[发明专利]原位力学测试用推-拉微器械

说明书

原位力学测试用推‑拉微器械，属于低维材料测试实验仪器领域。设备层由移动区、固定区及四个弹性元件组成；固定区设有通槽，通槽还贯通绝缘层及把手层的厚度设置，固定区、绝缘层及把手层前侧面设有开口，移动区设置在通槽内，移动区前侧面的凸台一位于开口处，移动区后侧面中部设有凹槽一，固定区的通槽后槽侧壁中部设有凸台二，凹槽一与凸台二相匹配形成具有三处横向间隙的‘互’字形结构，三处横向间隙由前至后为间隙一、间隙二及间隙三；原位拉伸实验时，微纳米试样放置在间隙二处，微纳米试样两端分别固定在固定区和移动区上；四个弹性元件呈矩阵形式固定设置在移动区与固定区的通槽之间。本发明用于对微纳米尺度下材料的力学参数准确测量。

技术领域

本发明属于低维材料测试实验仪器领域，具体涉及一种原位力学测试用推-拉微器械。

背景技术

随着纳米技术和微电子产业的快速发展，以石墨烯等为代表的低维材料受到广泛重视。低维材料因其小尺寸、高表面积与体积比，呈现出高强度、高弹性等优良力学性质，并且通过施加机械应变可以对低维材料的光、电、磁等特性进行可逆的精准调控，因此低维材料将成为下一代微纳机电系统(M/NEMS)、锂电池、柔性电子等功能设备的关键原材料。

为了更好设计功能设备，提升其服役性能和服役寿命，需要对低维材料的力学性质进行深入探究。原位单轴拉伸实验方法是其中应用较为广泛的一种，现有的拉伸实验平台主要有基于传统微拉伸法、基于AFM(原子力显微镜)探针方法和基于MEMS方法。其中传统微拉伸法即将宏观拉伸实验机的驱动、传感单元模块进行微型化处理，以对毫米或微米级试样进行拉伸测试，不能适应于纳米级试样的拉伸测试，并且缺乏灵活性和普适性；AFM探针方法采用微操作器施加拉伸载荷，通过AFM探针的弯曲变形获得试样的变形、载荷等信息，但大多依靠手动执行，自动化程度有待进一步提升；MEMS方法则能够避开上述缺点，能够集成驱动和传感单元，成为独立的材料测试系统，并且由于自身的小尺寸，易于与SEM/TEM进行集成实现原位实验。但目前采用静电驱动的MEMS平台需要设计额外的电气隔离结构；而采用热驱动的MEMS平台存在着不可避免的温漂，并可能带来对试样的非预期温升，需要设计散热结构以进行抑制，因此采用上述驱动方式不仅增加制造成本，还可能影响实验过程中结构的稳定性。

相比之下，由MEMS简化而来，利用外部样品杆纳米压头进行机械加载和传感，通过特殊几何结构将纳米压头对实验仪器的压缩载荷转化为实验仪器对试样拉伸载荷的推-拉微器械则具有独特优势，不仅能实现对各种脆性/塑性微纳米材料的拉伸测试，还可依靠纳米压头和电镜获得超高的载荷和位移分辨率，而且由于不必在实验仪器上集成驱动和传感模块，制备成本也大为降低，制造技术也与刻蚀工艺兼容。但是该产品属于易耗品，考虑到测量结果的精确性，一般不重复使用。

目前国内外均对微纳米材料力学性质测量平台进行了广泛研究，但国内研究方向大多集中于传统微拉伸法或MEMS方法，极少有关于推-拉微器械的相关研究，而国外已报道的几类推-拉微器械中，文献^[1]所示θ型存在着试样拉伸过程中伴随有垂直拉伸方向的平动，影响原位观测区域；文献[2]所示类型依靠细长梁的后屈曲变形，试样拉伸位移与载荷呈现明显的非线性关系，不利于载荷等原始实验数据的测量；文献^[3]所示类型虽然能够避开前述缺点，但该推-拉微器械沿试样拉伸方向的刚度较小，不利于实现精准位移控制加载模式(所谓精准位移控制加载模式是指保证纳米压头的位移与试样拉伸的位移一致，从而保证试样所受载荷数据值计算正确。实验时所读取的载荷数据为纳米压头与推-拉微器械接触处的反力，如果微器械刚度足够大，则试样加载前后接触区域的变形程度几乎无变化，从而能够保证位移的一致性；反之，当推-拉微器械刚度较小时，若试样刚度与之相当，则接触区域的变形程度将会出现明显变化，从而影响位移的一致性，造成试样所受载荷出现偏差，影响最终的计算结果)，难以捕捉测试试样由于材料屈服、相变等引起的应变软化过程，制约了深层次揭示微纳米材料的失效机制，并且该推-拉微器械售价昂贵，又属于易耗品，严重制约了微纳米力学实验的进展，因此亟需设计一种具有新结构的推-拉微机械装置。