[发明专利]一种与原子力显微镜联用的材料微拉伸装置及其使用方法

说明书

一种与原子力显微镜联用的材料微拉伸装置及其使用方法，该装置包括底座、高精度涡轮式粗微调微分头、固定立柱、活动挡板、固定挡板、电机、连接件；其中，高精度涡轮式粗微调微分头设置在底座上，并采用固定立柱固定；高精度涡轮式粗微调微分头的一端与活动挡板连接；固定挡板设置在底座上；电机与高精度涡轮式粗微调微分头连接并驱动高精度涡轮式粗微调微分头。本发明与AFM联用获取材料的表面形貌信息、动力学响应、粘附力、动态模量、耗散值等数据。本发明通过高精度涡轮式粗微调微分头控制活动挡板的位移，可以实现连续拉伸变形，同时变形量可控且精度较高。

技术领域

本发明涉及一种材料微拉伸装置及其使用方法，具体涉及一种与原子力显微镜联用的材料微拉伸装置及其使用方法，属于微观材料领域。

背景技术

传统的力学实验研究难以获取材料在变形过程中对应的微观结构演化图像，而通过分子模拟虽然可以提供重要的原子或分子尺度的信息，但这些模拟通常基于严苛的极限条件，如理想的高应变率、超低温度或极小的样品尺寸等，难以为实验所验证。原位观测材料表面在变形过程中的力、电、热、磁、光等性质变化，是研究材料这些性质变化对应所的材料结构机理的重要途径。当原位观测的尺度达到纳米级甚至原子级时，这种观测所得到的信息，可为材料的各种理论和模拟研究提供重要依据和验证。

原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。AFM可以在空气和液体环境下对材料纳米区域的物理化学性质、形貌进行原子级分辨率探测，或直接进行纳米操作。它通过检测待测样品表面和微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时针尖将与样品相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。

迄今，AFM已经被广泛应用于材料研究，AFM能被广泛应用的一个重要原因是它具有开放性，在AFM基本操作系统基础上，通过改变探针、成像模式或针尖与样品间的作用力可以测量样品的多种性质，由此产生的AFM的衍生功能模式包括：摩擦力、导电性、表面电势、热、电化学、电容、磁力、静电力、化学力、相位移、纳米压痕、纳米加工等。因此，AFM除了获取材料表面形貌信息外，其在微纳米力学表征方面也有很好的表现。其中，AFM的PeakForce Quantitative Nano mechanical Mapping(QNM-AFM)模式是一种重要材料结构表征手段，其中PF和QNM分别代表PeakForce Peak和定量纳米力学，通过测量尖端的瞬时力能实现动态模量、刚度、粘附力、变形和耗散能等的表征，具有力学性能的高分辨率表征、对针尖和样品无损、各种材料数据明确定量的优势。同时，PeakForce QNM提供的微纳米力学表征结果据有助于研究人员探索材料的微观结构。

结合AFM的高精度、多功能特性，通过原位升温等方式可以获取材料在热的作用下结构的演化图像。然而，在变形过程中(如受拉)进行原位观测通常受到诸如样品尺寸、设备测试区空间等因素的影响，尤其难以在纳米尺度捕捉到变形过程中，特别是不同的形变状态下结构演化的细节。

另一方面，如果能在材料变形过程中的某一恒定应变状态下，即应力松弛过程中，基于AFM实时表征材料的微纳米尺度的各种性质变化，并基于相应的变化分析材料的结构演化信息，将可望在材料研究领域，特别是材料流变行为的本质等方面取得重要突破。