全国微尺度力学行为测量新技术与应用学术研讨会在京召开

中国力学学会实验应力分析专业委员会主办，天津大学和清华大学共同承办的“微尺度力学行为测量新技术与应用专题学术研讨会”于2003年10月24～26日在北京召开。来自全国各科研院所、大专院校的六十多名从事本领域研究的专家学者以及关注这一领域工作的同行专家参加了会议。会议得到国家自然科学基金重点项目“微尺度与多场耦合实验技术研究”和美国Hvsitron公司的资助。     

功能梯度材料的断裂与屈曲驱动断裂的简化分析

作为一类先进的复合材料,功能梯度材料(FGM)能综合利用多种材料的物理性能,同时材料性质的连续变化也使其具有许多优越的力学性能。本文对功能梯度材料中平行于界面的裂纹的断裂参数进行了计算,并分析了梯度变化的薄膜在压应力作用下的屈曲驱动扩展。研究结果表明:功能梯度材料能有效地减小界面中的应力集中及它对材料中缺陷的作用,从而不同程度地提高了材料的强度和韧性。     

基于力学分析的TBM掘进总推力预测模型研究*

提出一种基于力学分析的全断面岩石隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)掘进装备总推力的预测建模方法。在TBM装备掘进过程中,总推力的影响因素多且复杂,主要包括施工地质条件、装备结构特征、装备掘进状态等几类核心参量。从分析装备与地质间相互作用的力学特征入手,通过求解滚刀与岩石接触弧线上岩石单元体的极限应力状态,建立能反映地质、操作等关键参量影响的刀盘破岩力计算表达式。在刀盘载荷分析基础上,补充考虑装备护盾、后续设备等部件上作用的载荷分量,建立TBM装备掘进总推力预测模型,并结合我国两个典型工程案例对所建模型进行分析与验证。进一步引入单位贯入度对应总推力值,作为讨论TBM载荷地质适应性的指标,近似剥离操作参数的影响,分析载荷与地质参数间的内在相关关系。分析结果表明,在各个地质参数中,单轴抗压强度是对掘进总推力起到核心影响的关键地质参数,与单位贯入度对应的总推力间存在近似的线性关系。本工作可对不同地质条件与不同操作状态下,TBM装备掘进总推力进行预估计算,为装备载荷的优化设计与智能控制提供参考依据。     

二步法三维编织复合材料弹性性能的有限元法预报

用有限元法预测了二步法三维编织复合材料的有效弹性性能。在二步法方型三维编织复合材料细观结构大单胞模型的基础上, 考虑复合材料中纤维束的连续性及其空间的交织效应, 用离散杆单元构成的桁架结构有限元模型等效代替复合材料承受单轴拉伸载荷时的受力响应。同时, 以轴向拉伸性能测试试样为对象, 应用有限元软件包MARC 的结构静力分析部分计算了轴向弹性模量和泊松比, 数值计算结果与实验结果一致性较好。参数分析结果表明, 轴向弹性模量随轴纱与编织纱线密度之比和节距长度的增加呈增加趋势。     

碳纳米管增强聚合物复合材料的界面脱黏及应力分布

碳纳米管和复合材料基体间的界面力学行为是影响复合材料宏观力学性能的重要因素,为此本文利用有限单元法对单壁碳纳米管增强聚合物复合材料的界面脱黏、切应力分布及拔出载荷进行了数值模拟。建立了一个轴对称三圆柱壳模型,引入ABAQUS中的Cohesive单元模拟了单壁碳纳米管和聚合物基体之间的界面层,分析了单壁碳纳米管的长细比、界面强度以及热残余应力等因素对碳纳米管与聚合物基体间的界面切应力以及拔出载荷的影响。模拟结果表明：当单壁碳纳米管的长度变化为50~100 nm、与基体之间的界面强度为50~100 MPa、环境温度变化为100℃ 时,碳纳米管的长细比、界面强度以及由于热失配所引起的残余应力对单壁碳纳米管与聚合物基体间的界面切应力以及拔出载荷有着显著的影响。     

多孔硅内部残余应力的研究

多孔硅在形成过程中由于内部产生巨大的拉伸应力，在裂纹的中心部位拉伸应力可达到o．92GPa，导致在硅晶体内部较脆弱的部位(如晶界附近)形成微裂纹，多孔硅沿着硅表面缺陷和裂纹区生长．随着刻蚀时间的增加，多孔硅孔隙率增加，拉伸应力进一步增加．正是由于这种残余应力的存在导致了多孔硅发生龟裂现象．     

多孔硅残余应力的研究

利用电化学腐蚀的方法在p型单晶硅(100)衬底上制备了多孔硅薄膜。利用微拉曼光谱法分别测量了处于湿化—干燥—再湿化3个阶段的多孔硅薄膜的拉曼频移,对多孔硅内应变引起的频移改变量和纳米硅晶粒因声子限制效应引起的频移改变量进行分离,找到多孔硅薄膜残余应力与拉曼频移之间的关系式。利用这一关系式,对不同孔隙率的多孔硅薄膜的残余应力进行了计算,获得了和声子模型拟合方法相一致的结果。研究中发现,多孔硅表面残余应力随孔隙率的增加而线性增大,其原因为随着孔隙率的增加,多孔硅晶格常数增大,且干燥过程中残液的蒸发产生的毛细应力使多孔硅薄膜与基体硅间晶格错配程度增大造成的。     

微拉曼光谱技术及其在微结构残余应力检测中的应用

多孔硅薄膜，硅基底结构是微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)中的一个基本组元，其厚度为微米量级。由于薄膜与基底材料之间存在着晶格错配，在薄膜，基底间的界面上会出现残余应力，严重时会导致裂纹出现而发生断裂。微拉曼光谱法(micro-Raman spectroscopy，MRS)是近些年来在化学、物理、材料和力学等学科领域迅速发展的光学测量方法。文中对这一方法进行介绍，并且用来测量化学腐蚀多孔硅薄膜结构的残余应力，发现随着孔隙率的增加，多孔硅表面的拉伸应力逐渐增大。特别对某一样品出现裂纹区的拉曼测量表明，在裂纹区的残余应力急剧上升，达到了0．92GPa。使用金相显微镜观察不同孔隙率的多孔硅薄膜表面的微观形貌，这种不同程度的微观孔穴结构与残余应力的分布存在着紧密的联系。     

小波变换在数字全息中的应用

数字全息是通过数字重构来同时获取被测物强度与相位,但记录时的激光散斑效应和重构时的零级衍射斑成为了这种方法的瓶颈。将小波变换引入数字全息,可直接消除零级衍射像,无需相移,也不需要采集多幅图像;小波非线性滤波器还可消除散斑噪声。模拟和实验结果表明,小波分析的引入,可以消除零级衍射影响,改善图像质量,提高测试分辨率。     

锂离子电池硅/热解聚苯胺复合负极材料的研究

以纳米硅为原料,聚苯胺（PANI）为碳源,通过球磨法和高温热解制备了硅/热解聚苯胺（Si/p-PANI）复合物作为锂离子电池负极材料,并研究了热解温度对复合材料性能的影响。采用XRD、SEM、TEM、FTIR及XPS方法对复合材料的结构、形貌和组成进行了表征;采用恒流充放电和CV等方法测试了材料的电化学性能。研究结果表明,Si/p-PANI可以抑制纳米硅颗粒之间的团聚,并形成良好的导电网络。700℃热解后得到的Si/p-PANI在400 mA·g^-1电流密度下循环50次,可逆比容量为1 051.1 mAh·g^-1,具有良好的电化学性能。