基于全场位移测量技术的微悬臂梁面内弯曲性能测试

基于自制的微力试验机和全场位移光学测量仪,建立了微尺度力学性能原位测试系统。其中微力试验机基于电磁驱动兼载荷计量原理设计,载荷量程和噪音分别为±1N和50μN。全场位移光学测量仪基于白光数字散斑相关方法研制。采用该系统对MEMS单晶硅(001)微悬臂梁进行了面内弯曲力学性能原位测试,获得了微悬臂梁末梢施力点的力-位移关系曲线,以及全场变形情况。结果显示,微悬臂梁表现出很好的弹性弯曲行为,最后在根部发生脆性断裂。根据弹性弯曲理论计算出单晶硅弹性模量为123.8GPa(±3.2%)。该技术为研究MEMS微构件的力学性能提供了一种有效的手段。     

数字散斑相关方法与应用研究进展

数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM)作为固体实验力学领域材料表面变形场测量的一种非接触式方法与其它技术相比具有一些独到的优点,其有效性已经在近20年中被众多的应用实例所证明.近年来该方法在理论上逐步完善,一些现代的数学理论和数学方法(例如:小波变换、遗传算法、神经网络等)逐渐被引入到该方法中;在实验中的各个技术环节上正在逐步的改进,其结果的精度逐步的提高,结果收敛的速度也逐渐的加快;其应用的领域正逐渐从常规材料的测试向一些新型材料测试、从宏观场逐渐向细微观尺度、从常规环境向比较恶劣的环境、从实验室测试逐步向工程现场应用、从静态准静态向动态准动态等方面发展.本文简要介绍了DSCM的基本原理和数学模型,在相关搜索的改进、相关系数的选择、灰度级的重建和图像识别方面的进展以及在材料力学性能测试,微尺度变形场测量等方面的应用.最后就这一实验测量技术的几个可能的发展趋势进行了预测.      

单纤维微拉伸力学性能测试与分析

针对微尺度材料力学性能测试与尺度效应实验研究的需要,自行研制了一台FMT-I型高精度纤维材料微拉伸力学性能实验装置,并基于LabVIEW软件平台开发了相应的数据采集与控制系统,实现了测试过程的全自动化。该装置的测力传感器由非接触式激光位移传感器和两端固定的薄梁组成,可同时测量试样的拉伸力和上夹持端的位移量,帮助精确地获取试样的载荷-变形曲线。采用该装置对微米级直径的多晶铜丝、316L不锈钢纤维和T300碳纤维进行了拉伸测试。实验结果表明,直径为18～105μm多晶铜丝的拉伸力学行为并无明显的尺度效应;多晶铜丝和316L不锈钢纤维的弹性模量分别在43.9～60.0GPa和102.9～111.5GPa之间,均低于宏观尺度下材料的弹性模量;316L不锈钢纤维的抗拉强度和延伸率随着丝径的减小而降低;T300碳纤维的弹性模量为235.4±12.4GPa,抗拉强度为3238.2±280.8MPa,断裂应变约为1.5%。另外,相同的细铜丝材料的测试结果与Instron5848型商用拉伸试验机的测试结果进行了对比,吻合良好。通过系统的实验分析表明,该装置具有较高的精度和稳定性,适用于各种纤维材料的拉伸力学性能测试。     

石墨烯力学性能研究进展

石墨烯是近年来发现的由单层碳原子通过共价键结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体, 是继富勒烯和碳纳米管之后的又一种新型低维碳材料. 由于具有非凡的电学、热学和力学性能以及广阔的应用前景, 石墨烯被认为是具有战略意义的新材料, 近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理等领域最为活跃的研究前沿. 本文简要介绍了研究石墨烯力学性能的实验测试、数值模拟和理论分析方法, 重点综述了石墨烯力学性能的最新研究进展, 主要包括二维石墨烯的不平整性和稳定性, 石墨烯的杨氏模量、强度等基本力学性能参数的预测, 石墨烯力学性能的温度相关性和应变率相关性、原子尺度缺陷和掺杂等对力学性能的影响以及石墨烯在纳米增强复合材料和微纳电子器件等领域的应用, 最后对石墨烯材料与结构的力学研究进行了展望.      

二维材料实验力学综述

以石墨烯为代表的二维材料因其原子级厚度、独特物理性质,成为近年来物理、化学、材料交叉学科的研究热点,在合成制备、结构表征、应用开发等方面的研究工作表明其在微纳机电系统、光电器件与功能复合材料领域有广泛且重要的应用前景。然而,由于二维材料结构与尺度的独特性,在其基本物性的理解方面仍存在许多未解决的问题,尤其是力学性能的表征,面临着诸多挑战。本文综述了二维材料本征力学性质和界面力学行为的微纳测试与表征技术的最新进展,例如纳米压痕技术、微孔鼓泡法等,并详细探讨了影响二维材料力学性能及行为的主要因素,分析了其微观尺度下的作用机制,以期通过物理或化学手段实现力学性能的调控。     

中国力学学会2005年国际、国内学术活动计划

序号}会议名称 学术内容及议题1.纳米多晶材料的力学性能2.纳米单层和多层膜的超强和超韧性能3.碳纳米管、纳米带、纳米线、纳米棒等的 力学特性4.围绕纳米结构材料的实验技术和实验测量 方法以及反分析方法5.生物材料的纳米尺度力学6.纳米结构材料在微电子机械系统和微器件 中的应用7.纳米结构材料的微尺度力学的模型和模拟时间}人数}地点}主席,联系人IU汪,AMSymposium onMeehaniealBehaVior&Miero一Meehallies ofNanostrueturedMaterials6月27、30日50}北京主席:白以龙联系人:魏悦广北京中关村中科院力学所,100050电话:010一62648721…     

中国力学学会2005年国际、国内学术活动计划

序号}会议名称 时间 人数}地点}主 人 京一南 北一湖 IU压,AM SvmDosium on 上们eCnan1Cal Behavior女 Miero一 Meehanies of Nanostruetured Materials 学术内容及议题 1.纳米多晶材料的力学性能 2.纳米单层和多层膜的超强和超韧性能 3.碳纳米管、纳米带、纳米线、纳米棒等的 力学特性 4.围绕纳米结构材料的实验技术和实验测量 方法以及反分析方法 5.生物材料的纳米尺度力学 6.纳米结构材料在微电子机械系统和微器件 中的应用 7.纳米结构材料的微尺度力学的模型和模拟 6月 27、30日 主席:白以龙 联系人:魏悦广 北京中关村中科院 力学…     

MEMS系统中微平板结构声振耦合性能研究

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS) 是指内部微结构尺寸在微米甚至纳米量级的微电子机械装置,是一个独立的智能系统. 长宽厚均处于微米量级的微平板为MEMS 中的典型结构,其声学和力学特性直接影响MEMS 的性能. 针对同时受声压激励和气膜力(通过考虑相同尺寸微平板振动引入) 作用的四边简支微平板结构,应用Cosserat 理论和Hamilton 原理,建立了考虑微尺度效应(本征长度和Knudsen 数)影响的声振耦合理论模型,并通过多重Fourier 展开法求解了耦合方程,得到了系统的传声损失结果. 通过频域分析,考虑微平板的不同振动频率、振动幅度和板间距,系统研究了不同尺度效应下微结构中气体薄膜所产生的阻尼力对微平板结构传声特性的影响. 研究发现尺度效应对于微结构的声振特性影响巨大,振动行为对微结构的传声特性也有很大影响,控制并减小微平板的振动幅度以及增大微平板的间距都能够提高微平板的声振性能. 研究结果为MEMS 中微平板的稳定性优化设计提供了理论参考.      

金属材料力学性能的辐照硬化效应

开展金属材料力学性能的辐照硬化研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义. 材料辐照损伤效应主要包括材料原子移位产生的辐照缺陷以及由核反应产生的氢、氦等气体杂质对材料性能的影响. 金属材料的辐照效应主要包括辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变等. 该文主要综述在低温(T < 0.3 T_m, T_m 是材料的熔点温度) 和低辐照剂量下, 由原子移位损伤产生的辐照缺陷所导致的辐照硬化行为, 即受辐照缺陷的影响, 材料的强度会升高. 材料的晶粒尺寸、晶界以及温度等因素对多晶材料的辐照硬化具有重要影响. 金属材料力学性能的辐照硬化研究是个多尺度问题, 其宏观力学性能既取决于微观尺度上辐照缺陷导致晶粒内部结构的变化, 也取决于细观尺度上晶粒间的相互作用. 该文从实验结果、数值模拟和理论模型三方面综述金属材料力学性能的辐照硬化研究进展. 在此基础上, 展望了该领域中存在的主要科学问题.      

探针实验力学

扫描探针显微系统的发明,使人们通过探针获得了原子级的微观结构,而近年的研究更是将探针技术应用于各种相互作用的检测和分析之中.一个以探针为检测平台的新的检测技术和系统已日益凸显并引起广泛关注.本文提出探针实验力学这一新概念,并以探针为主题介绍其在微纳尺度材料和结构的力学性能检测中的相关技术和典型应用.涉及探针检测系统及其标定、探针检测中的夹持和加载、探针和试样表面的相互作用、探针微力传感器等.     

MECHANICAL STRENGTH AND RELIABILITY OF SOLID CATALYSTS

The mechanical strength of solid catalysts is one of the key parameters for reliable and efficient performance of a fixed bed reactor. Some recent developments and their basic mechanics within this context are reviewed. Themain concepts discussed are brittle fracture which leads to the mechanical failure of the catalyst pellets, measurementand statistical properties of the catalyst strength data, and mechanical reliability of the catalyst pellets and their packed bed. The scientific basis for the issues on the catalyst mechanical properties calls yet for further elucidation and advancement.     

岩土类颗粒物质宏-细观力学研究进展

岩土类颗粒物质在自然界、工程建设以及日常生活中普遍存在,其运动特性的研究在力学界已经开展了几十年.在近20年开展的一系列小尺寸物理实验中,颗粒物质表现出许多新奇现象,人们从物理角度开展了系统研究,在统计力学中,颗粒固体的流体动力学等理论研究以及实验检测技术等方面都取得突破性进展,深刻地揭示了颗粒材料的物理机制,促使力学...     

复合泡沫塑料力学行为的研究综述

复合泡沫塑料是一种重要的防护材料,它在国防工业和民用工业各部门均有许多重要的应用,对这类材料的力学行为进行研究具有重要的学术价值和应用前景.本文对复合泡沫塑料力学行为的研究文献进行了综述.首先,对复合泡沫塑料力学行为研究的早期工作进行了简介.然后,重点介绍了复合泡沫塑料力学行为研究的最新进展,其中也包括作者近期在该领域开展的一些工作;对复合泡沫塑料进行了静、动态压缩实验和细观加载实验,研究了材料的宏观变形规律和细观失效机制;在理论研究方面,探讨了复合泡沫塑料的能量吸收和缓冲特性,从宏、细观力学分析出发研究了复合泡沫塑料有关力学性能的理论预测问题;还利用计算机和通用软件对高密度复合泡沫塑料进行了有限元分析,研究了高密度复合泡沫塑料的失效行为.最后,给出对该领域研究工作的一些展望.      

Predicting the Dynamic Compressive Strength of Carbonate Rocks from Quasi-Static Properties

In this study, the split Hopkinson pressure bar testing method was used to quantify the dynamic strength characteristics of rocks with short cylindrical specimens. Seventy dynamic compression tests were conducted on 10 different carbonate rocks with the split Hopkinson pressure bar apparatus. Experimental procedure for testing dynamic compressive strength and elastic behaviour of rock material at high strain rate loading is presented in the paper. Pulse-shaper technique was adopted to obtain dynamic stress equilibrium at the ends of the sample and to provide nearly a constant strain rate during the dynamic loading. In addition to dynamic tests, the physical properties covering bulk density, effective porosity, P-wave velocity and Schmidt hardness of rocks, and mechanical properties such as quasi-static compressive strength and tensile strength were determined through standard testing methods. Multiple linear regression analyses were carried out to investigate the variation of dynamic compressive strength depending on physical and mechanical properties of rocks and loading rate. A three parameter model was found to be simple and provided the best surface fit to data. It was found that dynamic compressive strength of rocks increases with increase in loading rate and/or increase in rock property values except porosity. Statistical tests of regression results showed that quasi-static compressive strength and Schmidt hardness are most significant rock properties to adequately predict the dynamic compressive strength value among the other properties. However, P-wave velocity, quasi-static tensile strength of rocks could also be used to estimate the dynamic compressive strength value of rocks, as well, except the bulk density and effective porosity.     

In Situ Mechanical Testing of Hydrated Biological Nanofibers Using a Nanoindenter Transducer

Nanoscale biological fibers, such as collagen, keratin or elastin, serve as building blocks for a wide variety of biological tissues (for example, bone, skin and hair). As such, the elasticity, strength and damage tolerance of these fibers largely control the mechanical performance of tissues at the macroscale. While there is a large body of experimental data for tests on whole biological tissues at the macroscale, mechanical tests on individual biological fibers are scarcer because of their small size (400?nm diameter or less). Isolating, imaging, handling and testing these fibers in hydrated conditions are significant challenges. The AFM-based and MEMS-based techniques developed in the past to test such fibers offer high displacement and load resolution, but they lack the stroke and force capability required to fracture strong and highly extensible fibers such as collagen fibrils. In this work, a microscale mechanical testing platform capable of measuring the tensile stress?Cstrain response of individual type I collagen fibers and fibrils was developed and validated. The platform is composed of a capacitance-based, nanoindenter transducer, an optical microscope to monitor the deformation of the sample in situ and a set of micromanipulators to isolate and handle individual fibers and fibrils. Our preliminary results on type I collagen demonstrate the feasibility of monotonic and cyclic tensile tests under the optical microscope and in hydrated conditions. The setup can be used to study the elasticity, strength and damage tolerance of type I collagen fibers and fibrils (using cyclic tests), and our preliminary data are consistent with existing experiments and predictions from numerical models. This setup offers the advantage of being composed from relatively standard components (optical microscope, nanoindenter) which means that it can be easily duplicated in laboratories that already possess these instruments. This technique can be used to assess the effect of environment, genetic diseases or therapeutic drugs on biological tissues at a fundamental level.     

A review of MEMS-based microscale and nanoscale tensile and bending testing

Thin films at the micrometer and submicrometer scales exhibit mechanical properties that are different than those of bulk polycrystals. Industrial application of these materials requires accurate mechanical characterization. Also, a fundamental understanding of the deformation processes at smaller length scales is required to exploit the size and interface effects to develop new and technologically attractive materials. Specimen fabrication, small-scale force and displacement generation, and high resolution in the measurements are generic challenges in microscale and nanoscale mechanical testing. In this paper, we review small-scale materials testing techniques with special focus on the application of microelectromechanical systems (MEMS). Small size and high force and displacement resolution make MEMS suitable for small-scale mechanical testing. We discuss the development of tensile and bending testing techniques using MEMS, along with the experimental results on nanoscale aluminum specimens.     

THE SURFACE EFFECT ON THE TENSILE STRENGTH OF MICROMACHINED POLYSILICON FILMS FOR MEMS

In order to accomplish reliable mechanical design of MEMS, the influences of surface roughness and octadecyltrichlorosilane (OTS) self-assembled monolayers (SAMs) on the mechanical properties of micromachined polysilicon films for MEMS are investigated. Surface effect on the fracture properties of micromachined polysilicon films is evaluated with a new microtensile testing method using a magnet-coil force actuator. Statistical analysis of the surface roughness effects on the tensile strength predicated the surface roughness characterization of polysilicon films being tested and the direct relation of the mechanical properties with the surface roughness features. The fracture strength decreases with the increase of the surface roughness. The octadecyltrichlorosilane self-assembled monolayers coating leads to an increase of the average fracture strength up to 32.46%. Surface roughness and the hydrophobic properties of specimen when coated with OTS films are the two main factors influencing the tensile strength of micromachined polysilicon films for MEMS.     

共混/填充高分子复合材料界面力学行为实验研究进展

本文首先介绍了高聚物复合材料界面微观结构的特点和界面破坏的微观形式, 在此基础上,详细回顾了粒子填充高分子复合材料和共混高分子合金两类材料的界面力学性能实验研究的进展,总结了研究粒子/基体界面力学性能的实验方法和用这些方法获得的实验结果。介绍的实验方法从宏观拉伸实验到细观在位拉伸实验, 从定性的断口形貌分析到定量的界面强度和粘结能计算, 从不同层次和角度阐述了研究界面性能各种方法的优缺点。最后, 作者根据综合分析的结果, 指出了实验研究界面力学性能遇到的主要困难来自实验仪器的局限性和实验方法的匮乏性。为了获得可靠的界面性能, 一方面应该设计出利于表征的界面, 另一方面需要在实验技术上有所创新。相信该文对于深入了解和研究共混/填充高分子复合材料的界面问题, 以及其它类型材料的界面问题具有一定的借鉴意义。      

皮肤的力学性能概述

鉴于皮肤的力学性能对于临床和日用化妆品的重要性,人们已经对在体和离体皮肤的力学性能进行了长期的研究.本文对皮肤力学的近期发展进行了全面的回顾,总结了在体和离体实验的方法和仪器,概述了皮肤的主要力学性能,包括杨氏模量、泊松比、压缩系数、强度、韧性、初应力和初张力、热膨胀系数、约束力/层离能、摩擦系数,以及这些性能的各向异性,并以表格形式收集了现有文献中的有关数据.最后,讨论了有关皮肤力学的一些特殊领域中的未来研究方向.      

Influence of strain rate on mechanical properties of 6061-T6 aluminum under uniaxial and biaxial states of stress

A technique is presented for determining mechanical properties of materials under dynamic tensile loads. A Dynapak metalworking machine was modified into a test fixture capable of producing the required dynamic loads for uniaxial and certain biaxial tensile tests. Results from uniaxial dynamic tests on 6061-T6 aluminum alloy are presented and compared to “static” data obtained from a universal testing machine. The dependence of tensile strength on strain rate and the augmenting effect of temperature on this dependence can be seen. The results of biaxial tests are described in terms of a modified form of the distortion-energy failure theory.