滑度仪

仪器化划入方法已经成功应用于测试各种材料（包括硬的合金、陶瓷、金属、岩石[1]和软的高分子聚合物、碱硅酸盐凝胶[2]等）的断裂韧度（跨越两个数量级）在材料科学与工程领域具有巨大应用前景，尤其是评估微米级材料或多尺度复合材料（比如碎屑-橡胶混凝土[3]、再生混凝土[4]、水泥[5]、页岩[1, 6, 7]，骨头[8]、功能梯度和复合涂层[9]）的断裂性能，其诸多优势包括：结果与传统方法（比如单边缺口试样的三点弯曲、紧凑拉伸）测量值一致；重复性好；材料体积小；设备操作、数据分析简单；近乎无损检测（微米级划入测试划入深度一般在十几微米）；尤其是试样制备简单，不需要预制缺口或裂纹；测试成本和周期都大大减小[10]。仪器化划入过程的实物图和示意图见图 1[11]。在仪器化划入过程中，利用侧向力和压入深度可以计算出材料的断裂韧度。仪器化划入表征断裂韧度主要有两种理论：一种是线弹性断裂力学（linear elastic fracture mechanics or LEFM）；另一种是能量尺寸效应理论（microscopic energetic size effect laws or ESEL）。理论都是假设在压头前端存在沿水平扩展的裂纹，见图 2[12]。这种裂纹模式在直刚刀压头划入石蜡的实验中体现得最好，见图 3[13]。对于直压头：三维裂纹的横截面是长方形。能量释放率可以由J-积分计算，再结合断裂准则，即可以建立利用侧向力和压入深度计算断裂韧度的关系式。图 1 仪器化划入测试实物图及示意图：（a）直钢刀压头划入石蜡；（b）倾斜直钢刀压头划入测试示意图；（c）Rockwell C压头划入薄膜材料；（d）轴对称压头划入示意图（压入深度d，压头尖端圆角半径R，侧向力FT，划痕方向x）图 2 利用轴对称压头划入过程的侧视图（左图）和正视图（右图）。x 是划痕方向，FT 是水平侧向力，FV 是竖直正压力，d 是压入深度，n 是压头与材料接触界面朝材料外侧的单位法向，A 是承载侧向力的面积投影，p 是压头与材料接触界面的周长图 3 石蜡在直钢刀压头仪器化划入过程中压头前端水平扩展的裂纹：（a）实验结果；（b）理想的裂纹形状示意图（具有长方形横截面的三维裂纹，需要裂纹长度l、刀具宽度w、压入深度d 三个尺寸表征）不同的学者提出了不同的分析方法，断裂韧度Kc 可以通过拟合仪器化划入的实验数据获得[10, 14-19]：其中Λ=A/(2P)是名义长度，p 和A 分别是周长和水平投影面积（见图 2），都是压入深度d 的函数[12]。利用线弹性断裂力学可以直接计算出断裂韧度Kc已知压头几何形状可以得到p(d)和A(d)，f=2p(d)A(d) 即压头形状函数：对于圆锥压头，f 与d3 成正比；对于圆球压头，f 与d2 成正比。图 4是利用Rockwell C压头划入钢材的结果[20]。示意图见图 4（a）。在划入过程中，施加线性增大的正压力FV，如图 4（b），同时记录侧向力FT 和压入深度d。数据与划痕残余形貌一一对应，形貌见图 4（c），并且可以利用声发射分析断裂过程，如图 4（d）。图 4 利用圆锥压头分析钢材料的断裂韧度：（a）圆锥压头仪器化划入过程示意图（划痕方向沿X 轴，FV 和FT 分别是正压力和侧向力）；（b）划入过程中在施加线性加载的正压力的同时记录侧向力；（c）划痕残余形貌；（d）侧向力和压入深度的关系（左轴）和声发射（右轴）当圆锥部分起主导作用时，FT/d3/2趋近于一条水平线，这说明划入过程由断裂机制控制，声发射信号也直接验证了断裂的发生。可见，利用划入方法测试材料的断裂韧度需要适合的加载条件，只有当载荷足够大，断裂机制占主导时才能应用线弹性断裂力学的公式计算断裂韧度，但是过大的载荷会产生很多扩展方向不同的裂纹，使得只有一条裂纹扩展的假设不成立。声发射信号是确定断裂发生的有效手段，可以用于区分断裂的程度（剧烈的断裂会使得声发射信号饱和），寻找适合的加载力范围。FT/d3/2一直在波动，这种锯齿状数据是切削的典型特征，与传统测试（比如紧凑拉伸中只有一个裂纹产生）明显不同，划入过程中会产生很多裂纹，所以有必要对平稳段的数据取平均[21]。仪器化划入方法已经成功应用于各种材料的断裂韧度表征[22, 23]，比如：高分子材料（聚碳酸酯PC[18]、改性石墨烯添加的环氧树脂基复合材料[24]）、玻璃（熔融石英硅[25]、K9玻璃[26]）、金属（紫铜[27, 28]）、半导体材料（单晶硅和碳化硅[29]）等。表 1比较了部分材料的仪器化划入测试结果与传统方法测试结果，划入法测试与传统方法测试结果大体一致，差异很有可能是由于材料的各向异性和不均匀造成的，因为划入法表征的是表面微观区域的力学性能，传统方法测试的是宏观力学性能。所以划入法可以表征材料断裂韧度的分布，适合于异质复合材料各组织以及界面的力学性能表征，研究不同尺度结构的断裂性能，这些都是先进材料及微纳米器件发展迫切需要解决的关键测试表征技术，尤其在表面微观力学领域有广阔的应用前景。表 1 利用仪器化划入方法表征各种材料的断裂韧度（MPa• m1/2）压头（形状尺寸）及方法材料（牌号）：划入法测的断裂韧度（传统方法测试值）单位（国家）[参考文献]Rockwell C压头（2θ=120°，R=200 μm），线弹性断裂力学铝合金(AA 2024)：34.4±3 (32~37)热塑性聚合物（Delrin Grade 150）：2.5±0.2 (2.9±0.5)麻省理工学院（美国）[20] Rockwell C 压头（2θ=120°，R=200 μm），线弹性断裂力学钠钙玻璃：0.71±0.03 (0.70)耐热高硼硅玻璃：0.68±0.02 (0.63)热塑性聚合物(Delrin 150E) ：2.75±0.05 (2.8)热塑聚碳酸酯：2.76±0.02 (2.69)铝合金(2024-T4/T351) ：28.8±1.3 (26~37)AISI-1045：62.2±2.6 (50)AISI-1144：62.2±2.6 (57~67)Titanium 6Al-4V：77.0±3.4 (75)麻省理工学院（美国）[22]直钢刀压头，线弹性断裂力学（LEFM）和能量尺寸效应方法(ESEL)石蜡：0.14 (0.15)水泥：0.66~0.67 (0.62-0.66)侏罗纪石灰岩：0.56 (ESEL), 0.34 (LEFM)A-51w：0.82 (ESEL), 0.81 (LEFM)B-4w：0.74 (ESEL), 0.72 (LEFM)B-12w：0.78 (ESEL), 0.78 (LEFM)麻省理工学院（美国）西北大学（美国）伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（美国）[21]直钢刀压头、Rockwell C线弹性断裂力学水泥（直钢刀压头）：0.66±0.05 (0.67)钢材（Rockwell C压头）：40±0.2 (50)麻省理工学院（美国）[11]直钢刀压头能量尺寸效应方法水泥：0.66(0.65~0.67)伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（美国）[23]Rockwell C压头线弹性断裂力学（LEFM）和能量尺寸效应方法(ESEL)塑料（Delrin）：3.26 (LEFM)，2.85 (ESEL)聚碳酸酯（Lexan）：2.87 (LEFM)，2.38 (ESEL)熔融石英硅：0.96 (LEFM)，0.96 (ESEL)传统测试结果：塑料（2.8）、聚碳酸酯（2.2）、熔融石英硅（0.8）科罗拉多大学（美国）麻省理工学院（美国）[28]Rockwell C压头能量尺寸效应方法聚缩醛 ：3.16 (2.8)石蜡：0.14 (0.14)聚碳酸酯（Lexan 934）：2.8 (2.69)铝：32.53 (32)伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（美国）[40]圆球压头线弹性断裂力学熔融石英硅：0.7 (0.68~0.75)K9玻璃：0.85 (0.82)福州大学（中国）[45,46]Rockwell C压头线弹性断裂力学聚碳酸酯：2.3 (2.2)福州大学（中国）[43]作者简介刘明，福州大学机械工程及自动化学院教授，福建省闽江学者特聘教授、福州大学旗山学者海外人才、福建省高层次境外引进C类人才，全国钢标准化技术委员会力学及工艺性能试验方法分技术委员会金属材料微试样力学性能试验方法工作组（SAC/TC183/SC4/WG1）委员、ISO 14577系列国际标准制修订国内工作组成员。1985年出生于哈尔滨市，哈尔滨工业大学本科、硕士，肯塔基大学（美国）博士，法国巴黎高科矿业工程师学校材料研究所博士后、华盛顿州立大学（美国）博士后。主要研究领域为微观力学及仪器化压入划入测试方法。作者邮箱：mingliu@fzu.edu.cn 参考文献[1] A.-T. 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p　　strongspan style="color: rgb(31, 73, 125) "超速离心的差速沉淀及等密度梯度离心法/span/strong/pp　　无论是国际顶级杂志的文献统计，还是国内用户的私下调研，超速离心一直都是作为外泌体或者说胞外囊泡分离纯化的金标准而存在。伴随着外泌体的发现、研究深入和产业转化，不断有各种“替代”方法、试剂盒出现，试图挑战超离在外泌体分离纯化方式中的领导地位，但至今仍未有成功。究其原因，超速离心也许是唯一一个可以同时用两个不同维度对外泌体进行分离纯化的实验方法。/pp　　每一种颗粒，例如外泌体，都会有其自身的一定特定属性，例如特定的大小区间、一定的密度范围、也许还有某些特别的表面标记物等等。以上每一种属性，只要能够与其他的颗粒存在足够的区分度，我们就可以相对应想办法进行识别和分离，这就构成了近百年来分子生物学的种种纯化手段。/pp　　以超速离心为例，其核心原理为沉降平衡方程：/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/0f433fe1-85c9-43f2-9e09-d27552a46652.jpg" title="1.png"/img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/ac34f1d2-2ece-4c7e-939b-988f7f3f7ce1.jpg" title="2.png" width="300" height="366" border="0" hspace="0" vspace="0" style="float: right width: 300px height: 366px "/　　/pp style="text-indent: 2em "v为每个颗粒在离心过程中的瞬时移动速度，d是颗粒直径， σ是颗粒密度，ρ介质液密度，?介质液年度，ω2r为转速及所处离心半径 /pp　　当两个或多个颗粒的直径d有显著差异时，其离心沉降速度也将会有较明显差别。直径大的颗粒很快就可以沉淀下来，而更小的颗粒需要更大的离心力或者更长的离心时间才可完成沉降。这就是我们最常用的差速沉淀的基本原理。例如10万xg离心1-3小时，就是最常见的把100nm左右的颗粒沉淀下来的实验条件。/pp　　但一种方法不可能是万能，当不同颗粒的大小比较接近时，基于大小的分离方法就会出现误差，把不同的颗粒都一起分离下来，虽然已经把过大或者过小的颗粒去除，但如果类似大小的杂质颗粒过多，实际上这也只能算是分离富集，而不能算作纯化。/pp　　为此，离心专家们又开发了另一种实验方案，人为地制造不同的介质液密度区间。基于上述沉降速度方程，每一个颗粒最终将会停留在跟它本身密度相同的位置。由于介质液按实验需要铺设成连续或不连续分布，最终不同样品也会根据密度的差异，形成不同的区间性分布。外泌体由于其脂膜结构(密度~1g/ml)包裹了一定量的核酸(密度1.4~1.7g/ml)及蛋白(密度1.2~1.4g/ml)，导致其平均密度区间为1.13~1.19g/ml左右(实测值)。通过铺设不同的介质液分层，例如通过不同浓度的OptiPrep/蔗糖/TE Buffer，我们就可以人为的仅把符合此密度区间的颗粒给筛选出来。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/d813137b-fb44-4826-b814-626f12a8d2ec.jpg" title="3.png"//pp　　不同的胞外囊泡，拥有不同的大小和密度分布区间，这类物理属性是我们在研究生物颗粒时最直观也是最准确的表观参数。超速离心法，正式通过大小和密度两个不同的维度，根据实验的需要，一步步地把我们所要重点研究的外泌体颗粒，从纷繁复杂的体液环境中、从不同的胞外囊泡中分离、富集和纯化下来。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/4f8ecfd3-926d-4a24-9385-f9f77097ef19.jpg" title="3.jpg"//pp　　下一期，我们将进一步对比分析其他基于试剂盒或其他实验原理的外泌体分离纯化方法，从中找出最适合我们不同实验所需的实验方案，以及超速离心为什么始终被认为是金标准的原因，敬请期待！/p

检测润滑油的粘度时，合适的检测温度是多少度？应该是40度还是100度？”粘度是润滑油最重要的指标，润滑油是否适宜使用，首先就要看粘度是否处在要求的范围。粘度不合适，那么润滑油就不宜使用，因此粘度是润滑油常见的检测项目。在检测粘度时，一般有运动粘度或者绝对粘度两种检测，其中尤以运动粘度居多。1，粘度检测为什么要确定温度？要检测润滑油的粘度，我们都是选定一个温度，在该温度下进行测量，因为粘度会随着温度变化而变化。同一种润滑油，在不同温度下测出的粘度是不一样的。当温度升高，润滑油会变稀，粘度减小。当温度降低，润滑油的粘度增大，油变稠。2，检测粘度，40度还是100度？目前，润滑油一般是在40℃或者100℃测量粘度，具体在40℃还是100℃，要看具体情况，并不是随意测定。关于粘度的测定温度，要接近于设备运转的温度。一般来说，工业润滑油在40℃时检测粘度，因为工业设备的运转温度比较接近这个范围。另外，润滑油的粘度变化在低温时相对更显著，因此，如果想检测一些异常因素引起的粘度变化，例如润滑油里进水、混入燃油、氧化引起的粘度变化等等，在40℃低温下相对更容易检测出来。但是，有些设备的运转温度相对较高，为了让检测温度接近使用温度，我们应当在高温下检测粘度，例如汽车发动机，一般是在100℃检测粘度。3，计算润滑油的粘度指数有些设备在运转中可能经历较大的温度变化，对于这种情况，我们需要测量一个高温粘度和一个低温粘度。例如多级油用于温度变化较大的润滑场合，多级油就是在两个温度分别测定粘度，一个高温粘度，一个低温粘度。通过这两个粘度，我们可以计算出润滑油的粘度指数。对于运转中温度变化较大的情况，润滑油的粘度指数是一项很重要的指标。粘度指数高，说明润滑油在温度变化中，粘度相对更为稳定。总结总之，在检测润滑油的粘度时，要弄清楚这几个问题：设备正常运行时的温度。设备运转中，是否会出现较大的温度波动（大于20-30℃）?如果要和其它的油样进行粘度对比，测定条件（包括温度）应当保持一致。