基于SEM/SPM联合测试系统纳米材料原位力学性能研究

摘要

纳米材料相对于宏观体材料有着很多不同的力学、电学、磁学等性能，这种特殊性能的研究是当前纳米材料研究的热点之一。作为其基本性能之一的力学性能，对它的研究有着举足轻重的意义，因为当纳米材料受力发生形变时，它的其他性能，如电学、磁学、光学等受结构变化影响也会发生相应的变化。充分了解、掌握纳米材料的力学性能，有利于其优异特性的有效发挥。但是由于纳米材料的尺寸很小，操作单体纳米级材料有一定的困难，阻碍了纳米材料的力学性能研究。
　　本文利用我们自主设计的扫描电子显微镜/扫描探针显微镜联合测试系统(scanning electron microscope/Scaning Probe Microscopy,SEM/SPM)和扫描电子显微镜聚焦离子束双束系统(SEM/FIB)，以不同直径的多晶二氧化钛(TiO2)纳米/微米球体和单晶氮化硅(Si3N4)纳米线为研究对象，分别对它们进行了原位纳米压痕、三点弯曲和拉伸实验，表征了它们的力学性能。并研究了它们的尺寸与力学性能的关系，对得出的结果进行了分析研究。具体的研究内容如下:
　　1.利用SEM/SPM联合测试系统对不同直径的TiO2纳米/微米球颗粒进行了原位纳米压痕实验，利用有限元方法对实验进行了仿真，有限元仿真清晰再现了压痕过程中球体受力变形情况。据此，针对纳米/微米球体压痕，改正原有压痕计算方法，得出修正后的压痕计算方法。
　　2.根据修正压痕计算方法得到多晶TiO2纳米/微米球的弹性模量，它与纳米/微米球体直径之间没有明显的关系，其数值高于其体材料约30％，分析了TiO2纳米/微米球这种特性可能的原因。并且，将实验得到的结果带回到有限元模型中，验证了修正的纳米压痕计算方法。
　　3.利用扫描电子显微镜聚焦离子束双束系统的纳米加工和2D、3D纳米表征功能，将原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)针尖引入到系统中，构建纳米材料原位拉伸实验平台。对不同直径的单晶Si3N4纳米线进行原位拉伸实验，得出其弹性模量、断裂强度等力学特性。结果显示直径为80-140nm范围的Si3N4纳米线，它的杨氏模量随着纳米线直径的减小而增大，表现出较为明显的尺寸效应，并对这种现象的内在原因进行了分析、研究。
　　4.利用SEM/SPM联合测试系统对不同直径的单晶Si3N4纳米线进行了三点弯曲力学性能表征，得出纳米线的弯曲模量与弯曲强度。实验结果显示，Si3N4纳米线的弯曲模量比其块体SiN4材料高约40％，它的弯曲强度也远远大于块体Si3N4材料。分析探讨了Si3N4纳米线这种不同于其体材料的力学性能的可能原因。此外，针对两种不同试验方法得到的Si3N纳米线的弹性模量结果进行了对比，并分析了两种测试结果不同的原因。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米科技与纳米材料的研究和应用

1．1．1 纳米科技概念的提出和发展

1．1．2 纳米科技的研究领域

1．1．3 纳米材料的种类

1．1．4 纳米材料的效应

1．1．5 纳米材料的应用

1．2 纳米材料力学性能研究

1．2．1 纳米材料力学性能研究意义

1．2．2 纳米材料力学性能测试方法

1．2．3 纳米材料力学性能的研究现状

1．2．4 纳米材料力学性能研究存在的问题

1．3 论文主要研究内容

第二章 实验仪器与实验方法

2．1 引言

2．2 实验仪器

2．2．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．2 扫描电子显微镜聚焦离子束双束系统(SEM／ FIB)

2．2．3 透射电子显微镜(TEM)

2．3 实验装置和实验方法

2．3．1 SEM ／SPM联合测试系统

2．3．2 AFM探针

2．3．3 实验方法

第三章 多晶TiO2纳米／微米球颗粒力学性能原位表征

3．1 前言

3．2 TiO2纳米／微米球的表征

3．3 单个TiO2纳米／微米球的压痕

3．3．1 单个TiO2纳米／微米球的压痕实验过程

3．3．2 纳米／微米球压痕实验有限元仿真

3．3．3 纳米／微米球压痕实验的力学性能计算方法及改进

3．3．4 TiO2纳米／微米球纳米压痕实验得到的力学性能

3．3．5 TiO2力学性能分析、探讨

3．4 本章小结

第四章 单根Si3N4纳米线力学性能原位表征分析

4．1 引言

4．2 Si3N4纳米线的表征

4．3 单根Si3N4纳米线的拉伸

4．3．1 单根Si3N4纳米线的拉伸过程

4．3．2 单根Si3N4纳米线拉伸实验得到的力学性能

4．4 单根Si3N4纳米线的三点弯曲

4．4．1 单根Si3N4纳米线的三点弯曲过程

4．4．2 单根Si3N4纳米线三点弯曲实验得到的力学性能

4．5 两种实验方法得到的Si3N4纳米线力学性能对比、分析

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 工作总结及创新点

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间所发表的学术论文