一种柔性基底上纳米薄膜的弹性模量测试方法技术

本发明专利技术涉及一种柔性基底上纳米薄膜的弹性模量测试方法，属于纳米薄膜的力学性能测试技术领域。本方法在传统的步进电机结合滚珠丝杠的加载模式基础上，设计了与柔性基底位置关系可调的上、下挡片和滑块，保证了预拉伸后的基底不受其它部件的接触影响，控制了基底表面的镀膜区域，实现了预拉伸条件下基底的上、下部分表面对称镀膜，并且满足了压缩过程中，柔性基底无镀膜部分和镀膜部分的变形同步测试需求。此外，本发明专利技术首次实现了预拉伸技术与应变差异方法的结合，解决了薄膜压缩易屈曲的难题，获得了柔性基底上纳米薄膜的弹性模量。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性基底上纳米薄膜的弹性模量测试方法
本专利技术涉及一种柔性基底上纳米薄膜的弹性模量测试方法，属于纳米薄膜的力学性能测试

技术介绍
微电子机械系统(MEMS)和柔性电子领域的迅速发展促进了越来越多新技术的研发和应用，吸引了学术界和工业界的广泛关注，如微传感器、电子皮肤、可弯曲显示器等。作为其中的一个基本结构，功能性薄膜(厚度一般为几十至几百纳米)通常沉积在可灵活变形的聚合物基底上。在实际使用过程中，这些系统受到复杂的机械载荷作用，其寿命和性能强烈依赖于薄膜的力学性能。因此，发展薄膜力学性能的相关测试技术十分重要。众所周知，由于在厚度方向的尺寸效应，薄膜的力学性能与其所对应的宏观形态可能有所不同。因此，广为所知的宏观力学参数往往只能作为薄膜力学参数的参考。此外，薄膜-基底结构是一个牵涉到复杂界面影响的复合结构，如何单独提取薄膜的力学性能是难点之一。在过去二十多年间，许多学者提出了不同的方法和技术。然而由于薄膜-基底结构具有大的横向尺寸-厚度比，在压缩过程中易产生整体屈曲现象，因此，大多数研究围绕着其拉伸性能展开。其中，与X射线衍射(XRD)、数字图像相关(DIC)等技术相结合的单轴拉伸方法是较为普遍的。例如，He等(Surface&CoatingsTechnology,2016,308,273-279)提出将纳米薄膜对称沉积于基底上下一半的表面，在单轴拉伸作用下，通过双DIC系统获取膜基结构与无镀膜基底间的宏观应变差异，从而推导得出薄膜的弹性模量(此处称该方法为应变差异方法)。在针对薄膜压缩行为的少量研究中，薄膜转移法(Science,2015,347,154-159)与预拉伸技术(MaterialsLetters,2012,73,99-102)是最为典型的方法。例如，法国Pprime研究院Pierre-olivierRenault教授等利用商业化微拉伸仪对聚酰亚胺基底进行预拉伸后，将微拉伸仪和预拉伸后(位移保持不变)的基底整体置于真空镀膜机中，进行18.5nm厚的金膜沉积。然后，进行步进式压缩实验，利用同步辐射X射线与DIC技术获得了薄膜弹性压缩变形以及屈服强度。实验结果表明，在压缩过程中，薄膜-基底结构保持平整，且未出现薄膜屈曲/界面脱粘现象。通过文献调研分析可知，虽然在薄膜-基底结构的压缩行为研究方面已有相关的技术提出，但是基于压缩实验进行柔性基底上纳米薄膜弹性模量的实验测试手段十分匮乏，相关的研究不够系统。此外，弹性模量是薄膜的重要力学性能以及损伤参量之一，尤其是在压缩载荷作用下，薄膜弹性模量的测试是一个较大挑战，因此，相关的系统和技术研发具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种柔性基底上纳米薄膜的弹性模量测试方法，对已有的柔性基底上纳米薄膜弹性模量的实验测试手段进行改进，研发能够同时满足基底预拉伸和基底上下部分表面对称镀膜要求的弹性模量测试装置，并基于此，首次结合、发展预拉伸技术和应变差异方法，获取压缩测试过程中，柔性基底上纳米薄膜的弹性模量。本专利技术提出的柔性基底上纳米薄膜的弹性模量测试方法，其包括以下步骤：(1)搭建一个弹性模量测试装置，该测试装置包括一个运动机构和一个测试机构，所述的运动机构包括步进电机、一级减速器、二级减速器、滚珠丝杠、左丝杠螺母和右丝杠螺母，所述的步进电机安装在底座上，步进电机的输出轴依次与一级减速器和二级减速器相连接，二级减速器与滚珠丝杠连接，所述的左丝杠螺母和右丝杠螺母与滚珠丝杠联动，滚珠丝杠的两端支撑在支撑座内，支撑座固定在底座上；所述的测试机构包括柔性基底、L形连接件、力传感器、导轨、上滑块、下滑块、弹簧、上挡片、下挡片、左载物台和右载物台，所述的L形连接件与运动机构中的左丝杠螺母联动，所述的力传感器与L形连接件相对固定；所述的柔性基底的两端分别通过加强片和销轴固定在左载物台和右载物台上，柔性基底的左侧上部设有上挡片和上滑块，柔性基底的左侧下部设有下挡片和下滑块；(2)驱动步骤(1)弹性模量测试装置中的步进电机，通过运动机构带动左载物台和右载物台，使柔性基底预拉伸至某一特定力值，暂停步进电机运转；(3)将步骤(2)的弹性模量测试装置测试机构中的上、下滑块推出,以控制柔性基底的暴露面积，并调整弹簧伸长量,以控制上、下滑块与柔性基底表面的距离，保证预拉伸后的柔性基底不受上、下滑块的接触影响；(4)将步骤(3)的弹性模量测试装置底面水平置于一个镀膜机内，启动镀膜机，对柔性基底下表面的暴露部分进行沉积镀膜，使柔性基底下表面的纳米薄膜厚度为(5)将步骤(4)的弹性模量测试装置顶面水平置于所述的镀膜机内，再次启动镀膜机，对柔性基底上表面的暴露部分进行沉积镀膜，使柔性基底上表面的纳米薄膜厚度为(6)将步骤(5)的弹性模量测试装置中上、下挡片和上、下滑块取出，进行步进式压缩测试实验，通过两个光学变形测试系统同时测定柔性基底的无镀膜部分和镀膜部分的轴向平均应变，利用应变差异方法中的弹性模量计算公式，计算得到纳米薄膜的弹性模量Ef：其中，tf为纳米薄膜总厚度，Es为柔性基底弹性模量，ts为柔性基底厚度，和分别为柔性基底的无镀膜部分和镀膜部分的轴向平均应变。本专利技术提出的柔性基底上纳米薄膜的弹性模量测试方法，其优点是：本专利技术方法在传统的预拉伸技术(商业微拉伸仪+基底顶面全面积镀膜)基础上，结合应变差异方法，发展了预拉伸条件下全新的基底上、下部分表面对称镀膜技术，研发了相关的弹性模量测试装置，根据不同的基底尺寸调整上下滑块与基底的位置关系，保证了预拉伸后的基底不受其它机械部件的接触影响，控制了基底表面的镀膜区域，取出相关部件后可满足压缩过程中，柔性基底无镀膜部分和镀膜部分的变形同步观测需求。本专利技术方法首次实现了预拉伸技术和应变差异方法的结合，可以为纳米薄膜弹性模量的压缩测试研究提供坚实的技术支持。附图说明图1是本专利技术方法涉及的弹性模量测试装置的结构示意图。图2是图1所示的弹性模量测试装置中夹具的结构示意图。图3是本专利技术方法中柔性基底镀膜部分和无镀膜部分的应变演变关系图。图1和图2中，1是左载物台，2是上滑块，3是上挡片，4是力传感器，5是L形连接件，6是支撑座，7是左丝杠螺母，8是步进电机，9是滚珠丝杠，10是导轨，11是一级减速器，12是二级减速器，13是右丝杠螺母，14是右载物台，15是销轴，16是加强片，17是底座，18是柔性基底，19是下滑块，20是下挡片。具体实施方式本专利技术提出的柔性基底上纳米薄膜的弹性模量测试方法，包括以下步骤：(1)搭建一个弹性模量测试装置，其结构如图1和图2所示，该测试装置包括一个运动机构和一个测试机构。运动机构包括步进电机8、一级减速器11、二级减速器12、滚珠丝杠9、左丝杠螺母7和右丝杠螺母13。步进电机8安装在底座17上，步进电机8的输出轴依次与一级减速器11和二级减速器12相连接，二级减速器12与滚珠丝杠9连接，左丝杠螺母7和右丝杠螺母13与滚珠丝杠9联动，滚珠丝杠9的两端支撑在支撑座6内，支撑座6固定在底座17上。测试机构包括柔性基底18、L形连接件5、力传感器4、导轨10、上滑块2、下滑块19、上挡片3、下挡片20、左载物台1和右载物台14。L形连接件5与运动机构中的左丝杠螺母7联动，力传感器4与L形连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性基底上纳米薄膜的弹性模量测试方法，其特征在于该测试方法包括以下步骤：(1)搭建一个弹性模量测试装置，该测试装置包括一个运动机构和一个测试机构，所述的运动机构包括步进电机、一级减速器、二级减速器、滚珠丝杠、左丝杠螺母和右丝杠螺母，所述的步进电机安装在底座上，步进电机的输出轴依次与一级减速器和二级减速器相连接，二级减速器与滚珠丝杠连接，所述的左丝杠螺母和右丝杠螺母与滚珠丝杠联动，滚珠丝杠的两端支撑在支撑座内，支撑座固定在底座上；所述的测试机构包括柔性基底、L形连接件、力传感器、导轨、上滑块、下滑块、弹簧、上挡片、下挡片、左载物台和右载物台，所述的L形连接件与运动机构中的左丝杠螺母联动，所述的力传感器与L形连接件相对固定；所述的柔性基底的两端分别通过加强片和销轴固定在左载物台和右载物台上，柔性基底的左侧上部设有上挡片和上滑块，柔性基底的左侧下部设有下挡片和下滑块；(2)驱动步骤(1)弹性模量测试装置中的步进电机，通过运动机构带动左载物台和右载物台，使柔性基底预拉伸至某一特定力值，暂停步进电机运转；(3)将步骤(2)的弹性模量测试装置测试机构中的上、下滑块推出,以控制柔性基底的暴露面积，并调整弹簧伸长量,以控制上、下滑块与柔性基底表面的距离，保证预拉伸后的柔性基底不受上、下滑块的接触影响；(4)将步骤(3)的弹性模量测试装置底面水平置于一个镀膜机内，启动镀膜机，对柔性基底下表面的暴露部分进行沉积镀膜，使柔性基底下表面的纳米薄膜厚度为...

【技术特征摘要】
1.一种柔性基底上纳米薄膜的弹性模量测试方法，其特征在于该测试方法包括以下步骤：(1)搭建一个弹性模量测试装置，该测试装置包括一个运动机构和一个测试机构，所述的运动机构包括步进电机、一级减速器、二级减速器、滚珠丝杠、左丝杠螺母和右丝杠螺母，所述的步进电机安装在底座上，步进电机的输出轴依次与一级减速器和二级减速器相连接，二级减速器与滚珠丝杠连接，所述的左丝杠螺母和右丝杠螺母与滚珠丝杠联动，滚珠丝杠的两端支撑在支撑座内，支撑座固定在底座上；所述的测试机构包括柔性基底、L形连接件、力传感器、导轨、上滑块、下滑块、弹簧、上挡片、下挡片、左载物台和右载物台，所述的L形连接件与运动机构中的左丝杠螺母联动，所述的力传感器与L形连接件相对固定；所述的柔性基底的两端分别通过加强片和销轴固定在左载物台和右载物台上，柔性基底的左侧上部设有上挡片和上滑块，柔性基底的左侧下部设有下挡片和下滑块；(2)驱动步骤(1)弹性模量测试装置中的步进电机，通过运动机构带动左载物台和右载物台，使柔性基底预拉伸至某一特定力值...

【专利技术属性】
技术研发人员：何巍，谢惠民，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11