仪器设备报告2016-12-22.pdf

目录 第一部分 微结构观察与测试 1 一、显微分析及原位纳米力学系统 2 1-1 钨灯丝扫描电镜 2 1-2 场发射高分辨透射电镜 3 1-3 Hysitron pi85 及 Pi95 原位力学实验平台 4 1-4 数码光学显微镜 6 1-5 三维数字显微镜 7 二、材料结构与热物性分析 8 2-1 X 射线衍射仪 8 2-2 DSC 差示扫描量热仪 9 2-3 红外热像仪 10 三、微结构模拟和可视化 11 3-1 多尺度力学计算与显示系统 四、电池材料变形测试系统 4-1 原位曲率及电池测试系统 11 12 12 第二部分 固体力学性能测试 13 五、疲劳测试系统 14 5-1 MTS Landmark 50kN 液压伺服疲劳试验机 14 5-2 高频疲劳试验机 15 5-3 超声频率疲劳试验机 16 5-4 旋转弯曲疲劳试验机 17 六、微 / 纳米力学测试系统 18 6-1 纳米力学测试系统 18 6-2 多功能硬度计 19 6-3 3D 激光测量显微镜 20 6-4 微力材料试验机 21 6-5 原位纳米尺度力学测试分析系统 22 七、计算机断层扫描成像（CT）测试系统 24 7-1 高精度计算机断层扫描系统 24 八、材料力学性能测试系统 25 8-1 MTS 810 材料试验机 25 8-2 MTS 809 轴 / 扭材料试验机 26 8-3 INSTRON E10000 轴 / 扭材料试验机 27 九、动态力学性能测试系统 28 9-1 单级轻气炮 28 9-2 单脉冲 Hopkinson 扭杆 29 9-3 分离式 Hopkinson 压杆 30 9-4 分离式 Hopkinson 拉杆 31 9-5 全光纤测速系统 (PDV) 32 9-6 DIC 非接触应变测量系统 33 第三部分 流体实验与测试 34 十、高速摄像机及 2D/3D-PIV 测速系统 36 10-1 高速摄像机及 2D-PIV 测速系统 36 10-2 三维空间粒子图像测速系统 37 十一、水动力学实验系统 38 11-1 循环水槽 38 11-2 高速垂直出水实验平台 39 十二、微纳尺度流动测量系统 40 12-1 Micro/Nano-PIV 系统 40 12-2 原子力显微镜 (AFM) 41 第四部分 制样设备 42 十三、制样系统 43 13-1 Gatan 656 高精度凹坑仪 43 13-2 Gatan PIPS Ⅱ 695 离子减薄仪 43 13-3 马弗炉 44 13-4 光刻机 45 第一部分 微结构观察与测试 材料的微结构与物性表征是多尺度力学研究的重要内容，对揭 示材料微结构与宏观性能之间的关系至关重要。LNM 实验平台经 过多年的发展，配备了光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、X- 射 线衍射仪以及差式扫描量热仪等各类结构与性能分析设备，可从 mm ～ nm 尺度对固体材料进行系统的结构表征，揭示材料的表面 形貌、显微组织、相与相变、晶体点阵缺陷及其演化等特征。为了 实现纳米尺度下力学性能与结构变化的同步观察，在扫描电镜和透 射电镜中分别配置了纳米原位力学实验平台。这些设备的配置与有 效使用，为 LNM 开展固体材料的变形、损伤及破坏的微观机理研 究提供了强有力实验支持。 微结构观察与测试 一、显微分析及原位纳米力学系统 1-1 钨灯丝扫描电镜 规格型号： IT300 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 分辨率：3.0nm（30kV） 8.0nm（3kV） 15nm（1kV） ● 放大倍数：5 至 300,000x ● 加速电压：0.5kV 至 30kV ● X-Y：80mm-40mm ● Z：5mm 至 48mm ● 主要功能及应用领域描述： 表面形貌观察，样品断口观察，背散射 电子相观察；配合 PI85 进行原位压痕实验。 典型应用： 联系人：段桂花 工程师 电 话：010-82543921 地 点：力学所 1 号楼 138 316L 不锈钢拉伸断口观察 02 03 微结构观察与测试 1-2 场发射高分辨透射电镜 规格型号： JEOL 2100F 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 点分辨率：0.23 nm，线分辨率：0.1 nm 样品移动范围：X，Y±2mm； Z±0.2mm ● 样品倾转角度：α±35°，β±30° ● 附件： STEM 明暗场相（明场像线分辨率：0.2nm） ● 能谱 Oxford X-MaxN 80T，测量 Be4~Pu94 号元素 ● Hysitron Pi95 原位力学实验平台 ● 另外配置了透射电镜制样设备离子减薄仪 Gatan PIPS Ⅱ 695 和凹坑仪 Gatan 656 ● ● 主要功能及应用领域描述： 用于观察高分辨像、形貌像、 衍射谱及 STEM 明暗场像，进行 材料的结构及缺陷结构分析； 配合能谱仪进行材料的微区 成分分析； 配合 Hysitron Pi95 原位力学 测试平台，进行透射电镜中的原 位力学实验，可同步获得力学信 息及形貌、结构变化信息，为揭 示材料的变形机制提供有力的实 验证据。 联系人：周玲玲 博士 电 话：010-82543921 地 点：力学所 1 号楼 138 典型应用： 利用透射电镜对纳米晶材料进行衍衬像及高分辨像的观察，研究 了纳米晶材料变形过程的位错、层错行为，提出了相应的微观机理， 促进了纳米晶材料应变－硬化行为的理解。(PNAS 2015/Scientific reports2015). (a) 超细晶 Ti 晶界附近位错塞积诱 导背应力硬化； (b) 极小的 Ni 纳米晶阻碍位错与层错滑 移提高应变硬化能力。 微结构观察与测试 04 1-3 Hysitron pi85 及 Pi95 原位力学实验平台 1、Hysitron Pi 85 For SEM 技术指标： 10 mN 最大载荷 5μm 最大位移 ● 载荷分辨率≤ 3 nN ● 力噪音背景 RMS ≤ 400 nN ● 位移分辨率≤ 0.02 nm ● 位移噪音背景 RMS ≤ 1 nm ● ● 主要功能： 在扫描电镜中进行原位力学实验 ● 同步获得二次电子像信号及力学信号 ● 应用领域描述： 纳米尺度下的定量力学研究 通过加载过程中力学信息及变形过程结构变化的同步搜集， 将力学行为与结构变化关联起来，进行变形机制的研究 ● 通过多相材料的精确探针定位进行特定位点测试 ● 原位压缩研究 ● 界面结构研究 ● ● 05 微结构观察与测试 2、Hysitron Pi 95 For TEM 技术指标： 最大载荷 >1.5mN ● 最大位移 5000 nm ● 力噪音背景 RMS~0.2 µN ● 位移噪音背景 RMS ~1 nm ● 主要功能： 在场发射透射电镜中进行原位力学实验，原位观察加载所致 的结构变化并同步获得力学数据。 应用领域描述： 观察加载过程中位错的产生及运动 应力诱发相变研究 ● 多层膜结构的研究 ● 动态观察剪切带的产生及断裂行为的发生等现象 ● ● 联系人：周玲玲 博士 电 话：82543921 地 点：力学所 1 号楼 138 微结构观察与测试 06 1-4 数码光学显微镜 规格型号： 基恩士 VHX-5000 购置 / 建设时间： 2015 年 技术指标： 镜头：20x~200x、100x-1000x、500x-5000x ● 光源：高亮度 LED ● 主要功能： 典型应用： 固体试样表面 2D/3D 观测，具备拼接功能。 倾斜表面观察功能 典型应用场景： ● 3D 表面形貌观测 ● 2D 观测和录像 花瓣细胞人体红细胞 联系人：邵颖峰 副研究员 电 话：010-82544360 地 点：力学所 2 号楼地下一层 B117 07 微结构观察与测试 1-5 三维数字显微镜 规格型号： Hirox KH-8700 购置 / 建设时间： 2014 年 技术指标： 低倍镜头：50× ～ 400× ● 高倍镜头：350×~3500× ● 视频录像像素 1600×1200 (15fps)、800×600 (24 fps) ● 主要功能： 典型应用： 可对深焦点的样 品 进 行 观 察， 同 时 具 有表面 2D/3D 形貌、 表面平整度和粗糙度 测 量 等 功 能。 主 要 应 用于微结构测量和观 测、表界面行为分析、 材料失效分析等领域。 联系人：黄先富 博士 电 话：010-82543971 地 点：力学所 1 号楼 542 (A) 微柱阵列表面的液滴动态铺展； (B) 微柱阵列表面的移动接触线；(C) 微柱阵列表面微观结 构；(D) 图 C 微观结构的三维形貌 .（Phys. Fluids.2015/ J. Adhes. Sci. Technol.2016） 微结构观察与测试 08 二、材料结构与热物性分析 2-1 X 射线衍射仪 规格型号： SMARTLAB(9) 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 扫描范围：≥ -3~160° ● 最大输出功率： 9kW。 ● 焦斑尺寸：≤ 0.4 x 8mm ● 角度重现性：≤ 0.0001 ● 主要功能及应用领域描述： 典型应用： 晶体结构衍射分析 ● 物相定性定量分析 ● 晶粒大小与晶胞畸变 & 结晶度分析 ● 织构及应力分析 ● 联系人：段桂花 工程师 电 话：010-82543921 地 点：力学所 1 号楼 138 Zr 基非晶复合材料 X 射线衍射图谱 XRD patterns of the as-cast 10 mm diameter cylinders of the composites (Zr75Ti15Nb10)100 − y(Be50Cu27.5Ni22.5)y with different value, y 09 微结构观察与测试 2-2 DSC 差示扫描量热仪 规格型号： STA449 F3 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 钢制低温炉 , 工作温度 -150-1000℃ ● 铑高温炉 , 工作温度 25-1650℃ ● 温度准确度：0.1℃ ( 基于标准金属 ) ● 加热速率：0 …50 K/min( 线性 ) ● 主要功能及应用领域描述： 典型应用： 进行材料的热稳定性、玻璃 化转变、结晶行为分析，材料相 变温度、相变热焓测量。在测定 热量变化的同时测定材料在加热 过程中的重量变化。可以应用于 非晶材料玻璃态转变、陶瓷材料 高温稳定性分析、晶体材料的形 变诱导固态相变与温度诱导固态 相变的研究等。 Zr 基非晶玻璃化转变测量 联系人：段桂花 工程师 电 话：010-82543921 地 点：力学所 1 号楼 138 微结构观察与测试 2-3 红外热像仪 规格型号： Flir X6530Sc 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 探测器： 640×512 MCT ● 帧频：5Hz to 115 ● 测温范围：0 ~800 ℃ ● 主要功能及应用领域描述： 测量物体表面温度场 联系人：许向红 副研究员 电 话：010-82543669 地 点：力学所 1 号楼 340E 10 11 微结构观察与测试 三、微结构模拟和可视化 3-1 多尺度力学计算与显示系统 规格型号： DELL M610 高性能并行计算机 松下 PT-FDZ97C 三维立体投影仪 Precision T7610 图形工作站 购置 / 建设时间： 2014 年 技术指标： 计算性能： ● Xeon® X5650 处理器，共 320CPU 核心 ● 40GbInfiniband 高速交换机 ● 存储容量：12T，内存：3GB/ 刀片 显示性能： ● 至强处理器 E5-2680 ● 显卡：NVIDIA QUADRO K6000, 12GB 显存 ● 投影亮度：8500LM，分辨率：1920x1200 ● 投影 3D 特点：主动 3D，兼容 2D 主要功能及应用领域描述： 该设备主要用于大规模分子模拟、多尺度模拟的建模与数据显示， 材料微结构演化的三维显示；通过实验和计算得到的复杂流场数据立 体显示。为多尺度计算理论和实验研究提供一个可视化环境，使研究 人员借助形象化的空间形态探索与表达复杂数据的内在结构及其运动 规律。 典型应用： 联系人：肖攀 博士 电 话：010-82543930 地 点：1 号楼 -135 开发了基于分子 / 集团统计热力学方法的并行计算和立体可视化 软件，并对上亿原子体系的纳米压入模拟过程进行计算和可视化。 开发了基于湍流数值模拟和实验测量的流场结构立体可视化工 具，并实现了湍流射流燃烧过程的立体可视化。 微结构观察与测试 12 四、电池材料变形测试系统 4-1 原位曲率及电池测试系统 规格型号： KSA MOS 原位曲率测量台 (SN: 202742) LAND 电池测试系统 CT2001A-5V2mA 购置 / 建设时间： 2015 年 原位曲率测量台 Land 电池测试系统 典型应用： 获取电池材料充放电特性（右图 a） 获取电池材料充放电过程中表面原位 曲率变化 ● 通过力学模型计算获取电池材料充放 电过程中的应力历程（右图 b） ● ● 技术指标： 曲率半径范围：R ≤ 100km ● 输出电压范围：DC 0V~5V ● 输出电流范围：DC 0.002mA~2mA ● 电流测量精度：0.1%RD + 0.1%FS ● 电压测量精度：0.1%RD + 0.1%FS ● 并行测试通道：8 通道 ● 主要功能： 实时测量薄膜曲率变化 ● 电控系统、静置、跳转 ● 倍率充放电、远程监控 ● 联系人：雷现奇 博士 电 话：010-82544003 地 点：力学所 2 号楼 B114 充放电特性及其应力历程 第二部分 固体力学性能测试 固体力学测试是 LNM 实验平台的基石。经过二十多年的持续 发展，装备建设了多种型号不同载荷量程的单轴、双轴材料试验机、 疲劳试验机、高速冲击试验的 Hopkinson 杆、轻气炮以及用于微 纳尺度测量的纳米压痕、原子力显微镜和 X 射线 CT 系统，并配套 有高速摄影机等在位光学测量装置。这些试验系统的载荷范围覆盖 30pN-250kN；应变率范围覆盖 10-5-106s-1；位移测量精度达到 0.1nm 分辨率。可以针对不同尺度、不同材质的固体样品开展拉伸、 弯曲、扭转、疲劳与断裂、高速冲击、纳米压痕等各类力学性能研 究实验，是 LNM 多尺度力学研究的有力的支撑。 固体力学性能测试 14 五、疲劳测试系统 5-1 MTS Landmark 50kN 液压伺服疲劳试验机 规格型号： MTS Landmark 50kN 购置 / 建设时间： 2014 年 主要功能及应用领域描述： 低、高周范围疲劳 S-N 曲线 疲劳裂纹扩展速率与门槛值 ● 循环应力－应变曲线 ● 断裂韧性试验 技术指标： 载荷范围：±50kN 频率：<50Hz ● 位移范围：±75mm ● ● ● ● 典型应用： 利用液压伺服疲劳试验机，对纯钛、IF 钢、双相钢等金属材料进行应力松弛和加卸载实验，可研 究材料变形过程中位错密度的演化及背应力对材料加工硬化的影响（PNAS 2014、2015/ACTA MATER 2016） 应力松弛实验，分析可动位错密度变化 联系人：谢季佳 高级工程师 电 话：010-82543921 地 点：力学所 11 号楼 加卸载实验，研究包申格效应、背应力硬化行为 15 固体力学性能测试 5-2 高频疲劳试验机 规格型号： PLG100 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： ● ● 静载：±50kN，动载：±50kN 频率：100-300Hz 主要功能及应用领域描述： ● ● 低、高周范围疲劳 S-N 曲线 疲劳裂纹扩展速率与门槛值 典型应用： 10-5 10-6 da/dN(m/cycle) 用 于“ 车 轴 损 伤 容 限 的 试 验 研 究 及 剩余寿命评估技术研究”项目中小样品疲 劳性能测试。对具有表层强化的日系车轴 （S38C）表层直接截取样品，进行三点弯 曲试样的疲劳裂纹扩展测试（见下图）和含 缺口三点弯曲试样在 108 周次的疲劳强度结 果。 研 究成 果见 力学所科 技报告：IMCAS STR2015055，IMCAS STR2016039. 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10 联系人：谢季佳 高级工程师 电 话：010-82543921 地 点：力学所 11 号楼 S0-2mm S2-3mm S3-8mm 20 30 ∆K(MPa·m1/2) 40 50 60 距车轴表面不同深度区间的疲劳裂纹扩展速率与应力 强度因子幅值的关系 固体力学性能测试 16 5-3 超声频率疲劳试验机 规格型号： GF20K 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 频率：20000Hz 平均载荷：<1.5kN ● 应力范围：±240-±1200MPa ● 主要功能及应用领域描述： 各类金属材料超长寿命疲劳研究，快速获得含 108 － 109 周次的疲劳试验结果且应力比可调。 典型应用： 基于该试验机对高强度钢和钛合金在不同应力比下的高周和超高周疲劳性能进行了测试，研究成果 发表在 Int J Fatigue, 2016; Mater Sci Eng A, 2015 等。 高强度钢 GCr15 在不同应力比下的 S-N 曲线 联系人：谢季佳 高级工程师 电 话：010-82543921 地 点：力学所 11 号楼 Ti-6Al-4V 在不同应力比下的 S-N 曲线 17 固体力学性能测试 5-4 旋转弯曲疲劳试验机 规格型号： YRB200 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： ● ● 最大载荷：20 kg×4 Specimen 频率（转速）：1000 ～ 5000 rpm 主要功能及应用领域描述： 典型应用： 该设备可同时对 4 根样品在不同 应力水平下进行疲劳实验；应用于材 料的高周疲劳，特别是超高周疲劳性 能测试。样品形状：两端 Φ10 mm 平行段，中间漏斗形。 采用旋转弯曲疲劳试验机对 GCr15、40Cr 结构钢、Ti6Al-4V、具有类似动车车轴（S38C）表层材料的高周和超 高周疲劳性能进行了测试，研究成果发表在 Acta Mater, 2011; Int J Fatigue, 2012; SCIENCE CHINA-Phys, Mech Astron, 2014; Int J Fatigue, 2016 等。 三种环境下 40Cr 结构钢的 S-N 曲线 联系人：孙成奇 副研究员 电 话：010-82543968 地 点：力学所 2 号楼 车轴材料 S38C 的 S-N 数据 . 圆点：光滑样品； 三角形缺口样品 固体力学性能测试 18 六、微 / 纳米力学测试系统 6-1 纳米力学测试系统 规格型号： Agilent Nano Indenter G200 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 压入载荷量程：XP, 500mN；DCM II, 30mN； High Load, 10N 压入载荷分辨力：XP, 50nN；DCM II, 3nN； High Load, 1mN ● Z 向位移分辨力：XP, 0.01nm；DCM II, 0.0002nm； High Load, 0.01nm ● 横向载荷量程：250mN ● 横向载荷分辨力：2μN ● X-Y 平面扫描范围：Survey Scanning, 500μm×500μm； NanoVision, 100μm×100μm ● 主要功能及应用领域描述： 纳米 / 显微尺度的仪器化压入 和划入，主要用于测试小块或薄膜 样品的弹性模量和压入硬度、薄膜 临界附着力和摩擦系数等。具有连 续刚度测试模式、原位压痕形貌扫 描、刚度扫描和快速压入测试等功 能。 典型应用： 借助纳米力学测试系统对典型 金属玻璃材料进行锯齿流变的实验 研究，提出了可用于解释常态流变 和变态流变的无量纲量，并促进了 对金属玻璃 Johari-Goldstein 松弛 变 形 的 理 解。(J NON-CRYST SOL 2016) 联系人：冯义辉 助理研究员 电 话：010-82543951 地 点：力学所 1 号楼 338C ● 19 固体力学性能测试 6-2 多功能硬度计 规格型号： Zwick ZHU2.5 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 压入载荷范围：5N~2500N 载荷精度：±0.5% ● 压头最大行程：4mm ● ● 主要功能及应用领域描述： 宏观尺度的仪器化压入测试 ( 弹性模量和压入硬度 ) 和传统硬度 ( 维氏硬度、布氏硬度、洛氏硬度 ) 测试。 典型应用： 借助 ZHU2.5 进行大量实验研究，建立了一种通过锥形仪器化压入识别表面残余应力分析方法，该 方法通过选取易精确测量的相对加载曲率 (C-C0)/C0 作为分析参量，可提高的表面残余应力的测试精度。 (Mater. Sci. Eng 2014) 联系人：冯义辉 助理研究员 电 话：010-82543951 地 点：力学所 1 号楼 338D 固体力学性能测试 20 6-3 3D 激光测量显微镜 规格型号： Olympus OLS4000 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 放大倍数：108×~17280× 光源：405nm 半导体激光 / 白色 LED ● z 轴移动分辨力：10nm ● ● 主要功能及应用领域描述： 固体试样表面 2D/3D 观测和表面粗糙度测量，具备拼接功能。 普通 3D 扫描 (20× 物镜 )，试样表面起伏不超过 0.8mm； 高倍 3D 扫描 (50× 和 100× 物镜 )，试样表面起伏不超过 0.2mm。 典型应用场景： ● 3D 曲面扫描 ● 2D 观测 ● 表面粗糙度测量 典型应用： 应用 1 – 100μm 球压头几何形状 3D 观测 联系人：冯义辉 助理研究员 电 话：010-82543951 地 点：力学所 1 号楼 338D 应用 2 - SiO2 颗粒溶剂蒸发沉积构型 3D 观测 21 固体力学性能测试 6-4 微力材料试验机 规格型号： Instron 5848 MicroTester 购置 / 建设时间： 2005 年 技术指标： 载荷量程：±5N、±250N 和 ±2000N 载荷精度：±0.5% ● 致动器行程：110mm ● ● 主要功能及应用领域描述： 小截面尺寸样品 ( 细丝、薄膜等 ) 的拉伸、 压缩和弯曲测试，可以获得应力 - 应变曲线 典型应用： 联系人：冯义辉 助理研究员 电 话：010-82543951 地 点：力学所 1 号楼 338B 借助 Instron 5848 MicroTester 的单轴拉伸实验，发现角膜是横观各向同性材 料，同时沿角膜深度方向，杨氏模量的变化形成线性梯度。（Soft Marerials） 固体力学性能测试 22 6-5 原位纳米尺度力学测试分析系统 规格型号： Veeco MultiMode PicoForce TM 扫描探针显微镜系统 Hysitron TriboScope 原位纳米力学测试系统 购置 / 建设时间： 2008 年 主要功能及应用领域描述： 适合于纳微尺度表面形貌的定量表 征（如：粗糙度，剖面线统计分析，台 阶高度等等）；探针针尖与样品间微小 相互作用力的定量测量（如：粘附力测 量等等）； 带原位形貌观测的纳米压痕 测量 ( 如：梯度材料表面或超薄薄膜的 弹性模量与硬度的定量测量 ) 技术指标： 力曲线测量 纳牛 / 微牛量级微小力的定量测量 表面形貌观测 纵向分辨率 0.1nm，横向分辨率 1nm ● 弹性模量与硬度的纳米压痕测试与原位形貌观测 小载荷 ( 微牛量级，<10mN) 浅压痕 (<200nm) ● ● 典型应用： ● 纳米尺度的微结构观察 金属玻璃层裂断裂面上的纳米条带与条带剖面特征 尺寸测量 ( 条带间距约 70nm)（中国科学院力学研究所） 23 固体力学性能测试 ● 高灵敏度的力信号测量 大鼠毛细血管内皮细胞试样表面力曲线 ( 北京大学医学部 ) 图中力曲线的小台阶高度仅仅约为 50pN ● 高精度的定位与带原位形貌观测的纳米压痕测试 微柱阵列 ( 圆柱直径约为 2 微米 ) 上的 5 个定位于微柱中心的压痕点 与相应的压痕曲线 ( 中国科学院上海高等研究院 ) 联系人：李晖凌 副研究员 电 话：010-82543953 地 点：力学所 1 号楼 338A 固体力学性能测试 24 七、计算机断层扫描成像（CT）测试系统 7-1 高精度计算机断层扫描系统 规格型号： Y.Modular 购置 / 建设时间： 2010 年 技术指标： 管电压：450KV 射线源，225KV 微焦点源 探测器：平板探测器 2,048² Pixel， 409,6 x 409,6 mm² ● 探测器：线阵列探测器，approx. 598 mm ； 可检测直径 600mm、高度 800mm、重量不超 过 60Kg 的试件 ● 225kV 微焦点 CT：面阵探测器空间分辨 10 微米， 测量精度 10 微米；密度分辨小于 0.2%；穿透能 力，150 mm（密度为 2.7 g/cm3 的混凝土） ● 450kV 工业 CT：面阵空间分辨率 63 微米，线 阵探测器空间分辨率 75 微米；密度分辨小于 0.1%；穿透能力 80 mm（密度为 7.8 g/cm3 的 金属 Fe 材料） ● ● 主要功能及应用领域描述： 功能：对不透明材料内部结构进行三维定量无 损检测； 应用：航天、航空、国防、军工、机械、铁路、 汽车、铸造、能源、地质、冶金、材料、建筑、电 子等领域。另外还可以开展材料准静态原位加载实 时观测实验。 联系人：孙立娟 高级工程师 电 话：13520192060 地 点：力学所 23 号楼 25 固体力学性能测试 八、材料力学性能测试系统 8-1 MTS 810 材料试验机 规格型号： MTS 810 购置 / 建设时间： 1994 年 技术指标： ● ● 载荷量程：100kN 位移量程：150mm 主要功能及应用领域描述： 典型应用： 材料拉伸、压缩、弯曲等力学性能测试 非晶合金开缺口强化拉伸实验（Sci. Rep.,2015） 非晶合金拉伸和压缩实验（Philos. Mag., 2008） 联系人：郇勇 高级工程师 电 话：010-82543920 地 点：力学所 1 号楼 140A 固体力学性能测试 8-2 MTS 809 轴 / 扭材料试验机 规格型号： MTS809 购置 / 建设时间： 2012 年 技术指标： ● ● 载荷量程：250kN，位移量程：150mm 扭矩量程：2000Nm，角度量程：90deg 主要功能及应用领域描述： 材料拉伸、扭转、拉扭、压扭等力学性能测试 典型应用： 孪晶钢的扭转实验（Nat. Commun.,2014） 联系人：郇勇 高级工程师 电 话：010-82543920 地 点：力学所 1 号楼 140 非晶合金拉扭和压扭实验（Acta Mater., 2015） 26 27 固体力学性能测试 8-3 INSTRON E10000 轴 / 扭材料试验机 规格型号： INSTRON E10000 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： ● ● 主要功能及应用领域描述： 载荷量程：7000N，位移量程：60mm 扭矩量程：100Nm，角度量程：135deg 典型应用： 材料拉伸、扭转、拉扭、 压扭等力学性能测试 联系人：郇勇 高级工程师 电 话：010-82543920 地 点：力学所 1 号楼 140 非晶合金小样品拉伸实验（Sci. Rep.,2016） 固体力学性能测试 28 九、动态力学性能测试系统 9-1 单级轻气炮 规格型号： 自行研制 购置 / 建设时间： 1979 年 主要功能及应用领域描述： 可以用来进行材料在高应变率 （105-106s-1）下力学性能研究；也可用 来进行动态模拟实验和测试元件的动态 标定等。 其具体功能包括： ● 材料高压物态方程和低压本构关 系研究 ● 材料中应力波传播规律研究 ● 材料层裂实验 ● 材料或结构的冲击实验 ● 应力传感器标定 双相钢层裂信号 联系人：张虎生 博士 电 话：010-82543967 地 点：力学所 23 号楼冲击动力学实验室 技术指标： 口径：101mm 速度范围：20 ～ 1400m/s -3 ● 撞击斜角：<10 rad ● ● 炮管长度：17m 弹速误差：<5% 真空度：<1 Pa 典型应用： 研究了铝合金、高熵合金、金属玻璃等材料的 物态方程和层裂行为，揭示了材料变形、断裂的宏 微 观 机 理（Mater. Res. Lett.2016/AIP Adv.2016/J. Appl. Phys.2011/Appl. Phys. Lett.2008） 铝合金样品中沿厚度方向 不同位置处的加载 - 再加载应力信号 29 固体力学性能测试 9-2 单脉冲 Hopkinson 扭杆 规格型号： 自行研制 购置 / 建设时间： 1984 年 主要功能及应用领域描述： 是研究高应变率下材料剪切力学性能 特别是热塑剪切局部化现象的有效工具。 其具体功能包括： 2 -1 ● 可获得材料 10 s 应变率范围内的 剪应力 - 剪应变曲线 ● 可实现材料剪切变形损伤冻结，有 助于观察材料变形损伤演化过程 技术指标： 波导杆直径：25mm 输出杆长度：1770mm ● 卸波杆Ⅱ长度：2160mm ● ● 输入杆长度：2160mm 卸波杆Ⅰ长度：1780mm 扭矩：＜ 200Nm 典型应用： 成功地消除了从输入杆和输出杆自由端来的反射波，实现了对试样的单脉冲加载，研究了多种材 料的变形破坏过程，特别是研究剪切带的演化过程。（Phil. Trans. R. Soc.2015/ Acta Mater.1996/ Meas. Sci. Tech.1995/Rev. Sci. Instrum.1995） 单脉冲 Hopkinson 扭杆波形 联系人：张虎生 博士 电 话：010-82543967 地 点：力学所 23 号楼冲击动力学实验室 钛合金的应力应变曲线与剪切带的演化过程 固体力学性能测试 30 9-3 分离式 Hopkinson 压杆 规格型号： 自行研制 购置 / 建设时间： 1994 年 主要功能及应用领域描述： 广泛应用的测试材料高应变率下压缩力 学性能的实验装置，它可以用来测试材料在 102 ～ 103s-1 应变率范围内的应力 - 应变关 系。其具体功能包括： 2 3 -1 ● 可获得材料 10 ～ 10 s 应变率范围 内的应力 - 应变曲线 ● 可实现材料的帽形或平板剪切实验 ● 可实现材料动态断裂韧性测量 ● 可实现加速度传感器的动态标定 ● 结合超高速照相机并利用 DIC 方法 可以实现材料变形场的观测 技术指标： ● ● 波导杆直径：13mm 输出杆长度：1000mm 输入杆长度：1000mm 撞击速度：＜ 40m/s 典型应用： 通 过 平 板 剪 切、 帽 型 剪 切、 高 速 切 削等实验手段揭示了纳米金属材料、双相 钢、金属玻璃复合材料等新型材料的变形 破 坏 机 理。（Mech. Mater.2016/Mech. Mater.2015/J. Mech. Phys. Solids2014/ Mater. Sci. Eng. A2013/Inter. J. Impact Eng.2012） 联系人：张虎生 博士 电 话：010-82543967 地 点：力学所 23 号楼冲击动力学实验室 不同温度下高温合金 GH4169 的应力 - 应变曲线 DIC 方法得到的材料动态压缩过程中试样表面应变场（压缩方向） 31 固体力学性能测试 9-4 分离式 Hopkinson 拉杆 规格型号： 自行研制 购置 / 建设时间： 2010 年 技术指标： ● ● 输入杆、输出杆直径：18mm 或 12mm 撞击速度：＜ 30m/s 主要功能及应用领域描述： 是广泛应用的测试材料高应变率下拉伸 力 学 性 能 的 实 验 装 置， 它 可 以 用 来 测 试 材 料 在 102 ～ 103s-1 应变率范围内的应力 - 应变关系。其 具体功能包括： 2 3 -1 ● 可获得材料 10 ～ 10 s 应变率范围内的应 力 - 应变曲线 ● 结合超高速照相机并利用 DIC 方法可以实 现材料变形场的观测 典型应用： 联系人：张虎生 博士 电 话：010-82543967 地 点：力学所 23 号楼冲击动力学实验室 聚合物应力 - 应变曲线 固体力学性能测试 32 9-5 全光纤测速系统 (PDV) 规格型号： 自行研制 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 工作波长：1550 nm 时间分辨能力：50ps ● 测量点数：4 点 ● 测速范围：0.1 ～ 2000m/s ● 测速误差：≤ 1% ● ● 主要功能及应用领域描述： 典型应用： 可测量任意反射面物体的运动 速度 ● 可用于轻气炮实验中靶板自由 表面质点速度测量 测得了多种材料的失效波信号、层裂信号、弹塑性波信 号，为揭示材料的动态力学行为奠定了基础。（Mater. Res. Lett.2016） ● 联系人：张虎生 博士 电 话：010-82543967 地 点：力学所 23 号楼冲击动力学实验室 高熵合金冲击压缩信号 33 固体力学性能测试 9-6 DIC 非接触应变测量系统 规格型号： Photron SA-X2 高速摄像机 Vic-3D V7.0 图像相关软件 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 1024 (H) x 1024 (v) pixel resolution 满幅 12,500 Hz，黑白 ● 32 GB 板载内存 (1.75s 记录时间 @ 12,500 fps) ● C-Mount 镜头接口 ● ● 主要功能及应用领域描述： 可进行快速图像采集，并针对小到纳米、大到米量级样品，实现静动态环境下的非接触式 3D 全场 应变测量，可根据需求进行多样性数据输出。该系统可应用于准静态及冲击条件下材料变形断裂形貌实 时捕捉及位移应变场的非接触式测量，为材料力学、冲击动力学、结构力学、断裂力学等的相关研究提 供有效的手段。 典型应用： 应用于合金高速切削研究等（JMPS，2015）： 联系人：陈艳 副研究员 电 话：010-82543931 地 点：力学所 1 号楼 532 第三部分 流体实验与测试 LNM 的水动力学实验室旨在通过对复杂流动现象的实验观测和 定量测量研究非线性流体动力学的基本规律，为此建立了循环水槽 和水下垂直发射实验水箱等基础实验设施，可实现从低速流动到高 速相对运动的流动现象模拟和实验过程观测；重点配置了从点到面、 直至空间分布的多分量速度测量仪器，比如，可用于多点流速测量 及其时空关联分析的六通道热线测速仪，用于流场速度测量的二维 PIV 和三维空间的 3D-TomoPIV 等高速流场测速系统；可提供或完 成动态过程的高速摄像及其图像分析、流场速度和流体压力分布分 析、以及流固耦合运动测试等系统测试技术和综合实验方案设计。 35 流体实验与测试 1．研究方向 钝体和弹性体的尾流旋涡动力学 水下及出水过程的空化流动 ● 气泡或液滴运动及其动力学 ● ● 2．实验设备和测试仪器 循环水槽 / 循环水洞 / 高速垂直出水实验平台 高速摄像机及 2D PIV /3D Tomo-PIV 测速系统 ● 热膜测速仪、动态压力等多通道动态数据采集系统 ● ● 3．测试技术 高速摄影技术及动态图像分析 ● 压力和加速度等信号采集分析 ● 2D PIV/3D PIV 流场速度分布及其动力学时序结构分析 ● 流体实验与测试 36 十、高速摄像机及 2D/3D-PIV 测速系统 10-1 高速摄像机及 2D-PIV 测速系统 规格型号： Phontron FastCam SA1.1 购置 / 建设时间： 2009 年 技术指标： 图像分辨率：1024X1024 像素 满幅帧频：5400 幅 / 秒 ● 光源：5W 连续激光光源或 150W LED 阵列光源 ● ● 主要功能及应用领域描述： 非定常流动等瞬态力学过程的平面流场测量及其时序分析 典型应用： 振荡圆柱尾流的平面旋涡结构（流动从右向左，圆柱上下振动） 联系人：方新 副研究员 电 话：010-82543918 地 点：力学所 1 号楼 133 37 流体实验与测试 10-2 三维空间粒子图像测速系统 Tomo-PIV 流场分析仪是将高速图像采集与 数字图像分析集成化的流场测试分析系统，该系 统由四台高速摄像机和高频双腔脉冲激光器构成 多视点立体图像高速采集系统，可用于显示、记 录和分析三维空间中示踪粒子的瞬态分布以及运 动过程，可获得流动速度分布的三分量矢量，能 够提供运动关联和旋涡结构等三维流场分布的动 力学特征。 规格型号： LaVision Imager Pro HS 4M 技术指标： 购置 / 建设时间： 仪器指标： 高速摄像机 (4 台 ):2016X2016 像素 , 1279 幅 / 秒 Nd-YAG 双腔脉冲激光器， 脉冲能量：2x30mJ@1000Hz, 527 nm 波长 ● 粒子成像系统与数据处理功能： 四台高速摄像机构成多视点立体成像 数据处理支持 GPU 并行计算 ● 测量指标： 测速范围：0~1m/s, 速度测量精度：可达 0.1 像素 测量流场区域：不小于 120mmX80mmX40mm, 有效速度矢量不少于 40 万个矢量。 ● 测量指标： 速范围：0~100m/s 测量精度：可达 0.1 像素 测量流场区域不小于 120mmX80mmX40mm 2014 年 ● 联系人：方新 副研究员 电 话：010-82543918 地 点：力学所 1 号楼 133 主要功能及应用领域描述： 可对高速瞬态流动结构进行实验图像记录和时 序分析 ● 三维空间流动的速度场实验测量和重构分析 ● 典型应用： 固定圆柱的三维流动结构（3D3C Tomo-PIV 实验结果） 流体实验与测试 十一、水动力学实验系统 11-1 循环水槽 规格型号： 自行研制 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 实验段截面：400mmX400mm, 2000mm 长 实验段长度：2X1000mm ● 流速可调范围：0 ~ 0.3m/s ● ● 主要功能及应用领域描述： 低速流动实验的观测和测量 联系人：方新 副研究员 电 话：010-82543918 地 点：力学所 1 号楼 133 38 39 流体实验与测试 11-2 高速垂直出水实验平台 规格型号： 自行研制 购置 / 建设时间： 2009 年至 2013 年研制 主要功能及应用领域描述： 高速垂直出水实验平台采用先进的实验技术 模拟运动物体在水下的高速发射、运动潜航以及 高速出水的动力学过程，通过流态观测和实验测 量等技术方法研究高速空化流动的气泡萌生与溃 灭、气液多相介质的相互作用等高速水动力学现 象；平台集成的发射控制系统具有水下发射速度、 水箱环境压力、水深和水温等检测和控制功能， 实验条件可包括了从空化萌生阶段到超空化流动 状态的工况范围，测试系统则集成了动态压力测 量和高速高分辨率的图像采集和分析功能，可进 行水下和出水过程的空化流态演化以及气液界面 的空化溃灭等实验观测。 技术指标： 实验水箱：直径 φ800mm， 高度 2000mm; ● 水温范围： 20oC~40oC ● 水深范围： 0.6m~1.6m ● 气压范围：5kPa~120kPa ● 模型尺寸：直径 φ30~φ60mm, 长度 300 mm ~600mm ● 出水速度：10m/s~50m/s ● 典型应用： 联系人：方新 副研究员 电 话：010-82543918 地 点：力学所 2 号楼 B211 上图：水下超空泡高速出水过程； 下图：尾喷推进模型的垂直出水过程。 流体实验与测试 十二、微纳尺度流动测量系统 12-1 Micro/Nano-PIV 系统 规格型号： Olympus/Nikon 荧光倒置显微镜 ● Yokogawa 共聚焦 ● 物镜型 TIRFM 隐失波观测 ● 购置 / 建设时间： 2005-2011 年分批组合不同功能部件 技术指标： 空间分辨率 ~100nm ● 示踪粒子 20nm–2μm ● 速度范围 10μm/s–1cm/s ● 主要功能及应用领域描述： 微纳尺度流动速度测量，荧光标记及 流动可视化显示，微纳米粒子运动跟踪及 分子示踪，生物流动观测等。 典型应用： 联系人：胡国庆 研究员，郑旭副研究员 电 话：010-82543925 地 点：力学所 1 号楼 238A 在 3D 打印制作的模拟血管微芯片中植入心脏支架，采用 MicroPTV 方法显示支架附近流场。（SCI REP-UK 2015） 40 41 流体实验与测试 12-2 原子力显微镜 (AFM) 规格型号： Asylum Research MFP-3D + 胶体探针 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 扫描分辨率 ~ 5pm 胶体探针直径 ~ 1–100μm ● 测力范围 0.01–100nN ● ● 主要功能及应用领域描述： 界面力 /DLVO 力测量，表面形貌扫描，纳米操控 典型应用： 联系人：胡国庆 研究员，郑旭 副研究员 电 话：010-82543925 地 点：力学所 1 号楼 238A 采用 AFM 胶体探针测量不同电解质溶液下氮化硅界面的 DLVO 力 曲线，是有效的测量纳米界面力的方法。 第四部分 制样设备 43 制样设备 十三、制样系统 13-1 Gatan 656 高精度凹坑仪 功能介绍： 对透射电镜样品进行机械式预减薄：能将局部 区域厚度从几十微米减薄到几微米，厚度控制精度 1 微米。 13-2 Gatan PIPS Ⅱ 695 离子减薄仪 功能及应用 : 在高真空条件下，用 Ar 离子束对透射电镜样品 进行最终减薄。 在适当的参数控制下薄区厚度能达到纳米尺度。 配备液氮冷却系统。 联系人：周玲玲 博士 电 话：010-82543921 地 点：力学所 1 号楼 138 制样设备 13-3 马弗炉 规格型号： 华港通 MF-0914P 和 MF-0617P 购置 / 建设时间： 2012 年 技术指标： 热处理温度：室温 ~1400oC； 炉膛尺寸：20×20×25cm3 (MF-0914P) o ● 热处理温度：室温 ~1650 C； 炉膛尺寸：16×16×18cm3 (MF-0617P) ● 主要功能及应用领域描述： ● 材料空气气氛下的热处理 典型应用： 不同尺寸球表面的水淬裂纹，温差 ΔT =（a）-280oC；（b）-380oC； （c）-580oC；（d）-780oC；和（e）-1280oC 联系人：邵颖峰 副研究员 电 话：010-82544360 地 点：力学所 2 号楼地下一层 B117 44 45 制样设备 13-4 光刻机 规格型号： ABM/6/500/NUV/DCCD/BSV/M 购置 / 建设时间： 2013 年 技术指标： 接触式曝光方式线条宽度为 0.6μm 间接式曝光方式线条宽度为 1.0μm ● 厚胶光刻特征尺寸：100~300μm； ● 正面对准精度≤ ±1μm，背面对准精度≤ ±2μm ● ● 主要功能及应用领域描述： 微结构制备：通过光学系统以投影方法将掩模版上的 图形转移到涂有光刻胶的晶圆上，晶圆表面会留下带有微图 形结构的薄膜。主要应用于微电子加工、表面与界面物理力 学研究等领域。 典型应用： 光刻机刻蚀表面线宽及深度 . (A) 线宽 ~0.6 μm；(B) 深度 ~200 μm；(C) 线宽 ~10 μm，深度 ~50 μm； (D) 线宽 ~20 μm，深度 ~130 μm. 联系人：黄先富 研实员 电 话：010-82543971 地 点：力学所 1 号楼 542