铝合金焊缝疲劳开裂的原位同步辐射X射线成像

基于第三代高精度同步辐射X射线三维成像技术,开展表面经抛光的铝合金光纤激光-脉冲电弧复合焊接头疲劳裂纹萌生和扩展的原位可视化研究.结果表明,疲劳裂纹均优先从样品(亚或次)表面或角(亚)表面上的焊接气孔处萌生和扩展,并呈现典型的I型表面半椭圆或四分之一椭圆(或圆形)裂纹形貌.一旦裂纹萌生,裂纹在表面的扩展速率低于内部,且存在局部加速和停滞现象,萌生源的特征长度越大,则裂纹萌生和扩展寿命越短,裂纹形貌为高度非线性的空间特征.此外基于经典Newman表面半椭圆形裂纹形貌预测结果与试验基本一致.

扁平样品体系的同步辐射层析成像检测技术

利用同步辐射X射线高穿透性、高亮度等特点,结合三维重建方法,可以实现样品的三维无损成像,该技术在生物、材料、化学等领域发挥着重要作用。针对扁平样品体系,计算机断层成像(computed tomography,CT)这种常规的三维成像方法,由于其高角度信息缺失,无法实现兼顾尺寸与分辨率的无损高精度成像。近年来再次发展起来的计算机层析成像(computed laminography,CL)可以满足对扁平样品的高精度三维成像的需求。然而,当前的三维重建方法需要足够多的投影数目才能实现高质量重建。文章在已有的三维重建算法的基础上,发展了一种针对CL的傅里叶迭代重建算法(laminography Fourier iterative algorithm,LFIA),在投影角度有限的情况下,利用投影之间的相关信息恢复缺失信息,从而实现更高的重建分辨率,并通过模拟与实验验证算法的可行性。

铝合金熔焊微气孔的三维同步辐射X射线成像

基于同步辐射X射线成像技术,对激光复合焊7020-T651铝合金接头内部的微气孔进行了研究,对气孔的体积、圆整度、扁平度及气孔形心至自由表面的距离等三维特征参数进行了统计分析与拟合.结果表明,铝合金熔焊微气孔主要为近球形的冶金型气孔,圆整度在0.65以上,以焊缝中心近似呈现对称分布,且焊缝上部气孔尺寸较大,热影响区和下部气孔密集且尺寸较小.等效直径在20 mm范围内的气孔,在接头上部和下部的频率分别高达65%和85%,并且100 mm以上的大尺寸气孔较少见.此外,由于熔池的下塌倾向和快速凝固,残留于枝晶网络间液相导致焊缝下部形成垂直于焊缝且层叠分布的形状复杂的热裂纹,少部分气孔之间以及气孔和热裂纹之间存在着连通现象,从而使得下部微气孔的圆整度平均值变小.此外,焊接速率越大,整个接头内部气孔体积分数越小,但对气孔形貌和位置的分布影响并不明显.

X射线超快成像原位表征激光增材制造过程研究进展

在增材制造过程中,熔池经历快速熔化、冷却、凝固的过程,其物理、化学、结构和应力等处于极端非平衡状态,容易导致孔隙、裂纹等缺陷产生,影响制件力学性能。同步辐射X射线具有高空间分辨率和时间分辨率,可以实现增材制造过程中熔池动力学和缺陷演化的原位表征。本文综述了近年来激光增材制造原位实验平台的搭建,并从熔池结构演化、缺陷形成机理和成形工艺优化三个方面介绍了同步辐射X射线原位表征激光增材制造过程的研究进展。最后基于目前增材制造原位观察的局限性,从表征系统改进、原料多样化和计算修正等方面对未来研究进行了展望。

基于同步辐射X射线荧光显微成像技术的安全饮食限制疗法筛选

饮食限制疗法是继手术治疗、放射治疗和化学治疗后的肿瘤治疗新方法之一,在多种肿瘤治疗中发挥着重要的作用,然而对于此疗法的安全性目前尚缺乏研究。针对50%饮食限制、隔天禁食、隔天50%饮食限制三种饮食限制疗法,通过为期45 d系统地评估其对正常小鼠体重、生存期以及肝肾功能的影响,筛选出最优的饮食限制方案;然后重点应用同步辐射硬X射线荧光显微成像技术结合常规药理学技术研究最优饮食限制疗法在正常小鼠体内的安全性。结果表明:小鼠每日每克体重需要摄食0.2 g,每天50%饮食限制疗法小鼠体重直线下降,生存期明显缩短;隔天禁食疗法在禁食日小鼠体重下降明显,生存期缩短而且肝肾功能异常;隔天50%饮食限制疗法小鼠体重在饮食限制日降低、生存期及肝肾功能无明显变化,同时该疗法肝肾微量元素分布以及主要组织病理学也无明显变化。研究结果将为饮食限制疗法用于恶性肿瘤的辅助治疗提供理论和实验研究基础。

基于X射线成像的喷油嘴内流特性试验

通过同步辐射X射线测量技术,开展了直喷汽油机喷油嘴实际针阀运动过程中的内流与液核破碎的试验观测研究.在不同X射线光源参数下对内流流场进行了连续图像拍摄,确定了最优拍摄技术方案.分析了不同喷射压力、不同喷孔结构下内流随针阀特性的变化规律,进而讨论了内流对射流液核破碎的影响.结果表明:随着针阀开度的增加,喷孔内会快速地形成挑射液流.挑射液流的宽度与喷孔入口的角度有关,与喷射压力无关.其原因与所采用喷油嘴的长径比较短有关.挑射液流会加速射流的液核破碎过程.喷孔内挑射液流的宽度增加会引起射流宽度的增大.

同步辐射X射线显微成像研究环糊精自组装beads的三维结构

环糊精和油自组装形成的beads是一种新型的药物递送系统,在油类药物固体化、改善脂溶性药物生物利用度方面具有较强的应用潜力,但beads的形成机制仍不完善。本研究利用同步辐射X射线显微成像技术,测定beads的三维结构,基于对干燥前后beads结构的定量分析,发现beads形成过程中Pickering乳滴的有序性。在添加脂溶性成分后,油相的表面张力改变,对beads的结构会产生影响。因此,在载脂溶性维生素K1的过程中beads的三维结构会发生改变,但依然可见beads形成过程中Pickering乳滴的有序性。本研究从beads内部三维结构出发,揭示了环糊精半包合形成Pickering乳滴,再有序聚集、组装形成beads的微观过程,完善了beads的形成机制,为beads的进一步研究提供了结构学基础。

同步辐射X射线相衬显微CT在古生物学中的应用

X射线无损成像技术在古生物化石标本研究领域中应用十分广泛.近几年来,随着技术的不断革新,同步辐射X射线相衬显微断层成像技术(SRX-PCμ-CT)也被引入到这一领域.由于同步辐射光源产生的硬X射线具有高亮度、高准直性和高空间相干性等优点,可以实现化石标本高分辨率(亚微米级)的无损三维显微成像,给古生物学的发展带来了新的机遇.文章简要回顾了用于古生物化石标本无损成像技术的发展历程,并在此基础上综述了同步辐射X射线断层显微成像技术在古生物学领域的应用现状和前景.

In situ study on columnar-equiaxed transition and anaxial columnar dendrite growth of Al-15%Cu alloy by synchrotron radiography

Directional solidification of Al-15% （mass fraction） Cu alloy was investigated by in situ and real time radiography which was performed by Shanghai synchrotron radiation facility （SSRF）. The imaging results reveal that columnar to equiaxed transition （CET） is provoked by external thermal disturbance. The detaching and floating of fragments of dendrite arms are the prelude of the transition when the solute boundary layer in front of the solid-liquid interface is thin. And the dendrite triangular tip is the fracture sensitive zone. When the conditions are suitable, new dendrites can sprout and grow up. This kind of dendrite has no obvious stem and is named anaxial columnar dendrites.

空间金属组学与空间代谢组学助力碎米荠富硒机制研究

碎米荠(Cardamine violifolia)是我国发现的一种能富集硒的草本植物,植株中硒含量可达几千mg·kg-1。硒不是植物必需元素,因此研究碎米荠对硒的富集机制有利于探究植物解硒毒机制,同时也为利用富硒碎米荠做富硒原料打下良好基础。本研究首先利用ICP-MS、HPLC-ICP-MS、同步辐射XRF及同步辐射XAS等技术对富硒碎米荠植株中不同部位的硒含量、形态、分布及化学种态进行了研究。

功率超声在金属熔体成形中的作用效应及其可视化研究进展

主要介绍功率超声在金属熔体成形领域中的作用,详述了超声在铸造成形、辅助焊接成形中细化晶粒、除气除杂、强化焊缝、减小残余应力、促进界面润湿等方面的应用和作用机理。针对超声空化气泡的高速摄影及金属熔体中晶体生长的同步辐射X射线成像观察的研究进展,提出将高速摄影与同步辐射X射线成像结合起来,通过原位观察方法研究超声波与液态金属媒质的相互作用机理,为进一步促进超声在金属熔体成形中的应用提供理论指导。

高性能纤维束横向压缩变形机理

基于同步辐射X射线显微断层成像技术,采集纤维束内部图像,经过计算机后续处理得到纤维束截面二维图像,分析了纤维束横向压缩变形机理,研究5种不同压缩应力下纤维束体积分数、分布状态、接触点数目的变化情况.研究结果表明:纤维体积分数与压头-压槽耦合后的面积几乎呈线性关系;纤维分布随应力增加趋于均匀;通过对纤维束内部接触点数目的统计,得出了纤维体积分数-接触点数目的拟合公式.

表达TasA-n16N的枯草芽孢杆菌生物膜机械性能研究

细菌生物膜是细菌为了抵御恶劣环境,聚集生长并分泌多糖、蛋白质和胞外脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic Acid,DNA)等大分子形成胞外基质包裹自身形成的结构。在合成生物学领域,通过不同基因电路调控细菌特定蛋白的表达,可将生物膜改造成多种不同功能的活体材料。然而,生物膜具有粘弹性,机械性能较弱,限制其在可穿戴设备、涂层及建筑材料方面的应用。本研究选取枯草芽孢杆菌为模式生物,通过融合蛋白TasA-n16N的表达和传统碳酸钙矿化方法相结合,将固相培养的工程生物膜制备为块状凝胶。流变学测试显示,表达了融合蛋白的生物膜形成块状凝胶后,其机械性能增强;同步辐射X射线透射显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜的表征观察发现,生物膜内部细菌结构完整且保持活性。该方法为生物膜的仿生矿化及活体功能材料的设计和制备研究提供了新思路。

空化Reboud修正经验模型的实验验证

为了从湍流脉动层面验证空化Reboud修正经验模型的有效性,利用同步辐射X射线的高穿透性和脉冲特性,发展了一种用于非透明空化内部流场测量的快速成像技术.基于该技术对二维文丘里型通道喉部区域产生的典型空化现象进行了实验研究,实现了空化流动中瞬态速度场和密度场的同步采集,并通过数据处理得到了平均速度场、湍动能和雷诺剪切应力等空化流场数据.实验结果分析表明:在空化边界层内,汽液两相混合物的存在显著改变了湍流脉动场的分布;雷诺剪切应力与湍动能比值(τ/k)不是混合物密度(ρ)的线性函数,不符合Bradshaw假设;常数n=10的Reboud修正模型与实验结果趋势足够接近,能够预测出较为准确的雷诺剪切应力和湍流黏度水平,因而可以正确模拟空化形态随时间演变的整体特性.

冶金型气孔对熔化焊接7020铝合金疲劳行为的影响

基于同步辐射X射线三维高精度原位成像技术,识别和统计出工艺稳定的激光复合焊接7020铝合金接头中的气孔数量、形貌、尺寸和空间分布特征,结合气孔统计数据结果和焊缝晶粒大小,定义了7020铝合金激光复合焊接头中影响接头疲劳性能的气孔临界尺寸。利用同步辐射X射线三维原位疲劳实验数据和疲劳断口形貌,探讨了疲劳试样裂纹源处气孔尺寸、应力和疲劳寿命之间的定量关系。同时,基于有限元仿真分析,研究了不同位置下气孔处的应力场状态。最后,通过疲劳裂纹扩展速率实验,揭示了气孔对疲劳裂纹萌生、扩展和试样瞬断的影响。研究结果表明,激光复合焊接头临界气孔尺寸可定为30 mm;同步辐射X射线成像和疲劳断口显示,较大的表面气孔和近表面的气孔较容易萌生疲劳裂纹。仿真研究也表明,气孔周围的应力集中程度随着气孔位置由表面向内部移动呈现出先增大后减小最后趋于稳定的趋势;疲劳裂纹扩展速率数据分布趋势表明,气孔对长裂纹扩展过程的影响较小,可忽略不计,但一般认为对裂纹前缘形貌有较大影响。