[发明专利]纳米尺度材料内耗与模量测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料测量技术领域，具体涉及一种纳米尺度材料内耗与模量测量方法及装置。

背景技术

材料的缺陷(如点缺陷、位错、界面、表面等)和微观结构是影响该材料性能的重要因素，通过测量材料在外界交变作用条件下的响应可以探测该材料的缺陷和微观结构的特性和动力学演化过程。内耗与力学谱是通过对材料施加周期交变应力，测量材料动力学响应(应变)，是一种有效的研究材料缺陷和微观结构的实验方法。研究发现，当材料尺度减小到微米或纳米尺度时，表面效应和尺寸效应显著，也将影响材料内部的缺陷和微结构，这也导致了纳微尺度材料具有以往宏观材料所不具备的独特性能。但是传统内耗装置对试样尺寸要求较高，厚度一般为1毫米左右，长度为40-70毫米，这对于纳米级别大小的材料来说无法适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种测量方法简单，操作方便，便于实施的纳米尺度材料内耗与模量测量方法及装置。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

一种纳米尺度材料内耗与模量测量方法，其特征在于：所述的测量方法采用静电激发方式驱动纳米材料做自由衰减(自由衰减测量模式，即测量纳米样品从一定偏转幅度开始的阻尼振动)或者强迫振动运动(强迫振动测量模式，即测量纳米样品在周期性应力作用下的应变)，通过高速视频采集系统(高速相机)将电子显微镜观测的样品振动信号进行实时处理并运算出纳米材料的内耗值和相对模量；

其具体测量方法采用高频振动试样的振幅测量和低频振动试样的振幅测量；

所述的高频振动试样的振幅测量，即在覆盖共振频率的不同频率下激发试样，由于纳米样品共振频率较高，一般在kHz左右，当共振频率高于1KHz时，高速相机难以分辨样品振动具体位置，只能探测到振动试样的平均效果，即一个展宽的像，如静止试样的像宽度为a，则振动试样的像将展宽为A＝k+a，其中k/2即是试样振幅；

对于高频振动试样一方面可以采用共振峰法获取内耗值和模量，另一方面可以采用自由衰减法测量内耗；

采用共振峰法获取内耗值和模量：首先设定一个频率扫描范围，能够覆盖试样的本征共振频率，然后由计算机按一定的步长从低频段开始扫描，在每一个激发频率下(保持激发电压不变)，分析处理经电子显微镜放大后由高速相机传过来的图像信号，得到试样振动的振幅，作振动振幅与频率的关系曲线，可得到一个中心位于共振频率的共振峰，由公式(1)拟合此共振峰，即可得到共振频率，并可同时估算出内耗值；

x02=B(ωr2-ω2)2+ωr4tan2φ---(1)]]>

其中，x₀是试样的振动振幅，B是常数，tanφ＝Q^-1是试样的内耗，ω_r＝2πf_r是试样的共振圆频率，ω是外加激发源的圆频率，模量M正比于ω_r²；

采用自由衰减法测量内耗：当在共振频率下静电激发试样至一定偏转幅度后，停止激发，使试样作自由衰减振动，在t₀和t₁时刻获取样品的振幅值(A₀和A₁)和共振频率(f_r)，则样品的内耗值为