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离子减薄技术在藤纤维力学性质测试上的应用

安徽农业大学学报 2024年第2期51卷 353-358页

作者：汪佑宏杨明亮薛夏余林鹏江泽慧田根林安徽农业大学材料与化学学院合肥230036 国际竹藤中心北京100102

为构建棕榈藤材纤维细胞壁结构模型,探索棕榈藤强韧机理,选择高地钩叶藤为研究对象,将离析获得的藤皮纤维运用场发射双束扫描电镜产生的离子束经过离子腔加速,对纤维细胞两侧表面对称进行纳米级别的减薄,采用Instron微型力学试验机进行... 详细信息

为构建棕榈藤材纤维细胞壁结构模型,探索棕榈藤强韧机理,选择高地钩叶藤为研究对象,将离析获得的藤皮纤维运用场发射双束扫描电镜产生的离子束经过离子腔加速,对纤维细胞两侧表面对称进行纳米级别的减薄,采用Instron微型力学试验机进行拉伸测试,并用激光共聚焦显微镜对纤维的断口面积进行测量,计算单纤维的拉伸强度和拉伸弹性模量。用超薄切片机对藤试样表面进行抛光,其中对纤维细胞壁要进行减薄的,则要先对该试样进行喷金处理,然后应用纳米压痕仪对高地钩叶藤纤维细胞壁进行纳米压痕试验,采用Oliver and Pharr理论计算纵向硬度和纵向弹性模量。研究结果表明,高地钩叶藤单纤维拉伸强度、拉伸弹性模量分别为475.21 MPa和7.42 GPa;纤维拉伸强度和断裂伸长率随藤材高度增加(即随藤龄减小)而逐渐减小。纤维拉伸强度、拉伸弹性模量及断裂伸长率,均表现为藤皮>藤芯。减薄处理的藤皮纤维拉伸强度与离析的单纤维拉伸强度变化趋势相反,而单纤维拉伸弹性模量变化趋势与离析的纤维一致。高地钩叶藤藤皮纤维细胞壁纵向硬度和纵向弹性模量分别为0.25和7.01GPa,藤皮纤维细胞壁纵向硬度和纵向弹性模量,随藤材高度增加(即随藤龄减小)而逐渐减小。中部和梢部藤皮纤维减薄后的微柱的纵向弹性模量分别为6.20和3.87 GPa,比对照纤维分别减小了24.2%和12.2%。中部和梢部藤皮纤维减薄后的细胞壁纵向硬度分别为0.24和0.19GPa,均略小于未进行减薄处理的对应的纤维细胞壁的纵向硬度。减薄处理后,高地钩叶藤单纤维拉伸强度和拉伸弹性模量均有较大程度下降,纵向弹性模量和纵向硬度略有下降。表明纤维细胞壁的外层拉伸强度、拉伸弹性模量、纵向硬度和纵向弹性模量较内层大,而断裂伸长率却小于内层。

关键词：高地钩叶藤离子减薄激光技术纤维力学纤维拉伸纳米压痕

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硅注入单晶立方碳化硅的纳米压痕研究

工具技术 2023年第4期57卷 52-57页

作者：吴威龙胡洋胡光兰陈明浩戴厚富贵州大学机械工程学院

离子注入可使工件的特定表面形成改性层,是改善脆性材料碳化硅加工性能的重要方法。为了探究离子注入对单晶立方碳化硅(3C-SiC)机械特性的影响,采用分子动力学(MD)模拟研究硅注入单晶3C-SiC的纳米压痕过程,分析注入剂量对样本载荷、位... 详细信息

离子注入可使工件的特定表面形成改性层,是改善脆性材料碳化硅加工性能的重要方法。为了探究离子注入对单晶立方碳化硅(3C-SiC)机械特性的影响,采用分子动力学(MD)模拟研究硅注入单晶3C-SiC的纳米压痕过程,分析注入剂量对样本载荷、位错、硬度及弹性模量的影响。研究发现,离子注入能降低样本的硬度和弹性模量,增强样本的塑性,并且抑制位错的形成。模拟结果表明,注入剂量越大,载荷越小,硬度和弹性模量越小。由于增强了碳化硅的塑性,所以离子注入对碳化硅的先进制造过程非常有利。

关键词：纳米压痕离子注入分子动力学模拟机械特性

FeCoCrNiCu高熵合金的纳米压痕模拟

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太原理工大学学报 2023年

作者：孙业伟张路明马胜国张团卫辛浩太原理工大学应用力学研究所山西省材料强度与结构冲击重点实验室

采用分子动力学（MD）模拟建立FeCoCrNiCu高熵合金纳米压痕模型，从杨氏模量以及位错行为等方面对FeCoCrNiCu高熵合金进行相关力学性能分析，研究分析了纳米压痕过程中温度以及加载速度对合金基体变形的影响。经模拟以及数据拟合，杨氏... 详细信息

采用分子动力学（MD）模拟建立FeCoCrNiCu高熵合金纳米压痕模型，从杨氏模量以及位错行为等方面对FeCoCrNiCu高熵合金进行相关力学性能分析，研究分析了纳米压痕过程中温度以及加载速度对合金基体变形的影响。经模拟以及数据拟合，杨氏模量与实验结果近似一致；纳米压痕过程依次经历弹性-塑性阶段，进入塑性阶段后基体内部产生位错，随着压头的不断深入，位错不断形核扩展最终成环；由于高熵合金复杂的元素组成以及应变梯度效应，剪切应变在合金体内的分布是不均匀的。加载速度对弹性阶段影响不大，但会对位错的增长产生影响，临界塑性压深也会随加载速度的增大而增大；温度对高熵合金的变形有着显著影响，温度越高，原子运动加剧，基体易于变形，低温下压痕力明显上升，这是因为低温本身会降低原子迁移率的同时也会易于孪晶产生，使基体进一步强化。

关键词：高熵合金分子动力学纳米压痕温度加载速度

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纳米压痕在水泥基材料中的应用与研究进展

硅酸盐学报 2011年第1期39卷 164-176页

作者：赵素晶孙伟东南大学材料科学与工程学院江苏省土木工程材料重点试验室南京211189

材料的宏观性能往往与它的微结构特征密不可分。作为一种尖端的测试技术,纳米压痕测得的是水泥基材料微结构中各相的本质力学特性。概述了纳米压痕的基本原理以及水泥基材料的样品制备方法和试验制度的确定,重点介绍了纳米压痕在水泥基... 详细信息

材料的宏观性能往往与它的微结构特征密不可分。作为一种尖端的测试技术,纳米压痕测得的是水泥基材料微结构中各相的本质力学特性。概述了纳米压痕的基本原理以及水泥基材料的样品制备方法和试验制度的确定,重点介绍了纳米压痕在水泥基材料中的研究进展,并对存在的一些问题尤其是定量分析中的问题进行了讨论。将纳米压痕和其他测试分析方法结合起来,对于分析和调控材料的宏观性能以及揭示水化硅酸钙(C–S–H)凝胶在纳米尺度的物理化学性能具有重要意义。

关键词：纳米压痕压痕模量和硬度水泥基材料多相非匀质材料水化硅酸钙凝胶堆积密度

纳米压痕实验微米级深度硬度下降现象的研究(英文)

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Chinese Journal of Aeronautics 2009年第1期22卷 43-48页

作者：李敏陈伟民北京航空航天大学航空科学与工程学院中国科学院力学研究所工程科学部

本文针对均匀材料微米级压痕深度,分析接触深度、接触面积、载荷以及加载时间几种因素对实验数据的影响,结合有限元数值模拟,说明压头几何缺陷、接触深度与接触面积的处理并不是造成微米级压痕硬度随压深增大而下降的主要原因,最可能的... 详细信息

本文针对均匀材料微米级压痕深度,分析接触深度、接触面积、载荷以及加载时间几种因素对实验数据的影响,结合有限元数值模拟,说明压头几何缺陷、接触深度与接触面积的处理并不是造成微米级压痕硬度随压深增大而下降的主要原因,最可能的原因是材料的蠕变特性。进行了不同最大压深实验显示连续刚度法(CSM)将强化蠕变特性对硬度曲线的影响,证明造成该现象的重要原因是纳米压痕实验的实验方法问题。

关键词：纳米压痕硬度压痕尺度效应

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纳米压痕法测量Cu膜的硬度和弹性模量

金属学报 2010年第9期46卷 1098-1102页

作者：黎业生汪伟江西理工大学材料与化学工程学院赣州341000 中国科学院金属研究所材料科学国家(联合)实验室沈阳110016

利用纳米压痕技术对沉积在Si衬底上1μm厚Cu膜的硬度H和弹性模量E进行了测量.结果表明,由单一刚度测量(SSM)和连续刚度测量(CSM)2种方法测得的E值基本一致.然而由于Cu膜的室温蠕变行为显著,用SSM方法测得薄膜的H值显著小于用CSM方法测得... 详细信息

利用纳米压痕技术对沉积在Si衬底上1μm厚Cu膜的硬度H和弹性模量E进行了测量.结果表明,由单一刚度测量(SSM)和连续刚度测量(CSM)2种方法测得的E值基本一致.然而由于Cu膜的室温蠕变行为显著,用SSM方法测得薄膜的H值显著小于用CSM方法测得的H值.对加载曲线进行分析表明,在压入深度为528—587 nm时薄膜硬度显示基体效应,压入深度与薄膜厚度的比值与有限元计算结果吻合较好.

关键词：纳米压痕 Cu膜硬度弹性模量

形状记忆聚氨酯粘弹性行为的纳米压痕实验及有限元模拟

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重庆理工大学学报（自然科学） 2022年第11期36卷 142-151页

作者：张晨李建梁志鸿丁立阚前华西南交通大学力学与航空航天学院成都610031 中国工程物理研究院总体工程研究所四川绵阳621999

为了揭示形状记忆聚氨酯(SMPU)在微小尺度下的粘弹性力学行为,开展了不同加载速率和保载时间下的纳米压痕实验,获取了硬度和模量与加载速率和保载时间的关系,利用有限元软件ABAQUS建立了纳米压痕轴对称有限元模型,通过三单元粘弹性模型... 详细信息

为了揭示形状记忆聚氨酯(SMPU)在微小尺度下的粘弹性力学行为,开展了不同加载速率和保载时间下的纳米压痕实验,获取了硬度和模量与加载速率和保载时间的关系,利用有限元软件ABAQUS建立了纳米压痕轴对称有限元模型,通过三单元粘弹性模型模拟了SMPU在纳米压痕下的力学响应。研究表明:SMPU表现出显著的粘弹性,压入的最大深度随着加载速率的增大而减小,随着保载时间的增大而增大,卸载段的“鼻子”现象随加载速率及保载时间的减小而逐渐显著。SMPU的弹性模量和硬度随加载速率的增加而增加,随保载时间的增加而减小;通过应变率灵敏度模型和无量纲时间灵敏度模型预测了SMPU的固有模量和硬度。通过有限元模拟结果与实验结果的对比,三单元粘弹性模型可以合理地模拟出不同加载速率和保载时间下的压痕实验。为获取微小尺度下SMPU粘弹性本构模型参数提供了一种有效方法。

关键词：形状记忆聚氨酯纳米压痕粘弹性加载速率保载时间有限元模拟

纳米压痕测试技术在GFRP材料中的应用综述

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材料导报 2021年第19期35卷 19214-19222页

作者：王耀城刘定坤刘伟吕阳郑愚深圳大学土木与交通工程学院广东省滨海土木工程耐久性重点实验室滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室深圳518060 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室武汉430070 东莞理工学院生态环境与建筑工程学院东莞523830

近年来玻璃纤维树酯复合材料(GFRP)广泛应用于各类工程领域,它在服役环境中的性能劣化过程相对复杂,需要联系其宏微观特征变化进行深入研究。利用纳米压痕技术测试GFRP中各组分的微观力学性能有助于建立材料微观与宏观尺度之间性能的相... 详细信息

近年来玻璃纤维树酯复合材料(GFRP)广泛应用于各类工程领域,它在服役环境中的性能劣化过程相对复杂,需要联系其宏微观特征变化进行深入研究。利用纳米压痕技术测试GFRP中各组分的微观力学性能有助于建立材料微观与宏观尺度之间性能的相互联系,为深入探讨GFRP的性能演化提供依据。然而,在利用纳米压痕对GFRP进行检测过程中,由于约束效应、树酯堆积效应和粘弹性效应等作用的影响,会导致测量值与真实结果之间产生偏差。本文从纳米压痕技术的基本原理入手,对其在测试GFRP内玻璃纤维、树酯基体和界面三类区域时的既有研究进行归纳总结,逐一分析导致测量误差的原因并提出了相应的解决方案或研究方向。在引起测量误差的各类原因中,树酯堆积效应和粘弹性效应将导致树酯部分的测量结果偏高,但对纤维的测量结果几乎不会产生影响。纤维约束效应对GFRP各区域纳米压痕结果的准确性均有明显影响,且通过理论分析可知纳米压痕测试中约束效应对测试结果的影响普遍存在于所有复合材料之中。为探析此效应对测试结果的影响,已有学者展开了实验和模拟研究,但既有研究对数据结果的分析较为浅显,尚未形成完整体系。鉴于约束效应对测量结果的影响,本文还对GFRP中纤维和树酯的界面状态进行了初步的理论分析。最后,为更加准确地表征GFRP的微观性能,笔者还在后续所需要深入探讨的研究方向中提出了相关建议。

关键词：玻璃纤维树酯复合材料纳米压痕微观力学性能约束效应

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铝合金超声辅助钎焊修复接头的组织研究

热加工工艺 2024年

作者：任寿伟温泉吴雪猛李政玮闫华伟国营四达机械制造公司哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室

采用超声辅助钎焊方法开展了凹槽缺陷修复研究，阐明了超声波参数对焊缝成形性的影响规律，并研究了焊缝的组织和力学性能。结果表明，在超声功率为300 W的情况下，当超声时间为1 s时，钎料毛细填缝作用较弱，焊缝底部存在未焊透缺陷；... 详细信息

采用超声辅助钎焊方法开展了凹槽缺陷修复研究，阐明了超声波参数对焊缝成形性的影响规律，并研究了焊缝的组织和力学性能。结果表明，在超声功率为300 W的情况下，当超声时间为1 s时，钎料毛细填缝作用较弱，焊缝底部存在未焊透缺陷；随着超声时间增加至3 s，声空化效应促使钎料的毛细填充能力增强，焊缝未焊透缺陷、气孔缺陷尺寸和数量均减少。当超声功率从100 W增加到300 W，声空化效应增强，焊缝内气孔尺寸和数量均减少。焊缝区由灰色相-Al和分散块状的白色相-Al2Cu组成，且白色相-Al2Cu的显微硬度高于灰色相-Al。焊缝内的显微硬度呈非均匀分布，平均显微硬度为1.75 GPa，高于母材区的0.75 GPa。

关键词：超声辅助钎焊气孔显微组织纳米压痕