高空间分辨成像系统下的实验力学检测方法和技术研究

论文摘要

随着微纳米科学与技术研究的迅猛发展,对于微尺度实验力学的研究也提到议事日程。本文基于不同的高空间分辨成像系统,研究了具有微纳米分辨水平的新的实验力学检测方法和技术。首先在检测方法和技术方面主要做了如下三个方面的工作:一、微区域变形的微纳米压痕标记检测方法。这一方法在数字化显微系统下,完成微区域点阵变形检测,从而实现了微区域小变形测量。在该方法中,还研究了微标记点的信息提取与表征方法,讨论了微标记法在薄膜材料性能检测中的可行性及其检测性能;二、微尺度全场光学检测技术和方法研究。在这一研究中,设计并建立起一套基于Linnik 显微结构的散斑微干涉系统,研究了系统的光学性能和基于该系统的微尺度全场光学计量方法,并对其在微尺度试件的检测性能和应用做了全面研究。这一研究将ESPI 的应用下限从几十微米扩展到了数微米特征尺度的范围。最后这一研究还将TSPI 应用纳入到了微尺度对象的检测领域;三、在SEM 环境下,研究了基于晶粒尺度的多晶材料变形和演化检测方法。通过数字图像处理与识别技术,对晶粒结构的晶界进行识别,提取其变形信息,得到了晶粒间的变形场分布。在研究了以上三个微尺度实验检测方法与技术的基础上,又分别进行了三个方面的应用研究:一、采用微标记阵列检测方法研究了薄膜的微区域变形,探讨了微压痕阵列标记法在10μm 到50μm 范围不同厚度镍膜上的检测性能。通过应用微细电火花技术在20μm 厚的镍膜上预制了微孔洞初始缺陷,然后再应用阵列微压痕标记方法,获得了微孔洞缺陷邻域的变形分布;二、基于所建立Linnik 微干涉系统,应用ESPI 和TSPI 方法,对不同尺度的Cu 和NiFe 薄膜微桥试件进行了检测,并采用了三种不同的理论模型对微桥变形进行了研究;三、基于晶粒尺度,对硬铝的变形演化进行了检测。在SEM 环境下,对硬铝材料进行单向拉伸,获得了拉伸过程中晶粒间的变形演化信息。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 本论文的主要研究工作
• 第二章 高空间分辨系统下的实验检测方法
• 2.1 高空间分辨率成像系统
• 2.1.1 光学显微系统
• 2.1.2 扫描电子显微系统
• 2.2 微尺度散斑干涉检测
• 2.2.1 显微电子散斑干涉术
• 2.2.2 微尺度时间序列检测方法
• 2.3 微尺度数字图像相关法
• 2.3.1 原理
• 2.3.2 相关算法
• 2.4 数字图像处理与识别
• 2.4.1 图像预处理
• 2.4.2 边缘检测技术
• 2.4.3 直线提取
• 2.5 高空间分辨率成像系统下的检测环境
• 2.5.1 微加载系统
• 2.5.2 微试件夹持
• 2.5.3 微试件加工
• 2.6 小结
• 第三章 薄膜微区域变形的微标记阵列检测方法研究
• 3.1 背景
• 3.2 薄膜微区域变形的微标记阵列检测
• 3.2.1 薄膜微标记阵列的制作
• 3.2.2 薄膜微区域变形检测系统
• 3.2.3 数字显微系统的标定
• 3.2.4 微孔洞初始缺陷的制作
• 3.3 压痕阵列图像处理
• 3.4 薄膜微区域变形分析
• 3.4.1 无缺陷镍膜变形测量
• 3.4.2 微孔洞缺陷邻域变形场的阵列微压痕标记检测
• 3.5 微标记阵列方法在微区域变形检测中的性能分析
• 3.6 小结
• 第四章 微尺度全场光学检测技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 微光学干涉系统
• 4.3 基于Linnik系统的微尺度光学干涉系统
• 4.3.1 Linnik微干涉光路系统设计
• 4.3.2 Linnik微干涉系统性能研究
• 4.3.3 微光学干涉数字图像采集系统
• 4.4 微加载检测系统
• 4.5 全场检测方法
• 4.5.1 镜面干涉
• 4.5.2 电子散斑干涉
• 4.5.3 相移散斑干涉
• 4.5.4 时间序列散斑干涉
• 4.6 微尺度全场变形检测
• 4.6.1 微悬臂梁的变形分析
• 4.6.2 金属薄膜的力学性能分析
• 4.6.2.1 Cu薄膜微桥的变形检测
• 4.6.2.2 NiFe薄膜微桥的变形检测
• 4.7 微尺度检测中的结果分析
• 4.8 小结
• 第五章 基于晶粒尺度的多晶材料变形演化检测方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于晶粒尺度检测原理
• 5.3 具有可视试件的制备
• 5.4 实验检测系统与实验过程
• 5.5 序列运动与变形晶粒图像的分析和处理
• 5.6 实验结果与分析
• 5.7 小结
• 全文结论
• 参考文献
• 致谢、声明
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文