广州新能源纳米力学测试原理 广州致城科技供应

随着精密、 超精密加工技术的发展，材料在纳米尺度下的力学特性引起了人们的极大关注研究。而传统的硬度测量方法只适于宏观条件下的研究和应用，无法用于测量压痕深度为纳米级或亚微米级的硬度( 即所谓纳米硬度，nano- hardness) 。近年来，测量纳米硬度一般采用新兴的纳米压痕技术 (nano-indentation)，由于采用纳米压痕技术可以在极小的尺寸范围内测试材料的力学性能，除了塑性性质外，还可反映材料的弹性性质，因此得到了越来越普遍的应用。纳米力学测试需要使用专属的纳米力学测试仪器，如纳米压痕仪和纳米拉伸仪等。广州新能源纳米力学测试原理

较大压痕深度1.5 μ m时的试验结果，其中纳米硬度平均值为0.46GPa，而用传统硬度计算方法得到的硬度平均值为0.580GPa，这说明传统硬度计算方法在微纳米硬度测量时误差较大，其原因就是在微纳米硬度测量时，材料变形的弹性恢复造成残余压痕面积较小，传统方法使得计算结果产生了偏差，不能正确反映材料的硬度值。图片通过对不同载荷下的纳米硬度测量值进行比较发现，单晶铝的纳米硬度值并不是恒定的， 而是在一定范围内随着载荷（压头位移）的降低而逐渐增大，也就是存在压痕尺寸效应现象。图3反映了纳米硬度随压痕深度的变化。较大压痕深度1μm时单晶铝弹性模量与压痕深度的关系。此外，纳米硬度仪还可以输出接触刚、实时载荷等随压头位移的变化曲线，试验者可以从中获得丰富的信息。广州新能源纳米力学测试原理纳米力学测试的发展促进了纳米材料及其应用领域的快速发展和创新。

力—距离曲线测试分为准静态模式和动态模式，实际应用中采用较多的是准静态模式下的力-距离曲线测试。由力—距离曲线测试可以获得样品表面的力学性能及黏附的信息。利用接触力学模型对力—距离曲线进行拟合，可以获得样品表面的弹性模量。力—距离曲线测试与纳米压痕相比，可以施加更小的作用力(nN量级)，较好地避免了对生物软材料的损害，极大地降低了基底对薄膜力学性能测试的影响。力—距离曲线测试普遍应用于聚合物材料和生物材料的纳米力学性能测试，很多研究者利用此方法获得了细胞的模量信息。力—距离曲线阵列测试可以获得测试区域内力学性能的分布，但是分辨率较低，且测试时间较长。另外，力—距离曲线一般只对软材料才比较有效。图2 是通过力—距离曲线阵列测试获得的细胞力学性能(模量) 的分布。

主要的微纳米力学测量技术：1、微纳米压痕测试技术，1.1压入测试技术，压人测试技术是较初的是表征各种材料力学性能较常用的方法之一,可以追溯到 20 世纪初的定量硬度测试方法。传统的压人测试技术是利用已知几何形状的硬压头以预设的压人深度或者载荷作用到较软的样品表面,通过测量残余压痕的尺寸计算相关的硬度指数。但压入测试技术的缺陷在所能够表征的材料力学参量局限于硬度和弹性模量这2个基本的参量。1.2 微纳米压痕测试，近年来新型材料正在向低维化、功能化与复合化方向飞速发展，在微纳米尺度作用区域上开展微纳米压痕测试已被普遍用作评价材料因微观结构变化面诱发力学性能变化以及获得材料物性转变等新现象、新规律的重要工具。所能够表征的材料力学参量也不再局限于硬度和弹性模量这2个基本的参量。在纳米力学测试中，常用的测试方法包括纳米压痕测试、纳米拉伸测试和纳米弯曲测试等。

纳米压痕法：纳米压痕硬度法是一类测量材料表面力学性能 的先进技术。其原理是在加载过程中 试样表面在压头作用下首先发生弹性变形，随着载荷的增加试样开始发生塑性变形，加载曲线呈非线性，卸载曲线反映被测物体的弹性恢复过程。通过分析加卸载曲线可以得到材料的硬度和弹性模量等参量。纳米压痕法不只可以测量材料的硬度和弹性模量，还可以根据压头压缩过程中脆性材料产生的裂纹估算材料的断裂韧性，根据材料的位移压力曲线与时间的相关性获悉材料的蠕变特性。除此之外，纳米压痕法还用于纳米膜厚度、微结构，如微梁的刚度与挠度等的测量。纳米力学测试可以解决纳米材料在微纳尺度下的力学问题，为纳米器件的设计和制造提供支持。广州新能源纳米力学测试原理

纳米力学测试可以应用于纳米材料的力学模拟和仿真，加速纳米材料的研发和应用过程。广州新能源纳米力学测试原理

借助原子力显微镜(AFM)的纳米力学测试法，利用原子力显微镜探针的纳米操纵能力对一维纳米材料施加弯曲或拉伸载荷。施加弯曲载荷时，原子力显微镜探针作用在一维纳米悬臂梁结构高自山端國双固支结构的中心位置,弯曲挠度和载荷通过原子力显微镜探针悬曾梁的位移和悬臂梁的刚度获取，依据连续力学理论，由试样的载荷一挠度曲线获得其弹性模量、强度和韧性等力学性能参数。这种方法加载机理简单,相对拉伸法容易操作，缺点是原子力显微镜探针的尺寸与被测纳米试样相比较大,挠度较大时探针的滑动以及试样中心位置的对准精度严重影响测试精度3、借助微机电系统(MEMS)技术的片上纳米力学测试法基于 MEMS 的片上纳米力学测试法采用 MEMS 微加工工艺将微驱动单元、微传感单元或试样集成在同一芯片上，通过微驱动单元对试样施加载荷，微位移与微力检测单元检测试样变形与加载力，进面获取试样的力学性能。广州新能源纳米力学测试原理