纳米实验力学中的相关测试技术

第一篇：纳米实验力学中的相关测试技术

纳米实验力学中的相关测试技术

摘 要：材料纳观力学特性与纳米材料力学特性的测试是纳米实验力学的基本内容。本文对纳米硬度技术、纳米云纹技术、扫描力显微镜技术等主要的几种纳米实验力学测试技术进行介绍，了解纳米力学实验技术的发展。

关键词 纳米实验力学 测试技术

引言

纳米力学从研究的手段上可分为纳观计算力学和纳米实验力学。纳米计算力学包括量子力学计算方法、分子动力学计算和跨层次计算等不同类型的数值模拟方法。纳米实验力学则有两层含义：一是以纳米层次的分辨率来测量力学场，即所谓的材料纳观实验力学；二是对特征尺度为1-100nm之间的微细结构进行的实验力学研究，即所谓的纳米材料实验力学。纳米实验力学研究有两种途径：一是对常规的硬度测试技术、云纹法等宏观力学测试技术进行改造，使它们能适应纳米力学测量的需要；另一类是创造如原子力显微镜、摩擦力显微镜等新的纳米力学测量技术建立新原理、新方法。

本文中主要对当今几种主要材料纳观力学与纳米材料力学特性测试方法：纳米硬度技术、纳米 云纹技术、扫描力显微镜技术等进行概述。

一、纳米硬度技术

随着现代材料表面工程、微电子、集成微光机电 系统、生物和医学材料的发展试样本身或表面改性层厚度越来越小。传统的硬度测量已无法满足新材料研究的需要，于是纳米硬度技术应运而生。纳米硬度计是纳米硬度测量的主要仪器，它是一种检测材料微小体积内力学性能的测试仪器，包括压痕硬度和划痕硬度两种工作模式。由于压痕或划痕深度一般控制在微米甚至纳米尺度，因此该类仪器已成为电子薄膜、涂层、材料表面及其改性的力学性能检测的理想手段。它不需要将表层从基体上剥离，便可直接给出材料表层力学性质的空间分布。

1、纳米压痕法

纳米压痕硬度法是一类测量材料表面力学性能 的先进技术。其原理是在加载过程中 试样表面在压头作用下首先发生弹性变形，随着载荷的增加试样开始发生塑性变形，加载曲线呈非线性，卸载曲线反映被测物体的弹性恢复过程。通过分析加卸载曲线可以得到材料的硬度和弹性模量等参量。纳米压痕法不仅可以测量材料的硬度和弹性模量，还可以根据压头压缩过程中脆性材料产生的裂纹估算材料的断裂韧性，根据材料的位移压力曲线与时间的相关性获悉材料的蠕变特性。除此之外，纳米压痕法还用于纳米膜厚度、微结构，如微梁的刚度与挠度等的测量。

2、纳米划痕法

纳米划痕硬度计主要是通过测量压头在法向和切向上的载荷和位移的连续变化过程，进而研究材料的摩擦性能、塑性性能和断裂性能的。纳米划痕仪器的设计主要有两种方案 纳米划痕计和压痕计，合二为一即划痕计的法向力和压痕深度由高分辨率的压痕计提供，同时记录匀速移动的试样台的位移，使压头沿试样表面进行刻划，切向力由压杆上的两个相互垂直的力传感器测量纳米划痕硬度计和压痕计相互独立。纳米划痕硬度计，不仅可以研究材料的摩擦磨损行为，还广泛应用于薄膜的粘着失效和黏弹行为。对刻划材料来说，不仅载荷和压入深度是重要的参数，而且残余划痕的深度、宽度、凸起的高度在研究接触压力和实际摩擦也是十分重要的。目前，该类仪器已广泛应用于各种电子薄膜、汽车喷漆、胶卷、光学镜 头、磁盘、化妆品（指甲油和口红）等的质量检测。

二、纳米云纹法

云纹法是在20世纪60年代兴起的物体表面全场变形的测量技术。从上世纪80年代以来,高频率光栅制作技术已经日趋成熟。目前高精度云纹干涉法通常使用的高密度光栅频率已达到600～2400线/mm,其测量位移灵敏度比传统的云纹法高出几十倍甚至上百倍。近年来云纹法的研究热点已进入微纳尺度的变形测量，并出现与各种高分辨率电镜技术、扫描探针显微技术相结合的趋势。

1、显微几何云纹法

在光学显微镜下通过调整放大倍数将栅线放大到频率小于40线/mm，然后利用分辨率高的感光胶片分别记录变形前后的栅线，两种栅线干涉后即可获得材料表面纳米级变形的云纹。

2、电子/ 离子束云纹法和电镜扫描云纹法

利用电子/离子束抗蚀剂制作出10000线/mm的电子/离子束云纹光栅,这种光栅的应用频率范围为40～20000线/mm,栅线的最小宽度可达到几十纳米。

电镜扫描条纹的倍增技术用于单晶材料纳米级变形测量。其原理是:在测量中,单晶材料的晶格结构由透射电镜(TEM)采集并记录在感光胶片上作为试件栅,以几何光栅为参考栅,最终通过透射电镜放大倍数与试件栅的频率关系对上述两栅的干涉云纹进行分析,即可获得单晶材料表面微小的应变场。

3、STM/晶格光栅云纹法

隧道显微镜(STM)纳米云纹法是测量表面位移的新技术。测量中,把扫描隧道显微镜的探针扫描线作为参考栅,把物质原子晶格栅结构作为试件栅,然后对这两组栅线干涉形成的云纹进行纳米级变形测量。运用该方法对高定向裂解石墨的纳米级变形应变进行测试,得到随扫描范围变化的应变场。

三、SFM纳米力学测试

在扫描隧道显微镜(STM)发明以后,基于STM,人们又陆续发展一系列相似的扫描成像显微技术,它们包括原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(FFM)、磁力显微镜、静电力显微等,统称为扫描力显微镜(SFM)。由于这些扫描力显微镜成像的工作原理是基于探针与被测样品之间的原子力、摩擦力、磁力或静电力,因此,它们自然地成为测量探针与被测样品之间微观原子力、摩擦力、磁力或静电力的有力工具。采用原子力显微镜对饱和铁转铁蛋白和脱铁转铁蛋白与转铁蛋白抗体之间的相互作用进行研究,通过原子力显微镜对分子间力的曲线进行探测,比较饱和铁转铁蛋白和脱铁转铁蛋白与抗体之间的作用力的差异;采用磁力显微镜观察Sm2Co17基永磁材料表面的波纹磁畴和条状磁畴结构;使用摩擦力显微镜对计算机磁盘表面的摩擦特性进行试;利用静电力显微镜测量技术,依靠轻敲模式(Tapping mode)和抬举模式(Lift mode),用相位成像测量有机高分子膜-壳聚糖膜(CHI)的表面电荷密度空间分布等等。除此之外,近年来,SPM还用于测量化学键、纳米碳管的强度,以及纳米碳管操纵力方面的测量。利用透射电子显微镜和原子力显微镜原位加载,观测单一纳米粒子链的力学属性和纳观断裂;采用扫描电镜、原子力显微镜对纳米碳管的拉伸过程及拉伸强度进行测等;基于原子力显微镜提出一种纳米级操纵力的同步测量方法,进而应用该方法,成功测量出操纵、切割碳纳米管的侧向力信息等。这些SFM技术为研究纳米粒子/分子、基体与操纵工具之间的相互作用提供最直接的原始力学信息和实验结果。

四、参考文献

1、杨卫 马新玲 王宏涛等.纳米力学进展〔J〕,力学进展,2002,32(2):161～168

2、沈海军.纳米科技导论,南京航空航天大学讲义〔M〕,2004

3、朱瑛,姚英学.纳米压痕技术及其试验研究〔J〕,工具技术.2004,38(8):13～17

4、张泰华.纳米硬度计在MEMS力学检测中的应用〔J〕,微纳电术,2003,40(7):212～214

5、Dai F L,Wang Z Y.Geometric micro-moire method〔J〕.op-tics&lasers in engineering,1999,31(3):191～194

6、谢惠民,岸本哲.电子束刻蚀法制作微米/亚微米云纹光栅技术〔J〕,光学技术,2000,26(6):526～528

7、谢惠民,李标.扫描离子束云纹法〔J〕,光学技术,2003,29(1):23～26

8、刘战伟,谢惠民.纳米云纹法条纹倍增技术研究〔J〕,光子学报,2005,34(9):1431～1433

9、沈海军 史友进 纳米实验力学中的相关测试技术[J] 现代仪器2006

第二篇：游泳技术中的力学

游泳技术中的力学

摘要：凡涉及水环境的运动项目，运动员都不可忽视水的一条最重要的自然属性——水是一种流体。在物理学中，研究流体宏观运动的这部分力学称为流体力学。它又可以流体静力学和流体动力学，游泳项目因其必要的水环境与流力学有着不可分割的关系体。好的运动员不是改变水的流体属性，而是借助于水中的各种力来实现自己的水中活动。

关键词：流体力学

游泳技术

划水

阻力

推动力

任何一种体育运动最合理最完善的程度，都必须依照一定的基础原理进行分析并加以应用，游泳作为一项大众化的体育项目也是如此。流体力学是游泳技术力学分析的理论基础。在游泳技术中，运动员受力情况分析是较为复杂的这也是为什么游泳中有佼佼者，也有人却不尽人意。理论与实际存在一定的差异、复杂的受力情况、个人的因素等就把运动员的有用水平分成三六九等。

要想分析游泳技术中的力学问题，首先了解一下水的自然属性：（1）水的压力

水有压力。当人在水中是，如果水的深度超过胸部，就会明显感觉水的压力存在，因为，此时人在水中呼吸变得完全不同于平时在陆上呼吸那样轻松自如，尤其在吸气时感到费力。这种现象就是水的压力在起作用这是水的压力带来的不利之处。在水的压力带来呼吸调整问题的同时由于压力相关的压强为运动员提供了在水中漂浮的条件，根据压强P深度h水的密度ρ之间的关系，即P＝ρgh，上下表面的压强差形成的压力差把人在水中托起。

（2）水的流动性

水具有流动性。在物理学中，运动是相对的，以运动员为参照物，在游泳过程中，人与水之间由于划臂、蹬腿等动作产生相对运动，在水受到力的作用是会给人以反作用力，在力的作用下两者产生性对运动，流速的大小产生不同压强，由于压强差造成的压力差推动运动员运动。

（3）水的密度 密度是某种物质的质量和其体积的比值。其数学表达式为：ρ＝m／v，由于水的密度与人体相近，根据浮力公式：F=ρgv，所受浮力与重力相近。在产生的因运动造成的力的作用下，人可以把部分需要部位露出水面，完成简单换气。换气过程中身体露出水面的情况与人体当时受力有关，吸气前由于手脚划水作用改变原来受力平衡，使得头部露出水面。在吸气时胸腔变大，浮力变大，这是重力与浮力重新达到平衡。

在游泳过程中，要想取得好成绩不仅要了解水的属性，还要对力加以利用和克服： 1.阻力

游泳没有走得快，与跑更无法相比，空气与水对人体运动阻力的比值是其重要成因之一。这其中的主要原因是水的密度大约是空气的1000倍。不像跑步、骑自行车或者其它常见的人类运动形式可以将肌肉的大部分能量转换成前进运动,我们游泳时几乎要消耗90%多的能量去克服液体的阻力.当然,水的密度也多少能给我们提供一些昂首翘尾的机会,这意味着我们可以或深或浅地在水面漂浮,但是这要取决于我们身体的胖瘦比例和肺活量的大小。“同一物体在同样的速度下运动，水的阻力比空气阻力大800多倍。”空气阻力是水阻力的八百分之一。认知这种阻力差，变换手掌划水角度，减少水的阻力，增加游进动力，是提高泳速的关键。

（1）迎面阻力指的是，游泳前进时为了排开身体前方的水，而在迎面受到的阻力。这种阻力是游泳时的主要阻力之一。克服这种阻力的方法，就是尽量将身体成流线型。在这里，举一个最简单的例子。初学蛙泳的人，经常会犯一个毛病，就是：收腿时大腿往肚子那里收。这是完全错误

图1

的，因为这样做破坏了流线型，让大腿成为前进时巨大的迎面阻力。正确的做法是小腿往屁股后面收。

（2）

摩擦阻力是水流过身体时，与身体摩擦而产生的。实验证明，高速运动的物体，如飞机等，摩擦阻力起重要作用。而对于象游泳这样的低速运动，摩擦阻力起的作用很小。所以，有些运动员剃光全身的毛，想以此减小阻力，其实并没有实验上的根据。现在有很多运动员穿鲨鱼装，性质也是这样。

（3）旋涡阻力是指，水在填充身体前进以后留下的空间时，产生的旋涡对身体的阻力。这也是游泳时主要的阻力之一。这种阻力，在很多情况下，表现为浪花产生的阻力。克服这种阻力，也是尽量让身体成为流线型。有的人游泳时，身体不是平着的，而是竖的或者斜的。这样做，迎面阻力很大，旋涡阻力也很大，所以是不正确的。物体前面的形状越不好，（非流线型），受力就大，物体后面的形状越不好，漩涡就越多，压力就越小，物体前后的压力差越大，所受的形状阻力（也称漩涡阻力）越大。因此，在游泳时保持身体的图2

流线型是非常重要的。在出发和转身后的滑行中，身体要保持平直和一定的紧张度，做好流线型，以减少漩涡阻力（图2）。蛙泳应先伸臂再蹬腿。让手臂接近伸直，做好流线型再蹬腿，不要屈臂在胸前或伸臂同时蹬腿。另外，蹬完腿应拼拢伸直，不要弯曲分腿。爬泳、蝶泳、仰泳打腿时要伸直脚面，勾着脚都会在身后出现大面积的漩涡。

根据阻力公式

我们知道，游泳速度增加一倍，则阻力相应增加4倍。这是在推进阻力面积和正面阻力面积不变的情况下得到的结论。实际上运动员游进速度提高时，手臂上的转动点位置也随之下降，这时推进阻力面积和正面阻力面积的比值也发生变化。如果转动点在肘部时，推进阻力面积与正面阻力面积之比是1：3，当运动员速度提高一倍时，手臂上的转动位置由肘部降到腕部，这时的力量与速度关系就会很好的体现，可见提高游泳速度不仅要有力量上的优势，在水中的姿势也有很大关系。同时也告诉我们，在向前做有效划水的准备动作时，不要过猛过快，如蛙泳向前伸臂，和收腿时，不能过猛过快，在爬泳、蝶泳、仰泳打腿时，不要主动向前弯曲小腿来打水。以免增加阻力。另外，游泳时，匀速地前进，阻力相对要小些。爬泳和仰泳中，当一臂结束划水前或正结束划水时，另一臂即开始划水，使前进速度比较均匀。而蝶泳则不然，两臂同时划水，不同时向前移臂，有“时快时慢”的情况，要费很大的力量去克服惯性。这就是爬泳、仰泳要比蝶泳游得快些和省力的原因之一。

2.推进力

所谓推进力顾名思义，就是推动前进的动力，在游泳过程中，运动员为了在水中前进通过相关部位的活动与水产生相互作用力，在水对人产生反作用力的情况下，人借助于这个反作用力在水中前进，水的反作用力就是人的推进力。那么在游泳比赛中，推动力就是运动员前进的动力，这也是决定前进速度的另一个重要因素。“因为游泳运动员不能把脚支撑在地面上，所以髋部就不能起到鞭把的作用,达不到使力量集中一点推动整个身体的实质目的。当我们以最大效率游泳的时候，躯干轴向转动推动在移

图3

臂的手臂前伸入水，同时也驱动另一只手臂向后推水。”推动力与阻力两者共同作用在运动员身上，在二力的合力作用下运动员有了改变运动状态的能力。

根据牛顿第三运动是定律，作用力和反作用力的大小相等，方向相反。我们在向后作有效划臂、蹬（打）腿时，要尽量加大投影截面，和加快速度，这样能获得更大的反 作用力，即向前推进力。例如蛙泳在向后蹬水的面积（而不是用脚底去蹬水）。而且蛙泳蹬腿，爬、仰、蝶泳打腿，都是用大腿带小腿做“鞭打”的动作，一方面力臂长，费力大而划水的效果差（图3）。这是因为直臂划水，会产生与前进方向不一致的分力，这个力不是推动前进，在爬泳，蝶泳中，造成身体上下起伏，而在仰泳中产生左右摆动。而高肘 图4 屈臂划水，使手掌和前臂形成最有效的划水面和合理的划水方向，并加长了有效的划水路线，从而取得最大的推动力。（图4）最不好划水动作是沉（拖）肘反作用力大小相等，方向相反这一定律看，游泳时，应直线向后划水，但事实在实际中几乎找不到一个完全直来直去划水的优秀运动员。这是因为水是液体，是可以移动的支撑物，划水时，水对手产生反作用力的同 时也随手向后流动，手再沿着直线划这股还在向后流动的水时，就如逆水游泳一样，效果就越差。而曲线划水，就同民间摇橹船的橹一样，曲线划水，可以不停地对着相对静止的“新水”给以作用，而得到支撑反作用力。可见，曲线划水虽然会有分力，但比起“划空”，推进力还是要大得多。屈臂划水，因为小臂和手掌的对水面不好，划水面太小，划不到水。从作用力和 结尾：在游泳过程中，技术占有关键地位，良好的游泳技术在很大程度上让人节省体力，减小阻力，增加推动力。但是在游泳时，人除了要很好的掌握自身熟悉的技术因素外，还要关注与水环境的因素，在不同的水环境下，要有针对环境所独有的特殊因素，例如：游泳池中的静水环境和江河中的动水环境，根据当时特有的条件在节省体力的情况下达到自己所希望的目的。文献：

1.J Y 康西尔曼 游泳的力学原理 1974 2.张志田 贾玉瑞 温仲华 游泳技术原理 1990 3.汪曦永 凡时芳 由中国游泳悉尼奥运失利引起的思考会 2001（02）4.伊协远 马晖扬 庄礼贤 流体力学多层次课程体系建设与教育改革【J】教育与现代化 1990年02期

5.刘福锦 刘强 吕丽 天津体育学院报 2001 第3期 6.薛乃树 物理教学探讨：中教版 2004 第8期

第三篇：纳米加工技术

纳米加工技术及其应用

江苏科技大学机械学院

学号：139020021

姓名：原旭全

纳米尺度的研究作为一门技术,是80年代刚刚兴起的.它所研究的对象是一般研究机构很难涉猎的即非宏观又非微观的中间领域,有人称之为介观领域.所谓纳米技术通常指纳米级(0.1nm~l00nm)的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术.纳米技术主要包括纳米级精度和表面形貌的测量;纳米级表层物理、化学、机械性能的检测;纳米级精度的加工和纳米级表层的加工一一原子和分子的去除、搬迁和重组;纳米材料;纳米级微传感器和控制技术;微型和超微型机械;微型和超微型机电系统;纳米生物学等;纳米加工技术是纳米技术的一个组成部分.纳米加工的含义是达到纳米级精度(包括纳米级尺寸精度,纳米级形位精度和纳米级表面质量)的加工技术.其原理使用极尖的探针对被测表面扫描(探针和被侧表面不接触),借助纳米级的三维位移控制系统测量该表面的三维微观立体形貌.材料制造技术.著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在20世纪60年代曾预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化.他说的材料即现在的纳米材料.纳米材料是由纳米级的超微粒子经压实和烧结而成的.它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般为l一100nm.它包括体积份数近似相等的两部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面.纳米材料的两个重要特征是纳米晶粒和由此产生的高浓度晶界.这导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变.如:纳米陶瓷由脆性变为100%的延展性,甚至出现超塑性.纳米金属居然有导体变成绝缘体.金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中,可大大降低静电作用.纳米Tiq按一定比例加入到化妆品中,可有效遮蔽紫外线.当前纳米材料制造方法主要有:气相法、液相法、放电爆炸法、机械法等.l)气相法:¹热分解法:金属拨基化合物在惰性介质(N2或洁净油)中热分解,或在H冲激光分解.此方法粒度易控制,适于大规模生产.现在用于Ni、Fe、W、M。等金属,最细颗粒可达3一10nm.º真空

蒸发法:金属在真空中加热蒸发后沉积于一转动圆的流动油面上;可用真空蒸馏使颗粒浓缩.此法平均颗粒度小于10nm.2)液相法:¹沉积法:采用各种可溶性的化合物经混合,反应生成不溶解的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐或有机盐等沉淀.把过滤后的沉淀物热分解获得高强超纯细粉.采用此工艺制备出均质的玻璃和陶瓷.由于该法可制备超细(10nm一100nm)、化学组成及形貌均匀的多种单一或复合氧化物粉料.已成为一种重要的超细粉的制备方法.3)放电爆炸法:金属细丝在充满惰性气体的圆筒内瞬间通人大电流而爆炸.此法可制造Mo.W等难熔金属的超细颗粒(25一350nm),但不能连续操作.4)机械法:利用单质粉末在搅拌球磨(AttritorMill)过程中颗粒与颗粒间和颗粒与球之间的强烈、频繁的碰撞粉碎.近几年大量采用搅拌磨,即利用被搅拌棍搅拌的研磨介质之间的研磨,将粉料粉碎粉碎效率比球磨机或振动磨都高.(3)三束加工技术:可用于刻蚀、打孔、切割、焊接、表面处理等.l)电子束加工技术:电子束加工时,被加速的电子将其能量转化成热能,以便除去穿透层表面的原子,因此不易得到高精度.但电子束可以聚焦成很小的束斑(巾0.1林m)照射敏感材料.用电子刻蚀,可加工出0.1林m线条宽度.而在制造集成电路中实际应用.2)离子束加工技术:因离子直径为0.Inm数量级.故可直接将工件表面的原子碰撞出去达到加工的目的.用聚焦的离子束进行刻蚀,可得到精确的形状和纳米级的线条宽度.3)激光束加工技术:激光束中的粒子是光子,光子虽没有静止质量,但有较高的能量密度.激光束加工常用YAG激光器认封.06林m)和Cq激光器位一10.63林m).激光束加工不是用光能直接撞击去掉表面原子,而是光能使材料熔化、汽化后去掉原子.(4)LIGA(Lithographie,Galvanoforming,Abforming)技术.这是最新发展的光刻、电铸和模铸的复合微细加工技术.它采用深度同步辐射X射线光刻,可以制造最大高度为1000林m、高宽比为200的立体结构,加工精度可达0.1林m.刻出的图形侧壁陡峭,表面

光滑.加工微型器件可批量复制,加工成本低.目前,在LIGA工艺中再加入牺牲层的方法,使加工出的微器件一部分可脱离母体而能转动或移动.这在制造微型电动机或其他驱动器时极为有用.LIGA技术对微型机械是非常有用的工艺方法.1与常规精加工的比较

纳米级加工中.工件表面的原子和分子是直接加工的对象.即需切断原子间的结合.纳米加工实际已到了加工的极限.而常规的精加工欲控制切断原子间的结合是无能为力的,其局限性在于: l)高精度加工工件时,切削量应尽量小而常规的切削和磨削加工,要达到纳米级切除量,切削刀具的刀刃钝圆半径必须是纳米级,研磨磨料也必须是超细微粉.目前对纳米级刃口半径还无法直接测量.2)工艺系统的误差复映到工件,工艺系统的受力/热变形、振动、工件装夹等都将影响工件精度.3)即使检测手段和补偿原理正确,加工误差的补偿也是有限的.4)加工过程中存在不稳定因素.如切削热,环境变化及振动等.由此可见.传统的切削/磨削方法,一方面由于加工方法的局限或由于加工机床精度所限,显示出在纳米加工领域应用裕度不足.另一方面,由于科技产业迅猛发展,加工技术的极限不断受到挑战.有研究表明,磨削可获得o.35nm的表面粗糙度,但对如何实现稳定、可靠的纳米机加工以及观察研究材料微加工过程力学性能则始终受到实验手段的限制.因此纳米机加工必须寻求新的途径即直接用光子、电子、离子等基本粒子进行加工.例如,用电子束光刻加工超大规模集成电路.2.微纳米加工技术的分类

自人类发明工具以来,加工是人类生产活动的主要内容之一.所谓加工是运用各种工具将原材料改造成为具有某种用途的形状.一提到加工,人们自然会联想到机械加工.机械加工是将某种原材料经过切削或模压形成最基本的部件,然后将多个基本部件装配成一个复杂的系统.某些机械加工也可以称为微纳米加工.因为就其加工精度而言,某些现代磨削或抛光加工的精度可以达到微米或纳米量级.但本文所讨论的微纳米加工技术是指加工形成的部件或结构本身的尺寸在微米或纳米量级.微纳米加工技术是一项涵盖门类广泛并且不断发展中的技术.在2004年国际微纳米工程年会上,曾有人总结出多达60种微纳米加工方法.可见实现微纳米结构与器件的方法是多样的.本文不可能将所有微纳米加工技术一一介绍.对这些加工技术的详细介绍目前已有专著出版.笔者在此仅将已开发出的微纳米加工技术归纳为三种类型作概括性的介绍

（1）平面工艺

以平面工艺为基础的微纳米加工是与传统机械加工概念完全不同的加工技术.图1描绘了平面工艺的基本步骤.平面工艺依赖于光刻(lithography)技术.首先将一层光敏物质感光,通过显影使感光层受到辐射的部分或未受到辐射的部分留在基底材料表面,它代表了设计的图案.然后通过材料沉积或腐蚀将感光层的图案转移到基底材料表面.通过多层曝光,腐蚀或沉积,复杂的微纳米结构可以从基底材料上构筑起来.这些图案的曝光可以通过光学掩投影实现,也可以通过直接扫描激光束,电子束或离子束实现.腐蚀技术包括化学液体湿法腐蚀和各种等离子体干法刻蚀.材料沉积技术包括热蒸发沉积,化学气相沉积或电铸沉积.图1平面工艺的基本过程:在硅片上涂光刻胶、曝光、显影,然后把胶 的图形通过刻蚀或沉积转移到其他材料

（2）探针工艺

探针工艺可以说是传统机械加工的延伸,这里各种微纳米尺寸的探针取代了传统的机械切削工具.微纳米探针不仅包括诸如扫描隧道显微探针,原子力显微探针等固态形式的探针,还包括聚焦离子束,激光束,原子束和火花放电微探针等非固态形式的探针.原子力探针或扫描隧道电子探针一方面可以直接操纵原子的排列,同时也可以直接在基底材料表面形成纳米量级的氧化层结构或产生电子曝光作用.这些固体微探针还可以通过液体输运方法将高分子材料传递到固体表面,形成纳米量级的单分子层点阵或图形.非固态微探针如聚焦离子束,可以通过聚焦得到小于10nm的束直径,由聚焦离子束溅射刻蚀或化学气体辅助沉积可以直接在各种材料表面形成微纳米结构.聚焦激光束已经广泛应用于传统加工工业,作为切割或焊接工具.高度聚焦的激光束也可以直接剥蚀形成微纳米结构,例如近年来出现的飞秒激光加工技术.利用激光对某些有机化合物的光固化作用也可以直接形成三维立体微纳米结构.只要加工的工具足够小,即使传统机械加工技术也有可能制作微米量级的结构.例如,利用聚焦离子束的微加工能力可以制造尖端小于10Lm的高速钢铣刀.这种微型铣刀可以加工小于100Lm的沟槽或台阶结构.探针工艺与平面工艺的最大区别是,探针工艺只能以顺序方式加工微纳米结构.而平面工艺是以平行方式加工,即大量微结构同时形成.因此平面工艺是一种适合于大生产的工艺.但探针工艺是直接加工材料,而不是像平面工艺那样通过曝光光刻胶间接加工.3纳米级加工的关键技术

(l)测量技术

纳米级测量技术包括纳米级精度的尺寸和位移的测量、纳米级表面形貌的测量.纳米级测量技术主要有两个发展方向:1)光干涉测量技术:可用于长度、位移、表面显微形貌的精确测量.用此原理测量的方法有双频激光干涉测量、光外差干涉测量、X射线干涉测量等.2)扫描探针显微测量技术:主要用于测量表面微观形貌.用此原理的测量方法有扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等.(5)扫描隧道显微加工技术(sTM).扫描隧道显微加工技术是纳米加工技术中的最新发展,可实现原子、分子的搬迁、去除、增添和排列重组,可实现极限的精加工或原子级的精加工.近年来这方面发展迅速,取得多项重要成果.1990年美国Eigler等人,在低温和超真空环境中,用STM将镍表面吸附的xe(氛)原子逐一搬迁,最终以35个Xe原子排成IBM3个字母,每个字母高snm.Xe原子间最短距离约为Inm,以后他们又实现了原子的搬迁排列.在铂单晶的表面上,将吸附的一氧化碳分子用sTM搬迁排列起来,构成一个身高snm的世界上最小人的图样.此“一氧化碳小人”的分子间距仅为0.snm.将STM用于纳米级光刻加工时,它具有极细的光斑直径,可以达原子级,可得到10nm宽的线条图案.4微型机械和微型机电系统

(l)微型机械.现在微型机械的研究已达到较高水平,已能制造多种微型零件和微型机构.已研制成功的三维微型机械构件有微齿轮、微弹簧、微连杆、微轴承等.微执行器是比较复杂、难度大的微型器件,研制成功的有微阀、微泵、微开关、微电动机等.(2)微型机电系统.MEMS是在微电子工艺基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域.是纳米加工技术走向实用化,能产生经济效益的主要领域.比如:l)微型机器人是一个非常复杂的机电系统.美国正在研制的无人驾驶飞机仅有蜻蜓大小,并计划进一步缩小成蚊子机器人,用于收集情报和窃听.医用超微型机器人是最有发展前途的应用领域.它可进入人的血管,从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪,疏通患脑血栓病人阻塞的血管.日本制定了采用机器人外科医生的计划,并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人.2)微型惯性仪表:惯性仪表是航空、航天、航海中指示方向的导航仪器,由于要求体积小、重量轻、精度高、工作可靠.因此是微型机电系统应用的理想领域.现在国外已有微型加速度几何微型陀螺仪的商品生产,体积和重量都很小,但尚需提高精度.由于MEMs的发展已初具基础,微型器件的发展也已达到一定水平,同时有微电子工业制造集成电路的经验可借鉴,各产业部门又有使用MEMS的要求,因此现在MEMS的发展条件已具备.4.微纳米加工技术发展趋势

微纳米加工技术是一项不断发展中的技术.新技术取代老技术,先进技术取代落后技术是客观发展规律.加工技术本身从来都只是手段,其目的是服务于科学研究或工业产品开发与生产.因此新的科研课题或新的工业产品开发会不断对加工技术提出新的要求.新的加工技术将会不断出现.5.参考文献

[1]崔铮.为纳米加工技术及其应用.北京:高教出版社, 2005 [2]张兰娣,温秀梅.纳米加工技术及其应用阐述.2006 [3]陈海峰等.利用 AFM在 Au-Pd合金膜上制备纳米结构[J].科学通报,1998 [4]顾长志等.微纳米加工技术在纳米物理与器件研究中的应用[J].物理,2006 [5]郭佑彪等.纳米加工技术在机械制造领域的研究现状[J].安徽化工,2005 [6]陈宝钦.微光刻与微/纳米加工技术[J].微纳电子技术,2011 [7] 朱团.新型纳米加工技术的研究进展[J].科技创新与应用,2014 [8] 李勇.纳米级加工、测控技术及其应用[J].仪器仪表学报,1995 [9] 郭隐彪.微纳米加工与检测技术进展[J].三明学院学报,2006 [10]冯薇.精密与超精密磨削的发展现状[J].集美大学学报,2010 [11] 李德刚.基于分子动力学的单晶硅纳米加工机理及影响因素研究[D].哈尔滨工业大学,2008 [12] 梁迎春.纳米加工过程中金刚石刀具磨损研究的新进展[J].摩擦学学报,2008 [13] 梁烈润.新兴纳米加工技术简介[J].机电一体化,2006 [14]姚骏恩.纳米测量仪器和纳米加工技术[J].中国工程科学,2003 [15] 梁迎春.纳米加工及纳构件力学特性的分子动力学模拟[J].金属学报,2008

第四篇：实验力学学习心得

实验力学学习心得

曾经对力学的认识很懵懂，以前在我心中力学是一个很抽象的东西，我一直认为力学更多的是在图纸上的演算与推导，凡是与力相关的事物都属于力学范畴。对于力学应用方面的理解，也只是粗略的知道它会应用于航空航天、机械、土木、交通、能源、化工、材料、环境、船舶与海洋等等，但原理是什么，方法是怎样的，我想也绝不只是我最初理解的只是一些受力分析那么简单。而对实验力学这门课的学习则是让我们知道了目前所学的这些知识与它所应用的工程实际相联系的途径和方法。

简单的来说，实验力学就是用实验的方法求解力学问题。即用实验方法测量在力的作用下，物体产生的位移、速度、加速度、应变（形变）、应力、振动频率等物理量。工程实验力学中对实验力学的定义是用实验方法测量应变、应力和位移。也称为实验应力分析。在我现在学习了这门课之后的理解，实验力学是解决工程问题中力学问题的一个重要环节，是求解其力学问题的中间环节，通过实验力学方法测得所需物理量，最终求出结果。

通过课程认知，我了解了解决力学问题的方法主要有两个：理论方法和实验方法。理论方法就是理论方法就是将实际问题转化为数学模型，建立方程，然后求解。它主要有解析法和数值法，理论方法的解答是数学模型的解答，只有实际问题与数学模型相符时才是精确的，这也是它的局限性。而我们这学期学的实验力学的方法就是在实际问题上直接测量。我们这学期做了三个实验力学的实验，分别是测量电桥特性，动态应变测量和光测弹性学方法。这三个实验就用到了实验应力分析的方法——电测，振动测量，光测。实验力学的实验结果更可靠，并且可以发现新问题，开创新领域。不过它也有它的缺点就是测量都有误差，并且实验仪器和材料昂贵，这也导致了费用高。不过，理论分析和实验分析是相辅相成。理论的建立需要实验分析的成果，发现新问题，建立新理论。实验设计和实施需要理论分析做指导。复杂问题需要需要理论与实验共同完成。

正如我刚刚说的，误差是实验方法的一个弊端，也是不可避免的，但随着测试手段的改进和测量者水平的提高，可以减少误差，或者减少误差的影响，提高实验准确程度。实验误差按其产生原因和性质，可以分为系统性误差、偶然性误差和过失误差（粗差）三种。实验力学这门课，同样教会了我们如何去减少误差。比如对称法、初载荷法、增量法消除系统误差。还有通过分析给出修正公式用来消除系统误差，或者定期用更准确的仪器校准实验仪器以减少实验误差，校准时做好记录供以后修正数据用。偶然性误差难以排除，但可以用改进测量方法和数据处理方法，减少对测量结果的影响。例如用多次测量取平均值配合增量法，可以使偶然性误差相互抵消一部分，得到最佳值。过失误差是指明显与实际不符，没有一定的规律。这在我们实验中也会经常出现，通常这些都是由于疏忽大意、操作不当或设备出了故障引起明显不合理的错值或异常值，一般都可以从测量结果中加以剔除。

我们主要做了三个实验，测量电桥特性，动态应变测量和光测弹性学方法。给自己印象最深刻的就是第一个实验。桥路变换接线实验是在等强度实验梁上进行，当时是要在梁的上下表面哥粘贴两个应变片。当时老师在黑板上画了三个图，可是我当时连最基本的图都看不懂，根本不知道哪个是应变片哪个是电阻的意思。接下来在粘应变片的时候也遇到了各种麻烦，应变片倒是没粘好几个，但是手上已经一团糟。好不容易把应变片粘好后，需要用焊锡把电线连上，在仔细琢磨过到底那根线连哪个之后，又遇到了新的麻烦就是那个怎么焊都焊不上，后来找来老师才知道原来是我们那一组的电烙铁有问题，换了个，才继续把这个艰辛的实验做完。这个实验做了不少时间，也着实费了不少的功夫，不过通过这个实验我认识到了自己身上很多的不足但确实学到了不少的东西。对应变电测法有了更深刻的认识。比如电阻应变的半桥接线法和全桥接线法，拉压、扭转、弯曲以及组合变形的电测原理还有记忆犹新的贴片、应变计的正确使用。

我们第二个实验动态应变测量当时是完全用电脑软件操作的。随时间而变的应变叫做动态应变。它会在处在一定的运动状态以及承受的载荷按一 定的规律变化的情况下产生。动态应变测量目的主要有1）记录动态波形2）最大动态应变3）频谱（频率及振幅）4）疲劳强度校核。通过实验，也让我认识到了应变波的两种传播形式：（1）应变从构件表面传递到敏感栅。（2）应变波沿栅长方向的传播。第三个实验是光测弹性学方法，它是利用偏振光通过具有双折射效应的透明受力模型，从而获得干涉条纹图，由于干涉条纹与模型内主应力的大小和方向有一定关系，因此可以直接观察到模型内应力分布情况。但是这种方法的缺点是周期长，成本较高。光弹法是一种模型实验，它的一大特点就是直观性强以及全场显示与分析。它的条纹可直接表示应力分布情况，特别是用于有应力集中的情况。至今想起当时观察到的图像还是会不由的感叹力学模型奇特的美丽。

力学是基础学科，又是技术科学，其发展横跨理工，与各行业的结合是非常密切的。实验力学是将我们所学的基础知识同实际应用相联系的一个重要的桥梁。由于相关行业的发展与国名经济和科学技术的发展同步，使得力学在其中多项技术的发展中起着重要的甚至是关键的作用。我们以后的方向会有很多，既可以从事力学教育与研究工作，又可以从事与力学相关的机械、土木、航空航天、交通、能源、化工等工程专业的设计与研究工作，还可以从事数学、物理、化学、天文、地球或生命等基础学科的教育与研究工作。不仅如此，随着力学学科的发展，本世纪将产生一些新的学科结合点，如生物医学工程、环境与资源、数字化信息等。经典力学与纳米技术一起孕育了微纳米力学将力学知识应用于生物领域产生量生物力学和仿生力学：这些都是近年来力学学科发展的亮点。可以预计，随着社会的发展，力学学科与环境和人居工程等专业的学科交叉也将进一步加强。从这个意义上讲，实验力学的应用也将更为广泛并且不断进步。

很感谢老师这学期为我们传授的知识，受益匪浅。

第五篇：力学实验教学大纲

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普通物理实验（力学）教学大纲

（物理系物理教育专业用）

实验目的：本课程是对理科学生进行科学实验训练的一门必修课程，通过本课程的学习，使学生了解科学实验的主要过程与基本方法，培养学生熟练、扎实的实验基本知识、方法和技能，培养学生良好的科学素质，创新精神和实践能力，为今后的学习和工作奠定基础。

基本要求：本课程要求学生对基本物理现象进行观察和研究，学习基本物理量的测量方法，学习常用测量仪器的结构原理和测量方法，提高学生的基本实验能力、分析能力、表达能力和综合设计能力。通过完成一定数量的力学、热学实验，应达到如下要求：

1、掌握常用基本物理实验仪器的原理和性能，学会正确使用、调节和读数。

2、了解一些物理量的测量方法，知道如何根据实验要求确定实验方案、选择实验仪器、设备，如何减少实验误差。学会对实验进行误差分析和不确定度评定的基本方法，正确运用有效数字，学会定性判断和定量估算实验结果的可靠性。

3、养成良好的实验习惯和严谨的科学作风，特别是严肃认真对待实验数据，杜绝弄虚作假，树立实事求是的科学态度和道德。

第一部分 力学实验（36 学时）

绪论（误差理论）4 学时

实验一 长度测量

要求：练习使用测长度的几种仪器；做好实验记录和计算不确定度。实验类型：验证实验 学时分配：2 学时

实验二 自由落体运动

要求：学习用自由落下的物体测量重力加速度，对组合测量进行数据处理。实验类型：验证实验 学时分配：2 学时

实验三 密度的测量

要求：熟习物质密度的测量方法，测定规则和不规则物体的密度。实验类型：验证实验 学时分配：2 学时

实验四 倾斜气垫导轨上滑块运动的研究

要求：用倾斜气垫导轨测定重力加速度，分析和修正实验中的部分系统误差分量。实验类型：综合实验 学时分配：2 学时

实验五 阻尼振动

要求：观察弹簧振子在有阻尼情况下的振动，测定表征阻尼振动特征的一些参量，利用动态法测定

滑块和导轨之间的粘性阻尼常量。更多免费资料请访问：豆丁教育百科

实验类型：综合实验 学时分配：2 学时

实验六 单摆

要求：使用停表和米尺测单摆周期和长度，求出当地重力加速度g 值，考查单摆的系统误差对测重

力加速度的影响。实验类型：验证实验 分配学时：2 学时

实验七 杨氏弹性模量测量

要求：用伸长法测定金属丝的杨氏模量，学习光杠杆的原理并掌握使用方法。实验类型：综合实验 学时分配：2 学时

实验八 转动惯量的测定

要求：测量不同形状物体的转动惯量。实验类型：综合实验 学时分配：2 学时

实验九 弦振动的研究

要求：观察弦振动时形成的驻波，测量均匀弦线上横波的传播速度及均匀弦线的线密度。实验类型：综合实验 学时分配：2 学时

实验十 复摆振动的研究

要求：考查复摆振动时振动周期与质心到支点距离的关系，测出重力加速度、回转半径和转动惯量。

实验类型：综合实验 学时分配：2 学时

实验十一 牛顿第二定律的验证

要求：学习在气垫导轨上验证牛顿第二定律 实验类型：验证实验 学时分配：2 学时

实验十二 弹簧振子的研究

要求：研究弹簧本身质量对振动的影响 实验类型：综合实验 学时分配：2 学时

实验十三 碰撞实验

要求：验证动量守恒定理，了解非完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞的特点。实验类型：验证实验 分配学时：2 学时

实验十四 惯性秤

要求：掌握用惯性秤测定物体质量的原理和方法，了解仪器的定标和使用。实验类型：综合实验 学时分配：2 学时