文摘
微丝,如金属、半导体和聚合物微丝和碳纤维,激发了极大的兴趣,由于它们的重要性在不同的结构和功能的应用程序。特别是金属玻璃(MG)接到,因为他们的无定形的原子排列,有一些独特的机械性能与传统金属相比。尽管大量的研究成果已经在金属玻璃的机械特征微丝紧张或弯曲弯曲、扭转载荷下的力学性能的微丝尚未得到深入研究,但主要是由于实验困难,如扭转角的检测,扭转负荷的定量测定,样品之间的对齐和扭矩计。在这项工作中,我们实现了原位SEM个人拉扭力测试50艾尔30.倪20.金属玻璃(MG)接到成功基于自主研发的微型机器人机械测试系统。前所未有的细节,如旋转vein-pattern MG微丝断裂表面上沿着扭转方向,才被揭示出来。我们的平台可以提供关键的见解认识其他微丝扭转载荷下的变形机制,甚至可以进一步用于机器人micromanufacturing。
1。介绍
微丝,如金属(1,2),半导体(3,4),和复合导电带(5,6)、生物材料纤维(7),和碳纤维(8,9),有不寻常的机械和物理性能,使其承诺各种机械电子应用在微型电子设备(10)或者太阳能电池(11]。例如,高弹性聚合物微丝甚至可以作为弹簧元件生产跳或拍打运动在微型机器人12]。氧化锌微丝,另一方面,它有独特的压电特性,已经被证明是作为微传感器或场效应晶体管13]。结晶和非结晶的微结构材料,BMG(批量金属玻璃)已经收到了巨大的研究关注由于其独特的物理和机械性能,如超高强度、高硬度、和大弹性应变(14,15)由于无定形状态的原子。与正常相比金属晶体的晶格结构,从而促进位错运动的压力下,使其柔软和韧性,生产,另一方面,在大部分的尺度上(通常是坚硬而易脆16]。最近,MG接到收到增加的利益由于其不同的属性比大部分同行;例如,磁性金属玻璃微丝表现出极软磁性行为由于缺乏磁晶各向异性的情况下,晶界和晶体结构缺陷(17- - - - - -20.]。然而,机械性能的深入了解这些小说MG micromaterials仍然是必要的对于开发新的应用程序,如微/ nanoelectromechanical系统(MEMS / NEMS)设备(21],异构催化剂[22),和磁传感器(23]。更重要的是,各种微丝的应用环境变得复杂,这些材料的力学性能已经成为一个瓶颈约束服务时间长。
尽管有广泛的导电带材料的力学行为的研究在过去的二十年里,如静态拉伸试验(24- - - - - -27),微/ nanoindentation测量[28- - - - - -30.],弯曲测量[31日- - - - - -33),和动态谐振频率疲劳试验(34,35报道),小的行为在扭转荷载作用下导电带(36- - - - - -38]。扭转细线是一个基本的和优秀的方法来探索的力学行为,从弹性变形,通过产生加工硬化机制。稀薄的原因涉及的扭力测试导电带的是巨大的挑战在这个实验中,如标本之间的对齐和旋转轴,扭转角的检测,感性和扭矩计的校准。在本文中,我们调查的扭转断裂行为50艾尔30.倪20.MG原位扫描电镜下导电带和断裂表面相比,拉伸加载试验(24- - - - - -26)基于自主研发的微型机器人机械测试系统。断裂表面的分析模式后,导电带的断裂机理,提出了扭转载荷作用下。骨折引起的局部温度非常高的熔点MG材料和流体层生成;然后有核纳米/微孔导致失败。有趣的旋转vein-pattern微观结构由机器人系统首先观察到我们开发我们相信将来可以用于许多其他应用程序,例如,微纳米电子设备的组装。
2。样品和实验过程
2.1。MG导电带准备
金属玻璃(MG) (dia导电带样品。70年μ米)用于这项工作由快速淬火合金制造液体混合物的比例。的机械或磁性导电带高度相关的微观结构材料(39,40),在实验前应确认的结构和组成。金属玻璃的化学成分是评估通过能量色散x射线能谱(EDS)研究MG微丝,重申了成分是约拉50艾尔30.倪20.(在原子%)。x射线衍射(XRD)研究MG微丝进行了确认非晶态材料的性质。
2.2。微机器人机械测试系统
自主研发的微型机器人机械测试系统如图1(一)。机器人主要由两个部分(41- - - - - -43]。左边运动部分包括一个旋转定位器和两个线性定位器。如果我们将世界坐标如图1(一)所示,沿旋转轴方向。在旋转定位器(RP),线性定位器(LP_1)在移动方向是加入。然后另一个线性定位器(LP_2)移动方向是连接到第一个。LP_1和LP_2运动方向是相互垂直的。每个机器人的nanopositioner负责一个独立运动;因此机器人的左部有三个自由度(自由度)总计:两个互相垂直的(以及平移运动和方向,职责。)和一个旋转(旋转轴设在)。正确的部分包括三个线性定位器,可以独立活动,,方向,如图1(一)所示。金属基底用于修复两部分。此外,两个t形阶段捏造夹样本在每个嵌入图片所示。占用空间小的机器人设置,适用于扫描电镜室的原位实验,通过图如图所示1 (b)。
(一)
(b)
定位器的参数,旅游范围、分辨率、和可重复性的旋转定位器RP 360°是无止境的,(1×10−6全系列)°和5%,分别。旅行范围、分辨率和重复性的线性定位器20毫米,1纳米,分别和50 nm。由于其精度高、紧凑的驱动单元可以实现精确对齐在扭力测试的挑战定位任务。
2.3。实验装置
起初,MG导电带样本之间的固定的t形舞台左边部分和金属板用螺钉固定。然后机器人在扫描电镜室,通过端口连接到控制箱。由于扫描电镜成像系统只能提供2 d图像信息,很难获得样品位置直接基于SEM图像。一个自动forward-backward对齐策略提出了应对这一挑战。
如图2(一个),首先显微镜图像捕获。然后旋转旋转定位器α度,所以第二个显微镜图像可以被捕捉到。在那之后,旋转旋转定位器2α度,这样第三显微镜图像可以被捕捉到。这些过程后,所有样品的信息调整策略。简化坐标图显示了计算过程的一致性原则。详细的对齐策略中说明了我们的以前的工作44,45]。计算后,LP_1的运动和LP_2给出如下:
(一)
(b)
(c)
前样本对齐,当微机器人的机械测试系统旋转角度−15°,0°,+ 15°,如图2 (b),最大位置差异三个图片是1009.089μm。样本对齐后,当微机器人的机械测试系统旋转90°角−,0°,+ 90°,如图2 (c)样品几乎仍在同一位置。
调整后的样本沿轴旋转定位器,我们控制机器人的t形舞台右边部分慢慢接近样本独立的一面。我们可以根据需要设置两个阶段之间的差距通过使用线性定位器方向。然后我们打开右边的扫描电镜室和修复样本t形阶段还企图通过一个金属板为后续原位扫描电镜测试。
2.4。扭转过程内部扫描电镜
校准和固定的过程后,我们关闭了机器人位姿在SEM扫描电镜室和水平初如图3(一个)所示。原来整个示例配置如图3 (b)。与样品没有预加载。测量长度约为190μm。为了判断样本被扭曲,我们选择了两个明显的标记(红色矩形A和B)在其表面。然后我们把样品通过旋转定位器转速保持不变在5度/秒和扭转方向是逆时针方向从左侧视图如图3 (b)。图3 (c)显示了机器人安装在扭转载荷与扭转角45°。从图3 (d),从辅助捕获视频网上(见补充材料https://doi.org/10.1155/2017/6215691),很容易发现,部分制造商(A)外的旋转视图和标记(B)几乎呆在同一个地方。样本上的标记的运动可以表明公司足够的夹紧。数据3 (e)和3 (f)图片显示了机器人位姿和样品形态时骨折发生在55°。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
3所示。结果和讨论
可以计算剪切应变 ,在这表示旋转角;和直径和有效长度的导电带。根据图像捕捉实验期间,MG导电带(dia)。70年μ与长度约190米)μm骨折在大约55度的失真,这意味着样本的最大剪切应变约17.6%。根据旋转理论,最大剪切应变位于最右边的夹之间的样本。然而,断裂发生在样品的中间部分可能是因为不均匀的直径或内部缺陷在导电带。
双方的总体断裂表面的MG接到数据所示4(一)和4 (c),我们可以很容易地识别vein-pattern微观结构,一个典型的玻璃材料的断裂表面特性,旋转和扭转方向。他们是不同的断裂表面的微观结构在拉伸加载(见[24]),这意味着骨折的确是由扭转加载引起的。这些纹样的签名流发生在MG液状物材料。在放大(图4 (b)和4 (d)),我们还发现,几乎没有局部剪切带的样品断裂表面。
(一)
(b)
(c)
(d)
在扭矩努力的开始时期,塑性变形是避免因为缺乏结构性错位,和压力通常局限于弹性机制。随着压力的增加,塑性变形通常局限于局部的地区(塑性区)材料,造成温度急剧升高而绝热加热导致数百纳秒内极快的事件。没有柱头附近的断裂位置如图3 (f)证明了在断裂点局部塑性变形。在这段时间里,融化的材料和流体层。当地的密度(以及粘度)的流体层也发生了变化,与两种液体混合的不同密度,负责生产这种不规则碎片形模式可能是由于瑞利泰勒不稳定性46]。
扭转角的增加,纳米/微孔有核和灾难性故障发生在最后阶段。粘性流体层的快速冷却导致旋转的形成纹样构成的扭转应力。显然,旋转vein-pattern通常发生导电带的边缘附近截面,如图4,对应于最大的压力。因为扭转应力降低导电带的中心,附近的vein-pattern类似拉伸加载。
相比之前的MG微丝的机械测试,提出了微机器人系统可以加快原位样品对准过程和产生可控导电带扭转角。的占用空间小,安装非常适合原位SEM机械测试,可以提供更多的微观结构信息断裂机制比传统的实时测试。机器人系统利用图像处理算法,确保导电带可以沿着旋转轴旋转和机器人的精确的运动可以控制导电带的有效长度。
4所示。结论
在这个工作中,原位扫描电镜在拉扭力测试50艾尔30.倪20.MG微丝是由自主研发实现微型机器人机械测试系统。首先,这个平台不仅减少了时间对准参与导电带扭力测试,还增加了它的精度。其次,断口的SEM成像提供了前所未有的细节在加载状态,没有明显的脆性扭转失败在实验的截面面积。vein-pattern微观结构的断裂截面面积非常不同于拉伸加载。更重要的是,出现的流体区域的断裂机制产生的绝热加热导致骨折了。6自由度和精确运动的最后,因为我们的平台,它也可以用于微装配和micromanufacturing微尺度的复合材料,如碳纤维纱,或混合蛋白质超细纤维(47]。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
陈忱江泽民和陆Haojian贡献同样这项工作。
确认
作者欣然承认样本永杨教授机械和生物医学工程系,香港城市大学。作者承认研究资助委员会提供资金支持的香港特别行政区(使用证使用证11209914,11278716),中国国家自然科学基金(51301147,51301147),和深圳(中国)基础研究项目(JCYJ20160329150236426)。
补充材料
补充材料文件包含附加视频的原位SEM扭断裂的洛杉矶女金属玻璃导电带。