微米至亚微米尺度动态力学性能检测技术及系统研究

Dynamic mechanical properties of materials and structures at micron to nano-scale is an important issue currently for such areas as MEMS/NEMS ultrasensitive sensing and manipulation, biomaterials and cell detection, micro and nano processing and manufacturing, micro-nano superlubrication and friction, and etc., and also a new research direction of micro and nano experimental Mechanics. The project will first focus on the research of the dynamic mechanical measurement methods and systems at micro-scale based on the spatial and temporal resolution optical and imaging technologies, solving problems of high-speed movement, deep depth of imaging field, and the harsh parameter control of the environment in dynamic measurements of small-scale objects, and developing new testing methods at micro-nano scale based on measurement techniques of time serials analysis, low-coherence stroboscopic interfeormetry, and micro-interference Doppler detection. Secondly, beyond the optical diffraction limit, namely in the range from sub-micron to tens of nanometers, the propose will study the sub-micro scale dynamic mechanical measurement methods based on the mechanisms of the image blurring and marked line extending, and the techniques of speckle contrast and spectrum analysis on the scanning microscopic platforms. Finally, the project will complete the dynamic mechanical properties with a cantilever sensitized at nanoscale, interaction analysis at near surface, as well as superlubricity performance in micro-scale graphite flakes with the proposed measurement technologies and systems. Then the project will deal with the research on the dynamic coupling effects and nonlinear behavior introduced by the environmental parameters, boundary gripping, and van der Waals or other factors in dynamic testing.

微米至纳米尺度材料和结构的动态力学性能是目前MEMS/NEMS超灵敏传感与操纵、生物材料与细胞探测、微纳米加工与制造、微纳米润滑与摩擦等领域关注的重要议题，也是微纳米实验力学新的研究方向。课题首先在微米尺度，发展基于空间和时间分辨光学和图像技术的动态力学性能测量方法和系统，解决微小尺度对象在动态测量中所面对的高速运动、大景深、严苛环境参数控制等测量问题，然后研究微米尺度下时间序列分析、低相干频闪，以及干涉显微多普勒等动态微纳米实验力学检测技术和方法；其次，在超越光学衍射极限，即亚微米至数十纳米范围，研究基于扫描显微平台的图像轮廓和标记线展宽动态变形测量技术、像衬对比时变测量方法和光谱分析技术等。最后，基于研究的检测技术和系统，完成悬臂敏感的纳米材料动态力学性能检测，及近表面相互作用、微米石墨层超润滑性能检测，进而对环境参数、边界夹持、范德华等因素在动态测量中所引入的耦合效应与非线性进行研究

微米至纳米尺度材料和结构的动态力学性能是目前MEMS/NEMS超灵敏传感与操纵、生物材 料与细胞探测、微纳米加工与制造、微纳米润滑与摩擦等领域关注的重要议题，也是微纳 米实验力学新的研究方向。项目在如下领域缺的重要进展：1）研发了一套基于光学显微系统的微米力学测量系统。它是一台多尺度、适用于光学显微镜、扫描电子显微镜的微纳米力学测量系统，可实现从毫米-到微米特征尺度材料的动静态力学性能测量。2）研制了一套干涉多普勒动态位移测量系统，可以实现50pm位移灵敏度、200kHz 动态采集速度。3）系统地研究了音叉探针的动力学性能，提出了音叉探针和介观距离表面相互作用的测量方法，揭示了音叉探针在低阶和高阶模态不同的测量特性。4）提出了扫描模式下基于运动方程、扫描方程和强度不变的运动时变对象的成像机制，给出了代数、插值和两者混合的扫描畸变图像恢复和重建算法，完成了匀速运动、变形和振动对象的SEM图像恢复与运动和变形参数的反演。5）围绕小尺度动态测量方法和测量系统，课题开展了丰富的应用研究，其中在跨尺度微纳米力学性能测量方面，完成了跨尺度细菌单丝/束、超长碳纳米管/束的动静态力学性能测量，首次揭示了枯草芽孢杆菌纤维单丝的长度效应，以及单丝纤维强度的隔膜及湿度调控特性。在超长碳纳米管/束的拉伸强度研究中，直接测量了长细比超过十万的超长碳纳米管/束的力学性能，获得了低速拉伸时管间、层间界面相互作用力及单管和管束的拉伸性能，发现了制约超长碳纳米管束拉伸强度的初始应力机制(Daniels效应)，提出了增强超长碳纳米管束拉伸强度的同步拉紧-松弛策略，使其拉伸强度达80GPa。通过将光学显微技术和微纳米操纵系统相结合，建立了微米级超润滑测量平台，首次实现了石墨层间解离能的直接测量，该研究为层状材料界面能的测量提供了新的方法和平台。提出了弯曲劈裂法多层薄膜间界面能的测量方法，该研究为多层薄膜的界面强度测量提供了新方法；提出了离散圆切法，可实现不同层面内非均匀应力场分析。