基于纳米压痕仪的薄膜力学性能纳米测试与表征研究

论文题目: 基于纳米压痕仪的薄膜力学性能纳米测试与表征研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 固体力学

作者: 张振宇

导师: 李鸿琦

关键词: 骨质抗菌陶瓷膜,纳米力学,纳米拉伸,纳米压缩

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 纳米科技包括三个研究领域:纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。本研究是对纳米材料进行纳米力学的纳米测试与纳米表征研究,属于基础研究和应用基础研究范畴。本文对骨质抗菌陶瓷膜进行了纳米压痕和纳米划痕实验研究。通过纳米压痕实验发现纳米硬度和弹性模量均具有明显的尺寸效应:稀土复合磷酸盐含量为5%的陶瓷膜硬度与最大压痕深度接近线性变化,而含量为3%的则先增大后减小;对于3%稀土含量的陶瓷膜,当hf / hmax <0.7时,在不同载荷下的压痕呈现隆起状态,而5%的陶瓷膜则没有隆起状态;作用力小于8000μN两种陶瓷膜弹性模量相差不大,而高于8000μN时有很大差别。纳米划痕实验发现3%的陶瓷膜在微观呈现很明显的隆起塑性划痕,而5%的陶瓷膜则呈现凹陷的划痕,两种陶瓷膜的性质截然不同;而5%的陶瓷膜硬度和摩擦系数分别为3%的陶瓷膜硬度和摩擦系数的4倍和1/4左右。实验表明这两种陶瓷膜的硬度和摩擦系数有密切的关系,而弹性模量和摩擦系数的关系较弱。两种陶瓷膜均具有非常稳定的纳米摩擦学性能,基本不随刻划速度和最大载荷的变化而变化。这两种陶瓷膜不但具有优良的抗菌性能,而且具有很好的摩擦学性能和硬度,具有广阔的应用前景。对多纳米孔阳极氧化铝膜(AAO膜)进行了纳米压痕实验。测试结果表明,对于带基底AAO膜和通孔AAO膜,随着孔径的增大纳米硬度和弹性模量均增大;对于相同孔径的带基底AAO膜和通孔AAO膜,前者的硬度比后者大。造成这种现象的原因是带基底AAO膜的底部有一层很薄的阻挡层,使得AAO膜的底部不象顶部一样呈网状,而是一层实体膜,将这层膜去掉后,变成通孔AAO膜,它的纳米硬度降低。50、100nmAAO膜表面具有很小的粗糙度,其纳米硬度和弹性模量随载荷增加而非线性减小,而25nmAAO表面粗糙度较大,使得纳米压痕受表面粗糙度影响,纳米硬度和弹性模量均先减小后增大。由于纳米测试扫描成像检测的为纳牛级力或纳安级电流,所以不可避免地在测试骨质抗菌陶瓷膜时出现了图像的噪音污染问题。用小波变换对纳米测试扫描图像进行了处理,包括图像的降噪,增强和融合进行了研究。结果显示小波变化方法对AFM、STM和Nanoindenter原位扫描图像的处理均有比较满意的效果。在测试带较厚基底的骨质抗菌陶瓷时,AFM出现传动失效的问题,使仪器瘫痪。使用实体建模技术,进行故障诊断,设计出一种针对SPM的偏心升降装置和过载保护装置,作为SPM的附件使用,增强SPM的扫描能力。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 选题的意义

1.1.1 工业应用价值

1.1.2 科学研究价值

1.2 纳米测试技术的国内外研究现状

1.2.1 纳米压痕连续刚度测试技术国内外研究现状

1.2.2 实验技术

1.2.3 AFM和STM的原理和在纳米测试中的应用

1.3 薄膜纳米力学性能的纳米测试与表征存在的问题

1.4 本文的主要研究工作

第二章 薄膜力学性能的纳米测试与表征研究

2.1 骨质抗菌陶瓷膜的纳米力学性能实验

2.1.1 研究背景

2.1.2 样品的制备

2.1.3 普通陶瓷和骨质抗菌陶瓷膜的显微结构与纳米力学性能研究

2.1.4 含3%和5%稀土复合磷酸盐的骨质抗菌陶瓷膜的显微结构与纳米力学性能研究

2.2 纳米孔及基底对AAO膜纳米力学性能的研究

2.2.1 研究背景

2.2.2 实验

2.2.3 结果与讨论

2.3 小结

2.3.1 骨质抗菌陶瓷膜

2.3.2 AAO膜

第三章 纳米表征仪器的故障诊断及设计研究

3.1 STM和AFM的基本原理

3.2 基于CAD的实体建模技术

3.2.1 实体建模技术

3.2.2 Solidworks软件简介

3.3 CAD技术的显微镜失效分析

3.3.1 显微镜的机电传动失效分析

3.3.2 显微镜的机电装置工作原理

3.3.3 显微镜机电装置失效仿真及故障诊断

3.3.4 实验验证

3.3.5 改进方法

3.4 基于CAD技术的SPM的一种过载保护装置研究

3.4.1 过载保护装置的设计方法比较

3.4.2 过载保护装置的CAD设计

3.5 基于CAD的一种新型偏心升降装置研究

3.5.1 一种新型偏心升降装置的设计

3.5.2 使用CAM技术对装置进行仿真研究

3.6 小结

第四章 基于小波变换的纳米测试图像处理的研究

4.1 小波变换的基本原理

4.1.1 图像的多分辨分解与重构算法

4.2 小波变换在纳米测试图像处理中的应用

4.2.1 基于小波变换的Nanoindenter图像处理的研究

4.2.2 小波变换在STM图像处理中的应用

4.2.3 小波变换应用于其它科技工作者纳米测试图像处理的研究

4.3 小结

第五章 基于椭圆柔性铰链的纳米加载仪器的优化设计及力学分析

5.1 椭圆柔性铰链线挠度和转动刚度的推导

5.1.1 椭圆柔性铰链转动刚度的推导

5.1.2 椭圆柔性铰链沿Y轴方向的转动刚度

5.1.3 椭圆柔性铰链沿X轴方向的挠度

5.1.4 有限元分析

5.2 平行四杆和八杆机构的理论分析

5.2.1 单柔性平行四杆结构位移分析及力学模型

5.2.2 双柔性平行四杆机构(八杆结构)的位移分析与力学模型

5.3 纳米加载仪器的设计及其力学性能分析

5.3.1 双柔性平行四杆结构

5.3.2 平行两杆结构纳米加载仪器

5.3.3 平板纳米加载仪器

5.3.4 平板纳米拉伸仪器

5.3.5 微型纳米拉伸仪

5.3.6 四个椭圆柔性铰链纳米拉伸仪

5.4 小结

第六章 纳米拉伸/压缩仪器的研制及其实验研究

6.1 压电陶瓷简介

6.2 纳米加载仪器的研制

6.3 纳米加载仪器的设计及其实验研究

6.3.1 实验样品

6.3.2 纳米压缩仪器

6.3.3 纳米拉伸仪器

6.4 小结

第七章 纳米测试定位平台的设计及其有限元模拟

7.1 纳米定位平台的理论分析

7.1.1 纳米定位平台的运动分析

7.1.2 基于并联微动机构6-PUU所设计的纳米定位平台性能分析

7.2 纳米测试定位平台的设计及其有限元模拟

7.3 小结

第八章 总结与展望

8.1 总结

8.2 不足与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢

发布时间: 2006-05-24

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