东方龙虱鞘翅微结构及力学性能研究

生物材料优化的几何拓扑和轻质高强的特点对航空航天结构和材料设计具有重要启示.用扫描电子显微镜、原子力显微镜和粗糙度仪观测东方龙虱鞘翅的表面形貌和截面微结构，结果表明其表面非常光滑，Ra0.725μm,与磨削加工表面相当；鞘翅上有规律的分布着微米级的凹陷；横截面可见交错的空腔和孔道结构，材料绕空腔或孔道成层状分布.用纳米压痕仪测试东方龙虱鞘翅的硬度和弹性模量分别为0.473GPa和8.16GPa，显著高于花金龟、巨锯秋甲、双叉犀金龟的值；鞘翅的机械性能有明显的分布特征，该结果为开展轻质结构的拓扑优化和复合材料设计提供了很好的启示.     

Fe/Cu纳米多层薄膜中内应力对其力学性能的影响

利用直流磁控溅射方法制备了Fe/Cu纳米多层膜,使用扫描电子显微镜(SEM)、薄膜应力分布测试仪和纳米压痕技术研究了不同周期结构Fe/Cu纳米多层薄膜的内应力及其纳米力学性能.在Fe/Cu纳米多层薄膜中,由于铁和铜的结构和本征性能的差异,形成多层膜结构后存在张应力,其张应力在周期T=10时达到910.08 MPa,对应的纳米硬度为12.3 GPa.随着多层薄膜调制周期数T的增加而内应力逐渐降低,纳米硬度和弹性模量随着张应力缓释也出现下降.根据纳米薄膜内应力对其力学性能的影响,探讨了内应力与薄膜纳米力学性能的相关性.     

超声表面滚压加工40Cr表层的纳米力学性能

研究了超声表面滚压加工40Cr表层的力学性能.采用纳米压痕实验测定了表层的弹性模量、纳米硬度和残余应力.实验结果表明:经过超声表面滚压后,40Cr表层的弹性模量和硬度都得到显著提高,最大值均位于表面,往复加工3遍的表面弹性模量和硬度分别为217.16,GPa和3.588,GPa,加工6遍的表面弹性模量和硬度分别为224.8,GPa和3.857,GPa;同时表层获得一定数值的残余压应力,最大值位于表面并随着加工遍数的增加而增大.对比实验结果发现往复加工次数对表层的力学性能有重要的影响.     

采用有限元仿真研究TiN和Ti-Si-N的力学性能特点

利用有限元的非线性算法对一个TiN表面和一个Ti-Si-N纳米复合表面的压痕测量实验曲线进行仿真拟合,并对它们的力学性能进行比较分析.论文介绍该三维有限元仿真过程的各个步骤,重点说明如何通过计算求取与实验的载荷-位移曲线相对应的应力-应变关系,以及通过有限元仿真得到TiN样品和Ti-Si-N样品的屈服极限.经过仿真得到TiN表面和Ti-Si-N表面的硬度分别为21.319GPa和39.874GPa,与实测值21.4GPa和41.8GPa很接近.该研究结果证明此计算材料应力-应变关系和求取屈服极限的方法是可行的.通过仿真得到Ti-Si-N纳米复合表面的屈服强度为24GPa、TiN表面的屈服强度为12GPa.     

残余应力、晶粒尺寸对铍纳米压入行为影响的数值分析

通过纳米压痕和电子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)技术获得金属铍在晶粒尺度上的表面微力学行为(性能)信息,基于ABAQUS对纳米压入过程进行有限元模拟.因数值模拟结果与实测信息相符合,故可获得仿真过程的基本力学性能参数.基于得出的参数,针对残余应力、晶粒尺寸对铍纳米压入行为的影响进行数值分析,结果表明,残余应力、晶体尺寸与纳米压入塑性功、最大深度及残余深度之间存在明显的线性关系;以塑性功为对比依据,残余应力与晶粒尺寸的影响系数分别为0.852 5×10^-12 J/MPa,95.373×10^-12 J/μm.该研究对纳米压痕力学性能、估计晶粒内残余应力等研究有一定的参考价值.     

调制周期对TiCrN/WN多层膜结构与力学性能的影响

为了研究调制周期对TiCrN/WN多层薄膜结构与力学性能的影响,采用超高真空射频磁控溅射系统在Si(100)基底表面制备了一系列TiCrN/WN多层薄膜,利用X线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕仪和表面轮廓仪等分析TiCrN/WN多层膜的结构特征以及硬度、应力和弹性模量等机械性能.结果表明:TiCrN/WN多层膜具有周期性良好的调制结构,调制界面清晰.调制周期的改变对TiCrN/WN多层膜的结构和机械性能影响较大.当调制周期Λ=25nm时,多层膜体系表现出较强的W2N(111)和TiCrN(111)择优取向.此时,多层膜的硬度和弹性模量均达到最大值,分别为40.84GPa和408.85GPa.     

基于纳米压痕测试的骨骼力学 特性解剖学区域差异研究

厘清骨骼不同解剖学区域的力学性能差异可为构建高生物逼真度的骨骼有限元模型提供重要依据.从牛股骨中段的前、后、内、外四个解剖学区域各制备一个试样,采用玻式压头对每个试样分别进行18个点的纳米压痕试验,记录加载力和压入深度的时间历程曲线,获得各压痕点的压入模量和硬度.结果显示长骨前侧、后侧、外侧、内侧的压入模量分别为20.78±2.66 GPa、18.66±2.57 GPa、16.39±2.29 GPa、21.57±2.19 GPa,硬度分别为0.65±0.79 GPa、0.58±0.08 GPa、0.44±0.06 GPa、0.61±0.15 GPa.方差分析表明,解剖学区域对压入模量和硬度的影响显著(p<0.001);组间多重比较表明,前侧试样的压入模量和硬度显著高于外侧试样,内侧试样的压入模量和硬度显著高于外侧试样,后侧试样的硬度显著高于外侧试样,内侧试样的压入模量显著高于外侧试样.因此,采用非均一材料将有助于提升长骨有限元模型的生物逼真度.     

调制比对ZrN/NbB_2纳米多层薄膜结构和机械性能的影响

为了研究调制比对ZrN/NbB_2多层薄膜结构与力学性能的影响,采用超高真空射频磁控溅射技术在Si(100)基底表面上沉积合成具有不同调制比的ZrN/NbB_2多层薄膜,并利用X线衍射仪器(XRD)、表面轮廓仪(XP-2)和纳米压痕仪分别对ZrN/NbB_2薄膜的结构特征以及硬度、应力、弹性模量和结合力等机械性能进行研究.结果表明:不同调制比的ZrN/NbB_2多层薄膜结构中均出现了Nb B2(001)、Nb B2(002)和Zr N(111)衍射峰.随着调制比tZr N∶tNb B2从2∶1变化为1∶4,ZrN/NbB_2纳米多层膜的硬度和弹性模量均呈现先增后减的变化趋势,且在t_(ZrN)∶t_(NbB_2)=2∶3时,多层膜硬度和弹性模量分别达到39.29 GPa和428.47 GPa的最大值.     

木质蜂窝空芯板的研究

<正>木质蜂窝空芯板是以旋切碎单板经加工成规格尺寸,再排列成蜂窝状作芯层,两边覆单板胶合而成的一种复合空芯结构板材。主要研究其芯层单板的排列结构和它的制造加工工艺对板材力学性能的影响。也提出了可实现机械化生产的蜂窝芯层单板排列结构形式和它的全过程生产工艺。测定的板材主要力学性能为: MOR:14.2～21.5 (MPa);MOE:2～2.7 (10~3×MPa) IB:0.21～0.43 (MPa);密度:0.149～0.206 (g/cm~3)     

ZrYN层厚度对CrN/ZrYN纳米多层膜微观结构和力学性能的影响

采用磁控溅射技术在单晶Si基片上交替沉积CrN层、ZrYN层，制备不同厚度ZrYN层的CrN/ZrYN纳米多层膜。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、纳米压痕仪表征纳米多层膜的微观结构和力学性能。结果表明：随着ZrYN层厚度的增大，纳米多层膜中CrN相的结晶程度呈现出先上升后下降的趋势；纳米多层膜的硬度、弹性模量、韧性也呈现出先增大后减小的趋势；当ZrYN层厚度为0.9 nm时，纳米多层膜具有最高的硬度、弹性模量、韧性，分别为20.3 GPa、210.4 GPa、2.25 MPa·m^1/2。上述结果表明，随着ZrYN层厚度的增大，纳米多层膜出现由晶态向非晶态转变，在非晶态下，能够获得良好的综合力学性能。