CN101819109B - 一种测量纳米纤维单丝拉伸强度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量纳米纤维单丝拉伸强度的方法，它涉及一种纤维拉伸强度的测量方法。本发明解决了现有测量纳米纤维方法存在操作复杂及操作不方便的问题。测量方法如下：一、将纳米纤维固定在凹形模板上，将强力胶滴在纳米纤维中间后固化，即获得小球；二、用卡头将小球夹住，并将卡头与力学传感器连接，力学传感器与计算机连接；三、沿纳米纤维方向缓慢拉动凹形模板，由计算机实时记录卡头所承受的拉力载荷，直到纳米纤维被拉断，将最大拉力载荷Fm带入σt＝Fm/s计算出纳米纤维的强度σt；即完成了纳米纤维拉伸强度测量。本发明方法简单、容易操作、准确率高，在开放式的环境中即可操作，操作方便。准确率达95％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维单丝拉伸强度的测量方法。
背景技术
1991年，日本学者Lijima首次报道碳纳米管的合成，掀起了纳米纤维的研究热潮。纳米纤维，即一维纳米材料，按照形貌可以分为纳米管、纳米线、纳米带、纳米电缆等。由于纳米尺寸效应，纳米纤维可表现出很多不同于块体材料的性能，如新颖的光学、电学、催化等性质，在微电子、光电子和纳米催化等领域有巨大的应用前景；同时，纳米纤维还具有优异的力学性能，弹性模量和拉伸强度可以接近理论值(如碳纳米管和碳化硅纳米纤维)，在增强金属基、陶瓷基、树脂基的复合材料领域都有着极其重要的应用价值。为了实现上述的潜在应用，首先应对纳米纤维的性能进行深入研究。
纳米纤维的拉伸强度，是一个重要的力学性能指标，用来衡量纳米纤维所能承受的最大拉应力。一般地，当纤维用作复合材料增强体时，增强和增韧效果主要取决于纤维的拉伸强度。所以，精准地测量出纤维的拉伸强度显得尤为重要和必要。传统纤维(一般指直径在微米量级以上的纤维)拉伸强度的测试技术，已经基本成熟，只要将纤维两端固定并在载荷的牵引下拉断，记录下纤维断裂时的载荷，便可以根据纤维的断面面积计算出拉伸强度的值。虽然该方法在原理上同样适用于纳米纤维，但由于纳米纤维的直径很小(几个纳米至几百纳米)，无法像操作传统纤维那样直接夹住或粘住纤维的两端，往往要借助微纳米操作技术。
测量纳米纤维的现有方法很少，都需要借助原子力显微镜或带有原位操作功能的电子显微镜将纳米纤维固定到力学探头上，然后在持续升高的载荷作用下拉伸纳米线(举例，参考文献：W.Ding et al.，Mechanics of crystallineboron nanowires，Composites Science and Technology 66(2006)1109-1121)。在具体操作中，最难实现的步骤就是将纳米纤维的两端固定到力学探头上，可以归结于两个方面的原因：一是纳米纤维的尺寸太小而不容易夹取，二是操作中极小的力会使纳米纤维产生断裂或损伤。同时，由于现有测试方法需要在原子力显微镜或电子显微镜中进行操作，不利于重复和大量测试，缺乏实用性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有测量纳米纤维方法存在操作复杂及操作不方便的问题。
测量纳米纤维拉伸强度的方法是通过下述步骤实现的：一、将纳米纤维的两端固定在凹形模板上，然后将强力胶滴在纳米纤维中间后在室温下固化，即在纳米纤维上获得直径为1～100微米的小球；二、然后调节卡具的卡头将纳米纤维上的小球夹住，并将卡头与力学传感器连接，力学传感器与计算机连接；三、卡头固定不动，沿纳米纤维轴向方向以1～100μm/min的速度缓慢拉动凹形模板，由计算机实时记录卡头所承受的拉力载荷，直到纳米纤维被拉断，得到最大拉力载荷Fm，将Fm带入公式σt＝Fm/s计算出纳米纤维的强度σt；即完成了纳米纤维拉伸强度测量；其中，上述公式中σt表示纳米纤维的强度，σt的单位：Gpa，Fm表示最大拉力载荷，Fm的单位：mN，S表示纳米纤维断面的横截面积，S的单位：μm2。
本发明方法简单、容易操作、准确率高，在开放式的环境中即可操作，操作方便，可重复测试和大量测试，实用性强；准确率达95％以上。
与图1所述方法相比，本发明更简便、易于操作，测试成本可以大大降低，而且利于大量样品的测试，具有较高的应用价值。将纳米纤维固定在凹形模板上可以在开放空间内进行，避免了已有测试方法中在原子力显微镜或电子显微镜中将纳米纤维固定到力学探头上的复杂简便；本发明方法可以避免纳米纤维损伤，具有更高的精度。适用于测量直径5～2000nm的纤维。若纤维的长度小于2mm，可以通过先在凹形模板两端预连结上两根纳米棒，然后将待测纳米纤维两端固定在纳米棒上。
附图说明
图1是现有测量纳米纤维法的示意图；图2是卡具卡住纳米纤维上的小球的示意图，图3是纳米纤维被拉断的示意图；图中1表示牵引端，2表示纳米纤维，3表示固定端，4表示卡具，5表示小球，6表示凹形模板，7表示力学传感器，←表示拉动方向。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中测量纳米纤维拉伸强度的方法是通过下述步骤实现的：一、将纳米纤维的两端固定在凹形模板上，然后将强力胶滴在纳米纤维中间后在室温下固化，即在纳米纤维上获得直径为1～100微米的小球；二、然后调节卡具的卡头将纳米纤维上的小球夹住，并将卡头与力学传感器连接，力学传感器与计算机连接；三、卡头固定不动，沿纳米纤维轴向方向以1～100μm/min的速度缓慢拉动凹形模板，由计算机实时记录卡头所承受的拉力载荷，直到纳米纤维被拉断，得到最大拉力载荷Fm，将Fm带入公式σt＝Fm/s计算出纳米纤维的强度σt；即完成了纳米纤维拉伸强度测量；其中，上述公式中σt表示纳米纤维的强度，σt的单位：Gpa，Fm表示最大拉力载荷，Fm的单位：mN，S表示纳米纤维断面的横截面积，S的单位：μm2。
在步骤三过程中小球不发生形变。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的强力胶为502强力胶或101强力胶。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一述凹形模板材料为纸、金属、单晶硅片或塑料。其它步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述凹形模板凹槽的宽度不小于2mm。其它步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中在纳米纤维上获得小球的直径为5～80微米。其它步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中在纳米纤维上获得小球的直径为10～50微米。其它步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中在纳米纤维上获得小球的直径为20微米。其它步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式八：本实施方式中测量纳米纤维拉伸强度的方法是通过下述步骤实现的：一、将直径为400nm的碳化硅纳米纤维的两端固定在纸质凹形模板上，然后将101强力胶滴在纳米纤维中间后在室温下固化，即在纳米纤维上获得直径为15微米的小球；二、将复合材料界面性能评价装置上，然后调节卡具的卡头将纳米纤维上的小球夹住，并将卡头与力学传感器连接，力学传感器与计算机连接；三、卡头固定不动，沿纳米纤维轴向方向以50μm/min的速度缓慢拉动凹形模板，(见图2)，由计算机实时记录卡头所承受的拉力载荷，直到纳米纤维被拉断(见图3)，得到最大拉力载荷F m＝2.46mN，纳米纤维断面面积S＝0.1256μm2，将Fm带入公式σt＝Fm/s计算出纳米纤维的强度σt＝19.59GPa；即完成了纳米纤维拉伸强度测量。
本实施方式复合材料界面性能评价装置是日本东荣产业株式会社生产的，产品型号：HM410型。
采用金属、单晶硅片或塑料材质凹形模板替换纸质凹形模板，强力胶可变换为502胶，变换凹形模板和更替胶的类型对测量结果均不会造成影响，更换模板或胶水而造成的误差率小于2％。
Claims (7)
1.一种测量纳米纤维拉伸强度的方法，其特征在于实现步骤如下：一、将纳米纤维的两端固定在凹形模板上，然后将强力胶滴在纳米纤维中间后在室温下固化，即在纳米纤维上获得直径为1～100微米的小球；二、然后调节卡具的卡头将纳米纤维上的小球夹住，并将卡头与力学传感器连接，力学传感器与计算机连接；三、卡头固定不动，沿纳米纤维轴向方向以1～100μm/min的速度缓慢拉动凹形模板，由计算机实时记录卡头所承受的拉力载荷，直到纳米纤维被拉断，得到最大拉力载荷Fm，将Fm带入公式σt＝Fm/s计算出纳米纤维的强度σt；即完成了纳米纤维拉伸强度测量；其中，上述公式中σt表示纳米纤维的强度，σt的单位：Gpa，Fm表示最大拉力载荷，Fm的单位：mN，S表示纳米纤维断面的横截面积，S的单位：μm2。
2.根据权利要求1所述的一种测量纳米纤维拉伸强度的方法，其特征在于步骤一中所述的强力胶为502强力胶或101强力胶。
3.根据权利要求1或2所述的一种测量纳米纤维拉伸强度的方法，其特征在于步骤一述凹形模板材料为纸、金属、单晶硅片或塑料。
4.根据权利要求3所述的一种测量纳米纤维拉伸强度的方法，其特征在于步骤一所述凹形模板凹槽的宽度不小于2mm。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种测量纳米纤维拉伸强度的方法，其特征在于步骤一中在纳米纤维上获得小球的直径为5～80微米。
6.根据权利要求1、2或4所述的一种测量纳米纤维拉伸强度的方法，其特征在于步骤一中在纳米纤维上获得小球的直径为10～50微米。
7.根据权利要求1、2或4所述的一种测量纳米纤维拉伸强度的方法，其特征在于步骤一中在纳米纤维上获得小球的直径为20微米。
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