CN103743620A - 采用低维纳米材料对平面变形进行非接触测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用低维纳米材料对平面变形进行非接触测量的方法。具体步骤包括：材料准备；系统准备；参数标定；拉曼测量；数据处理。将低维纳米材料作为传感介质，基于标定获取材料的应变传感关键参数，通过偏振显微拉曼仪器直接测量微米尺度测点的各个应变分量，或微区域内各个平面应变分量的全场分布。与目前相关技术相比，没有引入具体的低维纳米材料的拉曼偏振敏感性函数，而是从广义角度给出通用的关系式，其中包括可通过标定测出的纯敏系数来代表纳米材料偏振选择特征，从而完全脱离了对传感介质材料纯度的依赖性，使得该方法具备了广谱性和易用性。可用于微尺度力学行为的实验研究、MEMS微器件力学性能的测试等多个领域的相关应用场合。

Description

采用低维纳米材料对平面变形进行非接触测量的方法

技术领域

本发明属于工程力学测试技术，具体涉及一种以光谱学方式对平面微尺度变形量及其分布规律进行测量的方法。

背景技术

对材料微观尺度进行力学性能的测量是目前材料工程领域研究的热点或需求点，特别是对毫米以下尺度的微小器件变形量的测量，要求其分辨率高于毫米尺度时，存在诸多技术问题。例如：对电阻应变片进行测量，电阻应变贴片至少在几毫米以上，并且该测量属于有线的接触式单点测量；经典的光测力学技术主要是对较大的变形场进行测量，但是其分辨率难以达到微米水平。在显微测量方面，以原子力显微镜、扫描电镜、透射电镜、纳米压痕仪等为代表的显微检测仪器，可实现纳米至微米尺度级的形貌观测，但对于被测物体因受力或者环境载荷所导致的变形、特别是各应变分量分布的定量检测，上述仪器则显得无能为力。在各种光谱类技术中，显微拉曼技术可实现拉曼活性材料的微区应变测量，但不能直接适用于非拉曼活性材料。目前采用碳纳米管作为传感介质对平面变形测量的装置与方法，由于其理论模型的局限性，对于传感介质纯度的依赖性极强，只有使用纯度很高的单壁碳纳米管才具有基本符合其理论模型要求的条件。否则不能满足其测量置信度和较高的传感效率，并且测量成本高、适用性窄、重复性不易保证。目前虽然已经开发了多种不同类型的具有拉曼活性和应变敏感性的低维纳米材料，但与碳纳米管作为传感介质相类似的是，这些材料作为传感介质同样存在因制备水平低，导致材料纯度难以符合理论模型（即传感介质纯度依赖性）的问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是：提出一种以拉曼光谱技术为测量手段、采用低维纳米材料对平面变形进行非接触测量的方法。

本发明所述的测量方法，包括以下5个步骤：

（1）试样准备：

对被测试样表面进行抛光处理和净化处理。将作为传感介质的低维纳米材料，组装、或者吸附、或者杂交、或者复合、或者薄膜贴片的方式随机均匀附着在被测试样表面，并使其与被测物体具有一定的界面强度。

（2）系统准备：将表面附着低维纳米材料的被测试样置于偏振显微拉曼系统的样品台上，显微镜聚焦到被测试样表面。设置偏振显微拉曼系统的各项参数：激光波长与功率、拉曼采样时长和累加次数、拉曼光谱取谱方式与曲谱范围。

（3）参数标定：对于同一批制备的低维纳米材料，在给定并已知其应变状态ε_X、ε_Y和γ_XY下，采用偏振显微拉曼系统测量α、β两个不同偏振方向下的频移信息，利用以下联立方程组求解获得Ψ和Г。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\Ω}}^{\left(\mathrm{\α}\right)}=\mathrm{\Ψ}\·[(1+\mathrm{\Γ}\cos 2\mathrm{\α})\·{\mathrm{\ϵ}}_X+(1-\mathrm{\Γ}\cos 2\mathrm{\α})\·{\mathrm{\ϵ}}_Y-\mathrm{\Γ}\sin 2\mathrm{\α}\·{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{XY}}]\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}^{\left(\mathrm{\β}\right)}=\mathrm{\Ψ}\·[(1+\mathrm{\Γ}\cos 2\mathrm{\β})\·{\mathrm{\ϵ}}_X+(1-\mathrm{\Γ}\cos 2\mathrm{\β})\·{\mathrm{\ϵ}}_Y-\mathrm{\Γ}\sin 2\mathrm{\β}\·{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{XY}}]\end{array}\right.$

其中：ε_X和ε_Y分别代表被测试样表面X、Y方向的正应变分量，γ_XY为剪应变分量，Ψ为所用低维纳米材料应变传感的灵敏系数，Г为所用低维纳米材料应变传感的纯敏系数，Ψ和Г均作为所用低维纳米材料的本征常数。

（4）拉曼测量：对被测试样进行加载，选择扫描区域。确定拉曼测量扫描模式与扫描步长；调节偏振显微拉曼系统的偏振装置以控制偏振方向；取三个已知的不同偏振方向：

分别在三个偏振方向下进行拉曼扫描，采集光谱信息，确保每一采样点均获得了三个偏振方向的光谱。

（5）数据处理：对所有采样点的拉曼光谱进行去噪和拟合，获得各自的频移增量；将每个采样点三个不同偏振方向

及其各自对应的频移增量

代入以下应变传感方程组，得出该采样点的三个平面应变分量ε_X、ε_Y和γ_XY。

该方法的测量原理为：将低维纳米材料作为测量的传感介质，因其随机均匀附着在被测试样的表面，所以施加载荷时这些纳米材料会与被测式样表面共同变形。偏振显微拉曼光谱系统将入射激光聚焦到被测试样表面，采集拉曼光谱的信息。该信息中的拉曼频移增量与被测试样平面应变分量之间关系可由下面广义解析式（即应变传感方程）获得。

通过拉曼光谱的信息以及上述应变传感方程，就可获得被测试样平面的3个应变分量。

该应变传感方程中并没有引入体现低维纳米材料拉曼偏振敏感性的具体解析函数，而是从广义角度给出通用的频移-应变关系式，并定义了一个新的材料参数（即纯敏系数Г）来表征该低维纳米材料的偏振选择特征。不同类型、不同含量的低维纳米材料的灵敏系数和纯敏系数虽各有不同，但均可通过标定获得。在进行拉曼测量前，将（作为应变传感介质的）低维纳米材料置于已知的应变状态下，测量其偏振拉曼信息并将获得的频移增量代入应变传感方程，于是就能够标定出该低维纳米材料的灵敏系数Ψ和纯敏系数Г。在此基础上开展偏振拉曼测量，采集被测试样表面的每个采样点三个不同偏振方向下的拉曼光谱，由数据处理得到的频移信息连同其偏振方向代入应变传感方程，联立求解从而得出各采样点的应变诸分量。因此，基于该应变传感方程的应变测量完全不依赖于传感介质材料的纯度。

本发明的特点及产生的有益效果是：可采用多种具有拉曼活性和应变敏感性的低维纳米材料，包括碳纳米管、石墨烯、富勒烯、硅纳米线、氧化锌纳米带等，通过粘附、化学键合修饰或者分子自组装等方式，附着在非拉曼活性固体材料表面，实现平面应变分量及其微区域场的传感测量。同时也可通过溶胶凝胶、共混掺杂、原位复合等手段实现对透明的固体材料内部的应变传感测量。特点是可以脱离传感介质纯度依赖性，实现对试样表面微米尺度分辨率的平面应变分量（包括正应变和剪应变）及其分布规律的定量测量。并且可用于微尺度力学行为的实验研究、MEMS微器件力学性能的测试等多个领域的相关应用场合。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明的方法做进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。

本实施例以“碳纤维增强环氧树脂条形试件在三点弯载荷下的变形分析”为具体实施方式，具体测量步骤如下：

（1）样品制备：将碳纤维增强环氧树脂条形试件侧表面进行机械研磨抛光、丙酮清洗；将纯度为60％的单壁碳纳米管（其中单壁碳纳米管占重量的60%，多壁碳纳米管占35%，纳米级石墨颗粒和催化剂杂质占5%）与液态环氧树脂按照质量比1:99进行混合，超声分散后将混合液在碳纤维增强环氧树脂薄板上压膜固化，从而在碳纤维增强环氧树脂薄板表面制成30μm厚的附着薄膜贴片，薄膜中各种碳纳米管和颗粒杂质随机均匀分布。

（2）系统准备：将碳纤维增强环氧树脂条形试件置于偏振显微拉曼系统，传感薄膜面向显微镜头；通过50倍显微镜头将入射光聚焦到传感薄膜表面；选择偏振显微拉曼系统632.8nmHe-Ne激光器并设为10%功率输出，设置双偏协同偏振控制模式、拉曼采样时长5s并累加1次、以2650cm^-1为中心的静态取谱方式。

（3）参数标定：对试件施加ε_X=0.5%的单向拉伸载荷，已知试件材料的泊松系数为0.3，则有ε_Y=-0.15%、γ_XY=0；采用偏振拉曼实验测量α为0°、β为90°两个偏振方向下的多个采样点的平均频移增量ΔΩ⁽⁰⁾=-7.5cm^-1和ΔΩ⁽⁹⁰⁾=0.5cm^-1，联立求解Ψ和Г。

$\left\{\begin{array}{c}-7.5=\mathrm{\Ψ}\·[0.5\%(1+\mathrm{\Γ})-0.15\%(1-\mathrm{\Γ})]\\ 0.5=\mathrm{\Ψ}\·[0.5\%(1-\mathrm{\Γ})-0.15\%(1+\mathrm{\Γ})]\end{array}\right.\⇒\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Ψ}=-1000{\mathrm{cm}}^{-1}\\ \mathrm{\Γ}=\frac{8}{13}=0.615\end{array}\right.$

（4）拉曼测量：对被测试样施加三点弯载荷；选择测量区域为压头附近100×100μm²的区域，选择点扫描模式，X、Y方向步长均设为5μm，共计441个待测的采样点。取

分别为0°、45°、90°；调节偏振显微拉曼系统的偏振装置以控制偏振方向，在0°、45°、90°每个偏振方向下分别扫描测量区域并采集每个采样点的光谱。

（5）数据处理：对所有采样点的拉曼光谱进行去噪（声）和拟合，获得各自的频移增量。将每个采样点三个不同偏振方向（0°、45°、90°）及其对应的频移增量代入应变传感方程组，得出该采样点的三个平面应变分量ε_X、ε_Y和γ_XY。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\Ω}}^{\left(0\right)}=\mathrm{\Ψ}\·[(1+\mathrm{\Γ})\·{\mathrm{\ϵ}}_X+(1-\mathrm{\Γ})\·{\mathrm{\ϵ}}_Y]\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}^{\left(90\right)}=\mathrm{\Ψ}\·[(1-\mathrm{\Γ})\·{\mathrm{\ϵ}}_X+(1+\mathrm{\Γ})\·{\mathrm{\ϵ}}_Y]\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}^{\left(45\right)}=\mathrm{\Ψ}\·[{\mathrm{\ϵ}}_X+{\mathrm{\ϵ}}_Y-\mathrm{\Γ}\·{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{XY}}]\end{array}\right.\⇒\begin{array}{}\left\{\begin{array}{c}-0.013\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Ω}}^{\left(0\right)}=21{\mathrm{\ϵ}}_X+{5\mathrm{\ϵ}}_Y\\ -0.013\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Ω}}^{\left(90\right)}=5{\mathrm{\ϵ}}_X+21{\mathrm{\ϵ}}_Y\\ -0.013\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Ω}}^{\left(45\right)}=13{\mathrm{\ϵ}}_X+13{\mathrm{\ϵ}}_Y-8{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{XY}}\end{array}\right.\end{array}$

以某一点为例，其三个方向的频移增量分别为

得出该位置的应变分量分别为ε_X=4.09‰、ε_Y=-1.59‰和γ_XY=1.63‰。

作为传感介质的低维纳米材料是由一种或几种具有拉曼活性和应变敏感性（即具备对应变敏感的拉曼特征峰）的纳米球、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米片材料组成。本实施例采用了单壁碳纳米管、多壁碳纳米管以及纳米级石墨颗粒组成低维纳米材料。

本发明将该低维纳米材料作为传感介质，基于标定获取材料的应变传感关键参数，通过偏振显微拉曼仪器直接测量微米尺度测点的各个应变分量ε_X、ε_Y、γ_XY，并能够采用扫描方式实现微区域内各个平面应变分量的全场分布。与已公开的相关方法、技术相比，没有引入具体的低维纳米材料的拉曼偏振敏感性函数，而是从广义角度给出通用的关系式，其中包括可通过标定测出的纯敏系数来代表纳米材料偏振选择特征，从而完全脱离了对传感介质材料纯度的依赖性，使得该方法具备了广谱性和易用性。

Claims (2)

1.采用低维纳米材料对平面变形进行非接触测量的方法，其特征是所述方法包括以下五个步骤：

（1）试样准备：

对被测试样表面进行抛光处理和净化处理，将作为传感介质的低维纳米材料，通过组装、或者吸附、或者杂交、或者复合、或者薄膜贴片的方式随机均匀附着在被测试样表面，并使其与被测物体具有一定的界面强度；

（2）系统准备：将表面附着低维纳米材料的被测试样置于偏振显微拉曼系统的样品台上，显微镜聚焦到被测试样表面，设置偏振显微拉曼系统的各项参数：激光波长与功率、拉曼采样时长和累加次数、拉曼光谱取谱方式与曲谱范围；

（3）参数标定：对于同一批制备的低维纳米材料，在给定并已知其应变状态ε_X、ε_Y和γ_XY下，采用偏振显微拉曼系统测量α、β两个不同偏振方向下的频移信息，利用以下联立方程组求解获得Ψ和Г，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\Ω}}^{\left(\mathrm{\α}\right)}=\mathrm{\Ψ}\·[(1+\mathrm{\Γ}\cos 2\mathrm{\α})\·{\mathrm{\ϵ}}_X+(1-\mathrm{\Γ}\cos 2\mathrm{\α})\·{\mathrm{\ϵ}}_Y-\mathrm{\Γ}\sin 2\mathrm{\α}\·{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{XY}}]\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}^{\left(\mathrm{\β}\right)}=\mathrm{\Ψ}\·[(1+\mathrm{\Γ}\cos 2\mathrm{\β})\·{\mathrm{\ϵ}}_X+(1-\mathrm{\Γ}\cos 2\mathrm{\β})\·{\mathrm{\ϵ}}_Y-\mathrm{\Γ}\sin 2\mathrm{\β}\·{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{XY}}]\end{array}\right.$

其中：ε_X和ε_Y分别代表被测试样表面X、Y方向的正应变分量，γ_XY为剪应变分量，Ψ为所用低维纳米材料应变传感的灵敏系数，Г为所用低维纳米材料应变传感的纯敏系数，Ψ和Г均作为所用低维纳米材料的本征常数；

（4）拉曼测量：对被测试样进行加载；选择扫描区域，确定拉曼测量扫描模式与扫描步长；调节偏振显微拉曼系统的偏振装置以控制偏振方向；取三个已知的不同偏振方向：

，分别在三个偏振方向下进行拉曼扫描，采集光谱信息，确保每一采样点均获得了三个偏振方向的光谱；

（5）数据处理：对所有采样点的拉曼光谱进行去噪和拟合，获得各自的频移增量；将每个采样点三个不同偏振方向

及其各自对应的频移增量

代入以下应变传感方程组，得出该采样点的三个平面应变分量ε_X、ε_Y和γ_XY。

2.按照权利要求1所述的采用低维纳米材料对平面变形进行非接触测量的方法，其特征是：所述低维纳米材料是由一种或几种具有拉曼活性和应变敏感性的纳米球、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米片材料组成。