薄板涂层结构镍镀层声学特性检测与弹性常数反演表征方法研究

针对表面涂层技术应用中薄板涂层结构材料弹性常数声学表征无损检测方法开展理论和试验研究。基于声学显微镜技术,利用自主研制的宽频线聚焦探头和非常规小尺寸材料超声无损检测系统,进行小步距(20μm)精确散焦测量和大数据量回波信号(601组)数据采集;采用V(f,z)分析方法获取薄板涂层结构材料的试验频散曲线;结合涂层结构材料声波传播特性分析及理论建模结果,改变纵波波速和横波波速获得不同的理论频散曲线,通过理论频散曲线与试验测量结果的曲线拟合,获取涂层材料声波波速,进而反演材料的弹性常数(如泊松比和弹性模量)。多厚度镍镀层试验测量结果与理论值相吻合,表明测量分析方法可行、结果可靠。该研究成果为涂层材料力学性能无损检测和质量评价奠定了基础。     

小试件材料弹性常数超声测量系统的研制

本文针对小试件块体纳米材料力学性能测试的特殊需求，设计开发了一套小试件材料弹性常数超声精密测量系统。系统由线聚焦PVDF探头、四轴精密运动平台、NI PXI总线嵌入式控制器、超声脉冲产生／接收仪以及数字记忆示波器组成。系统基于声学显微镜技术，利用同时测定纵波和漏表面波波速来表征材料的弹性常数等，既适用于各向同性材料，又适用于各向异性材料。试验结果表明本测量系统工作良好，能够满足试验要求，为进一步评价小试件纳米材料制备工艺和表征纳米材料的力学性能奠定了基础。     

混合进化算法的Metropolis蒙特卡罗MEMS单晶硅湿法刻蚀工艺模型

提出—种混合进化算法的Metropolis蒙特卡罗湿法刻蚀新工艺模型和改进的表面原子移除概率函数.依据单晶硅典型晶面的刻蚀速度,新工艺模型能够自动获得基于原子模型的蒙特卡罗法能量参数.改进的表面原子移除概率函数采用四指数的表面原子配置分类法,更加精确地描述刻蚀反应中表面结构的变化过程,增强了蒙特卡罗模型的仿真能力.在多种刻蚀系统,不同浓度和温度条件下的计算结果与试验数据对比表明,任意(h,k,l)晶面的各向异性刻蚀速度曲线能够与试验结果一致.与现有方法相比,新的移除概率函数能够表示刻蚀速度各向异性曲线在Si(100)和Si(110)临近晶面同时出现局部最小点的情形,并且计算精度显著提高.通过对三维微结构刻蚀过程的准确模拟,验证了Metropolis蒙特卡罗工艺模型的有效性.     

液体黏滞系数测量新方法

提出一种利用磁致伸缩传感器在金属杆(探杆)中激励超声导波扭转模态,用于液体黏滞系数测量的新方法。与基于导波波速的理论测量模型(波速模型)相比较,分析基于导波衰减系数的理论测量模型(衰减模型)的优势,并通过数值仿真分析衰减法模型中频率、探杆材料以及直径3个参数对测量结果的影响。根据磁致伸缩传感器系统设计原理,针对被检测液体黏滞系数范围,给出满足系统整体最佳衰减值为1 Np或限制在0.5~5 Np范围内要求的传感器系统最佳设计参数。利用衰减法对不同浓度(质量分数)的丙三醇溶液的黏滞系数进行试验测量,结果显示,试验测量值与传统方法测得的参考值,以及理论模型预测曲线相吻合,表明该方法可用于牛顿液体黏滞系数的测量。     

空气耦合Lamb波在单晶硅中的传播特性和缺陷检测研究

单晶硅是制造硅太阳能电池的主要材料之一,但其中的各类缺陷对其光电转换效率影响颇大。针对这些问题,采用空气耦合Lamb波检测方法对单晶硅产品的质量进行快速评价。理论计算Lamb波在各向异性的单晶硅中的频散曲线,得到Lamb波在不同方向上的理论速度分布;利用空气耦合超声传感器在(001)晶面的单晶硅中激励出A0模态的Lamb波,研究200 k Hz频率下Lamb波的入射角度与信号幅值的关系,确定最优入射角度为13°。采用相位谱的方法计算A0模态的相速度,试验结果与理论值吻合良好。利用波包幅值法和相关函数法分别计算A0模态的群速度,结果说明相关函数法测得的群速度与理论值误差更小;采用扫描方法对单晶硅进行缺陷检测,通过计算接收信号与参考信号的相关系数,确定出缺陷的位置和大小。     

基于Lamb波的金属材料涂层厚度测量

针对金属板材的涂层厚度检测问题,提出利用双层介质中Lamb波的频散效应对表层厚度变化敏感的特性,通过测量特定模态波速的变化进而实现对涂层厚度的无损检测。推导了双层结构中超声Lamb波的频散方程,得出了铝板-聚氨酯双层介质中不同涂层厚度下的导波频散曲线,分析了不同模态Lamb波群速度对涂层厚度变化的敏感程度,建立了涂层厚度与导波波速的规律性关系。最后通过对铝板上不同厚度的聚氨酯涂层进行超声导波检测实验,基于A0模态群速度与涂层厚度的线性关系计算出了涂层的厚度,误差在10μm以下,满足工程的需要。     

单晶硅反射镜的超精密磨削工艺

为了实现单晶硅反射镜高效低损伤的超精密加工,研究了基于工件旋转法磨削原理的单晶硅反射镜超精密磨削工艺。通过形貌检测和成份测试的方法分析了该工艺采用的超细粒度金刚石砂轮的组织结构特征,并对单晶硅进行了超精密磨削试验,研究了超细粒度金刚石砂轮的磨削性能。通过砂轮主轴角度与工件面形之间的数学关系实现对磨削工件面形的控制。最后,采用超细粒度金刚石砂轮对Φ100mm×5mm的单晶硅反射镜进行了超精密磨削试验验证。试验结果表明,超细粒度金刚石砂轮磨削后的单晶硅表面粗糙度Ra值小于10nm,亚表面损伤深度小于100nm,磨削后的单晶硅反射镜面形PV值从初始的8.1μm减小到1.5μm。由此说明采用该工艺磨削单晶硅反射镜能够高效地获得低损伤表面和高精度面形。     

轴类镀层结构材料力学性能声学表征方法研究

针对轴类镀层结构材料力学性能无损表征方法开展理论和实验研究,对于表面工程的质量检测与评价具有重要意义。利用自主开发的超声显微测量系统与PVDF线聚焦探头,对不同厚度的轴类镀层材料进行散焦测量。针对轴类试件表面波传播路径与散焦距离的非线性关系,分析了线聚焦探头几何尺寸与散焦距离和试件轴径间的匹配关系,优化检测参数,并在V(f,z)分析法的基础上,采用相位相关分析法获得轴类镀层材料的实验频散曲线。结合镀层材料声波传播特性,采用基于模拟退火的粒子群优化算法(PS-B-SA)将理论频散曲线与实验频散曲线相拟合,反演轴类镀层结构材料的声学参数,进而表征镀层材料的弹性常数。多个不同厚度轴类镀层结构材料弹性常数及镀层厚度的反演结果与实际值相吻合,表明该测量方法可靠、结果准确。该研究成果为轴类镀层结构力学性能无损检测提供了技术手段,也为工程材料表面工程加工性能的评价提供了新方法。     

垂直于工件平面的二维超声振动辅助磨削单晶硅表面形成机制的试验研究

通过单晶硅磨削试验以及单颗金刚石磨粒划擦试验,分析垂直于工件平面的二维椭圆超声振动磨削单晶硅的表面形成机制.椭圆超声振子由压电陶瓷晶体与金属弹性体粘接制成,其伸缩模态和弯曲模态频率相同,当输入具有一定相位差的两个交流电压信号时产生二维椭圆振动.试验结果表明,由于二维椭圆振动的施加改变了单晶硅的材料去除机制,加工表面质量明显提高,表面粗糙度显著降低,磨削沟槽变浅而宽,切屑变厚而短,单晶硅材料延性域去除比例增加;通过改变超声振动振幅与磨削深度之间大小关系,可实现磨削刃对工件的连续性接触去除和断续性接触去除两种模式的转变.     

基于电磁超声的焊接残余应力测量研究

基于超声波声弹性理论,针对钢板对接焊接残余应力无损测量问题,提出了采用电磁超声法开展焊接残余应力实测研究。通过拉伸标定试验测得焊接接头不同区域的声弹性系数与各向异性参数,并结合钢板实测声速值获得了不同部位的焊接残余应力;其结果与基于塑性修正的盲孔法实测值进行了验证比较。结果表明,电磁超声法可以有效地测量钢板焊接接头残余应力的分布状态。     

单晶硅二维超声振动辅助磨削技术的实现

基于超声振动磨削能有效提高加工效率及加工表面质量的特性,通过设计具有伸缩和弯曲两种模态的压电陶瓷椭圆振子,实现了单晶硅二维椭圆振动磨削技术。对超声振子的振动特性进行检测,证实改变压电陶瓷两电极之间的交流信号相位差和电压幅值,可得到不同形状和振幅的椭圆振动。对单晶硅进行超声磨削与普通磨削的对比试验,结果表明二维振动磨削的磨削力大幅降低,表面粗糙度显著减小,表面质量明显提高,加工表面延性域去除比例增加。从而证实二维超声振动磨削方法能够实现高效率高质量单晶硅加工。     

界面因素对机械结合面超声传播的影响

利用超声脉冲回波法可以测量机械结合面间的压力分布，但是其测量精度受界面接触条件的影响，如压力加载历史、表面粗糙度、接触介质等。根据超声在接触界面的传播机制，分析得到接触界面回波能量系数与界面接触压力之间的关系模型；搭建室内超声检测系统，加工不同粗糙度的接触表面，准备不同的润滑介质，对不同接触条件的试件进行压力加载试验，得到结合面回波能量系数随压力变化的曲线。结果表明：首次加载过程所得曲线明显区别于后几次加载，随循环次数的增加，所得曲线逐渐趋于重合；相同接触压力下，接触表面粗糙度越大，回波能量系数越大；相同接触压力下，接触介质的物质属性不同以及与不同粗糙度的表面相互作用时，回波能量系数有所不同。研究表明，载荷加载历史、接触表面形貌及接触介质都是影响超声在接触界面传播的主要因素，研究结果对结合面接触应力分布的准确测量具有参考价值。     

各向异性堆焊结构中超声传播模拟与缺陷回波预测

奥氏体不锈钢呈现出明显声学各向异性,如何检测与评价这类材料成为声学检测领域的研究难点和热点问题.应用多高斯声束模型来研究超声换能器向各向异性圆管堆焊结构中辐射声场的特征.给出声场模型中材料各向异性系数的具体求解方法;并应用该声场模型计算超声束在有机玻璃楔块、各向异性堆焊层和低合金钢基体三层介质中的传播特征,重点分析堆焊层各向异性和圆管曲率变化两种因素对纵波声束偏转和聚焦形态的影响.进一步,将多高斯声束模型与分离变量法缺陷散射模型相结合,建立适用于各向异性圆管堆焊结构的超声测量模型,用于预测各向异性堆焊层下的横通孔缺陷回波信号.试验测量结果与模型预测结果的比较表明,两者的信号幅度和相位都符合较好.     

预应力钢绞线中超声导波声弹性效应的试验研究

钢绞线中应力损失直接威胁到预应力结构的整体安全,实现钢绞线中预应力的无损、在役测量在工程中显得十分重要。对基于超声导波技术的钢绞线中的预应力测量方法进行理论分析和试验研究。根据波动理论和声弹性理论,得到不同应力状况下钢绞线中纵波和横波波速,分析建立钢绞线中最低阶纵向模态L(0,1)群速度与钢绞线承载的应力之间的对应关系。采用自行研制的磁致伸缩传感器在不同应力状态下公称直径17.80mm的7芯钢绞线上进行超声导波L(0,1)模态的激励接收试验。试验测定不同应力状态下钢绞线中L(0,1)模态导波的群速度,得到实际中L(0,1)模态的群速度和应力之间的关系曲线。结果表明,应力在0.5GPa以上时,钢绞线中L(0,1)模态的群速度会随着应力增大呈近似线性下降,与理论分析结果较为吻合。这为超声导波应用于钢绞线预应力大小的测量奠定了基础。     

激光激发表面波法测铸铁制动盘残余应力!

基于声弹性理论,使用自主研发的基于压电传感器的激光超声场检测仪对Q235钢的表面应力与激光激发表面波速间的关系进行了研究,并与采用表面波压电探头测得的试验结果进行对比;采用该试验装置得到了铸铁制动盘表面应力与激光激发表面波速的关系,应用激光激发表面波法测得制动盘表面不同位置的残余应力,并与X射线应力法的测试结果进行了对比。结果表明:采用激光激发表面波法测得Q235钢的声弹性系数为1.02×10~(-5) MPa~(-1),与采用表面波压电探头测得的结果非常接近,测试精度较高;采用X射线应力法和激光激发表面波法测得的铸铁制动盘不同位置的残余应力均为压应力,应力大小不同但变化趋势一致。     

基于材料热参数的摩擦表面接触形变模型

基于材料热参数对摩擦表面热弹性和热膨胀产生的互逆变形原理,运用Hertz理论和材料本构关系推导出了描述摩擦表面接触变形的理论模型;利用Voss提出的连续随机相加算法思想,模拟分形布朗运动以建立工程粗糙表面;并将模拟表面与理论模型相结合,实现了热参数对摩擦表面粗糙度演变规律的描述。研究表明,摩擦表面的接触形变与其材料的热参数相关;实例分析表明,材料热参数对摩擦表面粗糙度的影响很大,且不同热参数的影响程度不同,从各个参数变化与工程表面的粗糙度变化曲线可以看出,热参数中除热导率与粗糙度变化呈现反比例非线性关系外,其他热参数的变化与粗糙度的变化趋势一致,但是变化曲率的大小有所不同;显然,这种影响程度可用来描述不同材料在摩擦过程中的表面粗糙度动态演变过程。     

KDP晶体三倍频晶面微观力学行为及加工性能

为了揭示磷酸二氢钾(KDP)晶体三倍频晶面微观弹塑性力学行为及加工性能,开展了纳米压痕研究。建立了KDP晶体三倍频晶面各向异性力学模型,基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法对纳米压痕进行了数值仿真并完成了纳米压痕测试实验。实验结果表明:实验与仿真计算的载荷-压入深度关系曲线的相关系数为0.996 328,吻合度较高,验证了力学模型的正确性,得出KDP晶体三倍频晶面的屈服强度为240MPa。数值仿真结果显示:由于材料的各向异性,工件内部应力呈不规则圆弧状分布;载荷大小与等效应力影响深度呈近似线性递增关系;材料表面等效塑性应变分布形状与压头投影面几何形状相类似,存在复映效果。当载荷小于2mN时,各压头的残余应力深度差异性较小(小于0.2μm);随着载荷逐渐增大,这种差异不断扩大。得到的结果为实现KDP晶体三倍频晶面的高效低损伤加工提供了理论支撑。     

小试件材料弹性常数超声测量线聚焦PVDF探头的研制

本文针对小试件材料力学性能测试的特殊需求,利用PVDF压电薄膜设计制作了无透镜柱面线聚焦超声探头。文中介绍了探头材料的选择和结构参数的确定,对探头性能进行了数值模拟。该探头具有孔径角大、频带宽、中心频率高等特点。采用线聚焦PVDF探头的弹性常数超声测量系统对多种小试件材料进行了弹性常数测量,测量结果表明,本系统具有波形清晰,信噪比大。分辨率高,测量误差小,结果准确等特点,能够满足工程实验和科学研究的需要。由于线聚焦探头可以发射与聚焦线垂直的表面波,因此,基于线聚焦PVDF探头的小试件材料弹性常数超声精密测量系统,不仅适用于各向同性材料,而且适用于各向异性材料。     

非线性超声检测镁合金早期疲劳的试验研究

为利用基于二次谐波的非线性超声方法检测镁合金材料的早期疲劳损伤,建立超声非线性系数β的测试试验系统,设计制作预设应力集中区的厚板镁合金疲劳试件,并通过有限元法仿真应力集中区的有效性.对三个不同疲劳加载模式的镁合金试件进行非线性超声检测试验研究.结果表明,在疲劳寿命的早期,三个试件的超声非线性系数均随疲劳周数明显增加.同时,测量其中一个试件在非应力集中区的超声非线性系数,与应力集中区相比,超声非线性系数变化幅度只有应力集中区的27％,进一步表明超声非线性系数的变化来源于镁合金材料疲劳引起的微缺陷变化,也证实试验的可靠性.另外,波速和弹性常数的试验结果表明,这两个线性参数对于镁合金材料的早期疲劳损伤不如超声非线性系数敏感.     

金属材料表面残余应力超声测量方法

针对金属材料零件制造中的表面残余应力无损检测难题,提出一种平面应力状态超声测量方法.基于线弹性理论,引入晶粒取向表征因子,揭示晶粒取向对超声传播的影响机制.虑及材料力学性质(弹性常数、晶粒取向等)和应力状态对声速的共同影响,建立平面应力分量-声速解耦模型.基于临界折射纵波(LCR波)表面应力测量原理,分析温度与耦合状态对超声信号衰减、畸变以及声时的影响规律,并设计出一种一发双收直接耦合造波探头.以单向拉伸的变截面铝合金板和搅拌摩擦焊后的轧制铝合金板为典型对象,利用自主开发的超声应力测量系统进行表面应力测量试验,分别与有限元法和小孔法进行对比,应力测量结果具有良好的一致性,可为金属材料表面残余应力测量提供可行方案.