微拉伸系统设计及其在薄膜与纤维材料力学检测中的应用

论文摘要

在科学研究和工业应用领域中,一些结构和器件的尺寸越来越小,对这些微小结构和器件力学性能的精确检测和分析对研究其稳定性和可靠性至关重要。本文结合微尺度对象在显微系统中的成像和视场特点,建立了一套单轴双向拉伸模式的微拉伸测量系统,用以实现微尺度材料和结构的力学性能检测。装置由主体支撑部分,压电双向驱动部分,微力检测传感器以及试件加载平台四部分组成,能在位移控制模式下（最小65nm）连续原位检测微区域的变形。同时,针对微尺度检测中的微试件加载、夹持、对中,检测视场的稳定以及被检测微区域越出视场等问题均进行了针对性设计。检测中,微力（30N-3mN;0.12N-7.8μN）和序列变形图像（视频速度）可同时测量,全场位移和变形则通过序列图像分析获得。检测对象可适用于薄膜和纤维等多种材料和结构。基于所研制的检测平台,分别在光学显微系统下对两种不同薄膜材料和竹纤维材料的力学性能进行了研究,涉及内容为:（1）采用机械抛光和电化学腐蚀相结合的方式制备出晶粒可视化多晶铝薄膜微试件,在光学显微成像系统下进行单轴微拉伸实验,获得了基于晶粒尺度的薄膜材料变形场和相关的力学参数,探讨多晶铝薄膜的力学行为与其微区域内变形演化过程的关系,并采用晶界特征结构-晶内特征点相结合的数字拟合方法实现了晶粒尺度的变形场计算;（2）在光学显微成像系统下对纳米孔隙金膜试件进行检测,首次得到纳米孔隙金膜材料在单向拉伸检测时的弹性模量、屈服强度和断裂强度等力学参数,并在数微米量级晶粒尺度上对该材料在宏观尺度为脆性断裂而在微观尺度为韧性断裂的机理进行了讨论;（3）研究了楠竹高度优化的宏微观分级结构,通过纤维制备工艺提取了楠竹不同分级结构并分别对其进行了检测和分析。论文结合分级结构、组成材料和检测的模量、断裂强度等力学参数,讨论了楠竹材料所具有的功能梯度效应以及生长形成的结构抵抗外载的能力。在这一研究中,用开发的微拉伸装置直接测量了竹子原纤维（微细纤维）的力学常数（弹性模量、断裂强度、应力-应变关系）,这在以往的研究中很少看到。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 微尺度下的力学性能测试及变形检测方法
• 1.2.1 微尺度条件下的力学性能检测方法
• 1.2.2 材料表面微结构形貌检测技术及应用
• 1.2.3 相关的研究进展
• 1.3 本文工作
• 第2章 单轴双向微拉伸实验装置的设计
• 2.1 单轴拉伸实验技术
• 2.1.1 单轴微拉伸实验技术简介
• 2.1.2 典型的成套拉伸装置
• 2.2 单轴双向微拉伸系统的设计
• 2.2.1 单轴双向微拉伸装置的设计
• 2.2.2 力传感器标定
• 2.2.3 微拉伸实验系统的工作原理
• 2.2.4 装置的优点
• 2.3 本章总结
• 第3章 光学显微镜系统下的薄膜微拉伸实验
• 3.1 多晶体变形研究状况
• 3.1.1 多晶体变形理论及实验研究现状
• 3.1.2 实验研究进展
• 3.2 多晶体薄膜试件微拉伸实验
• 3.2.1 制备晶粒可视化多晶体试件
• 3.2.2 基于晶粒尺度的微裂纹扩展检测
• 3.2.3 多晶铝合金拉伸实验
• 3.3 多晶体变形场分析
• 3.4 纳米空隙金薄膜材料的单轴微拉伸检测
• 3.4.1 纳米空隙金薄膜材料的分级结构
• 3.4.2 纳米空隙金薄膜材料的单轴微拉伸实验
• 3.4.3 纳米金膜的微观裂纹分析
• 3.5 本章总结
• 第4章 楠竹的微观结构分析与力学性能检测
• 4.1 研究进展
• 4.1.1 竹子结构及强度研究
• 4.1.2 竹纤维研究进展
• 4.2 楠竹的结构特征与最优节长讨论
• 4.2.1 楠竹的微观结构特征
• 4.2.2 最优竹节长度讨论
• 4.3 竹原纤维的制备
• 4.4 竹材纵向切片的功能梯度实验
• 4.5 原纤维的单轴拉伸
• 4.6 本章总结
• 第5章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果