时研究了该阶段中试样从弹性变形演化到塑性变形的发展规律．实验结果表明三维DIC在小尺寸试样力学性能测试方面具有很强的优越性,可用来灵活地测量变形并研究变形的演化规律．     

Dislocation core spreading at interfaces between metal films and amorphous substrates

Experiments with transmission electron microscopy have shown that in a strong electron beam the contrast of dislocations may gradually disappear at an incoherent interface between a metal thin film and an amorphous substrate. There are reasons to believe that this phenomenon is caused by radiation-induced dislocation core spreading at the interface. A quantitative model accounting for this effect will be necessary for a better understanding of dislocation structures and plastic deformation in metal thin films. As a first step toward this objective, we develop a number of mathematical solutions for dislocation core spreading at an incoherent interface. For simplicity, we consider screw dislocations, and consider the interface to be characterized by a shear adhesive strength, τ₀, below which no core spreading occurs, and above which spreading takes place in a viscous manner. We determine the final equilibrium core width and the rate of core spreading for single or planar arrays of dislocations in a homogeneous bulk material or at the interface between a thin film and a semi-infinite substrate where the film and substrate may have the same, or different, elastic constants. Some of our solutions are analytic and others are based on an implicit finite difference method with a Gauss-Chebyshev quadrature scheme. The phenomenon of dislocation core spreading is expected to have a dramatic effect on the strength of crystalline films deposited on amorphous substrates.