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微/纳米力学实验平台(1)
    时间:2012-11-23     点击率:26908

编者按:在中国科学院“知识创新工程”的持续支持下,力学研究所的装备建设获得了长足的进展,特别是公共实验平台体系的形成为研究与开发工作铺垫了坚实的物质基础。本刊将在“漫步力学所”栏目中,陆续介绍力学所公共实验平台体系的组成、功能与应用。此系列的开篇是张泰华研究员级高工等人开发建成的“微/纳米力学实验平台”。


    微/纳米力学实验平台(1)

    微/纳米力学实验平台的构成与功能简介


        微/纳米力学实验平台设立在非线性力学国家重点实验室(LNM)。为了配合该实验室的学科方向,LNM制定了实验平台装备建设的总体目标:建立一个功能配套的多尺度力学实验研究平台,其中空间尺度是从纳微米到宏观连续介质尺度,而时间尺度是能够达到应变率范围从10-4/秒至106/秒。根据载荷和位移测量能力,LNM仪器设备配置结构如图1所示,可以看到所覆盖的空间尺度范围超过7个数量级。


    图1 LNM力学实验平台的仪器设备配置体系

        微/纳米力学实验平台(Experimental Platform on Micro/Nano Mechanics)是承担材料静态力学性能测试的子系统之一。众所周知,力学性能参数是评价材料质量的主要指标,也是进行设计与计算的重要依据。在过去的一百多年中,根据材料使用环境的要求,人们发展并使用不同的标准试验测试其力学性能。一类是材料试验机技术,如单轴拉伸、压缩和扭转等方式,属简单应力状态的试验,主要获得材料的应力-应变及其材料参数等数据,这是最常用、最直接的测试方式。另一类是硬度计技术,如压入和划入方式,属复杂应力状态的试验,测量参数为各种硬度,主要用来检验产品的质量,用以表征材料抵抗局部变形的能力,这是衡量材料软硬程度的一种功能指标。近年来,随着新材料的合成和制造工艺的提高,特别是微机电系统(MEMS)的兴起,测试对象的特征尺寸越来越小(低于100微米),对测试系统提出了许多新的要求。例如,如何提高常规拉伸和压缩试验的载荷和位移测量分辨能力?如何制作、夹持、对中(保持试样与加载方向的同轴)微小试样?而传统硬度计技术测量参数非常有限。因此,集成传统硬度计的压入方式和材料试验机的测量方式,发展基于接触力学的分析方法,一种适用于材料和结构表面微区力学测试的仪器化压入测试技术(Instrumented Indentation Testing,IIT)应用而生。该压入测试技术不仅能提供压入硬度和弹性模量等,划入测试还能提供诸如断裂起始的失效机理和区分韧性和脆性断裂方式等的定量信息。目前,仪器化压入试验已逐渐成为微/纳米力学测试的主要工作方式,它又重新唤起对压入方式的研究热情:如何提高测量技术以便获得精确的压入载荷和深度?如何建立适当的力学模型以便从复杂应力状态中识别可靠的和更多的力学参数?
        张泰华研究团队等十余年来一直致力于微/纳米尺度下材料和结构的力学测试。他们着眼于基础研究:研究纳米压入技术,以便提高测试的可靠性;揭示压入能量标度关系的力学机制,发展塑性、粘弹、断裂参数的识别模型及其测试方法,以便增强参数识别的多元化。以此延伸至标准化和仪器化的研究,主持起草了国家标准《仪器化纳米压入试验方法通则》等3项,研制微米力学测试仪器数台套,促进基础研究成果的应用。特别是,他们一方面以实验研究的成果来提升技术服务,另一方面又以技术服务的需求来牵引实验研究,实现了该平台的可持续发展。图2给出了微/纳米力学实验平台的系统构成示意图。它由两个子系统组成:微/纳米力学性能测试系统和辅助的显微观察系统。


    图2 微/纳米力学实验平台系统构成示意图


        微/纳米力学性能测试系统包括两种测量方式的仪器:纳米压入和划入仪(MTS Nano Indenter)和微力材料试验机(Instron 5848 Microtester),其照片及其技术指标参见图3。其中,商用纳米压入和划入仪(MTS Nano Indenter)通过连续记录载荷和位移来获得材料的压入硬度和弹性模量。张泰华研究团队基于纳米压入仪的测量原理,开发了微力材料试验机的仪器化压入功能,从而拓宽了压入测试的载荷范围;通过建立适当的压入力学模型,发展了塑性、粘弹、断裂等的力学参量分析及其测试方法。显微观察系统也包括两台仪器:金相显微镜和体视显微镜,其照片及其技术指标参见图4,主要用于试样表面形貌和压痕形貌的观察。


    图3 微/纳米力学性能测试系统的测量仪器照片及其技术指标



    图4 显微观察系统的仪器照片及其技术指标


       微/纳力学实验平台的测量范围参见图5。不难看到,该平台的载荷和位移测量范围宽,适用范围广。


    图5 微/纳力学实验平台的仪器测量范围

    (王柏懿依据LNM相关资料撰写)