T型硅微悬臂梁频率温度系数的测试研究

为了获得T型单晶硅微悬臂梁的固有频率温度系数,首先从理论上分析了T型微悬臂梁的固有频率随温度的变化规律,并建立了其固有频率的温度系数模型。随后搭建了带有高温环境加载功能的MEMS微结构动态特性测试系统,采用OFV534激光多普勒测振仪获取微结构的振动响应,采用基于压电陶瓷的底座激励方法实现对微结构的激励,在激励装置中采用了一个可动机构,解决了压电陶瓷在高温环境下使用的难题。最后,使用带有高温环境加载功能的MEMS微结构动态特性测试系统,测试了一种典型T型单晶硅微结构的动态特性,测试温度范围为室温~300℃,得到硅微悬臂梁的固有频率温度系数约为-2.71×10-5/℃,与理论分析的结果具有很好的一致性。     

单晶硅微薄膜V形缺口疲劳特性研究

采用微疲劳试验机与光学显微镜搭建一套微观疲劳试验系统。在室温条件下,通过控制载荷对单侧V形缺口的单晶硅微薄膜进行脉动拉伸疲劳试验,研究其疲劳特性。首先将单晶硅微薄膜V形缺口试样疲劳试验数据与单晶硅微薄膜光滑试样疲劳试验数据进行对比,分析发现V形缺口的引入会使单晶硅试样的疲劳强度及其抵抗弯矩的能力显著降低。试验结果表明,缺口试样发生破坏的应力幅度界限分明,与光滑试样相比,其破坏特性更趋近于宏观脆性断裂。通过扫描电镜分别对单晶硅微薄膜光滑试样与V形缺口试样进行断口分析,发现单晶硅微薄膜在循环应力作用下出现脆性疲劳破坏行为,其断口形貌特征与晶体结构密切相关。     

单晶硅微构件力学特性片上测试系统

设计一种集成静电梳状驱动器和测试结构，专用于单晶硅微构件断裂、疲劳性能测试的片上测试系统。详细介绍测试系统的结构和工作原理。对静电梳状驱动器的驱动电压一驱动力关系、结构刚度以及谐振频率进行计算。利用MEMS（micro-electro-mechanical system）体硅工艺制造该测试系统，加工得到的测试系统在显微镜工作台上进行静态和动态弯曲实验，并将实验结果与ANSYS分析结果进行对比。结果表明，该测试系统性能稳定，能够实现对单晶硅微构件的弯曲断裂和疲劳测试。     

基于谐振原理的硅微薄膜弯曲疲劳装置的设计

根据梳状驱动器原理设计了一种静电力驱动的硅微薄膜弯曲疲劳试验装置,所设计的装置可以由微机电系统表面牺牲层标准工艺制作加工。对所设计疲劳试验装置的圆弧梳状驱动器电容及静电驱动力进行了理论分析,并在此基础上采用有限元分析软件ANSYS对装置进行了模态分析与简谐分析。分析结果表明：当所施加的交流电压频率与结构的一阶固有频率相等时,试样在其缺口根部取得最大应力值,该应力值与所加交直流电压乘积的大小成线性关系,利用该关系式可对试验所需电压值进行预测。有限元分析和制造结果观测表明,所设计的装置符合微机械疲劳试验要求。     

基于激波的MEMS微结构底座冲击激励方法研究

为了能够在较高的温度环境中测试MEMS微结构的机械模态参数,本文提出了一种以高压电容空气放电为手段,以激波冲击为特征的底座激励方法。阐述了基于激波的底座冲击方法的原理和具体实现方式,并分析了放电电容、回路电阻、回路电感等参数与激振装置激励能力的关系。设计并研制了可应用在室温环境中的MEMS微结构动态测试装置,并在此基础上研制了高温环境微结构动态测试系统,系统中使用基于激波的底座冲击激励装置对微结构进行激励,采用激光多普勒测振仪获取微结构的振动响应信号。分别测试了两种尺寸的单晶硅微悬臂梁在室温~500℃温度环境下的动态特性,结果表明微悬梁的谐振频率随温度的升高而减小,并呈近似线性关系,与其他研究人员的研究结果有很好的一致性,验证了基于激波的底座冲击激励方法的可行性。     

化学镀镍磷镀层对弹簧钢疲劳性能的影响

采用三点弯曲疲劳试验法研究化学镀镍磷镀层对70弹簧钢疲劳性能的影响.结果表明:基体试样的疲劳寿命最长,镀态试样的疲劳寿命与基体相比显著降低,其原因是由于镀层的氢脆引起的;经过除氢热处理或晶化热处理后,基体试样和镀态试样的疲劳寿命都显著降低,而热处理后试样疲劳强度的降低是由于镀层内的压应力降低引起的;经过200 ℃×1 h或200 ℃×3 h热处理的试样疲劳寿命相当.     

采用微机械加工技术的微光学加速度计

表面微机械加工技术是实现单片集成微光学系统的一种新方法。本文介绍一种新型的采用微机械加工技术的微型光学加速度计,包括设计、关键器件的加工和测试,它是基于光线和光闸相互作用引起通光量变化的工作原理。这一微光学加速度计包含一个2μm厚的多晶硅光闸,光闸采用微弹簧支撑在基片上,微弹簧是长度为200／μm的多品硅褶曲梁,硅基片和微结构之间所夹的牺牲层采用氢氟酸湿法刻蚀去除。光闸设计为一个质量弹簧系统,对加速度力产生响应。     

基于直流-交变电场的单晶硅3D微纳结构制备方法研究

贵金属颗粒辅助化学腐蚀法在制备硅微纳线结构方面具有独特的作用。为了自动控制贵金属颗粒在单晶硅体内的运动方向,提高制备复杂3D硅微纳结构的可能性和结构品质,提出一种基于复合电场的单晶硅3D微纳结构制备方法。设计了直流-交变复合电场模型来研究贵金属颗粒辅助化学腐蚀法的机理,并分析了电场频率对单晶硅微纳结构的影响。设计了外电场控制模型及试验,讨论了电场强度和电场方向对腐蚀效率和腐蚀轨迹的作用规律。微结构观测结果验证了利用电场控制腐蚀加工过程的可行性,得到了优化的电场电流密度和电场频率工作区间,为制备3D硅微纳结构提供了新的试验思路和机理分析途径。     

大功率激光二极管列阵的硅基微通道热沉研制

为了提高大功率激光二极管列阵的散热效率以便提高其寿命和波长稳定性,研制了一种封装集成度较高的屋脊式硅基微通道热沉.将田口稳健设计方法用于微通道热沉的优化设计,利用正交试验和信噪比分析实现了参数的稳健优化.以(110)单晶硅作为基片,采用KOH各向异性刻蚀和硅-玻璃-硅三层阳极键合方法制作出了通道宽度约为50 μm的微通道热沉,通道壁面粗糙度优于0.1 μm.采用激光二极管芯片对样品进行了封装和测试,利用砷化镓激光波长的温度漂移系数估算出了中间激光二极管的有源区温升,从而计算出了热沉的热阻.测试结果表明,该微通道热沉的单位面积热阻约为0.070 cm2·K/W,与有限元分析结果基本一致.     

铁电材料在机电场作用下的微结构观测

铁电材料具有优良的机电偶合效应和对外加电场迅速反应的能力.微裂纹和电畴行为是探索铁电材料疲劳,损伤和破坏机理的重点和热点.本文通过对典型的铁电材料.PZT-5,进行交变力四点弯,交变电及恒力四点弯与交变电耦合的疲劳实验,分别测量了极化与未极化试样疲劳实验前后的压电常数d33和剩余极化强度Pr与初始极化强度P0r,同时引入显微硬度点,定点观察了硬度压痕和微裂纹,讨论了疲劳实验前后各样品的微裂纹变化与生长情况.本文试图通过对PZT-5材料的微结构观测,探索机电场作用下铁电材料的微结构变化对其宏观性能的影响.     

基于非线性预测滤波算法的疲劳裂纹扩展预测

针对传统Paris疲劳裂纹扩展模型预测精度低、无法考虑裂纹扩展过程中各种不确定因素影响的问题,提出一种基于非线性预测滤波算法的疲劳裂纹扩展预测方法。使用基于Paris公式的状态空间方程表征裂纹扩展过程,采用基于Lamb波的监测技术构建观测空间方程,利用实时观测信息修正模型预测值。最后通过Q235钢试件的单边疲劳裂纹扩展实验验证了该预测方法的有效性。实验结果表明,非线性预测滤波算法在疲劳裂纹扩展预测中可以有效地修正Paris公式的预测误差,其预测精度高于扩展卡尔曼滤波和粒子滤波算法的预测精度,同时算法效率较粒子滤波算法有明显提高。     

汽车链疲劳寿命威布尔分布形状参数的探讨

探讨了汽车链疲劳寿命的分布规律,揭示了汽车链疲劳寿命威布尔分布形状参数随链条规格、载荷水平变化的特点,设计了可靠寿命的抽样检验方法.试验结果表明:在高应力水平下,汽车链疲劳寿命服从两参数的威布尔分布,其形状参数随载荷的增大而增大,随节距的增大而减小,且加速试验抽样检验比正常载荷抽样检验节省试验时间,降低试验成本,考虑到失效模式,建议过载水平为标准中规定的最小极限拉伸载荷的0.30～0.33.     

An equivalent ellipse method to analyse the fatigue behaviour following ‘multi-surface initiations’

This paper discusses the mechanisms of fatigue when cracks synergetically initiate in multiple sites at the surfaces of specimen. Metal-matrix composites such as aluminium matrix composites reinforced by silicon carbide particles are good candidates to accelerate fatigue failures following multi-surface initiations (MSIs). Closure effects of MSIs on the variation of fatigue behaviour were explored for various applied stress in two states of composite used: pre-treated state and non-pre-treated state. Using an equivalent ellipse method (EEM), it is found that the quality of surface finish of the specimen is of great role in crack initiation and growth. It is revealed that total lifetime of specimen is sensitive to heat treatment. Considering no transition from small to long crack, predictive formula used leads to identification of the Paris law exponent. It is found that this exponent is sensitive to both the applied load and the value of crack growth rate below threshold.     

航空发动机涡轮盘用GH4133B合金疲劳裂纹扩展行为研究

材料的疲劳寿命由裂纹形成寿命和扩展寿命两部分组成。针对航空发动机涡轮盘用GH4133B合金,进行室温下不同应力比的疲劳裂纹扩展试验,测试疲劳裂纹扩展门槛值。Paris公式回归分析结果表明,裂纹扩展速率随应力强度因子和应力比的增大而增大,含门槛值的修正Paris公式能精确描述疲劳裂纹扩展行为。利用光学显微镜在线观测裂纹扩展路径,并利用扫描电镜考察试样断口微观形貌。结果发现,随应力强度因子增大,裂纹扩展路径由平直变得曲折。在疲劳裂纹萌生区、稳定扩展区和快速扩展区,断裂表面依次呈现为解理断裂、疲劳条带和沿晶韧窝混合断裂模式。基于断口反推理论反推载荷和裂纹扩展方程,结果表明,利用反推方程预测疲劳裂纹的扩展,可有效防范疲劳断裂的发生。     

考虑运动状态时全井段钻柱疲劳裂纹扩展寿命计算研究

旋转钻进中钻柱既自转又反转,当其通过弯曲段或大间歇环空段时,偏心反转引起较大的弯曲应力,在复合载荷作用下常造成钻柱疲劳损伤。因此,钻柱疲劳寿命预测对钻柱的合理使用及损伤评估有重要价值。本文以全井段钻柱为研究对象,考虑了其进动与反进动状态,通过摩阻/扭矩分析确定了其轴向载荷及扭矩,并运用动力学观点分析了钻柱在不同井眼环空下的弯曲应力,由此计算出了全井段钻柱的合成应力,并结合Paris公式得出了钻柱疲劳寿命的计算方法。最后,编写了计算全井段钻柱受力和疲劳裂纹扩展寿命的计算机软件。算例表明,该方法能客观地反映井身结构、钻具组合及钻柱运动状态对钻柱疲劳裂纹扩展寿命的影响。     

温度对动车组车轮钢服役次生疲劳裂纹起裂扩展特性影响

高速动车组车轮材料在严酷服役温度条件下的抗疲劳裂纹起裂与扩展能力是制定车轮合理维修周期和进行服役寿命评估的基础。选用高速动车组用ER8C车轮钢作为研究对象，对其在-60~60 ℃服役温度范围内进行了应力疲劳试验及疲劳失效机制探讨。结果表明：随着测试温度的升高，轮辋、轮辐材料疲劳寿命均呈现出显著缩短趋势；在较高的服役温度条件下，试样出现了半椭圆形的次生疲劳裂纹起裂扩展形貌特征，且由于轮辋与轮辐不同位置材料强度韧性的差异，使得产生次生疲劳裂纹起裂扩展形貌特征所对应的温度条件不同，对于轮辋材料，当试验温度升高到50 ℃时，试样开始产生次生疲劳裂纹，而对于轮辐材料，当试验温度升高到30 ℃时，试样便开始产生次生疲劳裂纹；通过对主次生疲劳裂纹的扩展特性比较分析可知，随着应力强度因子幅值的增大，材料微观薄弱区域由珠光体片层层间转变为珠光体团晶粒边界。     

Bending strength analysis of micro WC-shaft manufactured by micro electro-discharge machining

Micro electro-discharge machining (micro-EDM) is a critical technology to fabricate high aspect ratio 3D micro-components. However, the surfaces of micro-components manufactured by micro-EDM will exhibit micro-cracks to produce notch effects, and lead to stress concentrate and reduction of fatigue strength. This paper performs micro-bending tests to investigate the influence of various roughness and size on the bending fracture strength of micro WC-shafts manufactured by micro-EDM. The experimental results indicate that the surface roughness, axial surface area, volume, and length of the specimen will affect its bending fracture strength. For specimens with the same size, the mean bending fracture strength decreases as the surface roughness increases, and the bending fracture probability of the specimens also increases (roughness effect). For specimens with the same roughness, reducing the length or axial surface area will increase the mean bending fracture strength, and reduces the bending fracture probability (size effect).     

非对称齿廓齿轮弯曲疲劳强度理论分析与试验

为提高齿轮承载能力设计齿轮两侧压力角不等的非对称渐开线新齿形,推导双压力角非对称齿廓齿轮工作齿侧与非工作齿侧的渐开线齿廓方程和齿根过渡曲线方程,通过迭代计算和优化策略提出非对称齿廓齿轮疲劳强度解析法计算公式。编制生成非对称齿轮齿廓的参数化程序,在此基础上建立非对称齿廓齿轮有限元分析模型。通过解析法对不同压力角组合的非对称齿廓齿轮弯曲应力和危险截面位置计算得出,随着工作齿侧压力角的增大齿根最大弯曲应力逐渐降低,单齿啮合区向齿顶偏移;通过对有限元模型进行计算得出的结果与解析法一致,应用最小二乘法拟合出非对称齿廓齿轮齿根弯曲应力随工作齿侧压力角变化的计算公式。采用数控电火花线切割方法加工制造非对称与标准齿廓齿轮,在高频疲劳试验机上采用双齿脉动加载方法对其进行疲劳强度试验。试验结果表明,非对称齿廓齿轮在相同寿命下比对称齿轮极限载荷提高了50%,非对称齿廓齿轮的应力值变化趋势与前两种方法是一致的。     

Fabricating a micromould insert using a novel process

A new method of fabricating micromould inserts that is compatible with semiconductor manufacturing is proposed. Diffusion of phosphorous at a high temperature is first used to increase the electric conductivity of the surface of the silicon wafer to generate a silicon-based seed layer for electroforming. If the process temperature and the duration of doping with phosphorous are controlled, then the electric conductivity of this novel silicon-based seed layer can be expected to equal that of a metal seed layer. Then, a structure layer of amorphous silicon is successfully formed onto the silicon-based seed layer, by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The structure layer has none of the defects that would be present if a metal seed layer were used to replace the silicon-based seed layer. Finally, a silicon-based master microstructure was created by using ICP-RIE to etch the structure layer. The silicon-based master has been demonstrated to be useable in successfully fabricating, by electroforming, a metal micromould insert with a large area and high aspect ratio.     

Comparison of the fatigue life of F.F. shaft material according to various environmental temperatures

A rotary bending fatigue test was carried out with two kinds of materials, S43C and S50C, using the front engine and front driveshaft (F.F. shaft) of the vehicle. The specimens were heat-treated using the high frequency induction method (about 1 mm depth and HRC56∼60) and the test environment temperatures were -30 °C (-22 °F), +25 °C (+77 °F), and +80 °C (+176 °F) in order to determine the influence of the heat treatment and the temperatures. The fatigue life increased on the order of +80 °C, +25 °C, and -30 °C regardless of heat treatment. In comparison of the fatigue lives with the basis of the tested result at +25 °C, the fatigue lives of non-heated specimens decreased about 35%, but that of heat-treated specimens decreased by only about 5% at +80 °C, more than at +25 °C. And fatigue life of non-heated and heat-treated specimens were about 110% and 120% higher at -30 °C than that of +25 °C. The initiation of surface microcracks was observed at 0.2 fatigue life ratio in as-received S43C and S50C, but the average crack length in S50C was about 14% longer than that of S43C at the same fatigue life ratio.