CN1588024A - 一种测量单个线形纳米材料杨氏模量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量单个线形纳米材料杨氏模量的方法，该方法利用测量装置测量待测单个线形纳米材料样品的特征尺寸；将待测样品固定在样品支撑装置中两个相对设置的针状电极中的一个电极上；对样品支撑装置上的两个针状电极施加交变电信号使样品产生振动，改变交变电信号的频率，同时利用测量装置对待测样品的振动状态进行监测，通过寻找其出现最大振幅时所作用交变电信号的频率，即共振频率，以确定该样品的本征固有频率；最后利用已知函数f₀＝F(Y，S，ρ)，其中f₀为材料的固有频率，S代表材料的特征尺寸，ρ为材料的密度，获得待测样品杨氏模量Y。本发明将纳米材料的物性直接与其微观结构对应起来，解决了测量单个线形纳米材料杨氏模量的难题。

Description

一种测量单个线形纳米材料杨氏模量的方法

技术领域

本发明涉及一种测量单个线形纳米材料杨氏模量的方法。

背景技术

现有技术通常采用拉伸方法，根据材料应力-应变关系式Δσ＝YΔε，其中Y为杨氏模量，Δσ为应力，Δε为应变，通过测量Δσ和Δε，得出材料的杨氏模量Y。由于这种拉伸方法只能用于测量宏观或宏量样品的杨氏模量，而对于单个线形纳米材料的杨氏模量则需要寻找其他的测量方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种能够测量单个线形纳米材料的杨试模量的方法。

为达到上述目的，本发明一种测量单个线形纳米材料杨氏模量的方法包括如下步骤：

①利用测量装置测量待测单个线形纳米材料样品的特征尺寸；

②将待测单个线形纳米材料样品固定在样品支撑装置上，该样

  品支撑装置具有两个相对设置的针状电极，待测样品位于两

  针状电极之间，待测样品一端与其中的一个针状电极相固定，

  其另一端与另一针状电极之间留有适当间隙；

③对样品支撑装置上的两个针状电极施加具有适当电压的交变

  电信号；

④改变所施加交变电信号的频率，同时利用测量装置对待测单

  个线形纳米材料样品在交变电信号作用下的振动状态进行监

  测，通过寻找其出现最大振幅时所作用交变电信号的频率，

  即共振频率，以确定该样品的本征固有频率；

⑤将测量装置测取的待测单个线形纳米材料样品的特征尺寸及

  其固有频率代入已知函数f₀＝F(Y，S，ρ)中，其中f₀为材料

  的固有频率，S代表材料的特征尺寸，ρ为材料的密度，以

  获得待测样品杨氏模量Y。

进一步地，所述测量装置为透射电子显微镜，与其相配，所述样品支撑装置上带有与所述透射电子显微镜上的样品台装配结构相匹配的安装盘，所述两针状电极位于与安装盘相连的支杆上，安装盘上设置有针状电极绝缘引线端子。

进一步地，所述测量装置为透射电子显微镜，与其相配，所述样品支撑装置上带有与所述透射电子显微镜上的样品台装配结构相匹配的安装盘，该安装盘上设置有两针状电极间隙微分调节机构，该微分调节机构包括微分头、轴向调节杆、导杆，微分头安装在安装盘上，并操纵轴向调节杆轴向伸缩，导杆与安装盘相固定，对轴向调节杆的轴向伸缩进行导向，所述两针状电极之一固定在轴向调节杆的端部，另一针状电极与所述导杆相固定，所述安装盘上设置有针状电极绝缘引线端子。

本发明将纳米材料的物性直接与其微观结构对应起来，利用透射电子显微镜测量样品的特征尺寸，通过对样品施加交变电信号的方式获得样品的本征固有频率，然后利用已知函数得出样品的杨氏模量，解决了测量单个线形纳米材料杨氏模量的难题。本发明基于：材料在外加策动力的作用下作受迫振动，当策动力的频率与材料的固有频率相同时，就发生共振现象；材料的固有频率由其本身的杨氏模量和特征尺寸决定，即存在函数关系式：f₀＝F(Y，S，ρ)，其中f₀为材料的固有频率，S代表材料的特征尺寸，ρ为材料的密度，是已知量。通过测量f₀和S从而确定杨氏模量Y。本发明是发展纳米科学的新方法和新技术。

附图说明

图1为样品支撑装置剖视图；

图2为图1中A部局部放大图；

图3为图2所示部位俯视图；

图4为图3中B部放大示意图；

图5为单个线形纳米材料与其中一个针状电极固定后在透射电子显微镜中观察到的静止状态示意图；

图6为在透射电子显微镜中所观察到的单个线形纳米材料在交变电信号作用下产生共振时的状态示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，样品支撑装置包括安装盘10、微分头1、轴向调节杆、导杆12，轴向调节杆由7、13、15三段构成，其中杆7与杆13之间通过销轴11相连，杆13与杆15之间通过套14及销轴20相连，微分头1通过支撑套2与安装盘10相固定，微分头1端部通过套3、销轴4、过渡接头5及轴承与轴向调节杆一端可转动连接，轴向调节杆端部通过波纹管6与套筒21气密相连，导杆12固定在安装盘10上，导杆12通过螺钉安装一支撑件18，针状电极17固定在支撑件18上，针状电极16安装固定在杆15端部的安装孔内，待测单个线形纳米材料19固定在针状电极16端部，两针状电极16、17通过电线分别与安装盘10处设置的接线端子8、9相连。

测量待测单个线形纳米材料杨氏模量前，首先将固定有待测样品的样品支撑装置插入透射电子显微镜内，然后将交变电信号发生装置(图中未示出)信号输出端与接线端子8、9相接。

测量时，开启透射电子显微镜对待测样品的特征尺寸进行测量，向两针状电极16、17施加交变电信号，在透射电子显微镜下对待测样品在交变电信号作用下的振动状态进行观察和测量判断，改变交变电信号的频率，直至使待测样品发生共振状态，以确定待测样品的共振频率，即本征固有频率，最后将测得的待测样品的特征尺寸及其本征固有频率代入相应的已知函数f₀＝F(Y，S，ρ)中，其中f₀为材料的固有频率，S代表材料的特征尺寸，ρ为材料的密度，计算得出该样品的杨氏模量。

待测样品上未作用有交变电信号时的静止状态和在交变电信号作用下产生共振时的状态分别如图5、图6所示。该待测样品为纳米碳纤维，其特征尺寸为：长度L＝6.5μm，直径D＝45nm，测得的固有频率为：f₀＝717kHz，密度：ρ＝2.26×10³kg/m³，将上述参数代入函数：

$Y=\mathrm{\ρ}{\left(\frac{8\mathrm{\π}{f}_0{L}^2}{1.875^{2}D}\right)}^2$

得到该纳米碳纤维的杨氏模量：Y＝52Gpa。

为了使待测样品在交变电信号作用下产生相应的振动，可对两针状电极的间距进行调节，以使待测样品端部与另一针状电极之间具有适当的间隙。

单个线形纳米材料的断面形状不同，表达其杨氏模量的已知函数不同，相应的已知函数中所涉及的材料的特征尺寸不同。

断面为实心圆形纳米线，表达其杨氏模量的函数为：

$Y=\mathrm{\ρ}{\left(\frac{8\mathrm{\π}{f}_0{L}^2}{{1.875}^{2}D}\right)}^2$

其中L为待测纳米线长度，D为待测纳米线直径，ρ为材料密度；

断面为矩形的纳米带，表达其杨氏模量的函数为：

$Y=48\mathrm{\ρ}{\left(\frac{\mathrm{\π}{f}_0{L}^2}{1.875^{2}T}\right)}^2$

其中L为待测纳米带长度，T为待测纳米带厚度，ρ为材料密度；

断面为环行的纳米管，表达其杨氏模量的函数为：

$Y=\frac{\mathrm{\ρ}}{{D_1}^2+{D_2}^2}{\left(\frac{8\mathrm{\π}{f}_0{L}^2}{{1.875}^2}\right)}^2$

其中L为待测纳米管长度，D₁为待测纳米管内径，D₂为待测纳米管外径，ρ为材料密度。

Claims (3)

1.一种测量单个线形纳米材料杨氏模量的方法，其步骤如下：

①利用测量装置测量待测单个线形纳米材料样品的特征尺寸；

②将待测单个线形纳米材料样品固定在样品支撑装置上，该样品支撑装置具有两个相对设置的针状电极，待测样品位于两针状电极之间，待测样品一端与其中的一个针状电极相固定，其另一端与另一针状电极之间留有适当间隙；

③对样品支撑装置上的两个针状电极施加具有适当电压的交变电信号；

④改变所施加交变电信号的频率，同时利用测量装置对待测单个线形纳米材料样品在交变电信号作用下的振动状态进行监测，通过寻找其出现最大振幅时所作用交变电信号的频率，即共振频率，以确定该样品的本征固有频率；

⑤将测量装置测取的待测单个线形纳米材料样品的特征尺寸及其固有频率代入已知函数f₀＝F(Y，S，ρ)中，其中f₀为材料的固有频率，S代表材料的特征尺寸，ρ为材料的密度，以获得待测样品杨氏模量Y。

2.根据权利要求1所述的一种测量单个线形纳米材料杨氏模量的方法，其特征在于，所述测量装置为透射电子显微镜，与其相配，所述样品支撑装置上带有与所述透射电子显微镜上的样品台装配结构相匹配的安装盘，所述两针状电极位于与安装盘相连的支杆上，安装盘上设置有针状电极绝缘引线端子。

3.根据权利要求1所述的一种测量单个线形纳米材料杨氏模量的方法，其特征在于，所述测量装置为透射电子显微镜，与其相配，所述样品支撑装置上带有与所述透射电子显微镜上的样品台装配结构相匹配的安装盘，该安装盘上设置有两针状电极间隙微分调节机构，该微分调节机构包括微分头、轴向调节杆、导杆，微分头安装在安装盘上，并操纵轴向调节杆轴向伸缩，导杆与安装盘相固定，对轴向调节杆的轴向伸缩进行导向，所述两针状电极之一固定在轴向调节杆的端部，另一针状电极与所述导杆相固定，所述安装盘上设置有针状电极绝缘引线端子。

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