单晶硅滑动磨损性能及其相变研究

考察了单晶硅在室温和低接触应力条件下的摩擦磨损行为随速度的变化情况．结果表明,单晶硅的摩擦系数和磨损率随滑动速度的提高而呈现降低趋势;单品硅在低速、短滑动时间下的磨损表面形貌特征以微断裂为主,并伴有一定程度的塑性变形;随着滑动时间的延长,塑性变形特征逐渐减弱,塑性变形同具有金属延性特征的p—Sn(简称si—II)相密切相关,Si—II在滑动过程中可转变为体心立方结构(简称Si-III)、斜方六面体结构(简称Si—XII)和非晶硅相;在高速条件下,单晶硅磨损表面呈现微断裂和较弱的塑性变形特征;尽管通过Raman分析证实磨损表面存在si—III相,但其对磨损机制的影响有待于进一步研究．     

基于分子动力学模拟的单晶硅冲击压缩相变研究

晶体硅具有复杂的相变机制,在相图研究中受到广泛关注,其在动载荷下的变形机制是当前研究热点。为揭示晶体硅在强动加载下的变形和相变行为特征,基于分子动力学方法,采用平板冲击加载方式,模拟研究了单晶硅在初始环境温度为300 K时分别沿[001]、[110]和[111]晶向的不同强度下的冲击压缩行为,冲击粒子速度为0.3～3.2 km/s。研究发现,随着冲击粒子速度的增加,单晶硅剪切应力在逐渐增加后由于结构相变发生急剧下降,相变阈值和相变机制均呈现各向异性。其中,沿[001]晶向冲击压缩下观察到多种固-固相变以及固-液相变,并观察到与最新文献的实验高度一致的固-液共存现象。研究结果可为动加载下晶体硅的相变研究提供纳米尺度的结果支撑。     

润滑介质对单晶硅相变与脆塑行为的影响

研究了分别在十五烷、无水乙醇和蒸馏水润滑下单晶硅的摩擦磨损行为及其相变和脆塑行为.结果表明:在十五烷润滑下单晶硅的摩擦系数和磨损体积损失最低,而在蒸馏水润滑下的摩擦系数和磨损体积损失最大;单晶硅在非极性溶剂十五烷润滑下发生明显的Si-I→a-Si相变,磨损表面光滑并呈现明显的金属塑性特征;单晶硅在无水乙醇润滑下发生轻度Si-I→a-Si相变,磨损表面特征为微弱的塑性变形和微断裂共存;在蒸馏水润滑下,单晶硅发生轻度的Si-I→Si-III相变,磨损表面变得粗糙并伴有大量微断裂;润滑介质的极性是影响单晶硅磨损表面相变和脆塑行为的主要因素之一.     

纳米力学进展

概述在固态下纳米力学的若干研究内容.首先对纳米力学及其范畴进行界定,然后介绍纳米力学方法,包括属于纳观计算力学范畴的大规模分子动力学算法、连续介质/分子动力学交叠层算法、准连续介质算法和LMPM方法;及属于纳观实验力学范畴的纳米云纹法和纳米压痕法.随即阐述纳米力学的新兴研究领域：包括纳米晶体的超塑性变形、纳观断裂力学、纳米管力学和纳米压痕力学.     

含纳米粒子溶液对单晶硅表面的冲蚀磨损损伤实验研究

利用高分辨透射电子显微镜和原子力显微镜观察了含纳米颗粒溶液冲蚀硅片表面损伤行为,考察了纳米颗粒碰撞单晶硅片所导致的微观物理损伤.结果表明:冲蚀30 s后,在高分辨透射电子显微镜下可见硅片表面呈现方向性损伤,并可观察到大量非均匀的晶格缺陷;当冲蚀10 min时,硅片表面出现微观划痕和凹坑,在划痕一端可见原子堆积,亚表面可观察到镶嵌晶粒的非晶损伤层;继续延长冲蚀时间将加剧其表面损伤.     

单晶硅表面等离子体基离子注入碳纳米薄膜的摩擦学特性

用等离子体基离子注入(PBII)技术在单晶硅表面制备了碳纳米薄膜,考察了薄膜在不同载荷及速度下同Si3N4球对摩时的摩擦学性能,并采用扫描电子显微镜观察分析了磨痕表面形貌.结果表明,所制备的碳纳米薄膜光滑致密,为高硬度富弹性的类金刚石碳(DLC)膜,薄膜通过C-Si键合作用而同硅片表面形成牢固结合,且成分及结构呈现某种梯度变化特征,单晶硅经改性后摩擦学性能大幅度改善:在低载荷(0.5 N)下其耐磨寿命达3 h以上,摩擦系数处于0.10～0.30之间,磨痕不明显;在高载荷(4 N)下其耐磨寿命及摩擦系数(0.03～0.20之间)均明显降低.这是由于较高载荷或滑动速度导致DLC薄膜石墨化加剧所致.     

加入纳米颗粒的相变悬浮液流变特性

通过实验方法研究了加入TiO2纳米颗粒的相变悬浮液流变特性. 研究表明,加入纳米颗粒的相变悬浮液仍可被视为牛顿流体,温度对悬浮液的黏性系数有显著影响,其黏性系数随温度变化的趋势与基液一致. 悬浮液的黏性随纳米颗粒浓度增加以非线性方式增加,当纳米颗粒的质量浓度为5{%}时,黏性的增量大约为23%.     

测量界面软铬层力学性质的纳米压入法

为了测量双层铬的界面软铬层力学性质,提出了化学腐蚀基体法,通过溶解掉基体制备没有基体支撑的自由铬层,将在横截面内线状显示的界面转化为界面表面(铬层与基体相连接的面),避免了横截面不能显示界面表面的缺点.对界面表面进行纳米压入实验和借助于表征薄膜力学性质的表面压入能量法,测得了描述界面软铬层力学性质的弹性模量和压入弹、塑性功等参数.     

生物系统中的相变现象及其力学研究进展

近年来实验研究发现生物系统中存在着与金属类似的相变现象,因此该文探讨生物力学中一个新的研究方向: 生物系统中的相变力学.介绍3种发生在生物系统中的相变力学现象:DNA分子在拉伸作用下和噬菌体的尾鞘在噬菌体感染细菌的过程中所发生的两种相变力学现象,另外一种我们要着重介绍的是发生在细菌运动中的细菌鞭毛细丝的多相相变.涉及到的内容包括细菌鞭毛的组成结构以及细菌鞭毛细丝的相变在细菌运动中所起的作用、细菌鞭毛细丝的宏观和微观结构、相变机理以及相关的相变实验现象,描述细菌鞭毛细丝从左螺旋状态到右螺旋状态相变的一维Ginzburg-Landau相变理论模型.最后, 讨论一些在生物相变方面的心得体会.      

高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的力学响应

为获得高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的屈服应力等基本物理特性和力学响应规律,采用10⁻³ s⁻¹应变率下准静态压缩与拉伸、10⁵ s⁻¹应变率下准等熵压缩及10⁷ s⁻¹应变率下冲击加载实现跨量级的不同应变率加载,高应变率加载实验中通过控制样品初始温度实现不同初始相态NiTi合金的力学响应测量。结果显示,初始马氏体相和初始奥氏体相NiTi合金的准静态加载应力-应变曲线中均出现2次模量变化,初始马氏体相中的模量变化由晶体重定向和马氏体相塑性变形引起,初始奥氏体相中的模量变化由马氏体相变和相变后塑性变形引起。准等熵加载下,初始马氏体相NiTi合金的Lagrangian声速随粒子速度增大而增大,未观察到间断等非线性变化;而初始奥氏体相中声速曲线存在间断,声速由初始横波值间断减小至体波声速后再随粒子速度线性增大。冲击实验中,初始马氏体相NiTi合金后自由面速度约34 m/s处出现双波结构,而将样品初始温度升至402 K后再冲击加载,则在约100 m/s处出现双波结构,二者速度曲线拐点分别由马氏体相弹塑性屈服和奥氏体相塑性屈服引起;在初始奥氏体相NiTi合金冲击实验中,在样品后自由面速度达到220~260 m/s时才出现显著的奥氏体相弹塑性转变。随着应变率从约10⁵ s⁻¹升高至10⁷ s⁻¹,相同组分奥氏体相NiTi合金的弹性极限由约2 GPa增大至约4 GPa,10⁷ s⁻¹应变率下,随着初始样品温度升至402 K,弹性极限降至1.7 GPa,表明NiTi合金的弹性极限存在显著的温度和应变率效应。     

硅基薄膜电极充放电过程应力演化解析解研究

为了研究硅电极在充放电过程中的应力演化,在忽略弹性变形的情况下提出了一个考虑粘塑性的简化力学模型,分别导出了出现相分离和不出现相分离时薄膜电极内应力场的解析解,该模型的计算结果与现有的实验结果相吻合.计算结果表明,当存在相分离时,电极中的应力取决于薄膜电极的厚度和充电速率的乘积;在未出现相分离现象时,应力仅取决于充电速率.这个解析形式的力学模型对于锂离子电池电极材料的设计有着重要的指导意义.     

聚甲基丙烯酸甲酯材料(PMMA)纳米压/划痕变形热恢复的实验研究

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是常见的光伏电池封装材料.本文采用锥形和球形两种压头,利用纳米压痕仪开展了PMMA的纳米压痕和划痕实验.基于表面形貌扫描得到的PMMA材料在不同温度热处理后压痕与划痕变形随时间恢复的演化规律,分析了时间、温度和压头形状等对PMMA材料压/划痕变形恢复过程的影响机理.结果表明,压/划痕变形恢复...     

利用纳米硬度试验法确定Cr/Cu梯度材料的变形特性

利用纳米硬度仪研究了在Cu基底上的Cu／Cr梯度膜的机械性能。梯度膜是通过将Cu靶和Cr靶同时溅射到Cu基底材料上，但两个靶的相对溅射功率随溅射时间变化而制备。利用Oliver and Pharr方法得到了膜随其厚度变化的硬度和弹性模量。然后利用加载／卸载／再加载的方法得到了在不同深度(即膜的厚度)压头平均压力与相对压人深度之间的关系曲线，在此曲线上可以明显反映出材料的屈服特性。     

EXPERIMENTAL PLASTIC DEFORMATION ANALYSIS BY MEANS OF THERMOPLASTIC EFFECT

This paper proposes a new experimental method of quantitative plastic deformationanalysis by means of the thermoplastic effect. The incremental plastic strain distribution for a singleshear specimen was obtained by using this method.     

钢轨表面波浪形磨损研究

通过对现场获取的波磨钢轨进行铆钉上,硬度试验分析,探讨了钢轨波磨的形成机理,发现钢轨波磨主要是因为轨面的不均匀塑性变形所致,机车车辆结构的相似和列车运行速度的趋近将加速钢轨波摩的产生,而提高钢轨屈服强度可有效地减轻钢轨波磨。     

基于耐撞性的塑性变形教学改革

塑性变形是力学的重要教学内容之一,在横力弯曲变形、塑性铰等教学过程中存在偏重概念和理论推导,缺乏实际工程背景等问题。为了提高学生学习兴趣,提出以飞行器和汽车等运载装备耐撞性能需求的塑性变形教学改革模式。首先从实际运载装备在冲击事故中的乘员安全需求为牵引,引出耐撞性工程问题,通过合理假设建立力学模型,建立与塑性变形、塑性铰等教学内容的联系,推导预测压溃载荷的理论公式,让学生体会到理论学习的重要性,通过误差分析让学生理解力学模型的局限性并提高模型精度,提升学生学习兴趣。通过航天器迫降、圆管多边形破坏模式、点阵结构等工程和学术前沿问题,开拓学生视野,进一步夯实理论基础,提高创新能力。