中国科大光力学工作进展

中国科学技术大学光力学实验室近年从事实验力学方法在红外成像、金属物理学以及生化传感等交叉领域的研究,为实验力学带来了新的研究内容,也为相关领域的研究开辟出独特的途径.本文拟对该小组近年来取得的研究进展作一个概述:1)提出微梁阵列FPA变形的高灵敏光学检测法,设计制作出相应的FPA,实现了新概念光学读出红外成像,热成像指标处于国际领先;2)提出用动态散斑研究合金材料锯齿形屈服剪切带,建立了溶质原子与位错交互作用的动态应变时效模型,再现出锯齿形加载曲线和带反复传播的轨迹;3)提出用微梁传感研究大分子/蛋白质构象折叠,检测到构象转变过程中分子间力的相互作用信息和折叠动力学过程,为研究大分子折叠机理提供了一种新途径.     

基于MEMS的光力学红外成像

非制冷红外成像仪以其优良的性价比和高可靠性而倍受关注。近期 ,非制冷的热机械型红外成像仪有望发展成为新的低价格高性能的红外成像设备。本文提出了一种新型光学读出的红外探测仪。此红外探测仪的核心器件焦平面阵列 (FPA)由无硅基底结构的微悬臂梁阵列构成。每个微悬臂梁独立地把入射的红外热辐射转化为被光学系统探测的热变形。它不需要读出电路、真空腔和制冷装置 ,其理论上的噪声等效温度差接近致冷型红外成像系统 ,而制作成本和难度将大幅降低。制作的无硅基底单层膜结构的FPA ,其单元尺寸为 2 0 0 μm× 1 0 0 μm ,阵列大小为 1 5 0× 1 0 0像素数。实验制作的系统探测到温度为 5 0 0K左右的热物体像 ,热像采样频率为 1 2幅 /秒。     

光学读出室温物体红外成像

光学读出式红外成像系统是近年来提出的一种新型红外成像技术,它是基于探测双材料微悬臂梁吸收红外辐射后的变形。本文采用了谱平面刀口滤波方法,将双材料(SiNx/Au)微梁阵列接收热像后的转角变形转化为像平面上微梁阵列的像所对应的光强变化,并设计制作了无基底单层膜结构微梁阵列(100×100pixels,微梁尺寸200×200μm2,厚2μm)。用该阵列在光学读出系统中,获得了室温下人体的热图像。该系统在室温时(300K)噪声等效温度差(NETD)达到0.2K。     

动态光力学多种测试方法研究及其进展

本文提出了多种动态光力学方法，还介绍一种瞬态图象的采集技术，并将其应用到动态电子散斑（ＤＥＳＰＩ）的测试方法中     

双材料微梁阵列非制冷红外成像技术--微梁阵列热变形的光学读出

针对双材料微梁阵列非制冷红外成像技术的光学读出系统,提出了在谱平面上进行刀口滤波将阵列转角转化为像平面上光强变化的高灵敏度测量技术,并对光学探测灵敏度进行了理论分析.利用该光学读出系统在实验中得到了120℃红外物体的热图像.通过对实验结果的分析和图像处理消除噪声技术,得到该系统在成像温度范围的噪声等效温度差(NETD)约为5K,并对系统噪声进行了讨论.     

光学读出微梁阵列红外成像性能分析与优化

系统响应率是光学读出微梁焦平面阵列(Focal Plane Array,FPA)红外成像的关键性能参数。在刀口滤波光学读出技术中,系统响应率的主要组成部分——光学读出灵敏度与微梁反光板的长度密切相关,并受到反光板弯曲变形的严重影响。由于残余应力在制作过程中不可避免地存在,微梁反光板都有弯曲变形,膜厚相同的反光板具有相同的变形曲率半径。本文利用傅里叶光学分析了反光板长度和弯曲变形对光学读出灵敏度的影响,构建并实验验证光学读出灵敏度理论模型。根据该模型,分析了系统响应率与反光板长度之间关系,理论分析与实验结果相符。结果表明,通过减薄SiNx厚度并使反光板处于该厚度下的最优长度,不仅能提高红外成像的系统响应率,而且能同时提高红外成像的空间分辨率。     

双材料微梁阵列非制冷红外成像技术--微梁阵列的设计与制作

本文给出了一种用于非制冷光学读出红外探测器的核心器件--微悬臂梁阵列的设计和制作,它是SiNx/Au双材料单层膜结构,简化制作工艺、可以直接在空气中成像.实验使用了设计制作的140 × 98微梁阵列和高信噪比的12-bit CCD,得到120℃以上的物体热像,噪声等效温度差(NETD)为5K左右,实验结果与热机械模型预测结果一致.     

光导纤维在近代光力学中应用的综述

本文综述了国内外光导纤维在全息干涉、散斑计量及云纹法中应用的历史和现状。光纤不仅可以作为柔性传光元件应用于近代光测力学,还可以用多模传象束传送物光波前,从而使得测量远方的或特殊环境下构件的位移场、应变场成为可能。     

数字散斑相关法研究镍钴基高温合金中的PLC效应

作为航空发动机涡轮盘用新型材料,镍钴基变形高温合金在300～600℃温度区间内拉伸时会产生Portevin-Le Chatelier (PLC)效应.本文采用数字散斑相关方法,研究了镍钴基变形高温合金在400℃下拉伸变形过程中伴随PLC效应出现的应变局域化现象,即PLC带.实验结果表明,PLC带内的应变比试件平均应变大一个数量级,而带外部分应变接近于零.同时还观察到了带外部分的弹性收缩现象,即出现应变为负的区域.在拉伸全程中,PLC带与拉伸轴方向成约60°的夹角.PLC带的宽度均为4～4.5 mm,远大于试件最小尺寸(厚度),这一点与铝合金中的带宽与试件最小尺寸相近这一现象截然不同.     

几种应变检测的光力学测试方法及其比较

应变测量技术在工程应用中有重要意义.一是它可以直接用来获得应力场,可以用来评价材料的安全性和可靠性;二是应变梯度很大的部位往往又是材料破坏的起始点,所以应变测量又可以用于进行材料的无损检测.当前几种光力学方法受到了重视,即云纹干涉法、电子剪切散斑干涉法和数字相关散斑法,对上述方法的原理、光路设计、特点作了介绍,以便这些传统方法的进一步推广,文中还特别介绍了一种作者近来在国内率先开展的微压痕应变花法.这一方法可以方便用于金属等材料上,可以较精确定量研究测试物体的应变而且对刚体位移不敏感,应用起来更加直接和方便,更有推广和应用前景.本文有利于针对研究对象的特点,选用更加合适的应变测量方法.     

我国电阻应变计技术的现状及存在问题

本文主要介绍我国电阻应变计技术近十年来的发展情况以及目前存在的主要问题,供有关方面人士参考.     

沉淀对A1-Cu—Mg合金中锯齿形屈服现象影响及其微观实验研究

经固溶处理的A1-Cu—Mg合金在常应变率拉伸实验中具有显著的锯齿形屈服现象，且屈服行为随固溶处理温度的改变而呈现不同的特征。塑性变形特性与合金材料的微细观结构，尤其是位错运动的演化密切相关。本文运用透射电子显微镜，研究在不同温度下固溶处理的Al—Cu—Mg合金的微观结构，尤其是析出颗粒的大小和含量。并结合宏观的拉伸实验结果，分析Al—Cu—Mg合金动态应变时效的机制。     

沉淀对Al-Cu-Mg合金中锯齿形屈服现象影响及其微观实验研究

经固溶处理的Al-Cu-Mg合金在常应变率拉伸实验中具有显著的锯齿形屈服现象,且屈服行为随固溶处理温度的改变而呈现不同的特征。塑性变形特性与合金材料的微细观结构,尤其是位错运动的演化密切相关。本文运用透射电子显微镜,研究在不同温度下固溶处理的Al-Cu-Mg合金的微观结构,尤其是析出颗粒的大小和含量。并结合宏观的拉伸实验结果,分析Al-Cu-Mg合金动态应变时效的机制。     

数字散斑相关技术进展及应用

数字散斑相关技术是廿世纪末发展的一项光力学测量技术,历经20年各国学者的研究改进积累,目前已成为一种成熟的测量方法,并已成功地应用于力学测量中。本文回顾和叙述了这些进展,并列举在各方面的应用实例以进一步扩展其应用领域。数字散斑相关技术的八个关键问题即1.相关公式,2.搜索技术,3.亚像素搜索,4.散斑图,5.减噪,6.补偿技术,7.位移场至应变场转换,8.三维位移场测量。最后将叙述数字相关技术在材料测试、结构模型及实物监测、岩石力学、复合材料性能研究、生物力学等方面的广泛应用情况。     

动－静态应变的红外遥测

本文介绍了动、静态应变测量的一种新方法——红外遥测法的基本工作原理、操作方法及其几个有关技术问题     

Influence of precipitation on the Portevin-Le Chatelier effect in Al-Mg alloys

In the alloy with solute content higher than the limiting solubility, the solute atoms that have failed to dissolve will precipitate from the solid solution and form precipitations. In this study, the Portevin-Le Chatelier (PLC) effects in annealed 5456 and 5052 aluminum alloys with different precipitation contents have been investigated under different applied strain rates. The results suggest that precipitations have significant effect on the PLC effect and the more the precipitations are, the greater the influence is. Furthermore, the solute diffusion is pipe diffusion in 5052 alloy with lower precipitation content. However, for 5456 alloy with higher precipitation content, the diffusion is no longer the case but more complex.     

花岗岩单轴压缩侧向变形及脆性破坏机制实验研究

为研究花岗岩侧向变形及脆性破坏机制,对花岗岩试件进行单轴压缩实验。利用动态应变采集系统、数字散斑相关方法(DSCM)和显微观测手段,记录并分析花岗岩试件在单轴压缩过程中的宏观侧向应变、局部侧向应变以及破裂面形貌,并与水泥砂浆试件的破坏过程对比,讨论了花岗岩脆性破坏机制。实验与分析结果表明:(1)花岗岩试件在加载初期发生侧向收缩变形,产生并发展于压密阶段,消失于线弹性阶段初期,这主要由于试件内部裂纹闭合造成的;此后,宏观侧向应变持续增长,当侧向应变与轴向应变之比接近0.5时试件破坏;(2)在峰值载荷前很长一段时间内,局部侧向应变在一定范围内波动,临近试件破坏时局部侧向应变最大值和最小值均出现较大幅度的波动,二者差值迅速增大,试件不均匀程度增大,最终导致试件破坏;(3)在峰值载荷前有无塑性屈服阶段是峰值载荷后脆性破坏程度的重要影响因素,而宏观裂纹的贯通程度是峰值载荷后应力降大小的决定因素。     

爆炸与冲击载荷下结构和材料动态响应研究的新进展

对激波与高应变率现象的基础问题及应用国际学术会议 (EXPLOMET 2 0 0 0 )和第 2 0届国际理论与应用力学大会 (ICTAM 2 0 0 0 )上有关爆炸冲击载荷下结构和材料动态响应的研究论文进行了回顾和综合分析。分别从应力波、结构的高应变率响应和材料的高应变率响应三个方面就其新进展和新动向作了述评。     

Al-Cu多晶合金中锯齿形屈服现象的时序统计研究

合金中溶质原子和可动位错之间的交互作用引起材料的固溶硬化,这一交互作用在合适的应变率和温度条件下可重复发生,称为动态应变时效(DSA),从而导致锯齿形的应力屈服,同时伴随着变形带的产生,被称为Portevin-Le Chartelier(PLC)效应。本文对Al-Cu多晶合金锯齿形屈服现象中应力跌幅、跌落时间等多个特征物理量时序演化规律进行了系统的研究。结果显示,跌落时间对应变不敏感;1mm和2mm厚度试件的应力跌幅和再加载时间都近似随应变线性增加,3mm厚试件的统计结果则显示出一个明显的转变点。最后本文结合动态应变时效原理和晶体位错学,分析了实验条件(应变率和试件尺寸)对各特征物理量的影响。