纳米压痕获得的材料信息也比较丰富,既可以通过静态力学性能测试获得材料的硬度、弹性模量、断裂韧性、相变(畴变) 等信息,也可以通过动态力学性能测试获得被测样品的存储模量、损耗模量或损耗因子等。另外,动态纳米压痕技术还可以实现对材料微纳米尺度存储模量和损耗模量的模量成像(modulus mapping)。图1 是美国Hysitron 公司生产的TI-900 Triboindenter 纳米压痕仪的实物图。纳米压痕作为一种较通用的微纳米力学测试方法,目前仍然有不少研究者致力于对其方法本身的改进和发展。纳米力学测试在生物医学领域,助力研究细胞力学行为,揭示疾病发生机制。重庆核工业纳米力学测试服务

样品制备,纳米力学测试纳米纤维的拉伸测试前需要复杂的样品制备过程,因此FT-NMT03纳米力学测试具备微纳操作的功能,纳米力学测试利用力传感微镊或者微力传感器可以对单根纳米纤维进行五个自由度的拾取-放置操作(闭环)。可以使用聚焦离子束(FIB)沉积或电子束诱导沉积(EBID)对样品进行固定。纳米力学测试这种结合了电-机械测量和纳米加工的技术为大多数纳米力学测试应用提供了完美的解决方案。SEM/FIB集成,得益于FT-NMT03纳米力学测试系统的紧凑尺寸(71×100×35mm),该系统可以与市面上绝大多数的全尺寸SEM/FIB结合使用,在样品台上安装和拆卸该系统十分简便,只需几分钟。此外,由于FT-NMT03纳米力学测试的独特设计(无基座、开放式),纳米力学测试体系统可以和电子背向散射衍射仪(EBSD)和扫描透射电子显微镜(STEM)技术兼容。汽车纳米力学测试哪家好原子力显微镜(AFM)在纳米力学测试中发挥着重要作用,可实现高分辨率成像。

2005 年,中国科学院上海硅酸盐研究所的曾华荣研究员在国内率先单独开发出定频成像模式的AFAM,但不能测量模量。随后,同济大学、北京工业大学等单位也对这种成像模式进行了研究。2011 年初,我们研究组将双频共振追踪技术用于AFAM,实现了快速的纳米模量成像(一幅256×256 像素的图像只需1~2min),并对其准确度和灵敏度进行了系统研究。较近几年,AFAM 引起了越来越多国内外学者的关注。然而,相对于其他AFM 模式,AFAM 的测量原理涉及梁振动力学和接触力学,初学者不容易掌握。
AFAM 利用探针和样品之间的接触共振进行测试,基于对探针的动力学特性以及针尖样品之间的接触力学行为分析,可以通过对探针接触共振频率、品质因子、振幅、相位等响应信息的测量,实现被测样品力学性能的定量化表征。AFAM 不只可以获得样品表面纳米尺度的形貌特征,还可以测量样品表面或亚表面的纳米力学特性。AFAM 属于近场声学成像技术,它克服了传统声学成像中声波半波长对成像分辨率的限制,其分辨率取决于探针针尖与测试样品之间的接触半径大小。AFM 探针的针尖半径很小(5~50 nm),且施加在样品上的作用力也很小(一般为几纳牛到几微牛),因此AFAM 的空间分辨率极高,其横向分辨率与普通AFM 一样可以达到纳米量级。与纳米压痕技术相比,AFAM 在分辨率方面具有明显的优势,通常认为其测试过程是无损的。此外,AFAM 在成像质量和速度方面均明显优于纳米压痕。目前,AFAM 已经普遍应用于纳米复合材料、智能材料、生物材料、纳米材料和薄膜系统等各种先进材料领域。解决方案之一:采用新型纳米材料,提高力学性能,拓宽应用范围。

与传统硬度计算不同的是,A 值不是由压痕照片得到,而是根据 “接触深度” hc(nm) 计算得到的。具体关系式需通过试验来确定,根据压头形状的不同,一般采用多项式拟合的方法,比如针对三角锥形压头,其拟合结果为:A = 24.5 + 793hc + 4238+ 332+ 0.059+0.069+ 8.68+ 35.4+ 36. 9式中 “接触深度”hc由下式计算得出:hc = h - ε P max/S,式中,ε是与压头形状有关的常数,对于球形或三角锥形压头可以取ε = 0.75。而S的值可以通过对载荷-位移曲线的卸载部分进行拟合,再对拟合函数求导得出,即,式中Q 为拟合函数。这样通过试验得到载荷-位移曲线,测量和计算试验过程中的载荷 P、压痕深度h和卸载曲线初期的斜率S,就可以得到样品的硬度值。该技术通过记录连续的载荷-位移、加卸载曲线,可以获得材料的硬度、弹性模量、屈服应力等指标,它克服了传统压痕测量只适用于较大尺寸试样以及只能获得材料的塑性性质等缺陷,同时也提高了硬度的检测精度,使得边加载边测量成为可能,为检测过程的自动化和数字化创造了条件。纳米力学测试设备的精度和灵敏度对于获得准确的测试结果至关重要。深圳微纳米力学测试服务
在纳米力学测试中,常用的仪器包括原子力显微镜、纳米硬度仪等设备。重庆核工业纳米力学测试服务
Berkovich压头是纳米压痕硬度计中较常用的。它可以加工得很尖,而且几何形状在很小尺度内保持自相似,适合于小尺度的压痕实验。目前,该类压头的加工水平:端部半径50nm,典型值约40nm,中心线和面的夹角精度为J=0.025°。在纳米压痕硬度测量中,Berkovich压头是一种理想的压头。优点包括:易获得好的加工质量,很小载荷就能产生塑性,能减小摩擦的影响。Cube-corner压头因其三个面相互垂直,像立方体的一个角,故取此名称。压头越尖,就会在接触区内产生理想的应力和应变。目前,该种压头主要用于断裂韧性(fracture toughness)的研究。它能在脆性材料的压痕周围产生很小的规则裂纹,这样的裂纹能在相当小的范围内用来估计断裂韧性。锥形压头圆锥具有尖的自相似几何形状,从模型角度常利用它的轴对称特性,纳米压痕硬度的许多模型均基于圆锥压痕。由于难以加工出尖的圆锥金刚石压头,它在小尺度实验中很少使用。重庆核工业纳米力学测试服务