新型各向异性核工业石墨断裂力学行为的实验研究和数值分析

本文分别采用激光和白光DSCM(数字散斑相关测量)方法对一种新型各向异性核工业石墨的裂纹尖端位移、应变场进行了实验研究，两种方法都取得了较好的结果。考虑核工业石墨制备过程形成的各向异性特点，本文构建了三维各向异性有限元模型，采用奇异单元，计算模拟石墨裂纹尖端的变形和应力场，通过对实验结果和有限元计算结果的比较可以发现两者具有相近的趋势。     

不同充放电模式影响还原氧化石墨烯电极储锂性能的实验分析

针对充放电模式对电极储锂性能的影响开展综合实验研究与机理分析.设计了4种充放电模式,进行不同充放电模式下还原氧化石墨烯电极的储锂性能实验,并从电极动态反应性能和应变两方面开展实验分析充放电模式对储锂时间和容量的影响机理.实验结果显示,不同充放电模式下电极储锂时间越短容量折损越多,综合数据分析指出电荷转移阻抗、扩散系数、过电位和应变均表现出了非线性和阶段性的特点.最后提出“大电流-小电流”模式为可行的充放电优化方案,利用电化学进程的非线性平衡了快充技术中时间和容量之间的矛盾,为快速充电技术的设计和优化提供了一定的指导.     

交变电场作用下骨表面温升的实验研究

骨具有力电性质,这一性质可促进骨组织生长。骨既是生理器官又是介电材料,在交变电场作用下,其表现行为可能有生理作用。为此,本文测量了骨悬臂梁试样在交变电场下的表面温升与顶端挠度。发现在电压70V,频率为10~70kHz的交流电场下,最大表面温升达到2~4℃,最大挠度变化为9.0~78.7μm;在频率10kHz,电压为70~175V的交流电场下,最大表面温升达到4~6℃,最大挠度变化为13.0~114.3μm。同时测量了两种经典介电材料有机玻璃和聚乙烯在交变电场下的温升与顶端挠度,最大温升低于0.5℃,但是挠度与骨试样相当,所以相对高温升是骨特有的性质。将交流电压有效值替换成相同幅值的直流电压时,最大温升也低于0.5℃,基本没有挠度变化,所以相对的高温升反映了骨的交流性质。分析后认为,骨在交变电场作用下的温升由胶原的介电损耗引起。实验数据显示,骨在交变电场下,表面温度变化与加载电压的平方成正比,且在实验加载的10~70kHz频段内,骨的介电常数随频率的变化明显。     

石墨烯与柔性基底界面载荷传递的拉曼光谱实验

本文研究了CVD制备的大尺寸石墨烯与柔性PET基底在拉伸变形过程中切向界面载荷传递的问题,采用原位拉曼光谱实验给出了加载过程中石墨烯的正应变、正应力以及界面切应力的分布曲线。分析表明,石墨烯与PET基底间的载荷传递存在四个阶段,分别是初始阶段、粘附阶段、滑移阶段和界面脱粘破坏阶段。在此基础上,本文对50μm、140μm、270μm和600μm四种尺寸石墨烯试件的界面力学性能进行测量,得到了不同尺寸石墨烯试件的界面力学性能参数,并初步给出了基底变形引起的石墨烯切向界面粘接能的变化,同时分析了试件尺寸对石墨烯界面力学性能的影响。实验结果表明,石墨烯材料和柔性基底最大切应力与临界脱粘切向界面粘接能等界面强度指标受到尺寸的显著影响,尺寸越小切向界面强度越高,反之,尺寸越大则越低。     

基于透射电镜晶格图像数字云纹的应变测量方法

提出一种通过量化几何转角实现应变测量的数字云纹新方法。该方法以高分辨透射电镜(TEM)获取的晶格图像为基础,通过傅立叶变换-反傅里叶变换,将TEM晶格图像生成三个不同倾角的栅线图。以已知应变状态位置获取的TEM栅线图为参考栅,以所需测量位置获得的栅线图为试件栅,分别对倾角接近的参考栅与试件栅进行逻辑运算,得到各倾角栅对应的数字云纹图像。基于几何云纹基本原理,建立参考栅与试件栅二者之间栅线倾角的变化(即栅线转角θ)、该栅线倾角所对应几何云纹条纹的倾角与栅线间距变化率(即栅线法向应变分量ε)之间的解析关系。计量栅线转角与几何云纹条纹的倾角便能够得到试件栅位置上三个不同方向的正应变,从而实现面内应变各分量的解耦测量。由于本方法获得的是高分辨TEM图像所在位置的应变平均信息,因此具有十纳米量级的空间分辨率。本文采用模拟实验对以上方法的正确性进行了验证,并将其应用于多层异质半导体结构横截面样品的应变分析,并给出了面内应变各分量的细节信息。     

柔性触觉传感器的研制

本文研制了一种柔性电容式触觉传感器,用来实现对法向力与切向力的测量。该传感器采用超弹性柔性电极,与传统金属电极相比具有更高的灵敏度与柔韧性。传感器采取了上下两层的四电容结构,从而对三个方向的力有不同的灵敏度,并通过对外力作用所引起的四个电容值变化进行组合运算实现对外力的检测。通过一系列实验测试了传感器的输出特性,实验结果表明传感器可以实现对法向力与切向力的测量。其中,x,y,z三个方向力的灵敏度分别可以达到2.356pf/N、2.122pf/N和0.243pf/N。此外,通过对传感器的拉伸测试表明,所研制的柔性电极传感器可以承受大于25%的拉伸率而不被损坏,而普通金属电极传感器则最大只能承受3.13%的拉伸率。     

材料断裂内聚力区牵引-分离曲线的测量方法研究

内聚力模型是模拟复合材料界面分层、脱粘等力学行为的有效工具。本文分别提出了改进的直接测量法和交互M积分反解法来测量材料的内聚力区牵引-分离关系曲线。在紧凑拉伸断裂力学实验的有限元数值模型中,分别应用两种方法测取了内聚力模型的牵引-分离曲线。通过与有限元数值解和交互J积分反解法的比较,验证了方法的准确性。本文以20%和49%纤维体积含量的随机云杉短纤维增强聚丙烯复合材料(云杉/PP)为例,分别应用改进的直接测量法、交互M积分反解法和交互J积分反解法得到了该材料内聚力区的牵引-分离曲线。三种方法结果的对比验证表明:三种方法得到的牵引-分离曲线变化趋势一致,曲线所反映的材料内聚力区强度、初始损伤和完全破坏分离量大小以及断裂的能量释放率等主要内聚力参数能够吻合,它们的测取结果都能够完整地描述内聚力区材料的力学行为。     

含有周期涡结构的湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的迟滞效应

针对存在时空周期涡旋结构的湍流场,对湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的空间迟滞效应进行了实验研究,发现二者流向相位差呈周期变化．在低速回流式水槽中,利用二维高时间分辨率粒子图像测速(TimeResolved Particle Image Velocimetry, TRPIV)技术,对Re=324的圆柱尾流流场进行测量．经过49个周期166个相位的8 215个PIV瞬时流场,经过周期相位平均,得到一个周期内不同相位典型的湍流雷诺应力和平均速度梯度的空间分布．利用湍流雷诺应力相位平均图像和平均速度梯度图像在不同时间相位下的空间互相关函数最大值对应的流向空间距离,得到湍流雷诺应力与平均速度梯度之间沿流向的空间相位差,并绘制流向相位差随周期相位的演变过程．本文验证了湍流复涡黏模型的合理性,为建立符合周期涡旋结构物理机理的湍流模型研究提供了实验依据．     

电极面积对介电弹性体薄膜电致起皱影响的实验研究

介电弹性体(dielectric elastomers,DE)薄膜在其自身的应变能和外加电场能的相互作用下既能实现大的电致变形,也容易发生失稳起皱。对于单轴预拉伸的介电弹性体薄膜,电极的长度是决定其电致变形的重要参数,同时也可能是影响薄膜起皱的关键因素。为了确定以及量化该影响,本文实验测量了不同电极长度下薄膜的临界起皱电压。同时为了分析薄膜的褶皱特征,测量了不同电压下的褶皱波长。实验结果表明:电极宽度对介电弹性体薄膜的起皱有较大影响;随着电极长度逐渐增大,薄膜的临界起皱电压呈现出先快速减小,随后相对稳定,最后又逐渐升高的趋势。而其褶皱波长随电压升高逐渐减小。实验结果显示,褶皱分布在电极及电极附近,据此分析认为,薄膜的起皱是一种局部效应,电极区与非电极区的相互作用与能量传递对其有较大影响。实验中通过铜丝搭接的方式引出电极能有效解决电极引出线的附加刚度影响薄膜起皱的问题,可为相关实验提供技术参考。     

追思怀远 继往前行——写在贾有权教授百年诞辰之际

正1深切缅怀贾有权教授贾有权先生仙逝已有六载,又逢诞辰百年,值此之际回顾先生的学术贡献与学术思想,追思怀远,启迪我们对实验力学发展的思考。贾有权先生(1916.11~2010.07),是中国力学学会实验力学专业委员会第一、二届主任,《实验力