借助原子力显微镜(AFM)的纳米力学测试法,利用原子力显微镜探针的纳米操纵能力对一维纳米材料施加弯曲或拉伸载荷。施加弯曲载荷时,原子力显微镜探针作用在一维纳米悬臂梁结构高自山端國双固支结构的中心位置,弯曲挠度和载荷通过原子力显微镜探针悬曾梁的位移和悬臂梁的刚度获取,依据连续力学理论,由试样的载荷一挠度曲线获得其弹性模量、强度和韧性等力学性能参数。这种方法加载机理简单,相对拉伸法容易操作,缺点是原子力显微镜探针的尺寸与被测纳米试样相比较大,挠度较大时探针的滑动以及试样中心位置的对准精度严重影响测试精度3、借助微机电系统(MEMS)技术的片上纳米力学测试法基于 MEMS 的片上纳米力学测试法采用 MEMS 微加工工艺将微驱动单元、微传感单元或试样集成在同一芯片上,通过微驱动单元对试样施加载荷,微位移与微力检测单元检测试样变形与加载力,进面获取试样的力学性能。纳米力学测试可以应用于纳米材料的力学模拟和仿真,加速纳米材料的研发和应用过程。化工纳米力学测试方法
纳米硬度计主要由移动线圈、加载单元、金刚石压头和控制单元4部分组成。压头及其所在轴的运动由移动线圈控制,改变线圈电流的大小即可实现压头的轴向位移,带动压头垂直压向试件表面,在试件表面产生压力。移动线圈设计的关键在于既要满足较大量程的需要,还必须有很高的分辨率,以实现纳米级的位移和精确测量。压头载荷的测量和控制是通过应变仪来实现的。应变仪发出的信号再反馈到移动线圈上.如此可进行闭环控制,以实现限定载荷和压深痕实验。整个压入过程完全由微机自动控制进行。可在线测量位移与相应的载荷,并建立两者之间的关系压头大多为金刚石压头,常用的压头有Berkovich压头、Cube Corner压头和Conical压头。广东化工纳米力学测试应用解决方案之一:采用新型纳米材料,提高力学性能,拓宽应用范围。
纳米力学(Nanomechanics)是研究纳米范围物理系统的基本力学(弹性,热和动力过程)的一个分支。纳米力学为纳米技术提供科学基础。作为基础科学,纳米力学以经验原理(基本观察)为基础,包括:一般力学原理和物体变小而出现的一些特别原理。纳米力学(Nanomechanics)是研究纳米范围物理系统基本力学性质(弹性,热和动力过程)的纳米科学的一个分支。纳米力学为纳米技术提供了科学基础。纳米力学是经典力学,固态物理,统计力学,材料科学和量子化学等的交叉学科。
日本:S.Yoshida主持的Yoshida纳米机械项目主要进行以下二个方面的研究:⑴.利用改制的扫描隧道显微镜进行微形貌测量,已成功的应用于石墨表面和生物样本的纳米级测量;⑵.利用激光干涉仪测距,在激光干涉仪中其开发的双波长法限制了空气湍流造成的误差影响;其实验装置具有1n m的测量控制精度。日本国家计量研究所(NRLM)研制了一套由稳频塞曼激光光源、四光束偏振迈克尔干涉仪和数据分析电子系统组成的新型干涉仪,该所精密测量已涉及一些基本常数的决定这一类的研究,如硅晶格间距、磁通量等,其扫描微动系统主要采用基于柔性铰链机构的微动工作台。纳米力学测试对于材料科学研究至关重要,能够精确测量纳米尺度下的力学性质。
经过三十年的发展,目前科学家在AFM 基础上实现了多种测量和表征材料不同性能的应用模式。利用原子力显微镜,人们实现了对化学反应前后化学键变化的成像,研究了化学键的角对称性质以及分子的侧向刚度。Ternes 等测量了在材料表面移动单个原子所需要施加的作用力。各种不同的应用模式可以获得被测样品表面纳米尺度力、热、声、电、磁等各个方面的性能。基于AFM 的定量化纳米力学测试方法主要有力—距离曲线测试、扫描探针声学显微术和基于轻敲模式的动态多频技术。跨学科合作,推动纳米力学测试技术不断创新,满足多领域需求。化工纳米力学测试方法
纳米力学测试可以应用于纳米材料的研究和开发,以及纳米器件的设计和制造。化工纳米力学测试方法
应用举例:纳米纤维拉伸测试,纳米力学测试单轴拉伸测试是纳米纤维定量力学分析较常见的方法。用Pt-EBID将纳米纤维两端分别固定在FT-S微力传感探针和样品架上,拉伸直至断裂。从应力-应变曲线计算得到混合纳米纤维的平均屈服/极限拉伸强度为375MPa/706Mpa,金纳米纤维的平均屈服/极限拉伸强度为451MPa/741Mpa。对单根纳米纤维进行各种机械性能的定量测试需要通用性极高的仪器。这类设备必须能进行纳米机器人制样和力学测试。并且由于纳米纤维轴向形变(延长)小,高位移分辨率和优异的位置稳定性(位置漂移小)对于精确一定测量是至关重要的。化工纳米力学测试方法
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