材料科学纳米力学测试技术

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。纳米力学测试可以帮助研究人员了解纳米材料的力学响应机制，从而推动纳米科学的发展。材料科学纳米力学测试技术

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。海南工业纳米力学测试定制原子力显微镜（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。

经过三十年的发展，目前科学家在AFM 基础上实现了多种测量和表征材料不同性能的应用模式。利用原子力显微镜，人们实现了对化学反应前后化学键变化的成像，研究了化学键的角对称性质以及分子的侧向刚度。Ternes 等测量了在材料表面移动单个原子所需要施加的作用力。各种不同的应用模式可以获得被测样品表面纳米尺度力、热、声、电、磁等各个方面的性能。基于AFM 的定量化纳米力学测试方法主要有力—距离曲线测试、扫描探针声学显微术和基于轻敲模式的动态多频技术。

量子效应决定物理系统内个别原子间的相互作用力。在纳米力学中用一些原子间势能的平均数学模型引入量子效应。在经典多体动力学内加入原子间势能提供了纳米结构和原子尺寸决定性的力学模型。数据方法求解这些模型称为分子动力学（MD），有时称为分子力学。非决定性数字近似包括蒙特卡罗，动力蒙卡罗和其它方法。现代的数字工具也包括交叉通用近似，允许同时和连续利用原子尺寸的模型。发展这些复杂的模型是另一应用力学的研究课题。纳米力学测试的结果对于预测纳米材料在实际应用中的表现具有重要参考价值。

本文中主要对当今几种主要材料纳观力学与纳米材料力学特性测试方法:纳米硬度技术、纳米云纹技术、扫描力显微镜技术等进行概述。纳米硬度技术。随着现代材料表面工程、微电子、集成微光机电 系统、生物和医学材料的发展试样本身或表面改性层厚度越来越小。传统的硬度测量已无法满足新材料研究的需要，于是纳米硬度技术应运而生。纳米硬度计是纳米硬度测量的主要仪器，它是一种检测材料微小体积内力学性能的测试仪器，包括压痕硬度和划痕硬度两种工作模式。由于压痕或划痕深度一般控制在微米甚至纳米尺度，因此该类仪器已成为电子薄膜、涂层、材料表面及其改性的力学性能检测的理想手段。它不需要将表层从基体上剥离，便可直接给出材料表层力学性质的空间分布。测试设置需精确控制实验条件，以消除外部干扰，确保实验结果的准确性。福建纺织纳米力学测试系统

纳米力学测试还可以评估材料在高温、低温等极端环境下的性能表现。材料科学纳米力学测试技术

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。材料科学纳米力学测试技术

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