微观机械构件的服役性能与制备工艺关系的研究

针对微机械构件的服役性能与制备工艺关系，利用体硅工艺研究制作了悬臂梁阵列，完善了加工工艺；并重点研究了利用光纤耦合机理来测量悬臂梁横向固有振动频率的方法，较好地解决了“施加微小载荷”和“检测微小位移”两方面的问题；采用静态压入检测的方法，设计了微结构专用的微机械性能测试仪，能够检测微结构材料硬度、弹性模量、硬化指数、断裂韧性及疲劳极限等多项指标；发明了研究微结构冲击载荷作用的微冲击实验台，研究了相应的动态测试技术，并对微机械制造中常用的几种材料进行了微冲击实验。在整个研究过程中还完善了微机械加工的工艺参数，制作了微压力传感器、微悬臂梁阵列、微温度传感器等具有市场价值和工艺代表性的微功能器件。 2100433B

混凝土的耐久性受三大因素制约：一是材性；二是孔结构（毛细孔通道）；三是腐蚀介质。现行测试混凝土耐久性的方法是以纯材料形式进行的，其测试时的材性因素和腐蚀介质因素可以与实际一致，但孔结构严重不符，因为服役混凝土在结构中是要承受荷载的，承受荷载后的孔结构是会发生很大变化的。故用纯材料形式测出来的混凝土耐久性可能与实际服役混凝土的相去甚远。要解决服役混凝土耐久性测试问题，首先必须解决如何在实验室里模拟服役混凝土受载，使得混凝土测试试件的孔结构与服役混凝土的相当，并能简单方便地进行后续耐久性能测试的问题。本项目拟对测试试件的加载方式及加载制度作详细地研究，得出服役混凝土耐久性测试方法。在此基础上，还拟对孔结构、应力水平与耐久性之间的关系作进一步的研究，探明服役混凝土耐久性的规律，为今后能较准确地设计和预估混凝土结构寿命奠定坚实基础。

摘要 服役混凝土在结构中是要承受荷载(自重加有效荷载)的，而现行测试和评估混凝土耐久性的方法，却是以纯材料形式进行的，忽略掉了荷载这个重要影响因素，从而导致混凝土在实际应用中常常出现两大困惑：一是服役混凝土的耐久性总是没有事先预期的好；二是高强混凝土的耐久性不总是比中低强混凝土的好。 要较准确测试服役混凝土的耐久性并解答这两大困惑的关键是如何在实验室对试件进行模拟加载。本课题设计了一种新颖的加载方式：先在机器上给试件施加一个给定的荷载（应力），然后卸载，用卸载后的试件再来做耐久性的测试，即一种先加载、后卸载、再测试，加载与测试分开进行的加载方式。该加载方式经应力-应变试验检验，精度足够高，基本可行。与现有的荷载与试件“捆绑”式的加载方式相比，该加载方式简单、方便、实用，易推广应用。通过引入该加载方式进行的系列混凝土耐久性试验表明：（1）低中高强服役混凝土的耐久性指标均不同程度地低于其纯材料混凝土的；（2）低中高强混凝土在服役状态（50%的应力水平）下的耐久性指标相差不大；（3）纯材料混凝土遵循强度越高耐久性越好的规律。 本课题的研究成果，对促进混凝土耐久性理论的进一步发展，对推动现行混凝土耐久性的测试方法进行改进或修正，对今后能较准确地设计出混凝土结构的耐久性奠定了良好的基础。 2100433B

本项目选用与铁基体润湿性良好的TiC为增强相，采用粉末冶金法制备了均质及梯度TiC/Fe复合材料，采用模板浸渍-熔融浸渗法制备了双连续TiC/Fe以及双连续梯度TiC/Fe复合材料，研究了材料组分、复合形式、工艺参数等对TiC/Fe复合材料结构及性能的影响，取得以下主要成果： (1) 成功制备了均质、梯度结构、双连续结构以及双连续梯度结构TiC/Fe复合材料。 (2) 无压烧结制备的均质TiC/Fe复合材料中，15vol%TiC/Fe的致密度最高，达97.8%；20vol%TiC/Fe的硬度最高，达270HV。基体中添加羰基铁粉有助于降低烧结温度并促进致密化，添加少量硬脂酸锌可提高TiC/Fe复合材料的性能。 (3) 采用无压烧结工艺成功制备出TiC体积含量分别为5、10、15、20的TiC/Fe梯度复合材料，各梯度层间界面结合良好。 (4) 以聚氨酯海绵为模板制备了TiC多孔陶瓷增强体，在TiC原料中加入Ti粉可反应生成非化学计量比的TiCX颗粒，有利于提高增强体与铁基体的润湿性，加入少量Mo和Fe粉则可明显改善增强体的力学性能。 (5) 通过无压浸渗工艺制备了双连续TiC/Fe复合材料，TiC多孔增强体的成分对双连续TiC/Fe复合材料的性能影响显著，在增强体中添加少量Fe粉制备的双连续TiC/Fe复合材料的致密度最高，达99.8%，而添加少量Mo制备的双连续TiC/Fe复合材料的拉伸强度最大，为343 MPa，比相同增强相含量的无压烧结颗粒增强型复合材料提高了66.5%。 (6) 采用不同孔径的有机模板粘接法制备出梯度TiC多孔增强体，通过重复浸渍和烧结可有效提高增强体的性能，其抗压强度最高可达4.1MPa，在此基础上采用无压浸渗工艺制备出双连续梯度TiC/Fe复合材料。 (7) 摩擦磨损试验中，TiC/Fe复合材料的摩擦系数和磨损量随基体成分、TiC含量以及试验条件而改变，其中均质TiC/Fe复合材料的摩擦系数随TiC体积分数的增加而提高，双连续TiC/Fe复合材料的摩擦系数随增强相孔径尺寸的增加而增大，随着法向压强的变化不显著。双连续TiC/Fe复合材料耐磨性能显著优于颗粒增强型复合材料，0.5MPa压强下，增强相含量为4vol%的双连续TiC/Fe 复合材料的磨损率比相同含量的热压烧结颗粒型复合材料低43.9%，而比无压烧结颗粒型复合材料低1.95倍。