单个一维微／纳米结构力学性能测试方法，教程.pptVIP

单个一维微／纳米结构力学性能测试方法 ＊测量单个微／纳米结构力学性能的方法 ＊纳米力学(nanomechanics)的定义与范畴 1)原位SEM或TEM共振法； 2)纳米压痕——压入法； 3)纳米压痕——悬臂梁法。 内 容 简 介  纳米力学(nanomechanics)的定义与范畴 纳米力学是纳米科学的重要组成部分。固体在纳米尺度下力学行为已成为物质科学的重要内容。 纳米力学包含了两层含义： ＊纳米尺度力学，即特征尺度为(1—100)nm之间的微细结构所涉及的力学问题； ＊纳观力学，即从纳米的尺度上展示的力学新观察。与细观力学不同(其适用的特征尺度约为100nm～100pm之间)， 纳米力学着力于探讨由成千上万原子组成的凝聚态物质所涌现的带有整体特征的力学为。本文仅涉及一维微纳米结构的力学性能测试方法 纳米力学的范畴从研究的手段上，可分为纳米计算力学、纳米实验力学和纳米力学理论． 纳米计算力学包括不同类型的数值模拟方法，如基于量子力学的计算方法、大规模分子动力学计算和跨层次计算。 纳米实验力学也有两层含义：一是对特征尺度为(1—100)nm之间的微细结构进行的实验力学研究；二是以纳米层次的分辨率来测量力学场。 纳米力学理论的框架可用两种方式来建立： 一是混合型或嵌套型，即将固态物质中较完整、缓时变的区域考虑为连续介质，而将缺陷密度高、快变化的区域用分子动力学来描述；二是兼容型，即考虑可兼容连续介质力学与分子动力学的描述框架． 今天的纳米力学与钱学森先生半个多世纪前首创的物理力学渊源相同，且共享多尺度力学的框架，以著者们之管见，暂且认为纳米力学更偏重于具有纳米结构特点的力学行为，而当今的物理力学更偏重于对力学行为物理本质的理解．纳米力学仍处于萌芽状态．本文主要介绍测量单个微／纳米结构力学性能的方法。主要有： 1)原位SEM或TEM共振法； 2)纳米压痕——压入法； 3)纳米压痕——悬臂梁法。 重点介绍如何利用悬臂梁法测量微纳米结构的硬度和弹性模量 共振法是使放在SEM或TEM中的单个微／纳米结构产生共振，从而得到样品力学性能的方法。 共振的产生可以通过热辐射或电场等激发其中，通过静电场产生共振是最简单的测量一维纳米结构力学性能的方法。 共振法对样品的几何形状无要求，样品的制备也很简单，只需要把样品放在载物台上，载物台只有几毫米，以便能放入SEM或TEM中。 共振法的局限性在于： 1)共振的振幅不能太大也不能太小，以便获得准确的值，这样就对样品的尺寸(如直径、长度等)有很大限制； 2)用共振法只能测量弹性模量，不能得到强度、韧性等力学性能。目前原位SEM已用于测量B纳米线、单根碳纳米管等的弹性模量。 原位SEM或TEM共振法 纳米压痕技术的引入 1975年美国物理学家,诺贝尔物理学奖金获得者费恩曼在其著名的演讲报告“There’s plenty of room at the bottom”中首次提出了微机械的概念 随着微电子技术和微系统的发展，许多微小结构得到了实际应用，同时材料在微小尺度下的力学性能也逐渐成为人们关注的对象，材料的微观力学性能研究也随之开展起来。 在微电子技术,微机械和纳米摩擦学应用中，微构件的几何尺寸一般在微米级，而薄膜的厚度则往往是纳米级。在载荷的作用下，这些微小构件常常会表现出与宏观条件下所不同的特性，因而引起了人们的极大关注。目前这一领域已成为科学前沿和研究热点。 纳米压痕技术由于具有无损,可以在很小的局部范围测试材料的力学性能等优点，近十年来在材料的微观力学性能研究方面得到了广泛的应用。 纳米压痕(Nanoindentation)试验原理 纳米压痕试验装置的组成 商品化的纳米压痕试验装置主要由以下三部分组成：一个特定形状的压头，它被固定在可以加载的刚性框架上；一个提供动力的制动器以及一个位移感应器。 纳米压痕—压入法 目前，各种商业应用的纳米压痕试验装置原理基本相同，他们的差别主要表现在加载的方式和位移的测量方式上，加载方式主要有电磁加载、静电加载和压电加载；位移测量主要采用电容传感器和LVDT(1inearly variable differential tra-nsformer)。位移传感器测量的位移包含了一起本身的变形，因此，必须对仪器的刚度进行仔细的校准，然后从测量的位移中减去仪器本身的变形量。许多纳米压痕试验试验装置都配备自动化样品台，因此，样品能被自动的定位，其定位精度一般为微米级。 纳米压痕试验装置的压头材料最常用的是金刚石，因为它的硬度高，压痕模量小，受力时自身位移变化小。其他材