微米至亞微米尺度動態力學性能檢測技術及系統研究

《微米至亞微米尺度動態力學性能檢測技術及系統研究》是依託清華大學，由李喜德擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微米至亞微米尺度動態力學性能檢測技術及系統研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：李喜德
• 項目類別：面上項目

項目摘要

微米至納米尺度材料和結構的動態力學性能是目前MEMS/NEMS超靈敏感測與操縱、生物材料與細胞探測、微納米加工與製造、微納米潤滑與摩擦等領域關注的重要議題，也是微納米實驗力學新的研究方向。課題首先在微米尺度，發展基於空間和時間分辨光學和圖像技術的動態力學性能測量方法和系統，解決微小尺度對象在動態測量中所面對的高速運動、大景深、嚴苛環境參數控制等測量問題，然後研究微米尺度下時間序列分析、低相干頻閃，以及干涉顯微都卜勒等動態微納米實驗力學檢測技術和方法；其次，在超越光學衍射極限，即亞微米至數十納米範圍，研究基於掃描顯微平台的圖像輪廓和標記線展寬動態變形測量技術、像襯對比時變測量方法和光譜分析技術等。最後，基於研究的檢測技術和系統，完成懸臂敏感的納米材料動態力學性能檢測，及近表面相互作用、微米石墨層超潤滑性能檢測，進而對環境參數、邊界夾持、范德華等因素在動態測量中所引入的耦合效應與非線性進行研究

結題摘要

微米至納米尺度材料和結構的動態力學性能是目前MEMS/NEMS超靈敏感測與操縱、生物材 料與細胞探測、微納米加工與製造、微納米潤滑與摩擦等領域關注的重要議題，也是微納 米實驗力學新的研究方向。項目在如下領域缺的重要進展：1、研發了一套基於光學顯微系統的微米力學測量系統。它是一台多尺度、適用於光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡的微納米力學測量系統，可實現從毫米-到微米特徵尺度材料的動靜態力學性能測量。2、研製了一套干涉都卜勒動態位移測量系統，可以實現50pm位移靈敏度、200kHz 動態採集速度。3、系統地研究了音叉探針的動力學性能，提出了音叉探針和介觀距離表面相互作用的測量方法，揭示了音叉探針在低階和高階模態不同的測量特性。4、提出了掃描模式下基於運動方程、掃描方程和強度不變的運動時變對象的成像機制，給出了代數、插值和兩者混合的掃描畸變圖像恢復和重建算法，完成了勻速運動、變形和振動對象的SEM圖像恢復與運動和變形參數的反演。5、圍繞小尺度動態測量方法和測量系統，課題開展了豐富的套用研究，其中在跨尺度微納米力學性能測量方面，完成了跨尺度細菌單絲/束、超長碳納米管/束的動靜態力學性能測量，首次揭示了枯草芽孢桿菌纖維單絲的長度效應，以及單絲纖維強度的隔膜及濕度調控特性。在超長碳納米管/束的拉伸強度研究中，直接測量了長細比超過十萬的超長碳納米管/束的力學性能，獲得了低速拉伸時管間、層間界面相互作用力及單管和管束的拉伸性能，發現了制約超長碳納米管束拉伸強度的初始應力機制(Daniels效應)，提出了增強超長碳納米管束拉伸強度的同步拉緊-鬆弛策略，使其拉伸強度達80GPa。通過將光學顯微技術和微納米操縱系統相結合，建立了微米級超潤滑測量平台，首次實現了石墨層間解離能的直接測量，該研究為層狀材料界面能的測量提供了新的方法和平台。提出了彎曲劈裂法多層薄膜間界面能的測量方法，該研究為多層薄膜的界面強度測量提供了新方法；提出了離散圓切法，可實現不同層面內非均勻應力場分析。