鼓膜法测定纳米多孔氧化铝薄膜的弹性模量

第19卷　第1期2004年3月实　验　力　学JOU RNAL O F EXPER I M EN TAL M ECHAN I CSV o l.19　N o.1M ar.2004文章编号:100124888(2004)0120034205鼓膜法测定纳米多孔氧化铝薄膜的弹性模量Ξ辜　萍,缪　泓,柳兆涛,伍小平(中国科学技术大学力学和机械工程系中国科学院材料力学行为与设计重点实验室,合肥230027)摘要:本文的多孔氧化铝薄膜含有直径均一、互相平行且与表面垂直的有序纳米孔阵列。

它有广阔的应用前景。

多孔氧化铝膜与氧化铝陶瓷材料的宏观力学性能有很大的区别。

本文用鼓膜法结合实时电子散斑干涉(ESP I)技术,测量薄膜压力与离面位移的关系,再用周边固支平板小挠度模型计算出多孔氧化铝薄膜的宏观弹性模量。

本实验中厚76微米的多孔氧化铝薄膜的宏观弹性模量为32.5GPa,比热压氧化铝陶瓷的弹性模量几乎小一个数量级,主要是由于晶相和细观结构不同造成的。

这种方法较适合测量此类结构薄膜的力学性能。

关键词:阳极氧化铝膜;鼓膜法;电子散斑干涉术;弹性模量中图分类号:TB301 文献标识码:A1　引言 随着膜科学和技术的发展,无机膜、聚合物合成膜和生物膜等各类薄膜正在越来越广泛地应用在工程实际中。

这些应用使人们日益认识到,对薄膜制造工艺、显微组织与力学性能之间关系的深入理解,是预测、改善和充分发挥薄膜材料的包括力学性能在内的各类性能的关键之一。

本文用高纯铝片在酸性电解液中,经过二次阳极氧化腐蚀的方法,得到含有5～200纳米孔径的多孔氧化铝膜。

孔的大小比较一致,呈六角密排,且与表面垂直,互不交叉。

多孔氧化铝膜的纳米级孔径和直管状规则排列这种特殊结构,使其在分离方面和纳米结构组装方面有广阔的应用,例如进行蛋白质及血液分离,大肠杆菌的截留,葡萄糖的过滤等,都有良好的效果。

因此研究氧化铝多孔膜的力学性能,为它的应用提供支持,有重要的实际意义。

氧化铝膜的厚度在几百纳米到几百微米范围内。

作为一种薄膜材料,其力学性能,与具有相同化学成分的大体积材料相比,有较大差异。

而且膜上面有序孔的出现,使其力学性能的测量和计算都更加复杂。

这种多孔氧化铝薄膜的力学性质尚未见报道。

薄膜力学性能测试方法主要有以下几种:压痕法[1]、单轴拉伸方法[2]、薄膜弯曲试验[3]、鼓膜试验[4,5]、微结构法[6]、薄膜的疲劳性能测试[7]和复合薄膜[8]的测试。

薄膜的鼓膜试验又称为两轴拉伸试验,这种加载方式比较适合本文制备的薄膜。

它是将脱基薄膜周边附着在一个具有圆孔的基底上,通过外加压力(气体或液体)使其凸起。

本实验用电子散斑干涉(ESP I)技术实时测量压力与凸起高度之间的关系,从而计算出氧化铝多孔膜的宏观弹性模量。

2　试样制备和实验方法2.1　试样制备 实验中氧化铝膜采用阳极氧化方法在草酸电解液中制得。

用H3PO4去除障碍层,得到排列有序的Ξ收稿日期:2003201215;修订日期:2003211203基金项目:国家自然科学基金项目(10302026)作者简介:辜萍(1976-),女,博士研究生,现主要从事纳米材料制备及力学行为研究。

通孔。

本实验中,多孔膜的孔径为50nm ,孔呈六角密排,且与表面垂直,上下贯通,如图1所示。

扫描电镜下测得其厚度为76Λm。

图1　试样的显微结构图:a 正面的SE M 照片b 横截面的T E M 照片F ig .1　I m ages of the anodic alum ina m em brane :(a )SEM i m age of the top surface(b )TEM i m age of the cro ss 2secti on view2.2　实验实验系统主要分为四部分:鼓膜腔体、加压系统,以及ESP I 光路和图像采集处理系统。

(1)加载装置鼓膜加压腔体是一直径为40mm 的不锈钢圆筒,前端面通过螺钉与圆筒相连,其中心有一直径为10mm 的孔。

多孔氧化铝膜周边用AB 胶固定在前窗。

用气囊与整个多孔膜接触,实现均匀加载。

加压系统是由一气泵、缓冲气体瓶构成,通过调节进气量大小,可以实现稳定的加压。

压力传感器封在气囊中,引线从腔体后面的孔引出并与数显表相连。

图2　ESP I 实时观测离面位移系统光路原理图F ig .2　Schem atic diagram of apparatu s fo r bu lge test com b in ing real 2ti m e ESP I ob servati on system(2)变形测量系统薄膜的鼓胀量,即薄膜的离面位移,是用电子散斑干涉法来测量的。

双光束散斑干涉技术是电子散斑干涉技术(ESP I )的一种,其原理是利用干涉散斑场的相关条纹来检测双光束波前之间的位相变化。

以CCD 作为接受器,送到数字图像处理系统,实现光学信息的记录和处理,并在屏幕上显示出代表位移等值线的相关条纹图。

本实验中的ESP I 光路是一个M ichelson 干涉光路,其原理光路如图2所示。

从H e 2N e 激光器出来的激光,经过扩束镜、准直镜后,成为平行光;经分光棱镜分成两束互相垂直的激光束,分别照在被测物体表面和参考面上;它们的漫反射光再次经过分光棱镜,在CCD 靶面上叠加成一个干涉散斑场;将变形前后的两幅干涉散斑场相减,即可得到载有被测物体变形信息的相关条纹图。

53第1期 辜　萍等:鼓膜法测定纳米多孔氧化铝薄膜的弹性模量 (3)实验过程1)在初始的鼓膜压力下,保持鼓膜压力不变,采集一幅干涉散斑图,作为ESP I 的参考图。

2)增加鼓膜压力,使被测薄膜产生变形,采集变形后的干涉散斑图(或实时采集),在图像处理系统中,将它与原始干涉散斑场相减(或实时相减),将差值图像显示在显示器上,这就是表示离面位移等值线的散斑相关条纹图。

保持当前鼓膜压力不变,重新以当前的干涉散斑场作为新的参考图,重复上述步骤,即得到一系列的含有离面位移信息的散斑相关条纹图。

将与薄膜压力对应的离面位移信息提取出来,即可计算出薄膜的弹性模量。

实验得到的电子散斑图如图3所示。

其中,(a 1)是当鼓膜压力从101.40kPa 增加到101.55kPa时图3　鼓膜压力变化时的ESP I 图、滤波后条纹图和相应的沿膜中心的直线上灰度分布图:a 鼓膜压力从101.40kPa 增加到101.55kPa ;b 鼓膜压力从101.55kPa 增加到101.70kPa ;c 鼓膜压力从101.70kPa 增加到101.85kPaF ig .3　ESP I i m age ,stri pe i m age after w ave filtering and grey 2scale distribu ti on of the line in 2:a adju sting bu lging p ressu re from 101.40kPa to 101.55kPa ;b adju sting bu lging p ressu re from 101.55kPa to 101.70kPa ;c adju sting bu lging p ressu re from 101.70kPa to 101.85kPa63 实　验　力　学 (2004年)第19卷　所得到的电子散斑干涉条纹图,(a 2)是经过滤波处理后的条纹图,在其上经过膜中心点的画一条线,(a 3)所示即为沿该线的灰度分布,灰度的大小代表了(a 2)上条纹的起伏,(a 3)可以得知(a 1)中的黑条纹级数为3.5级条纹;(b 1)、(c 1)分别是当鼓膜压力从101.55kPa 增加到101.70kPa 时和从101.70kPa 增加到101.85kPa 时所得到的电子散斑干涉条纹图,(b 2)、(c 2)是经过滤波处理后的条纹图,分别在其上经过膜中心点的画一条线,(b 3)、(c 3)所示即为沿该线的灰度分布,从(b 3)、(c 3)中可以得知(b 1)、(c 1)中的黑条纹级数均为3.5级条纹。

3　实验结果分析 在用M ichelson 干涉光路测量离面位移w 的ESP I 测量系统中,相关条纹代表了光程差改变量∃=n Κ(n =0,1,2,…)的点的轨迹线。

分析测试光路可知,∃=2w 。

由此可得w =n Κ 2,这里Κ为H e 2N e 激光的波长,其值为0.6328Λm ,n 为散斑干涉条纹图中黑条纹的级数。

相邻两条纹间的高差为0.3163Λm 。

从图3可知,当鼓膜压力变化0.15kPa 时,膜中心的离面位移均为3.5×0.3163Λm ,即1.107Λm 。

从图中还可知,不同鼓膜压力下,鼓膜压力变化值与离面位移变化呈线性变化。

采用受均匀载荷作用的周边固支圆形薄板的小挠度变形公式:w (r )=q (a 2-r 2)2 64D(1)D =E h 3 [12(1-Μ2)](2)式中q 为薄膜承受的外部载荷,w (r )为半径r 处的离面位移,a 为薄膜固定周边的半径(本实验中为5mm ),h 为膜厚(此实验中,样品厚度为76Λm ),Μ为泊松比(此处取0.32),D 为薄板的刚度。

将上式两边对位移求导,得到∃q 与∃w (r )的线性关系。

实验中鼓膜压力变化值与离面位移变化呈线性变化,因此适用公式(1)来分析实验中氧化铝膜的弹性模量。

根据实验得到的∃q 和∃w (r )数据,带入上式可得多孔氧化铝膜的弹性模量E 。

经多次实验,多孔氧化铝膜的宏观弹性模量E ,平均为32.5GPa 。

4　结论和讨论 热压氧化铝陶瓷的弹性模量为380～400GPa [9],与之相比,多孔氧化铝薄膜的宏观弹性模量几乎小一个数量级,主要是由于晶相和细观结构不同造成的,这种多孔氧化铝膜主要是由自组织形成的具有规则排列纳米孔结构的非晶氧化铝构成,而氧化铝陶瓷是以Α2A l 2O 3为主晶相构成的致密的陶瓷材料,这种细观结构与力学性质的关系还需要进一步的研究。

多孔氧化铝薄膜初始面不非常平,加一定的载荷后,变形才开始规则。

而且实验中的最后阶段的变形已超过严格定义的小挠度。

因此实验数据选取的是变形开始规则而且变形仍属于小饶度段,即材料变形处于弹性阶段的数据。

但膜的初始状态会给实验结果带来误差。

实验得到的力学性能数据为多孔氧化铝膜的应用和改性提供了评价依据。

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