显微拉曼光谱力学实验方法与应用研究进展

显微拉曼光谱是近十余年来实验力学领域迅速发展的一种实验应力分析新方法.相比于大多数的光测力学方法,显微拉曼能够实现对应力/应变相对直接的表征,具有高空间分辨、高测试效率、无损非接触等特点,适合于原位、在线、活体测量.其对本征和非本征应力均敏感,并能够开展多物理参量的协同表征,是当前实验力学领域新方法研究的国际前沿之一,也是微纳米力学实验分析的重要手段.本文首先介绍了显微拉曼力学表征的实验原理,随后论述了拉曼光谱用于力学研究的若干关键技术,然后综述了基于显微拉曼实验的力学前沿研究进展,最后讨论了显微拉曼光谱在实验固体力学领域的发展前景与方向.本文通过对显微拉曼光谱力学实验方法最新理论、技术与应用进展的综述,为从事微尺度、多尺度力学实验领域的科研工作者提供较为系统的信息参考,同时为那些对微尺度光谱力学感兴趣的青年科研人员提供本领域系统全面的知识.     

温度循环载荷对柔性接头界面损伤的影响

固体火箭发动机在生产、运输和储存的过程中会受到环境湿热和老化载荷的作用,导致柔性接头界面的力学性能产生退化.为研究柔性接头界面力学性能退化对界面损伤的影响规律,基于双线性内聚力模型建立了一种描述界面力学性能退化的数学模型.以某柔性接头为研究对象,为便于研究,以温度循环载荷代替环境老化载荷开展了界面损伤分析,并采用ABA...     

纳米压痕残余应力场拉曼光谱实验研究

本文采用纳米压入仪在晶向为〈111〉和〈100〉的两种单晶硅片表面压入1000nm,卸载后得到深度约为550~570nm的压痕。使用共聚焦显微拉曼光谱仪对压痕周边区域进行测量,采用场扫描成像技术得到了压痕周边拉曼频移、半高宽、峰强等拉曼信息,通过分析由频移求得残余应力场的分布。在实验的基础上讨论了残余应力场的分布,以及晶向对应力场分布的影响,近似给出了压痕边缘最大压应力与微裂纹尖端最大拉应力。对其他拉曼信息的分析表明,半高宽和峰强信息与材料晶格结构的变化相关,在一定程度上也可以反映残余应力的作用。     

微拉曼光谱研究M55JB碳纤维/微滴的拉伸变形行为

使用评价纤维/基体界面力学性能的新方法纤维微滴拉伸测试,来研究M55JB碳纤维/环氧树脂基体之间的界面应力传递性能。使用自制的微加载装置对碳纤维/环氧树脂微滴试样进行对称式拉伸测试,用微拉曼光谱仪记录下不同应变下的嵌入微滴内纤维上的拉曼频移信号,经过应力/频移关系转换成纤维轴向应力。实验结果显示,微滴内纤维轴向应力随载荷而明显增加。根据界面力平衡模型得到相应的界面剪切应力呈反对称式分布,在纤维嵌入端存在剪应力集中。新测试方法能保证嵌入微滴内纤维上的应力呈对称式分布,而且能降低纤维嵌入端附近的应力奇异性。     

基于优化模型的结构声学耦合界面载荷传递算法

针对结构声学耦合系统的界面载荷传递问题,提出了一种基于约束最优化模型的局部参数插值算法。耦合界面处结构和流体单元表面坐标通过各自的形状函数进行插值,把界面载荷在互不匹配的网格节点间的传递问题转化为一个点到用自然坐标表示的有限边界曲面的最小距离问题,以便利用成熟稳定的优化算法对其进行高效求解。与已有方法相比,该算法在耦合界面单元为曲面的情况下仍能保持较高的计算精度。本文给出的数值算例验证了本算法的有效性和可靠性。     

基于拉曼光谱的TMPTO热氧化特性研究

针对三羟甲基丙烷油酸酯(TMPTO)热氧化性能改进需求,将DXR激光显微拉曼光谱仪与Linkam FTIR600控温台联用,研究了热氧化过程中TMPTO及添加烷基二苯胺类抗氧剂辛/丁基二苯胺(T557)和二壬基二苯胺(T558)油样的拉曼特征峰随时间的变化规律,探讨了热氧化过程中TMPTO分子结构变化特点及烷基二苯胺类抗氧剂的作用机理.研究发现:随着氧化时间的延长,TMPTO基础油分子中=C-H、C=C及-CH_2-的拉曼峰随氧化时间延长逐渐减弱,且C=C结构的变化遵循一级反应动力学规律;在恒温175℃连续氧化条件下抗氧剂T557和T558能够减缓TMPTO分子中=C-H、C=C及-CH_2-的拉曼峰衰减,其中C=C结构的热氧化反应速率常数从0.14 h~(–1)降至0.02 h~(–1).     

原位微拉曼测试技术在碳纳米管纤维和薄膜材料力学性能研究中的应用

利用宏观应力联合原位微拉曼测试技术对双壁碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)纤维和薄膜材料的力学性能进行了实验分析,探讨了拉伸加载期间纤维和薄膜内CNT的载荷响应及其与宏观力学性能的关联,揭示了两种材料力学性能差异性的微观机理。实验分析表明,CNT纤维和薄膜的拉伸变形呈现弹性、强化和损伤断裂三个阶段,但其内的CNT只发生弹性变形,没有塑性形变,且没有明显的损伤或键的断裂,纤维和薄膜呈现阶段性拉伸变形的原因可归结为滑移。纤维的弹性模量显著高于薄膜,是薄膜的4.7倍,原因是弹性阶段纤维中CNT的轴向伸长对宏观应变的贡献较大。纤维和薄膜的拉伸强度相差较小,原因是强化阶段薄膜内不断有大量CNT进入承载队伍,这也使得薄膜具有比纤维更高的韧性。     

双层金属纳米板界面能密度的尺寸效应

界面能密度是表征纳米复合材料与结构界面力学性质的重要物理量.采用分子动力学方法计算了不同面心立方金属晶体构成的双材料纳米薄板结构的界面能密度,分析了界面晶格结构形貌变化及界面效应对原子势能的影响.结果表明:双材料纳米薄板界面具有周期性褶皱状疏密相间的晶格结构形貌,界面上原子势能亦呈现周期性分布特性,而靠近界面的两侧原子势能与板内原子势能具有明显差异.拉格朗日界面能密度和欧拉界面能密度均随双层薄板厚度的增加而增加,最终趋向于块体双材料结构的界面能密度.     

硅基底多层薄膜结构材料残余应力的微拉曼测试与分析

针对MEMS器件制备中两种典型的硅基底多层薄膜结构的残余应力问题,本文提出了利用微拉曼光谱技术测量其残余应力的方法,分析并给出了硅基底多层薄膜结构中的残余应力分布规律。实验结果表明,在硅基底和薄膜内存在较大的工艺残余应力,残余应力在基底内靠近薄膜两侧部分呈非线性变化,在基底内主要呈线性变化,并引起基底整体翘曲。基于实验结果分析,提出了硅基底多层薄膜结构的分层结构模型。本文工作表明微拉曼光谱技术是测量与研究硅基底多层薄膜结构残余应力的一种有力手段。     

微粒填充流变材料界面开裂的局部临界应力及尺寸效应的理论分析

研究了以等轴粒子填充流变材料的边界开裂机理,采用能量准则导出了以界面能表示的界面开裂局部临界应力的简洁表达式。由于临界应力正比于１√α,从而可以非常方便地研究粒子开裂的尺寸效应,以碳酸钙微粒填充的聚丙烯复合材料为例进行了理论分析,通过比较界面开裂的能量准则和张应力准则得出结论：即使按照保守的方法估算,即在界面强度等于基体强度的条件下,只要粒径不超过０．２微米,若能量准则得到满足,则张应力准则也会得     

Theoretical analysis on the local critical stress and size effect for interfacial debonding in particle reinforced rheological materials

The mechanisms of interfacial debonding of particle reinforced rheological materials are studied. Based on an energy criterion, a simple formula of local critical stress for interfacial debonding is derived and expressed in terms of the interfacial energy. The particle size effect on interface debonding can then be analyzed easily owing to the fact that critical stress is inversely proportional to the square root of particle radius. By taking PP/CaCO₃ system as an example, the present energy criterion is compared with the mechanical debonding criterion, and it is found that under the condition that bond strength is equal to matrix strength and particle radius not over 0.2μm, the mechanical debonding criterion can be automatically satisfied if the energy criterion is satisfied. A relation between critical time and interface energy is calculated by using the energy criterion. The influences of the particle volume fraction and the parlicle size, the loading rate and the relaxation time of the matrix on the critical time of interfacial debonding are also discussed. Supported by the National Natural Science Foundation of China (19632030 and 19872007) and Natural Science Foundation of Jiangsu Province.     

玉米根茬剪切力学性能试验与分析

为提高免耕播种机破茬刀的工作性能,需要分析剪切速度、切刀刃型及剪切方式对根茬剪切性能的影响规律,采用微机控制电子万能试验机对玉米根茬进行上述三因素随机区组剪切性能试验。结果表明:剪切方式对最大剪切力的影响最大,其次是剪切速度;切刀刃型对最大剪切力的影响较小;最大剪切力随着剪切速度的增大而减小;同一刃型切刀在相同剪切速度下,横切时最大剪切力最大,劈切时最大剪切力最小;同一剪切方式在相同剪切速度下,直刃切刀的最大剪切力最大,凸圆刃切刀的最大剪切力最小;不同剪切方式,切茬过程的负荷-变形曲线不同。     

石墨烯及其复合材料纳米力学研究进展

石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体,是目前已知最薄但却有着极高强度的纳米材料.由于在强度、导热性、电子输运和光学上显示出不同寻常的特性,石墨烯迅速成为材料科学、物理、化学和力学等学科的研究热点.与此同时,石墨烯复合材料的研究也迅速兴起.论文综述了近年来石墨烯及其复合材料的力学特性的研究进展.根据力学行为的差异,我们主要阐述了石墨烯面内力学特性、离面力学特性、原子尺度修饰和石墨烯复合材料力学特性的研究进展:石墨烯的面内拉伸力学特性通过纳米压痕等技术得到了测量,其断裂行为在微纳尺度下不能完全使用连续介质力学模型进行解释,在多层石墨烯情况下会出现超润滑现象;石墨烯的可控离面位移对于改变其物理特性有重要的意义,石墨烯上的屈曲受到手性和尺度的影响,在高频器件中存在着非连续性的离面响应;适当的原子尺度修饰可以改善石墨烯的拉伸和扭转力学特性;石墨烯可以改善复合材料的力学特性,如提高强度、韧性等,其主要强化效应是通过与基体材料的离面、面内力学行为结合产生的.最后,论文对石墨烯及其复合材料的力学研究进行了总结和展望.     

爆炸荷载作用下模型介质裂纹扩展试验与分析

为研究爆炸载荷作用下裂隙介质裂纹扩展规律,以含人工裂隙的有机玻璃薄板为介质,分别以炮孔中心到人工裂隙垂直距离L和人工裂隙长度D为变量,采用单发雷管爆炸加载试验模型进行试验。试验结果表明,爆炸荷载作用将使裂隙介质形成径向裂纹、翼裂纹、层裂裂纹和似层裂裂纹;人工裂隙能够阻隔径向裂纹的扩展,径向裂纹的扩展对距离L比长度D更敏感;翼裂纹是爆炸绕射波或绕射波与压缩应力波共同作用产生的,翼裂纹的长度随距离L增加而降低;入射压缩应力波与反射拉伸应力波叠加形成的净拉伸应力拉裂介质形成层裂效应、引起径向裂纹弯曲形成似层裂效应,层裂裂纹和似层裂裂纹几乎平行于人工裂隙。研究结果可为裂隙岩体爆破设计、冲击矿压防治和结构工程防护等提供理论依据。     

Hill condition and overall properties of composites

Summary We discuss the Hill principle's role and applications in modern micromechanics of industrial composite materials. Uniform boundary conditions, fundamental in micromechanics, are introduced as a class of Hill solutions. Mixed uniform conditions, basic for experimental testing, are analysed. Domains of application of the Hill principle are reviewed, like homogeneization of heterogeneous media, definition of effective properties and size effect in heterogeneous materials. Generalization of the Hill condition is realized for arbitrary materials, in particular for nonlinear inelastic composites with imperfect interfaces. Received 9 September 1997; accepted for publication 23 December 1997     

点阵增强型复合材料夹层结构的力学性能实验与分析

采用真空导入成型工艺,制备出在面板与芯材界面上具有创新构型的点阵增强型复合材料夹层结构。对其面板拉伸性能、夹层结构剪切与平压性能进行了实验研究,得出点阵增强型复合材料夹层结构经树脂柱增强后,剪切与平压性能均得以提高的结论。对不同跨高比复合材料夹层结构开展了三点与四点弯曲实验,研究其典型受力破坏形态与机理。基于Eshelby等效夹杂原理,采用Mori-Tanaka方法求解了点阵增强型复合材料夹层结构经树脂柱增强后的剪切性能。利用经典夹层梁理论和非线性有限元模拟方法,预估了试件抗弯刚度与受弯极限承载力,理论分析与实验结果较吻合。     

全配方合成油SJ／CF／5W—30的摩擦炭化及其摩擦学特性的关联

在SRV微动磨损试验机上，采用阶梯升温方式研究了全配方汽油发动机油SJ／CF／5W－30对几种不同摩擦副的润滑作用，并采用激光拉曼分子光谱仪分析了润滑油的摩擦炭化行为。结果表明：在连续升温的摩擦磨损过程中，摩擦系数曲线出现明显波谷，且波谷现象随摩擦副材料类型 的不同而不同，其中钼合金喷涂层／铸铁摩擦副的波谷现象最为显著。通过对润滑油摩擦炭化物进行激光拉曼光谱分析发现，其G线峰位、峰宽以及石墨微晶尺寸（La)均同摩擦副材料类型相关；炭化物石墨微晶尺寸（La)同波谷处摩擦系数亦存在对应关系；其中钼合金喷涂层－铸铁摩擦副对应的润滑油摩擦炭化产物的石墨微晶尺寸最大，相应的波谷处摩擦系数最低。     

天然橡胶基磁流变弹性体的研制与表征

磁流变弹性体又称磁敏高弹体，是一种由高分子聚合物和磁性颗粒构成的新型智能材料，它的力学、电学、磁学等诸性能可以由外加磁场来控制，因此磁流变弹性体在舰船、振动控制等领域具有广泛的应用前景。但目前国际上研制的磁流变弹性体存在机械性能不够好和磁致效应不够强的问题，这制约了基于磁流变弹性体器件的设计和应用。为了制备出实用型磁流变弹性体，本文对其制备条件进行了研究，包括基体类型、预结构化时磁场强度和温度、增塑剂和磁性颗粒含量对磁流变弹性体磁致效应的影响。结果表明，以天然橡胶为基体的磁流变弹性体，在高于600mT外加磁感应强度下，当磁性颗粒含量为80％（质量比）时，剪切模量的相对增量达133％；而当磁性颗粒含量为90％时，剪切模量的绝对增量达4．5MPa。本文还对磁流变弹性体应用环境进行了实验研究，结果表明磁流变弹性体在小应变下显示出更强的磁致效应，而激励频率不改变材料的磁致模量。     

水冷却对高温花岗岩的细观损伤及动力学性能影响

为探讨高温花岗岩经水冷却后的细观结构损伤及动态力学性能,对水冷却后高温花岗岩开展波速和核磁共振测试,分离式霍普金森压杆冲击试验,以及冲击破碎试样的扫描电镜观察,分析比较不同状态下花岗岩波速、孔隙度和动力学参数的变化规律。研究发现:随着温度升高,经水冷却处理后高温花岗岩波速非线性下降,大孔径孔隙度分量增大,且水冷却后试样的孔隙孔径尺寸和数量均大于自然冷却;水冷却后高温花岗岩动力学参数呈现出随着温度升高,峰值应力减小,峰值应变增大,弹性模量则先增大后减小的规律;由于水冷却使高温花岗岩表面温度急剧降低,产生额外的温度应力,花岗岩内部损伤加剧,表现出更低的波速与峰值应力;而水的冷淬作用一定程度上提高了表层花岗岩的硬度,降低了高温后花岗岩的塑性能力,与自然冷却相比水冷却后花岗岩的峰值应变减小,弹性模量增大,表现出脆性破坏特征。在温度低于400℃时,冷却方式对冲击裂纹影响不大,随着温度升高到800℃,自然冷却后花岗岩冲击断面呈蜂窝状,而水冷却后冲击断面则相对平整。