技术领域
[0001] 本
发明涉及力学性能测试领域，进一步涉及一种小样品力学性能测试方法。
背景技术
[0002] 小样品力学性能测试包括
纳米压痕以及小尺度样品的拉伸、压缩、弯曲等力学性能测试。该测试技术不仅可以从毫米尺度到微米尺度、纳米尺度对材料的力学行为进行表征，而且能够实现对材料中特定微观组织结构的定向研究，例如
晶界、基体中的第二相等，进而揭示微观组织结构对材料宏观力学行为的影响机制。因此，小样品力学性能测试在样品尺寸受制备条件严格限制的先进材料上得到广泛应用，比如二维材料、
薄膜材料、
纳米结构材料等。
[0003] 然而，当前小样品力学性能测试的类型局限于压痕、压缩、拉伸和弯曲性能，难于实现对工程应用具有重要参考意义的疲劳测试。而且，当前的实验技术仅能实现常温下的力学测试，难以在不同
温度下进行测试。同时，小样品力学性能测试要求设备配置的力和位移
传感器具有微观、甚至纳观的
分辨率和
精度，能够达到该指标的微纳力学测试设备价格高昂。另外，测试还需要样品与微纳力学测试设备之间达到有效连接，所以，必须借助聚焦离子束对样品和设备中的相关部件进行复杂的微纳加工，进而增加了实验成本。
发明内容
[0004] (一)要解决的技术问题
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种小样品力学性能测试方法，以至少部分解决上述技术问题。
[0006] (二)技术方案
[0007] 为实现上述目的，本发明提供一种小样品力学性能测试方法，其中包括：
[0008] 利用微纳加工技术在宏观样品的部分区域制备加工微纳尺度力学样品，且保证微纳尺度力学样品夹持端与宏观样品连接；
[0009] 通过力学测试仪器对经所述加工的宏观样品进行加载，微纳尺度力学样品因宏观样品的
变形，受到与宏观样品加载方向相同的力的作用，进而实现对微纳尺度样品的力学性能测试。
[0010] 在进一步的实施方案中，微纳加工技术包括以下至少一种：聚焦离子束技术、光学投影曝光、
电子束曝光和激光
刻蚀。
[0011] 在进一步的实施方案中，通过力学测试仪器对经所述加工的宏观样品进行加载，微纳尺度力学样品因宏观样品的变形，受到与宏观样品加载方向相同的力的作用，进而实现对微纳尺度样品的力学性能测试，包括：
[0012] 加载宏观样品进行力学实验，确定宏观样品的力学性能；根据宏观样品的整体形状和部分区域的微纳尺寸，模拟确定宏观样品
应力与微纳尺度样品应力对应关系；根据所述宏观样品的力学性能和所述对应关系，确定微纳尺度样品的力学性能。
[0013] 在进一步的实施方案中，微纳尺度样品的力学性能测试，还包括：对宏观样品进行加载时，改变宏观样品所处的
环境温度，以在设定温度下实验。
[0014] 在进一步的实施方案中，微纳尺度样品的力学性能测试，还包括：对宏观样品进行力学实验时，改变宏观样品所处的气氛，以在设定气氛下实验。
[0015] 在进一步的实施方案中，宏观样品的形状为关于设定轴对称的几何形状。
[0016] 在进一步的实施方案中，力学性能测试包括以下至少一种：拉伸、压缩、弯曲、
断裂韧性、疲劳和扭转性能。
[0017] 在进一步的实施方案中，部分区域微纳尺度样品为宏观样品的上表面边缘处、上表面中心部、侧表面边缘处或中心处。
[0018] (三)有益效果
[0019] 本发明的小样品力学性能测试方法有效地利用微纳尺度样品与宏观样品之间的连接，通过对宏观样品进行加载，借助
载荷传递对微纳尺度样品进行加载，实现利用万能试验机等宏观力学测试设备对微纳尺度样品进行力学性能测试，从而避免了使用微纳力学测试设备对微纳尺度样品进行力学测试；
[0020] 本发明的小样品力学性能测试方法能够对微纳尺度样品进行循环加载，也可以在力学测试仪器外围安装能够实现温度、气氛调控的环境箱，进而实现微纳尺度样品的疲劳测试和不同温度、不同气氛下的多种力学性能测试，不受材料类型的限制，具有普适性。
附图说明
[0021] 图1是本发明
实施例的宏观样品三维示意图。
[0022] 图2A和图2B分别是图1中局部的微纳尺度样品三维示意图和俯视示意图。
[0023] 图3是图2A中微纳尺度样品应力模拟示意图。
[0024] 图4是本发明实施例的小样品力学性能测试方法
流程图。
具体实施方式
[0025] 在本发明中，所涉及的技术术语具有如下含义：
[0026] 宏观样品：样品尺寸在毫米尺度及其以上的样品。
[0027] 小样品：特指样品三维尺寸小于毫米尺度的样品，通常从微米到纳米。例如二维材料、薄膜材料、和/或纳米结构材料。
[0028] 小样品力学性能测试：针对小样品的力学性能测试统称为小样品力学性能测试，包括拉伸、压缩、弯曲、断裂韧性、疲劳、扭转等。
[0029] 断裂韧性：表征材料抵抗裂纹扩展的能力；断裂韧性值越高，材料抵抗裂纹扩展能力越强。
[0030] 微纳力学测试设备：力传感器和位移传感器具有微观、纳观分辨率和精度的设备。
[0031] 力学测试仪器：在宏观尺度上实现拉伸、压缩、弯曲以及扭转等力学测试的设备，包括万能试验机、拉伸台等。
[0032] 微纳加工技术：用于加工制备微纳尺度构件或器件的技术，包括聚焦离子束技术、光学投影曝光、
电子束曝光、激
光刻蚀等。
[0033] DIC(digital image correlation，数字图像相关)技术：是一种非
接触式变形测量技术，在力学实验中能够准确表征样品的变形。
[0034] GPa：应力大小的单位，1GPa＝1*109Pa
[0035] 微纳尺度：样品尺寸小于毫米尺寸的尺度，通常从几十微米到几纳米。
[0036] 本发明实施例旨在提出一种具有普适性的小样品力学性能测试方法，不仅可以进行拉伸、压缩、弯曲等力学行为测试，还能解决当前不能在微纳尺度上进行疲劳测试和不同温度下进行力学性能测试的难题，同时避免该测试对微纳力学测试设备的严重依赖，实现利用万能试验机即可对微纳尺度样品的力学行为进行表征的目的。
[0037] 本发明实施例设计的基本原理为，利用微纳加工技术在宏观样品上制备微纳尺度样品，之后，通过万能试验机对宏观样品进行加载，以实现对微纳尺度样品的拉伸、弯曲、压缩、断裂韧性性能的测试；特别地，当对宏观样品施加循环载荷时，可以实现微纳尺度样品疲劳力学性能的测试；同时，可以在万能试验机上安装环境箱或者高温炉，进而实现不同温度、不同气氛下的力学测试。另一方面，本发明实施例提出的测试方法，需要结合数值模拟或者理论模型对微纳尺度样品的应力状态进行表征，需要结合DIC技术或其它有效方法对微纳尺度样品的应变场进行表征。
[0038] 参见图4所示，本发明实施例提供一种小样品力学性能测试方法，其中包括：
[0039] S100：利用微纳加工技术在宏观样品的部分区域制备加工微纳尺度力学样品，且保证微纳尺度力学样品与宏观样品连接(例如微纳尺度力学样品夹持端与宏观样品连接)；
[0040] S200：通过力学测试仪器对经所述加工的宏观样品进行加载，以实现对微纳尺度样品的力学性能测试。
[0041] 其中，微纳加工技术包括以下至少一种：聚焦离子束技术、光学投影曝光、电子束曝光和激光刻蚀。
[0042] 步骤S200中，通过力学测试仪器对经所述加工的宏观样品进行加载，微纳尺度力学样品因宏观样品的变形，受到与宏观样品加载方向相同的力的作用，进而实现对微纳尺度样品的力学性能测试，具体的可以包括：
[0043] 加载宏观样品进行力学实验，确定宏观样品的力学性能；
[0044] 根据宏观样品的整体形状和部分区域的微纳尺寸，模拟确定宏观样品应力与微纳尺度样品应力对应关系；
[0045] 根据所述宏观样品的力学性能和所述对应关系，确定微纳尺度样品的力学性能。
[0046] 一些实施例中，步骤S200中，对于微纳尺度样品的力学性能测试，还包括：对宏观样品进行力学实验时，改变宏观样品的温度，以在设定温度下实验。
[0047] 一些实施例中，步骤S200中，对于微纳尺度样品的力学性能测试，还包括：对宏观样品进行力学实验时，改变宏观样品的所处气氛，以在设定气氛下实验。
[0048] 一些实施例中，宏观样品的形状为关于设定轴对称的几何形状。
[0049] 一些实施例中，力学性能测试包括以下至少一种：拉伸、压缩、弯曲、断裂韧性、疲劳和扭转性能。
[0050] 一些实施例中，部分区域微纳尺度样品为宏观样品的上表面边缘处、上表面中心部、侧表面边缘处或中心处。
[0051] 以下将结合具体实施例进一步说明本发明，但应理解的是，以下具体步骤经用于阐述本发明，而不应理解为对本发明的限制。
[0052] 具体实施例的小样品力学性能测试方法可包括：
[0053] 步骤一：利用电火花线切割等机加工方式制备宏观样品，将其表面进行
抛光后，利用微纳加工技术制备微纳尺度样品，尺寸如图1所示。宏观样品的几何形状不限于图1所示的狗骨头状，也可以为其它便于力学测试的几何形状；同时，宏观样品上制备微纳尺度样品的
位置，也不局限于图1所示的上表面边缘处，也可以位于上表面中心部，侧表面边缘处、心部。此外，本发明中的宏观尺度样品和微纳尺度样品也不限定为同一种材料，比如，微纳尺度样品可为薄膜、涂层等材料，宏观尺度样品为承载薄膜或涂层的基底。
[0054] 步骤二：将宏观样品装夹在力学测试仪上，根据加载类型，可进行拉伸、压缩、弯曲、疲劳等力学性能测试。宏观样品中的应力
水平可根据(应力＝力/面积)公式求得，微纳尺度样品的应力水平需通过数值模拟或者理论模型给出。同时，宏观样品中的应变可利用DIC技术或其它方式给出。此外，可在万能试验机上加装环境箱，进行高低温实验。本发明中的力学测试设备不限制于万能试验机，也可以为能集成在光镜设备或者电镜设备中的力学装置，比如拉伸台等。
[0055] 针对步骤二中涉及的微纳尺度样品中应力水平的计算，本发明通过有限元模拟给出算例，予以参考。
[0056] 对于上述加载条件，单轴拉伸，材料为钨，
杨氏模量410GPa，泊松比0.28，宏观样品应变为0.2％；微纳尺度样品几何尺寸见图2A和2B所示。模拟结果表明，宏观样品应力平均水平为825MPa，微纳尺度样品平行段应力水平为2080MPa，见图3所示。
[0057] 通过上述实施例，提出了一种利用微纳加工技术在宏观样品上制备微纳尺度力学样品，通过对宏观样品进行循环加载进而实现对微纳尺度样品进行疲劳性能测试的目的。提出的测试方法不依赖于微纳力学测试设备，通过万能试验机即可实现测试。同时，可以在万能试验机上安装环境箱或者高温炉，进而实现不同温度、不同气氛下的力学测试。本发明实施例提出的技术方案具有普适性，不受限于材料类型，也可以实现拉伸、压缩、弯曲、断裂韧性和弯曲力学性能的测试。
[0058] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
