一种微纳牛级力计量器的制造方法

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1.本发明涉及微纳制造技术领域，尤其是一种微纳牛级力计量器的制造方法。

背景技术：

2.随着科技的不断进步，与人类活动密切相关的工业制造，如医疗设备、电子器件以及智能化机器人等不断向微观尺度发展。微纳米级机械设备制造技术这一核心技术难题亟待攻克。器件在加工与装备过程中的受力监测为制造高品质设备提供了有力保障。在纳米尺度下，力的测量面临两大难点，一是测量工具的制备，工具的尺寸控制在纳米级；二是测量力的范围，通常在微纳米级。
3.针对当前微纳尺度的结构器件的力学特性通常采用原子力显微镜进行测量。原子力显微镜是通过将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息。然而原子力显微镜昂贵且体积庞大，不便于移动，需将测量样本放置仪器进行测量；扫描速度较慢(如每幅图像需要10分钟甚至更久)，无法实现对微纳米样品的高速成像；安装操作复杂、依赖交流市电、计算机与控制系统之间需有线连接等局限性。以上弊端不利于应用原子力显微镜对微纳尺度下结构的受力测量。

技术实现要素：

4.本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种微纳牛级力计量器的制造方法，解决了微纳制造技术中对微力测量的问题，根据胡克定律选择可塑性高且同时具有优异力学性能的纳米材料进行力计量器的制造，该力计量器可应用于纳米尺度下器件在加工、装配等制造工序中的管理与监测。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种微纳牛级力计量器的制造方法，包括如下步骤：
7.获取原始石墨烯材料作为制造微纳牛级力计量器的原材料；
8.确定剪裁图形，利用纳米尺度下的剪纸技术在原始石墨烯材料上进行剪裁；
9.获取剪裁后石墨烯材料的应力应变曲线；
10.根据应力应变曲线的线弹性阶段确定剪裁后石墨烯材料的量程；
11.调整剪裁的几何参数，重新执行利用纳米尺度下的剪纸技术在原始石墨烯材料上进行剪裁，进一步调整剪裁后石墨烯材料的量程与精度，得到相应的微纳牛级力计量器。
12.其进一步的技术方案为，剪裁图形包括圆形、三角形、菱形以及长方形，不同剪裁图形在原始石墨烯材料上进行剪裁的方法相同，包括：
13.确定剪裁图形外切圆的半径，以控制剪裁图形的面积；
14.按照剪裁图形在原始石墨烯材料上进行剪裁，使剪裁图形均匀分布。
15.其进一步的技术方案为，获取剪裁后石墨烯材料的应力应变曲线，包括：
16.通过单轴拉伸的方式获取剪裁后石墨烯材料的应力应变曲线，拉伸方向为沿剪裁
后石墨烯材料的长度方向或宽度方向。
17.其进一步的技术方案为，使剪裁图形均匀分布，包括：
18.剪裁图形沿原始石墨烯材料的长度方向和宽度方向均等间距分布，在宽度方向上，剪裁图形的中心均在同一水平线上，在长度方向上，相邻剪裁图形沿宽度方向的中心偏移量的范围为
19.其进一步的技术方案为，使剪裁图形均匀分布，包括：
20.剪裁图形沿原始石墨烯材料的长度方向和宽度方向均等间距分布，在长度方向上，剪裁图形的中心均在同一水平线上，在宽度方向上，相邻剪裁图形沿长度方向的中心偏移量的范围为
21.其进一步的技术方案为，调整剪裁的几何参数，进一步调整剪裁后石墨烯材料的量程与精度，包括：
22.调整剪裁图形的面积逐渐增大，重新剪裁后获得调整后石墨烯材料的应力应变曲线及其相应的量程，应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着面积增大而减小，则应力量程减小、应变量程增大；
23.反之，调整剪裁图形的面积逐渐减小，应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着面积减小而增大，则应力量程增大、应变量程减小。
24.其进一步的技术方案为，调整剪裁的几何参数，进一步调整剪裁后石墨烯材料的量程与精度，还包括：
25.在宽度方向上，设相邻剪裁图形的中心距离为w，在长度方向上，设相邻剪裁图形的中心距离为h，w、h用于控制剪裁图形的分布密度；
26.微调w、h逐渐减小，剪裁图形的分布密度增加，重新剪裁后获得调整后石墨烯材料的应力应变曲线及其相应的量程，应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着微调参数减小而增大，则应力量程增大、应变量程不发生明显改变；
27.反之，微调w、h逐渐增大，剪裁图形的分布密度减小，应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着微调参数增大而减小，则应力量程减小、应变量程不发生明显改变。
28.其进一步的技术方案为，调整剪裁的几何参数，进一步调整剪裁后石墨烯材料的量程与精度，还包括：
29.设中心偏移量为r，微调r逐渐增大，重新剪裁后获得调整后石墨烯材料的应力应变曲线及其相应的量程，应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着微调参数增大而减小，则应力量程不发生明显改变、应变量程增大；
30.反之，微调r逐渐减小，应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着微调参数减小而增大，则应力量程不发生明显改变、应变量程减小。
31.其进一步的技术方案为，当剪裁的几何参数相同时，不同剪裁图形对应的最大应变排序为：ε1＞ε2＞ε3＞ε432.其中，ε1为长方形剪裁图形的最大应变，ε2为菱形剪裁图形的最大应变，ε3为三角形剪裁图形的最大应变，ε4为圆形剪裁图形的最大应变。
33.其进一步的技术方案为，当剪裁的几何参数相同时，不同剪裁图形对应的最大应
力排序为：ε1＜ε2＜ε3＜ε434.其中，ε1为长方形剪裁图形的最大应变率，ε2为菱形剪裁图形的最大应变率，ε3为三角形剪裁图形的最大应变率，ε4为圆形剪裁图形的最大应变率。
35.本发明的有益技术效果是：
36.本技术提出了一种基于二维材料设计微纳牛级力计量器的新方法，采用选取石墨烯作为制造微纳牛级力计量器的原材料，石墨烯的强度以及弹性模量高于金刚石，确定剪裁图形并通过剪纸技术可以提高石墨烯自身的韧性和弹性，通过调整剪裁时的几何参数可以对测量量程与精度进行调整，满足了微纳米尺度下器件力学性能的检测，采用本方法制造的微纳牛级力计量器可以应用于纳米尺度下器件在加工、装配等制造工序中的管理与监测，便于管理与监测加工与装配器件时的技术指标。
附图说明
37.图1是本技术提供的微纳牛级力计量器的制造方法流程图。
38.图2是本技术提供的不同剪裁图形。
39.图3是本技术提供的具有圆形剪裁图形的石墨烯材料。
40.图4是本技术提供的拉伸剪裁后石墨烯材料的示意图及其应力应变曲线。
41.图5是本技术提供的不同剪裁图形力计量器对应的量程。
42.图6是本技术提供的对圆形剪裁图形力计量器微调几何参数得到对应的量程。
具体实施方式
43.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
44.一种微纳牛级力计量器的制造方法，其流程图如图1所示，包括如下步骤：
45.步骤1：获取二维材料作为制造微纳牛级力计量器的原材料。
46.本实施例选用具有高强度以及高弹性模量的石墨烯作为原材料，石墨烯通过剪纸技术可以提高自身的韧性和弹性，同时该技术实现二维材料的超变形，通过裁剪石墨烯将其制成最柔软的弹簧，可用于拉伸dna、计量热泳力等。确定原始石墨烯材料的拉伸强度以及弯曲强度，并做撕裂破坏时裂纹的扩展趋势。
47.步骤2：确定剪裁图形，利用纳米尺度下的剪纸技术在原始石墨烯材料上进行剪裁。
48.如图2所示，剪裁图形包括圆形、三角形、菱形以及长方形，不同剪裁图形在原始石墨烯材料上进行剪裁的方法相同，本实施例以圆形作为裁剪图形进行详细说明：
49.步骤21：确定圆形剪裁图形外切圆的半径，记为r0，以控制剪裁图形的面积。
50.步骤22：按照圆形剪裁图形在原始石墨烯材料上进行剪裁，使圆形剪裁图形均匀分布，包括：
51.(1)如图3所示，圆形剪裁图形沿原始石墨烯材料的长度方向和宽度方向均等间距分布，在宽度方向上，剪裁图形的中心均在同一水平线上，在长度方向上，相邻剪裁图形沿宽度方向的中心偏移量的范围为
52.(2)剪裁图形沿原始石墨烯材料的长度方向和宽度方向均等间距分布，在长度方
向上，剪裁图形的中心均在同一水平线上，在宽度方向上，相邻剪裁图形沿长度方向的中心偏移量的范围为
53.本实施例采用方案(1)提供的分布方法。
54.步骤3：通过单轴拉伸的方式获取剪裁后石墨烯材料的应力应变曲线，拉伸方向为沿剪裁后石墨烯材料的长度方向或宽度方向。如图4所示，本实施例沿微纳牛级力计量器的长度方向拉伸微纳牛级力计量器。
55.步骤4：根据应力应变曲线的线弹性阶段确定剪裁后石墨烯材料的量程。
56.如图5所示，当剪裁的几何参数相同时，不同剪裁图形对应的最大应变排序为：ε1＞ε2＞ε3＞ε4，不同剪裁图形对应的最大应力排序为：ε1＜ε2＜ε3＜ε457.其中，ε1为长方形剪裁图形的最大应变，ε2为菱形剪裁图形的最大应变，ε3为三角形剪裁图形的最大应变，ε4为圆形剪裁图形的最大应变。
58.也即圆形剪裁图形对应的应力量程最大，长方形剪裁图形对应的应变量程最大。
59.步骤5：调整剪裁的几何参数，重新执行利用纳米尺度下的剪纸技术在原始石墨烯材料上进行剪裁的步骤，通过进一步调整剪裁后石墨烯材料的量程与精度，得到相应的微纳牛级力计量器，如图6所示。
60.步骤51：调整圆形剪裁图形的面积逐渐增大，重新剪裁后获得调整后石墨烯材料的应力应变曲线及其相应的量程，经过实验验证得出以下结论：
61.应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着面积增大而减小，则应力量程减小、应变量程增大。反之，调整剪裁图形的面积逐渐减小，应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着面积减小而增大，则应力量程增大、应变量程减小。
62.为了力计量器裁剪后结构稳定，经过研究r0一般取值为w/2，也即圆形剪裁图形在宽度方向紧邻分布。
63.步骤52：在宽度方向上，设相邻剪裁图形的中心距离为w，在长度方向上，设相邻剪裁图形的中心距离为h，w、h用于控制剪裁图形的分布密度。
64.微调w、h逐渐减小，剪裁图形的分布密度增加，重新剪裁后获得调整后石墨烯材料的应力应变曲线及其相应的量程，经过实验验证得出以下结论：
65.应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着微调参数减小而增大，则应力量程增大、应变量程不发生明显改变。反之，微调w、h逐渐增大，剪裁图形的分布密度减小，应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着微调参数增大而减小，则应力量程减小、应变量程不发生明显改变。
66.步骤53：设中心偏移量为r，微调r逐渐增大，重新剪裁后获得调整后石墨烯材料的应力应变曲线及其相应的量程，经过实验验证得出以下结论：
67.应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着微调参数增大而减小，则应力量程不发生明显改变、应变量程增大。反之，微调r逐渐减小，应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着微调参数减小而增大，则应力量程不发生明显改变、应变量程减小。
68.(1)根据上述方法，石墨烯材料中圆形剪裁图形的应力应变数值见表1
‑
1和1
‑
2，同时也给出了几何参数w、h与r对力计量器的调整量。设无缺陷二维材料的宽为w0、长为h0，且
半径r0取两个规格。
69.表1
‑
1 r0＝1/4(w)时的不同w、h与r组合下力计量器的应力应变
[0070][0071]
表1
‑
2 r0＝3/4(w)时的不同w、h与r组合下力计量器的应力应变
[0072][0073]
(2)将圆形剪裁图形替换成三角形，其余条件不变。同上，石墨烯材料中三角形剪裁图形的应力应变数值见表2
‑
1和2
‑
2，同时也给出了几何参数w、h与r对力计量器的调整量。
[0074]
表2
‑
1 r0＝1/4(w)时的不同w、h与r组合下力计量器的应力应变
[0075][0076]
表2
‑
2 r0＝3/4(w)时的不同w、h与r组合下力计量器的应力应变
[0077][0078]
(3)将圆形剪裁图形替换成菱形，其余条件不变。同上，石墨烯材料中菱形剪裁图形的应力应变数值见表3
‑
1和3
‑
2，同时也给出了几何参数w、h与r对力计量器的调整量。
[0079]
表3
‑
1 r0＝1/4(w)时的不同w、h与r组合下力计量器的应力应变
[0080][0081]
表3
‑
2 r0＝3/4(w)时的不同w、h与r组合下力计量器的应力应变
[0082][0083]
(4)将圆形剪裁图形替换成长方形，其余条件不变。同上，石墨烯材料中长方形剪裁图形的应力应变数值见表4
‑
1和4
‑
2，同时也给出了几何参数w、h与r对力计量器的调整量。
[0084]
表4
‑
1 r0＝1/4(w)时的不同w、h与r组合下力计量器的应力应变
[0085][0086]
表4
‑
2 r0＝3/4(w)时的不同w、h与r组合下力计量器的应力应变
[0087][0088]
该方法通过调整剪裁时的几何参数可以对测量量程与精度进行调整，满足了微纳米尺度下器件力学性能的检测，采用本方法制造的微纳牛级力计量器可以应用于纳米尺度下器件在加工、装配等制造工序中的管理与监测，便于管理与监测加工与装配器件时的技术指标。
[0089]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种微纳牛级力计量器的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：获取原始石墨烯材料作为制造微纳牛级力计量器的原材料；确定剪裁图形，利用纳米尺度下的剪纸技术在所述原始石墨烯材料上进行剪裁；获取剪裁后石墨烯材料的应力应变曲线；根据所述应力应变曲线的线弹性阶段确定所述剪裁后石墨烯材料的量程；调整剪裁的几何参数，重新执行所述利用纳米尺度下的剪纸技术在所述原始石墨烯材料上进行剪裁，进一步调整剪裁后石墨烯材料的量程与精度，得到相应的微纳牛级力计量器。2.根据权利要求1所述的微纳牛级力计量器的制造方法，其特征在于，所述剪裁图形包括圆形、三角形、菱形以及长方形，不同剪裁图形在所述原始石墨烯材料上进行剪裁的方法相同，包括：确定所述剪裁图形外切圆的半径，以控制所述剪裁图形的面积；按照所述剪裁图形在所述原始石墨烯材料上进行剪裁，使所述剪裁图形均匀分布。3.根据权利要求1所述的微纳牛级力计量器的制造方法，其特征在于，所述获取剪裁后石墨烯材料的应力应变曲线，包括：通过单轴拉伸的方式获取剪裁后石墨烯材料的应力应变曲线，拉伸方向为沿剪裁后石墨烯材料的长度方向或宽度方向。4.根据权利要求2所述的微纳牛级力计量器的制造方法，其特征在于，所述使剪裁图形均匀分布，包括：所述剪裁图形沿所述原始石墨烯材料的长度方向和宽度方向均等间距分布，在宽度方向上，所述剪裁图形的中心均在同一水平线上，在长度方向上，相邻剪裁图形沿宽度方向的中心偏移量的范围为5.根据权利要求2所述的微纳牛级力计量器的制造方法，其特征在于，所述使剪裁图形均匀分布，包括：所述剪裁图形沿所述原始石墨烯材料的长度方向和宽度方向均等间距分布，在长度方向上，所述剪裁图形的中心均在同一水平线上，在宽度方向上，相邻剪裁图形沿长度方向的中心偏移量的范围为6.根据权利要求2所述的微纳牛级力计量器的制造方法，其特征在于，调整剪裁的几何参数，进一步调整剪裁后石墨烯材料的量程与精度，包括：调整所述剪裁图形的面积逐渐增大，重新剪裁后获得调整后石墨烯材料的应力应变曲线及其相应的量程，所述应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着面积增大而减小，则应力量程减小、应变量程增大；反之，调整所述剪裁图形的面积逐渐减小，所述应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着面积减小而增大，则应力量程增大、应变量程减小。7.根据权利要求4或5所述的微纳牛级力计量器的制造方法，其特征在于，调整剪裁的几何参数，进一步调整剪裁后石墨烯材料的量程与精度，还包括：在宽度方向上，设相邻剪裁图形的中心距离为w，在长度方向上，设相邻剪裁图形的中
心距离为h，所述w、h用于控制所述剪裁图形的分布密度；微调所述w、h逐渐减小，所述剪裁图形的分布密度增加，重新剪裁后获得调整后石墨烯材料的应力应变曲线及其相应的量程，所述应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着微调参数减小而增大，则应力量程增大、应变量程不发生明显改变；反之，微调所述w、h逐渐增大，所述剪裁图形的分布密度减小，所述应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着微调参数增大而减小，则应力量程减小、应变量程不发生明显改变。8.根据权利要求4或5所述的微纳牛级力计量器的制造方法，其特征在于，调整剪裁的几何参数，进一步调整剪裁后石墨烯材料的量程与精度，还包括：设中心偏移量为r，微调所述r逐渐增大，重新剪裁后获得调整后石墨烯材料的应力应变曲线及其相应的量程，所述应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着微调参数增大而减小，则应力量程不发生明显改变、应变量程增大；反之，微调所述r逐渐减小，所述应力应变曲线的线弹性阶段的斜率随着微调参数减小而增大，则应力量程不发生明显改变、应变量程减小。9.根据权利要求1
‑
6任一所述的微纳牛级力计量器的制造方法，其特征在于，当剪裁的几何参数相同时，不同剪裁图形对应的最大应变排序为：ε1＞ε2＞ε3＞ε4其中，ε1为长方形剪裁图形的最大应变，ε2为菱形剪裁图形的最大应变，ε3为三角形剪裁图形的最大应变，ε4为圆形剪裁图形的最大应变。10.根据权利要求1
‑
6任一所述的微纳牛级力计量器的制造方法，其特征在于，当剪裁的几何参数相同时，不同剪裁图形对应的最大应力排序为：ε1＜ε2＜ε3＜ε4其中，ε1为长方形剪裁图形的最大应变率，ε2为菱形剪裁图形的最大应变率，ε3为三角形剪裁图形的最大应变率，ε4为圆形剪裁图形的最大应变率。

技术总结

本发明公开了一种微纳牛级力计量器的制造方法，涉及微纳制造技术领域，该方法包括：获取原始石墨烯材料；确定剪裁图形，利用纳米尺度下的剪纸技术在原始石墨烯材料上进行剪裁；获取剪裁后石墨烯材料的应力应变曲线；根据应力应变曲线，由胡克定律可知线弹性阶段为剪裁后石墨烯材料的量程；调整剪裁的几何参数，重新执行利用纳米尺度下的剪纸技术在原始石墨烯材料上进行剪裁，进一步调整剪裁后石墨烯材料的量程与精度，得到相应的微纳牛级力计量器。采用石墨烯材料作为制造微纳牛级力计量器的原材料，满足了微纳米尺度下器件力学性能的检测，该力计量器可应用于纳米尺度下器件在加工、装配等制造工序中的管理与监测。装配等制造工序中的管理与监测。装配等制造工序中的管理与监测。