2007年5月期刊俱乐部主题:纳米积木的实验力学

我在管理一个电子显微镜实验室。桑迪亚国家实验室集成纳米技术中心(CINT)。我们的实验室。具有单个纳米管和纳米线的拉伸加载或压缩能力。我们有几个独特的平台，称为TEM-STM, TEM-AFM, tem -纳米压痕平台(Nanofactory)，它们将功能齐全的STM, AFM和纳米压痕集成到HRTEM中，可以同时测量同一纳米管/纳米线的原子尺度微观结构和电学，机械性能。CINT TEM实验室。对外部用户免费开放(因为我们是DOE用户设施)。欢迎您来使用我们的设备。详情请浏览网页http://cint.lanl.gov/

最近论文:Huang et al.，科学通报，1998,185501 (2007)

http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/blog/423

看电影地点:http://netserver.aip.org/cgi-bin/epaps?ID=E-PRLTAO-98-002719

正如Wong等人在第三篇论文“Nanobeam Mechanics: Elasticity, Strength, and韧性of nanorrods and Nanotubes”中指出的，

“碳纳米管在大偏转角度下弹性承受载荷的能力使它们能够储存或吸收大量能量。碳纳米管这种独特的吸能能力的一个明显应用将是装甲，尽管必须选择合适的基质才能在宏观物品中利用这些特性。”

碳纳米管在制造抗弹道性材料方面具有广阔的应用前景。（http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/786#comment-1598）

我们现在需要的是一种合适的基质和对纳米管-基质键合的良好理解。

首先，我要祝贺利伯团队进行了如此具有挑战性的实验。这是一个非常漂亮的实验作品。

其次，让我指出最近的一篇文章，当时是我小组的学生丁伟强，现在是克拉克森大学的助理教授，郭藻阳，当时是西北大学布莱恩·莫兰的博士后，现在是格拉斯哥大学的助理教授，我和我共同努力，这篇文章解决了我们认为在前面提到的利伯小组关于纳米束力学的分析工作中可能存在的弱点。这篇文章是:

叮,、;郭,Zaoyang;罗德尼?悬臂梁非线性对纳米尺度拉伸试验的影响。应用物理学报，2007,31(3)，034316 -034316。

杆

李教授，非常感谢您的精彩概述。在实验技术方面，我想再增加一个:基于微机电系统(MEMS)的测试技术。众所周知，拉伸试验是大型试件首选的力学试验方法。然而，当涉及到纳米结构时，它遇到了巨大的挑战。最近，一些研究小组开发了基于mems的仪器，并成功地对各种一维纳米结构进行了拉伸测试。在这里我挑选了一些参考文献。

朱玉阳，李海涛，一种原位电子显微镜下的机电材料检测系统，中国机械工程学报(自然科学版)。学会科学。美国版102,14503-14508 (2005)

吕淑娟，张淑娟，李志强，李志强，基于微机械热驱动测试平台的纳米尺度分辨率实现，物理学报。乐器。75,2154(2004)。

M.A. Haque和M.T.A. Saif，独立纳米尺度薄膜的变形机制:定量原位透射电子显微镜研究，国立国立大学学报(自然科学版)。学会科学。美国101,6335-6340，(2004)。

基于mems的仪器可以有效地弥合尺寸尺度并以良好的控制方式进行实验。此外，它还为定量原位测试提供了独特的优势，例如内部SEM和TEM。尽管该技术具有巨大的潜力，但目前该技术受到纳米操作的限制，并且相当耗时。随意操纵纳米结构并与MEMS器件集成不仅是实验纳米力学的挑战，而且从某种意义上说，也是包括纳米制造和纳米电子学在内的整个纳米技术的挑战。大量的方法包括自顶向下(例如，使用纳米操纵器或电场对准)和自底向上(例如，直接生长)的方法已经被证明。这将促进基于mems的纳米力学测试的发展。请参阅最近的一篇综述论文的链接，该论文讨论了一些实验纳米力学和纳米操作的技术。

朱玉华，陈振华。张晓明，张晓明，薄膜和纳米结构的力学特性实验技术，力学学报，47，(2007)。

人们能用今天的纳米技术移动原子吗?

嗨,亨利,

搜索唐·艾格勒，然后转发引用他研究成果的搜索文件。

你可能知道，他在IBM阿尔马登工作。

但是…除了相当专业的情况外，社区似乎很难获得在……中吹捧的控制水平。德雷克斯勒和其他人的书。正如我总是对感兴趣的学生说的那样(首先让他们思考一下如何描述这个问题)，“任何不违反物理定律或化学约束的东西，在一些技术更先进的社会里，可能都是用原子和分子来完成的。”

如果我们讨论的是纳米尺度结构的尺寸效应，或许更合适的“微压缩”论文是Greer等人在《材料学报》(53)上发表的一篇纳米尺度的金柱被均匀压缩的论文。Uchic等人的论文讨论了微米尺寸的样品，它也表现出尺寸效应，但具有不同的缩放定律，并且在更大的尺度上。

茱莉亚·罗索洛夫斯基·格里尔

嗨,所有
在Script Materialia 56(2007) 313-316中有一篇有趣的论文“有限样品中位错源长度的随机性对屈服强度尺寸效应的贡献”，这意味着小结构的性能可能由其缺陷分布控制。

在这篇文章发表之前，我也和宋正亚、黄再旺(他们都是孙军的同学)讨论过同样的话题。郑亚曾经提醒我，小结构的性质可能是由于缺陷分布的不同而本质上是离散的。众所周知，宏观固体中存在许多缺陷。当材料足够大时，不同结构的缺陷在统计上是均匀的。所以大的物质具有均匀的性质。然而，当材料足够小，尺寸可以与缺陷尺寸相比较时，统计均匀分布不再存在。在这种情况下，小结构仍然具有均匀的性质??我们认为他们不是。

此外，在我个人看来，如果加入更多必要的参数，连续力学将继续对非常小的结构有效，甚至在原子水平上。

《学报》上的这篇论文更多的是用一些早期数据进行的首次实验的演示，当时还没有其他关于这种规模的微压缩的数据发表。

Greer和Nix PRB的论文(Phys Rev. B 73(2006))用更多的数据对位错饥饿进行了更详细的解释。

茱莉亚·罗索洛夫斯基·格里尔

大家好，我对魏旭提到的参考文献有一个问题。文中提到，在较小尺寸的试样中，由于大多数Frank Reed源在与自由表面相互作用时转化为单端源，位错饥饿的概念占主导地位。

但是，如果我们有一个多晶，我认为弗兰克里德源的操作将导致小样品中沿晶界积累更高密度的位错，而不是大样品，这反过来将导致更多的加工硬化。这不是与错位饥饿的概念相反吗?如果我说错了，请纠正我。

你好,

本文主要讨论粘弹塑性复合材料(即聚合物基复合材料)的纳米压痕数据的解释。我曾经经历过，如果微观结构不是均匀的，就很难得到有意义的数据，通常情况下，根据载荷的不同，弹性模量会很大。

讨论的第二点是模量映射技术是否适用于粘弹-弹性复合材料?

有人能对此发表评论吗?

问候,

罗希特卡纳

一般来说，以均匀变形的形式施加的均匀载荷应该由均匀的应力分布来适应。但位错结构的存在或由于位错介导的滑移引起的非均质性会导致应力分布不均匀。正如Rashid上面提到的，这可以以软表面和硬核的形式呈现(主要是由于位错结构的演变)。自从Fourie.J.发表这一主题以来，这一事实得到了很好的认可。T, 1968。“变形铜单晶表面和中心之间的流动应力梯度”，Phil Mag 17, 735-756。我们自己的研究(见下面的链接)基于“基于机制的离散位错”模拟亚微米试样的均匀变形，以定性的方式揭示了这一观察结果。值得注意的是，在这些情况下，初始位错源密度相当高(几乎比Volkert et al .(2006)和Greer et al .(2005)所考虑的高2个数量级)。因此，当初始位错密度较低时，可能不会观察到非均匀应力分布。由于来源太少，导致位错结构。

我们的论文题目是，单晶均匀变形下的尺寸效应:离散位错分析

(2007年被《J Mech and Phy of Solids》接受发表)

亲爱的所有,

我想讨论一下纳米识别测试对不同类别材料的适用性:聚合物、陶瓷或金属。

对于纳米压痕，我们通常做两种类型的测试:负载控制或位移控制?这两种测试都用于评估不同材料(金属/陶瓷/聚合物及其复合材料)的纳米机械性能。

论点是“如果我们想比较陶瓷、金属和聚合物的纳米机械性能，哪种测试最合适?”(负载或位移控制)。

由于这些材料具有非常不同的弹性模量，并且在给定的施加载荷下，它们往往表现出不同的接触深度。为了比较它们的纳米力学响应，我们应该为每种材料选择单独的载荷，使它们位移到大约相同的深度。否则，使用位移控制测试。

那么，对于比较这些材料的纳米力学性能，哪一种测试更可靠呢?

我知道这是一个非常普遍的问题，我可以知道你对此的评论/建议吗?

罗希特卡纳

在上面的讨论中有两个独立的问题，一个与具有一个聚合物相的复合材料的固有粘弹性响应有关，另一个与复合材料有关。讨论了粘弹性压痕问题在本网站其他地方非常详细，而且在我的网站上，我在这里就不再多说了。更有趣的是复合材料的压痕问题，其中有两个或两个以上的相具有较大的弹性模量不匹配，如碳纳米管增强聚合物或天然矿化生物组织，如骨。压痕结果是(a)不直接是任何一种相的模量，(b)强烈依赖于相对于相的压痕位置，以及(c)对于柔性矩阵中的刚性增强，很大程度上反映了柔性相模量，这是由于“弹簧串联”一类的论点，其中变形在很大程度上由链中最柔顺的环节所容纳。在接下来的论文中，我们通过建模和实验来解决这个问题:

王志强，骨和人工骨样复合材料的纳米压痕响应变异性，生物工程进展，(ASME-IMECE, 2004) 391-2。

如果你感兴趣的话，我可以提供一份pdf文件(给我发邮件)。

亲爱的所有,

我想讨论关于校准纳米压痕尖端的一个非常重要的话题。我们通常使用

熔融石英样品(已知弹性模量和硬度)用于校准。然后计算面积函数。关注的问题是，如果一个人想要压痕一个较软的样品(比如聚合物)，

在这种情况下，需要重新计算面积函数，因为从聚合物样品中获得的接触深度范围将与用熔融二氧化硅获得的接触深度范围大不相同(大约几百纳米)。简单地说，将二氧化硅获得的校准曲线外推到较软聚合物的较大接触深度范围可能与

实际的尖端形状在如此深的地方起作用。

我们应该使用已知弹性模量的标准聚合物样品进行校准。

有关的讨论文件有:

C. Klapperich等人，纳米压痕实验测定聚合物的纳米力学性能。中华医学杂志，2001,26(2):624- 331。

L. Pruitt和D. Rondinone，试样厚度和应力比对聚碳酸酯疲劳行为的影响，工程力学与工程学报。科学36,1300-1305,1996。

罗希特

罗希特:这个观点很有趣，而且似乎经常被提及。近似地说，聚合物的纳米压头校准问题与在更硬和更硬的材料中看到的问题无关。纳米深度的尖端形状缺陷对于聚合物来说并不重要，即使对于相对较薄的聚合物薄膜也是如此，因为正常的纳米压头负载会导致柔顺材料的更大接触深度。假设尖端是一个具有固定夹角的完美锥体，只要选择的锥体角度是正确的，就不会导致聚合物的大误差(在这一点上，我建议24.5 C0项并不总是正确的答案!)对于聚合物上的球形压痕，单值半径的假设是有效的。

为柔顺材料确定良好的校准标准所产生的关键问题是响应的固有时间依赖性。多年来，我们尝试了聚合物，柔顺金属(单晶铟)和柔顺晶体(NaCl)。我遇到过的最好的材料是来自Vishay的光弹性涂层片材，正如这篇最近发表的文章所描述和评估的那样:

聚合物纳米压痕蠕变测量对实验变量的敏感性
[j] .材料学报，2007,55(11):3633-9。

这些材料也被用于比较聚合物的Berkovich和球形压痕:

粘弹性材料压痕分析技术[j] .哲学学报，2006,35(6):559 - 561。

在小规模塑性领域有很多有趣的问题，最近的支柱实验在这方面创造了势头。物理学和力学之间的互动比以往任何时候都更加激烈，有时会加剧这两个领域之间的误解。

对于力学万博体育平台家来说，发展本构描述的一个基本前提是，给定材料样品的力学响应可以与该材料的本构关系相识别。要使这种识别有效，通常需要观察两个条件:(i)样本需要在统计上是同质的(就感兴趣的行为类型而言);(ii)样品服从均匀边界条件(在Hill、Mandel等意义上)。

说到微柱变形，从理论的角度来看，我认为区分低位错密度和高位错密度的情况是有益的，因为很明显，足够小的样本在统计上是不均匀的。

有理由相信，迄今为止积累的大部分柱数据对应于低(初始)位错密度(这里的低意味着潜在活动源的实际数量很小)，尽管一些较大的样本可能在变形过程中存储位错。(纯粹主义者)机械师可能会万博体育平台发现这个问题不适定式，然后把它留在那里!他会大喊:“任何给定支柱的机械响应只代表支柱本身，而不是其他。”事实上，如果没有统计上的同质性，就没有确定性的反应。

然而，小型结构和设备正在被设计和寻求用于许多应用，并且人们对理解支柱中发生的事情，接受(至少在某种程度上)随机性，不确定性等肯定感兴趣。

我们自己的工作一直在探索低和高位错源密度的两种极端情况。分析的框架是离散位错建模(或它的一个变体，丰富了一些物理;我们称之为M-DDP)。该框架的两个优点是:(i)原则上能够预测随机性，从而量化不确定性;(ii)在常规边界条件下预测尺寸依赖性(在总体平均意义上)的能力。一个缺点是我们的分析是二维的。我们相信许多结论仍然是有效的，当然，随着更强大的3D分析变得可访问，我们的结论还有验证的余地。

我将总结我们目前的发现如下:

(1)在低密度情况下，位错饥饿假说得到支持。但可持续的饥饿需要耗尽硬化机制占主导地位。在缩放方面，这是一种流动应力大致变化为1 /试样直径的状态(直至由随尺寸变化的耗尽硬化率和内应力效应引起的偏差，尽管程度较小)。

(ii)在高密度的情况下，通常的非热硬化机制(通过不断发展的森林)有效地起作用，位错储存发生，最重要的是，位错结构被发现在进化，从而导致局部区域的极性或GND密度的积累(可以认为是统计上均匀的)。反过来，局部地地密度的增加提高了局部流动应力(可能与SGP理论中争论的方式完全相同)。因此，总体流变应力也升高，而变形试样中的净GND密度基本保持为零。M-DDP计算非常清楚地表明，局部GND密度的积分测度随着试样尺寸的减小而增加，这是尺寸效应的关键。

场景(i)可能更适合解释当前可用的数据，但(ii)从纯粹的力学角度来看是有趣的。在我看来，植根于渗透理论的其他解释(正如Dimiduk及其同事最近尝试的那样)是值得怀疑的。如果能在预变形体试样中进行纤柱实验，研究初始密度对尺寸效应类型的影响，必将有助于我们取得进展。

关于Fred关于柱子可以做多小的问题，我的理解是小于1微米左右，锥形是很难避免的。此外，对于直径约30nm及以下的套管，除非长径比能够保持较小，否则可能会出现一些屈曲问题。茱莉亚和艾丽卡最适合对此发表评论。

(实验)思路:分子动力学模拟预测了金属纳米线中由于界面塑性而产生的一种新的尺寸效应。

要了解更多，请阅读以下文章:

K. A. Afanasyev和F. Sansoz，纳米尺度孪晶金纳米柱的强化，纳米快报， 2007年(ASAP文章)

伟大的网站。很高兴看到所有的大人物!!

我很好奇是否有人对单个单壁碳纳米管进行过三维操作?这可能吗?使用200千伏透射电镜(F-20)是否有可能(或有多困难)看到单个SWNT中的缺陷?请注意，我说的不是SWNT绳。谢谢你！

Gurpreet辛格

实验微压缩研究显示出阶梯应力-应变行为。然而，这种行为在较大的样品和多晶中并不明显。“错位饥饿”机制常被用来描述这种行为。然而，原位透射电镜实验只能在直径小于200nm的小样品中验证这一机制(z.w Shan on Nature Mater)。, 2008)。在较大的样本中，位错不能完全消除。微柱的流动应力测量值远低于纳米线。这意味着微柱的塑性变形不受形核控制。目前对楼梯应力-应变行为的解释主要有以下几种:一种是移动位错被结合部截留，造成塑性变形的间歇性(Rao S.I.， Acta Mater)。, 2008)。因此，必须增加外加应力以维持外加应变率。实际上，有多少移动位错会被结捕获，以及结是否足够强大，从而在应力-应变曲线中引起如此高的应力跳变，是这一解释的两个主要问题。第二种解释是，移动位错的交叉滑移将它们分成几个较短的部分，然后需要增加应力以使较短的位错部分退出(J.A. El-Awad on JMPS, 2008)。但是这种解释在当时还不能被原子模拟所证实。以上两种解释均基于三维位错动力学模拟。基于有限元模拟的第三种解释是试样屈服后的旋转会改变滑移面上的施密德因子，从而引起流变应力的变化(Y.S. Choi on Scripta Mater, 2007)。实际上，在弯曲作用下旋转的试样也可能在中性面上捕获移动的位错，在那里没有共享应力，需要增加施加的应力来产生新的位错。此外，即使样品的旋转不明显，也一定会有一些表面台阶，这是由于样品的上部滑出造成的。这种表面台阶减小了活动位错运动的滑移面原始面积，从而缩短了位错臂的有效长度。这也可能导致施加应力的增加。然而，潜在的机制仍在争论中。还需要更复杂的建模和模拟来确定哪种猜想在单晶压缩时的应力跳跃中起主导作用。