[發明專利]基于碳納米管為傳感介質的應變分量無損檢測技術

無效

• 申請號: 200910067612.1
• 申請日: 2009-01-05
• 公開（公告）號: CN101477052A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發明（設計）人: 亢一瀾;仇巍;雷振坤
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司
• 代理人: 董一寧

技術領域

本發明屬于材料力學領域，具體涉及一種毫米至亞微米尺度下應變分量及其分布規律測量的技術。

背景技術

近年來隨著材料與信息領域科學技術的快速發展，有關宏觀與微觀尺度下材料的力學性能檢測與微小器件的可靠性分析已經成為多學科所共同關注的熱點領域。在這一領域中，實驗力學分析與性能檢測承擔著重要的工具作用，但是目前已有的應變測量技術已經難以滿足新的實驗檢測需求。例如：已有的電阻應變片測量技術的測點尺度大，貼片尺度至少在幾個毫米尺度之上，且屬于有接線的接觸式的單點測量；已有的光學變形測量技術中，宏觀光力學測技術主要是對較大變形場的測量，視場大且分辨率不夠。在顯微測量領域，商用高分辨率顯微檢測儀器(例如原子力顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、納米壓痕儀等)可實現納米至微米尺度區域范圍內被測物的形貌觀測，但是尚未解決在力或者環境載荷作用下對被測物的變形場和應變場的定量測量問題；此外，已有的光譜類檢測技術中，x光衍射技術的測點大，對材料有限制，且分辨率不足。顯微拉曼技術可以實現硅等拉曼活性材料的微米區域的應力和的測量，但不適用于非拉曼活性材料，且尚未解決平面應變分量的測量(即應力和的分解)問題，特別是與強度密切相關的剪應變測量問題。

因此，針對宏觀與微觀尺度下材料的力學性能檢測與微小器件的可靠性分析的檢測需求，研究新的實驗力學測量技術，實現對微米與亞微米區域的應變測量以及對微器件關鍵部位強度檢測具有重要的科學意義與工程應用背景。鑒于此，本發明提出以碳納米管為傳感介質、以顯微拉曼技術為測量手段的應變分量無損檢測技術，可用于材料表面微米或亞微米尺度測點的平面應變分量(包括正應變和剪應變)的定量測量，可實現毫米至亞微米尺度區域的正應變與剪應變分量及其分布規律的測量，并解決與之相關的非拉曼活性材料的應變檢測問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于碳納米管為傳感介質的、無損無線非接觸、用于宏觀與微觀尺度下材料力學性能與微小器件可靠性分析的應變檢測技術。

基于碳納米管為傳感介質的應變分量無損檢測技術，具有碳納米管、被測物體、偏振顯微拉曼光譜系統(如圖1)。對被測物體表面隨機、均勻分散且固定的碳納米管采用雙偏振(入射光和散射光偏振方向可以控制且保持一致)或單偏振(僅入射光偏振方向可以控制)拉曼實驗系統進行共振拉曼測試，由實驗獲取的拉曼頻移增量與被測物體平面應變分量之間的定量關系可由解析式表達。其中，雙偏振共振拉曼實驗模式下拉曼光譜信息中的拉曼頻移增量與被測物體平面應變分量之間的解析式為：

式中，代表偏振方向為時實驗系統在變形前后采集獲取拉曼光譜的頻移增量；ε_X和ε_Y分別代表被測物體表面X、Y方向的正應變分量，γ_XY為剪應變分量，Ψ_Sensor為碳納米管應變傳感介質的應變-頻移因子，即Ψ_Sensor是表征作為應變傳感介質的碳納米管的軸向應變與碳納米管的拉曼頻移之間線性關系的常數因子，給定三個不同的偏振方向分別為和用拉曼光譜信息中的拉曼頻移增量與被測物體平面應變分量之間的解析式建立方程組，將三個不同偏振方向的頻移增量測量結果代入方程組求解得出應變分量。

如取偏振方向分別為0°、45°和90°，帶入拉曼光譜信息中的拉曼頻移增量與被測物體平面應變分量之間的解析式，得出方程組為：