AFM原位拉伸试验装置研制及试验研究

论文摘要

随着现代科学技术的发展,纳米复合材料、薄膜材料等在信息、光学、微电子、微制造和国家安全等领域有着广泛的应用前景,目前,已成为人们十分感兴趣的研究热点。纳米复合材料、薄膜材料由于其尺寸较小甚至为纳米级尺度,它们的微观特性与其宏观力学性能相比有着本质的区别。随着显微镜技术的发展,尤其是原子力显微镜(AFM)的诞生,使人们能够更直观的观察材料的微观形貌。经研究发现,材料的微观结构和其宏观力学行为有着十分密切的联系。然而,依靠目前的试验手段,很难同时获得材料的力学性能及其对应的微观形貌。针对上述存在问题,本文研制了一套基于原子力显微镜的原位拉伸试验装置,并利用此设备对材料的微观力学性能及其微观形貌进行了研究。具体研究内容如下:首先,设计了一套AFM原位拉伸试验装置,该装置包括拉伸力的测量装置和位移检测装置。其次,对AFM原位拉伸试验装置的电气控制系统及软件控制系统分别进行了设计。电气控制系统主要是由一套基于AFM原位拉伸试验系统的控制箱组成。软件控制系统主要采用VC进行编程,实现试样增量拉伸和数据采集的功能,从而实现对材料试样力学性能的测试。最后,通过对金属微粒(MP)磁带的拉伸试验,将其所得结论与相关资料进行对比研究。试验结果和数据分析表明,AFM原位拉伸试验装置能够测定材料的宏观力学行为,同时可以用AFM对材料试样拉伸过程的微观形貌进行研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 AFM 原位拉伸装置的研究现状
• 1.2.1 传统拉伸试验装置的研究现状
• 1.2.2 检测材料微观形貌的方法
• 1.2.3 AFM 原位拉伸试验装置的研究现状
• 1.3 本课题研究内容
• 第2章 试验装置的设计
• 2.1 引言
• 2.2 AFM 原位拉伸试验装置的设计
• 2.2.1 双向微动工作台
• 2.2.2 位移检测装置
• 2.2.3 力测量装置
• 2.2.4 试样支撑架
• 2.3 本章小结
• 第3章 电气系统的设计
• 3.1 引言
• 3.2 控制电路的设计
• 3.2.1 总体结构方案选择
• 3.2.2 设计原理
• 3.2.3 单片机控制器总体结构设计
• 3.2.4 单片机主控制模块
• 3.2.5 前置放大模块
• 3.2.6 A/D 转换模块
• 3.2.7 电机驱动模块
• 3.2.8 光栅信号的读取
• 3.3 控制器的软件设计
• 3.3.1 软件设计思想
• 3.3.2 上位机和下位机程序的设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 拉伸试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 标定
• 4.2.1 扫描质量的验证
• 4.2.2 力的标定
• 4.3 试样选择
• 4.4 试验方法
• 4.5 试验分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 力的标定
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢