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微拉伸系统设计及其在薄膜与纤维材料力学检测中的应用

微拉伸系统设计及其在薄膜与纤维材料力学检测中的应用

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作者：吴文旺清华大学

学位级别：硕士

在科学研究和工业应用领域中,一些结构和器件的尺寸越来越小,对这些微小结构和器件力学性能的精确检测和分析对研究其稳定性和可靠性至关重要。本文结合微尺度对象在显微系统中的成像和视场特点,建立了一套单轴双向拉伸模式的微拉伸测... 详细信息

在科学研究和工业应用领域中,一些结构和器件的尺寸越来越小,对这些微小结构和器件力学性能的精确检测和分析对研究其稳定性和可靠性至关重要。本文结合微尺度对象在显微系统中的成像和视场特点,建立了一套单轴双向拉伸模式的微拉伸测量系统,用以实现微尺度材料和结构的力学性能检测。装置由主体支撑部分,压电双向驱动部分,微力检测传感器以及试件加载平台四部分组成,能在位移控制模式下(最小65nm)连续原位检测微区域的变形。同时,针对微尺度检测中的微试件加载、夹持、对中,检测视场的稳定以及被检测微区域越出视场等问题均进行了针对性设计。检测中,微力(30N-3mN;0.12N-7.8μN)和序列变形图像(视频速度)可同时测量,全场位移和变形则通过序列图像分析获得。检测对象可适用于薄膜和纤维等多种材料和结构。基于所研制的检测平台,分别在光学显微系统下对两种不同薄膜材料和竹纤维材料的力学性能进行了研究,涉及内容为:(1)采用机械抛光和电化学腐蚀相结合的方式制备出晶粒可视化多晶铝薄膜微试件,在光学显微成像系统下进行单轴微拉伸实验,获得了基于晶粒尺度的薄膜材料变形场和相关的力学参数,探讨多晶铝薄膜的力学行为与其微区域内变形演化过程的关系,并采用晶界特征结构-晶内特征点相结合的数字拟合方法实现了晶粒尺度的变形场计算;(2)在光学显微成像系统下对纳米孔隙金膜试件进行检测,首次得到纳米孔隙金膜材料在单向拉伸检测时的弹性模量、屈服强度和断裂强度等力学参数,并在数微米量级晶粒尺度上对该材料在宏观尺度为脆性断裂而在微观尺度为韧性断裂的机理进行了讨论;(3)研究了楠竹高度优化的宏微观分级结构,通过纤维制备工艺提取了楠竹不同分级结构并分别对其进行了检测和分析。论文结合分级结构、组成材料和检测的模量、断裂强度等力学参数,讨论了楠竹材料所具有的功能梯度效应以及生长形成的结构抵抗外载的能力。在这一研究中,用开发的微拉伸装置直接测量了竹子原纤维(微细纤维)的力学常数(弹性模量、断裂强度、应力-应变关系),这在以往的研究中很少看到。

关键词：微拉伸多晶铝膜纳米孔隙金膜竹原纤维

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