原位通孔鼓泡法测试二维材料杨氏模量

二维材料因其独特的晶体结构、新奇的物理特性和优异的力学性能,在光电器件、微纳机电系统等诸多领域有着广阔的应用前景,其中力学性能对于器件的制备、功能性、稳定性以及服役寿命等方面尤为重要。本文提出了一种测量二维材料杨氏模量的普适性实验方法,借助通孔鼓泡技术对材料进行连续可控加载,同时结合原子力探针技术原位表征其力学响应。该技术较好地解决了文献中常用恒定分子数鼓泡技术在测试二维材料杨氏模量中存在的加载周期长、加载不连续等弊端。以单层或双层石墨烯薄膜为例,利用自行搭建的通孔鼓泡实验平台结合原子力显微技术实现了鼓泡高度和直径大小的原位测量,借助Hencky解获得石墨烯杨氏模量,实验数值与文献报道相符。此外,在三角波和正弦波两种动态循环加载方式下,该测试方法均表现出良好的稳定性。本文工作不仅发展了一种普适原位的二维材料杨氏模量实验测试方法,也为大面积二维材料薄膜力学性能的程序化测试与分析、高通量实验数据的力学统计分析打下了可靠的实验基础。     

多层二维材料纳米压痕实验研究

多层二维材料在诸多应用领域拥有广阔的前景,其力学性能是保证材料和器件性能与服役寿命的关键性因素。然而,在以往的力学表征中,其层间耦合作用对于力学性能测量的影响往往被忽略,对随着厚度增加而带来的弯曲刚度效应也缺乏相应关注。本文基于原子力显微镜的纳米压痕技术研究了多层石墨烯、六方氮化硼和二硫化钼的力学行为,实现了其力学性能的准确测量。实验结果表明,随着二维材料片层厚度的增加,受弯曲刚度影响,其力学行为从薄膜特征向线性板特征转变。对于表现出板行为的材料,我们采用"柔度法"计算其杨氏模量,所得数值与薄膜行为的求解较为一致。同时,我们发现多层二维材料体系中,由于层间相互耦合作用较弱,在变形过程中容易引起层间相对滑移,因而造成所测力学性能的弱化。本文的工作不仅发展了一种测量厚层二维纳米材料力学性能的方法,还揭示了层间耦合作用对于多层二维材料变形行为的影响,为探究二维异质结的结构-性能关系乃至微纳器件的制备加工提供了新的思路。     

二维材料力学行为的压痕测试

准确了解二维材料的力学性能对于推动其应用具有重要意义, 无基底压痕技术是目前最广泛采用的二维材料力学性能测试方法之一, 本文综述了二维材料压痕研究的最新进展以及所面临的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.无基底压痕技术是将二维材料转移到带有沟槽或柱形孔的基底上, 制备二维材料"梁"和"鼓"模型, 然后利用原子力显微镜测量其在压针作用下的载荷--位移关系, 最后通过基于连续介质薄膜导出的压痕响应分析模型拟合实验结果, 估算出二维材料的弹性模量和本征强度.由于二维材料的厚度远小于连续介质薄膜, 来自于压头以及基底孔侧壁的范德华力对二维材料的压痕响应具有显著影响, 造成二维材料与传统压痕分析模型中的基本假设不符, 导致不能准确预测二维材料的弹性模量; 另外, 由于传统压痕模型无法准确描述二维材料在大变形下的非线性行为, 以及由缺陷等引起的应力集中, 导致由压痕测试表征的二维材料(特别是多晶二维材料)本征强度具有较大的偏差. 因此, 一方面需要正确了解由压痕技术获得的二维材料力学性能, 另一方面还需对目前的研究方法做进一步的改进和完善.      

二维材料力学行为的压痕测试

准确了解二维材料的力学性能对于推动其应用具有重要意义,无基底压痕技术是目前最广泛采用的二维材料力学性能测试方法之一,本文综述了二维材料压痕研究的最新进展以及所面临的问题,并对将来的研究工作进行了展望.无基底压痕技术是将二维材料转移到带有沟槽或柱形孔的基底上,制备二维材料"梁"和"鼓"模型,然后利用原子力显微镜测量其在压针作用下的载荷–位移关系,最后通过基于连续介质薄膜导出的压痕响应分析模型拟合实验结果,估算出二维材料的弹性模量和本征强度.由于二维材料的厚度远小于连续介质薄膜,来自于压头以及基底孔侧壁的范德华力对二维材料的压痕响应具有显著影响,造成二维材料与传统压痕分析模型中的基本假设不符,导致不能准确预测二维材料的弹性模量;另外,由于传统压痕模型无法准确描述二维材料在大变形下的非线性行为,以及由缺陷等引起的应力集中,导致由压痕测试表征的二维材料(特别是多晶二维材料)本征强度具有较大的偏差.因此,一方面需要正确了解由压痕技术获得的二维材料力学性能,另一方面还需对目前的研究方法做进一步的改进和完善.     

Indentation tests investigation of mechanical behavior of two-dimensional materials

准确了解二维材料的力学性能对于推动其应用具有重要意义, 无基底压痕技术是目前最广泛采用的二维材料力学性能测试方法之一, 本文综述了二维材料压痕研究的最新进展以及所面临的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.无基底压痕技术是将二维材料转移到带有沟槽或柱形孔的基底上, 制备二维材料"梁"和"鼓"模型, 然后利用原子力显微镜测量其在压针作用下的载荷--位移关系, 最后通过基于连续介质薄膜导出的压痕响应分析模型拟合实验结果, 估算出二维材料的弹性模量和本征强度.由于二维材料的厚度远小于连续介质薄膜, 来自于压头以及基底孔侧壁的范德华力对二维材料的压痕响应具有显著影响, 造成二维材料与传统压痕分析模型中的基本假设不符, 导致不能准确预测二维材料的弹性模量; 另外, 由于传统压痕模型无法准确描述二维材料在大变形下的非线性行为, 以及由缺陷等引起的应力集中, 导致由压痕测试表征的二维材料(特别是多晶二维材料)本征强度具有较大的偏差. 因此, 一方面需要正确了解由压痕技术获得的二维材料力学性能, 另一方面还需对目前的研究方法做进一步的改进和完善.     

原子力显微镜在二维材料力学性能测试中的应用综述

以石墨稀为代表,二维材料有着诸多优异的性质,在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景.目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用,对于其力学性质的研究则相对欠缺,而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义.原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段,例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术...     

多模态原子力显微术研究进展

材料纳米尺度的各种性能中,纳米力学性能是纳米材料和器件服役所需要保证的最基本性能。因此,发展可靠的定量化纳米力学测试技术就显得尤为关键。原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)作为纳米力学测试的重要平台,目前广泛应用于材料纳米尺度形貌和力学性能成像。作为原子力显微术的前沿应用模式之一,多模态原子力显微术通过同时激励探针的两个或多个振动模态对样品进行测试或成像,可实现对被测样品高分辨率、高灵敏度、定量化和无损的纳米力学快速成像及检测,具有极其广泛的应用前景。围绕多模态原子力显微术,首先介绍了多模态原子力显微术的基本成像原理和力学模型基础。随后,综述了多模态原子力显微术探针动力学以及成像技术相关研究的主要进展。然后,对多模态原子力显微术的几类典型应用进行了总结和评述。最后,对多模态原子力显微术未来可能的研究方向进行了展望。     

石墨烯力学性能研究进展

石墨烯是近年来发现的由单层碳原子通过共价键结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体, 是继富勒烯和碳纳米管之后的又一种新型低维碳材料. 由于具有非凡的电学、热学和力学性能以及广阔的应用前景, 石墨烯被认为是具有战略意义的新材料, 近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理等领域最为活跃的研究前沿. 本文简要介绍了研究石墨烯力学性能的实验测试、数值模拟和理论分析方法, 重点综述了石墨烯力学性能的最新研究进展, 主要包括二维石墨烯的不平整性和稳定性, 石墨烯的杨氏模量、强度等基本力学性能参数的预测, 石墨烯力学性能的温度相关性和应变率相关性、原子尺度缺陷和掺杂等对力学性能的影响以及石墨烯在纳米增强复合材料和微纳电子器件等领域的应用, 最后对石墨烯材料与结构的力学研究进行了展望.      

虚位移场方法在石墨材料力学参数测量中的应用

光测实验技术在现代力学研究中得到了广泛的应用。对于材料力学参数如杨氏模量和泊松比的测量,可利用典型加载试验如拉伸试验、弯曲试验并结合光测方法(如云纹和数字图像相关技术)得到位移值,利用载荷信息和应变场信息通过计算获得相关的力学参数。本文利用虚位移场方法测量石墨材料的力学参数。结合石墨材料的三点弯曲实验,由数字图像相关法测量得到试件表面的非均匀变形场。通过选择两组不同的虚位移场,可以反算出材料的力学参数:杨氏模量和泊松比。结果表明这种方法可以有效测量石墨材料的弹性参数。该方法可望在材料力学行为检测中得到推广应用。     

双模态振幅调制原子力显微术对比度反转研究

双模态振幅调制原子力显微术广泛应用于微纳米力学成像,然而成像过程中可能存在的对比度反转问题会造成成像结果的难以理解和解释.将有限差分法和同相正交法相结合,采用数值方法研究了不同力常数探针、样品组分力学性能以及成像参数设置对双模态振幅调制原子力显微术二阶模态振幅和相位对比度反转的影响.研究结果显示,对于硬探针,不同粘度系数组分上二阶模态振幅和相位对比度随弹性模量增加无反转产生.探针在不同弹性模量组分上二阶模态振幅对比度随粘度系数增加会产生反转,而二阶模态相位对比度则无反转产生.对于软探针,组分弹性模量或粘度系数增加会造成相互作用区转变,使探针响应产生跳变.软探针在组分弹性模量较高时二阶模态相位对不同粘度系数的对比度以及在粘度系数较小时对不同弹性模量组分的对比度均较硬探针更低.两种探针在不同弹性模量组分上二阶模态振幅对比度随着二阶模态自由振幅的增加会发生反转,而不同粘度系数下的对比度则未出现反转.此外,二阶模态自由振幅越小,则二阶模态相位对不同弹性模量或粘度系数组分的对比度越高.二阶模态振幅或相位对比度在不同相互作用区可能会发生反转,成像时应使相互作用区处于排斥区,可提高对比度.     

考虑膜厚影响薄膜磁致伸缩系数、泊松比和杨氏模量的同时测量

基于经典层合板理论,建立了一个能同时测量薄膜-基底系统中薄膜的磁致伸缩系数、杨氏模量和泊松比的板模型.以前的研究计算薄膜磁致伸缩系数时,大多假设薄膜的弹性属性与相应的块材一致,由此导致的磁致伸缩系数计算是不准确的.在目前大多数方法中仅仅在使用一个单一的弹性各向同性基底中能够避免这个问题.该文模型在各向异性基底下同样适用,并且不要求薄膜的厚度远远小于基底厚度,因此也能够用来计算磁致伸缩应变和设计微电机械系统和生物微电机械系统.对已有的铁基非晶薄膜的实验数据,在不同磁场强度下,磁致伸缩系数的计算结果与已有模型进行了比较,它们之间的差异得到了解释.同时,还可以得到薄膜的弹性常数.     

核壳结构PS/CeO2复合微球弹性模量的AFM测定

利用原子力显微镜测定了聚苯乙烯(Polystyrene, PS)微球和核壳结构PS/CeO₂复合微球的力-位移曲线,并根据Hertz接触理论计算了微球样品的弹性模量.结果表明:粒径在120 nm左右的PS微球的平均弹性模量约为2.80 GPa,其数值略低于聚苯乙烯块体材料的弹性模量.复合微球的弹性模量随CeO₂壳层厚度的增加而增大,当CeO₂壳厚分别约为8、12和16 nm时,其平均弹性模量依次约为7.93、8.25和10.67 GPa.与纯氧化铈相比,PS/CeO₂复合微球的弹性模量更接近于聚苯乙烯微球.     

二维材料实验力学综述

以石墨烯为代表的二维材料因其原子级厚度、独特物理性质,成为近年来物理、化学、材料交叉学科的研究热点,在合成制备、结构表征、应用开发等方面的研究工作表明其在微纳机电系统、光电器件与功能复合材料领域有广泛且重要的应用前景。然而,由于二维材料结构与尺度的独特性,在其基本物性的理解方面仍存在许多未解决的问题,尤其是力学性能的表征,面临着诸多挑战。本文综述了二维材料本征力学性质和界面力学行为的微纳测试与表征技术的最新进展,例如纳米压痕技术、微孔鼓泡法等,并详细探讨了影响二维材料力学性能及行为的主要因素,分析了其微观尺度下的作用机制,以期通过物理或化学手段实现力学性能的调控。     

ELASTIC BEHAVIOR ANALYSIS OF 3D ANGLE-INTERLOCK WOVEN CERAMIC COMPOSITES

A micromechanical model for elastic behavior analysis of angle-interlock woven ceramic composites is proposed in this paper. This model takes into account the actual fabric structure by considering the fiber undulation and continuity in space, the cavities between adjacent yarns and the actual cross-section geometry of the yarn. Based on the laminate theory, the elastic properties of 3D angle-interlock woven ceramic composites are predicted. Different numbers of interlaced wefts have almost the same elastic moduli. The thickness of ceramic matrix has little effect on elastic moduli. When the undulation ratio increases longitudinal modulus decreases and the other Young's moduli increase. Good agreement between theoretical predictions and experimental results demonstrates the feasibility of the proposed model in analyzing the elastic properties of 3D angle-interlock woven ceramic composites. The results of this paper verify the fact that the method of analyzing polyester matrix composites is suitable for woven ceramic composites.     

Kelvin结构开孔泡沫材料的弹性性能研究

采用一修正的十四面体结构模型(Kelvin结构模型)对开孔泡沫金属的弹性性能进行研究,对低密度开孔泡沫材料表现出不可压的特性进行了分析。该模型考虑作用在泡沫筋条上的弯矩、剪力和轴向力,以及轴向力的平衡。修正模型的数值计算结果与实验结果及其他模型的结果进行了对比,结果表明修正模型计算的杨氏模量比原有模型的略有提高,筋条截面为星形的修正模型计算的结果与实验比较符合。在密度等同的条件下,筋条截面惯性矩越大的开孔泡沫材料,其弹性模量也越大,而泊松比则越小。Kelvin结构的开孔泡沫材料的泊松比随相对密度的减小而趋于0.5。     

界面对多相介质平均弹性性能和应力场的影响

在建立多相介质夹杂问题的自治模型基础上，应用自治有限元法研究了多相介质的平均弹性性能问题，通过数例讨论了在不同体分比下，界面对多相介质总体平均弹性性能的影响，结果表明，界面厚度对多相介质横向平均剪切模量和横向平均体积模量有明显的影响，而对纵向平均拉伸模量影响不大。为了进一步研究界面破坏特征，本文还分析了多相介质界面区域的应力场。     

基于近场动力学的单晶冰弹性各向异性数值模拟方法

天然冰材料在变形与破坏行为上的各向异性特征是冰与结构相互作用中产生复杂载荷过程的关键诱因, 而天然冰各向异性的根源则在于单晶冰的各向异性. 目前, 学术界针对单晶冰各向异性的数值模拟方法研究仍较为缺乏. 为了准确再现天然冰材料的特殊力学性质, 本文基于近场动力学理论, 提出了一种单晶冰弹性各向异性的数值模拟方法. 该方法的核心思想是将单晶冰杨氏模量沿不同加载方向的变化规律引入到近场动力学力密度向量的影响函数中. 以前人实验测试得到的杨氏模量值为参考, 通过开展与C轴呈0°, 45°和90°三个加载方向的单晶冰单轴压缩数值模拟实验, 提出了针对该影响函数的修正和辅助参数标定方法, 最终在15°, 30°, 60°和75°等其他四个加载方向进行了验证. 结果表明: 本文提出的针对影响函数的修正与参数标定方法, 能够较为便捷地找到数值模型杨氏模量与参考杨氏模量相一致的影响函数最优解, 即本文提出的基于影响函数的近场动力学数值模拟方法, 能够合理、准确地模拟单晶冰的弹性各向异性行为. 本文研究成果可为后续多晶冰各向异性数值模拟方法的建立提供基础性参考.