多模态原子力显微术研究进展

材料纳米尺度的各种性能中，纳米力学性能是纳米材料和器件服役所需要保证的最基本性能。因此，发展可靠的定量化纳米力学测试技术就显得尤为关键。原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)作为纳米力学测试的重要平台，目前广泛应用于材料纳米尺度形貌和力学性能成像。作为原子力显微术的前沿应用模式之一，多模态原子力显微术通过同时激励探针的两个或多个振动模态对样品进行测试或成像，可实现对被测样品高分辨率、高灵敏度、定量化和无损的纳米力学快速成像及检测，具有极其广泛的应用前景。围绕多模态原子力显微术，首先介绍了多模态原子力显微术的基本成像原理和力学模型基础。随后，综述了多模态原子力显微术探针动力学以及成像技术相关研究的主要进展。然后，对多模态原子力显微术的几类典型应用进行了总结和评述。最后，对多模态原子力显微术未来可能的研究方向进行了展望。     

影响纳米压入测试结果的因素

纳米硬度计 ,又称深度测量压入仪。该仪器在刚性压针上施加特定载荷 ,同时记录压入试样深度。此技术广泛应用于微纳米尺度力学性能的研究。以MTSNanoIndenter○RXP为测试手段 ,参考试样熔融硅为研究对象 ,进行了不同压入深度的测试。结果显示 ,硬度和模量有随压入深度减小而增大的趋势。分析了接触零点的确定、压针尖端缺陷、试样表面的吸湿和粗糙度、弹塑性转变等因素对测试结果的影响。在压入深度为微米和亚微米量级时 ,上述因素对测试结果无显著影响 ;而在纳米量级时 ,有显著影响。所以 ,当压入深度为几十纳米时 ,纳米压入测试结果的可靠性值得注意     

脉冲放电止裂后裂尖处纳米尺度下的力学性能测试

应用扫描探针显微镜SPM(scanning Probe Microscopy)，对经过脉冲放电止裂后的40Cr模具钢裂尖处的组织进行了纳米尺度下的力学性能测试。测试结果表明：脉冲放电不仅使裂纹尖端钝化，同时使围绕裂尖处组织的细观硬度和细观杨氏弹性模量得到了提高，与宏观观测和分析规律相符，纳米尺度下微观力学性能测试结果为脉冲放电裂纹止裂技术的工程应用提供了微观尺度下的证据。     

不锈钢表面等离子合金化渗铜层的纳米力学性能研究

为了研究不锈钢渗铜层的纳米力学性能,本文采用等离子表面合金化技术在304不锈钢表面制备了渗铜层。利用纳米压入硬度仪,采用连续刚度测试法,对渗铜层以及不锈钢基体的表面和横截面的纳米力学性能进行了测试,得到了纳米压入过程的载荷-压入深度曲线,发现渗铜层抵抗外载荷的能力低于不锈钢基体。并得到了渗铜层和不锈钢基体的表面、横截面方向的硬度以及杨氏模量,经对比得到渗铜层的杨氏模量和硬度都要比不锈钢基体的低,并且渗铜层的力学性能表现出各向异性。对纳米压入的数据进行分析,发现渗铜层在小尺度压入时硬度和杨氏模量表现出明显的"尺度效应"。     

碳化硅薄膜的力学性能测试分析

对利用射频磁控溅射及真空退火方法在(100)硅晶片衬底上制备的纳米晶碳化硅(SiC)薄膜,用纳米压痕仪进行了力学性能测试分析。纳米压痕技术测试给出两块SiC薄膜样品I和II的弹性模量/硬度分别约为106GPa/9.5GPa和175GPa/15.6GPa。纳米划痕技术测试两块SiC薄膜的摩擦系数分别约为0.02~0.15和0.05~0.18,显示出良好的润滑性能;对薄膜的临界附着力等进行测量以评价膜基结合强度,分析了划痕过程中薄膜近表面弹塑性变形和断裂信息。在原子力显微镜下对SiC薄膜样品的初始表面及残余压痕和划痕形貌进行了观察分析,与测试结果相符。综合比较,样品II的整体性能优于样品I。本文中薄膜的弹性模量和硬度值较低可归因于制膜技术的不同和表层碳含量偏高。     

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.      

方沸石大单晶及多晶粉饼力学性能的实验研究

报道了采用纳米压痕硬度计和Instron仪器分别对方沸石ANA大单晶和方沸石ANA多晶粉饼进行的力学性能测试工作。在纳米压痕实验中可实时测得连续载荷和随载荷连续变化而变化的位移,得到载荷-位移曲线图。根据W.C.O live算法,利用接触刚度连续测量(CSM)技术,实现了ANA沸石的硬度、弹性模量随压痕深度变化的连续测量,得到了ANA沸石单晶的硬度、弹性模量分别为0.25GPa和4GPa。用Instron仪器测得ANA多晶粉饼的弹性模量值为125MPa。对ANA沸石大单晶和ANA沸石多晶粉饼的力学性能进行了比较。     

新型纳米结构金属材料的力学性能及变形机制

“纳米结构” 化是金属及其合金材料获得优异力学性能的有效途径.纳米结构金属材料表面或内部的缺陷, 包括晶界、位错、孪晶、孔洞、裂纹、第二相等, 其形核、演化及互相作用对材料的强度和韧性具有重要影响. 该文综述了与上述科学问题相关的新型纳米结构金属材料的微观组织结构表征及力学性能测试、强韧化机制计算模拟方面的研究进展. 并讨论了急需从微观尺度上就新型纳米结构金属材料的特征力学行为和关键变形机制开展深入、系统研究.      

薄壁管件周向力学性能测试装置及方法

为克服现有技术方法中难以精确测得薄壁管件周向力学性能的弊端,本文提出了一种管件周向力学性能测试装置及测试方法,介绍了该装置的结构及测试原理,并基于有限元软件ABAQUS模拟了整个测试过程。测试结果表明该测试方法的有效性和可行性。最后利用该测试装置对69111不锈钢管件进行了挤胀实验,获得了薄壁管件的周向力学性能数据。该测试方式能有效解决材料各向异性造成的小尺寸薄壁管件周向力学性能的测试技术难题,能直接、有效的测得薄壁管件的周向力学性能。     

纳米SiO2颗粒增强镍基复合镀层的组织与微动磨损性能研究

采用电刷镀技术在45#钢表面制备了纳米SiO2颗粒增强镍基复合镀层,用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察分析了复合镀层的表面形貌和微观组织形貌,用纳米压痕仪测试了复合镀层的微观力学性能,并采用PLINT型高温微动疲劳试验机考察了复合镀层在室温至500 ℃下的微动磨损行为.结果表明:纳米SiO2颗粒促进了镀层的晶粒细化,提高了镀层的力学性能,复合镀层的硬度和弹性模量分别比镍镀层提高了2.01GPa和5 GPa,从而改善了镀层的微动磨损性能;复合镀层的耐磨性能约为镍镀层的2倍,这是由于纳米SiO2颗粒对复合镀层具有超细晶强化、硬质点弥散强化以及高密度位错强化机制所致.     

低维碳和氮化硼材料的物理力学研究进展

碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料具有优异的力学和电学性质,已经引起广泛的科学兴趣。然而由电荷、分子轨道、电子结构和自旋态构成的低维材料的局域场与力学变形、机械运动和物理化学环境等外场间往往存在强烈耦合,这导致低维材料会呈现出新颖独特的物理力学性能。论文对近年来碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料的力学性能、力电耦合与器件原理、表面和界面结构性能调控、层间相互作用、能量耗散和摩擦等物理力学方面的研究进展进行了简要综述,并讨论了利用低维材料多场耦合特性和结构性能关联发展新型功能器件的方法和途径,以及纳米力学和纳尺度物理力学的前沿和发展趋势。     

人工髋、膝关节磨损测试标准及模拟试验机研究进展

髋膝关节植入物假体在体内发生摩擦磨损进而造成骨溶解、无菌松动是导致其失效的重要原因之一. 人工髋膝关节磨损试验是对假体材料、设计和加工进行评价的重要形式. 天然髋膝关节承受的运动和载荷十分复杂,研究天然关节在各种行为下的受力和运动范围,并利用专门的髋膝关节模拟器来进行试验和评价,有助于人工关节的设计和耐磨关节材料的发展. 本文中整理了天然髋膝关节的运动范围及载荷,对比了人工髋膝关节假体磨损的国内外标准,总结了主流髋膝关节模拟试验机的结构及主要技术参数,为我国关节行业的研究者提供参考.      

闽江福州河段环境工程地质问题的评价研究

江河环境工程地质问题是环境工程地质学研究的重要课题。江河沿岸环境地质条件是影响和决定沿江城市环境质量的重要背景 ;是控制和影响沿江河岸城市的环境容量和质量的重要因素。本文以闽江下游福州河段为例 ,概要评述了闽江福州河段的水动力条件和流水地质作用类型、强度等状况 ;分析研究了该河段的流水地质作用和地貌环境变化动态及其与沿江河岸人类各种工程建设活动的互相作用的特征和规律。对促进和提高沿江河岸“人—地系统”和谐协调平衡发展水平 ,正确规划、预测和评价沿江河岸各类工程建设发展的经济和社会效益及其前景 ,都具有重要意义.     

冰雪滑动摩擦研究现状及发展趋势

随着材料、检测设备和仿真软件的发展,冰雪摩擦的研究有了进一步的突破. 冰和雪都拥有独特的摩擦特性,它们的微观结构、表面薄层和测试方法一直都是科学研究的重点. 本文作者综述了关于冰雪与不同固体材料表面之间的摩擦学特性,简要介绍了冰雪微观形态、物态变化以及更深层次地从微观和纳观层面研究冰雪摩擦机理;重点介绍现有国内外在室内与室外进行冰雪摩擦测试的方法和测试装置的差异及影响,并结合减摩特性的摩擦机理研究在运动器材设计中的运用进行了简要总结. 最后,在未来的发展中应更加注重这几个方向的研究,为国内冰雪摩擦领域研究及冰雪运动器材设计产业提供理论支持.      

基于mbS模式的有限单元法

mbS模式及其有限元法是在固体和结构分析模型中引入薄膜、弯曲和剪切理论,且采用纯拉压、纯弯和纯剪单元进行分析的数值方法。在时空系中剖分物质单元和时间单元上构造以指数函数和贝塞尔函数为插入函数且按Lagrange插值条件的薄膜、弯曲和剪切等基本位移函数,由此得到更加完备和耦合的固体和结构实体单元的变形模式,根据能量泛函变分原理得到静动力有限元基本方程的一致格式。研究表明,mbS模式及其有限元法可用于梁柱和板壳等结构的静动力分析及屈曲分析。     

防护林带：湍流的数学模型与计算机模拟

虽然防护林用于减小风速、控制热量和水汽传递及污染物扩散、 改善气候与环境、增加作物产量等已经有几百年了, 但直到近几十年, 人们才开始系统地研究防护林空气动力学的遮蔽机制.在本综述中,我 们考察了绕防护林带的流动与湍流控制机制,最新的模型与数值模拟 研究情况;通过数值模拟与实验数据的比较,来了解防护林带结构与防 风效果之间的关系;讨论数值分析如何及为什么能够得到所需要的结果. 本文将从多孔隙防护林带流动基本方程组的推导开始,讨论数值模型及 模拟过程,对附体与分离流动进行预测;分析了遮蔽机制与动量交换;对 风向、防护林密度、宽度和三维性对流动与湍流的影响作了系统的论 述.还对热流和土壤水分蒸发的新模型及数值模拟作了简述.最后,我们 对网络工作站、群和高性能分布式并行计算机及其对防护林带模型预 报能力的提高作了讨论.     

大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).      

Particuology and climate change

The global concern over the greenhouse gas emissions and its effect on global warming and climate change has focused attention on the necessity of carbon dioxide capture and sequestration. There are many processes proposed to capture carbon either before or after combustion and these processes invariably involve investigation and application of traditional particuology. The solids employed are of different sizes, densities, morphologies, and strengths. Their handling, transportation, recirculation, and reactor applications are the essence of ＇particuology＇. Particuology can play an important and vital role in achieving cost-effective removal of carbon and minimize emissions of greenhouse gases. In this paper, the existing and developing carbon capture processes are briefly reviewed and the opportunities for application of particuology are identified. The review was not intended to be exhaustive. It is only in sufficient detail to make connection between particuology and climate change. For immediate and future challenges of reducing global warming and carbon capture and sequestration, innovative reactor design and application of parricuology is imperative. Expertise and innovation in particuology can greatly enhance the speed of development of those technologies and help to achieve cost-effective implementation. Particuology is indeed intimately related to the climate change and global warming.     

敦煌莫高窟北区岩体变异变形及修复对策

敦煌莫高窟北区岩体长期以来在特殊的地形地貌、气象水文、岩土性质、地质构造条件下,受人工开挖、重力、风蚀、雨蚀和洪水冲刷等共同作用,岩体发生风化、卸荷等变异以及崩塌、坍塌和危岩、开裂与裂隙(构造裂隙、卸荷裂隙)等多种变形,严重影响岩体的稳定和洞窟的安全。针对上述变异、变形破坏情况,采用PS材料加粉煤灰浆液灌浆封闭裂隙和岩面喷浆加固相结合的修复方法,有效地防止了岩体变异的进一步扩展和表面风化的加剧,减少了岩体变形和表面风化程度,使石窟得以保护和修复。该方法对黄土及干旱地区石窟保护具有良好的借鉴作用。     

工程水文地质学及其在水电工程中的应用概述

工程水文地质问题产生于人类工程活动与地质环境中岩土体和地下水之间的相互制约和相互作用过程中,由于问题本身的复杂性,目前对这类问题的研究尚处于相对分散的单一研究状态,缺乏系统的从地质机制分析到地质模型抽象,进而由模拟再现到发展趋势预测以及治理措施论证的全过程研究。本文在系统分析、总结水电工程中水 -岩和水 -工程建筑的作用类型及特征基础上,认为可能出现的工程水文地质问题主要是;水库诱发地震、岩溶渗漏、库岸及高边坡的稳定、坝基、坝肩抗滑稳定、枢纽区深层承压水问题等。