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材料科学
题目

加载过程中,纤维由于泊松比收缩而发生脱粘的长度上与基体脱离,其长度取决于界面结合的强度,当纤维在距开裂平面较远处断开时,储存的弹性能得到释放,纤维与基体重新接触。________________________MEMS技术的迅猛发展,推动了所用材料微尺度力学性能测试技术的发展。MEMS的定义:microelectromechanical system(微电子机械系统)是集传感、信息处理和执行于一体的集成微系统[1]。MEMS所独有的优点(小体积、大批量、低成本、可靠性),近三十年来已成为世界各发达国家高新技术领域研究的热点。MEMS器件的开发热点:传感、致动、射频(RF)、光学、生化和医学等不同领域。所使用的材料:单晶硅、及在其上形成的微、亚微米级厚的薄膜为主。薄膜主要有:单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅及一些金属、和一些高分子材料。________________①弹性模量:决定着器件的结构响应特性;②残余应力:影响器件的成品率和服役性能;③断裂强度:设计承载结构中最重要的材料特性;④疲劳强度:决定器件长期服役的可靠性;-MEMS器件的特征长度一般小于1mm,因而,测试设备和方法成为最大难题。-自从1982年诞生了第一台扫描隧道显微镜(STM)后,人们才对微/纳观尺度的观测有了新手段。之后,又有了原子力显微镜(AFM)和纳米压痕测试系统,从而极大的推动了微/纳尺度下材料的性能测试研究。STM的构造及测试原理-当探针与被测试件足够接近时,将会发生隧道效应,产生隧道电流;-相对距离的变化使隧道电流发生很大变化,通过反馈系统调节探针的高度来维持电流为常值,从而得到被测试件的表面物理特征。温度对复合材料的影响-温度效应温度对复合材料的影响主要表现在蠕变效应和热脉冲效应,在较高温度条件下复合材料中的单个或全部组分可能发生蠕变。蠕变的概念:________在保持应力不变的情况下,应变随时间缓慢增长的现象。金属、高分子材料等在一定条件下都具有蠕变性质。蠕变的特征:蠕变材料的瞬时应力状态不仅与瞬时变形有关,而且与该瞬时以前的变形过程有关。瞬时响应后随时间发展的蠕变一般可分成3个阶段:第一阶段:衰减蠕变,应变率(应变的时间变化率)随时间增加而逐渐减小;第二阶段:定常蠕变,应变率近似为常值;第三阶段:加速蠕变,应变率随时间逐渐增加,最后导致蠕变断裂。同一材料在不同的应力水平或不同温度下,可处在不同的蠕变阶段。通常温度升高或应力增大会使蠕变加快。不同材料的蠕变微观机制不同多晶体材料蠕变的原因是原子晶间位错引起的点阵滑移以及晶界扩散等;聚合物的蠕变机理则是高聚物分子在外力长时间作用下发生的构形和位移变化。研究材料的蠕变性质对安全而经济地设计结构和机械零件具有重要意义。复合材料的热脉冲效应复合材料的结构以及制造工艺的特点,导致材料内部热膨胀不匹配,从而产生残余应力。________。这些应力可导致纤维损伤、层间开裂等缺陷,最终造成材料失效破坏。复合材料残余应力产生的机理:复合材料在制造过程中,有可能形成各种缺陷,主要反映在力学性能测试数据的分散性上。由于复合材料材料制作工艺特点,由具有不同热膨胀系数的材料组分在制造过程中被加热、然后冷却可能形成足够大的残余应力。这些应力主要在材料内部的缺陷处产生高应力集中。复合材料的制造加工过程中缺陷主要包括:•树脂________不适当,特别是在热压罐成型时较厚截面或复杂截面内局部放热引起的温度变化造成的树脂固化不合理;•纤维________不正确,纤维铺放角度不正确或断裂;•纤维分布________,造成富脂区,富脂区内的空隙;•在层间存在裂缝、过搭接及其它________;•由________造成的树脂开裂和层间横向开裂;•机械________周围的局部损伤;•胶接复合材料的局部________;非晶态(无定形)高分子可以按其力学性质区分为玻璃态、高弹态和粘流态三种状态尺度效应尺度效应:是指在一个现象里面,所讨论的对象的宏观尺寸会与其它或物理特征量耦合成为一个无量纲控制参量,及所讨论的对象不再服从几何相似率,因而室内小型实验结果不能简单地推广到工程原型上去。

加载过程中,纤维由于泊松比收缩而发生脱粘的长度上与基体脱离,其长度取决于界面结合的强度,当纤维在距开裂平面较远处断开时,储存的弹性能得到释放,纤维与基体重新接触。

________________________

MEMS技术的迅猛发展,推动了所用材料微尺度力学性能测试技术的发展。

MEMS的定义:microelectromechanical system(微电子机械系统)是集传感、信息处理和执行于一体的集成微系统[1]。

MEMS所独有的优点(小体积、大批量、低成本、可靠性),近三十年来已成为世界各发达国家高新技术领域研究的热点。

MEMS器件的开发热点:传感、致动、射频(RF)、光学、生化和医学等不同领域。

所使用的材料:单晶硅、及在其上形成的微、亚微米级厚的薄膜为主。

薄膜主要有:单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅及一些金属、和一些高分子材料。

________________

①弹性模量:决定着器件的结构响应特性;

②残余应力:影响器件的成品率和服役性能;

③断裂强度:设计承载结构中最重要的材料特性;

④疲劳强度:决定器件长期服役的可靠性;

-MEMS器件的特征长度一般小于1mm,因而,测试设备和方法成为最大难题。

-自从1982年诞生了第一台扫描隧道显微镜(STM)后,人们才对微/纳观尺度的观测有了新手段。之后,又有了原子力显微镜(AFM)和纳米压痕测试系统,从而极大的推动了微/纳尺度下材料的性能测试研究。

STM的构造及测试原理

-当探针与被测试件足够接近时,

将会发生隧道效应,产生隧道电流;

-相对距离的变化使隧道电流发生很大变化,

通过反馈系统调节探针的高度来维持电流为常值,

从而得到被测试件的表面物理特征。

温度对复合材料的影响-温度效应

温度对复合材料的影响主要表现在蠕变效应和热脉冲效应,

在较高温度条件下复合材料中的单个或全部组分可能发生蠕变。

蠕变的概念:

________在保持应力不变的情况下,应变随时间缓慢增长的现象。金属、高分子材料等在一定条件下都具有蠕变性质。

蠕变的特征:

蠕变材料的瞬时应力状态不仅与瞬时变形有关,而且与该瞬时以前的变形过程有关。瞬时响应后随时间发展的蠕变一般可分成3个阶段:

第一阶段:衰减蠕变,应变率(应变的时间变化率)随时间增加而逐渐减小;

第二阶段:定常蠕变,应变率近似为常值;

第三阶段:加速蠕变,应变率随时间逐渐增加,最后导致蠕变断裂。

同一材料在不同的应力水平或不同温度下,可处在不同的蠕变阶段。通常温度升高或应力增大会使蠕变加快。

不同材料的蠕变微观机制不同

多晶体材料蠕变的原因是原子晶间位错引起的点阵滑移以及晶界扩散等;

聚合物的蠕变机理则是高聚物分子在外力长时间作用下发生的构形和位移变化。

研究材料的蠕变性质对安全而经济地设计结构和机械零件具有重要意义。

复合材料的热脉冲效应

复合材料的结构以及制造工艺的特点,导致材料内部热膨胀不匹配,从而产生残余应力。________。这些应力可导致纤维损伤、层间开裂等缺陷,最终造成材料失效破坏。

复合材料残余应力产生的机理:

复合材料在制造过程中,有可能形成各种缺陷,主要反映在力学性能测试数据的分散性上。由于复合材料材料制作工艺特点,由具有不同热膨胀系数的材料组分在制造过程中被加热、然后冷却可能形成足够大的残余应力。这些应力主要在材料内部的缺陷处产生高应力集中。

复合材料的制造加工过程中缺陷主要包括:

•树脂________不适当,特别是在热压罐成型时较厚截面或复杂截面内局部放热引起的温度变化造成的树脂固化不合理;

•纤维________不正确,纤维铺放角度不正确或断裂;

•纤维分布________,造成富脂区,富脂区内的空隙;

•在层间存在裂缝、过搭接及其它________;

•由________造成的树脂开裂和层间横向开裂;

•机械________周围的局部损伤;

•胶接复合材料的局部________;

非晶态(无定形)高分子可以按其力学性质区分为玻璃态、高弹态和粘流态三种状态

尺度效应

尺度效应:是指在一个现象里面,所讨论的对象的宏观尺寸会与其它或物理特征量耦合成为一个无量纲控制参量,及所讨论的对象不再服从几何相似率,因而室内小型实验结果不能简单地推广到工程原型上去。

题目解答

答案

微结构( MEMS )材料力学性能的测试技术 MEMS 的设计和服役中需了解的力学特性 固体材料 在材料经受快速升温的热环境下,材料内部残余应力得到释放,从而产生热脉冲效应 固化 体积含量 不均匀 缺陷 热应力 转孔 脱粘

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