微納米尺度材料力學性能測量系統研究

《微納米尺度材料力學性能測量系統研究》是依託清華大學，由李喜德擔任項目負責人的專項基金項目。

基本介紹

• 中文名：微納米尺度材料力學性能測量系統研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：李喜德
• 項目類別：專項基金項目

項目摘要

微納尺度材料具有優越的力學性能被廣泛地用於新結構和器件中，但其力學性能和體材料有巨大的差別，這對結構和器件的設計以及可靠性評估造成極大困難。傳統的測量系統無法適應如此小尺寸的材料檢測，因此研發微尺度下材料力學性能測量系統成為基礎研究和工業套用的迫切課題。項目將研製一套跨數百微米到數十納米尺度的材料力學性能測量系統，具有拉、壓、彎曲、振動（疲勞）以及力電耦合等載入模式，在掃描電子顯微鏡中完成力學性能檢測，併兼顧原子力和光學顯微平台。檢測系統載荷範圍為500毫牛-100皮牛，靈敏度10皮牛；位移範圍為5納米-250微米，分辨5納米；試件測試區最大長度500微米。在此基礎上以納米線、低維薄膜、石墨烯等複合材料為對象，研究微納米尺度下材料強度及其變形機理；開展基體、夾雜及界面相等的跨尺度力學性能檢測，以驗證系統的可靠性和有效性；同時開展系統和試樣耦合相互作用研究，探討檢測系統在納尺度檢測中的影響。

結題摘要

微納米尺度材料具有優越的力學性能，但其和體材料有巨大的差別，這對器件的設計以及可靠性評估造成極大困難。傳統力學測量系統無法適小尺寸的材料檢測，因此研製微尺度材料力學性能測量系統成為基礎研究和工業套用的迫切課題。項目研製一套跨百微米到數十納米的材料力學性能測量系統，具有拉、壓、彎曲、以及振動等載入模式，在光學和掃描電子顯微鏡中完成力學性能檢測。檢測系統載荷範圍為500 毫牛-100 皮牛，位移為250微米-5納米，試件測試區最大長度500微米。在此基礎上以納米線、石墨烯等低維材料為對象，研究其其變形機理；開展對基底、異質材料及界面等的跨尺度力學性能檢測，微納米對象的夾持、載入與操縱等，以驗證系統的可靠性和有效性。 研究完成了項目任務書的內容，取得的主要創新成果了如下：1、研製了一套微納米力學測量系統m-MTS，它既具有傳統小尺度材料力學實驗機的功能，又兼具MEMS和微納米探針特點，是一台多尺度、跨觀察平台（光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、微拉曼光譜）的微納米力學測量系統。它將微納米力學檢測中涉及的測量範圍寬(力：N-nN、位移：100 微米-1nm，試件特徵尺寸：mm-10nm) 與精細測量（系統模組設計，粗細分級、MEMS片上模組，以及高精度位移場漂移和畸變修正等）融於同一實驗裝置中。2、m-MTS模式化設計使其有多種組合方式，可結合其它微納米平台、感測器、操縱單元實現多功能力學測量和操縱。3、m-MTS集成了由精密機械加工、MEMS製造、壓電陶瓷控制的小尺度、精密、弱信號光機電系統和裝置；開發了多種微力感測器，載入單元，控制、放大與噪聲擬制電子模組等。4、在套用研究方面，涉及微納米材料和器件的力學性能測量和微納米對象的夾持、操縱和定位。前者完成了多尺度細菌單絲/束、超長碳納米管、低維石墨烯界面與半導體異質材料的動靜態力學性能測量，發現了細菌單絲的長度效應和濕度在45%時的脆韌轉換現象，石墨烯與基底在界面變形傳遞過程中存在尺寸效應；建立了單晶矽體系任意晶面的拉曼-力學模型，提出了各晶向拉曼測量所對應的拉曼-應力關係。後者，首次測量了石墨層間解離能以及超長碳管束中管間界面相互作用力；建立了基於LDV和壓電敏感的剪下機制表面相互作用測量系統，實現了介觀距離相互作用的直接測量；發現了壓入載荷和接觸電阻曲線上的平台區域，提出了平台區兩線法接觸電阻的簡化檢測方法。