同步辐射材料力学实验站

同步辐射材料力学实验站同步辐射材料力学实验站

依托合肥国家同步辐射实验室（ NSRL）和北京同步辐射装置 (BSRF)，建成国内第一个同步辐射实验站。综合运用 X射线显微扫描、 X射线透射成像和 X射线 CT方法，研究材料内部细观结构及在载荷作用下的损伤演化过程。

同步辐射材料检测方法与特点同步辐射材料检测方法与特点

方法：方法：显微扫描显微扫描透射成像透射成像 SR-CTSR-CT

特点：特点：不透明材料内部检测不透明材料内部检测分辨率高分辨率高无损原位测量无损原位测量

合肥国家同步辐射实验室（ NSRL,USTC）

合肥国家同步辐射实验室（ NSRL,USTC）

实验站主要仪器实验站主要仪器

光束线控制器旋转加载及图象记录系统

图象记录控制器后续图象采集及处理系统

同步辐射显微扫描技术同步辐射显微扫描技术

同步辐射显微扫描技术同步辐射显微扫描技术

采用同步辐射 X 射线显微扫描术，对硅片（微力传感器的一部分）内部损伤进行扫描探测。此图为光子通量图，由图可见，在一条大裂纹的平行前方，出现了大小不同的空洞，且有串接形成裂纹的趋势。扫描面积 50×50um2 ，分辨率为 2um 。

同步辐射透射成像技术 (BSRF)同步辐射透射成像技术 (BSRF)

PC S2

XFCD

PW

OWPP ES S1

PPOW PC

LA BS

PC

ECRXTVSTOPDGCR

BW

6m

3m

LD

FILM

2D-

S

SESL1 SL2

SR

e-

w

13.981m 20.037m

42m

DR

2D-SCON

The layout of the topography station at BSTR. SR – Synchrotron radiation light; W – wiggler; SE – separator; SL1 – slit1; SL2 – slit2; BW – Be windows; OW – observation; PW – passage of waterpipes; LA – laser alignment device; BS – beam stopper; PP – power plate; PC – passage of cables; ES – emergency stop; S1,2 – search 1,2; XFCD – fluorescence control desk; TOPD – topography control desk; GCR – general control rack; XTVS – X-ray TV system; ECR – environment chamber control rack; DR – dark room; LD – loading device; 2D-S – 2 dimensional scanning stage; 2D-S CON – controller;


超导带材 Bi-2223/Ag（单芯）在室温下其内部结构及损伤演化过程动画显示


Bi-2223Bi-2223 在液氮温度在液氮温度 77K77K 下的内部结构及损伤演化过程下的内部结构及损伤演化过程

1 2 3 4 5 6


Bi-2223Bi-2223 的载荷－位移曲线的载荷－位移曲线

0 1000 2000 3000 4000 5000 60000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

6

54

3

2

1

Y A

xis

Titl

e(kg

)

X Axis Title

材料失去超导性

（电机步数）

当材料处于弹性段时， BSCCO 超导芯的裂纹较少，进入塑性区后，裂纹显著增加 , 临界电流 Jc 急剧下降（与加电实验对比），材料失去超导性。反映在内部结构上 , 即当 BSCCO 超导芯的裂纹显著增加并形成贯穿性裂纹时 , 破坏了导电通道，阻断了电流流动。


Bi-2223Bi-2223 （单芯）在室温下其内部结构及损伤演化过程（单芯）在室温下其内部结构及损伤演化过程

1 2 3 4 5 6


Bi-2223Bi-2223 （多芯）在室温下其内部结构及损伤演化过程（多芯）在室温下其内部结构及损伤演化过程

同步辐射透射成像技术 (NSRL)同步辐射透射成像技术 (NSRL)

FRONT END

BE WINDOWS

EXPOSURE SHUTTER

LASER ALIGNMENT

TITANIUM PUMP

DIFFERENTIAL PUMP SYSTEM

EXPOSURE CHAMBER

SLITS

VATND63 VALVE

ION PUMP

VATND63 VALVE

50 L/SION PUMP

50 L/SION PUMP

4L/STURBO

MIRROR BOX

光刻光束线 Drawing of lithography beamline

X 射线

P

P 试件光刻胶

图象记录 Recording of figure

图象读出 Read out of figure

光刻胶

显微镜 CCD

图象采集系统


环氧基复合材料内硼纤维界面及纤芯损伤演化图环氧基复合材料内硼纤维界面及纤芯损伤演化图

21

( a )45m

1 23 4

( b )45m

1 2356 4

( c ) 45m

硼纤维界面及纤芯损伤演化 Damage evolution at interface and core in Boron fiber



9m

1 2

加载前原始损伤 Initial damage before loading

第一次加载后界面1、 3处损伤演化 Damage evolution at interface 1 and 3 after first loading

9m

1

( a )9m

13

( b )



第二次加载后界面损伤演化 Damage evolution at interface after second loading

356

9m( a )

13

9m( b )

21

9m( c )



4m

界面3处损伤状态 Damage shape at interface 3

纤芯处的损伤演化 Damage evolution at core

9m( a ) ( b )

9m


Al/SiCAl/SiCPP 复合材料内部损伤演化图复合材料内部损伤演化图

加载前第一次加载第二次加载50m

平整部分经抛光处理，加载后损伤首先在未经表面处理的部分出现，且沿着抛光处理和未处理的界面上出现了细小的空洞，见第一次加载图。进一步加载后，空洞进一步扩展并串接成裂纹，材料在此处形成断裂破坏。

同步辐射 SR-CT同步辐射 SR-CT

带缺口的带缺口的 Al/CAl/Cff 复合材料棒材内部结构复合材料棒材内部结构 CTCT 重建重建

1 2

同步辐射 SR-CT同步辐射 SR-CT

硼纤维内部结构硼纤维内部结构 CTCT 重建重建

321

已完成的科研项目已完成的科研项目

1.1. 用同步辐射的细观力学测试技术研究用同步辐射的细观力学测试技术研究 (93.1(93.1 ～～96.12 96.12 ，基金委重点项目，，基金委重点项目， 2525万万 ))

2.2. 非均质材料细观损伤破坏过程、强度理论与强非均质材料细观损伤破坏过程、强度理论与强韧化力学机制韧化力学机制 (97.1(97.1 ～～ 2000.12 2000.12 ，中科院，中科院 9595 重重大项目部分内容，大项目部分内容， 4040万万 ))

3.3. 金属基复合材料损伤的同步辐射实验研究金属基复合材料损伤的同步辐射实验研究 (95.(95.11～～ 96.1296.12 ，中科院青年基金，，中科院青年基金， 1.51.5万万 ))

4.4. 用同步辐射进行复合材料细观力学研究（用同步辐射进行复合材料细观力学研究（ 96.196.1～～ 98.1298.12 ，教育部博士点基金，，教育部博士点基金， 4.54.5万）万）

正在进行的科研项目正在进行的科研项目

1.1. 极低温条件下材料力学行为研究和宏细观分极低温条件下材料力学行为研究和宏细观分析析 (98.1(98.1 ～～ 2001.122001.12 ，基金委重点项目部分内，基金委重点项目部分内容，容， 7575万万 ))

2.2. 复合材料三维结构及损伤演化的同步辐射研复合材料三维结构及损伤演化的同步辐射研究（究（ 2000.12000.1 ～～ 2002.122002.12 ，基金委，基金委 1414万）万）

3.3. 材料内部细观结构及损伤演化的同步辐射研材料内部细观结构及损伤演化的同步辐射研究（究（ 2000.12000.1 ～～ 2001.122001.12 ，教育部博士点基金，教育部博士点基金，， 4.64.6万）万）

4.4. 结构陶瓷烧结的实时观测和本构模型研究（结构陶瓷烧结的实时观测和本构模型研究（ 22001.1001.1 ～～ 2003.122003.12 ，基金委项目部分内容，，基金委项目部分内容， 1818万）万）

SYNCHROTRON RADIATION INMESOMECHANICAL EXPERIMENTS

SYNCHROTRON RADIATION INMESOMECHANICAL EXPERIMENTS

THANK YOU THANK YOU

Documents

同步辐射材料力学实验站