纳米硬度计研究多晶硅微悬臂梁力学特性

微构件的弹性系数影响微型传感器的静态和动态力学特性 ,为了精确的测试和评定微构件的力学特性 ,利用纳米硬度计通过微悬臂梁的弯曲试验来测量其力学特性。运用该方法可精确测量微悬臂梁纳米级弯曲变形 ,在研究微悬臂梁的纯弯曲变形过程中 ,必须考虑压头在微悬臂梁上的压入以及微悬臂沿宽度方向的挠曲。试验研究表明 ,多晶硅微悬臂梁的纯挠曲与载荷成很好的线性关系 ,通过线性关系计算得到梁的弹性模量为 [1± (2 .9%～ 6 .3% ) ]× 15 6 GPa。     

微结构振动特性的自由衰减测试方法

为准确快速地对微结构的谐振频率和阻尼比进行测试和分析，组建了以激光多普勒测振仪为核心的微结构瞬态离面运动特性测试系统．附有压电驱动的微悬臂梁和微振动薄膜在斜波脉冲激励信号作用下产生自由衰减振动，通过激光多普勒测振仪将瞬态运动速度转换为模拟信号，经数据采集卡数字化后送入计算机，对其振动特性进行分析．实验测得MPA-41200-10型微悬臂梁谐振频率为48．676kHz，阻尼比为0．0029，微薄膜谐振频率为25．446kHz，阻尼比为0．042．实验结果与采用频率扫描方法测试的结果进行了对比，证实自由衰减振动法对微结构振动特性的快速测试是可行、有效的．     

基于虚拟仪器技术的应变测试系统

针对虚拟仪器技术在组建测试系统上的巨大优势,研讨了基于虚拟仪器技术实现应变自动测试的方式和方法,即基于虚拟仪器技术的应变测试系统的硬件组成、应变测试系统的原理以及利用LabVIEW软件实现该系统的具体方法,从测试程序前面板上绘出的应力一应变曲线的斜率得出被测构件材料的弹性模量,从而可知被测构件的材料．试验测得悬臂梁的弹性模量,是与已知悬臂梁的材料为金属铜相符的．组建的测试系统可用于鉴定金属材料的主要成分．     

微梁传感器弹性模量的测试

利用一种静态和两种动态的检测技术,对红外辐射探测微悬臂梁式传感器材料的弹性模量进行了测试研究.在静态检测实验中,利用纳米硬度计直接测出传感器材料的弹性模量;在动态实验中,分别利用谱平面光学滤波法和多普勒测振仪得到微悬臂梁传感器结构的固有频率,再结合数值模拟计算求出传感器的等效弹性模量.通过几种检测结果的分析和比较,获得了更加精确的微梁传感器单元的弹性模量值,为微梁的优化设计和评估提供了可靠的参数.     

散斑干涉方法测定牙槽骨弹性模量

针对牙槽骨弹性模量在认识其结构生物力学行为及在口腔正畸治疗方案中的重要作用,应用电子散斑干涉方法对牙槽骨材料的弹性模量进行了实验研究.首先为减少误差采用有限元数值模拟得到牙槽骨梁-质量球的单自由度振动模型优化尺寸,并依此利用电子散斑干涉技术对12个试样进行了共振模态测量,基于悬臂梁等效弹簧刚度模型及振动频率测量值获得了不同部位的牙槽骨在不同湿度下的弹性模量.实验结果表明:不同牙位、牙根轴向层面的牙槽骨弹性模量值存在明显差异,磨牙间的牙槽骨弹性模量明显小于前磨牙部位,根尖处牙槽骨弹性模量显著大于根中部位.测量结果与已有文献的接触测量方法获得的牙槽骨弹性模量值及分布特性相一致,证明了骨材料弹性模量的非接触散斑干涉测定技术的可行性与有效性.相比之下,该测试方法对试样约束及加载方式要求较低,具有实验操作简单、非破坏性测量、可多次重复实验的优势.     

微型梁杨氏模量与内应力的固有频率法测量

为实现对硅微机械与光纤组合式阵列传感器的核心敏感元件－微型硅梁的杨氏模量和内应力进行测试,提出了利用光纤耦合机理来测量微型硅梁的横向固有振动频率,进而推导梁构件杨氏模量和内应力的方法,原理简洁,具有实现也较为可行,从而为机械构件的机械性能测试分析提供了方法,具有实用意义。     

微构件弹性模量悬臂梁法测量的模糊建模及分析

在介绍悬臂梁法测量微构件弹性模量原理的基础上，分析了测量和评价过程的主要不确定因素，将模糊数学方法引入弹性模量的评价过程．在常规模型中，给予有关参数一定的变动范围，以隶属函数表示其取值分布情况，建立了基于模糊集的评价模型．其中，悬臂梁试件的刚度系数由载荷一有效挠度曲线经模糊加权线性回归拟合获得，其几何尺寸考虑为正态分布模糊数，利用水平截集概念转化为普通集规划问题求解．对单晶硅(100)悬臂梁试件的实验数据进行了计算，得到不同置信水平下的弹性模量评价区间．研究结果表明，带有模糊参数的弹性模量评价模型能适当吸收一些不确定因素，同时由于考虑了测量中多种因素的影响，评价结果与实际情况符合较好，因此更具有参考价值．     

二维黑磷晶体各向异性弹性的有限元分析

利用基于原子力显微镜的悬臂梁弯曲法,对二维黑磷晶体两个特殊晶轴方向的弹性模量进行测量.通过有限元仿真对悬臂梁结构建模计算,分析了影响测量结果精度的因素:悬臂梁弯曲变形量-厚度比、悬臂梁的长宽比和黑磷晶体弹性模量各向异性.结果表明,悬臂梁长宽比相对于变形量-厚度比、弹性模量各向异性,对测量结果影响更大,其最大相对误差达-40%,.通过有限元仿真分析,可以修正悬臂梁弯曲法力学模型中误差,从而得到更准确的测量结果.     

一种新型微机械红外热探测器的吸收层

在对新型微机械悬臂梁红外热探测器进行理论建模的基础上,研究了一种适合于此种红外热探测器的吸热层材料——碳纳米管.利用碳纳米管的红外吸收特性,在微机械悬臂梁上生长碳纳米管薄膜作为吸热层,提高了微机械悬臂梁红外探测器的红外吸收能力.研究结果表明,选用碳纳米管薄膜作为微机械悬臂梁红外热探测器的吸热层比选用传统的红外吸收层材料探测分辨率提高了10%,这种基于微电子机械系统技术的传感器与集成电路工艺是兼容的,成本低廉且适合批量生产.     

玻纤针刺毡热塑性复合材料振动特性实验研究

玻璃纤维针刺毡热塑性复合材料(GMT)具有比强度高、减震性能好、可回收且价格低等优点,已经广泛应用于制造汽车零部件以实现汽车的轻量化.采用连续弹性体悬臂梁模态测试方法研究GMT动弹性模量和阻尼特性,分析悬臂梁长及宽度对GMT的动弹性模量和阻尼的影响规律,研究动弹性模量和振动频率的关系.实验结果表明:当悬臂梁的宽度和厚度一定时,悬臂梁越长,各阶频率对应的阻尼值越小,而动弹性模量越大,但均小于静弹性模量.这些研究成果为GMT的工程应用,特别为汽车零部件设计提供可靠了实验数据.     

自由振动法测量材料杨氏模量

根据振动理论，给出了悬臂梁自由振动的周期与材料杨氏模量的关系，并设计了一种测量材料杨氏模量的实验装置，该装置的测量精度比传统的静态拉伸法高一个数量级。     

梁长对悬臂梁振动测定材料动弹性模量的影响

由悬臂梁振动测定材料动弹性模量的方法,受梁长与梁高比值的影响较为明显.选用有机玻璃和聚丙烯塑料2种材质,进行由悬臂梁振动测定材料动弹性模量试验.试验结果表明,只有当梁长大于或等于5倍梁高时,这种影响才可忽略不计.同时,当梁长大于或等于3倍梁宽时,对悬臂梁振动测定材料动弹性模量的影响不明显.     

微纳尺度冻胶分散体杨氏模量对封堵性能影响

致密/页岩油气长期压裂开发下优势窜流通道发育，冻胶分散体在流道调控扩大波及方面具有很好的应用效果。冻胶分散体机械强度与其宏观封堵性能间应有密切关系，然而，目前的冻胶分散体机械强度缺乏有效表征手段。以铬冻胶分散体为例，通过原子力显微镜直接测量了微纳尺度铬冻胶分散体杨氏模量，并通过对其宏观封堵性能进行评价，从而建立了二者间映射关系。研究表明，控制聚合物质量分数为0.3%，SD-107质量分数由0.4%增大到0.7%，本体冻胶强度随之增大，相应冻胶分散体杨氏模量也随之增加。当杨氏模量自159 Pa上升至633 Pa时，封堵率由93.23%上升至98.08%。通过调控微纳尺度冻胶分散体杨氏模量研究其封堵性能差异，为致密/页岩油气储层高效开发提供基础理论指导。     

矮塔斜拉桥参数敏感性分析

以开封黄河二桥主桥矮塔斜拉桥为研究对象,采用MIDAS/Civil有限元程序,建立了该桥在最大悬臂施工阶段的有限元计算模型.考虑施工过程中可能出现的桥梁参数变化,分别进行主梁混凝土容重、主梁混凝土弹性模量、主梁截面尺寸、斜拉索弹性模量、斜拉索初张力、主梁预应力荷载和施工荷载敏感性分析,确定出悬臂施工时影响主梁位移和应力的主要设计参数.计算结果表明,主梁混凝土容重、截面尺寸、斜拉索初张力、预应力荷载和施工荷载为主要设计参数,混凝土弹性模量和斜拉索弹性模量为次要设计参数.所得结果可为该桥梁施工控制提供参考.     

基于悬臂共振法的IPMC杨氏模量的动力学测定方法

针对目前IPMC智能材料杨氏模量的测定存在方法单一、破坏材料本身等问题,提出了一种基于悬臂共振法的动力学测定方法.该方法通过激励装置使IPMC发生有阻尼自由衰减振动,采用激光位移传感技术记录其振动历程,然后对采集到的信号进行分析处理,从而得到其基频,最后采用悬臂共振法建立IPMC的横向振动方程,引入边界条件即可计算出其杨氏模量.这种方法与目前存在的拉伸法和弯曲法相比,具有测试方便简单、对材料本身不产生破坏、测定结果精度高等优点.     

微观缩松对蠕铁微观组织和力学性能的影响

微观缩松缺陷的位置分布、体积大小表现出随机性特点,会对材料微观组织和宏观力学性能产生影响. 通过微观组织观测,研究了微观缩松对蠕墨铸铁材料微观组织的影响. 同时,建立了含微观缩松缺陷的三维代表性体积元模型,通过施加周期性边界条件和拉伸位移载荷,研究了微观缩松对蠕墨铸铁材料宏观力学性能的影响. 结果表明,蠕铁材料微观缩松缺陷周围组织中含有Ce,Mg元素,表明稀土蠕化剂与所研究的蠕墨铸铁的微观缩松的形成有密切联系,增加了材料内部形成微观缩松的倾向. 随着材料内部微观缩松体积分数的增加,材料的宏观等效弹性模量呈线性降低;微观缩松还会造成材料内局部区域的应力集中,易于微小裂纹的萌生及扩展.      

用电容位移传感器测量金属丝弹性模量

针对传统测量弹性模量方法存在的局限,提出了一种新的用电容位移传感器测量金属丝弹性模量的方法.详细介绍了测量原理、测量装置和测量过程,给出了测量结果,并讨论了影响测量误差的主要因素及减小测量误差的具体措施.选用钢丝作为具体测量对象,测量结果与材料手册中给出的结果吻合.本测量方法较传统测量方法有更高的测量精度,可用于测量多种金属丝的弹性模量.     

基底材料对MoS2的应变场影响

利用有限元法分析对生长在Au、Cu、Al₂O₃、SiO₂、Ni这5种不同基底上的层状MoS₂的应变分布进行模拟仿真.研究结果表明:基底材料的泊松比不同会使得基底和MoS₂的y方向形变都不相同; 基底的杨氏模量不同会使得不同基底底部与二硫化钼(MoS₂)顶部的应变差别不同.在膨胀过程中,y方向底端的拉伸应变大于中间的拉伸应变,这会导致基底与顶端应变高于中间的应变.因此,基底材料的杨氏模量和泊松比与MoS₂的应变分布密切相关.根据仿真结果可得,由于MoS₂在Au和SiO₂基底上所受到的应变较小,导致MoS₂的顶端和基底底部应变差较大,因此容易造成剥离脱落; 而在Al₂O₃基底上,由于基底材料具有较高的杨氏模量,且与MoS₂比较接近,所以MoS₂顶端和基底底部呈现的应变差接近.由此可见,在这些材料当中,Al₂O₃更适合作为MoS₂的基底材料.通过研究基底材料的应变场分布,能更好地对纳米材料进行调控,从而改善器件的相关性能.     

高温后花岗岩密度及波动特性的试验研究

测试了25块花岗岩试件在经历不同高温前后的密度、纵波波速等物理特性常数，并由测得的纵波波速间接计算出花岗岩的弹性模量，同时应用力学的常规压缩方法直接测试计算了岩石的弹性模量，分析了经历不同高温后花岗岩密度、纵波波速和弹性模量的变化情况．测试结果表明，经历高温后花岗岩的密度和纵波波速等物理特性常数与常温相比均有不同程度的减小，而且随加热温度的升高，减小的幅度增大，但是纵波波速的变化幅度要比密度的变化幅度大得多；根据物理特性常数计算的弹性模量的变化幅度要远大于根据力学常规压缩方法测试计算的弹性模量的变化幅度，这说明经历高温后岩石物理性质(纵波波速等)的变化比力学性质的变化更剧烈．