实验力学先进测量方法、技术与应用前沿进展分享
文一：
机械变形制备自支撑干燥稳定的纳米多孔聚合物薄膜
摘要：
提出了一种新的直接方法来制备具有明确平均孔径的纳米多孔聚合物膜。该方法基于高度纠缠的聚合物膜在高温下的快速机械变形和随后远低于玻璃化转变温度Tg的淬火。该过程首先通过模拟进行总体设计，然后以聚苯乙烯膜为例进行验证。该方法不需要任何化学处理、支撑衬底或自组装过程，仅基于聚合物固有的纠缠效应。孔径为10个聚合物报告管直径的数量级。所得膜在环境条件下稳定数月，并显示出显著的弹性特性。
图：多孔薄膜制造。
图：多孔膜形态。
图：膨胀平面内结构系数。
图：纳米多孔PS薄膜的热弹性。
文二：
纳米压痕下纳米晶铜室温应力降低后的蠕变行为
摘要：
利用纳米压痕技术研究了纳米晶（NC）Cu在室温下进行应力降低试验后的蠕变行为。基于等应变假设的复合模型已被用于揭示正/负蠕变行为（塑性恢复）背后的机制。我们的分析表明，NC Cu中不同的蠕变行为是竞争变形机制的结果，包括位错向前或向后滑动、位错在晶界处湮灭（GBs）和GB活动，如GB滑动和迁移。
图：NC（a）和CG（b）Cu的荷载-位移（P-h）曲线
图：（a）中最左边的是应力减小前的应力分布，其中σ表示初始施加的应力；区域I、区域II和区域III是小应力、中等应力和大应力降低后的应力分布；在位错滑移(εS，dis)和位错湮没于 GBs (εH，dis)和 GB 活度(εGB)时，区域 I-III (b)的总蠕变应变(εtotal)与时间曲线。
文三：
多层高温超导线材内部损伤形态的研究
摘要：
第二代高温超导线材在电气工程中的许多超导元件制造之后都得到了广泛的应用。我们面临的新挑战是，在机械和极端环境下，这种多层结构金属丝的损伤是如何发生的，这也决定了它的质量。本文采用实时磁光成像与低温单轴拉伸加载系统相结合的宏观技术，研究了随磁通演化而产生的损伤行为。在低速拉伸应变条件下，局部磁通逐渐移动形成间歇性的多层纺锤体穿透，这对应于从基体开始的沿带宽和带厚方向延伸的裂纹，在裂纹尖端还观察到非晶相。研究结果揭示了金属丝损伤形成的机理，为提高金属丝的力学性能提供了潜在的方向。
图：高温超导磁铁、第二代高温超导带及测试装置示意图。
图：在不同拉伸应变下测量的通量模式。
图：局部磁通图及其磁场差异的分布。
图：在64mT 和40K 的零场冷却条件下应变样品的局域磁通随加载时间的变化。
图：通量穿透长度与加载时间的特征曲线。
图：具有拉伸损伤和人工裂纹样品的磁场响应比较。
图：拉伸应变过程中的损伤形成过程示意图。
文四：
二维超声表面光整加工提高铝合金耐磨性的机理研究
摘要：
梯度纳米结构是通过二维超声表面抛光过程（2D-USBP）在铝（AL）合金上加工的。研究了梯度纳米结构为何增强耐磨性的机制。梯度纳米结构的机械性能和显微结构表征是通过操作纳米Indenter，透射电子显微镜（TEM）和电子反向散射衍射（EBSD）来执行的。加工前后对样品进行干磨损测试，以评估耐磨性和机制。通过开发晶体可塑性（CP）有限元和分子动力学（MD）模型来探索梯度纳米结构对耐磨性的影响。表征的结果表明，2D-USBP样品在铝表面制备了约600μm厚的梯度结构，将表面硬度从1.13增加到1.71 GPA，并将弹性模量从78.84降低到70.14 GPA。表面微观结构的优化和机械性能的增加有效地增强了样品的耐磨性，41.20％，39.07％和54.58％的磨损疤痕面积用于2D-USBP处理的样品到原始样品以下5岁以下的样品，10和15 N负载。梯度纳米结构在磨损过程中阻碍样品内部的位错滑动，并降低塑性变形的大小和范围。同时，改善了对样品表面的变形，粘附和裂纹引发的抗性，从而提高了耐磨性。
图：纳米压痕点的分布。
图：用于磨损过程模拟的 MD 模型: (a)单颗粒 MD 模型和(b)梯度颗粒 MD 模型。
图：用于磨损过程模拟的 ABAQUS-DAMASK 网格: (a)单晶 CP 模型和(b)梯度晶 CP 模型。
图：2D-USBP处理样品的横截面微观结构：（a）EBSD结果，（b）TEM图像（DT、DDW和MB分别是位错缠结、致密位错壁和微带的缩写），（c）层错（SF）和Ginnier–Preston II（GPII）区的HRTEM图像，（d）LAGB的HRTEM图，以及（e）Lomer–Cottrell锁定的（d）的放大结果。
图：不同深度的统计结果：（a）晶粒等效半径的加权平均值，（b）晶界长度，和（c）DC边界长度。
图：2D-USBP 处理试样截面的硬度和弹性模量: (a)硬度和(b)弹性模量。
图：COF–不同载荷下的时间曲线：（a）5 N，（b）10 N和（c）15 N。
图：磨损疤痕的三维形态: (a1-a3)在5,10和15N 下的原始样品，(b1-b3)在5,10和15N 下的2D-USBP 处理的样品和(c1-c3)在5,10和15N 下的磨损区域。
图：磨损过程示意图。(a)原始和(b)2D-USBP 处理样品。
图：磨损过程中的瞬时微观缺陷分布: (a)单颗粒 MD 模型和(b)梯度颗粒 MD 模型。
图：磨损过程中的 Von-Mises 应力分布: (a)单颗粒 MD 模型和(b)梯度颗粒 MD 模型。
图：磨损过程中可动位错和不可动位错的密度分布。
文五：
基于压电驱动谐振器1:1:2内部谐振的同步质量检测
摘要：
基于分岔的质量传感器可以利用多个稳态之间的幅度跳变来实现质量定量检测和质量报警。与传统的基于附加质量引起的频移的检测方法相比，幅度的突变使得检测一个非常小的质量成为可能。大多数研究集中于单一分析物的质量检测，但对双分析物的检测研究较少。本研究首次提出基于1:1:2内共振诱导分岔的双分析物同步质量检测的概念，并进行了实验验证。首先，设计了一种具有1:1:2内谐振势的压电驱动三自由度(3-DOF)磁耦合谐振结构。通过驱动高频共振梁，实现了两个低频共振梁的参数振动，引起了三个频段的模态耦合振动现象。从理论上推导了多模态耦合振动的物理条件。通常，通过测量上下临界分岔频率的位移，双分析物的定量质量检测可以同时进行。此外，本文还创造性地提出了双分析物的多质量预警概念方案。实验结果显示，随着吸附质量的增加，系统在平衡点附近的共振振幅明显变化，并伴随着分叉现象。研究结果为基于多模耦合振动的共振质量传感器的研制提供了一个系统框架。
图：(a)压电驱动三自由度磁耦合谐振器的结构; (b)三自由度集总参数谐振器模型; (c)三个谐振梁之间磁耦合力的结构图。
图：通过正向扫描（a）和反向扫描（b）获得的幅频响应曲线。随着驱动频率的增加或减少，模态耦合振动以三个频率间隔出现。不同模态耦合间隔的时间历程如（c）所示。当驱动频率为24Hz和26.1Hz时，谐振器表现出明显的周期性振动。当驱动频率为25.3Hz时，谐振梁1和谐振梁3的振动强度交替变化，并且出现跳动现象。
图：（a） 不同驱动频率下模态耦合振动的临界驱动力。当驱动力相对较小（例如0.05mN）时，谐振系统不具有模态耦合振动。当驱动力足够大（例如0.5mN）时，谐振系统具有三个频率间隔，产生模态耦合振动。（b） 以及（c）示出了吸附在谐振梁1、3上的附加质量与临界驱动频率之间的关系。
图：谐振器在吸附来自正向扫描（a）和反向扫描（b）的分析物之前和之后的响应幅度曲线。随着吸附在共振梁3上的质量的增加，较低的临界分叉频率减小（a）。类似地，随着吸附在谐振梁1上的质量的增加，上临界分叉频率减小（b）。同时，较小的吸附质量mt和mp不能分别影响谐振系统的下临界频率和上临界频率。
图：（a） 压电驱动谐振质量传感器实验装置图；（b） 钕磁铁用于吸附钕磁铁的质量块；（c） 实验测试装置的原理图；（d） 当V＝10V时实验测量的幅频响应曲线。实验测量11.1Hz的第一固有频率和12.1Hz的第二固有频率。当驱动频率接近第三固有频率时，通过实验观察到了模态耦合现象。
图：共振束1上吸附的分析物的质量警告图。随着吸附在共振束1上的质量逐渐增加，共振束1的振幅在（a）中的琐碎溶液附近具有三个显著变化，对应于三个质量警告（102mg、120mg和174mg）。共振梁1在每次质量警报前后的时间历程响应如（b）所示，其中振动振幅在警报前后显著变化。
