纳米力学

2013年6月11-14日，在西安交通大学举办了2013纳米尺度先进材料性能国际研讨会。这次的研讨会包括了工作坊及为期三天的会议。 作为主要赞助商，德祥特意从美国请来了Hysitron(海思创)的副总裁Dan Carlson先生，Hysitron的销售及市场总监(电镜产品)Charlie Mockenhaupt先生，Protochips的总裁David Nackashi先生，为这次的工作坊及研讨会分享最新的产品信息及技术。另外，Hysitron的应用科学家宋双喜博士和魏伯任博士，及Hysitron中国应用研究中心的周善林老师及田琳老师。在工作坊内跟与会者分享了很多纳米力学测试的经验和应用数据， 使与会者获益良多。 为期四天的研讨会圆满结束，德祥衷心感谢每一位学者、讲师及参加者的支持。 单智伟教授报告现场 讨论班现场 原位纳米力学性能技术和产品的报告 纳米尺度力学行为的报告 更多产品请登陆德祥官网：www.tegent.com.cn 德祥热线：4008 822822 联系我们(终端用户) 联系我们(经销商) 邮箱：info@tegent.com.cn

作为一种新兴的力学超材料，三维微纳米点阵材料具有低密度、高模量、高强度、高能量吸收率和良好的可恢复性等优异的力学性能，极大地拓展了已有材料的性能空间。如何通过拓扑结构设计获得具有优异力学性能的三维微纳米点阵材料是固体力学领域的研究热点之一。微纳米点阵材料通常由具有特定结构的单胞在三维空间中周期阵列形成。根据组成单胞的基本元素的种类，可以将三维微纳米点阵材料分为基于桁架（truss）、平板（plate）和曲壳（shell）三种类型。目前，基于桁架的微纳米点阵材料已经表现出良好的力学性能，但其节点处的应力集中限制了其力学性能的进一步提升。近年来的研究表明，基于平板的微纳米点阵材料可以达到各向同性多孔材料杨氏模量的理论上限，然而其闭口的结构特点为其通过增材制造的手段进行制备带来了挑战。相比之下，具有光滑、连续、开口特点的曲壳结构则在构筑具有优异力学性能的微纳米点阵材料方面具有天然的优势。近期，清华大学李晓雁教授课题组采用面投影微立体光刻设备（microArch S240，摩方精密BMF）制备了特征尺寸在几十至几百微米量级的多种桁架、平板和曲壳微米点阵材料。所研究的结构包括Octet型和Iso型两种桁架结构、cubic+octet平板结构以及Schwarz P、I-WP和Neovius三种极小曲面结构。其中，cubic+octet平板结构是早先研究报道的能够达到各向同性多孔材料杨氏模量理论上限的平板结构。该团队通过原位压缩力学测试研究并对比了多种不同结构的微米点阵材料的变形特点和力学性能。结果表明，相对密度较大时，I-WP和Neovius曲壳微米点阵材料与cubic+octet平板点阵材料类似，在压缩过程中呈现均匀的变形特点。而Octet型和Iso型两种桁架点阵则在压缩过程中形成明显的剪切带，发生变形局域化。相应地，I-WP和Neovius两种曲壳点阵和cubic+octet平板点阵具有比桁架点阵更高的杨氏模量和屈服强度，这与有限元模拟的结果一致。有限元模拟同时揭示了曲壳和平板单胞具有优异力学性能的原因在于其在压缩过程中具有更均匀的应变能分布，而桁架单胞节点处存在明显的应力集中，其节点处及竖直承重杆件的局部应变能甚至可以达到整体结构平均应变能的四倍以上。该研究表明，基于极小曲面的点阵材料能够表现出比传统的桁架点阵材料更为优异的力学性能，同时其光滑、连续、无自相交区域的特点使得其在构筑结构功能一体化的微纳米材料方面具有重要的应用前景。图1. (A-F) 多种桁架、平板及曲壳单胞结构；(G-L)采用面投影微立体光刻技术制备的多种不同结构的聚合物微米点阵材料图2. 利用面投影微立体光刻技术制备的聚合物微米点阵材料原位压缩力学测试结果。(A-F)工程应力-应变曲线；(G-L)不同结构的点阵材料在加载过程中的典型图像（标尺为2 mm） 图3. 周期边界条件下不同单胞结构单轴压缩的有限元模拟结果。（A-B）归一化杨氏模量和屈服强度随相对密度的变化；（C-H）不同单胞结构的应变能分布

AFM/SEM二合一显微镜-FusionScope作为一款全新的集成式显微镜，拥有强大的材料形貌表征能力。设备通过SEM侧向视野，精准定位探针位置，针对性地对目标区域进行扫描，在半导体加工、薄膜材料、磁性样品等领域都具有突出的应用优势。同时，FusionScope还具有免样品转移、高清快速成像、一键完成模块导航等优势，在实际测试中为研究者带来了极大的便利。基于聚焦电子束诱导沉积方法制备的具有精确纳米尺度3D几何结构的等离子体纳米结构，采用FusionScope进行了原位尺寸表征（Adv. Funct. Mater. 34, 2310110, 2023）；通过低温刻蚀法制备的具有高深宽比的纳米线阵列，也采用FusionScope进行了高度、形貌、均匀性和粗糙度等方面的细致分析与总结（Appl. Phys. Rev. 11, 021211, 2024）。这些研究表明，FusionScope在材料科学研究中具有广泛的应用前景。除此之外，FusionScope在力学测试中同样具有优异的表现。通过SEM提供的视野，研究者可以实现对特定样品表面的力学性能测试，并且能够清晰地观察探针对样品的压痕过程。无论是想要探究材料的硬度、弹性模量还是断裂韧性，能在FusionScope中得到答案！AFM/SEM二合一显微镜-FusionScope1. 指定单根纳米柱的弹簧常数测试FusionScope可以精确测量单根硅纳米柱样品的弹簧常数。设备可以在SEM视野下将探针精确定位于硅纳米柱样品顶端，探针在不断接触与返回过程中即可得出力位移曲线，通过探针施加的力与纳米柱位移的比值计算得到样品的弹簧常数（Microscopy Today, 17-22, 2023）。探针测量单根硅纳米柱动态过程探针测量单根硅纳米柱快闪图样品的力学曲线2. 纳米压痕试验测试样品硬度FusionScope可以轻松实现在纳米压痕实验中的力学控制，以静制动，原位视野下轻松测试，可视化呈现纳米压痕。通过设置不同的力测试纳米压痕的效果，得到样品硬度信息。在SEM视野下测试纳米压痕的效果精确计算压痕的面积，可以避免伪结果的影响。探针在样品表面压痕压痕区域面积的AFM图像3. 复杂样品表面的力学信息测量FusionScope能够快速对具有不规则表面的载药颗粒进行力学测试与动态测量过程。如下样品主要成分为VitaminC，通过扫描电镜可以观察到样品表面崎岖不平，粗糙度较高，在进行力学测试过程中，能够通过SEM观察到一种阶段式下针过程，从而得到分段式力学曲线，二者相辅相成，互为验证。倾斜样品的力学曲线测量动态过程倾斜样品的力学曲线测量快闪图阶段式力学曲线测试结果4. 定制化实现不同力学测试需求通过无探针悬臂梁自制球形探针，满足定制化的各种需求。无探针悬臂梁顶端蘸取SEM固化胶，通过电镜视野寻找合适的样品球并进行电子束轰击对其进行固化，从而实现对球形末端悬臂梁的制备。探针下压并且实现对球形样品的力学性能测试，得到力距离曲线，全过程在SEM视野下可见。无探针悬臂梁寻找样品球并且对其进行固化过程制备完成的球形端探针相关产品1、FusionScope多功能显微镜