纳米压痕方法在材料研究中的应用

纳米压痕方法具有高的载荷-位移分辨率,不仅能测量出薄膜材料的各种力学性能,还能在实验中反映出块状材料内部晶体学缺陷的变化规律、相变特征,已经成为从原子量级到微米级研究材料各种性能的重要表征手段。介绍了纳米压痕方法在材料研究中的应用,在此基础上提出了纳米压痕方法研究中存在的问题,并展望了其前景。     

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。     

基于纳米压痕技术的碳纤维/环氧树脂复合材料各组分原位力学性能测试

基于纳米压痕技术对碳纤维/环氧树脂复合材料各组分的原位硬度、 弹性模量和蠕变性能进行了测试, 实验得到了基体、 纤维和微小厚度界面层的力学性能。结果表明, 从环氧树脂基体到碳纤维过渡过程中, 硬度和弹性模量有明显的梯度变化, 并且纤维和树脂基体的原位弹性模量平均值与其非原位性能有一定的变化, 实验得到纤维的原位弹性模量有所下降, 环氧树脂的弹性模量有所增加。试件制备过程中的机械研磨对其表面产生的残余应力和复合后两种材料的相互影响是组分材料原位性能变化的主要原因。各组分的蠕变性能呈现出明显的差异。     

应用纳米压痕技术研究表面纳米化后316L不锈钢力学性能

316L不锈钢经表面纳米化(SNC)处理后,表面形成一层纳米层。样品表面晶粒细化至纳米级大约12nm左右,随着深度的增加,晶粒尺寸逐渐增大。该文应用纳米压痕技术分析了纳米层力学性能,结果表明:纳米层的纳米硬度和弹性模量分别为6.05GPa和227GPa,是基体硬度和弹性模量的1.4倍和1.2倍。随距表面距离的增加而降低,并逐步趋近于一个稳定值。同时测得纳米层的应变硬化指数为0.44为基体的1.5倍。     

用纳米压痕技术表征超高韧性水泥基复合材料(ECC)的裂缝自愈合特性

为了探究ECC裂缝自愈合体系中不同物相的微观力学性能,应用纳米压痕技术对经历10个干湿循环环境后裂缝自愈合ECC体系中不同物相的荷载-位移、接触刚度-位移、弹性模量及硬度进行了研究。结果表明:当荷载相同时,压入深度大小顺序为:纤维ITZSHP基体粉煤灰砂子;接触刚度与压入深度近似呈线性关系;粉煤灰和砂子的弹性模量及硬度是体系中最高的,远远高于其他相,其次是基体,接下来是SHP、ITZ,最差的是纤维。     

氧化石墨烯/聚乙烯醇复合材料的纳米压痕实验及力学性能

为了研究氧化石墨烯(GO)对聚合物基复合材料力学性能的影响,通过溶液混合法制备了GO/聚乙烯醇(PVA)复合材料。然后,采用XRD、TEM、FTIR、DSC和纳米压痕实验等研究了GO/PVA复合材料的结构、界面结合性能、力学性能、蠕变行为和吸水膨胀率。结果表明:GO可以均匀分散在PVA基体中,二者之间主要通过氢键作用结合,具有较高的界面结合力;与纯PVA相比,1wt% GO/PVA复合材料的硬度和有效弹性模量分别提高了28.9%和23.3%,压入蠕变深度下降了19.8%;GO/PVA复合材料具有较低的无限剪切模量与瞬时剪切模量比,表明GO提高了PVA的蠕变抗力;GO的添加同时增加了GO/PVA复合材料的阻水性并降低了膨胀系数。吸湿纳米压痕实验结果表明:纯PVA的力学性能会随吸湿时间延长而下降,而GO/PVA复合材料吸湿72h后的力学性能基本保持不变。所得结论为石墨烯增强聚合物基复合材料的研究提供了理论指导。      

基于纳米压痕法的羟基磷灰石/聚乳酸复合材料力学性能表征

采用准静态和动态纳米压痕技术研究了羟基磷灰石/聚乳酸（HA/PLA）复合材料在微纳尺度的表面力学性能。在静态模式下研究了保载和卸载时间对模量和硬度测试结果的影响。结果发现,当保载时间小于45 s时,由于蠕变使保载和卸载时间对测试结果产生显著影响;保载时间短且卸载时间长时,在卸载段会形成"鼻子",为了避免"鼻子"选择保载时间为45 s。在动态模式下研究了材料的动态力学性能,结果表明,存储模量和硬度均随着压入深度的增加而减小。压痕和划痕实验结果均表明：HA显著提高了PLA的力学性能,与纯PLA相比,9wt% HA/PLA复合材料的模量增加了35.5%,硬度增加了44.7%,蠕变深度下降了9.5%,相同载荷下的最大划痕深度和残余深度均小于纯PLA,表现出良好的弹性恢复能力和抗变形能力。     

硅橡胶压磁复合材料力学性能纳米压痕实验研究

通过纳米压痕测试技术对非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9/硅橡胶压磁复合材料薄膜的力学性能进行了研究,讨论了加载速率、保载时间、峰值载荷等试验参数对模量和硬度测试结果的影响.进一步分析了纳米压痕实验表征非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9/硅橡胶压磁复合材料薄膜蠕变行为的可行性,通过合理确定压痕蠕变实验参数,获得该材料的蠕变应力指数.结果表明:相对峰值载荷,加载速率对测试结果影响更为显著,而保载时间对硬度和模量测试结果几乎没有影响.     

应用纳米压痕法测定柱状纳米材料的力学特性（英文）

纳米压痕法在确定纳米结构材料,特别是具有较大高宽比的一维纳米结构/对象的力学特性时,若纳米结构沿压入方向的等效刚度远小于针尖-样品的接触刚度,应用常规数据分析(Oliver-Pharr)模型会导致较大的测量偏差.对常规Oliver-Pharr解析模型进行了推广,以补偿一维纳米材料等效刚度对测量结果的影响,进而提出了适用于此类测量对象的通用纳米压痕分析模型,并应用于分析柱状微纳米结构的准静态压痕测量数据.实验中应用原子力显微镜(AFM)定量测量了湿法刻蚀获得的一维单晶硅柱状结构的几何参数(包括硅纳米柱的直径和长度).实验结果表明,应用常规模型分析对较大高宽比的硅纳米柱(直径386 nm,长500 nm)的压痕数据会导致大于50%的偏差.应用修正模型分析实验数据时,测量结果不受被测对象几何参数的影响,因而可以有效提高应用纳米压痕法对微纳米结构材料,特别是一维材料的测量精度.     

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.     

多孔材料表征与性能测试

综述了多孔材料微观结构的表征方法，并对多孔材料的渗透性能、声学性能、力学性能、热学及热机械性能的测试技术进行了总结。     

Effective Interfacial Thickness in Dissimilar Materials through Nanoindentation

The nanoindentation technique is used to quantify the interfaces between dissimilar materials. The interfaces can be generally referred as to the transition regions in polymers due to environmental aging, or the regions between fibers and polymer matrix in composites, or other similar situations. It is proposed to use a nanoindenter equipped with small spherical tip to cross-indent the interfaces of dissimilar materials. The nanoindentation tests were carried out through 3-dimensional finite element simulations with varying properties of the two dissimilar materials, including various combinations of modulus (E₁/E₂), yield strength (σ_y1/σ_y2), hardening index (n₁/n₂), and the interface sizes (R/T). The mechanical properties are calculated across the interfaces and a quantitative model for predicting the effective interfacial thickness is established.     

相变材料的研究进展及其在建筑领域的应用综述

相变材料是相变物质与传统建筑材料复合而成的一种新型储能建筑材料,本文对相变材料的概念、相变材料的分类、相变材料的筛选和改进、相变材料的制备方法以及封装方法进行了阐述,同时论述了相变材料在建筑领域的应用,并提出了相变材料应用于建筑领域的发展方向。     

Polymer-Derived High-Temperature Nonoxide Materials: A Review

This review is focused on an attractive class of polymer-derived high-temperature ceramics, namely, polymer-derived nonoxide materials. With a brief introduction of high-temperature nonoxides, the origin of using polycarbosilane (PCS) polymer melt spinning to synthesize silicon carbide (SiC) fibers is traced back. For SiC formation, the four stages for the conversion from polymer precursors to microcrystalline ceramics are examined first: crosslinking, polymer decomposition, ceramic formation, and crystallization. Also, the important parameters related to PCS pyrolysis are explained, and polymer-derived SiC microstructures and compositions are evaluated. Solid-solution carbides and transition metal carbides are further reviewed. For boride materials, the discussion is focused on transition metal borides and boride composites. Similar to PCS conversion to SiC, nitride materials mostly start with polycarbosilazane (PSZ) precursors and form into the final materials through pyrolysis. With different carbide and nitride precursors mixed and pyrolyzed together, high-temperature nonoxide composites are formed. Such molecular-level intermixing and versatile capability of forming different shapes enable many exciting properties. Among these are mechanical and thermal properties, along with electrical conductivity, electromagnetic shielding, and charge storage capability. An overview of applications of polymer-derived nonoxides is provided, followed by a summary and outlook.     

激光技术在材料科学中的应用进展

对激光技术在材料表面改性中的应用、在纳米材料中的应用以及在材料加工制造中的应用等进行了综述,对激光技术在材料科学中应用的进展有一个较全面的阐述。     

弹丸结构缺陷电磁超声无损检测技术综述?

介绍了弹丸结构缺陷的主要形式与危害,分析了针对弹丸结构缺陷进行电磁超声无损检测的目的意义,阐述了电磁超声无损检测技术应用于批量生产的弹药装备结构缺陷的快速自动化检测的优势,列举了国内外针对弹丸结构缺陷进行超声无损检测的工程应用实践。最后,针对我国结合电磁超声无损检测技术开展弹药生产质量监督给出了几点建议。     

Biodegradable Materials for Bone Repairs:A Review

With attractive research and development of biomaterials,more and more opportunities have been brought to the treatments of human tissue repairs.The implant is usually no need to exist in the body accompanied with the recovery or regeneration of the tissue lesions,and the long-term effect of exotic substance to human body should be reduced as lower as possible.For this purpose,biodegradable materials,including polymers, magnesium alloys and ceramics,have attracted much attention for medical applications due to their biodegradable characters in body environment.This paper in turn introduces these three different types of widely studied biodegradable materials as well as their advantages as implants in applications for bone repairs.Relevant history and research progresses are summarized.