利用数字散斑相关法测定聚酰亚胺/SiO2合成薄膜的力学性能

聚酰亚胺 /SiO2 合成薄膜是一种具有优良力热光电性能的薄膜材料,在MEMS工艺中具有广阔的应用前景,其力学性能测量的研究具有非常重要的意义。本文将数字散斑相关技术和微拉伸试验相结合,对厚度为 37μm的聚酰亚胺(polyimide) /二氧化硅(SiO2 )合成薄膜进行了力学性能测量,获得了比较满意的结果。文章给出了测得的弹性模量和泊松比。为了解决数字散斑相关法不能直接测量较大变形的缺陷,本文提出了多级相关算法,并利用亚像素搜索和双线性插值进行了数据处理。     

多烷基环戊烷/有机硅烷双层膜的制备及摩擦学性能研究

分别在羟基化硅片表面制备了多烷基环戊烷单组分润滑膜(MACs)、(3-胺丙基)三乙氧基硅烷自组装膜(APS-SAMs)和多烷基环戊烷/(3-胺丙基)三乙氧基硅烷双层润滑膜(MACs-APS),对比研究了不同润滑防护涂层的摩擦磨损性能.结果表明:在载荷0.1N、频率1Hz下,与APS-SAMs和MACs单组分膜相比,MACs-APS双层膜在保持较低摩擦系数的基础上,其耐磨性能显著提高,在失效前未发生明显磨损.在所制备的这种双层润滑薄膜体系中,流动性较好的MACs分子镶嵌在固定相APS-SAMs的网络中,因而产生较好的复合摩擦学性能.     

石墨烯/二硫化钼复合纳米添加剂的制备及摩擦学性能研究

采用水热法制备了两种不同形貌结构的石墨烯/二硫化钼纳米复合物(RGO/MoS₂-1和RGO/MoS₂-2). 通过电子显微镜、拉曼光谱、X射线衍射仪和热重分析仪对所制备材料的形貌、成分和晶格结构进行表征;利用SRV-IV微动摩擦磨损试验机考察了RGO/MoS₂-1和RGO/MoS₂-2作为PAO-4添加剂的摩擦学性能. 结果显示具有花状结构的RGO/MoS₂-2与RGO/MoS₂-1相比具有更大的层间距,且因其较大的层间距使得RGO/MoS₂-2表现出较好的摩擦学性能. Raman和XPS对润滑机理的表征结果证实了RGO/MoS₂复合纳米添加剂优异的摩擦学性能归因于吸附和摩擦化学反应的协同作用.      

WSe2纳米结构的合成及减摩性能研究

将W粉和Se粉按一定比例混合,直接密封在石英管中加热或高能球磨、压片,在Ar气氛中加热,得到了不同形貌的WSe2纳米结构.利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM、HRTEM)分析了WSe2纳米结构的组成、微观形貌和组织形态;利用UMT-2摩擦试验机考察了WSe2作为HVI500液体基础油添加剂的摩擦磨损性能.研究结果表明:直接密封加热得到的产物为棒状WSe2纳米材料,最小棒直径为6 nm;球磨、压片后加热得到WSe2纳米颗粒,颗粒的平均尺寸在50 nm以下,二者都具有层状结构和良好的结晶性.添加质量分数5%的WSe2纳米材料作为基础油添加剂能够显著降低摩擦系数,减少磨损,增强了材料抗疲劳磨损能力.     

微纳米尺度膜/基结构界面性能的实验研究

为了研究铜膜/有机玻璃结构的界面性能,首先对沉积在有机玻璃基底上300nm厚的铜膜进行了单轴压缩实验,部分区域的薄膜因屈曲而脱离基底。选择在膜/基粘接良好区域、膜/基脱粘区域分别进行等位移纳米压痕实验。利用膜/基粘接良好区域处硬度/弹性模量与压痕位移的关系来确定膜/基结构的临界脱粘位移。基于宏观力学中表征界面性能的能量法,利用两个区域等位移的塑性功差值来确定界面能量释放率。研究结果表明:当压痕位移约450nm时,膜/基结构开始出现界面脱粘,实验测得铜膜/有机玻璃结构的界面能量释放率值在6.81~10.32J/m2之间。     

Cr/Cr2O3多层薄膜的制备、力学及摩擦学性能研究

为了提高Cr2O3陶瓷薄膜的韧性及摩擦学性能,设计制备了Cr/Cr2O3软硬交替的多层薄膜,通过复配韧性层提高Cr2O3陶瓷薄膜的韧性及摩擦学性能,同时研究了调制周期对Cr/Cr2O3薄膜力学性能及摩擦学性能的影响.研究结果表明多层薄膜的韧性和第一临界载荷随调制周期的减小而增大,而其硬度随调制周期的减小而降低.调制周期为1 075 nm的薄膜表现出了最好的综合性能,即薄膜具有较好的膜基结合强度、较高的韧性和硬度,同时薄膜具有最好的抗磨损性能.     

磁头/磁盘滑动接触下磁盘温度及热退磁临界条件的研究

采用二维轴对称有限元模型计算磁头/磁盘滑动接触下,铝质磁盘的稳态温度和热应力场以及热退磁临界条件.结果表明:磁盘温度在极短时间内升至摩擦稳态值,然后缓慢线性升高到最终稳态值;经过充分热传导和热交换后磁盘的温度梯度较小,此时磁层内的热应力集中分布于磁盘固定端边缘附近;磁盘的稳态温度和热应力均随速度增大而增大,且载荷越大其值增大越快;热应力小于1.2 GPa时所对应的速度和载荷为安全工况;温升大于373 K时所对应的工况将导致磁盘退磁.     

用CE/SE法对弯曲与分叉河道的溃坝洪水波的数值研究

对作者的二维溃坝洪水波的数学模型进一步推广,得到了一般形式的基于任意四边形网格的时空守恒元和解元方法(简称CE/SE法)的新的格式.CE/SE法从守恒积分型浅水方程出发,设立守恒元和解元,严格保证其物理意义上的守恒律,并且构造思想简单,格式通用性好.首先采用CE/SE法计算等宽矩形河道的溃坝洪水波,并与Stoker解析解进行比较,在此基础上,数值模拟了180度强弯曲河道、45度三支分叉河道的二维溃坝洪水波的演进过程,揭示了溃坝洪水波在弯曲河道中内外两岸速度与水位的变化,在分叉河道中自动进行流量与动量的再分配,在分叉点处形成旋涡,水位变化剧烈等复杂的运动特征,算例结果表明基于任意四边形网格的CE/SE法精度高,稳定性好,该格式对各种不规则几何区域内的溃坝问题具有较强的适应性,对溃坝洪水波的间断具有较高的分辨率.     

TiSiN/Ag纳米多层涂层的抗菌及摩擦学性能研究

采用多弧离子镀技术,在Ti-6Al-4V合金表面沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层和TiSiN涂层,研究沉积涂层的结构、抗菌及摩擦学性能.利用X射线衍射仪(XRD),X射线光电子能谱仪(XPS)和透射电子显微镜(TEM)表征涂层的成分和结构,用纳米压痕仪测试涂层的硬度.采用Rtec往复式摩擦磨损试验机对涂层在海水环境中的摩擦学性能进行研究,评价了涂层对大肠埃希氏菌和枯草芽孢杆菌的抗菌性能.结果表明:与TiSiN涂层相比,TiSiN/Ag多层涂层表现出较低的摩擦系数;两种涂层在海水中磨损率远小于Ti-6Al-4V基底,其中,TiSiN/Ag多层涂层比TiSiN涂层在海水环境中表现出较低的磨损率;对TiSiN/Ag多层涂层进行24 h抗菌试验后,该涂层对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的抑菌率分别达到99.98%和100%.     

老化对PP/SSFs导电复合材料结构及 应力松弛性能的影响

导电高聚物复合材料具有柔性好、导电性可调、容易成型及生产成本低等优点,并具有抗静电、电磁屏蔽/吸波、压力/温度敏感性 等特点,可以作为功能材料在诸多领域应用. 但是在加工、储运和使用过程中,由于多种因素综合影响,不可避免发生老化并导致其性能劣化. 通过熔融共混、注塑成型的方法制备不锈钢短纤维(SSFs)填充聚丙烯(PP)导电复合材料,将其进行加速湿热老化和紫外老化,测定应 力松弛曲线以及松弛条件下电阻率变化规律,通过X射线粉末衍射仪分析老化前后结晶度的变化,借助扫描电子显微镜(SEM)观察研究老化前后材 料的微观形貌,并进行能谱(EDS)分析. 研究结果表明,应力松弛曲线有明显的三阶段特征,且湿热老化材料松弛后的应力水平降低. 材料的初始电阻率随填料含量的增加而降低,老化使材料的初始电阻率增大. 由于导电高聚物的压阻效应,使得达到应力松弛起始应力前,即材料在获得特定应力的加载阶段,电阻率随载荷增加显著降低,而在随后 的松弛阶段,材料电阻率则趋于一个稳定值并在较小的范围内波动. SEM/EDS分析结果表明,随着老化时间的延长,试样表面氧元素含量增加,且氧元素含量随距表面深度的增加而减小. XRD分析结果表明,材料的结晶度随填料含量的增加而减小,随老化时间的延长也呈减小趋势. 研究结果可为研究导电高聚物复合材料的老化性能提供实验依据.      

APPLICATION AND THEORETICAL ANALYSIS OF C/SiC COMPOSITES BASED ON CONTINUUM DAMAGE MECHANICS

Based on the thermodynamic theory, an orthotropic damage constitutive model was developed to describe the nonlinear mechanical behavior of C/SiC composites. The different nonlinear kinematic and isotropic hardening functions were adopted to describe accurately the damage evolution processes. The damage variables were defined with the damaged modulus and the initial undamaged modulus on energy equivalence principle. The initial orthotropy and damage coupling were presented in the damage yield function. Tensile and in-plane shear loading and unloading tests were performed, and a good agreement between the model and the experimental results was achieved.     

STUDY ON NONLINEAR CONSTITUTIVE RELATIONSHIP AND FRACTURE BEHAVIOR OF STITCHED C/SiC COMPOSITES$^{\bf 1)}$

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.