文档介绍：微拉曼光谱技术
在纳米材料力学性能研究中的应用
Application of Micro-Raman Spectroscopy
in Study on Mechanical Properties of
Nanomaterials
一级学科:力学
学科专业:固体力学
研究生:李秋
指导教师:亢一澜教授
天津大学机械工程学院
二零一一年五月
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摘要
微/纳领域科学技术发展迅速,迫切需要开展微/纳米力学测试新技术以及多
尺度相关联的实验力学分析方法的研究。将微拉曼光谱法作为一种新的微尺度力
学测试手段应用于材料力学实验研究,在测量基础理论与分析方法方面还有很多
工作有待于开展。T)材料力学性能的多尺度实验分析与
拉曼测试技术,以及多孔硅材料的拉曼应力测量理论与应用展开了研究。
本文首先将宏观力学拉伸实验、显微形貌观测、微光谱探测实验技术结合,
构建了一个多尺度的实验测量系统,T 复合材料力学行为的多尺度实
验研究。其中,微观上通过微拉曼光谱,探测材料晶格结构的力学响应,细观上
通过扫描电镜观测材料的细观结构变形,宏观上测量材料的应力和应变,设计并
研制了与微拉曼光谱仪配套的微拉伸加载装置,将不同尺度的实验通过同步在线
的测量方式进行关联,T 复合材料力学性能的精
细实验研究。
本文利用上述多尺度实验测量系统,T 纤维和薄膜材料的力学性
能及其细微观机理。T 纤维在拉伸加载直至损伤断裂和循环加载过程
中的力学行为,分析了“纤维-束&T”各级尺度结构的载荷响应,并在实
验分析的基础上,建立了可用于表征纤维宏观力学性能的本构关系式。该研究揭
T 纤维强韧度力学性能的细微观机理,T 宏观材料的制备
工艺、提高其力学性能提供了依据。T 薄膜
材料各尺度结构的变形响应,提出了薄膜的细观碳管束粘接基元网格模型,初步
探讨了薄膜力学性能及破坏方式的各向异性性质。
针对多孔硅薄膜材料残余应力测量中的问题,本文进一步研究了多孔硅材料
的拉曼力学测量理论,建立了多孔硅材料的横观各向同性力学模型,推导了多孔
硅的拉曼频移-应力理论表达式,并分别采用纳米压痕方法和数字散斑相关方法
测定了多孔硅的弹性模量和泊松比,从而确定了多孔硅材料的拉曼频移应力系
数。利用所研究的测量理论,本文对多孔硅薄膜/单晶硅基底结构工艺残余应力
沿厚度方向的分布进行了精细测量与分析。
关键词: 纳米复合材料力学性能多尺度实验拉曼力学测量理论
I
ABSTRACT
With the rapid evolution of micro/nano science and technology, there is a pressing
need for the investigations on the new micro/nano mechanical testing technique and
the multi-scale association analysis method of experimental mechanics. Micro-Raman
spectroscopy (MRS) is a new method of experimental mechanics in micro-scale. It is
the essential requirement to develop the fundamental theory, and the analysis methods
as well, of