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关键词： 微机电系统   薄膜材料   力学参数   测试结构   制作工艺  

摘要： 微机电系统(MEMS)是高速发展的多学科交叉的前沿技术，具有广阔的应用前景。MEMS器件工作时常常涉及到弯曲、扭转、拉伸、振动等力学行为，所以，MEMS材料的力学特性很大程度上决定了器件的性能与可靠性。受制造工艺条件的影响，MEMS薄膜的力学参数会发生一定的漂移，致使对器件结构力学行为的预测存在误差，直接影响MEMS器件的性能。由于MEMS器件性能对力学参数的敏感性以及工艺导致的力学参数的可变性，材料参数的在线测试非常重要。在线测试方法是将测试单元与MEMS正片器件同时加工，获得与MEMS器件相同的力学参数，然后，采用通用设备以方便快捷的方法测量测试单元输入-输出参数，最后通过测试分析模型提取薄膜材料的力学参数。\n 本文对MEMS薄膜材料力学参数的测试技术进行了深入的研究，测试并分析了多晶硅薄膜的杨氏模量、残余应力、断裂强度和泊松比等力学参数。工作重点是在本实验室前期工作的基础上，对已完成工艺加工后的测试单元进行测试，对测试结果进行分析，查找所存在的问题，对结构或参数计算模型进行改进和修正。另一方面，对新型的测试结构和计算模型进行研究。研究工作取得了如下的研究成果:\n 本文对MEMS薄膜材料的杨氏模量、残余应力、断裂强度、泊松比的测试结构进行流片测试实验，计算了材料的杨氏模量和残余应力的值，验证了设计的可行性，分析了误差产生的原因;分析比较了单执行驱动梁和双执行驱动梁的优缺点;重新建立了泊松比测试结构的解析模型，通过了有限元方法的验证分析，证明了测试结果更加准确可靠。\n 本文对双层膜残余应力的弯曲理论进行了研究，推导出双层膜的曲率半径与每层薄膜中残余应力之间的函数关系，并分析了薄膜的长度和宽度对曲率半径的影响，ANSYS仿真结果与理论分析一致。\n 本文提出了双层膜的等效弯曲刚度和残余应力梯度的计算方法，推导了残余应力存在时双层膜在外加载荷作用下的弯曲特性，经与仿真结果比较，证明了理论模型正确性。\n 本论文设计的测试结构可随MEMS器件制作工艺加工制作，无需附加工艺。而且，外在载荷均为电信号，测试技术比较成熟，具有测试迅速，测试环境要求低的优点，满足在线测试技术的要求。

关键词： 圆顶建筑   读书笔记   佛罗伦萨   故事   科学技术   材料力学   美国人   建筑师  

摘要： 美国人罗斯·金的《圆顶的故事》，如题所言，书中完完整整地记述了建筑史上鲜为人知的一页历史．建筑师皮上，是如何以一人之力，在科学技术尚不发达，材料力学和静力学尚未被创造出来的情况下，没有使用拱鹰架，仅靠其在工程上的天赋和发明设计上的巧思，建造出了神迹般的、当时世界上最大的穹项建筑。

关键词： 建筑工程   水泥基材料   酸雨侵蚀   力学性能  

摘要： 随着经济建设的持续增长，水泥基材料凭借廉价、性能稳定和易于浇筑成型等主要优点很快就成了主要的建筑材料，在桥梁、公路和房屋等建筑中得到了广泛的应用。然而这些建筑在酸雨冲刷作用下，混凝土结构长期受到了酸雨中酸性介质的腐蚀作用，导致混凝土强度降低、钢筋锈蚀，使得钢筋与混凝土的粘结力受到影响，从而直接影响了混凝土结构的耐久性，混凝土结构还未达到设计使用年限就提前发生破坏，对我国经济影响重大。\n 本文对酸雨腐蚀情况下水泥基材料基本力学性能进行研究。本文主要从酸雨侵蚀下水泥砂浆试块表面弹性模量随着腐蚀龄期和pH值的变化规律、酸雨侵蚀下细石混凝土力学性能和中性化深度变化规律、酸雨侵蚀下混凝土与钢筋粘结性能的退化规律等三个方面开展试验和理论研究，主要工作及成果扼要介绍如下：\n (1)酸雨侵蚀下水泥砂浆试块表面弹性模量随着腐蚀龄期和pH值的变化规律\n 以水泥砂浆试块(40mmx40mmx160mm)为研究对象，采用室内干湿循环浸泡方法来进行来拟酸雨腐蚀试验，试块表面弹性模量是采用以赫兹接触理论为基础的球压法，并找出水泥砂浆试块表面弹性模量与腐蚀龄期之间的函数关系。\n (2)酸雨侵蚀下细石砼中性化深度和力学性能变化规律\n 以细石混凝土试块(100mmx100mmx100mm)为研究对象，也是采用室内干湿循环浸泡方法来进行模拟酸雨腐蚀试验，测试不同硫酸根离子浓度下的酸雨溶液、不同腐蚀龄期下的细石混凝土，从细观力学角度来说，混凝土与钢筋接触面的粘结力沿钢筋长度是变化的，以及中性化深度，最后建立一个中性化深度与腐蚀龄期的一个模型。\n (3)酸雨侵蚀下混凝土与钢筋粘结性能的退化\n 本试验是采用酸雨浸泡和通电形式进行对构件的快速腐蚀试验，研究钢筋腐蚀率对混凝土与钢筋之间粘结应力的影响；通过分析钢筋与混凝土之间的极限粘结应力与其对应平均滑移值的曲线，建立一个新的—S数学模型。

关键词： 高分子材料   材料力学   裂纹扩展   内聚力模型  

摘要： 高分子材料具有质量轻、易成型加工、能耗低等优良特性，特别是具有一定韧性的玻璃态高分子材料，由于具有良好的抗冲击性能，在航空材料和汽车制造等领域得到越来越多的应用。本文采用实验与理论相结合的方法，对玻璃态高分子材料中的裂纹扩展与裂尖温升问题进行了研究，主要内容包括：\n ⑴选取典型的粘塑性玻璃态高聚物----聚碳酸酯作为实验材料，对其进行了不同应变率下的单轴动态拉伸实验。为了描述高聚物的粘塑性，本文构建了一个粘塑性本构关系来描述聚碳酸酯进入屈服阶段之后的材料力学行为，包括应变率效应、应变软化现象和应变硬化现象;\n ⑵为了克服裂尖温度场测量在时间频响和空间分辨率上相矛盾的实验技术障碍，本文对聚碳酸酯薄膜进行了裂纹扩展实验，并利用红外热成像系统捕捉不同裂纹扩展速度下裂尖的全场温度分布，获取粘塑性高聚物中裂尖结构的实验图像，展现裂纹从萌生、起裂到稳态扩展的全过程;\n ⑶建立了记及粘塑性效应的裂尖力学模型----粘塑性内聚力模型，该模型可对裂尖粘结区域内的复杂力学状态进行预测。结合已归纳得到的粘塑性本构关系，本文对聚碳酸酯薄膜中裂尖区域的温升分布进行预测，预测结果与实验吻合较好，验证了模型的合理性。结合实验结果与粘塑性内聚力模型，本文进一步归纳得到了聚碳酸酯薄膜中裂纹低速稳态扩展的规律。

关键词： 2.5D机织复合材料   T800碳纤维   力学性能   组织结构   经纬向体积比例   工艺参数  

摘要： 2.5D机织复合材料是三维纺织复合材料领域的一个重要分支，其制造技术简单，具有高的比强度、高比模量、良好的抗冲击性能、高的损伤容限、优异的整体受力性能以及材料结构可设计性等优点，被广泛用来制造航空航天结构的承力构件，蕴藏着很大的应用潜力，研究2.5D机织复合材料的结构形态及力学性能有十分重要的现实意义。随着新型高性能纤维的开发，纤维的工艺性成为研究的热点，而国内外对于T800碳纤维增强的2.5D机织复合材料力学性能的研究较少。本课题基于这一事实，研究了T800碳纤维增强的不同经纬向体积比例的2.5D机织复合材料力学性能的变化趋势，探讨了四种不同结构对复合材料力学性能的影响，表征了T800碳纤维的工艺性能、力学性能，优化了2.5D机织复合材料的组织结构，得到了一些有益的结论，结论表明:\n (1)复合材料的经纬向力学性能与该方向的纤维含量正相关。\n (2)随着纬密的增加，经纱弯曲程度变大，经向力学性能呈现逐渐减小的趋势。\n (3)当织物经纬向体积比例达到1∶1.5时，复合材料表现出经纬向均衡的力学性能，2.5D机织复合材料的力学性能具有可设计性。\n (4)衬经纱和衬纬纱可以显著改善复合材料的力学性能。

关键词： 机械活化   木薯酒糟   铝酸酯偶联剂   聚氯乙烯  

摘要： 采用自制球磨机对木薯酒糟进行机械活化,在球磨预处理的同时加入铝酸酯偶联剂(ACA)对木薯酒糟进行表面改性,将处理后的酒糟与聚氯乙烯(PVC)及助剂在高速混合机中混合均匀,然后在平板硫化机中模压成型,制成PVC/酒糟复合材料。考察了木薯酒糟用量、ACA用量、机械活化时间、机械活化温度等因素对PVC/酒糟复合材料力学性能的影响,并利用红外光谱、X射线衍射、扫描电镜对机械活化前后的酒糟进行表征,探讨了机械活化对酒糟偶联改性的作用。结果表明:机械活化强化了木薯酒糟的偶联改性,在一定程度上提高了复合材料的力学性能。其中当PVC/酒糟/ACA=50/50/0.5、机械活化温度为80℃、活化时间为25 min时,所得PVC/酒糟复合材料的弯曲强度达到39.51 MPa,拉伸强度达到15.24 MPa。

关键词： 胶凝材料   抗压强度   水化产物   矿物组成  

摘要： 采用矿冶固体废弃物取代部分水泥制备胶凝材料用于矿山充填可实现对资源的有效利用,并减少固废中重金属排放对环境造成的破坏。本文利用铅锌冶炼废渣、尾矿制备出了具有一定力学强度的充填胶凝材料,其强度指标满足矿渣硅酸盐水泥的强度要求。通过扫描电子显微镜及X射线衍射分析研究了材料的水化产物种类及数量,从微观上阐述了在不同水化龄期和物料配比下,材料水化产物对强度发展的影响。综合考虑各因素后确定采用铅锌尾矿10%、冶炼渣54%、水泥熟料27%、添加剂掺量9%的配合比,可以制得较为理想的充填胶凝材料,其28 d抗折、抗压强度分别为7.03 MPa、34.07 MPa。

关键词： 镁合金丝   聚乳酸   复合材料   力学性能   有限元模拟  

摘要： 镁合金丝定向增强聚乳酸复合材料具有轻质、高强、生物相容性好、可降解等特性，是一种理想的可吸收骨折内固定材料。考虑到复合材料性能的影响因素多、实验研究工作量大、成本高，本文拟利用有限元模拟方法对镁合金丝直径、体积分数以及在基体中的分布方式对复合材料的力学性能（包括拉伸、弯曲和冲击性能）的影响进行了研究，并与部分实验研究结果进行了对比和讨论。\n 研究发现:在镁合金丝直径(0.3mm、0.4mm和0.5mm)一定的情况下，随着镁合金丝体积分数的增加，复合材料模拟拉伸强度、弯曲强度、冲击韧性均不断增加，当镁合金丝体积分数为20％时，复合材料冲击韧性可达到74.6KJ/m2，约为纯聚乳酸的16倍;当镁合金丝体积分数为40％时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度分别可达到136MPa和270MPa左右，分别约为纯聚乳酸的2.9倍和3.1倍。与实验结果相比，镁合金丝增强复合材料的拉伸强度和弯曲强度的模拟结果更高，在镁合金丝体积分数高于20％时差异更明显。\n 镁合金丝在聚乳酸基体中的分布方式对复合材料拉伸强度影响较小，但对复合材料弯曲性能影响较大。随着镁合金丝层数的增加和各层镁合金丝到中性层距离的平方和的增大，复合材料的弯曲强度不断增大;同时，每层镁合金丝的根数尤其是最外层镁合金丝的根数的变化对复合材料的弯曲强度有较大的影响。在此基础上，采用等效截面法，获得了与镁合金丝直径、体积分数及其在基体中分布方式等多影响因素有关的复合材料弯曲强度预测公式。\n 模拟冲击过程发现，当镁合金丝体积分数为5％时，镁合金丝已成为复合材料抵抗冲击破坏的主要承载体，其内能随时间变化的曲线与复合材料相似，其中，镁合金丝径为0.3mm时，镁合金丝吸收能量的比例可达到75％。在镁合金丝直径(0.3mm)一定的情况下，模拟得到的冲击功与冲击韧性随镁合金丝体积分数变化的规律与实验测得的基本一致。进一步研究发现，在镁合金丝直径(0.3mm)和体积分数(10％)一定的前提下，镁合金丝在聚乳酸基体中的分布方式对复合材料的冲击性能有一定的影响，增加镁合金丝的层数、增大镁合金丝层到中性层的距离或增多最外层镁合金丝的根数都会使得复合材料的冲击功和冲击韧性增大。

关键词： 材料力学   高职院校   实际工程  

摘要： 材料力学是工科类高职教学中重要的一门学科,也是基础专业课程。材料力学课程的教学目的是让学生完成材料力学的理论学习,并且通过相关知识进行实际问题的解决。因此,将课程教学的内容与实际工程进行联系,对于提高学生的实际动手能力与实践能力是非常必要的。本文对材料力学课程教学内容理论与实际工程联系的改革与发展进行了研究和分析。

关键词： 纳米晶体材料   力学性能   断裂韧性   位错理论   晶界滑移机制  

摘要： 相对于传统的粗晶材料而言，纳米晶体材料具有高强度高硬度的特点，但是同时又表现出很低的延展性和断裂韧性，这已然限制了纳晶材料的推广和应用。这与传统意义上的Hall-Petch关系理论认为的纳晶材料理应具有高强度高塑性的观点是不相符的。诸多研究表明纳晶材料剪切带的形成和发展是导致其韧性降低，材料过早失效的主要原因。本课题主要研究了最细小晶粒(晶粒直径为2～4nm)对于纳米晶体材料力学性能的影响，所做工作具体如下:\n (1)深入了解了剪切带的演化发展过程，总结了目前有关高强度、高韧性纳米晶体材料的出现，在此基础上提出了最细小晶粒(晶粒尺寸为2-4nm)能够有效地抑制剪切带发展，提高断裂韧性的设想。\n (2)研究了基于位错理论的晶界滑移机制对纳晶材料断裂韧性的影响，晶界位错由裂纹尖端处发射，沿晶界滑动并在三晶交处堆积。位错发射过程中可以对裂纹产生屏蔽作用，提高材料断裂韧性;\n (3)建立了基于最细小晶粒存在的纳晶材料分布模型。在该模型中晶粒包含两种形式:普通纳晶晶粒（晶粒直径在10-100nm之间）和最细小晶粒。\n (4)研究了最细小晶粒的存在对晶界滑移机制的促进作用，最细小晶粒的存在促进了位错的发射能力和堆积能力，从而显著提高纳晶材料的断裂韧性。\n 根据以上研究工作，得出的结论如下:\n (1)当晶粒尺寸较小时(一般低于10nm)，基于位错理论的晶界滑移机制对纳晶材料断裂韧性具有较为明显的影响，最高可增韧30％;但是随着晶粒尺寸的增大，单一的晶界滑移机制就不能用于解释高强度高韧性纳晶材料的出现。\n (2)当最细小晶粒存在于三晶交处时，非晶晶界上会堆积多个位错;并通过拉盖尔多项式计算了晶界位错之间的距离。\n (3)三晶交处的最细小晶粒可以有效地堆积晶界位错，晶界上位错的个数受到晶界堆积位错能力和发射位错能力的共同影响。计算结果表明，晶界堆积位错的能力与最细小晶粒的尺寸有关，最细小晶粒的尺寸越大，堆积位错的个数越少;晶界发射位错的能力与普通晶粒尺寸有关，普通晶粒尺寸越大，发射位错个数越多。\n (4)通过对比基于最细小晶粒存在的纳晶材料有效应力强度因子K*IC和无位错影响的应力强度因子KIC，发现:在普通晶粒尺寸大于10nm的情况下，由于最细小晶粒的存在，纳晶材料的断裂韧性最高可提高100％，而且具有尺寸效应，随着普通晶粒尺寸的增加而减小;\n (5)最细小晶粒的存在，有效抑制了晶间裂纹的产生和发展，使得相邻裂纹无法连接在一起，防止了局部软化和剪切带的产生，大幅提高了纳晶材料的断裂韧性。本文提出的包含最细小晶粒的复合模型为高强度高韧性纳晶材料的制备提供了理论支持，对纳米晶体材料的研究指明了一个方向，具有一定的理论参考价值。