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微波新应用:纳米加工质量控制的快速检测
发布:kittyll   时间:2016/5/6 16:00:43   阅读:601 
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微波新应用当然不是用微波炉做一道美食啦,不过异曲同工之处也是设计了一个“微波盒”
图片来源:网络
 
由于美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究者在卷对卷(Roll-to-Roll,R2R)测试方面所作出的研究,制造商们可能很快就会有一种好方法,在实际条件下快速而非破坏性地来检测各种材料。
 
卷对卷测试是卷对卷制造的经典光学测试方法,它是从轮胎到纳米器件等一系列使用传送带连续处理物品的方法。
 
为了使新材料(诸如碳纳米管和石墨烯)在电子器件、高技术复合材料及其他应用中发挥越来越重要的作用,制造商们需要通过质量控制测试,以确保产品具备所需的性能,以及减少缺陷。目前的测试过程通常需要切割、划刻或者触压产品,这样做不仅减慢了生产进程,而且会损伤甚至完全破坏被检测的试样。
 
为了实现非接触式的测试,NIST的物理学家Nathan Orloff、Christain Long以及Jan Obrzut,让薄膜经过一个被称作微波谐振腔的专门设计的小盒子,来检测其特性。腔体内产生的电磁波具有特定的“共振”频率,这取决于盒子的尺寸和形状,就像是吉他弦振动的音高取决于它的长度和张力一样。当一个物体被放在空腔中,谐振频率的变化在一定程度上取决于物体的尺寸、电阻和介电常数(物体在电场中储存能量的量度)。Orloff说:“频率的变化使人联想到缩短或张紧吉他弦使其以更高的音调振动”。
 

使用一个特别设计的微波谐振腔(中间的白色圆柱)和相应的电子电路,塑料胶带(黄色)电特性的变化可以随胶带厚度的变化呈现出快速连续的反应。该设备是受到大规模生产纳米材料的高产卷对卷制造设备启发而设计的。胶带厚度的变化拼成NIST的莫尔斯电码。
图片来源:NIST/Nathan Orloff
 
研究人员还搭建了一个电路来测试这些变化。他们第一次的实验是使聚酰亚胺塑料带通过腔体,他们使用的卷对卷设备类似于大规模生产纳米材料所用的高产卷绕制造设备。当胶带的厚度增加或减少,腔体的谐振频率随之而变。另一个叫做“质量因素”的参数也在变化,这一参数被定义为:腔体中储存的能量与每个频率循环中所损失能量的比率。聚酰亚胺的电性能众所周知,制造商可以使用谐振腔测试来监测生产线上的胶带是否具有一致的厚度,甚至从控制厚度的测试中得到其他反馈信息。
 
另外,制造商可以使用这一新方法来监测已知维度材料电性能的不明显变化。为演示这种方法,Orloff和Long以12厘米及15厘米长的塑料薄膜通过腔体并检测了薄膜的电阻,该塑料薄膜沉积有碳纳米管。“整个过程不到一秒钟,” Orloff说。他补充说,与标准的工业设备相比,这种测试能够以每秒10米的速度进行,足以用在当今的许多制造领域中。
 
Orloff说:“这种新方法对于薄膜制造商来说有几个优势。你可以测试全部的产品,而不只是一个小样本,”这种实时测试可以用来优化制造过程而无需终止生产,或者在次品进入工厂大门之前即被检出。这种方法可以显著减少制造中大批量次品的产生。
 
这一新技术已于2015年12月递交了专利申请,并且已有材料生产商表示出了浓厚的兴趣,该方法不仅适用于纳米加工,如果使用合理设计的谐振腔,同样能够帮助诸如轮胎、药物,甚至啤酒生产的质量控制。
 
 
译自:sciencedaily
来源:材料与测试
译者:天使之翼

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