原子点阵分辨率的应力应变定量化的力学等物理性能实验台

凝聚态体系原子点阵结构决定了其物理性质的外在表现。建立具有原子点阵分辨率的，可控应力、应变作用下（定量化的应力、应变测量）凝聚态体系的力学等物理性能研究平台，对于发现位错等缺陷在纳米及原子尺度新现象、提出相关新概念和发展、完善相关的、甚至崭新的凝聚态体系强度理论具有重要意义；对于发展应力、应变状态下的纳米及原子尺度的"应变纳米物理学"提供实验基础和证据。本项目拟研制基于透射电子显微镜的"原子点阵分辨率下的应力应变定量化的力学等物理性能研究实验台"；此实验台在定量化的应力、应变作用过程中，在原子点阵分辨率下研究凝聚态物质原子结构动态演化的过程及相关力学等物理性能。实验台包括六部分：（1）透射电镜正交双轴倾转力学实验台主体，（2）力学驱动系统，（3）力学信号定量化测量系统（4）位移定量化测量系统（5）原子尺度结构演化记录系统(6)物理性能表征接口。国际尚未有类似实验平台。本项目为自主创新研制。

凝聚态体系原子点阵结构决定了其物理性质的外在表现。建立具有原子点阵分辨率的，可控应力、应变作用下（定量化的应力、应变测量）凝聚态体系的力学等物理性能研究平台，对于发现位错等缺陷在纳米及原子尺度新现象、提出相关新概念和发展、完善相关的、甚至崭新的凝聚态体系强度理论具有重要意义；对于发展应力、应变状态下的纳米及原子尺度的“应变纳米物理学”提供实验基础和证据。目前国际上尚未有商业化的设备可以实现在应力、应变状态下，在原子尺度下原位研究材料的变形机制。基于该需求，本项目研制了一套基于透射电子显微镜的“原子点阵分辨率的应力、应变定量化的力学等物理性能实验台”。第一台实验台样机将适配于FEI T20、Titan Themis 300球差矫正等透射电子显微镜。该实验台由机械系统、双轴倾转系统、驱动系统、位移传感系统等组成；经多次加工、优化，加工了一套能够与透射电镜尺寸相匹配的样品杆，并满足透射电镜真空要求；在样品杆前端样品载台的小空间内集成了驱动系统、X-Y双轴倾转系统、力学信号定量化测量系统、位移信号定量化测量系统。其中，位移信号定量化测量系统的最小分辨率可达 10 nm，双轴倾转系统可以实现在-30o~20o之间倾转、倾转精度0.1o，保证了原子尺度材料显微结构的观察，可在0~10 N范围内施加力、精度10 微牛。该实验台与原子尺度结构演化信息记录系统相结合，可以在保留双倾功能的前提下实现了“倾转样品的面内受力”，原位定量化输出样品在变形过程中的应力，并根据原位图像记录输出应变，进一步可以绘制出应力-应变曲线；同时，由于保持的大角度双倾功能，可以实现结合图像采集系统获得原位原子尺度的结构演化信息，揭示材料变形的机制。基于该实验台的阶段性成果，选取面心立方结构的Cu、Ni、Pt等纳米材料作为研究对象，对这些材料在弹、塑形变形过程中的显微结构在原子尺度上进行了原位观察，并揭示了其微观机理。共申请中国发明专利13项，授权5项；申请美国发明专利1项，授权1项；申请日本专利1项，授权1项；发表SCI论文9篇，其中包括在Nature Communications 2篇, Nano Letters 1篇，NPG ASIA Materials 1篇，Acta Materialia 1篇。