[发明专利]一种用于纳、微米级薄膜材料拉伸测试的对中加载装置

说明书

技术领域

本发明涉及纳微、米级材料力学性能测试设备，特别是一种用于纳、微米级薄膜材料拉伸测试的对中加载装置。

背景技术

纳米科技是从20世纪80年代末、90年代初开始发展起来的新兴科学，引起了国内外的高度重视，特别是在纳米材料方面取得了重要进展。纳米科技的重要意义首先将促使人类认知的革命，同时将引发新的工业革命，从而对我国的社会、经济及国家安全产生重大影响。

纳米材料的设计开发以及性能研究是高技术发展的基础。力学、热学性能是评价纳米材料质量的主要指标，也是进行纳米机构设计与计算的主要依据。近年来，随着材料的合成和制造工艺的提高，其特征尺寸越来越小。现代科技及研究方向逐渐迈向轻、小、薄的技术装置，在衍射栅、绝缘介质覆膜以及电子封装中越来越多地得到应用。虽然薄膜技术得到越来越多的应用，但是传统的测量装置通常不能测量薄膜的一些力学、热学参量。微、纳米压痕方法在陶瓷和金属中得到了成功的应用，但是对于软的材料，尤其是超微的材料，它们表现出一定的粘弹性行为，所以这种方法的应用受到了限制。隧道扫描显微镜方法常用来测量聚合物薄膜的参量，但是这种方法在尖端尺寸或者是接触面积上常常限制了这种方法的准确程度。对于尺度在纳、微米级以下的样品，会给常规的拉伸和压缩实验带来一系列的困难。如何制作、夹持、对中(保持样品与载荷方向的同轴) 纳、微米级样品，如何提高载荷和位移测量的分辨率，都是目前人们的关注的课题。

薄膜/基底二元结构系统在信息科学以及微电子机械系统技术（Micro Electro-Mechanical System， MEMS）中有着十分重要的地位。例如：在数据存储器和处理系统的集成电路中就有大量的导体、半导体和绝缘薄膜，在磁盘存储系统中起关键作用的是磁性薄膜等等。这些厚度一般为几十纳米到几十微米的薄膜，可以通过溶胶－凝胶、真空蒸发、磁控溅射、分子束外延镀膜等不同的制作工艺来制得。薄膜中均会有或压或拉的残余应力，因此薄膜/基底结构通常是工作在残余应力和热应力以及外加应力的联合作用下。在服役过程中，由于薄膜和基底材料在力学、热学等性能方面上存在着差异，在机械、热等各种载荷的作用下会表现出两种材料在应力、应变上上的失配，最终引起薄膜在基底上的剥落而导致结构或零部件的失效。这类薄膜的第一类破坏形式是断裂；第二类则是屈曲、散裂。薄膜在纳米尺度上的变形和损伤直接影响到器件的性能和寿命，因此，将薄膜/基底作为一个基本结构，对其中薄膜的力学、热学行为进行研究，具有其必要性和紧迫性。

实验技术在薄膜的性能研究方面有着独特的优势，通过实验可以定量地测取材料在纳、微米尺度下的力、电、磁、热等性能，测取纳、微米尺度元件在多场作用下的力学、热学等响应，同时这方面的研究也将促进纳、微米力学、热学和材料科学研究的进行。纳、微米力学性能可以与宏观的应力-应变行为联系起来。通过这些知识，可以帮助研究人员来设计材料。

目前,薄膜的力学性能测试方法主要包括单轴拉伸试验、弯曲试验、共振试验、鼓气试验、压痕试验等。拉伸法研究薄膜/基底的力学性能，至今仍是一种比较重要和可靠的方法。拉伸法的优势在于可以很好地控制薄膜/基底变形，薄膜开裂的裂纹特征，同时也可以方便地利用显微镜技术实现实时观察薄膜表面的变形开裂情况。