【摘 要】
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微机电系统(MEMS)技术在展现出巨大潜在应用前景的同时也给人们提出了一系列的挑战。首先,由于微纳尺度材料极小的物理尺寸,传统的制备、测试和表征方法对这些材料不再有效。其次,微纳尺度下的材料或器件会表现出强烈的尺寸效应,其相关的光学性质、热学性质和力学性质等,与宏观条件下的材料性能相比有很大差异。形状记忆合金(SMA)是一类集感知与驱动为一体的智能材料,它的能量密度高,同时具有较高的驱动频率、较大
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微机电系统(MEMS)技术在展现出巨大潜在应用前景的同时也给人们提出了一系列的挑战。首先,由于微纳尺度材料极小的物理尺寸,传统的制备、测试和表征方法对这些材料不再有效。其次,微纳尺度下的材料或器件会表现出强烈的尺寸效应,其相关的光学性质、热学性质和力学性质等,与宏观条件下的材料性能相比有很大差异。形状记忆合金(SMA)是一类集感知与驱动为一体的智能材料,它的能量密度高,同时具有较高的驱动频率、较大的输出应力和应变,综合性能突出,具有很强的微型化潜力。本研究以聚焦离子束电子束双束设备(FIB/SEM)为加工和表征平台,在聚焦离子束设备机设备没有配置微纳力学传感器的客观条件限制下,创新性地提出基于触碰变形的微纳米力学特性测试法,从而得以测量微纳米尺度Ti Ni形状记忆合金悬臂梁结构的弹性系数,进一步套用相关计算模型可以得到微纳米尺度下Ti Ni形状记忆合金的杨氏模量。聚焦离子束带有一定的汇聚角,自上而下的刻蚀方式制备的梁结构会存在1°至4°的锥度,本研究中使用卧式刻蚀方案,制备了长19.22μm的无锥度Ti Ni形状记忆合金悬臂梁结构。本研究设计了正交试验,研究了聚焦离子束化学气相沉积(FIB-CVD)过程中离子束电流大小、离子束光斑直径、单点照射时间和照射时间间隔4个工艺参数对沉积试样表面粗糙度的影响规律,并根据正交实验得到的最佳工艺参数,即离子束电流1 p A、照射时间间隔0.2μs、单点照射时间0.1μs、离子束光斑直径11 nm,制备了直径1μm,高度15.3μm的微米柱,其表面粗糙度为57.3 nm。本研究通过ANSYS仿真,研究了微米柱直径大小对沉积结合位置剪切应力大小的影响规律以及微米柱长度对受力端变形量大小的影响规律,仿真结果显示微米柱增长和直径增大可以有效提高微米柱测试工具的可靠性。通过热回复实验,本研究测得Ti Ni形状记忆合金悬臂梁的热回复起始温度在50℃至60℃之间,高于宏观尺度下形变起始温度,且当环境温度高于热回复起始温度而低于100℃时,塑性变形的微米柱部分回复,能使微米柱完全回复的环境温度在100℃至120℃之间。
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