研究领域与方向

1.基础理论

发布时间:2015年12月23日 作者: 浏览次数:9678

加工过程中薄壁工件的动力学(郭家杰、李国民)

     薄壁复杂零件加工中,工艺系统界面耦合作用的强时变特点使得力、热、变形等物理量随时间变化剧烈而难以预测,是造成工件尺寸误差、表面缺陷、质量一致性差的主要原因。如何建立可进化的物理模型,根据实际的加工工况调整模型参数,预测工艺系统的变化趋势;如何建立连续物理场重构方法,基于有限测点的信息,快速重构强时变的位移、应变、应力等物理场分布,这是智能感知需要解决的关键问题。它将赋予制造装备在线学习和知识进化的能力,尽量减少人工干预,为实现智能制造提供理论与技术支撑。数字制造装备与技术国家重点实验室的李国民、郭家杰建立了可随主轴转速、工件厚度变化的薄壁圆盘动力学模型,揭示工件系统特征随工艺参数的变化趋势,并发展了基于电涡流的系统参数(本征频率、模态阻尼)在线识别方法,成功预测了薄壁工件时空中的振动行为,相关工作发表在IEEE-ASME Trans. Mechatron.(2015,20(3),1406-1417)。切削位置的工件厚度突变会严重影响变形和载荷的连续分布,研究组进一步分析不等厚度工件的动力学特性,量化了工件系统特征随刀具切削路径和切深变化的非线性关系,为工艺参数优化提供理论基础,研究结果在国际动力系统与控制会议(DSCC)上作了汇报。在模态分析的基础上,研究组通过模态叠加的方法重构薄壁工件时空变化的位移场,重构算法耗时在2ms以内,为实时优化工艺参数提供技术支撑,该工作在国际先进智能机电一体化会议(AIM)上作了汇报。

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图 可进化薄壁圆盘动力学模型仿真

 

人体运动功能机械创成理论与方法 (熊蔡华)

     采用工程科学的方法设计与生物系统功能类似的人工假肢、外骨骼康复机器人等生机电一体化装备,重建或修复人体缺失或受损的运动功能,是目前极具研究希望,可望实现肢体运动功能“再生”的有效途径。然而限于认知科学的发展,目前尚无法从人体生理信号中提取足够多的信息来驱动生机电一体化机器人的所有关节。因而如何设计生机电一体化机器人欠驱动传动系统,实现极少驱动下的多关节拟人运动,从机械学的角度为生机电一体化机器人的“意念”控制提供保障是一个挑战性的问题。

针对这一挑战性问题,建立了人手复杂抓握运动的分解与合成理论,提出了用一对离散信号合成复杂连续抓握运动的机械实现方法,改变了传统假肢手在驱动层面需要连续输入时序信号才能实现连续抓握运动的局限,极大降低了假肢手控制的复杂程度,为人手抓握运动功能的机械创成提供了科学依据。发现了人体上肢主要关节在功能运动过程中的分类协同机制,建立了高维运动的降维描述方法以及低维运动重构高维运动的机械实现方法,实现了外骨骼康复机器人极少驱动输入下的多关节拟人运动,从机械学的角度为实现外骨骼康复机器人“意念”控制提供了有益支撑。相关成果已发表在国际权威期刊IEEE-ASME Trans. Mechatron.上。

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图 用于假肢手持续抓握运动协同的机械实现

 

人体自然运动规划与复现的理论与方法(熊蔡华)

     生机电拟人臂是延伸拓展人手卓越操作能力的重要装备,也是用工程科学的方法复制人肢体的自然运动的重要载体,其拟人运动能力是制约生机电拟人臂临床普及重要因素。在几乎所有的日常功能运动中,均要求臂和手以确定的姿态达到功能位置,然而国际上的现有研究对人肢体过度简化,将人肢体的运动抽象为空间点到点的运动,忽视了手腕的运动以及人手的姿态在执行功能运动中的重要作用,无法有效再现自然运动过程中的时空特征。

     针对这一问题,提出了SE(3)上的势场构造与合成理论,建立了刻画人肢体高曲率形位轨迹以及单峰钟形速度轨迹等时空特征的状态方程,提出了生机电拟人臂复现人肢体自然运动的方法。揭示了日常功能运动中,上肢姿态轨迹、手腕空间运动轨迹及其曲率之间的内在协调关系,建立了手腕空间位置驱动的上肢拟人姿态轨迹实时求解方法,实现了生机电拟人臂自然运动的实时控制。突破了多自由度拟人关节的小型化设计技术,发明了多自由度拟人运动链的少输入协同驱动技术,研制了22关节生机电拟人臂。相关成果已发表在生物控制领域的顶级期刊IEEE T. Cybern.上。

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图 人体自然运动规划与复现

 

驱动系统中的力位感知技术相关研究(白坤、李国民)

     随着科技的发展,许多行业(如复杂航空零件制造、医疗机器人、精密集成电路加工)对运动系统中的力、位综合信息传感和控制都提出了新的要求。传统的电机结合传动机构及编码器的方式由于结构上的复杂性使得力-位的感知和控制很难精确实现。设计结构简单,并能高效进行力、位测量和控制的驱动系统对于解决此类问题具有重要意义。

     电磁驱动是将电能转化为机械能的装置。其中的磁场除了作为两种能量之间的转化媒介,还蕴含了驱动系统中的多种信息。利用电磁驱动系统中的磁场和力、位信息的直接关系,数字制造装备与技术国家重点实验室的白坤、李国民首先提出了准确刻画这些关系的模型,并在此模型基础上利用基本的电磁单元进行了多种新型驱动器的设计和开发,如具有关节式结构且能提供三自由度连续姿态输出的球形电机;以及能够驱动大半径工件旋转、通过除旋转方向之外的多维力输出实现对外力负载的实时补偿的直驱主轴电机。这些设计因为舍去了中间传动环节,大大减少了驱动系统的中间损耗和测量、控制误差。同时,利用磁场能够简单实时测量的特点,通过系统中磁场传感器的点测量并结合神经网络等快速映射手段,提出了实现驱动系统位置、姿态以及力的实时测量和反馈控制新方法。这种方法避免了在系统中安装编码器、力传感器及附加装置,极大地简化了系统的机械结构和控制架构。部分成果已发表于IEEE-ASME Trans. Mechatron.、IEEE Trans. Ind. Electron.等期刊,相关技术也申请了国内外专利。

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图 集成力位感知的驱动单元及电磁驱动应用

 

 

部分相干成像系统波像原位检测方法(刘世元)

     投影物镜是光刻机等微纳制造装备的核心子系统,在光学上可以抽象为一个部分相干成像系统。波像差是衡量其性能的最重要指标,需要在运行过程中实现原位、精确检测。

     现有的基于空间像的波像差检测方法,一直缺乏严格的波像差检测模型,而是通过大量实验或仿真,以建立某种近似线性经验公式,不仅通用性差,而且只能检测小于25级的低级Zernike系数,难以实现全部37级Zernike系数的高精度检测。

     通过发展部分相干成像理论,构建了波像差检测灵敏度矩阵解析模型,建立了波像差37级Zernike系数快速重构算法,实现了全部37级Zernike系数的高精度、原位检测;提出了基于单帧空间像的波像差原位检测方法,只需测量单帧离焦空间像,即可获得全部37级Zernike系数,实现了波像差检测从多帧扫描测量到单帧读取的突破,全部37级Zernike系数检测误差小于0.4mλ;提出了基于二阶波像差模型的波像差原位检测方法,解决了大波像差情况下高精度、原位检测难题,在输入波像差高达150mλ时,全部37级Zernike系数检测误差仍然小于0.4mλ。

     以上研究工作发表在J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS,J. Opt.等期刊上,其中发表在英国物理学会的Journal of Optics上的论文,被期刊网站配发专题访谈:“从单个空间像读取波像差——单帧离焦快照,可以实现部分相干成像系统波像差检测”。

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图 成像光强计算结果

 

编织型碳纤维复合材料电击破坏特性及力学性能研究(李仁府)

     碳纤维增强复合材料因其较高的比强度、比刚度特性,被广泛应用于航空航天领域。随着大量低成本碳纤维织物的出现以及制造工艺水平的成熟,碳纤维复合材料的应用范围逐渐从传统的航空航天领域扩展到民用行业领域。近几年,在国家智能电网和绿色、可持续能源利用理念的倡导下,越来越多的关注点集中在将传统的电力设备,如电力输电杆、架空输电线,替换为复合材料构件。由于大部分电力设备处于长期室外作业环境中,降低电击对复合材料结构的破坏特性及其力学性能影响是一个亟待研究并解决的问题,具有重要的实际应用价值。

     虽然有关碳纤维复合材料电击破坏的研究在航空航天领域已开展数十年,但研究对象大多集中在预浸料构件,对于织物型碳纤维复合材料受电击破坏的研究则鲜有人问津。李仁府教授和李毅超博士采用实验手段对两种不同铺层的织物型碳纤维复合材料进行了电击破坏及剩余力学性能研究,并借助于视觉分析、图像处理、超声扫描、扫描电镜等手段对电击破坏特性进行了详细分析。结果显示,随着电击强度的增加,树脂基体的烧蚀区域沿着垂直纤维方向扩展,而内部分层破坏区域则同时沿着纤维与垂直纤维方向扩展;树脂与纤维界面会被电击产生的热-结构耦合效应严重破坏。试样件的剩余模量与强度随着电击冲击次数的增加而降低,但失效位置受铺层影响较大。相比预浸料复合材料,织物型复合材料因其特有的结构、厚度与铺层设计使其具有较强的抵抗电击冲击的能力,为防电击结构提供了一种较理想的材料选择。部分成果已发表于复合材料领域国际知名期刊Compos. Pt. A-Appl. Sci. Manuf.上。

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图 碳纤维编织复合材料电击破坏特性及力学性能分析

 

带直流孔旋流器燃烧室燃烧特性研究(李仁府)

     旋流燃烧被广泛应用于民用、工业及军事领域,如燃气轮机、锅炉、航空发动机和燃料电池的应用。然而,受进口速度和旋流强度的影响,湍流旋流与燃烧火焰会在燃烧室内产生复杂的相互作用导致燃烧不稳定、热-声耦合效应等问题,严重影响旋流燃烧室的正常运行。

     旋流燃烧的特点是其能够在燃烧室内形成一个中间环形回流区,起到增强燃料/空气混合速率、稳定火焰和强化燃烧效率的作用。回流区的形成是由于主流在通过旋流器后产生了一种被称作涡旋破碎的效应,产生了一个流速很小的负压区。这个区域的大小直接影响着燃烧室内燃料的燃烧特性,因此大量研究集中在通过改进旋流器的结构以达到提高燃料燃烧效率和降低污染物排放的目标上。李仁府教授、李毅超博士用实验与仿真方法研究了一种非预混带直流孔旋流器的旋流燃烧室特性。测量了燃烧室内不同截面处的速度场与温度场,以及燃烧后所排放的二氧化碳含量。研究发现,与传统旋流器相比,带直流孔旋流器能产生一个流速更小、温度更高的回流区。燃烧后排放的二氧化碳含量由原来的60%提高到75%,燃烧效率得到了显著提高。这些结果表明带直流孔旋流器对提高燃气轮机燃烧效率具有潜在应用价值。相关研究成果已发表于燃烧领域国际知名期刊Int. Commun. Heat Mass Transf.上,相关技术也申请了国内外专利。

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图 带直流孔旋流器燃烧室燃烧特性研究

 

延性电子加工工艺开发(吴志刚)

     延性电子设备对于像人体皮肤和器官具有复杂不可展表面或软质表面具有极好的机械顺从性。为充分发挥延性电子设备的顺从性优势,亟需研发带有自供给能量源的自主系统。若沿用传统的有线链接方式,则延性电子的顺从性优势无法体现。为此我们开发了一种可以在软质基底上进行液态合金图案化的新技术,以制造出可集成在微流控延性电子设备的动力源。我们提出了一种普适的制造工艺:通过雾化喷涂将液态合金喷射到胶带转移后的粘性掩膜上,可以制作高质量的图案 。利用这一胶带转印技术,可以在弹性基质中制作任意形状的图案。同时依托成熟的多层制造技术,我们展示了集成LED的微流控可拉伸无线能量传输装置,该装置可以在应变0%到25%之间循环拉伸超过1000次,具有极好的机械延展性及优良的电性能。后续研究将优化此流程以提高其精确度和可重复性,并使在共形设备及用于人机通信的皮上或皮下智能系统中加入先进功能成为可能。相关研究成果发表在Sci Rep上。另外,我们提出了一种可用于规模化生产的一次性拉伸设备加工工艺,并展示了如何利用柔性印刷银制导体和塑料热成型工艺来制造半球形线圈天线。相关研究成果发表在J. Micromech. Microeng.上。

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图 新的液态金属图案化工艺概念示意图(a)胶带掩膜贴附 (b)液态金属雾化喷印 (c)其他原件集成

 

核壳结构催化剂可控制备与性能研究(陈蓉)

     在复合催化剂中,核壳结构体系通常具有优异的活性、选择性以及催化持久性。这种催化性能的提高源于多组分之间的电子结构重构、晶格应力、基团效应等方面,而这些因素与核壳结构催化剂的粒径分布,组分比例,壳层厚度息息相关。因此在纳米尺度上可控制备具有壳层厚度、成分的复合催化剂能够有效地最优化催化剂的性能,同时这也是催化剂合成领域方面的一个重要难题。目前大多数方法集中在液相合成,这些方法能够在纳米线和单晶体表面获得较好层数控制的核壳结构,但是对于零维的核壳结构纳米颗粒合成仍是十分具有挑战性的课题。

     围绕核壳结构纳米颗粒合成中的科学挑战,课题组发展了选择性原子层沉积的气相制备方法并应用在纳米催化剂的可控合成中。创新性地使用了基底表面改性方法实现了多组分催化剂的选择性沉积,获得了具有窄粒径分布的铂钯核壳结构纳米颗粒,并且实现了壳层厚度通过原子层沉积循环次数的线性控制。在此基础上,我们设计和搭建了微流量平面模型催化剂研究系统、揭示了一氧化碳加氢氧化反应中活性与选择性对于铂钯复合催化剂壳层厚度的关系。发现单层的铂原子层能够最大限度的提高催化剂的综合活性与选择性,并从理论上验证了壳层层数对于一氧化碳氧化势垒、吸附能的关系,证明综合催化剂性能提高源于表层电子结构的重构。相关成果发表在材料及催化等领域国际权威期刊上,包括Sci. Rep.和ChemCatChem等期刊,被国际知名学者正面引用和评述。

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图 核壳结构纳米颗粒可控制备与汽车尾气催化转化性能研究

 

纳米结构三维形貌测量与表征(江浩、刘世元)

     椭偏测量将光的偏振、散射和光谱等特性相结合并引入到精密表面测量领域,打破了精密表面测量一直局限于干涉技术的传统思维,为批量化纳米制造中纳米结构三维形貌的非破坏性、快速、精确测量开辟了全新的途径。

     利用自主研制的高精度宽光谱穆勒矩阵椭偏仪,针对典型纳米结构开展了大量探索性应用实验研究,发现并解释了新的物理现象,阐明了穆勒矩阵椭偏仪可以实现大批量纳米制造过程的非破坏性、在线、精确测量。�首次发现并揭示了光谱测量数据非正态误差对逆问题求解的影响,提出一种基于统计学原理的纳米结构形貌鲁棒重构新方法,抑制了非正态分布误差对迭代结果的影响,显著提高了测量准确度。�通过揭示刻蚀各向异性对光学建模的影响,结合提出的鲁棒重构方法,解决了高深宽比多层深刻蚀结构的非破坏性准确测量难题。通过利用穆勒矩阵椭偏仪在曲面薄膜测量中获取的各项异性光谱数据,打破了光散射测量应用中平面假设的局限性,实现了曲面薄膜的准确表征。上述研究成果发表在Opt. Lett.( 40(4), 471-474, 2015)和J. Vac. Sci. Technol. B (33: 031807, 2015)等期刊上。

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图 (a) 刻蚀各项异性 (b) 待测硅球曲面 (c) 测量数据的非正态分布

 

电流体动力喷印技术喷印工艺研究(黄永安、尹周平)

     柔性电子具有大面积、可变形等特性,在显示、通信、传感等领域具有广泛应用。通过电场“拉”的方式突破传统打印机“挤”方式的分辨率极限,提出了电流体动力喷印新工艺,可以利用粘性有机/聚合物溶液打印高分辨率微结构:1)高分辨率按需打印,可实现200nm~20um微结构打印;2)近场电纺丝直写,通过机械牵引力和电场力共同作用实现纳米纤维的精确定位与形貌调控,制备光滑的互联结构。利用Me-Jet Printing技术的多模式打印(按需打印、连续直写、雾化成膜)实现柔性电子的快速制备。相关成果发表于Sci. rep.(2014)、AIP Adv.(2015)等期刊。电流体喷印技术已用于制备多种特殊性能的功能器件:1)用于数字化制备微米、亚微米掩膜,结合磁控溅射薄膜工艺实现大面积小沟道晶体管制备;2)直写ZnO前驱体的纤维阵列化结构,生长出多级ZnO结构,实现高灵敏度气体传感器制备;3)通过制备阵列化纤维结构,结合液态纤维失稳,实现阵列化多级点阵自组装。相关成果发表在ChemComm(2015)、J. Material Chemistry C(2015)、Energy Technol.(2015,封面)。

     电流体动力喷印技术为柔性电子喷印制造开辟了新思路,可促进可延展柔性电子的规模化、低成本制造。以上研究成果得到了国内外学者的广泛关注,美国三院院士John Rogers引用20余次;澳大利亚两院院士G. G. Wallace教授认为电流体打印技术在利用有机导体聚合物高速打印柔性电子领域令人感兴趣,为打印电子提供了新的制造方案;德国弗劳恩霍夫研究所打印电子部主任R. Baumann教授认为电流体打印工艺具有诸多优势,如非接触、膜基结合强、数字化、增材打印。

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图 电流体喷印原理

 

面向微能源的微纳结构制备与应用(廖广兰、史铁林)

     当前,能源问题成为世界各国急需解决的首要问题,人类对能源尤其是清洁新能源的开发利用有了更大的需求。太阳能是一种“取之不尽、用之不竭”的清洁能源,有着强大的竞争力,其开发利用引起了人们的广泛重视。数字制造装备与技术国家重点实验室史铁林、廖广兰、汤自荣等人将仿生微纳米结构应用于太阳能的光解水制氢等应用,提出了太阳能电池光阳极的微纳复合结构及其制备方法(ZL 201010160958.9、ZL 201010161272.1、ZL 201110421633.6、ZL 201210179386.8、201510162849.3),实现了光解水效率的大幅度提升,还研究了低温柔性的钙钛矿太阳能电池制备工艺(201510162849.3、201510295741.1、201510293584.0),以及微纳结构在疏水、石墨烯在超级电容中的应用。相关工作发表在ACS NANO (2014, 8(7): 7163-7169)、Nano Energy (2015, 17: 160-170)、J. Nanosci. Nanotechnol. (2015, 15: 1331-1337、2015, 15: 5918-5923)。上述工作为进一步推动微纳米结构的制造与在微能源中的应用开辟了新思路。

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图 微纳复合的光阳极结构制备

 

微电子封装工艺及缺陷检测(廖广兰、史铁林)

     集成电路的持续高速发展,对微电子封装技术提出了更高的要求,三维集成已成为提升器件性能和性价比的必然选择。三维集成中的TSV填充、微凸点互连等关键工艺研究,以及新设计/新工艺/新材料带来的缺陷检测等问题也成为了研究的重点。数字制造装备与技术国家重点实验室史铁林、廖广兰、汤自荣等人提出了新的自底向上填充实现通孔互连方法,以及基于于双向填充的通孔互联结构制作方法(ZL 201310133768.1、201310134208.8、ZL 201310168540.6、ZL 201210445356.7),围绕低温微互连提出了基于铜纳米线的铜铜键合工艺(201510075419.8),相关工作也发表在J. Micromech. Microeng. (2015, 25, 045005)、Microelectron. Eng. (2015, 139, 31-38)。此外,针对微电子封装的缺陷诊断与检测开展      图 自底向上的TSV填充

研究,提出结合超声扫描、振动以及神经网络的方法实现封装中的缺陷检测(ZL 201010160537.6),相关成果也发表在Microelectron. Reliab. (2015, 55, 213-220; doi:10.1016/j.microrel.2015.09.009; doi:10.1016/j.microrel.2015.09.030)、Sci. China-Technol. Sci. (doi: 10.1007/s11431-015-5896-y)。上述工作为进一步推动微电子封装关键技术以及缺陷诊断研究开辟了新思路。

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三维石墨烯基固态薄膜超级电容器(王帅)

     石墨烯是一种具有独特物理和化学性质的二维碳材料,近年来引起了科学研究人员的广泛关注。将石墨烯进行三维结构的构筑可以实现纳米材料内嵌到宏观器件中,从而可拓宽石墨烯的应用范围。三维石墨烯材料由于结合了三维多孔的结构和石墨烯的本征特性,使得材料具有高的比表面积,强的机械性能,优越的电子传导能力以及传质快速等优良性质,被认为是理想的能源电极材料。本研究开发了多种简单、高效、大面积液相制备三维石墨烯薄膜电极的方法,包括滚筒印刷、喷墨打印和溶液铸造等(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 16312)。同时以制备高性能超级电容器为导向,采用高效绿色可控的化学和电化学的方法在三维石墨烯材料上负载纳米电活性物质如纳米金属氧化物或导电聚合物等,由于石墨烯泡沫内部具有丰富的孔道,有利于电解液的渗透和电子的传输,其负载的电活性物质的纳米级结构也可以缩短离子进入电极材料的固态迁移距离,二者结合能有效提高电极材料的能量输出特性,以期获得性能优异的三维石墨烯基薄膜超级电容器。所制得的全固态柔性薄膜超级电容器具有能量和功率密度大、超轻超薄、体积小、柔韧性好、适用温度范围广、无电解液漏泄(安全)和易于加工等优点。

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 图 三维石墨烯基固态薄膜超级电容器

 

微纳米颗粒原子层包覆装备研制(陈蓉)

     微纳米尺度粉体颗粒的表面修饰、改性或包覆,使其具有适合应用需求的物理化学特性,如稳定性、耐热性等,是其广泛应用的基础。原子层沉积作为一种基于表面自限制反应的化学气相沉积技术,具有优异的均匀一致性和亚纳米厚度可控性,其成膜质量高、组分精确可控,可精确控制包覆厚度、组分、形貌等。在对于包覆层的成分、厚度、致密性上要求高,或对反应溶剂环境要求苛刻的情况下,ALD较其他方法有着显著的优势。微纳颗粒的原子层包覆技术在国际上处于刚刚起步的阶段,对于包覆机理研究仍非常有限,工艺尚不成熟,同时现有的商用设备对于颗粒尺寸的适用性较差、沉积效率较低。

     自主研制出微纳米颗粒原子层包覆装备,将颗粒流化与离心运动进行耦合,稳定了流化状态,同时增强气固接触与传质和传热,具有完全自主知识产权。批处理能力达到10g/次;前驱体利用率达到90%以上。根据电感耦合等离子体原子发射光谱、投射电镜等仪器表征结果,符合原子层沉积的薄膜线性生长速率。相关成果发表在Rev. Sci. Instrum.,IEEE TCST, IEEE Trans. Nanotechnol等杂志上,同时申请专利四项,已获批两项。

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图 微纳米颗粒原子层包覆装备与纳米SiO2微球表面包覆Al2O3层形貌透射电镜图

 

动生涡流现象及在无损检测中的应用(康宜华)

     随着生产节奏的加快,钢管在线漏磁探伤的速度加快。近期研究发现,钢管与饱和磁化器之间的相对运动速度加快产生起动生涡流,该涡流的二次磁场影响钢管的动态磁化。涡流产生的磁场在钢管外表面与饱和磁化器的磁化场同向而在内表面与之反向,最终导致动态磁化时钢管外表面磁场增强而内表面磁场减弱,如下图所示。在漏磁检测中,缺陷信号受钢管磁化状态影响,缺陷信号基本与管壁磁化强度成正比,因此,上述动生涡流使得外伤信号有所增强而内伤信号的减小。

     在传统涡流检测原理中,采用缺陷对感应电流的扰动进行检测。高速运动探伤时,动生涡流对缺陷产生扰动,据此,提出一种基于动生涡流的金属体电磁无损检测方法,利用试件与磁化器之间的相对运动,在试件中产生动生涡流,再通过磁场传感器拾取缺陷对涡流磁场的扰动,得到相应的缺陷信息,该方法能实现对金属体的快速扫查。

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图 动生涡流对钢管磁化状态的影响

 

 

 

 

 

 

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