[发明专利]纳米纤维并行拉伸测试系统和方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种纳米纤维并行拉伸测试系统和方法，涉及微纳米技术，微纳米操作领域。

背景技术

半导体纳米纤维材料具有独特的物理化学性能，在电子器件、光器件等方面具有潜在的应用优势。对纳米纤维特性进行研究，特别是杨氏模量的测定，对于块相材料的宏观机械性能具有一定的指导意义和参考价值，特别是新合成的块状力学性能未知的材料。探索纳米纤维特性的研究方法，对于促进材料表征方法和实验手段地不断发展具有重要的推动作用。

目前，对纳米纤维的杨氏模量进行测定的方法有很多，主要是逐一对多根纳米纤维进行测量，多次实验数据获得杨氏模量的大小。但是，由于纳米纤维制备方法、装置和参数的差异导致了纳米纤维的实际形态各异，具体表现在直径、均匀程度和长度等方面。在多次随机测量的过程中，每次选择的纳米纤维存在结构参数不一，导致测得的杨氏模量偏差较大，影响因素不可控，随机性较大，实验结果不可预料，且实验装置和方法较复杂。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种纳米纤维并行拉伸测试系统和方法，解决了现有实验系统和方法获取杨氏模量存在误差较大及误差不可控的问题。

为了达到上述目的，本发明的构思是：采用并行拉伸测试系统对纳米纤维进行拾取和并行拉伸操作，通过控制各环节影响因素的误差范围，利用数据的采集处理和计算，获取纳米纤维误差可控的杨氏模量。

本发明的纳米纤维并行拉伸测试系统，包括：

(1)利用电子显微镜优秀的成像能力为并行拉伸测试系统提供图像数据和操作依据；

(2)并行拉伸测试系统，包括工作台、闭环快速进给机构、闭环精进给机构、柔性探针组、刚性探针组、纳米纤维培养皿、样品工作台；所述闭环快速进给机构安装在工作台上，闭环精进给机构安装在闭环快速进给机构上；所述柔性探针组和刚性探针组分别安装在两侧的闭环精进给机构上；所述纳米纤维培养皿固定在样品工作台上。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种纳米纤维并行拉伸测试系统，包括电子显微镜连接并行拉伸测试系统，其特征在于：所述电子显微镜利用其优秀的成像能力为并行拉伸测试系统提供图像数据和操作依据；所述并行拉伸测试系统包括工作台、两个闭环快速进给机构、两个闭环精进给机构、柔性探针组、刚性探针组、纳米纤维培养皿、样品工作台；所述两个闭环快速进给机构分别安装在工作台左右边上，两个闭环精进给机构分别安装在两个闭环快速进给机构上；所述柔性探针组和刚性探针组分别安装在两侧的闭环精进给机构上；所述纳米纤维培养皿固定在样品工作台上。所述纳米纤维并行拉伸测试系统对纳米纤维进行拾取和并行拉伸操作，通过控制各环节影响因素的误差范围，利用数据的采集处理和计算，获取纳米纤维误差可控的杨氏模量。

一种纳米纤维并行拉伸测试方法，其特征在于，操作步骤如下：

步骤1：研究对象固定：将纳米纤维培养皿固定在样品工作台上，推样品工作台至电子显微镜腔室内进行后续工作；

步骤2：大视场搜索：利用电子显微镜的大视场搜索能力确定样品工作台上纳米纤维的位置，将研究对象调焦至清晰可见；

步骤3：感兴趣区域定位：调整操作手柄移动样品工作台确定研究对象上感兴趣的区域，提高放大倍数聚焦定位至感兴趣的纳米纤维；

步骤4：纳米纤维拾取：根据全局位置坐标标定出感兴趣区域，利用并行拉伸系统实现柔性探针组在x，y，z三个方向上的移动，由闭环快速进给机构达到平面的x，y方向坐标，再由闭环精进给机构实现平面的z方向坐标，柔性探针组移动至感兴趣区域后进行纳米纤维的拾取操作；

步骤5：探针并行拉伸操作：将拾取到纳米纤维的柔性探针组沿z轴升至给定位置，调整探针位姿使其与(x，y)平面平行；刚性探针组将纳米纤维组的自由悬浮端固定在其探针头部，此时纳米纤维的误差范围可控的初始长度确定；沿纳米纤维轴线方向，将柔性探针组移动而进行并行拉伸操作，至此，完成了纳米纤维的并行拉伸操作；

步骤6：数据采集和处理：利用柔性探针组上的力传感器获取该组纳米纤维的力大小，获取误差范围可控的力值；通过电子显微镜获取纳米纤维拉伸后误差可控的平均直径和纳米纤维长度；

步骤7：数据库计算分析：通过控制各环节中影响因素的误差范围，对纳米纤维拉伸后获取的力值，平均直径，伸长量数据进行分析计算；

步骤8：利用并行拉伸测试系统控制各参数的误差影响，通过计算分析各有效数据，获取纳米纤维误差可控的杨氏模量。