[发明专利]金属薄膜/箔力学性能临界特征尺度的测试系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属薄膜或金属箔力学性能临界特征尺度的测试系统的搭建，具体为采用一种微弯曲的方法对于具有微米/亚微米厚度的金属薄膜或金属箔测试其力学性能临界特征尺度，提供该测试系统的整套装置和具体实施测试方法。

背景技术

近年来，随着高科技产品的不断涌现，微电机械系统(MEMS)被大量使用，如用于汽车安全气囊迅速展开的微加速器、医学上用于药物输运的微齿轮和微流体器件等，而这些MEMS器件大多是由具有微米/亚微米厚度的金属薄膜或金属箔材料制成的。由于这些微尺度材料在其微加工制备，如溅射、沉积、刻蚀等以及随后的服役过程中不可避免地要受到力、热、电等引起的循环应力的作用，导致其性能下降甚至破坏。例如，在微型射频开关中，具有微米厚度的悬臂梁器件经常受到高频谐振的作用而引起损伤，微构件中损伤的出现会逐渐改变其响应频率及电阻等参量，从而影响了微传感器及致动器的输出量，甚至导致最终失效。因此，与块体材料一样，微尺度材料的力学性能指标的测试研究对于保证微器件的可靠服役具有十分重要的意义。

然而，当材料的尺度小到微米量级时，适用于块体材料的许多基本力学理论及力学性能参量已不再适用。塑性应变梯度理论认为，材料塑性变形区内任意一点的应力不仅与应变有关，而且与应变梯度有关。对于块体材料，应变梯度对材料强度的贡献可以忽略不计，材料的强度由应变决定；而当材料尺度小到微米量级时，应变梯度对材料强度的贡献便不能忽略，且材料尺度越小，应变梯度对材料强度的贡献越大。为此，在传统材料力学的本构法则里加入了材料临界特征尺度l_c这一参量，用来反映微尺度材料发生非均匀塑性变形时应变梯度对材料强度贡献的大小。

人们采用各种方法，如扭转法、纳米压痕法测试微尺度材料的这一临界特征尺度力学性能参量，希望通过各种精巧的实验来获得更为准确的l_c值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与其它测试系统完全不同的金属薄膜或金属箔材料的力学性能临界特征尺度l_c的一套测试系统及测试方法，其操作使用方便，可以获得更准确的力学性能临界特征尺度l_c值。

本发明的技术方案是：

一种金属薄膜/箔力学性能临界特征尺度的测试系统，该测试系统包括：

(1)用来固定加载推进器的基座；

(2)推进器；加载推进器采用游标卡尺，推进器主尺朝下并固定在基座上，游标尺在上；

(3)样品加载模具对模；该套对模由上模具和下模具组成，分别相对安装于推进器的游标尺和主尺上；

(4)芯轴；用于夹持被测样品的芯轴安装于下模具的沟槽内。

所述的金属薄膜/箔力学性能临界特征尺度的测试系统，测试时芯轴直径的选取与被测样品的厚度有关，被测样品表面应变ε_s值所反映的应变量不超过10％。

所述上模具由紧固件和施载件构成，施载件为两个下端具有圆弧的片状构件，工作前将施载件穿入紧固件的滑道而被固定在紧固件上，两个施载件的圆弧面相对，在对样品加载时，施载件中间的间隙扣在夹持有样品的一对芯轴上。

所述下模具为凹形构件，凹形两侧壁开有沟槽，工作时，夹持有样品的芯轴放入所开沟槽内。

一种金属薄膜/箔力学性能临界特征尺度的测试方法，具体的实施测试步骤如下：

(1)将推进器头朝下固定在基座上；(2)选择一对直径尺寸一致的芯轴，并将样品夹持在其间，然后一同放入样品加载模具对模的下模具中，将上模具粘在推进器游标尺上；(3)慢慢推动推进器的游标尺，将上模具与下模具扣合，样品在加载对模中受到纯弯曲载荷的作用，直到被测样品按照所接触的芯轴曲率发生完全弯曲变形；(4)将推进器的游标尺推出，对样品卸载，样品发生的弹性变形部分得以完全回复而保留微量塑性变形部分；(5)把自由弹性回复后的膜或箔样品侧立起来，拍摄微弯曲样品的形貌；(6)将照片所记录的样品圆弧轮廓通过计算机绘图拟合出样品弯曲的圆弧，测试该圆弧的曲率半径。

所述步骤(3)中，推进器的游标尺推进速度为0.05mm/s～5mm/s。

本发明所述的金属薄膜或金属箔材料为目前已知方法制备的各种金属薄膜以及经过轧制或轧制后退火等方法制备的具有微米及微米以下厚度的金属箔材料，或者是从块体材料上经过线切割切取的材料，为保证测试精度，切取的材料要通过机械研磨和随后的电解抛光制备出具有微米、亚微米厚度的金属箔。

本发明的基本原理：