纳米材料拉伸装置的设计及定量化分析

《纳米材料拉伸装置的设计及定量化分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、2015年8月北京航空航天大学学报August2015第4l卷第8期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．8http：∥bhxb．buaa．edu．1213jbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0608纳米材料拉伸装置的设计及定量化分析岳永海+，龚琦花，范玉尊，康建新，赵赫威，张东凤(北京航空航天大学化学与环境学院，北京100191)摘要：以压电陶瓷为主体设

2、计了一种用于单体纳米材料原位拉伸变形实验的装置，为了实现力学性能的定量化测量，在该装置中加装了用于测量力的悬臂梁针尖，通过悬臂梁针尖的变形可实现纳米材料力学性能测试中的定量化性能测试．利用该自主设计的纳米材料拉伸仪，以利用热蒸发法制备的非晶氧化硅纳米线为实例，在光学显微镜和扫描电子显微镜下进行了原位力学性能测试实验．实验结果显示：该原位纳米材料拉伸装置可以有效地实现纳米材料的拉伸变形操作，同时对施加在材料样品本身上的力学信号给出定量化的结果．关键词：压电陶瓷；悬臂梁；原位测试；定量化结果；力学性能中图分类

3、号：0344．3；THll2文献标识码：A文章编号：1001-5965(2015)08—1430-05近年来，随着科学技术的不断发展，低维纳米材料(纳米线、纳米带、纳米薄膜及纳米棒等)由于具有优异的力、热、光和电等性能¨⋯，越来越受到人们的关注．但是由于尺寸的限制，使得研究者不能像操作宏观材料一样操作低维纳米材料．因此，对于低维材料在应力状态下相关性能的研究还处于相对落后的阶段，这严重限制了纳米尺度应变物理学的发展．随着计算机技术的发展，人们已经可以通过构建模型来实现对材料性能的有效模拟¨{o．但是由于分

4、子动力学模拟的实验条件与实际材料变形过程中的实验条件相差甚远，比如高应变速率和高应力状态等，有时分子动力学模拟可能给出错误信息，从而对人们正确理解材料的力学性能产生误导．目前，针对低维纳米材料力学性能的研究，有很多公司厂家推出了相应的仪器进行此类研究，如美国Hysitron公司生产的在扫描电镜下应用的PI-85型纳米力学测试系统以及在透射电镜下应用的PI-95型纳米力学测试系统，都是针对低维纳米材料力学性能的研究而推出的．但是，此类仪器非常昂贵，都在几十万美金以上，这大大限制了此类仪器的推广和使用．因此，

5、发展价格低廉、简单易行的测试低维材料在应力状态下性能的实验方法就显得尤为重要，这不仅可以有效节约研究成本，而且可以打破国际上各大生产厂商在此类实验方法上的技术垄断，为中国低维材料在应力作用下的服役及可靠性研究提供可靠的技术支持，也将为人们勾勒微纳尺度的应变物理图像提供重要的科学依据．针对目前单体纳米材料力学性能研究器件匮乏的现状，本文提出并制作了一种基于压电陶瓷柱的单体纳米材料拉伸装置，并在其中加装了悬臂梁，用以定量化测量施加在样品上的力学信号，同时将该装置耦合在光学显微镜或者扫描电镜中，可以实现原位力学

6、性能测试，结合定量化的力收稿日期：2014．10-09；录用日期：2014-12-04；网络出版时间：2015-02—1117：29网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150211．1729．002．html基金项目：国家自然科学基金(51301011)；教育部博士点基金(20131102120053)；北京航空航天大学基础科研业务费专项资金(YwF-14-HHXY-013(30376201)，YwF-13-T—RSC-097(303007)，30417

7、001)+通讯作者：岳永海(1981～)，男，山东淄博人，讲师，yueyonghai@buaa．edu．ca，主要研究方向为原位电子显微学、纳米力学及微纳结构表征．引用格式：岳承海，龚琦花，范玉尊，等．纳米材料拉伸装置的设计及定量化分析fJJ．北京航空航天大学学报，2015，41佃)：1430-1434．YueYtt．GongQH，FanYz，eta1．Designoftensiledeviceofnanomaterialsandquantitativeanalysis[J1．JournalofBei—r

8、ingUniversityofAeronauticsandAstronautics。2015，41f8)：1430—1434(inChinese)．第8期岳永海，等：纳米材料拉伸装置的设计及定量化分析1431学信号给出纳米材料力学性能的物理图像1纳米材料拉伸装置的设计1．1设计方案压电陶瓷作为精密位移器件的主要原理是通过对其加载电压，可以实现轴线方向上的膨胀或收缩，精度可以利用稳压电源的电压加载步长控制到纳米尺度，因此被广泛地