接近服役条件下材料微观力学性能原位测试新技术的研究

This project proposes a novel in situ testing technology to characterize micro-mechanical properties of sample materials with macro-scale under the multi-load mode and the thermo-mechanical coupling condition. Via the compact precision driving/transmission unit, novel loading unit, embedded temperature control unit, measuring/control unit and algorithm program, the developed platform can realized multi-load testing, including tension/compression, shear, bend and indentation test with micro/nano accuracy, and thermo-mechanical coupling mechanics testing of sample materials. What's more, the deformation and damage process of materials corresponding to the loads and multi-physical fields can be observed by the scanning electron microscope (SEM), which provides a new method to reveal deformation and damage mechanism of materials near the service condition. Based on the principle and method that can realize multi-load mode and multi-physical field coupling mechanics test, this project concentrates on the research of basic theories and key techniques of precision driving, thermo-mechanical coupling loading, measuring, controlling and in situ observation, and then develops the in situ testing platform with the functions of driving, loading and measuring. Via the developed platform, meaningful and frontier research will be carried out. This project can provide the novel method to materials development, structures design, equipments manufacturing, life prediction and reliability assessment. Thus, this work has the vital scientific significance, and it is expected to bring the significant social and economic benefits.

项目提出对宏观试件开展多载荷模式、机-热耦合材料微观力学性能原位测试新技术的研究命题。通过结构紧凑具有微/纳定位精度的驱动/传动单元、精巧的加载单元、内嵌的温控单元，结合检测、控制单元与算法程序，实现"拉伸/压缩-剪切-弯曲-压痕"多载荷模式、机-热耦合的材料微观力学性能测试，通过扫描电子显微镜高分辨率可视化原位监测加载过程中材料的变形行为、损伤机制与性能演变规律，为接近服役条件下材料微观力学性能测试与分析提供崭新的方法和手段。项目从实现多载荷模式、机-热耦合材料微观力学性能原位测试的原理与方法出发，着重研究多载荷模式加载、机-热加载、检测、控制、原位监测等基础理论与关键技术，研制集"驱动、加载、检测"等功能的原位测试平台，据此开展有意义的前沿研究。项目将为各类固态材料研制、结构设计、装备制造、寿命预测和可靠性评估提供基础，研究工作具有十分重要的科学意义，可望产生重大的社会效益和经济效益。

面向国家重大战略需求和学科发展前沿，项目组提出对宏观试件开展多载荷模式、力热耦合的材料微观力学性能原位测试新技术的研究。项目组系统深入的开展了精密驱动/加载单元、试件夹持单元、温度加载单元、检测控制单元和原位监测单元等研究；通过分析系统测试精度的影响因素，研究了精密驱动单元性能对压痕测试结果的影响机制，提出了处理压痕曲线尾部截断问题和校准微弯曲测试精度的触点滑动法等修正校准仪器精度的多种理论方法。项目组成功研制了拉/压-剪切-弯曲-压痕多载荷模式、力热耦合的材料微观力学性能原位测试装置，开发了配套分析处理软件，并对测试装置进行了修正校准，实现了在显微镜高分辨率可视化动态监测下就载荷作用对材料变形行为、损伤机制与性能演变规律的原位测试分析。利用自制装置，针对结构材料、非晶合金和单晶硅等典型材料，开展了一系列力热耦合原位测试试验；结合仿真分析与试验测试，还研究了温度效应和制备工艺等因素对部分材料的弹性模量、硬度和各向异性特性等性能的影响规律，发现了若干有意义的新现象、新规律。. 项目组发表SCI论文34篇、EI论文12篇，多篇论文被英国皇家物理学会等重要学术组织选为研究亮点（highlight）；申请国际专利2件、国家发明专利30件，授权国家发明专利20件，前期取得的3件授权专利被作价入股开展产业化实施；主持制定中华人民共和国机械行业标准2项；取得软件著作权1项。基于研发的关键技术，为北京大学和中国工程物理研究院分别设计定制了2种材料微观力学性能测试仪器，2016年上半年已交付使用。项目组获批建设省材料服役性能测试产业公共技术研发中心，研究成果获吉林省技术发明奖一等奖；培养的博士生获上银优秀机械博士论文铜奖、长白青年科技奖特优奖和吉林大学首届十佳研究生等荣誉称号；项目负责人获批国家自然科学基金优秀青年科学基金和长江学者青年项目。项目组与海内外多家著名研究机构开展了实质性交流合作。