磁流变剪切变硬胶的“磁力”耦合效应研究

剪切变硬胶(shear stiffening gel)是一种新型智能材料,由于其在外界应力刺激下模量可以迅速增大,表现出优良的剪切变硬效应,所以在人体防护和阻尼隔振等领域具有重要的应用前景。本文将软磁性羰基铁粒子(CI)引入到剪切变硬胶体中,成功制备出多功能磁流变剪切变硬胶复合材料(MSC),通过流变测试系统分析了该复合材料的"磁力"耦合效应。研究表明,MSC具有优良的剪切变硬效应(S-ST effect),其储能模量随着剪切频率的增加而显著增大(4个数量级)。磁控测试和蠕变实验结果均表明该复合材料对于外界磁场表现出较好的响应性能。当羰基铁粉含量为60wt%时,样品的模量随着磁场的增加而迅速增大,其最大模量高达2.44MPa。在磁场和剪切应力双重刺激下,复合材料的剪切变硬效应得到极大提高,且剪切应变增大,样品模量相对降低。同时,该材料在低温下也具有良好的剪切变硬和磁流变效应,高温下性能略有下降。最后,探讨了MSC在磁场、剪切场耦合条件下性能增强原因,发现"B-O化学交联键"和CI粒子链的形成是该复合材料具有优良剪切变硬效应和磁流变性能的主要原因。     

电流变液研究进展及最新动态──第5届国际电流变液、磁悬浮体 及相关技术研讨会评介

通过评介第５届国际电流变液、磁悬浮体以及相关技术研讨会，指出电流变液和磁流变液的应用研究有重要进展；磁流变液的剪切应力比电流变液大一个数量级，近来又受到重视；在机理研究中，要注意电流变液的表面效应、损耗对电流变效应的影响．本文还归纳了一些电流变液材料设计的思路．     

电流变液研究进展及最新动态——第5届国际电流变液,磁悬浮体及相关技…

通过评介第５届国际电流变液、磁悬浮体以及相关技术研讨会，指出电流变液和磁流变液的应用研究有重要进展，磁流变液的剪切应力比电流变液大一个数量级，近来又受到重视，有机理研究中，要注意电流变液的表面效应，损耗对电流变效应的影响，本文还归纳了一些电流为液材料设计的思路。     

孔隙地层中声波诱导的电磁场测井响应模拟

声电效应测井过程中,当充流体井中发射的声波传播至井外时,在孔隙地层中引起含带电离 子的孔隙流体相对于固体骨架流动,导致电磁场. 在忽略转换电磁场对声场影响的条件下,先采用Biot-Rosenbaum模型计算孔隙地层中的 声场,再计算声波诱导的电场和磁场. 计算结果表明,有伴随纵波波群和横波波群的电磁场、有伴随斯通利波的电磁场,还有微弱的 临界折射电磁波. 计算还表明: 接收器偏离井轴越远,电场和磁场的强度越大; 在井壁处,磁场强度的波形与轴向电场强度的波形相似.     

固体电介质中的挠曲电效应

挠曲电效应通常描述为非均匀变形如应变梯度引起的电极化或者电场梯度引起的变形.应变梯度能够局部破坏晶体的反演对称从而在材料中诱导电极化,因此挠曲电效应是固体电介质材料中普遍存在的一种力电耦合效应.应变梯度和电场梯度均随材料尺寸的减小而迅速增大,在宏观尺度通常被忽略的挠曲电效应在微纳尺度反而起着非常重要的作用,会显著影响材料的物理性能.与压电效应和电致伸缩效应相比,挠曲电效应具有独特的尺寸依赖特征,其不受材料对称性和铁电材料居里相变温度的限制.论文综述了固体电介质中的挠曲电效应,并重点从理论、材料和应用方面综述了固体电介质中挠曲电效应的研究进展,对挠曲电效应的独特性能进行了详细地讨论,最后论文展望了固体电介质中挠曲电效应相关研究的开放性问题和发展方向.     

端部控制磁流变液阻尼器实验研究

以提高磁流变液阻尼器控制性能为目的,分析了活塞式磁流变液阻尼器结构特点,并提出了端部阻尼器结构;通过实验研究明确了磁流变液流经圆形截面和矩形截面的力学特性,总结了磁流变液流经不同类型和尺寸的小孔的粘性阻尼力特性和磁场作用时的磁场效应,并得出了提高端部阻尼器控制性能的方法和措施。设计出控制性能较好的矩形截面孔的端部控制磁流变液阻尼器。给出阻尼器最大阻尼力和可控比与线圈磁场强度关系。     

磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控

磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构,由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性,在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而,磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在,极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟,发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应,铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应,使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明,基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应,通过优化设计复合材料中不同组元的结构,可以实现拓扑磁结构的力学调控,从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。     

磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控

磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构,由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性,在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而,磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在,极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟,发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应,铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应,使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明,基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应,通过优化设计复合材料中不同组元的结构,可以实现拓扑磁结构的力学调控,从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。     

磁场下2种羰基铁磁流变液的摩擦磨损特性

本文采用改进后的四球摩擦磨损试验机,考察了羰基铁磁流变液在外加磁场条件下的摩擦磨损行为,并比较了有场和无场条件下磁流变液的摩擦系数变化情况。结果表明：外加磁场能使磁流变液的摩擦系数显著增大,且磁流变液的摩擦系数随磁场强度的增加呈现出增大的趋势;钢球磨斑形貌由圆形或椭圆形变为近似矩形,磨痕变浅;无场条件下,系统的摩擦磨损形式是钢球、磁性颗粒、钢球之间的三体磨损;外加磁场时,磁流变液的摩擦磨损形式发生改变。     

恒磁场作用下压磁/压电半导体复合圆柱壳的耦合响应分析

本文针对由压磁材料和压电半导体材料组成的无限长复合圆柱壳结构,理论研究了其在径向恒磁场作用下结构内的多场耦合力学响应问题。为解析求解方便,文中分别采用单向耦合法和线性全耦合法,导出复合圆柱壳内位移场、电场、载流子等物理量的解析表达式。利用导出的解析表达式,数值分析了磁场大小和半导体层厚度比对结构内电势、电场和载流子的影响。计算结果表明：磁场和厚度比均可用来有效调控半导体层内的电学量,复合圆柱壳结构的厚度比有一个最优区间。     

纯铅化学机械抛光中工艺参数对抛光性能的影响

为获得高质量纯铅表面,采用化学机械抛光(CMP)的方法并辅以自制抛光液,研究了胶体二氧化硅抛光颗粒的形状、粒径和浓度、加载压力、抛光头与抛光盘转向和转速、抛光液流量等工艺参数对铅片表面材料去除率和粗糙度的影响.研究表明:小粒径异形(眉形)胶体二氧化硅抛光颗粒相较于大粒径球形颗粒更有利于铅片抛光,抛光颗粒的粒径和浓度对纯铅抛光性能的影响主要取决于铅片表面与胶体二氧化硅颗粒以及抛光垫表面丝绒的耦合作用关系.随着加载压力、抛光头与抛光盘转向和转速、抛光液流量的改变,铅片表面和抛光垫之间驻留的层间抛光液的厚度以及状态发生改变,从而直接影响抛光液的流动性、润滑性和分散性,以及影响抛光颗粒和化学试剂与铅片表面的机械化学作用,进而影响抛光质量和材料去除率.通过对工艺参数影响的研究和对工艺参数的优化,最终获得了表面粗糙度R_a为1.5 nm的较为理想的超光滑纯铅表面,同时材料去除率能够达到适中的380?/min.     

半导体芯片化学机械抛光过程中材料去除机理研究进展

就国内外关于集成电路芯片化学机械抛光(CMP)材料去除机理研究的现状和进展进行了评述，总结了集成电路芯片常用介电材料二氧化硅以及导电互连材料钨、铝及铜的化学机械抛光研究现状和进展，进而分析了化学机械抛光过程中化学作用同机械作用的协同效应，指出关于芯片化学机械抛光的材料去除机理尚存在争议，因此有必要在CMP研究领域引入原子力显微镜和电化学显微镜等先进分析测试设备和相关技术，以便在深入揭示CMP过程中材料去除机理的基础上，为更好地控制CMP过程和提高CMP效率提供科学依据．     

壳层形态对核/壳结构PS/SiO_2复合磨料抛光性能的影响

以聚苯乙烯(PS)微球为内核,通过控制正硅酸乙酯的水解过程制备具有不同壳层形态的核/壳结构PS/SiO2复合磨料,应用于二氧化硅介质层的化学机械抛光,借助AFM测量抛光表面的形貌、轮廓曲线及粗糙度.SEM和TEM结果显示:碱性水解条件下,复合磨料的壳层由SiO2纳米颗粒组成(非连续壳层);酸性条件下,复合磨料的壳层则呈无定型网状(连续壳层).抛光对比试验结果表明:复合磨料的PS弹性内核有利于降低表面粗糙度并减少机械损伤,SiO2壳层则有利于提高材料去除率,复合磨料的核/壳协同效应对于提高抛光质量具有主要影响.相对于非连续壳层复合磨料,具有连续壳层的PS/SiO2复合磨料能够得到更低的抛光表面粗糙度值(RMS=0.136 nm),且在抛光过程中表现出了更好的结构稳定性.然而,PS/SiO2复合磨料的壳层形态对抛光速率的影响则不明显.     

Dynamic coupling of fluid and structural mechanics for simulating particle motion and interaction in high speed compressible gas particle laden flow

In this work, structural finite element analyses of particles moving and interacting within high speed compressible flow are directly coupled to computational fluid dynamics and heat transfer analyses to provide more detailed and improved simulations of particle laden flow under these operating conditions. For a given solid material model, stresses and displacements throughout the solid body are determined with the particle–particle contact following an element to element local spring force model and local fluid induced forces directly calculated from the finite volume flow solution. Plasticity and particle deformation common in such a flow regime can be incorporated in a more rigorous manner than typical discrete element models where structural conditions are not directly modeled. Using the developed techniques, simulations of normal collisions between two 1 mm radius particles with initial particle velocities of 50–150 m/s are conducted with different levels of pressure driven gas flow moving normal to the initial particle motion for elastic and elastic–plastic with strain hardening based solid material models. In this manner, the relationships between the collision velocity, the material behavior models, and the fluid flow and the particle motion and deformation can be investigated. The elastic–plastic material behavior results in post collision velocities 16–50% of their pre-collision values while the elastic-based particle collisions nearly regained their initial velocity upon rebound. The elastic–plastic material models produce contact forces less than half of those for elastic collisions, longer contact times, and greater particle deformation. Fluid flow forces affect the particle motion even at high collision speeds regardless of the solid material behavior model. With the elastic models, the collision force varied little with the strength of the gas flow driver. For the elastic–plastic models, the larger particle deformation and the resulting increasingly asymmetric loading lead to growing differences in the collision force magnitudes and directions as the gas flow strength increased. The coupled finite volume flow and finite element structural analyses provide a capability to capture the interdependencies between the interaction of the particles, the particle deformation, the fluid flow and the particle motion.     

钛基片的化学机械抛光技术研究

采用化学机械抛光（CMP）方法对钛基片进行纳米级平坦化处理,通过系列抛光试验优化抛光液组成和抛光工艺条件后,得到AFM-Ra为0.159 nm的纳米级抛光表面和156.5 nm/min的抛光速率。抛光液的电化学分析结果表明：二氧化硅颗粒和乳酸在钛表面有不同程度的吸附缓蚀作用,氨水和F-的络合、扩散作用能破坏缓蚀膜层,两者的中间平衡状态才能得到最佳抛光效果。抛光后钛表层XPS测试结果显示钛表层经过化学氧化形成疏松氧化层后,再通过磨粒和抛光垫的机械作用去除。     

Mathematical modeling of magnetorheological fluids

Magnetorheological (MR) fluids are a class of smart materials whose rheological properties may be rapidly modified by the application of a magnetic field. These materials typically consist of micron-sized ferrous particles dispersed in a fluid. In the present paper, we consider the full system of equations as well as the Clausius-Duhem inequality for moving isotropic MR fluids in an electro-magnetic field. We present the material constitutive relations for a non-Newtonian incompressible MR fluid. To illustrate the validity of the constitutive relations, the flow of a MR fluid between two parallel fixed plates under the influence of a constant magnetic field perpendicular to the flow direction is considered.Received: 14 July 2003, Accepted: 18 May 2004, Published online: 22 February 2005 Correspondence to: A. Dorfmann     

水击驻波场中分散相颗粒的运动分析

根据水击在管段内形成的驻波场现象,分析了流体内分散相颗粒受到的驻波作用力;运用李雅普诺夫稳定判据研究了颗粒积聚与分离的机理;考虑到颗粒运动方程的严重刚性而很难进行数值求解,采用相空间和非对称分析方法获得了分散相颗粒的运动轨迹近似解,并进行了实验验证。结果表明:水击驻波场中分散相颗粒的受力方程中惯性项对颗粒初始运动速率的影响不可忽略;在水击驻波波节的±λ/4范围内,分散相颗粒经过一定的时间会发生积聚,其运动速度呈对称分布,最大速度出现在3λ/8位置处;随着分散相颗粒粒径和密度等物性参数以及水击驻波的频率和连续相初始速度的增大,颗粒达到平衡位置的时间呈减小趋势,且连续相的初始速度对颗粒到达波节时间的影响显著。     

Rotation of dispersed particles in a vortex field

An expression is obtained for the angular velocity of a spherical dispersed particle in a viscous fluid in an external vortex field with an harmonic time dependence. This expression is then used for investigating a system of two rotating dispersed particles whose rotation is the result of the interaction of the particles in the field of an incident sound wave. It is found that such a system possesses a rather interesting nontrivial property: under certain conditions it has a resonant frequency at which the rotation of the particles relative to the fluid is most intense.Translated from Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No.4, pp. 186–188, July–August, 1992.     

不同介质对轮轨增黏与磨损特性影响

利用MMS-2A摩擦磨损试验机研究了水介质下砂、氧化铝、研磨子对轮轨增黏与磨损特性影响.结果表明:干态和水介质下随蠕滑率增大黏着系数呈先增加后小幅降低并趋于稳定.水介质下氧化铝介质的增黏效果最好,研磨子最差;砂介质使轮轨磨损严重且塑性流变层最厚,轮轨试样表面剥落严重;氧化铝介质下轮轨磨损量较砂介质小,塑性流变层轻微;研磨子介质下的轮轨试样磨损量最小,磨损表面较为光滑;落叶显著降低黏着系数,且易形成落叶浆,使接触表面产生划痕;落叶工况下撒砂能增加黏着系数且能去除落叶浆,但易造成轮轨试样的剥落损伤.     

明渠层流近床面颗粒拖曳力研究

泥沙颗粒受到的拖曳力是泥沙运动的主要驱动力,而当前应用于计算流体力学-离散颗粒法(CFD-DPM)耦合模型进行水沙运动模拟的泥沙颗粒拖曳力公式均没有考虑明渠流底床边壁作用的影响。求解不可压缩Navier-Stokes方程,对明渠层流不同雷诺数条件下床面附近不同高度处颗粒所受拖曳力进行了模拟,根据模拟结果变化规律,提出了综合考虑床面和水流惯性对标准拖曳力影响的修正拖曳力计算公式。与常用的单颗粒标准拖曳力公式和考虑遮蔽效应的多颗粒拖曳力公式相比,采用本文修正公式得到的水沙作用力更接近高精度数值解,应用于CFD-DPM输沙模拟获得的输沙结果与输沙率公式结果一致,应用分析表明输沙模拟应当采用粗糙底床边界。