微米量级金属纤维扭转实验技术及仪器化

微米量级超细金属纤维新材料具有轻质、导电、导热和高强度等特殊性质，在特种纺织、航空航天、环保过滤、造纸和冶金等领域将会得到越来越广泛的应用。针对微米量级金属纤维材料的细观力学性能测试及其"尺度效应"实验研究的迫切需求，本项目拟通过应用光学微位移测量、精密仪器设计、Labview虚拟仪器测控等方面的技术研制一台金属纤维微扭转实验系统样机，并对单晶金属纤维的微扭转尺度效应进行研究。项目重点研究工作是研制灵敏度可达0.1uNcm的微扭矩传感器，可自动测量10～100微米金属纤维的微扭转性能。课题组曾成功开发了拉力灵敏度超过1mN的纤维微拉伸实验自动分析系统，并开展了金属纤维的细观力学性能实验。对微扭转的实验工作也进行了初步探索，获得了一些有意义的实验数据，为本项目的研究工作奠定了坚实的基础。由于金属纤维的微扭转实验难度较大，国内外还没有商用仪器，因此项目的成果有望填补国内外在这方面的研究空白。

本项目成功研制了国内第一台超细金属纤维全自动单向微扭转力学性能实验仪器，填补了国内外在金属纤维微扭转力学实验系统的空白。该实验仪器的技术指标达到和超过了研究项目所设计的目标。基于扭秤的静态工作原理，开发出一套分辨力在nNm量级，量程为±6000μNcm的微扭矩传感器。该仪器具有高精度、高灵敏度和宽量程的特点，可以自动测量10-100μm直径金属丝的扭转力学性能。针对微扭矩传感器的标定问题，首次提出了一种原位扭转振动标定方案，解决了微扭转实验装置的标定难题。开发了数据采集与控制模块，并基于LabVIEW编写了纤维扭转测试系统软件，完成了仪器控制柜和整台装置的设计、加工和集成。在实验研究方面，我们对18-105μm直径范围的多晶铜丝和金丝进行了单调扭转和单轴拉伸测试，结果表明，多晶丝扭转变形的初始屈服和塑性流动阶段都具有尺度效应，而其拉伸变形并无明显的尺度依赖性。所获得的实验数据在精度和稳定性等方面都处于国际领先水平。国际期刊Physical Review Letters, International Journal of Plasticity 和 Scripta Materialia的评审专家对我们的实验研究成果给予了高的评价，认为实验结果具有高的精度和可重复性，并肯定了我们在微尺度材料“尺度效应”方面的研究成果。在理论研究方面，我们基于位错塞积模型提出了一种新的应力梯度塑性理论，成功解释了实验中观察到的尺度效应现象。在数值模拟研究方面，基于偶应力理论和应变梯度理论，对微尺度单元(微梁、微板等)的静动态力学行为进行了研究。本项目在学术研究与知识产权方面取得了突出的成绩，在SCI检索期刊上发表论文9篇、国内期刊论文1篇、国际会议论文1篇、国内会议交流13人次，获发明专利2项，实用新型专利1项。通过本项目的研究，课题组取得了国际领先的研究成果，建立了富有特色的纤维材料单向微扭转实验研究平台，为进一步研究和揭示材料的“尺度效应”等力学现象奠定了坚实基础。