碳纳米管应变传感器测量理论与显微拉曼应变测量技术

摘要

近年来，微、纳领域科学技术的发展对开发跨尺度力学参量的传感与检测新方法的迫切需求受到了国内外多学科研究者的共同关注。随着碳纳米管拉曼效应相关研究的发展，以碳纳米管为传感媒介实现拉曼光谱对非拉曼活性材料的力学参量测量成为一种有潜力的微尺度实验力学测试技术。 本文在Wagner的拉曼应变传感工作基础上，构建了一个完整的碳纳米管应变传感器测量理论体系。测量理论以单壁碳纳米管作为应变传感器，基于其频移应变敏感性、共振、偏振等拉曼散射特性，总体考虑平面内所有方向碳管的拉曼散射效应，通过理论推导得出了碳纳米管平面应变分量与拉曼频移解析关系式。与Wagner的相关工作比较显示，本文的测量理论不仅能够比较准确地表征变形体表面任何载荷状态下任何方向的应变，而且对多种常见的拉曼模式具有比较广泛的适用性。 本文在碳纳米管应变传感器测量理论基础上进一步提出了显微尺度下拉曼应变花测量技术。该技术建立了拉曼应变花方程组，通过三个偏振方向的拉曼测量可以直接获得微米或更小尺度采样点的三个平面应变分量值（正应变εx.εy和剪应变γxy）。本文实验验证了测量理论与拉曼应变花技术的正确性，并进一步表明：拉曼应变花技术在继承传统拉曼应变测量技术所有特点的同时，突破了其对研究对象的局限，能够在工程应用中通过附着、修饰、掺杂等方式实现对其它非拉曼活性固体材料表面平面应变分量的直接测量以及微区域应变场的实验分析。 本文还开展了显微拉曼应力/应变测量技术的微区域、微结构应用研究。其中，应用拉曼扫描技术实现了对动态毛细效应所导致多孔硅应力变化的实时测量和破坏机理分析；测量了SiO2/Au双材料薄膜MEMS基片中不同时序工艺所导致的残余应力分布和变化规律，并提出了热氧化工艺导致硅基体的多层模型；应用拉曼应变花技术对纤维-微滴结构中的纤维轴向应力分布以及短纤维复合材料中纤维周围基体的应力、应变场进行了实验分析。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1基于显微平台的微尺度光力学检测技术研究与应用

1.2微拉曼应变测试技术研究与应用

1.3碳纳米管的拉曼光谱以及应变传感研究与应用

1.4本文工作内容

第二章显微拉曼应变测量技术的若干关键问题

2.1显微拉曼应变测量技术的物理学基础

2.2显微拉曼应变测量技术实验的若干技术环节

2.3显微拉曼应变测量技术的数据分析

2.4本章小结

第三章碳纳米管应变传感器测量理论与拉曼应变花测量技术

3.1基于碳纳米管的拉曼-应变测量技术

3.2碳纳米管应变传感器测量理论体系

3.3关于碳纳米管应变传感器测量理论的几点讨论

3.4本章小结

第四章碳纳米管应变传感器测量理论的实验验证

4.1实验准备与CNT膜制备

4.2实验A——单轴拉伸

4.3实验B——微孔周边区域平面应变场测量

4.4本章小结

第五章微区域、微结构的拉曼应力/应变测量技术

5.1多孔硅薄膜残余应力与动态毛细应力的实验分析

5.2 MEMS基片基于工艺时序的残余应力实验分析*a

5.3纤维-微滴结构拉伸中的界面应力传递*b

5.4短纤维复合材料中纤维周边基体的应力分布

5.5本章小结

第六章工作总结与展望

6.1本文工作总结

6.2进一步工作展望

附 录

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢