基于高光谱成像技术的软材料应变-反射率相关性研究

基于高光谱成像技术,本文深入研究了应变对典型软材料——硅胶光谱反射率的调制作用。首先,基于托伦斯-斯派洛反射模型,建立了应变通过改变材料表面形貌进而对其光谱反射率进行调制的理论模型;其次,通过共聚焦显微镜获取不同应变状态下样品材料表面微观形貌,计算得到样品表面粗糙度,并预测了表面光谱应变-反射率比例系数;最后,利用高光谱相机实际测量了不同应变状态下材料表面的光谱反射率,结果表明,在475nm～535nm光谱波段内,压缩后硅胶的反射率随应变增大而线性减小,与理论模型预测结果吻合良好。基于本文的研究成果,有望发展一种利用反射率直接测量材料应变的实验技术。     

锂离子电池硅薄膜电极充放电形态实验研究

硅基电极材料因其比容量高、低脱锂电位和低成本等优点被认为是最具有潜力的下一代锂离子电池负极材料之一.然而,硅电极在嵌锂/脱锂过程中会产生巨大的体积膨胀,从而引起电极结构的力学损伤,使其力学和电化学性能大幅度衰减,最终影响电池寿命.因此,针对硅薄膜电极在充放电过程中的变形和损伤演化行为开展研究是非常必要的.本文采用射频磁...     

基于高光谱成像技术的皮肤应变-反射率相关性研究

高光谱成像(HSI)将传统成像技术和光谱技术相结合,在成像的同时还可以获得研究对象的空间及光谱信息,将其应用于皮肤能够实现皮肤癌、烧伤皮肤的检测以及表情识别等。实际上,活体状态下人体皮肤常常处于变形状态,但其变形对光谱反射率影响的研究非常匮乏。因此,本文基于高光谱成像技术测量了不同应变状态下和不同波长下的人体皮肤图像,并获取了相应的反射率信息,根据光谱曲线特征将全波长425nm~1025nm分为几个不同波段,分别研究波长、反射率与应变的关系,发现皮肤的变形会显著影响光谱反射率,基于此建立了变形-光谱学耦合理论模型。结果表明,皮肤的反射率与拉伸比呈线性正相关,且425nm~525nm波长范围内相关性最好。     

残余应力对膜基结构裂纹萌生及填充演化影响的实验研究

聚合物基底-薄膜结构被广泛应用于光电医疗、食品生物等领域.但是,在镀膜的过程中往往会因薄膜和基底之间的热膨胀性能差异、晶格失配等因素,在构件中产生残余应力,从而影响使用寿命和耐用性.为此,本文建立了考虑残余应力的单层膜基结构二维弹性应力分析模型,应用强度准则和能量准则两个判据分析裂纹的萌生及填充过程,并提出了一种在被施...     

全固态锂金属电池充放电内部损伤演化及刚度衰减实验研究

全固态锂金属电池(Li-SSB)因具有较高的安全性、灵活的可设计性以及较大的能量密度等优点,近年来受到广泛关注。针对固态电解质在长服役周期中的内部损伤演化及刚度衰减问题,采用高分辨率X射线计算机扫描成像重建技术(X-CT)对Li_6.4La₃Zr_1.4TaO₁₂(LLZTO)固态氧化物电解质在Li-SSB长周期充放电过程中的损伤演化过程进行研究。分别对Li/LLZTO/Li对称电池结构在0.3mA/cm²和0.5mA/cm²两种电流密度工况下不同循环次数的内部结构进行三维重建,利用图像的灰度特征提取方法定量得到了LLZTO电解质的内部孔隙演化规律;通过建立LLZTO固态电解质多孔结构的无量纲弹性模量模型,研究了LLZTO固态电解质充放电过程中的模量衰减效应。实验结果表明：Li-SSB中电解质的力学损伤速度随电流密度增大而增大,电池服役阶段电解质损伤程度与循环极化电压高度正相关,电池短路后电解质损伤演化呈现先剧烈后缓和的演化规律。上述结果揭示了在电化学循环过程...     

三维电子束云纹法

三维电子束(3D电子束)云纹法是一种微尺度三维变形测量方法。该方法通过在试件表面制作高密度光栅,结合双目视觉立体成像技术,在SEM中形成两个角度的电子束云纹图,即可分析获得三维变形信息。考虑到离面变形与面内变形计算时的相互耦合关系,本文对现有的3D电子束云纹法进行了进一步发展,系统推导了3D电子束云纹法的通用理论公式。利用变形前后不同角度拍摄的电子束云纹图,可分别迭代计算出面内变形、离面变形和形貌等信息。对全息光栅鼓泡变形的验证实验证明了本文发展的3D电子束云纹法理论的正确性。     

皮肤力学的研究进展

皮肤力学的研究在许多领域是极具应用价值的,如皮肤护理、美容、药物注射、仿生材料的研发等.与常规材料相比,皮肤是一种结构复杂多变的生物材料,其力学模型的研究从早期的经验模型发展到更科学的结构模型,并且考虑了微观组织结构和宏观变形响应之间的联系.为了提高模型的准确性和预测能力,需要提出一些针对性强但更为复杂的材料模型,于是...     

柔性基底上含过渡层纳米薄膜在双向拉伸下断裂损伤的实验研究

含过渡层的柔性基底薄膜的力学性能对现代电子元器件的广泛应用至关重要,对其力学性能的深入研究变得极为迫切。本文针对其在双向拉伸载荷下的断裂损伤进行了实验研究。对125μm聚酰亚胺上沉积的不同薄膜结构进行不同加载比下的双轴拉伸实验,通过光学显微镜观察裂纹演化过程与饱和裂纹形态。根据最小应变能密度因子理论对裂纹演化的开裂角度进行了理论分析,用有限元分析了加载比例和过渡层泊松比对结构各层双向应力比传递的影响,并在不同薄膜结构和加载比下,对裂纹演化应变进行了比较。研究结果表明,在双向拉伸载荷作用下,薄膜裂纹呈现出网状分布,裂纹演化角度与加载比、裂纹初始角度相关;一级裂纹萌生的临界应变随着加载比降低而降低,二级及以上裂纹萌生的临界应变与各级裂纹的饱和应变随加载比降低而升高;在等双轴拉伸下,不同薄膜结构的含过渡层柔性基底薄膜一级裂纹的临界应变基本一致,二级及以上裂纹的临界应变显现明显差异。     

人体皮肤摩擦行为的研究进展及其挑战

日常生活中,人体皮肤不可避免与各种物体产生接触,由此产生的皮肤摩擦学问题受到包括纺织、美容、医疗、触觉传感器以及机器人等众多领域的关注。围绕人体皮肤的摩擦行为,本文从理论模型、实验方法以及典型数值仿真出发系统地探讨了皮肤摩擦研究的方法论,概述了皮肤解剖结构、摩擦行为研究方法及其影响因素3个方面的研究进展。基于此,总结了目前人体皮肤摩擦行为研究中存在的诸多问题和挑战。     

活体状态下人脸皮肤力学性能原位测量研究

人类面部皮肤力学性能对面部手术、整容和表情形成机理等研究工作具有重要意义,但目前对面部皮肤力学性能的研究尚不完善,特别是实验方法和实验设备开发等方面还存在较多问题。本文提出一种适用于面部皮肤的加载装置,可精确实现直线运动,并通过微力传感器测量探针与皮肤之间的接触力,得到接触力-探针位移曲线,测得面部皮肤有效弹性模量E*为5.6~11kPa,皮下组织的厚度直接影响着皮肤的有效弹性模量,皮肤组织较薄的颧骨区域E*为9.3~11kPa,较厚的嘴角及脸颊区域E*为5.6~8.9kPa。此外,利用3D-DIC(三维数字图像相关技术)对皮肤表面变形场进行测量,其变形场特征充分体现出皮肤的各向异性。结果为深入研究面部皮肤本构关系打下了基础,也可为面部生物力学研究提供实验数据支持。