微尺度實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究中微拉曼光譜技術(shù)的應(yīng)用分析*

□ 呂曉軍

西安航空學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 西安 710077

1 拉曼光譜技術(shù)

拉曼光譜技術(shù)在微尺度實(shí)驗(yàn)力學(xué)測(cè)試方面，正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。具體而言，晶體的變形與其微觀晶格的變形相關(guān)，且以拉曼特征峰頻率的變化為基礎(chǔ)，可見(jiàn)，通過(guò)測(cè)量拉曼光譜線的變化，就可以對(duì)力學(xué)進(jìn)行測(cè)量［1］。

這一測(cè)試方法能夠在不破壞物質(zhì)自身的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)的測(cè)量，最終結(jié)果分辨率高，測(cè)試范圍廣，可實(shí)現(xiàn)對(duì)本征應(yīng)力和非本征應(yīng)力的測(cè)量等。但是，這一技術(shù)也面臨障礙。

當(dāng)今技術(shù)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了許多新材料，這些材料在結(jié)構(gòu)和性能上與傳統(tǒng)材料差異顯著，導(dǎo)致拉曼光譜技術(shù)受到一定程度的制約。可見(jiàn)，拉曼光譜技術(shù)在微納力學(xué)表征領(lǐng)域具有發(fā)展?jié)摿Γ沁€需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)測(cè)試?yán)碚摵蛯?shí)際應(yīng)用進(jìn)行革新，以此來(lái)促進(jìn)這一技術(shù)的發(fā)展［2］。

2 光柵色散型拉曼光譜儀

20世紀(jì)90年代誕生了顯微拉曼光譜儀，這在力學(xué)領(lǐng)域是一個(gè)偉大的進(jìn)步，由此拉曼光譜測(cè)量方法具備了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，且越來(lái)越普及［3］。

在拉曼光譜測(cè)量?jī)x器中，最常用的是光柵色散型拉曼光譜儀。

光柵色散型拉曼光譜儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由激發(fā)光源、樣品光路、分光光路、光探測(cè)器和光譜讀取等部分組成。

在微尺度實(shí)驗(yàn)力學(xué)中應(yīng)用微拉曼光譜技術(shù)，對(duì)于精細(xì)性的要求比較高，所以操作流程比較固定，如圖2所示［5］。

3 碳納米管纖維的多尺度試驗(yàn)

3.1 多尺度結(jié)構(gòu)

材料的多尺度結(jié)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有直接影響，筆者在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)選擇材料持謹(jǐn)慎態(tài)度，所選擇的碳納米管纖維材料從碳納米管氣凝膠中制備而得，具有一定的穩(wěn)定性［6］。

試驗(yàn)所采用的催化劑是二茂鐵，液相碳源為碳粉，添加劑采用比較常見(jiàn)的抗氧化劑。碳納米管纖維材料形貌如圖3所示。

▲圖1 光柵色散型拉曼光譜儀結(jié)構(gòu)

碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，具有多尺度結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對(duì)力學(xué)行為造成影響，使力學(xué)行為也具有多尺度分級(jí)的特性［7］。

基于以上原因，在試驗(yàn)過(guò)程中要采取聯(lián)合測(cè)量手段，充分反映各尺度構(gòu)成的力學(xué)行為。在具體試驗(yàn)過(guò)程中，采用宏觀拉伸及原位微拉曼試驗(yàn)，并結(jié)合掃描電子顯微鏡觀測(cè)，以此來(lái)反映材料的多尺度特性，這樣不同結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征都能得以呈現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果的精確性才能夠得到保證。

3.2 宏觀拉伸試驗(yàn)

纖維都具有一定的拉伸度，通常而言，拉伸分為三個(gè)階段——彈性階段、強(qiáng)化階段和損傷斷裂階段，每個(gè)階段所受的力不同，對(duì)纖維造成的實(shí)際影響也不同。碳納米管纖維宏觀拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，在彈性階段，應(yīng)變小于1%；在強(qiáng)化階段，應(yīng)變介于1%～11.5%；在損傷斷裂階段，應(yīng)變大于 11.5%［8］。

纖維材料的拉伸是一個(gè)科學(xué)的過(guò)程，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行計(jì)算，特別是對(duì)于纖維材料的拉伸應(yīng)力與力學(xué)性能應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)實(shí)際需要，首先根據(jù)掃描電子顯微鏡照片計(jì)算纖維壁厚和周長(zhǎng)，通過(guò)這些計(jì)算得出纖維材料的截面積，然后根據(jù)截面積進(jìn)行計(jì)算，得出纖維的表觀楊氏模量為15.6 GPa，表觀屈服極限為0.18 GPa，表觀強(qiáng)度極限為 0.3 GPa［9］。

此處有一個(gè)問(wèn)題需要明確，即纖維材料自身的纖維壁內(nèi)不十分緊密，而是含有大量空隙，在計(jì)算過(guò)程中要充分考慮這一因素。根據(jù)對(duì)比實(shí)物圖片及科學(xué)計(jì)算，纖維的有效楊氏模量為31.2 GPa，有效屈服極限為0.36 GPa，有效強(qiáng)度極限為0.6 GPa。

纖維的延伸率也是一個(gè)重要參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算與試驗(yàn)，顯示纖維的延伸率約為11%［10］。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，碳納米管纖維的韌度比較好，拉伸性能良好，整體強(qiáng)度也不錯(cuò)。

3.3 原位微拉曼試驗(yàn)

碳納米管纖維原位微拉曼試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，可以看到應(yīng)變下G′峰的拉曼頻移、半高寬和積分強(qiáng)度發(fā)生了明顯變化。

根據(jù)試驗(yàn)需要及使用上的方便，將所有相關(guān)信息統(tǒng)稱(chēng)為全譜形拉曼信息，這些信息主要包括拉曼頻移、半高寬、積分強(qiáng)度，以及拉曼D峰與G峰的積分強(qiáng)度比［11］。這些信息可以明確反映碳納米管的受力過(guò)程及力學(xué)行為，具有一定的直觀性和明確性。

原位微拉曼試驗(yàn)獲得的結(jié)果其實(shí)是測(cè)量和實(shí)際力學(xué)的結(jié)合，所以信息疊加后將會(huì)呈現(xiàn)出最終的結(jié)果［12］。針對(duì)拉曼頻移，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)內(nèi)各碳納米管纖維拉曼頻移的平均數(shù)，這樣力學(xué)行為是一個(gè)平均結(jié)果，能反映平均水平。針對(duì)半高寬，主要考慮材料各個(gè)方向受力的均勻性。積分強(qiáng)度主要反映材料的傾向程度，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

碳納米管纖維全譜形拉曼信息如圖6所示。根據(jù)試驗(yàn)要求，測(cè)點(diǎn)所承受的力量相同，頻移的改變量也相同，譜峰的寬度不發(fā)生變化；如果測(cè)點(diǎn)受力出現(xiàn)不同的情況，頻移量也將不相同，就會(huì)導(dǎo)致譜峰出現(xiàn)明顯增寬的現(xiàn)象；當(dāng)測(cè)點(diǎn)內(nèi)碳納米管纖維均沿激光偏振方向排布時(shí)，測(cè)得的譜峰較強(qiáng);當(dāng)測(cè)點(diǎn)內(nèi)碳納米管纖維沿激光偏振方向分散出現(xiàn)時(shí)，測(cè)得的譜峰則較弱［13］。

▲圖2 微尺度實(shí)驗(yàn)力學(xué)中應(yīng)用微拉曼光譜技術(shù)流程

▲圖3 碳納米管纖維形貌

▲圖4 碳納米管纖維宏觀拉伸試驗(yàn)結(jié)果

▲圖5 碳納米管纖維原位微拉曼試驗(yàn)結(jié)果

▲圖6 碳納米管纖維全譜形拉曼信息

4 總結(jié)

在實(shí)際工程領(lǐng)域，微納元件的質(zhì)量控制十分重要，其中最重要的工作就是了解材料自身的控制殘余應(yīng)力水平，同時(shí)還要對(duì)材料的力學(xué)特性進(jìn)行分析、測(cè)量和試驗(yàn)［14］。

試驗(yàn)手段是質(zhì)量控制環(huán)節(jié)必不可少的組成部分，試驗(yàn)結(jié)果直接決定著對(duì)材料的了解程度。拉曼光譜技術(shù)在微尺度實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域已發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。筆者對(duì)微拉曼光譜技術(shù)在微尺度實(shí)驗(yàn)力學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，基于碳納米管纖維進(jìn)行了宏觀拉伸試驗(yàn)和原位微拉曼試驗(yàn)，以供專(zhuān)業(yè)人員參考。