[發明專利]一種超聲激勵下納米材料表面力學參量表征的方法

有效

• 申請號: 201510557625.2
• 申請日: 2015-09-02
• 公開（公告）號: CN105182007B
• 公開（公告）日: 2018-05-25
• 發明（設計）人: 張輝;張淑儀;范理
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01Q60/26
• 分類號: G01Q60/26
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

本發明公開了一種超聲激勵下納米材料表面力學參量表征的方法，通過超聲激勵振幅分別激發探針和納米材料表面之間的線性和非線性摩擦力。摩擦力作用于懸臂梁，引起懸臂梁產生線性和非線性扭轉振動；在線性范圍內，利用測量的懸臂梁諧振頻率，得到納米樣品表面的力學參量：剪切模量、楊氏模量和泊松比；在非線性范圍內，根據已得到的剪切模量、楊氏模量和泊松比得到探針與納米材料表面摩擦學參量：閾值摩擦力。本發明對納米表面的力學和摩擦學參量進行表征，具有更高的靈敏度，而且設備簡單，易于實現。

技術領域

本發明涉及一種納米材料表面力學參量的測量方法，具體說探針與納米表面間的非線性摩擦力所引起的懸臂梁非線性扭轉諧振定量得到納米表面的力學參量。

背景技術

微納器件正逐漸改變人們的生活，它特殊的結構形態和奇異的物理特性為我們制備新型聲學器件提供了新的廣闊空間。但是，微納器件具有較高的面積比，這種特殊的結構形態將引起嚴重的摩擦損耗。由于傳統的流體潤滑形式在納米尺度下具有較高的粘滯效應，很難有效的消除摩擦影響。所以，開展微納尺度下的摩擦力和相關力學參量的表征研究就愈顯重要和迫切。

通常采用原子力顯微鏡技術對納米材料的力學參量進行表征，通過顯微鏡懸臂梁的形變定量表征材料表面的力學參量，這種技術對材料的楊氏模量可以進行成像。此外，利用探針在材料表面移動，進而產生彎曲和扭轉，可以表征材料表面的剪切模量、楊氏模量。但是，以上是在線性范圍內進行分析，無法對納米材料表面的非線性摩擦學信息進行考察，也無法定量給出閾值摩擦力等重要摩擦學信息。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種超聲激勵下納米材料表面力學參量表征的方法，該方法利用探針與納米表面間的非線性摩擦力所引起的懸臂梁非線性扭轉諧振同時定量檢測納米表面的力學參量：剪切模量、楊氏模量和泊松比，以及摩擦學參量：閾值摩擦力。本發明對納米表面的力學和摩擦學參量進行表征，具有更高的靈敏度，而且設備簡單，易于實現。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種超聲激勵下納米材料表面力學參量表征的方法，包括如下步驟：

步驟1，利用原子力顯微鏡檢測納米表面，通過超聲激勵納米表面使其產生相對于原子力顯微鏡的探針的表面切向位移；

步驟2，分別測量原子力顯微鏡的懸臂梁在線性和非線性條件下的扭轉振動信號，通過對信號進行傅里葉變換確定其扭轉基頻頻率；

步驟3，根據步驟1的超聲激勵納米表面的情況和步驟2的懸臂梁扭轉振動信號、扭轉基頻頻率建立探針與納米表面的摩擦力模型，進而得到探針與納米表面的摩擦力；

步驟4，利用小振幅超聲進行激勵，探針相對于納米表面的振動幅度較小，線性摩擦力等于探針與納米表面間的等效彈性系數與振動幅度的乘積，建立小振幅激勵的懸臂梁扭轉振動特征頻率方程；進而得到納米樣品表面的剪切模量、楊氏模量和泊松比；

步驟5，利用大振幅超聲進行激勵，探針相對于納米表面的振動幅度較大，根據步驟3所建立的摩擦力模型，利用諧波平衡法，懸臂梁在摩擦力模型求得的非線性摩擦力作用下，建立大振幅激勵的懸臂梁扭轉振動特征頻率方程；根據步驟步驟4得到的納米樣品表面的剪切模量、楊氏模量和泊松比，得到探針與納米表面間的等效彈性系數，結合在非線性摩擦力作用下通過步驟2測量得到的懸臂梁扭轉振動信號，利用大振幅激勵的懸臂梁扭轉振動特征頻率方程，得到探針與納米材料表面的閾值摩擦力。

所述步驟1中當利用小振幅超聲進行激勵時，探針在納米材料表面產生小位移的線性摩擦力，當利用大振幅超聲進行激勵時，探針在納米材料表面產生大位移的非線性摩擦力。

所述步驟2中的測量懸臂梁的非線性扭轉振動信號，可以采用光線反射偏轉方法，也可直接利用激光測振儀測量。

所述步驟3中探針在納米材料表面產生非線性摩擦力，摩擦力和位移描述為回滯曲線形式。