國家納米科學中心崔旭偉獲國家專利權
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龍圖騰網獲悉國家納米科學中心申請的專利一種二維納米材料的楊氏模量及彎曲剛度的測量方法獲國家發明授權專利權,本發明授權專利權由國家知識產權局授予,授權公告號為:CN114966123B 。
龍圖騰網通過國家知識產權局官網在2025-09-05發布的發明授權授權公告中獲悉:該發明授權的專利申請號/專利號為:202210555576.9,技術領域涉及:G01Q60/24;該發明授權一種二維納米材料的楊氏模量及彎曲剛度的測量方法是由崔旭偉;董文龍;劉璐琪;張忠設計研發完成,并于2022-05-20向國家知識產權局提交的專利申請。
本一種二維納米材料的楊氏模量及彎曲剛度的測量方法在說明書摘要公布了:本發明公開了一種二維納米材料的楊氏模量及彎曲剛度的測量方法,包括:在基底上形成微米矩形微孔陣列,將二維材料轉移到微孔陣列,覆蓋在矩形微孔上形成懸浮體系薄膜并進行鼓泡實驗,對懸浮矩形微孔上的薄膜施加垂直于薄膜的均布荷載以實現沿短軸方向的單軸拉伸;分析二維材料的形貌,獲取內外壓力差,并進行受力分析,對薄層材料采用薄膜理論求解,結合泊松比得出材料的楊氏模量;對厚層材料采用經典板理論求解,得出材料的彎曲剛度。本發明實現對二維材料特別是各向異性二維材料的楊氏模量和彎曲剛度實驗測量,克服傳統方法對二維材料進行單軸拉伸時對基底的依賴性以及各向異性二維材料力學參量測量的困難,同時高通量進行二維材料單軸拉伸。
本發明授權一種二維納米材料的楊氏模量及彎曲剛度的測量方法在權利要求書中公布了:1.一種二維納米材料的楊氏模量或彎曲剛度的測量方法,其特征在于,包括如下步驟: 步驟100、在基底材料上設計并加工微米尺度的矩形微孔并形成陣列,通過有限元分析模擬對矩形微孔的長寬比進行優化設計,對于懸浮于所述矩形微孔上的薄膜,所述矩形微孔的長寬比≥5,對薄膜施加垂直于薄膜的均布荷載; 步驟200、將待測二維納米材料轉移到具有矩形微孔陣列的基底材料表面,覆蓋在基底材料的矩形微孔上形成懸浮體系薄膜,以形成待測樣品; 其中,所述待測二維納米材料的厚度為0.34~50nm; 步驟300、對所述待測樣品進行鼓泡實驗,形成類圓柱面狀鼓泡; 步驟400、利用原子力顯微鏡獲取形成類圓柱面狀鼓泡的二維納米材料的形貌,同時獲取類圓柱面狀鼓泡的內外壓力差△p; 步驟500、對類圓柱面狀鼓泡進行受力分析,對于由厚度為0.34~20nm的薄層二維納米材料形成的類圓柱面狀鼓泡,采用薄膜理論求解,結合待測二維納米材料的泊松比ν,得出所述薄層二維納米材料的楊氏模量; 對于由厚度為20~50nm的厚層二維納米材料形成的類圓柱面狀鼓泡,采用薄板理論求解,得出所述厚層二維納米材料沿短軸方向的彎曲剛度; 所述薄層二維納米材料的楊氏模量的測量方法包括: 對類圓柱面狀鼓泡的所述薄層二維納米材料進行力學分析,取平行于短軸方向的圓柱面準線的形貌進行分析,采用薄膜理論求解,并結合矩形微孔邊緣的邊界條件聯立得出的關系: 其中,Δp是類圓柱面狀鼓泡的內外壓力差,β是和邊界條件相關的系數,對于固支簡支邊界條件,β=1,ν是材料的泊松比,E是所述薄層二維納米材料的楊氏模量,t是材料的厚度,a為鼓泡短軸的半徑,h是鼓泡短軸中心點的高度; 對于正交各向異性薄層二維納米材料,通過求解材料不同晶格角度下沿短軸方向的楊氏模量,然后利用如下公式求解楊氏模量分布: 其中,E1和E2分別是沿兩個主軸方向的楊氏模量,G12是剪切模量,ν12是主軸E1方向對應的泊松比,θ是短軸方向和主軸E2方向的夾角; 所述厚層二維納米材料的彎曲剛度的測量方法包括: 對于厚層二維納米材料形成的類圓柱面狀鼓泡進行力學分析,采用如下形貌公式并進行擬合: 其中ω為鼓泡的形貌輪廓函數,x為位置變量,為一常數,FTx為類圓柱面狀鼓泡的面內力;Δp是類圓柱面狀鼓泡的內外壓力差,a為鼓泡短軸的半徑,h是鼓泡短軸中心點的高度; 通過擬合以得到厚層二維納米材料的彎曲剛度D。
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