[发明专利]基于碳纳米管为传感介质的应变分量无损检测技术

说明书

技术领域

本发明属于材料力学领域，具体涉及一种毫米至亚微米尺度下应变分量及其分布规律测量的技术。

背景技术

近年来随着材料与信息领域科学技术的快速发展，有关宏观与微观尺度下材料的力学性能检测与微小器件的可靠性分析已经成为多学科所共同关注的热点领域。在这一领域中，实验力学分析与性能检测承担着重要的工具作用，但是目前已有的应变测量技术已经难以满足新的实验检测需求。例如：已有的电阻应变片测量技术的测点尺度大，贴片尺度至少在几个毫米尺度之上，且属于有接线的接触式的单点测量；已有的光学变形测量技术中，宏观光力学测技术主要是对较大变形场的测量，视场大且分辨率不够。在显微测量领域，商用高分辨率显微检测仪器(例如原子力显微镜、扫描电镜、透射电镜、纳米压痕仪等)可实现纳米至微米尺度区域范围内被测物的形貌观测，但是尚未解决在力或者环境载荷作用下对被测物的变形场和应变场的定量测量问题；此外，已有的光谱类检测技术中，x光衍射技术的测点大，对材料有限制，且分辨率不足。显微拉曼技术可以实现硅等拉曼活性材料的微米区域的应力和的测量，但不适用于非拉曼活性材料，且尚未解决平面应变分量的测量(即应力和的分解)问题，特别是与强度密切相关的剪应变测量问题。

因此，针对宏观与微观尺度下材料的力学性能检测与微小器件的可靠性分析的检测需求，研究新的实验力学测量技术，实现对微米与亚微米区域的应变测量以及对微器件关键部位强度检测具有重要的科学意义与工程应用背景。鉴于此，本发明提出以碳纳米管为传感介质、以显微拉曼技术为测量手段的应变分量无损检测技术，可用于材料表面微米或亚微米尺度测点的平面应变分量(包括正应变和剪应变)的定量测量，可实现毫米至亚微米尺度区域的正应变与剪应变分量及其分布规律的测量，并解决与之相关的非拉曼活性材料的应变检测问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于碳纳米管为传感介质的、无损无线非接触、用于宏观与微观尺度下材料力学性能与微小器件可靠性分析的应变检测技术。

基于碳纳米管为传感介质的应变分量无损检测技术，具有碳纳米管、被测物体、偏振显微拉曼光谱系统(如图1)。对被测物体表面随机、均匀分散且固定的碳纳米管采用双偏振(入射光和散射光偏振方向可以控制且保持一致)或单偏振(仅入射光偏振方向可以控制)拉曼实验系统进行共振拉曼测试，由实验获取的拉曼频移增量与被测物体平面应变分量之间的定量关系可由解析式表达。其中，双偏振共振拉曼实验模式下拉曼光谱信息中的拉曼频移增量与被测物体平面应变分量之间的解析式为：

式中，代表偏振方向为时实验系统在变形前后采集获取拉曼光谱的频移增量；ε_X和ε_Y分别代表被测物体表面X、Y方向的正应变分量，γ_XY为剪应变分量，Ψ_Sensor为碳纳米管应变传感介质的应变-频移因子，即Ψ_Sensor是表征作为应变传感介质的碳纳米管的轴向应变与碳纳米管的拉曼频移之间线性关系的常数因子，给定三个不同的偏振方向分别为和用拉曼光谱信息中的拉曼频移增量与被测物体平面应变分量之间的解析式建立方程组，将三个不同偏振方向的频移增量测量结果代入方程组求解得出应变分量。

如取偏振方向分别为0°、45°和90°，带入拉曼光谱信息中的拉曼频移增量与被测物体平面应变分量之间的解析式，得出方程组为：