等离子体金属纳米结构在SERS传感及可穿戴应力传感中的应用

等离子体金属(金、银)纳米结构因其特有的理化性能,被广泛应用于表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)传感及可穿戴应力传感领域。其中,SERS是一种应用贵金属纳米材料增强拉曼散射信号的检测技术,该技术灵敏度高、特异性强,已被广泛用于生物医学、环境监测、食品药品检测等领域。随着电子检测技术和柔性电子材料的快速发展,柔性可穿戴传感技术也得到了快速发展,且取得了大量的研究成果。SERS检测技术主要依赖于贵金属纳米增强基底材料,而基于贵金属纳米结构的可穿戴传感元件对人体微应力、微应变的传感具有极高的灵敏度。SERS增强基底材料与可穿戴应力传感元件材料具有互通互用性,将贵金属纳米SERS基底应用于柔性可穿戴式检测,这是SERS检测技术比较新颖的、尚未深入研究的应用领域之一。该文综述了贵金属溶胶纳米结构的材料组成分类以及该类材料在SERS和可穿戴应力传感中的应用,并分析了胶体贵金属纳米结构组成及成分对SERS传感、可穿戴应力传感灵敏度、可重复性及稳定性的影响,最后展望了贵金属胶体纳米结构在SERS传感和柔性可穿戴应用中的发展趋势。     

SU-8光刻胶应变分布光学全场检测方法

由于SU-8光刻胶的内应力将会影响高深宽比结构的全金属光栅的制作质量,本文针对近年来SU-8光刻胶应力测量困难的情况,提出了一种基于激光剪切散斑干涉技术的SU-8光刻胶应变分布测量的新方法。该方法通过对被测胶体加载前后两幅干涉图像的处理,直接得到被测胶体结构的全场应变分布情况,由胶体的应变变形数据即可反映出内应力的变化和分布趋势。同时使用ANSYS有限元分析软件对同一被测胶体进行应变仿真模拟研究,获得胶体结构的变形场仿真数据。组建了实验系统,进行了实验验证,结果表明:实际测量变形量约为1.189μm,仿真的最大变形量为1.088μm,测量误差在允许范围内,且测量的形变趋势与仿真模拟结果相一致,表明激光剪切散斑干涉技术可应用于SU-8光刻胶的应变分布全场无损检测。     

复杂应力状态下GCr15轴承钢的动态剪切及熔融特性研究

本文探究了GCr15轴承钢压剪试样在冲击载荷下的绝热剪切和熔融破坏特性．首先,实验研究发现GCr15轴承钢的力学性能具有拉-压不对称性、应力状态及应变率敏感性．因此,通过引入应力三轴度、洛德角、应变率和绝热剪切温升机制扩展了经典J-C本构模型,并对GCr15轴承钢的动态单轴压缩和压剪试验结果进行了数值实现．研究结果表明,应力三轴度和洛德角是影响动态冲击下压剪试样的绝热剪切产生和熔融特性的重要因素．     

初应力下压电半导体板中SH波的传播特性

针对无限大n-型压电半导体板,论文理论研究了其在初应力作用下水平剪切波的传播特性。基于压电半导体三维宏观理论和边界条件得到色散关系,结合数值算例,系统分析了边界条件、初始载流子浓度、板的厚度和初应力大小对SH波传播特性的影响。此外,讨论了初应力下两种不同材料中的SH波传播。研究显示：较小的初应力对相速度影响很小可忽略,当初应力达到一定值时波速急剧下降;类似地,初应力足够大时衰减才会逐渐加强。计算结果对压电半导体器件设计具有一定的理论指导意义。     

杆件在横向力和轴向压力共同作用下的内力计算

针对杆件在横向力和轴向压力共同作用下的内力计算问题进行了研究．在考虑杆件变形因素的情形下,推导出了杆件在横向力和轴向压力共同作用下的内力和正应力的计算公式,并与材料力学中未考虑杆件变形因素的对应公式进行了比较,说明了二者之间不同之处．     

循环加载作用下皮肤应力软化的连续介质模型

皮肤组织作为富含纤维的非均匀材料,具有复杂的力学特性．皮肤组织在循环加载作用下,随着循环次数的增加,加载过程的应力响应逐渐降低,并最终达到不随循环次数增加而改变的稳定状态,这种现象被称为应力软化行为．本文对加载过程中纤维的延展机制对宏观力学响应的影响进行研究,认为在外界载荷较小时该机制主导了宏观层次上的应力软化行为,随着外界载荷的增大,拉伸过程中微观结构损伤的演化开始产生影响,而且此时内部微观结构的演化由两种机制共同影响,据此建立了连续介质模型,将宏观尺度上应力软化行为和微观结构的演化相关联．将所获得的应力响应理论结果与猪离体头部皮肤在循环加载作用下的实验结果进行对比分析,证明了该模型能够合理地描述皮肤组织在循环加载作用下的应力软化行为．     

纤维增强金属基复合材料整体蠕变性能的细观力学分析

高温下金属基复合材料的蠕变主要由基体蠕变和界面扩散蠕变两部分构成,以往的研究中常常只考虑其中一种蠕变机理,从而导致得到的规律具有较大的局限性．本文提出了一种可预测金属基复合材料整体蠕变性能的细观力学方法,同时考虑了基体蠕变和界面扩散蠕变两种蠕变机理,导出了具有张量形式并满足不可压缩性的界面扩散蠕变应变表达式．采用Mori-Tanaka法和自洽法二者结果的平均以便更准确地计算纤维中的应力,揭示了两种蠕变机理相互影响的竞争关系．研究了恒定双轴荷载下的总体蠕变和固定位移约束下的应力松弛这两种常见蠕变问题,探究了基体蠕变与界面扩散蠕变两种蠕变机理在总蠕变中发挥的作用,考察了不同加载条件和不同纤维体积分数对复合材料整体蠕变行为的影响．     

高韧性合金钢断裂韧性及疲劳裂纹扩展门槛值的联合试验方法

在柴油机曲轴、连杆等关键零部件的可靠性设计和失效评估中,断裂韧性及疲劳裂纹扩展门槛值分别是衡量材料抵抗裂纹失稳扩展和裂纹开始扩展的重要指标．但是,对于高韧性合金材料,难以通过常规试验所推荐的厚度确定平面应变断裂韧性,而门槛值的测定通常不但非常耗时,且难以直接应用于不同循环特性的实际结构．本文针对高韧性合金钢34CrNi3MoA,提出一种将断裂韧性和疲劳裂纹扩展门槛值试验合二为一的试验方法,即用同一个试件可以同时测定门槛值和断裂韧性．利用断裂韧性关于试件厚度的渐近特性,以几种较薄试件的试验,确定平面应变状态下的断裂韧性．试验结果还表明,裂纹扩展门槛值的试件厚度依存性可以忽略,并给出了任意循环特性（应力比）下的门槛值计算公式．     

安装方向对角接触球轴承保持架动态特性的影响

利用二次开发后的有限元软件MSC Patran/Ls-dyna实现角接触球轴承的参数化建模与动态性能分析. 通过与试验以及文献结果进行对比,验证了建立的有限元模型的正确性及仿真结果的可靠性. 在此基础上研究了角接触球轴承不同安装方向对保持架动态特性的影响. 结果表明:由于重力作用,保持架水平安装较竖直安装时更易形成圆形的质心轨迹. 低速工况下,保持架竖直安装时最大应力发生在过梁位置,水平安装时最大应力发生在侧梁位置. 高速工况下,保持架在两种安装方向的最大应力均发生在过梁位置. 不同转速下保持架在轴承竖直安装时最大应力值均更大.      

考虑单元劈裂的流-固耦合连续-非连续方法及定向水力压裂模拟

为了更真实地模拟水力压裂过程中的岩石变形、裂缝扩展及流体流动,在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合的连续-非连续方法的基础上,发展了一种流-固耦合方法。在该方法中,裂缝可沿四边形单元对角线和单元边界扩展,流体流动满足立方定律。通过与单一裂缝非稳态渗流模型及KGD模型的理论解进行对比,验证了该方法的正确性。由定向射孔水力压裂的模拟结果可以发现,(1)距离射孔越远,流体压力越小;随着时间的增加,裂缝中流体压力降低。(2)随着射孔角度的增加,裂缝起裂和扩展过程中的流体压力及转向距离增加;随着x方向水平应力的增加,裂缝起裂和扩展过程中的流体压力增加;两个方向水平应力之差越大,裂缝转向距离越小。(3)随着时间的增加,裂缝区段数目的增速变慢,这与裂缝体积增加变快有关。