微纳米材料的机械特性测试技术

1、微纳米材料的机械特性测试技术周峰 李冠华 张向祺 舒畅 贾蕴龙2006年11月22日2006年测试技术前沿研讨会微纳米材料：尺度10-910-6m的材料机械特性：杨氏模量、泊松比、断裂/屈服强度、硬度测量方法 拉伸法direct tension testing 弯曲梁法beam-bending testing 扭曲法torsion testing 纳米压入/划痕法nano-indentation testing 鼓膜法membrane-bulge testing 共振法frequency-response testing判断前沿方向的依据主要英文文献数据库的相关检索结果检索数据库Elsevie

2、r ScienceDirectElsevier （爱思唯尔，荷兰）出版集团是全球最大的科技与医学文献出版发行商之一，已有180多年的历史。 ScienceDirect系统是 Elsevier公司的核心产品，提供电子出版物全文的在线服务，包括Elsevier出版集团所属的2200多种同行评议期刊，涉及四大学科领域：物理学与工程、生命科学、健康科学、社会科学与人文科学，数据库收录全文文章总数已超过783 万篇。检索词示例(tension OR tensile) AND (testing OR test OR method OR methodology) AND (micro* OR mems OR

3、 nano* OR film OR membrane) AND (mechanical OR Youngs OR elastic OR modulus OR Poisson OR fracture)纳米压入法近年来文章数趋势图资料来源：Elsevier数据库各种测试方法相关文章分布图1989年以前 1990-1999年 2000-2003年 2004年至今 图中数字表示文章篇数图中数字表示文章篇数拉伸法(1071篇)弯曲梁法(420篇)纳米压入法(1063篇)扭曲法(60篇)共振法(98篇)鼓膜法(2篇)资料来源：Elsevier数据库纳米压入法纳米压入法共振频率法共振频率法拉伸实验拉伸实验的

4、优点可直接获得弹性模量等参数对微尺度拉伸试样，传统的拉伸测试设备不再能够满足要求三种发展趋势 沿用传统单轴拉伸的方法，适当改进 转化拉伸方法 集成拉伸方法传统拉伸方法实验装置主要组成：驱动器、力传感器、位移传感器、机械框架、夹具。重点 驱动方式 载荷测量 位移测量 机械框架 试样的制作、对中和夹持传统拉伸方法驱动方式 马达驱动 压电驱动 电磁驱动 温诗铸课题组的使用载流线圈驱动磁铁运动的动磁驱动拉伸实验装置传统拉伸方法载荷测量对于马达和压电驱动方式，载荷大小需要力传感器测量对于电磁驱动，一种较巧妙的方法：载荷大小用电磁力平衡式称重传感器测量。当加上或卸除载荷时，称盘位置发生变化，从而带动线圈移

5、动，位移传感器将此位置改变转化为电信号，经PID调节器、放大器后，以电流形式反馈到线圈中，使电磁力与被称物体的重力相平衡，称盘恢复到接近原来的平衡为止。反馈电流与被称物体的重量成正比关系。传统拉伸方法位移测量双视场标记法光纤法平板电容法电子散斑干涉法传统拉伸方法机械框架对于直接测量试样有效标距内的位移的情况，采用非接触式光学测量方法，不需要考虑测量系统（力传感器和夹具）的刚度和柔度，但结构相对复杂另一种是沿用传统思想，位移传感装在力传感器的尾部，位移和力传感器耦合在一个框架内。操作简单，但系统的刚度和柔度需事先标定，位移测量结果应扣除夹具和力传感器的位移。详情请参考网站传统拉伸方法试样试样制作

6、试样的特征尺寸在微米量级，加工时应注意： 应将试样制作在保护性框架内或基底上，避免试样在安装时被损坏 试样被夹具夹持的面积应远大于试样的横截面积，便于夹具夹持试样对中试样需要在光学显微镜下装配，靠显微镜视场中十字标记来对中试样夹持 最具有挑战性的环节。微小偏差将会导致大的扭曲应变且容易损坏试样。夹持方法： 胶粘固定方式 机械夹持方式 静电夹持方式静电夹持胶粘夹持机械夹持实验结果和方法总结一览转换拉伸法集成拉伸法研究单位、相关期刊、会议精仪系摩擦学实验室Meas. Sci. Technol.Applied Physics LetterJournal of Materials ResearchMi

7、crosystem Technologies仪器仪表学报机械强度现代科学仪器International Conference on Solid-State Sensors and Actuators 全国微米/纳米技术学术会议纳米压入法纳米压入法共振频率法共振频率法硬度的定义与测量方法硬度通常被定义为压入载荷与压痕投影面积的比值 宏观硬度(macrohardness) 微观硬度(microhardness) 纳米硬度(nanohardness)测量方法 压入法 布氏、洛氏、维氏、显微硬度等 刻划法纳米压痕(nano indentation)原子力显微镜（Atomic Force Microsc

8、ope, AFM）一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，探针轻微地接触样品表面时，探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。纳米硬度计：最小压入载荷为1uN力分辨率可达50nN 位移分辨率0.3nm以上。载荷位移曲线：Ph纳米压痕实验结果纳米压痕的应用微机电系统(MEMS)生物工程特殊材料研究摩擦学性能研究信息技术纳米压痕的前沿薄膜/基体组合体系中基体对薄膜力学性能的影响材料表面及浅表层物理性能的影响材料硬度及压痕的影响 研究单位美国MTS系统公司美国Hysitro

9、n公司瑞士的CSEM公司英国的MicroMaterials公司美国先进测量实验室（Advanced Measurement Laboratory，AML）清华大学精仪系摩擦学实验室 中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室相关期刊、会议和网站Microsystem TechnologyMaterials Science and EngineeringInternational Journal of PlasticityInternational Journal of Pressure Vessels and PipingInternational Journal of FatigueJou

10、rnal of Materials Processing TechnologyScripta Materialia国际先进材料学术会议 国际疲劳大会 表面工程国际会议 全国微米/纳米技术学术会议www.micromaterials.co.uk （国家纳米科学中心）共振频率法共振频率法共振法测杨氏模量 1979年Peterson和Guarnieri首先提出用共振法测悬臂梁材料杨氏模量 原理：利用各种不同方式激励器件，使其产生振动，通过测量器件的共振频率，间接计算出材料的杨氏模量 主要用共振法测杨氏模量，也有用于测残余应力和疲劳的，激励方式主要有静电激励，声波激励和光激励。 共振法测杨氏模量 计算

11、公式 L和h分别是悬臂梁的长度和厚度； E是弹性模量；是材料密度； 优点：使用简单，器件便于夹持测量速度快，便于在线测量。 缺点：可测量的弹性模量范围有限，实验结果误差较大。测量实例镀金薄膜的机械特性测量 Measurement of the mechanical properties of electroplated gold thin films using micromachined beam structures, Chang-Wook Baeka, Yong-Kweon Kima, Yoomin Ahnb, etc. Seoul National University, Sensor

12、s and Actuators A 117 (2005) 1727释放的梁通过加一个直流偏压和一个小的交流激励电压进行静电激励，用一个测位移的激光器来测梁的振幅，位移信号反馈到HP35670A信号分析仪。位移信号和激励信号的振幅比通过信号分析仪计算，得到含有振幅和相位信息的频率响应曲线。频率响应曲线中最大振幅点确定了共振频率。研究单位和人员、相关期刊、会议和网站清华大学精仪系叶雄英教授等清华大学自动化系顾利忠副教授等Journal of Applied PhysicsJournal of MicroelectromechanicalSystemsJournal of Micromechanics and MicroengineeringSensors