压头对Ni基单晶合金纳米压痕结果的影响

采用分子动力学方法研究压头尺寸(半径分别为1.5nm、2.5nm、3.5nm、4.5nm)和加载速度(10m/s、20m/s、30m/s、40m/s)对Ni基单晶合金γ/γ′(001)晶面纳米压痕测试结果(弹性模量和硬度)的影响。结果表明压头尺寸和加载速度对Ni基单晶合金γ/γ′(001)晶面的纳米压痕测试结果有显著影响。采用中心对称参数研究各模型不同压入深度时基体中位错的形核和运动情况,结果表明压头尺寸越大、加载速度越快,基体γ相中位错形核形式越剧烈。压头尺寸较大或加载速度较快的模型在γ相中产生了棱柱型位错环,棱柱型位错环在γ相中沿着{111}面滑移,最终在γ/γ′相界面处塞积,然后有新的棱柱型位错环产生。     

纳米压痕仪的压头面积函数校准方法的比较研究

基于原子力显微镜的直接测量法和通过熔融石英标准样块校准的间接测量法对纳米压痕仪的压头面积函数及机架柔度进行校准,并将这2种方法的校准结果分别应用到熔融石英和聚碳酸酯2种标准样块的压痕测试。压痕实验结果表明,在较浅压入深度,直接测量法测得的硬度值和折合模量值比间接方法测得的结果准确,在较大压入深度,2种方法的测量结果相差不大。     

试样倾斜对球形压头微米划痕测试紫铜摩擦系数的影响

采用球形压头对紫铜进行微米划痕实验,在恒定正压力下研究了试样倾斜对测试摩擦系数的影响。结果表明:实验测得的名义摩擦系数与倾斜角线性相关,且±9°的差别会造成摩擦系数相差约14倍。通过建立球形压头与试样倾斜状态的位置关系模型,发现试样倾斜对粘着摩擦系数无影响,而犁沟摩擦系数随倾斜角线性变化。为了准确计算无倾斜条件下的真实摩擦系数,可通过平面接触力学模型实现名义摩擦系数与真实摩擦系数之间的转换,或者在试样表面的不同位置往复划刻,再取摩擦系数的平均值作为最终结果。     

应用纳米压痕技术测试沥青炭的力学性能

以高温煤沥青为前驱体,采用液相浸渍技术制备了4D炭/炭复合材料.利用纳米压痕技术研究了后处理温度和炭基体位置对沥青炭力学性能的影响.研究结果表明,在同一工艺状态下,束内沥青炭的硬度和模量要远低于束间沥青炭的硬度和模量.经过900℃后处理的沥青炭的模量出现小幅降低,而硬度则出现一定的增加.     

压头晶体各向异性对纳米压痕变形机理的影响

为了研究压头晶体各向异性对纳米压痕变形机理的影响,用多尺度准连续介质(QC)法模拟了不同晶向的Ni压头与Ag薄膜的纳米压痕过程,对比不同晶向的压头在薄膜的弹-塑性转变点和最大载荷时薄膜中的原子滑移带,发现压头的晶向是决定薄膜开启原子滑移系的难易的关键因素。研究了压头在不同晶向下纳米压痕过程中Ag薄膜的变形机理,发现薄膜中原子滑移大都由压头拐角处触发。用RiceThomson位错模型计算得到压头表面正应力和切应力的分布图,借助应力分布图讨论了薄膜原子滑移的开启机理。     

纳米压痕测试技术在GFRP材料中的应用综述

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.     

纳米压痕试验标准块均匀性的检验

应用显微维氏硬度计和纳米压痕仪,对高硬度钢样品（GCr15）和高纯度熔融石英分别进行了试验,得到该钢样品的弹性模量值和硬度值分别为238．140GPa和9．468GPa,高纯度熔融石英样品的弹性模量值和硬度值分别为71．386GPa和9．502GPa。按照标准块均匀性的统计检验方法对试验得到的数据进行了统计分析,发现高纯度熔融石英样品的均匀性比高硬度钢样品的均匀性高。     

纳米压痕结合有限元法确定ZnO纳米带的弹性常数

本文结合纳米压痕和有限元法确定了横观各向同性ZnO纳米带各方向上的弹性常数。在正向分析过程中,用ABAQUS有限元软件的压电模式大量模拟了纳米带/硅基底体系的压痕实验,得到无量纲方程的具体形式。在反向分析过程中,通过对沉积在硅基底上的ZnO纳米带进行纳米压痕实验,将相关实验数据代入无量纲方程,确定横观各向同性ZnO纳米带各方向上的弹性常数为ET=35GPa,EL=49GPa和GL=5GPa。     

压头面积函数对纳米压入测试结果的影响

从纳米压入测量的基本原理出发介绍了压头面积函数及其校对方法,并对熔融石英进行了两次纳米压入测量,校对了两次压头面积函数,两次测量及校对的时间间隔为1a（年）。结果表明,两次校对后的压头面积函数差别较大。若第二次测量的熔融石英数据仍采用第一次校对的面积函数进行计算,将使杨氏模量和硬度测量结果产生很大误差,阐明了压头面积函数校对在纳米压入测试中的重要作用。     

一种钠钙硅酸盐玻璃的纳米压痕测试分析

采用纳米压痕测试技术对一种钠钙硅酸盐玻璃进行微观力学性能的测试分析.测得加载-卸载过程载荷与压入深度曲线,发现被测玻璃的最大压深、残余深度和弹性回复量随最大加载力的增加而增大,但其相对弹性回复率系数基本稳定,平均值为58.2%.通过电子显微镜观察了不同最大载荷下的压痕形貌,发现压痕区域出现了边界沉陷现象.当最大加载力为1 000 mN左右时,三棱锥工具头测试的压痕区域出现了较明显的微裂纹;采用四棱锥工具头时出现微裂纹的最大加载力要小于该值,且裂纹取向均与金刚石工具头的棱角取向一致.利用非线性有限元软件MSC.Marc对纳米压痕过程进行了仿真分析,得到载荷与压入深度的仿真曲线,该曲线与试验结果基本相符;分析了载荷作用下材料内部的应力分布.利用Oliver-Pharr模型得到不同压入深度下被测玻璃的接触刚度值,该值随压入深度的增加而增大.     

不同化学蚀刻法对石英基片激光损伤阈值的影响

为提高三倍频光学元件的表面损伤阈值,采用了不同方式对石英基片进行酸蚀刻,利用原子力显微镜观测了基片蚀刻前后的表面微观形貌,并在激光损伤测量装置上进行了R:1方式的阈值测试,比较分析了蚀刻前后基片激光损伤阈值和表面形貌的变化,并比较了不同抛光质量石英基片蚀刻效果的差异.通过实验研究,总结了不同蚀刻方式的优缺点,研究表明酸蚀刻法可以有效提高石英基片激光损伤阈值.     

熔融石英陶瓷的研究及应用进展

主要介绍了石英陶瓷的成型技术、烧结方法、添加剂对熔融石英陶瓷烧结性能的影响及其应用现状.振动压力注浆成型是在传统的注浆工艺基础上改进而成的,能显著提高陶瓷坯体的强度,而凝胶注模成型技术则非常适用于成型复杂形状的陶瓷制品,二者均为石英陶瓷比较成熟的成型技术;在烧结过程中升温速率和冷却速率是影响石英陶瓷性能的关键因素,通过添加B4C和Si3N4能显著提高石英陶瓷制品的致密度;目前石英陶瓷已广泛应用于冶金、玻璃、钢铁、航空等诸多领域.     

层状碳纳米管/石英复合材料的制备及其微波衰减性能

采用溶胶-凝胶法合成了3种不同体积分数的碳纳米管/石英复合粉体,将其中的2种复合粉体先后装入同一石墨模腔中,经热压烧结获得致密的层状碳纳米管/石英复合材料.测试了层状复合材料在8.2～12.4GHz波段的微波衰减性能,研究发现,层状碳纳米管/石英复合材料具有优良的微波衰减性能,并且微波从不同的材料面入射对微波产生的反射差别很大.对于10%(体积分数)碳纳米管/石英-纯石英层状复合材料,微波从10%(体积分数)碳纳米管/石英面入射造成的微波反射量是从纯石英面入射造成的微波反射量的5倍以上.采用层状设计制备了一种对微波反射少、吸收量大的碳纳米管/石英复合材料.     

CO2激光对熔石英损伤修复的研究进展

CO2激光对熔石英损伤修复的机理主要是通过激光的热效应使表面发生熔融,对损伤处起到弥合作用使元件的表面结构趋于完整。近几年CO2激光修复的方法按激光扫描方式可以分为光栅式扫描法和振镜扫描法。利用逐渐提高功率的扫描方式可以有效减少修复过程中气泡的产生,用高温退火的方式可以完全消除或者消除大部分修复后产生的应力,这取决于损伤点的尺寸。多种处理工艺相结合的方法可以有效提高修复后的损伤阈值。     

Glassomer—Processing Fused Silica Glass Like a Polymer

Fused silica glass is one of the most important high‐performance materials for scientific research, industry, and society. However due to its high chemical and thermal resistance as well as high hardness, fused silica glass is notoriously difficult to structure. This work introduces Glassomer, a solid nanocomposite, which can be structured using polymer molding and subtractive technologies at submicrometer resolution. After polymer processing Glassomer is turned into optical grade fused silica glass during a final heat treatment. The resulting glass has the same optical transparency as commercial fused silica and a smooth surface with a roughness of a few nanometers. This work makes high‐performance fused silica glass components accessible to high‐throughput fabrication technologies and will enable numerous optical, photonic and medical applications in science and industry.     

Measurements of Viscoelastic Functions of Polymers in the Frequency-Domain Using Nanoindentation

A method to measure the complex compliance (or modulus) of linearly viscoelastic materials is presented using nanoindentation with a spherical indenter. The Hertzian solution for an elastic indentation problem, in combination with a hereditary integral operator proposed by Lee and Radok (Journal of Applied Mechanics 27, 1960, 438–444) for the situation of non-decreasing indentation contact area, was used to derive formulas for the complex viscoelastic functions in the frequency-domain. The formulas are most suitable for frequencies lower than a frequency limit such that the condition of non-decreasing contact area holds; they are reasonably good approximation at higher frequencies under which decreasing contact area occurs and the Ting (Journal of Applied Mechanics 33, 1966, 845–854) approach for arbitrary contact area history is needed. Nanoindentation tests were conducted on both polycarbonate and polymethyl methacrylate under a harmonic indentation load superimposed on either step or ramp indentation load, while the resulting displacement under steady state was recorded. The load and displacement data at each frequency were processed using the derived formulas to determine the viscoelastic functions in the frequency-domain. The same materials were also tested using a dynamic mechanical analysis (DMA) apparatus to determine the complex viscoelastic functions. The DMA and nanoindentation results were compared and found in a good agreement, indicating the validity of the new method presented.     

Use of Nanoindentation,Finite Element Simulations,and a Combined Experimental/Numerical Approach to Characterize Elastic Moduli of Individual Porous Silica Particles

This article describes the use of a combination of experimental nanoindentation and finite element numerical simulations to indirectly determine the elastic modulus of individual porous, micron-sized silica (SiO₂) particles. Two independent nanoindentation experiments on individual silica particles were employed, one with a Berkovich pyramidal nanoindenter tip, the other with a flat punch nanoindenter tip. In both cases, 3D finite element simulations were used to generate nanoindenter load–displacement curves for comparison with the corresponding experimental data, using the elastic modulus of the particle as a curve-fitting parameter. The resulting indirectly determined modulus values from the two independent experiments were found to be in good agreement, and were considerably lower than the published values for bulk or particulate solid silica. The results are also consistent with previously reported modulus values for nanoindentation of porous thin film SiO₂. Based on a review of the literature, the authors believe that this is the first article to report on the use of nanoindentation and numerical simulations in a combined experimental/numerical approach to determine the elastic modulus of individual porous silica particles.     

纳米压入测试中面积函数测量方法综述

在纳米压入法材料力学性能测试中,面积函数的准确测量对保证测量结果的准确性非常重要。本文对纳米压入测试中常用的面积函数确定方法进行了分类介绍,并对各种方法的特点进行了分析,指出了为提高纳米硬度和弹性模量等力学性能参数的测量准确性对面积函数进行校准的必要性。     

倾角传感器在线校准的激励源影响性分析

传感器是桥梁健康监测数据采集的关键部件,然而由于缺少合适的激励源和在线校准方法,在用桥梁健康监测系统传感器的计量性能难以在现场条件下得到有效验证。为探索利用行驶车辆的组合加载效应作为激励源进行桥梁健康监测传感器在线校准的可行性,提出了基于共源激励条件下序列数据分析的试验方法。以简支梁模型桥为基础,模拟了中心挠曲变形增量0～10mm,加载变化周期分别为5,10,15,20s的条件下,倾角传感器在线校准的激励条件,试验验证了激励源特性对校准结果稳定性的影响。统计学假设检验认为在显著性水平为0.05的条件下,激励源所引起的挠曲变形量、加载变化周期等对所试倾角传感器的校准结果无显著影响。