本文關鍵詞：超聲原子力顯微鏡的微觀力學性能仿真研究

  更多相關文章： 超聲原子力顯微鏡 懸臂梁 動態(tài)特性 有限元分析 針尖樣品接觸剛度

【摘要】：近年來,隨著微電子、微機械和材料科學的飛速發(fā)展,人們對微納米尺度的成像和檢測技術要求越來越高。傳統(tǒng)的成像和檢測技術已經(jīng)不能滿足我們在納米尺度范圍內(nèi)的觀察和測量。具有納米級別超高分辨率的成像檢測技術已經(jīng)變成了一個挑戰(zhàn),并且它影響著我們對很多材料微觀結構和性質的研究。傳統(tǒng)的聲學和光學檢測技術分辨率比較低,只能達到微米級。原子力顯微鏡和掃描探針顯微鏡只能對樣品的表面進行成像,而不能對樣品的亞表面或內(nèi)部進行成像。超聲原子力顯微鏡具有納米級別的超高分辨率和三維成像能力,不僅可以對樣品表面進行成像,還可以對樣品內(nèi)部進行成像,并且測量樣品材料的彈性模量和接觸剛度等力學性能。本文圍繞超聲原子力顯微鏡展開以下幾方面的工作：(1)介紹了超聲原子力顯微鏡相關的理論,包括針尖樣品接觸理論,局域接觸剛度模型；建立懸臂梁的動力學理論模型,求解得到自由振動狀態(tài)和接觸樣品時懸臂梁系統(tǒng)的特征方程和諧振頻率；根據(jù)赫茲理論模型求解針尖樣品接觸時的接觸剛度；推導出超聲原子力顯微鏡發(fā)出的超聲波因樣品內(nèi)部混有其它雜質而產(chǎn)生的波的相位的變化量。介紹了應用超聲原子力顯微鏡如何測量樣品材料彈性模量的方法,并且介紹了在已知樣品彈性模量的條件下如何獲得懸臂梁的動態(tài)響應特性的方法。(2)建立懸臂梁探針樣品系統(tǒng)簡化模型的有限元模型,對不同狀態(tài)下懸臂梁的動態(tài)特性進行有限元分析,包括對懸臂梁進行了自由振動狀態(tài)下的模態(tài)分析和受載荷作用狀態(tài)下的諧響應分析。自由振動狀態(tài)下的模態(tài)分析得到懸臂梁的前三階振型和固有頻率。載荷作用下的諧響應分析分析了不同作用載荷,不同接觸剛度,不同針尖位置對懸臂梁一階諧振頻譜的影響,包括對一階諧振頻率大小和振幅的影響。得到不同樣品材料的一階諧振頻率以及同種樣品材料在針尖壓入樣品深度不同時的一階諧振頻率的變化。(3)建立了與針尖相接觸的樣品的簡化模型,用ANSYS有限元的方法對其進行了靜力學仿真,得到針尖樣品接觸表面接觸剛度的分布。分別仿真了不同作用載荷、不同內(nèi)部結構深度、不同內(nèi)部結構尺寸、不同內(nèi)部結構形狀、不同樣品材料彈性模量等情況下針尖和樣品接觸的形變及剛度分布的變化,得到這些單一量變化對針尖樣品接觸剛度分布的影響；分析了兩個量同時變化時針尖樣品接觸表面中心點的形變及接觸剛度的變化,得到兩者同時變化時對針尖樣品接觸剛度的影響。
【關鍵詞】：超聲原子力顯微鏡 懸臂梁 動態(tài)特性 有限元分析 針尖樣品接觸剛度
【學位授予單位】：安徽工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH742
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 緒論13-27
• 1.1 引言13-14
• 1.2 原子力顯微鏡簡介14-21
• 1.3 超聲原子力顯微鏡的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21-25
• 1.4 課題研究目的及論文主要內(nèi)容25-27
• 第2章 超聲原子力顯微鏡的基本理論27-40
• 2.1 針尖樣品相互作用的基本理論27-31
• 2.1.1 針尖樣品接觸理論27-28
• 2.1.2 局域接觸剛度模型28-29
• 2.1.3 赫茲模型29-31
• 2.2 懸臂梁動力學理論模型31-36
• 2.2.1 懸臂梁自由狀態(tài)下的振動模型31-33
• 2.2.2 懸臂梁與樣品接觸時的振動模型33-36
• 2.3 超聲波振幅與相位的變化36-38
• 2.4 本章小結38-40
• 第3章 懸臂梁的動態(tài)特性分析40-51
• 3.1 ANSYS有限元法簡介40-41
• 3.2 懸臂梁自由振動模態(tài)分析41-43
• 3.3 懸臂梁的諧響應分析43-49
• 3.3.1 作用載荷不同對頻譜的影響45-47
• 3.3.2 接觸剛度不同對頻譜的影響47-48
• 3.3.3 不同針尖位置對頻譜的影響48-49
• 3.4 本章小結49-51
• 第4章 樣品接觸剛度有限元分析51-62
• 4.1 單一量變化對接觸剛度的影響51-57
• 4.1.1 作用載荷大小變化52-53
• 4.1.2 內(nèi)部結構位置變化53-54
• 4.1.3 內(nèi)部結構尺寸變化54-55
• 4.1.4 內(nèi)部結構形狀變化55-56
• 4.1.5 內(nèi)部結構材料選擇不同56-57
• 4.2 兩者同時變化時接觸剛度變化57-60
• 4.2.1 內(nèi)部結構材料的尺寸和位置同時變化57-58
• 4.2.2 內(nèi)部結構尺寸和材料彈性模量同時變化58-59
• 4.2.3 內(nèi)部結構位置和材料彈性模量同時變化59-60
• 4.3 本章小結60-62
• 第5章 總結與展望62-65
• 5.1 論文的主要內(nèi)容62-64
• 5.2 未來工作展望64-65
• 參考文獻65-71
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文目錄71-72
• 致謝72

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

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本文編號：1025302