SiC纳米线力学性能原位电子显微学研究
一维纳米材料作为纳米器件的基本结构单元,引起了世界各国的广泛重视。本文针对当前国际上一维单体纳米材料力学等性能研究的瓶颈性难题之一,综合利用现代透射电子显微学(TEM)和扫描电子显微学(SEM)等研究方法,自主发展了在纳米尺度以及原子尺度原位外场作用下一维纳米单体材料的力学性能与显微结构间相关性研究的方法和装置。研究了单根碳化硅(SiC)纳米线微观结构与弹塑性变形的关系以及原子机制,论文工作主要取得以下成果：
1.在透射电子显微镜中发展了一种在原子尺度集现代电子显微学原位表征与纳米单体力学性能研究于一体的新方法。通过改进普通透射电镜载网,在载网上沉积60-100nm厚的纳米线支持膜,利用透射电镜电子束对支持膜的辐照变形实现对单根纳米线的操纵,成功实现了在场发射高分辨透射电子显微镜中对单根纳米线力学性能和结构相关性原位动态研究。在扫描电子显微镜中设计并制造了热双金属片驱动的原位纳米线拉伸台,通过温度控制双金属片的运动,实现了对单根纳米线的单轴拉伸以及断裂实验。这些方法的发展,为单体纳米材料的动态力学行为与显微结构、成分信息间关系等原位一体化研究提供了新途径。
2.利用发展的原位高分辨透射电镜单根纳米线操纵技术,通过对单根SiC纳米线的连续弯曲变形,首次发现了SiC纳米线在室温下具有大应变塑性变形特征。原位动态研究结果表明大应变塑性变形是通过晶格弯曲、位错形核和增殖、非晶化以及非晶SiC的伸长等微结构演变而产生。
3.利用扫描电镜原位纳米拉伸台对单根SiC纳米线进行了单轴拉伸实验,直接从实验上观察到了单根SiC纳米线的平均断裂应变超过20％,局部区域发生了超过200％的超塑性变形,研究认为SiC纳米线塑性屈服首先发生在具有面心立方结构(3C)区域。
4.利用发展的透射电镜单根纳米线原位操纵技术,实现了对单根SiC纳米线大挠度弯曲变形,发现了本征脆性陶瓷SiC,在一维纳米尺度具有超弹性的性质,最大弹性应变达到3.5％,与体材料相比提高一个数量级,表明SiC纳米线具有较高的断裂韧度和弯曲强度。原位透射电镜热共振技术研究表明,SiC纳米线的弯曲模量随着缺陷增加降低至5GPa。
5.综合利用电子显微学成像、衍射、汇聚束电子衍射等技术揭示了SiC纳米线中孪晶超晶格结构的基本单元为{111}截角八面体,孪晶类型为{111}60°旋转孪晶。
碳化硅纳米线;力学性能;原位电子显微学;纳米材料;显微结构;弹塑性变形
北京工业大学
博士
凝聚态物理
张泽;韩晓东
2008
中文
TN304.24;TB383
106
2009-03-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）