[發(fā)明專利]原位力學(xué)測試用推-拉微器械

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211268663.2
• 申請日: 2022-10-17
• 公開（公告）號: CN115683845A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王超;隋超;張靜
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/02;G01N3/06
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

原位力學(xué)測試用推?拉微器械，屬于低維材料測試實驗儀器領(lǐng)域。設(shè)備層由移動區(qū)、固定區(qū)及四個彈性元件組成；固定區(qū)設(shè)有通槽，通槽還貫通絕緣層及把手層的厚度設(shè)置，固定區(qū)、絕緣層及把手層前側(cè)面設(shè)有開口，移動區(qū)設(shè)置在通槽內(nèi)，移動區(qū)前側(cè)面的凸臺一位于開口處，移動區(qū)后側(cè)面中部設(shè)有凹槽一，固定區(qū)的通槽后槽側(cè)壁中部設(shè)有凸臺二，凹槽一與凸臺二相匹配形成具有三處橫向間隙的‘互’字形結(jié)構(gòu)，三處橫向間隙由前至后為間隙一、間隙二及間隙三；原位拉伸實驗時，微納米試樣放置在間隙二處，微納米試樣兩端分別固定在固定區(qū)和移動區(qū)上；四個彈性元件呈矩陣形式固定設(shè)置在移動區(qū)與固定區(qū)的通槽之間。本發(fā)明用于對微納米尺度下材料的力學(xué)參數(shù)準確測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于低維材料測試實驗儀器領(lǐng)域，具體涉及一種原位力學(xué)測試用推-拉微器械。

背景技術(shù)

隨著納米技術(shù)和微電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，以石墨烯等為代表的低維材料受到廣泛重視。低維材料因其小尺寸、高表面積與體積比，呈現(xiàn)出高強度、高彈性等優(yōu)良力學(xué)性質(zhì)，并且通過施加機械應(yīng)變可以對低維材料的光、電、磁等特性進行可逆的精準調(diào)控，因此低維材料將成為下一代微納機電系統(tǒng)(M/NEMS)、鋰電池、柔性電子等功能設(shè)備的關(guān)鍵原材料。

為了更好設(shè)計功能設(shè)備，提升其服役性能和服役壽命，需要對低維材料的力學(xué)性質(zhì)進行深入探究。原位單軸拉伸實驗方法是其中應(yīng)用較為廣泛的一種，現(xiàn)有的拉伸實驗平臺主要有基于傳統(tǒng)微拉伸法、基于AFM(原子力顯微鏡)探針方法和基于MEMS方法。其中傳統(tǒng)微拉伸法即將宏觀拉伸實驗機的驅(qū)動、傳感單元模塊進行微型化處理，以對毫米或微米級試樣進行拉伸測試，不能適應(yīng)于納米級試樣的拉伸測試，并且缺乏靈活性和普適性；AFM探針方法采用微操作器施加拉伸載荷，通過AFM探針的彎曲變形獲得試樣的變形、載荷等信息，但大多依靠手動執(zhí)行，自動化程度有待進一步提升；MEMS方法則能夠避開上述缺點，能夠集成驅(qū)動和傳感單元，成為獨立的材料測試系統(tǒng)，并且由于自身的小尺寸，易于與SEM/TEM進行集成實現(xiàn)原位實驗。但目前采用靜電驅(qū)動的MEMS平臺需要設(shè)計額外的電氣隔離結(jié)構(gòu)；而采用熱驅(qū)動的MEMS平臺存在著不可避免的溫漂，并可能帶來對試樣的非預(yù)期溫升，需要設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)以進行抑制，因此采用上述驅(qū)動方式不僅增加制造成本，還可能影響實驗過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

相比之下，由MEMS簡化而來，利用外部樣品桿納米壓頭進行機械加載和傳感，通過特殊幾何結(jié)構(gòu)將納米壓頭對實驗儀器的壓縮載荷轉(zhuǎn)化為實驗儀器對試樣拉伸載荷的推-拉微器械則具有獨特優(yōu)勢，不僅能實現(xiàn)對各種脆性/塑性微納米材料的拉伸測試，還可依靠納米壓頭和電鏡獲得超高的載荷和位移分辨率，而且由于不必在實驗儀器上集成驅(qū)動和傳感模塊，制備成本也大為降低，制造技術(shù)也與刻蝕工藝兼容。但是該產(chǎn)品屬于易耗品，考慮到測量結(jié)果的精確性，一般不重復(fù)使用。

目前國內(nèi)外均對微納米材料力學(xué)性質(zhì)測量平臺進行了廣泛研究，但國內(nèi)研究方向大多集中于傳統(tǒng)微拉伸法或MEMS方法，極少有關(guān)于推-拉微器械的相關(guān)研究，而國外已報道的幾類推-拉微器械中，文獻^[1]所示θ型存在著試樣拉伸過程中伴隨有垂直拉伸方向的平動，影響原位觀測區(qū)域；文獻[2]所示類型依靠細長梁的后屈曲變形，試樣拉伸位移與載荷呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，不利于載荷等原始實驗數(shù)據(jù)的測量；文獻^[3]所示類型雖然能夠避開前述缺點，但該推-拉微器械沿試樣拉伸方向的剛度較小，不利于實現(xiàn)精準位移控制加載模式(所謂精準位移控制加載模式是指保證納米壓頭的位移與試樣拉伸的位移一致，從而保證試樣所受載荷數(shù)據(jù)值計算正確。實驗時所讀取的載荷數(shù)據(jù)為納米壓頭與推-拉微器械接觸處的反力，如果微器械剛度足夠大，則試樣加載前后接觸區(qū)域的變形程度幾乎無變化，從而能夠保證位移的一致性；反之，當(dāng)推-拉微器械剛度較小時，若試樣剛度與之相當(dāng)，則接觸區(qū)域的變形程度將會出現(xiàn)明顯變化，從而影響位移的一致性，造成試樣所受載荷出現(xiàn)偏差，影響最終的計算結(jié)果)，難以捕捉測試試樣由于材料屈服、相變等引起的應(yīng)變軟化過程，制約了深層次揭示微納米材料的失效機制，并且該推-拉微器械售價昂貴，又屬于易耗品，嚴重制約了微納米力學(xué)實驗的進展，因此亟需設(shè)計一種具有新結(jié)構(gòu)的推-拉微機械裝置。