微拉曼光谱法在微尺度力学测量中的若干应用

摘要

随着材料科学的迅速发展,具有微/纳米结构的复合材料或微器件越来越多,其性能也越来越复杂,不可避免地会遇到一些新的力学问题,如何对这些新型微材料进行力学测量成了力学领域研究的焦点.已有的实验力学测量方法,主要是宏观测量,难以适应微尺度领域所涉及的微器件或复合结构无损测量问题.微拉曼光谱法在微尺度测量方面具有独特的优势:无损、无接触、空间分辨率高(1μm)、光谱范围大且频移不受激光光源频率限制等.特别是拉曼频移与拉曼活性材料中的应变/应力成线性关系,即当材料处于变形状态时,会引起拉曼波谱的移动和变形,因此它是微尺度力学领域的一种潜在的实验力学方法,其测量应变的微观基础是拉曼频移反映了原子间距的变化,也就是反映了应变的信息. 本文采用微拉曼光谱技术,在纤维增强复合材料微滴实验、残余应力检测和石英砂压电效应三个方面开展了应用研究. 首先,本文针对试件端部几何构形对微滴内部应力分布的影响进行了定量分析研究.通过实验,得出了不同端部角下纤维轴向应力和界面剪切应力在界面端局部的分布,并对残余应力进行了定量分析讨论.另外,基于实验结果的分析给出了两个微滴试件的应力传递长度.本文的实验分析工作表明,微滴的端部几何构形会对微滴与基体的界面应力规律以及微滴内部的应力传递长度产生明显的影响,使实验结果具分散性. 其次,利用微拉曼光谱法对非致冷红外焦平面阵列的残余应力进行了检测和计算分析.非致冷红外焦平面阵列由Si02薄膜和硅基体组成,具有MEMS结构. 热氧化生成SiO<,2>薄膜过程中会产生很大的薄膜残余应力,其大小影响微元件的整个性能,对其检测至关重要.文中利用微拉曼光谱法测量出硅层横截面上残余应力沿深度方向的分布规律,结合力平衡概念,估算出薄膜残余应力,并采用x射线衍射法对薄膜表面残余应力进行了实际测量.两种方法得出的薄膜残余应力均为压应力,大小为GPa量级,超出薄膜释放极限,会使薄膜试件破坏甚至失效. 最后对石英砂的压电效应进行了一些初步的探索性工作.通过对石英砂/环氧树脂的混合物施加电场,得出了石英砂的拉曼光谱图在外加电场作用下的变化规律,并对电场、拉曼特征谱线和晶格能量之间的关系进行了定性讨论.

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1微尺度力学实验技术现状

1.2拉曼光谱技术应用概述

1.2.1微拉曼光谱法的发展状况及其特点

1.2.2微拉曼光谱技术在力学测量中的应用

1.3本文工作

1.3.1选题意义

1.3.2本文工作

第二章微拉曼光谱法

2.1拉曼光谱法的基本原理

2.1.1拉曼散射

2.1.2拉曼光谱法测量应力的微观基础

2.2显微共焦拉曼光谱仪

2.3小结

第三章用微拉曼光谱法进行复合材料微滴实验研究

3.1纤维增强复合材料的界面问题研究方法

3.2微滴试件制作

3.2.1材料

3.2.2试件制备

3.3微滴的微拉曼光谱实验

3.3.1微加载装置的制作

3.3.2微拉曼实验

3.4不同端部角微滴实验结果分析与讨论

3.4.1纤维轴向应力

3.4.2微滴试件的残余应力

3.4.3外载引起的纤维轴向应力和应力传递长度

3.4.4界面剪切应力

3.5小结

第四章UIRFPA薄膜残余应力检测和石英砂压电效应初探

4.1非致冷红外焦平面阵列残余应力检测

4.1.1非致冷红外焦平面阵列概述

4.1.2薄膜残余应力及其测试方法

4.1.3微拉曼测量

4.1.4实验结果及分析讨论

4.2石英砂压电效应初探

4.2.1研究背景简介

4.2.2石英砂压电效应的微拉曼实验

4.2.3压电效应简析

4.3小结

第五章总结

5.1总结

5.2进一步工作的几点考虑

参考文献

发表论文和科研情况说明

附录：微加载装置各部件尺寸及三视图

致谢