基于压电双脉冲剪切波加载和光学相干断层扫描的生物组织弹性测试技术

生物组织力学性能的定量测试对疾病发生和发展的研究及诊治非常重要。本文集成压电堆栈振动加载和光学相干断层扫描(OCT)提出对生物组织弹性进行定量测量的剪切波光学相干弹性成像技术。压电堆栈携带探针在双脉冲激励下对生物组织或仿体产生约2μm振幅的振动,生成剪切波。在OCT探测区域,生物组织的变形会引起OCT的相位信号变化,由此提出检测剪切波的相位差法。再根据剪切波的传播速度,计算获得组织的弹性模量。通过比较该方法与拉伸实验对生物组织仿体弹性模量的测量结果,验证了技术的可行性。进而对人体手指指腹皮肤的弹性进行了在体测试,表明该方法有用于在体皮肤力学性能测试的潜力。压电堆栈双脉冲剪切波OCE为离体生物组织弹性测试提供了新的简单有效的手段,并且有潜力进一步发展为生物组织复杂力学性能的测试技术,以及应用于临床上皮肤等疾病的诊断。     

仿生皮肤软材料大变形场的数字云纹实验

软物质等大变形材料是近年来力学与材料科学关注的热点问题,与之相关的实验研究也引起格外关注.本文将数字云纹实验技术应用于大变形材料力学实验,研究了软材料大变形场的实验测量与表征技术;以仿生皮肤材料缝线力学的应用为例进行实验分析,通过坐标变换给出集中力作用下的大变形材料径向变形场ur和环向变形场uθ的全场分布,并研究了缝线针口附近区域的变形场分布.分析结果表明,大变形材料的变形场存在明显的扇区变形特征.本文还进一步讨论了两种不同缝合方式下针口周边区域的力学变形特征,并初步分析了不同缝合方式对切口愈合产生的影响.     

三维DIC在铸铁拉伸试验中的应变测量精度研究

基于三维数字图像相关方法(3D-DIC)的拉伸实验研究了铸铁的拉伸力学性能,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、抗拉强度、延伸率等拉伸力学性能参数．将3D-DIC应力-应变的测试结果与目前实验中使用广泛的接触式引伸计方法的实验结果作了对比,得到两者的应力-应变曲线基本重合,弹性模量相差不超过4%．此外,还对3D-DIC和机械引伸计的应变绝对误差和相对误差作了详细比较,实验表明3D-DIC在铸铁拉伸力学性能测试中具有足够的应变测量精度,完全可以取代传统引伸计成为一种有效的非接触式变形测量手段．     

氧化铝多孔膜变形的时间序列散斑干涉法检测

本文通过鼓膜实验,利用双光束电子散斑干涉技术(ESPI)和时间序列的散斑干涉法,首先对纯铝试样鼓膜变形进行测量,并结合薄板小挠度理论计算了纯铝的弹性模量,结果与弹性模量的参考值基本相同,表明该测量变形的方法精确可行。在此基础上对二步阳极氧化法制备的氧化铝多孔膜试样的鼓膜变形进行了检测,变形检测结果为进一步研究氧化铝多孔膜的力学性能及其与微观结构的关系提供了依据和基础。     

鲫鱼皮肤和肌肉的力学性能研究

鱼在水中游动时,参与鱼体弯曲变形的组织和器官与水媒介相互作用,形成了不同的游动模式和变形方式。为了更好地理解鱼体变形机制并为今后的流固耦合计算提供基础实验数据,本文采用万能试验机进行单轴拉伸试验,对鲫鱼皮肤和肌肉等生物材料的力学性能进行研究。通过破坏实验的方式确定其杨氏模量,通过松弛实验的方式确定其归一化松弛函数。针对皮肤和肌肉的生物材料粘弹性性质,给出本构方程。通过简化为标准线性固体模型进行讨论,得到的结论是:鲫鱼游动过程中以很小的能量损耗为代价,增加了其有效刚度。     

基于X射线相干衍射成像方法的微纳米梁变形场测量

微纳米结构在外加荷载下的变形场测量对于描述和预测微纳米结构力学性能、建立相关模型和理论具有重要意义.目前仍然缺少原位实时测量微纳结构变形场的实验方法,这对微纳米结构的力学性能研究形成了一定的制约.本文结合大规模MD(molecular dynamics,分子动力学)模拟和X射线CDI(coherent diffract...     

球形薄膜的变形测量与力学分析研究

目前对于薄膜材料力学性能研究多采用单轴拉伸的实验方法,此方法在测量有特殊构型薄膜材料时有一定误差,也只能测量单一方向的力学性能。本文选用球面乳胶薄膜为实验材料,在考虑球形外形结构的基础之上,测量了整个薄膜表面的力学性能。实验在自制的装置之上结合三维数字图像相关技术(3D-DIC)测出整个薄膜表面位移场,并且结合相关公式计算出乳胶球面薄膜制品表面的拉格朗日应力场和应变场,并对膨胀后薄膜厚度变化做了相应分析。结果显示乳胶薄膜表面的变形并非均匀,圆周方向抗变形能力大于子午线方向。     

基于图像分析法的水稻茎秆力学性能测量与分析

水稻茎秆力学性能的准确描述是水稻抗倒伏力学分析的关键。由于茎秆是由生物活性材料组成的形状不规则柔性结构,传统的测试方法难以对其力学性能进行准确测量。以南方水稻为研究对象,采用拉伸试验机对水稻茎秆进行了拉伸试验。首先采用传统的应变片方法测量应变,继而探索采用图像分析法实现非接触、高精度地测量水稻茎秆的截面尺寸、拉伸变形。用数字摄像机记录不同荷载水平下试件表面的数字图像,采用数字图像相关分析法(DIC)进行分析,通过两种方法计算茎秆的轴向应变;将完成拉伸实验的试件切片,采集其横截面的数字图像,通过数字图像分析技术得到其几何特性,并对大量实验数据进行了统计分析,实现了对水稻茎秆弹性模量、抗弯刚度等的合理描述。实验结果表明,采用传统的应变片测量求得的水稻茎秆的弹性模量的离散性极大,超出样本差异性的范围,而采用数字图像分析方法得到的弹性模量、抗弯刚度的结果有一定的离散性,但分布比较合理,比较准确地反映了水稻茎秆相关的力学性能。     

软材料接触力学问题的实验研究

针对硫化硅橡胶在刚性压头作用下的大变形接触问题,研究了橡胶类软材料接触区区域变形场的实验测量技术。为了研究硫化硅橡胶与刚性体在试件内部接触的大变形问题,本文提出了一种体内数字栅云纹实验技术,给出了该技术的原理和实现方法。然后运用数字图像处理方法得到了橡胶材料大变形位移u场、v场,并结合橡胶材料在压头作用下的理论分区模型,分析了软材料接触区域的大变形场,讨论了接触区域的变形分区规律,并初步给出了接触区域应变计算方法。     

焊接接头局部塑性行为的循环压痕实验研究

基于纳米压痕技术,对转子钢焊接接头不同区域（母材、焊缝和热影响区）开展了压入位移控制的单向压痕实验和压入载荷控制的循环压痕实验研究．首先,通过压入位移控制的单向压痕实验,采用多次测试取平均值的方式获得了焊接接头各个区域的弹性模量和硬度分布特征,同时对各区域弹性模量中值点的载荷-压入深度曲线进行了分析;其次,对各个区域进行压入载荷控制的循环压痕实验,比较其压入深度随循环周次的演化特征．结果表明,焊接接头不同区域力学性能差异较大,热影响区的弹性模量、硬度、抗拉强度和抗循环变形能力最高,焊缝次之,母材最弱;三个区域在循环压痕载荷下的接触载荷-压入深度滞回环曲线均表现出类似棘轮变形的演化特征,且母材演化速度高于焊缝,高于热影响区．研究结果对汽轮机焊接转子的焊接工艺的优化、寿命预测和可靠性设计具有重要的借鉴意义．     

Measuring Contact Mechanics Deformations Using DIC through a Transparent Medium

This paper describes the experimental methodology used to study the contact mechanics of a rigid, rough surface and a compliant, nominally flat surface using digital image correlation (DIC). The rough surface was produced by 3-D printing PMMA and the flat surface was produced with transparent PDMS (silicone rubber). The deformation of the speckled top surface (contact) of the PDMS was measured via DIC viewed through the transparent media. Four different PDMS formulations with moduli ranging from 64 to 2120 kPa were used in the experiment program to cover a wide range of modulus normalized loads. The deformation of the contact surface and depth of penetration versus normalized load were measured. The results were overlaid with previous measurements of contact area and complemented them extremely well. Additionally, it was shown that scaling laws associated with such contact mechanics problems extend many length scales.     

去角质化妆品对皮肤摩擦性能的影响研究

采用UMT-Ⅱ多功能摩擦磨损试验机,模拟洗脸的摩擦条件,考察了微粒大小、数量和硬度不同的3种磨砂洗面奶介质对不同性别人体皮肤摩擦特性的影响.结果表明：由于在往复摩擦条件下磨砂洗面奶去除了皮肤表面老化角质层,皮肤的表面粗糙度下降,皮肤的电导、水合作用、黏着力及摩擦系数增加;含有2种微粒大小、数量和硬度适中的B组洗面奶介质摩擦去除老化角质较多,皮肤后续对保湿化妆品的渗透效果较好;由于不同性别皮肤表面结构的差异,磨砂洗面奶对男性皮肤表面结构的影响较女性大.     

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.      

Nano-Indentation Device for Investigating the Mechanics of Compliant Materials

Indentation testing has long been used to measure the mechanical properties of a wide range of materials from metals and ceramics to brain tissue and hydrogels. The purpose of this study was to build and validate a Nano-Tissue Indenter (NTI) capable of performing indentation testing on micro-scale structures within the liver’s extracellular matrix. Two silicone-based tissue simulant materials were selected with elastic properties similar to hydrogels used for liver cell cultures. Samples of each material formulation, EcoFlex0030 (EF30) and EcoFlex0010 (EF10), were indented with NTI and also tested in unconfined compression to provide benchmark shear moduli. The resulting force and displacement measurements from NTI with resolutions of 300 nN and 700 nm respectively were analyzed using the Pietrement-Troyon model of adhesive contact. Using this method, NTI was able to distinguish a 10 kPa difference in shear modulus between EF30 and EF10 with comparable significance as unconfined compression (p?<?0.001). General agreement between the results of the two test methods is evidenced by the overlapping of the mean ± S.D. range for the NTI-indentation and benchmark unconfined compression shear moduli measured for both formulations. NTI was used successfully to perform nano-indentation tests on samples of compliant material undergoing adhesive contact, similar to the extracellular matrix of organs such as the liver.     

冻融循环次数和含水率对尾细砂力学性质的影响研究

为研究冻融循环次数和含水率对尾细砂力学性质的影响,利用GDH-2005B型高低温试验箱对尾矿砂试样进行冻融循环,并通过FST-200型应变控制式三轴剪力仪开展五种冻融循环次数(1次、3次、5次、7次、9次)和五种含水率(11%、13%、15%、17%、19%)尾矿砂试样常规三轴试验。研究表明:(1)相同含水率时,随着冻融循环次数的增大,变形模量逐渐减小,内聚力和内摩擦角均呈现降低的趋势;经历9次冻融循环后,内聚力降低至17.4kPa,内摩擦角降为14.82°。(2)相同冻融循环次数条件下,随着含水率的增大,尾矿砂的峰值应力降低,对应峰值应变增大;围压100kPa时,含水率19%的尾矿砂在经历9次冻融循环后应变为18.21%,应力为139.37kPa;各冻融循环次数下的尾矿砂抗压强度均呈现下降的趋势,内聚力和内摩擦角均随着含水率的增大而减小。研究成果可为尾矿砂物理力学性质理论的丰富以及尾矿砂相关工程的安全运营提供参考。     

有限厚度模型校准二维MoS2的Bimodal-AFM杨氏模量测量

二维材料因其独特的晶体结构、新奇的物理特性和优异的力学性能, 在微纳机电系统、柔性电子器件等诸多领域有着广阔的应用前景. 弹性模量是二维材料的基本力学特性参量之一, 对其器件应用及应变调控有重要影响. 受限于二维结构和原子级厚度特征, 难以实现二维材料弹性模量的精确测量. 双模原子力显微镜的振幅调制-频率调制模式是一种高效测量二维材料杨氏模量的方法, 但刚性衬底对测量结果的影响不可忽视. 本工作通过双模原子力显微镜直接测得衬底与二维硫化钼的杨氏模量分布图, 并基于有限厚度模型对衬底效应进行修正, 得到了样品的本征杨氏模量值. 利用第一性原理计算得到了二维二硫化钼的弹性系数和杨氏模量, 对比发现实验和计算结果相当. 这说明双模原子力显微镜测量是一种可靠的二维材料杨氏模量直接测试方法, 且该方法无需制备悬空二维材料等繁琐步骤, 避免了常规测试中的不足. 本工作为大面积二维材料薄膜力学性能的程序化测试分析以及高通量力学实验数据的统计分析提供了可靠的实验基础.      

核壳结构PS/CeO2复合微球弹性模量的AFM测定

利用原子力显微镜测定了聚苯乙烯(Polystyrene, PS)微球和核壳结构PS/CeO₂复合微球的力-位移曲线,并根据Hertz接触理论计算了微球样品的弹性模量.结果表明:粒径在120 nm左右的PS微球的平均弹性模量约为2.80 GPa,其数值略低于聚苯乙烯块体材料的弹性模量.复合微球的弹性模量随CeO₂壳层厚度的增加而增大,当CeO₂壳厚分别约为8、12和16 nm时,其平均弹性模量依次约为7.93、8.25和10.67 GPa.与纯氧化铈相比,PS/CeO₂复合微球的弹性模量更接近于聚苯乙烯微球.     

小腿残肢与接受腔界面的摩擦行为分析及测试

利用断层扫描数据,图像处理和反求技术建立了骨骼、软组织以及假肢接受腔的三维有限元模型,分别施加Heel Strike、Foot Flat、Mid-Stance、Heel Off和Toe Off五个典型步态时相的载荷,计算残肢皮肤在一个步态周期内的应力、滑移量变化,确定最大临界参数;借助UMT-II多功能摩擦磨损试验机模拟残肢皮肤和接受腔摩擦界面,研究皮肤在步态周期临界参数下的摩擦行为变化.有限元结果表明:一个步态周期内五个典型时相,软组织表面最大正应力和剪切力均发生在髌韧带处,在Heel off步态时相,最大临界正应力为384.3 k Pa,剪应力为102.1 k Pa;随着正压力的减小,摩擦力减小,摩擦系数增大;当正应力下降到39.5 k Pa临界值时,接触面发生相对滑动,摩擦系数达到最大值.摩擦学试验结果表明:法向载荷分别为17 N和7 N时,残肢皮肤均处于黏着状态;皮肤弹性变形越大,黏着程度越大.