專利名稱：一種測(cè)量納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種纖維單絲拉伸強(qiáng)度的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
1991年，日本學(xué)者Lijima首次報(bào)道碳納米管的合成，掀起了納米纖維的研究熱 潮。納米纖維，即一維納米材料，按照形貌可以分為納米管、納米線、納米帶、納米電纜等。由 于納米尺寸效應(yīng)，納米纖維可表現(xiàn)出很多不同于塊體材料的性能，如新穎的光學(xué)、電學(xué)、催 化等性質(zhì)，在微電子、光電子和納米催化等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景；同時(shí)，納米纖維還具有 優(yōu)異的力學(xué)性能，彈性模量和拉伸強(qiáng)度可以接近理論值(如碳納米管和碳化硅納米纖維)， 在增強(qiáng)金屬基、陶瓷基、樹脂基的復(fù)合材料領(lǐng)域都有著極其重要的應(yīng)用價(jià)值。為了實(shí)現(xiàn)上述 的潛在應(yīng)用，首先應(yīng)對(duì)納米纖維的性能進(jìn)行深入研究。納米纖維的拉伸強(qiáng)度，是一個(gè)重要的力學(xué)性能指標(biāo)，用來(lái)衡量納米纖維所能承受 的最大拉應(yīng)力。一般地，當(dāng)纖維用作復(fù)合材料增強(qiáng)體時(shí)，增強(qiáng)和增韌效果主要取決于纖維的 拉伸強(qiáng)度。所以，精準(zhǔn)地測(cè)量出纖維的拉伸強(qiáng)度顯得尤為重要和必要。傳統(tǒng)纖維(一般指直 徑在微米量級(jí)以上的纖維)拉伸強(qiáng)度的測(cè)試技術(shù)，已經(jīng)基本成熟，只要將纖維兩端固定并在 載荷的牽引下拉斷，記錄下纖維斷裂時(shí)的載荷，便可以根據(jù)纖維的斷面面積計(jì)算出拉伸強(qiáng) 度的值。雖然該方法在原理上同樣適用于納米纖維，但由于納米纖維的直徑很小(幾個(gè)納米 至幾百納米)，無(wú)法像操作傳統(tǒng)纖維那樣直接夾住或粘住纖維的兩端，往往要借助微納米操 作技術(shù)。測(cè)量納米纖維的現(xiàn)有方法很少，都需要借助原子力顯微鏡或帶有原位操作功能的 電子顯微鏡將納米纖維固定到力學(xué)探頭上，然后在持續(xù)升高的載荷作用下拉伸納米線(舉 例，參考文獻(xiàn)W. Dingetal. , Mechanicsofcrystallineboronnanowires, CompositesScienc eandTechnoIogym (2006) 1109 - 1121)。在具體操作中，最難實(shí)現(xiàn)的步驟就是將納米纖維的 兩端固定到力學(xué)探頭上，可以歸結(jié)于兩個(gè)方面的原因一是納米纖維的尺寸太小而不容易 夾取，二是操作中極小的力會(huì)使納米纖維產(chǎn)生斷裂或損傷。同時(shí)，由于現(xiàn)有測(cè)試方法需要在 原子力顯微鏡或電子顯微鏡中進(jìn)行操作，不利于重復(fù)和大量測(cè)試，缺乏實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有測(cè)量納米纖維方法存在操作復(fù)雜及操作不方便的 問題。測(cè)量納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度的方法是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的一、將納米纖維的兩 端固定在凹形模板上，然后將強(qiáng)力膠滴在納米纖維中間后在室溫下固化，即在納米纖維上 獲得直徑為廣100微米的小球；二、然后調(diào)節(jié)卡具的卡頭將納米纖維上的小球夾住，并將卡 頭與力學(xué)傳感器連接，力學(xué)傳感器與計(jì)算機(jī)連接；三、卡頭固定不動(dòng)，延納米纖維軸向方向 以廣ΙΟΟμπι/min的速度緩慢拉動(dòng)凹形模板，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄卡頭所承受的拉力載荷，直 到納米纖維被拉斷，得到最大拉力載荷Fm，將Fm帶入公式ο t=Fm/s計(jì)算出納米纖維的強(qiáng)度Ot;即完成了納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度測(cè)量；其中，上述公式中01表示納米纖維的強(qiáng)度，Ot 的單位Gpa，F(xiàn)ffl表示最大拉力載荷，F(xiàn)ffl的單位mN，S表示納米纖維斷面的橫截面積，S的單 位μ m2。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、容易操作、準(zhǔn)確率高，在開放式的環(huán)境中即可操作，操作方便，可 重復(fù)測(cè)試和大量測(cè)試，實(shí)用性強(qiáng)；準(zhǔn)確率達(dá)95%以上。與圖1所述方法相比，本發(fā)明更簡(jiǎn)便、易于操作，測(cè)試成本可以大大降低，而且利 于大量樣品的測(cè)試，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。將納米纖維固定在凹形模板上可以在開放空間 內(nèi)進(jìn)行，避免了已有測(cè)試方法中在原子力顯微鏡或電子顯微鏡中將納米纖維固定到力學(xué)探 頭上的復(fù)雜簡(jiǎn)便；本發(fā)明方法可以避免納米纖維損傷，具有更高的精度。適用于測(cè)量直徑 5^2000nm的纖維。若纖維的長(zhǎng)度小于2mm，可以通過(guò)先在凹形模板兩端預(yù)連結(jié)上兩根納米 棒，然后將待測(cè)納米纖維兩端固定在納米棒上。


圖1是現(xiàn)有測(cè)量納米纖維法的示意圖；圖2是卡具卡住納米纖維上的小球的示意 圖，圖3是納米纖維被拉斷的示意圖；圖中1表示牽引端，2表示納米纖維，3表示固定端，4 表示卡具，5表示小球，6表示凹形模板，7表示力學(xué)傳感器，一表示拉動(dòng)方向。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式中測(cè)量納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度的方法是通過(guò)下述步 驟實(shí)現(xiàn)的一、將納米纖維的兩端固定在凹形模板上，然后將強(qiáng)力膠滴在納米纖維中間后在 室溫下固化，即在納米纖維上獲得直徑為廣100微米的小球；二、然后調(diào)節(jié)卡具的卡頭將 納米纖維上的小球夾住，并將卡頭與力學(xué)傳感器連接，力學(xué)傳感器與計(jì)算機(jī)連接；三、卡頭 固定不動(dòng)，延納米纖維軸向方向以廣ΙΟΟμπι/min的速度緩慢拉動(dòng)凹形模板，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí) 記錄卡頭所承受的拉力載荷，直到納米纖維被拉斷，得到最大拉力載荷Fm，將Fm帶入公式 σ t=Fffl/s計(jì)算出納米纖維的強(qiáng)度ο t ；即完成了納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度測(cè)量；其中，上述公 式中ο t表示納米纖維的強(qiáng)度，σ t的單位Gpa，F(xiàn)ffl表示最大拉力載荷，F(xiàn)ffl的單位mN，S表 示納米纖維斷面的橫截面積，S的單位μ m2。在步驟三過(guò)程中小球不發(fā)生形變。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一中所述的強(qiáng)力 膠為502強(qiáng)力膠或101強(qiáng)力膠。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是步驟一述凹形模 板材料為紙、金屬、單晶硅片或塑料。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同的是步驟一所述 凹形模板凹槽的寬度不小于2mm。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至三之一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四之一不同的是步驟一中在 納米纖維上獲得小球的直徑為5 80微米。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至四之一相 同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四之一不同的是步驟一中在 納米纖維上獲得小球的直徑為1(Γ50微米。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至四之一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四之一不同的是步驟一中在 納米纖維上獲得小球的直徑為20微米。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至四之一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式中測(cè)量納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度的方法是通過(guò)下述步 驟實(shí)現(xiàn)的一、將直徑為400nm的碳化硅納米纖維的兩端固定在紙質(zhì)凹形模板上，然后將 101強(qiáng)力膠滴在納米纖維中間后在室溫下固化，即在納米纖維上獲得直徑為15微米的小 球；二、將復(fù)合材料界面性能評(píng)價(jià)裝置上，然后調(diào)節(jié)卡具的卡頭將納米纖維上的小球夾住， 并將卡頭與力學(xué)傳感器連接，力學(xué)傳感器與計(jì)算機(jī)連接；三、卡頭固定不動(dòng)，延納米纖維軸 向方向以50ym/min的速度緩慢拉動(dòng)凹形模板，(見圖2)，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄卡頭所承受的 拉力載荷，直到納米纖維被拉斷(見圖3)，得到最大拉力載荷Fm=2. 46mN，納米纖維斷面面積 S=O. 1256 μ m2，將FmS入公式ο t=Fm/s計(jì)算出納米纖維的強(qiáng)度ο t=19. 59GPa ；即完成了納 米纖維單絲拉伸強(qiáng)度測(cè)量。本實(shí)施方式復(fù)合材料界面性能評(píng)價(jià)裝置是日本東榮產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的，產(chǎn)品型 號(hào)HM410 型。采用金屬、單晶硅片或塑料材質(zhì)凹形模板替換紙質(zhì)凹形模板，強(qiáng)力膠可變換為502 膠，變換凹形模板和更替膠的類型對(duì)測(cè)量結(jié)果均不會(huì)造成影響，更換模板或膠水而造成的
誤差率小于2%。
權(quán)利要求
一種測(cè)量納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度的方法，其特征在于測(cè)量納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度的方法是通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)的一、將納米纖維的兩端固定在凹形模板上，然后將強(qiáng)力膠滴在納米纖維中間后在室溫下固化，即在納米纖維上獲得直徑為1~100微米的小球；二、然后調(diào)節(jié)卡具的卡頭將納米纖維上的小球夾住，并將卡頭與力學(xué)傳感器連接，力學(xué)傳感器與計(jì)算機(jī)連接；三、卡頭固定不動(dòng)，延納米纖維軸向方向以1~100μm/min的速度緩慢拉動(dòng)凹形模板，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄卡頭所承受的拉力載荷，直到納米纖維被拉斷，得到最大拉力載荷Fm，將Fm帶入公式σt = Fm/s計(jì)算出納米纖維的強(qiáng)度σt；即完成了納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度測(cè)量；其中，上述公式中σt表示納米纖維的強(qiáng)度，σt的單位Gpa，F(xiàn)m表示最大拉力載荷，F(xiàn)m的單位mN，S表示納米纖維斷面的橫截面積，S的單位μm2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度的方法，其特征在于步驟一 中所述的強(qiáng)力膠為502強(qiáng)力膠或101強(qiáng)力膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種測(cè)量納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度的方法，其特征在于步 驟一述凹形模板材料為紙、金屬、單晶硅片或塑料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種測(cè)量納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度的方法，其特征在于步驟一 所述凹形模板凹槽的寬度不小于2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的一種測(cè)量納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度的方法，其特征在于 步驟一中在納米纖維上獲得小球的直徑為5 80微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的一種測(cè)量納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度的方法，其特征在于 步驟一中在納米纖維上獲得小球的直徑為1(Γ50微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的一種測(cè)量納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度的方法，其特征在于 步驟一中在納米纖維上獲得小球的直徑為20微米。
全文摘要
一種測(cè)量納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度的方法，它涉及一種纖維拉伸強(qiáng)度的測(cè)量方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有測(cè)量納米纖維方法存在操作復(fù)雜及操作不方便的問題。測(cè)量方法如下一、將納米纖維固定在凹形模板上，將強(qiáng)力膠滴在納米纖維中間后固化，即獲得小球；二、用卡頭將小球夾住，并將卡頭與力學(xué)傳感器連接，力學(xué)傳感器與計(jì)算機(jī)連接；三、延納米纖維方向緩慢拉動(dòng)凹形模板，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄卡頭所承受的拉力載荷，直到納米纖維被拉斷，將最大拉力載荷Fm帶入σt=Fm/s計(jì)算出納米纖維的強(qiáng)度σt；即完成了納米纖維單絲拉伸強(qiáng)度測(cè)量。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、容易操作、準(zhǔn)確率高，在開放式的環(huán)境中即可操作，操作方便。準(zhǔn)確率達(dá)95%以上。
文檔編號(hào)G01N3/04GK101819109SQ201010189858
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者張曉東, 溫廣武, 黃小蕭 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)