基于分子动力学模拟的纳米压痕技术研究进展

纳米压痕技术是一门在微观尺度上测量材料力学性能的新兴技术,分子动力学模拟则可对抛光、超声振动、激光加工等工艺过程进行仿真,在研究加工过程中材料受微观粒子挤压、划擦及冲击等而变化的力学性能机理方面具有显著优势,故总结了分子动力学模拟和纳米压痕技术的基本原理,对采用分子动力学模拟研究纳米压痕技术的现状进行了综述。两种先进技术的有机结合,将极大地促进材料在微观尺度下的研究进程。

基于原子力显微镜的压痕技术及其应用

基于原子力显微镜的压痕技术具有高分辨、高精度等优点,是表征材料力学性质的重要手段,在材料科学、纳米科学、生物力学等领域具有广泛应用。首先,介绍了原子力显微镜及相关压痕技术的基本工作原理;然后,回顾总结了基于原子力显微镜的压痕技术在低维材料、软材料等领域的应用;接着,简要综述了原子力显微镜技术在二维材料高压相变方面的最新研究进展,着重介绍基于原子力显微镜的新型埃压痕技术,该技术可施加亚纳米级压痕深度,有效表征与调控二维材料的层间耦合作用;最后,对基于原子力显微镜的压痕技术在未来的发展和应用进行了展望。

纳米压痕技术测量管胞次生壁S_2层的纵向弹性模量和硬度

重点研究和详细介绍了利用纳米压痕技术测试管胞次生壁S2 层纵向弹性模量以及硬度的实验技术 ,并测试了人工林杉木早晚材管胞S2 层的纵向弹性模量和硬度。结果表明 :杉木晚材管胞S2 层的平均纵向硬度为0 390GPa ,弹性模量的平均值为 1 4 84 4GPa ;早材管胞S2 层的硬度和模量则小于晚材 ,平均值分别为 0 30 6GPa和9 82 3GPa。

应用纳米压痕技术表征水泥基材料微观力学性能

为了更好地研究和表征水泥基材料的微观结构及形成机理,对水泥净浆及掺粉煤灰的水泥浆体进行了微观力学性能研究.应用纳米压痕技术测试、分析并计算了不同浆体中各个区域的弹性模量和硬度,并对各参数在二维平面的分布进行了描绘.同时,利用高斯函数对弹性模量、硬度的频率分布曲线进行了多峰拟合,获得水化产物中毛细孔、高密度C-S-H凝胶(HD C-S-H)、低密度C-S-H凝胶(LD C-S-H)以及氢氧化钙相关参数的统计分布.分析结果表明,胶凝材料组成、水胶比、水化龄期等会引起水泥浆体中水化产物的差异,尤其是C-S-H凝胶堆积形貌的变化,进而影响到胶凝材料的宏观力学性能.

纳米压痕技术及其试验研究

介绍纳米压痕技术的基本原理和计算方法 ,从定义、适用范围和压痕面积的获得方法等三个方面指出纳米硬度与常规硬度之间的重要区别 ,对硬度的概念做了进一步讨论。通过试验得出了单晶铝材料的纳米硬度值 ,并与传统计算方法获得的硬度值进行了比较。

纳米压痕技术理论基础

针对纳米压痕技术的应用现状和存在的问题,分析了现有理论研究方法以及它们的不足之处。在纳米压痕试验的基础上,提出了微硬度的新定义并根据量纲分析方法给出了微硬度的表达式。结果表明纳米尺度上的微硬度可以表达为一个与压入深度无关的常量和一个随压入深度减小而增大的分量,这为深入研究纳米压痕技术及纳米硬度的尺寸效应提供了简单易行的新方法。

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。

基于纳米压痕技术和有限元仿真的材料力学性能分析

提出了一种基于有限元模拟纳米压痕过程的分析材料塑性性能的方法 .用有限元方法模拟纳米压痕过程 ,通过比较有限元计算所得的压力 -压深曲线和实际纳米压痕试验得到的曲线 ,反复修正就得出材料的塑性性能 .经检验 ,有限元分析得到的应力 -应变曲线和材料实际的应力 -应变曲线吻合得非常好 。

基于纳米压痕技术的蒸养高强水泥浆体微观力学性能试验研究

为从微观尺度上理解铁路预制构件蒸养混凝土力学特性,论文采用纳米压痕试验及其统计分析技术,以铁路预制构件常用的C60混凝土为基础,研究了相同水灰比蒸养高强水泥浆体主要水化物相的力学性能,比较分析了蒸养和标养条件对浆体各物相的力学性能的影响。研究表明,养护条件对水泥浆体中各主要水化物相的力学性能及体积含量有较大影响;相较于标养条件,蒸养条件下高强水泥浆体的低密度和高密度CSH凝胶的压痕模量稍大,且高密度CSH凝胶数量明显增多,而Ca(OH)2晶体的压痕模量则偏低。

纳米压痕技术研究堆内构件材料304NG不锈钢的三束辐照效应

在中国原子能科学研究院的三束辐照实验平台上,对国产堆内构件材料核级控氮304NG不锈钢进行重离子、氢和氦同时辐照,并采用连续刚度纳米压痕技术测量了辐照前后样品的硬度和弹性模量的变化。结果表明,6dpa下,随着辐照温度的升高,辐照硬化减弱;300℃下,随着辐照剂量的增加,辐照硬化增大,高剂量情况下,氢、氦注入区的辐照硬化更显著,表明存在氢、氦增强硬化效应。

基于原子力显微镜压痕技术的大鼠小梁网组织弹性模量测定

目的探索基于原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)压痕技术确定大鼠小梁网组织弹性模量的方法,为揭示小梁网组织力学特性与小梁网通道房水外流阻力之间的关系等研究奠定基础。方法首先利用大鼠眼球组织切片获取大鼠小梁网组织与毗邻组织之间的距离信息和结构信息;其次利用AFM压痕实验获取角膜-角巩膜缘-小梁网-巩膜方向的弹性模量与相对位置的关系;最后综合对比以确定小梁网组织测试区域。结果探索了一种基于原子力显微镜压痕实验定位小梁网组织并获取该组织弹性模量的方法,利用该方法获取了大鼠眼球鼻侧、颞侧、上侧、下侧4个位置处的小梁网组织弹性模量范围为300~600 Pa。结论本研究给出了一种基于AFM压痕技术确定大鼠小梁网组织弹性模量的方法,该方法提供了AFM测试环境下小梁网组织区域的位置参考,优势在于可快速定位到大鼠小梁网组织区域。

维氏显微压痕技术测量人体枢椎硬度

目的:探讨成人新鲜尸体枢椎的显微压痕骨硬度的分布特征及生理意义。方法:取3具新鲜尸体标本(62岁男性,45岁女性,58岁男性)的枢椎,通过X线和定量CT检查除外影响骨量的疾病,将其分为齿状突椎体区和附件区2个测量部位,每个区域使用高精慢速锯精确切取1片厚约3mm的标本,3块枢椎共计6片。齿状突椎体区选取上侧、下侧、前侧和后侧四个部位的皮质骨区域以及中部松质骨区;附件区选取椎弓根、横突、椎板和侧块皮质骨区域以及中部侧块松质区。每块枢椎选取10个区域,合计30个区域。标本固定于纯平玻片上,应用维氏显微硬度测量仪测量标本表面硬度,每个区域随机选取5个有效硬度值,合计获得150个有效压痕硬度值。记录并分析枢椎的显微硬度分布规律。结果:枢椎整体硬度变化范围为17.70~40.60HV,其中皮质骨硬度范围17.70~40.60HV,平均硬度30.10±4.96HV;松质骨硬度范围20.40~37.40HV,平均硬度29.06±4.42HV;齿状突椎体区皮质骨平均硬度30.25±5.06HV,松质骨平均硬度28.78±4.17HV;附件区皮质骨平均硬度29.95±4.90HV,松质骨平均硬度29.33±4.79HV;同一部位的皮质骨硬度值均高于该部位的松质骨硬度值。附件区硬度值最高为椎弓根皮质(32.92±4.06HV),组间比较差异具有统计学意义(F=3.5832,P=0.014)。齿状突椎体区硬度值最高为后侧皮质(33.23±4.80HV),组间比较差异具体统计学意义(F=3.363,P=0.025)。结论:齿状突椎体区的后侧皮质硬度值与附件区椎弓根皮质硬度值均较高,可能与枢椎后侧皮质区域和椎弓根区域较其他部位承受着更大的应力有关。

基于纳米压痕技术的人龈上结石弹性模量及硬度的测量

目的测量人龈上结石的弹性模量及硬度,为牙科治疗机器人力反馈装置的研发提供依据。方法采用5例成人牙周炎患者龈上结石为样本,对牙结石样本进行镶样,抛磨处理,制备成尺寸为4mm×10mm×10mm的试件,利用纳米压痕技术对样本的弹性模量及硬度进行测量。结果制备10个牙结石样本,共获取100条压痕曲线,其中可用曲线95条(删除无法拟合的曲线及错误曲线),牙结石弹性模量的变化范围为7. 27～53. 60GPa,平均值为25. 22GPa;硬度的变化范围为0. 11～2. 25GPa,平均值为0. 67GPa。结论龈上结石弹性模量及硬度值并非一确定值,具有离散性。

纳米压痕技术表征低碳微合金钢在不同冷速下贝氏体显微组织研究

利用金相光学显微镜和扫描电子显微镜对4种不同冷速下连续冷却转变的贝氏体显微组织进行观察。采用动态连续刚度测量纳米压痕技术测定了贝氏体显微组织的基体纳米硬度,并分析讨论了基体硬度随冷却速度变化的趋势。另外,对贝氏体显微组织进行维氏硬度测量,并分析讨论了维氏硬度随冷却速率的变化规律。

基于深度-敏感压痕技术的喷丸铝锂合金板残余应力分布特征

应用近年来发展起来的深度-敏感压痕技术研究了不同喷丸强度下某铝锂合金薄板的硬化层分布,并尝试采用Y.H.Lee模型计算确定了残余应力场沿板厚方向的分布特征。结果表明:提高喷丸强度可以减小塑性硬化层的梯度,从而获得更为均匀的表面强化层;而较高喷丸强度将引入更深的残余应力影响层和更大的残余压应力。

纳米压痕技术在页岩力学性质表征中的应用进展

近年来,随着力学测试技术的不断发展,微观材料科学研究中广泛应用的纳米压痕技术被引入到页岩研究领域,成为测试页岩表面微观力学性质的重要手段。从微观视角去研究页岩的力学性能已成为当下的研究热点之一。为此,梳理了页岩样品的制备方法和压痕试验制度对测试结果的影响,详细论述了纳米压痕技术在页岩中微观力学和蠕变性能表征方面的应用现状,对其应用的优势和存在的问题进行了分析和讨论,并对发展趋势进行了展望。研究结果表明:①纳米压痕技术可以精确表征页岩整体以及基质组成相的力学性能;②通过研究保载阶段的位移-时间曲线可以获得页岩微观尺度的蠕变特征,深入理解微观下页岩蠕变变形机制;③测试流体/页岩相互作用下力学性能的演变特征,可以为实际页岩水力压裂或超临界二氧化碳压裂提供基础的实验数据。该技术实现了对页岩更精细化的观测,有助于从根本上认识页岩的力学行为,为页岩气勘探开发提供更可靠的理论依据。

基于纳米压痕技术的电子玻璃微观力学性能研究

为了研究不同电子玻璃的微观力学性能,采用先进的纳米压痕技术记录钠钙硅、无碱硼铝硅和碱铝硅等典型电子玻璃的载荷-位移曲线,利用Oliver-Pharr方法和经典的弹塑性变形理论,计算玻璃的硬度和弹性模量.玻璃的硬度主要与结构的键合度相关,平均非桥氧数越高,外力作用下越容易致密化,硬度越小;弹性模量主要取决于质点间的化学键强度,化学键力越强,变形越小,弹性模量越大;九点法测得的弹性模量与硬度的变化趋势不完全相同,借助硬度-弹性模量-能量耗散之间的本征关系,评价玻璃样品的微观均匀性,其中无碱硼铝硅玻璃的恢复阻力大,局部能量耗散大,不容易引起整体破坏,力学性能最好;与浮法工艺相比,溢流下拉法制备样品的局部力学性能波动较小,微观均匀性较好.

基于超声压痕技术的兔眼角膜生物力学特性

目的利用超声压痕技术探索兔眼角膜的生物力学特性。方法选取7月龄新西兰白兔眼球7只,制作完整角膜试样并固定于人工前房上。用微量注射泵给人工前房注水改变前房内的压力,并用压力传感器测量;在不同前房压力状态下,利用超声压痕设备在角膜顶点位置进行压痕实验,获得力-位移曲线。研究角膜力学参数(弹性模量、滞回量等)与前房压力的关系。结果由角膜压痕实验所得的力-位移曲线呈现非线性特点。前房内压力越大,角膜的力-位移曲线越陡峭。兔眼角膜的弹性模量随前房压力升高而增大,在前房压力为7～45 mm Hg(1 mm Hg=0. 133 k Pa)范围内,其数值范围为0. 30～1. 55 MPa。随前房压力增大,角膜滞回量呈现线性上升趋势。结论基于超声压痕技术获得的兔眼角膜弹性模量随前房压力呈线性增大,滞回量等角膜黏性特性参数与前房压力也相关。

超高性能混凝土的微观特征——应用统计纳米压痕技术表征

介绍纳米压痕原理,通过应用统计纳米压痕技术,表征超高性能混凝土的微结构,描述其微观机械特性.特别是,通过统计纳米压痕(SNT)、扫描电子显微镜(SEM)及X射线衍射(XRD)的研究发现,在界面区的纤维矩阵是无缺陷的.