微尺度与多场耦合实验力学技术和分析方法研究.pdf

国家自然科学基金 资助项目进展报告 国家自然科学基金 资助项目进展报告 资助类别：重点项目 亚类说明：附注说明：项目名称：微尺度与多场耦合实验力学技术和分析方法研究 负 责 人：亢一澜 电话：02227401792 电子邮件： 依托单位：天津大学 联 系 人：李武 电话：022-27403763 资助金额：150.0000(万元)累计拨款：105.0000(万元)执行年限：2003.01-2006.12 24915 0 填表日期：2004 年 12 月 27 日 国家自然科学基金委员会制（2004 年 11 月）项目批准号 10232030 申请代码 A020215 归口管理部门 收件日期 国家自然科学基金资助项目进展报告 第 1 页 关于填报国家自然科学基金资助项目进展报告的说明 关于填报国家自然科学基金资助项目进展报告的说明 2004PT 一.项目负责人每年须填报国家自然科学基金资助项目进展报告（简称进展报告），以此作为自然科学基金资助项目跟踪、管理的主要依据。二.项目负责人应认真阅读自然科学基金项目管理和财务管理有关规定、办法（查阅http:/）,在年度工作的基础上，实事求是地撰写进展报告。三.项目依托单位认真审核,于每年 1 月 15 日前将本单位受资助项目的进展报告统一报送国家自然科学基金委员会归口管理部门。四.进展报告由报告正文和附件两部分组成,报告正文请参照“进展报告报告正文撰写提纲”撰写，并可根据需要增设栏目，要求层次分明,内容准确。项目执行过程中的进展或研究成果、计划调整情况等，须在报告中如实反映。五.国家自然科学基金委员会归口管理部门负责审核项目年度进展报告、跟踪项目进展与研究成果、核准项目负责人的次年度研究计划和调整要求，确定项目继续资助的情况。对不按要求填报进展报告，或项目执行不力，或内容、人员等调整不当而影响项目顺利进展的，视其情节轻重要求负责人和依托单位及时纠正，或给予缓拨资助经费、中止或撤消项目等处理。六.经费执行情况报表由重大项目的课题和重点项目填报，重大项目每年度填报随进展报告一同报送，重点项目在进行中期检查的年度填报。其他项目无需填报经费执行情况报表，只需在进展报告中对经费使用情况和下一年度经费安排做出必要的说明。注：国家自然科学基金强调科学道德和良好的学风，反对弄虚作假和浮躁作风，要求工作认真、填报材料实事求是。部分探索性研究内容，虽经过努力，也可能没获得理想结果或甚至失败，特别是面上项目。如有这种情况，也请在报告中实事求是地反映出来，说明工作状况和发展态势，供国家自然科学基金委员会和专家参考。国家自然科学基金资助项目进展报告 第 2 页 经费执行情况报表 经费执行情况报表 （金额单位：万元）填报说明：1重大项目每年度填报本表，重点项目在将要进行中期检查的年度填报本表，所有支出填报累计值；2“机动经费”只由重大项目的项目负责人填写，重点项目不填写。已拨入经费（总额）已拨入经费（总额）105.0000 科 目 预算经费经费支出说 明 一研究经费一研究经费 84.000082.3000 1科研业务费 40.000041.6000 （1）测试/计算/分析费 20.000020.6000同步辐射 X 射线，微拉曼光谱，各类显微电镜（2）能源/动力费 5.00004.0000 （3）会议费/差旅费 10.00009.5000 （4）出版物/文献/信息传播事务费 5.00005.0000 （5）其它 2.5000 2实验材料费 15.000014.2000 （1）原材料/试剂/药品购置费 11.000010.1000原材料,试件备制,加工费（2）其它 4.00004.1000消耗品 3仪器设备费 18.000020.1000 （1）购置 12.000010.2000小型光学元件,计算机等（2）试制 6.00009.9000加载装置,卡具等 4实验室改装费 3.00000.0000 5协作费 8.00006.4000 二国际合作与交流费 二国际合作与交流费 5.00006.1000 1项目组成员出国合作交流 5.00004.50003 人次出国开会 2境外专家来华合作交流 1.6000住宿费,国内差旅费 三劳务费 三劳务费 10.000010.0000包括研究生助研与劳务费 四管理费 四管理费 6.00006.0000学校规定 五机动经费 五机动经费 0.00000.0000 1研究经费*2国际合作与交流费*3学术会议费*4其他 合 计 合 计 105.0000104.4000 已拨入经费结余 已拨入经费结余 0.6000 国家自然科学基金资助项目进展报告 第 3 页 报 告 正 文 撰 写 提 纲报 告 正 文 撰 写 提 纲 1.年度计划要点和调整情况年度计划要点和调整情况。简要说明是否按计划进行,哪些研究内容根据国内外研究发展状况及项目进展情况做了必要的调整和变动，哪些研究内容未按计划进行，原因何在。2.研究工作主要进展和阶段性成果研究工作主要进展和阶段性成果。(本部分是进展报告的重要部分,请认真撰写)。请分层次叙述所开展的研究工作、取得的进展或碰到的问题等，给出必要的数据、图表。根据实际情况提供国内外有关研究动态的对比分析及必要的参考文献。本部分亦包括国内外合作与学术交流、研究生培养情况等。3.下一年度工作计划下一年度工作计划，包括国内外合作与交流计划。如要求对原研究内容和主要成员作重要调整，需明确要求调整的内容，并说明理由、必要性以及对项目实施的影响。（注：为保证基金项目顺利进行，研究人员要求稳定，一般不作变更。如确需变更，须按基金项目管理办法规定的要求提出申请，经自然科学基金委归口管理部门核准后方可变更。）4.当年经费使用情况与下一年度经费预算当年经费使用情况与下一年度经费预算。给出必要的经费使用情况的说明，逐项列出固定资产超过 5 万元的设备的名称、使用情况等有关说明。5.存在的问题、建议及其他需要说明的情况存在的问题、建议及其他需要说明的情况。说明项目执行中的问题和建议。对部分探索性强的研究，有可能未获得理想结果或甚至失败，请如实地反映，说明原因、工作状况、发展态势和建议等，供基金委管理人员或同行专家参考。6.附件：附件：给出标注基金资助的已发表和已有录用通知的论文目录、其他成果清单和必要的证明材料复印件等。发表论文按常规文献引用方式列出。国家自然科学基金资助项目进展报告 第 4 页 报 告 正 文报 告 正 文 年度计划要点和调整情况 年度计划要点和调整情况 研究计划中本项目工作共分如下三个领域：一 一 用于不同检测空间的微区域全场高灵敏度光测技术的研究 二 二 图像分析与微尺度实验检测方法的研究 三 三 微尺度实验应力分析与多场耦合下材料力学性能实验 2004 年度研究计划是初步完成上述三个领域的第一和第二部分工作.在这一年的时间里本项目组根据计划书的要求开展了相关工作,已经全面完成 2004 年度计划完成的工作内容,本年度研究计划基本没有调整。研究工作主要进展及阶段性成果 研究工作主要进展及阶段性成果 本项目在如下方面取得了研究进展和阶段性研究成果：一 用于不同检测空间的微区域全场高灵敏度光测技术的研究一 用于不同检测空间的微区域全场高灵敏度光测技术的研究 1)在云纹类显微光测技术方面开展的工作有：提出应用聚焦离子束（FIB）制作正交高频光栅的新工艺，研制出 10000 线/毫米的光栅，解决了在 MEMS 上制作高频光栅的难题。研究了分子束外延法制作纳米光栅技术,将所制作纳米光栅应用于纳米尺度残余变形测量。提出了适用于微米/纳尺度区域变形测量的相移聚焦离子束云纹技术、扫描隧道显微镜（STM）扫描云纹技术及相移技术，并应用于物体在微/纳米区域的变形测量。提出了 TEM 纳米云纹条纹倍增技术。应用 TEM 纳米云纹技术成功测量硅单晶 Si(111)中具有位错、原子键裂、夹杂等特征区域的非均匀应变场。完成论文见论文附件1-4 2)在散斑类微尺度光测技术方面,基于 Linnik 显微几何构形，建立起一套散斑微干涉微尺度对象动态全场位移与变形检测系统,该系统可适用于镜面干涉、ESPI、相移 ESPI 和 TSPI 多种计量模式;提出一种基于晶界尺度的变形分析技术晶粒运动与变形分析技（CGDMA）。该技术采用晶界识别技术和晶粒内散斑标记技术，在晶粒尺度上获得国家自然科学基金资助项目进展报告 第 5 页 多晶材料的变形与演化过程。该研究已用于对硬铝材料（LY12CZ）实验，获得了晶粒间及其内部的变形场分布图;提出了两种微尺度制斑技术，激光电弧沉积技术和金属表面化学腐蚀技术。研制与开发了多种微尺度区域检测设备与器件。其中包括：微位移定位与加载系统，可以实现亚微米三维定位与微载荷加载和载荷自动探测。微位移传感器标定系统：完成微米到亚微米量程微位移传感器的标定。SEM及 AFM 环境下的单向拉伸装置：实现微尺度试件的力学性能检测。完成论文见论文附件6710 3)在微尺度数字图像技术中,针对原子力显微镜AFM在扫描过程中存在固有的像素点位置平移、灰度波动较大、扫描时间长等缺陷，将小波分析和概率分析（后验概率算法和互信息算法）引入到图像处理中，建立起了有关的算法，开发了适用于 AFM 图像特点的应变分析图像测试技术。完成了新的光学应变分析装置的设计，推导了相应测量公式，加工了相应薄膜/基底组合形式拉伸试样，设计了中心对压加载装置，并且对复合材料 AS4/PEEK 0/45/907s材料的微尺度材料性能和细观损伤问题进行了研究。完成论文见论文附件22-24 4)在有关红外成像实验技术研究方面,基于 MEMS 制作技术的光学读出非致冷微梁阵列红外成像技术方面，提出并实现了基于微梁阵列转角测量的刀口滤波光学读出方法和无硅基底单层膜结构的红外焦平面阵列 FPA 的制作。光学读出方法的转角测量灵敏度 10-4deg，离面位移分辨率达到 0.1nm(100 微米长的微梁)，同时具有适合于工程使用的抗振性能。单层膜结构的 FPA 设计和制作，在简化了 FPA 制作工艺的同时，得到了从 250，120 的热物体像，直至室温下的人像。由于摆脱了硅基底微梁阵列结构这一传统概念，新的设计理念消除了梁和基底间 1-2 微米的高温度梯度空气间隙，使空气传热的影响降低了 3 个数量级，FPA 放在空气中也实现了室温下的热物体成像（国外报道的均是将 FPA 放在 0.01Pa 的高真空环境中）。完成论文见附件？二 图像分析与微尺度实验检测方法的研究二 图像分析与微尺度实验检测方法的研究 1.在微拉曼光谱力学量测量原理，谱线分析方法与关键技术环节方面开展了研究。对特征谱频移、展宽和应变/应力之间关系等实验数据分析国家自然科学基金资助项目进展报告 第 6 页 方法，以及对拉曼仪器校准、激光 Plasma 线校正、激光深度聚焦和拉曼模式的选择等实验技术环节开展了研究。结合微拉曼与显微 X 光衍射技术,将微拉曼光谱技法用于 MEMS 器件制造中的工艺残余应力的研究:对电化学腐蚀的多孔硅薄膜在腐蚀过渡区的残余应力分布进行了无损测量；对化学腐蚀工艺过程在膜表面形成的龟裂区的残余应力分布进行了无损测量;研究了腐蚀工艺与孔隙率与残余应力的关系,在一定的范围内,孔隙率大,多孔硅薄膜表面的残余应力也增大;测量了多孔硅在湿化干化工艺过程中的动态毛细力，证明这是一个可逆的物理过程，在实验的基础上提出了干化工艺过程中的液桥模型。完成论文见论文附件12-14 2.生物材料裂纹尖端的压电电位研究,由Wolff定律可知骨内应力状态决定骨的重建或者说影响骨细胞的生长。应力产生的压电电位可能也是促进骨生长的原因之一，在骨生长过程中也伴随着微裂纹的产生和愈合。目前尝试在密质骨试样裂纹扩展过程中测量其电位变化规律。基本方法是在简支梁骨试样上预制裂纹，同时在裂纹尖端制上电极。测量裂纹扩展过程的电位变化，探索压电电位与裂尖周围的应力等因素的关系。3.对X光同步辐射材料内部结构及演化的在线检测实验技术开展了研究，研制完成了用于同步辐射材料检测的测试系统，包括高精度旋转加载及控制系统、CT 重建软件、后续图象处理及计算软件编制、高分辨率X 射线 CCD(注：211 经费)购置。图象采集分辨率达 3.2 微米，重建分辨率将达 5 微米。研制完成了用于同步辐射的陶瓷实时烧结高温炉（本项目部分经费），烧结温度可达 16000C，温度稳定性小于 10C，目前国内外还未见同类设备。初步实现了陶瓷材料实时烧结过程的在线检测。目前已实现了陶瓷薄片在烧结过程中不同温度下的微结构形貌（孔隙）演化的实时观察记录，并由此得到了部分烧结动力学参数。此项工作有待更深入的探索。三 微尺度实验应力分析与多场耦合下材料力学性能实验三 微尺度实验应力分析与多场耦合下材料力学性能实验 1.提出了一种基于实验过程与反演技术的实验数据新的杂交分析方法。在实验过程的基础上,通过反演求解和识别技术将实验数据、数值计算国家自然科学基金资助项目进展报告 第 7 页 与理论分析综合起来，从材料实验结果中对非线性或多变量参数进行反演识别,该方法在力学模型的基础上，以实验过程中得到的丰富的实验数据为依据，建立相应的约束条件和参照目标，实现复杂问题中的多变量的参数识别与提取,并将这一方法用于复合材料中反映微结构界面结合的以及损伤破坏行为的非线性多参数识别，扩展了实验分析的方法在非线性以及复杂问题研究中作用。完成论文见附件17 2.开展了合金材料锯齿形屈服的宏细观实验分析研究，在建立起来的试验平台上，在线观察了不同尺度下（数 10mm 到数百微米视场内）剪切带内的变形分布，追踪分析了 PLC 剪切带在不同加载应变率下的形成与传播规律，以及不同试件尺度下带的空间特征和演化规律，统计分析了锯齿跌落幅度、跌落时间和上升等待时间。建立了基于溶质原子与位错集团相互作用的微观机理的宏观物理力学模型，给出了锯齿形屈服发生的加载应变率区间及其随温度漂移特性的合理预测，模拟了不同加载应变率下的锯齿形塑性加载曲线，模拟结果与试验曲线相吻合。完成论文见附件.3.研究了多孔泡沫铝材料在压缩过程中内部微结构及其演化，获得了影响其宏观力学性能的重要的微结构参数，如孔洞结构、孔隙率、孔洞尺寸以及在压缩过程中的演化。为指导泡沫金属及结构在准静态和冲击压缩承载条件下的变形、失稳和损伤破坏机理分析提供了实验依据；对飞机发动机结构零件材料的疲劳力学性质进行了实验研究,用有限宽中心带孔拉伸试件作试样，采用缓慢循环加、卸载方式对试样加载，利用微网格法和数字图像相关法测量孔周的弹塑性变形，求出飞机发动机结构零件的寿命管理及可靠性控制极为关心的力学参数；应用一种静态、两种动态三种检测技术，同时与数值计算方法相结合，对微悬臂梁阵列敏感单元材料的弹性模量及微结构的等效弹性模量进行了测试研究。完成论文见附件.2004 年在本项目的支持下完成研究论文共 64 篇64 篇，其中正式发表的外文期刊和中文重要期刊论文为 37 篇37 篇，其中被 SCI 检索 27 篇SCI 检索 27 篇。参加国际和国内会议 27 篇27 篇，其中会议邀请报告 5 篇，邀请报告 5 篇，其中国际会议 14 篇14 篇。国家自然科学基金资助项目进展报告 第 8 页 申请专利 5 项，出站博士后 2 名,毕业博士研究生 5 名,毕业硕士研究生8 名。在国内外重要期刊上已发表文章目录 在国内外重要期刊上已发表文章目录 1)Xie HM,Shang HX,Dai FL,et al.,Phase shifting SEM moire method,OPTICS AND LASER TECHNOLOGY 36(4):291-297 JUN 2004 2)Xie HM,Liu ZW,Fang DN,et al.(2004):A study on the digital nano-moire method and its phase shifting technique，MEASUREMENT SCIENCE&TECHNOLOGY 15(9):1716-1721 SEP 2004(SCI)3)Liu ZW,Xie HM,Fang DN,et al.,A novel nano-Moire method with scanning tunnelling microscope(STM),JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY 148(1):77-82 MAY 1 2004(SCI)4)Shang HX,Xie HM,Liu ZW,et al.,Phase shifting nano-moire method with scanning tunnelling microscope,OPTICS AND LASERS IN ENGINEERING 41(5):755-765 MAY 2004(SCI).5)Fang DN,Liu ZW,Xie HM,et al.,Study on fracture behaviour of ferroelectric ceramics under combined electromechanical loading by using a moire interferometry technique,ACTA MECHANICA SINICA 20(3):263-269 JUN,2004(SCI).6)Xide Li,Yan Yang,Cheng Wei In-situ and real-time tensile 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Materials,Vols,274-276(2004),p799-804 SCI 24)S.B.Wang,X.Y.Li,J.W.Tong,P.Goudeau,Z.Y.Wang，New Optical Method for Macro and Micro-zone Strain Measurements,实验力学,VOL.19，NO.4,2004 25)王世斌，李翔宇，李林安，后验概率算法用于位移场的确定 实验力学,VOL.19，p371,NO.3,2004 26)潘亮，张青川，伍小平，段志辉，陈大鹏，王玮冰，郭哲颖，“基于 MEMS 的光力学红外成像”，实验力学，Vol.19,No.4,2004 27)PAN Liang,ZHANG Qing-chuan,WU Xiao-ping,DUAN Zhi-hui,CHEN Da-peng2,WANG Wei-bing,GUO Zhe-ying“MEMS Based Optomechanical Infrared Imaging”,J.of Exp.Mech.Vol.19,No.4，2004 江慧丰，张青川，蒋震宇，赵思敏，陈忠家，伍小平“铝合金中 PLC 变形带的轨迹观察和研究”,实验力学，Vol.19,No.4，2004 28)JIANG Hui-feng，ZHANG Qing-chuan，JIANG Zhen-yu，ZHAO Si-min，CHEN Zhong-jia，WU Xiao-ping“Investigation on the Portevin-Le Chatelier Deformation Bands in Al-Cu Alloys”,J.of Exp.Mech.Vol.19,No.4 2004，29)Zhongjia CHEN,Qingchuan ZHANG,Zhenyu JIANG,Huifeng JIANG and Xiaoping WU“A Macroscopic Model for the Portevin-Le Chatelier Effect”J.Mater.Sci.Technol.,Vol.20,No.5,2004 30)Jiang Hui-Feng(江慧丰)，Zhang Qing-Chuan（张青川），Jiang Zhen-Yu（蒋震宇），？31)Chen 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在国内外重要会议上发表文章邀请报告目录 a)Huimin Xie,Zhanwei Liu,Fulong Dai,Recent Progress on the Advance Moir Methods,超薄膜及纳米材料的光学和光谱学国际会议,(ICOSFM2004),Aug.2-5,2004,Beijing(邀请报告).b)Huimin Xie,Zhanwei Liu,Haixia Shang,Qikun Xue,Jinfeng Jia,Daining Fang,Micro/Nano Grating and its Application to Moir Measurement,The 3rd International Conference on Experimental Mechanics,Nov.29-Dec.1,2004,Singapore.c)谢惠民 戴福隆 刘战伟 邢永明 卿新林 尚海霞,结构和材料力学行为研究的新方法-高灵敏度云纹技术，中国宇航学会结构强度与环境工程专业学术 2004 年会,2004 年 10 月 25-31 日,广西北海市,(大会报告)。d)Xide Li，Ye Gu.A new positioning and loading system for the study of the mechanical behavior of small and micro components.Proc.of the 3th International conference on Experimental Mechanics,2004,Nov.29-Dec.1,Singapore，pp 17(to be appeared on the SPIE EI,ISTP).e)Xide Li,Cheng Wei.Optical full-field technique for measuring deformation on micromechanical components,Proc.of the 3th International conference on Experimental Mechanics,2004,Nov.29-Dec.1,Singapore，pp 20,(to be appeared on the SPIE 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