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.     

基于光学和探针技术的微纳米固体实验力学研究进展

本文综述了近期微纳米固体实验力学在检测技术和设备平台方面的进展,尤其是基于光学和扫描探针平台的实验技术、方法和相关应用。探讨了不同检测技术的优势以及局限性,涉及微纳米实验力学检测中夹持、加载以及微力与微变形的检测与识别。通过相关的研究事例,介绍巧妙、创新的检测技术和系统在微纳米实验中的重要性,以及微尺度检测中所特有的检测系统与检测对象间的耦合关联等特点。     

基于光学和扫描显微平台的微尺度实验力学检测技术和装置研究

本文基于光学和扫描显微平台,介绍了本研究组在微尺度实验力学检测技术和设备方面的最新研究成果。在检测技术方面涉及显微散斑干涉技术、微标记阵列检测技术、晶粒变形分析技术、光学探针动静态变形分析技术;在检测系统和装置方面介绍了新近开发的双视场薄膜检测系统、散斑微干涉系统、微标记检测平台、AFM和SEM单轴拉伸装置、三维微定位与加载系统、微力传感器及其标定装置、微动平台驱动装置等。探讨了微尺度实验力学检测中的问题和新的检测技术,给出了一些典型的应用和相关装置。     

阶跃信号电探针诊断爆轰加载下金属微喷现象

针对目前缺乏用于狭小测试空间复杂结构金属样品的微喷现象诊断技术的现状,探索使用阶跃信号电探针诊断爆轰加载下金属样品微喷现象的方法。设计阶跃信号电探针测试技术,开展仿真验证电探针在微喷物质导通下K+RX模式的放电机理。在爆轰微喷实验中通过电探针信号观察到准连续状态微喷区及其存在的两种动作演化过程:阶梯放电曲线表征微喷物质随靠近后界面密度逐步增加,多次放电现象表征微喷物质从连续状态拉升变为离散状态。采用微射流模型描述准连续状态微喷区物质状态,通过电平曲线计算出被测物质等效电阻,再通过等效电阻计算微射流的等效尺寸,从而可描述准连续状态微喷区物质的密度。     

可识别微层裂前界面的阶跃信号电探针测试技术

受微喷射物质干扰,现常用的测试技术难以对复杂结构金属样品微层裂前界面进行准确识别,针对该问题提出阶跃信号电探针测试技术。对传统电探针受微喷射物质干扰出现不正常放电现象的原理进行分析,设计阶跃信号形成电路。开展锡金属样品爆轰实验,对比传统电探针和阶跃信号电探针的放电波形,分析阶跃信号电探针数据解读方法,联合X光测试技术,对阶跃信号电探针放电波形阶跃信号高电平出现时刻进行检定。实验结果表明:阶跃信号电探针测试技术能够识别微喷射物质的干扰,可用于爆轰加载下金属样品微层裂前界面的识别。     

针尖的分子生物物理力学研究进展

围绕包括扫描探针显微镜在内的各种探针技术下核酸、蛋白质等生物分子及生物材料的生物力学与力 - 电耦合实验研究, 较系统地总结了分子层次或纳米尺度下生物分子和材料的力学性能的扫描探针显微镜、光镊、磁镊等探针技术的实验研究方法和主要进展, 进而探讨了在``针尖'这个极小、极特殊环境下的分子生物物理力学研究状况.通过介绍借助探针技术研究相关生物物质的结构、力学、电学等性能以及提出的一些理论模型, 指出探针技术在生物分子（包括遗传物质和蛋白质）力学性能、纳米生物材料结构及分子仿生等研究中的广泛意义.提出多场耦合作用下的针尖的生物物理力学研究必定是将来研究的重点;将针尖的分子生物力学的物理实验研究与分子物理力学理论、计算科学相结合, 发展分子物理力学虚拟实验技术是本领域的一个重要发展方向.      

增材制造三维微点阵材料力学性能表征与细观优化设计研究进展

三维微点阵材料是一种由复杂拓扑胞元周期性排列构成的超轻质结构材料，兼具极低的密度、优越的力学特性和良好的能量吸收等性能，是满足轻量化、抗冲击和多功能集成需求的重要新型战略材料.增材制造技术的快速发展，为三维微点阵材料的制备和优化设计带来了便利的条件，二者的结合为航空航天、轨道交通以及武器装备等领域实现防护结构轻量化和多功能一体化提供了新思路.为阐明增材制造三维微点阵材料的动态力学特性与变形失效机理，进一步开展材料多尺度优化设计，拓展增材制造微点阵材料在冲击防护等领域的应用，对增材制造三维微点阵材料力学行为与设计的研究成果进行了系统的综述和展望.依据增材制造三维微点阵材料的多尺度结构特征，分别评述了不同类型微点阵材料的宏观动力学响应与失效机制、细观性能表征与结构优化设计、微观组织特征与变形机理等方面的研究，展望了未来增材制造三维微点阵材料在冲击防护领域面临的问题和挑战.     

含夹杂和微裂纹复合材料的损伤演化和分析

利用细观力学的Ｅｓｈｅｌｂｙ和Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ理论，考虑纤维和微裂纹之间的相互作用，研究了定向分布微裂纹的演化规律及其对材料力学性能的影响，分析了纤维体积份数，弹性系数、微裂纹密度，纤维不同取向与基体开裂强度之间的变化关系，并给出了许多有意义的结论。     

一种基于压电扫描的新型微梁阵列免疫传感器

微梁免疫传感技术是在原子力显微镜和微机电系统基础上发展起来的一项新兴传感技术,具有检测灵敏度高、无需标记、能实时原位再现生化反应过程等优点。本文针对单梁传感系统中存在的环境扰动和不能多通道检测等问题进行改进,设计制作了一种基于压电扫描的新型微梁阵列免疫传感器。利用商品化微梁阵列对传感器进行了温度测试实验,所得信号曲线稳定一致,且检测灵敏度达到2nm,实验结果验证了该微梁阵列传感系统在多通道信号检测中的可行性,为微梁阵列生化传感技术的实现提供了一种新的方案。     

任意拉格朗日—欧拉描述法研究进展

任意拉格朗日描述综合了纯拉格朗日和纯欧拉描述的优点，克服了各目的缺点，成为非线性连续介质力学中大变形分析的非常有效的方法。本文论述了ＡＬＥ法的研究进展及其在流动流体动力学、流体－结构相互作用、加工成型、碰撞、接触等大变形问题中的应用。     

STRENGTH, PLASTICITY, INTERLAYER INTERACTIONS AND PHASE TRANSITION OF LOW-DIMENSIONAL NANOMATERIALS UNDER MULTIPLE FIELDS

Atoms are hold together to form different materials and devices through short range interactions such as chemical bonds and long range interactions such as the van der Waals force and electromagnetic i...     

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...     

Murray lecture tensile testing at the micrometer scale: Opportunities in experimental mechanics

The measurement of mechanical properties using specimens whose minimum dimensions are of the order of micrometers is an important new area of experimental solid mechanics. One obvious application is in the area of micro-electromechanical systems (MEMS) where the final product is on the millimeter or micrometer scale. This paper describes techniques developed at Johns Hopkins University for tensile testing of materials used in MEMS. Polycrystalline silicon is currently the most widely used material; its modulus has been measured as 158±10 GPa, and its Poisson's ratio as 0.22±0.01, with fracture strengths ranging from 1.2 to 3.0 GPa depending upon the manufacturer. The properties of silicon nitride, silicon carbide, and electroplated nickel have also been measured and are presented. In addition to the quasi-static tensile tests, new techniques and procedures for measuring strengths at stress concentrations in brittle thin-film materials, fatique testing, and high-temperature testing are described.     

针尖的化学物理力学研究

扫描探针显微镜的发明, 使人们了解纳米、分子和原子尺度的超微结构, 探测原子、分子间的力、电、磁及其复杂的物理和化学性质, 以及进行单原子、单分子操纵 成为现实. 本文从探针技术与表面化学物理力学耦合的角度出发, 首先对针尖的化学物理力 学研究领域进行了概述, 接着介绍了针尖的几种重要的化学修饰方法, 包括金属薄膜、自组 装单分子膜、胶体粒子及碳纳米管修饰; 然后以理论与实验结合的方式介绍了几个研究活跃 的领域: 表面力及分子间力(主要包括Van der Waals力, 双电层力, 憎水亲合力, Casimir力和单键力等)的理论描述与测量, 针尖的化 学物理力学在化学力滴定和表面化学识别等研究中的应用. 讨论了针尖与基底材料对测量力 的影响. 而这些复杂的原子、分子相互作用和物理、化学、力学及生物特性的实现均发生于 小小针尖上, 由此我们提出了``针尖力学'的概念. 并且指出多场(如电场、磁场、超声、 微波等)作用下, 针尖的化学物理力学研究将成为力学交叉学科研究的重点和热点.     

Taylor length scale measurement by laser Doppler velocimetry

 A new method for making direct measurements of the spatial velocity correlation coefficient, based on two-point laser Doppler velocimetry (LDV), has been developed. In this paper, the effects of control parameters on the correlation coefficient are being investigated. The main sources of experimental error have been identified and analysed. It appears that the probe volume length has a key effect on the accuracy of Taylor micro-scale measurement. A data processing procedure has been established and validated for the determination of this scale. The procedure shows that the portion of the correlation curve used to determine Taylor scale is a function of the integral scale to Taylor micro-scale ratio. Received: 7 June 1995/Accepted: 8 December 1997     

固体力学与材料科学交缘的几个新课题

固体力学与材料科学的交缘是当今力学学科发展的一种新趋势．先进材料的研制与发展,引发了固体力学家对丰富多采的材料的微结构变形与损伤过程进行定量力学描述的浓厚兴趣．本文综述了下列三个固体力学与材料科学交缘的新课题:①微电子材料与组件力学;②材料强韧化力学,③多相介质的界面力学．并对这一交缘学科的发展趋势进行了简要的评介与展望．      

NANO SCIENCE AND ENGINEERING IN SOLID MECHANICS

According to National Science Foundation （NSF） Director A. Bement, ‘Transformative research is... research driven by ideas that stand a reasonable chance of radically changing our understanding of an important existing scientific concept or leading to the creation of a new paradigm or field of science is also characterized by its challenge to current understanding or its pathway to new frontiers.＇ Nanotechnology is one of such frontiers. It is the creation of new materials, devices and systems at the molecular level--phenomena associated with atomic and molecular interactions strongly influence macroscopic material properties with significantly improved mechanical, optical, chemical, electrical... properties. Former NSF Director Rita Colwell in 2002 declared, ‘nanoscale technology will have an impact equal to the Industrial Revolution＇. The transcendent technologies include nanotechnology, microelectronics, information technology and biotechnology as well as the enabling and supporting mechanical and civil infrastructure systems and materials. These technologies are the primary drivers of the twenty first century and the new economy. Mechanics is an essential eleraent in all of the transcendent technologies. Research opportunities, education and challenges in mechanics, including experimental, numerical and analytical methods in nanomechanics, carbon nano-tubes, bio-inspired materials, fuel cells, as well as improved engineering and design of materials are presented and discussed in this paper.     

白光DSCM方法用于岩石变形观测的研究

本文分析了白光DSCM（数字散斑相关测量）方法用于岩石材料表面变形观测的可行性及优越性，并根据岩石材料变形的特点将普通DSCM方法进行改进。DSCM方法应用于岩石变形观测中，使观测过程得到简化，同时有助于解决岩石力学中一些难题。文中的实验结果证实了该方法的可行性和优越性。     

An impedance probe for the measurements of liquid hold-up and mixing time in two/three-phase stirred tank reactors

A new probe based on the measurement of the electrical impedance has been developed to measure liquid hold-up in gas/liquid, solid/liquid and gas/solid/liquid stirred tank reactors. It allows measurements of liquid hold-up and mixing time to be made in stirred tanks. The main advantage of the new probe is that it is absolutely non-intrusive, because it uses the shaft and the baffles' support as electrodes, and that it can be used both for laboratory scale reactors as well as for industrial stirred tank reactors. The relation between impedance and liquid hold-up under loading conditions closely follows the predictions made by means of the Bruggeman model. Therefore, the new probe does not need any calibration, in that the liquid hold-up can be theoretically computed by the measurement of impedance. Received: 1 January 2000/Accepted: 8 March 2001