深圳材料科学纳米力学测试原理

纳米压痕技术也称深度敏感压痕技术（Depth-Sensing Indentation， DSI)，是较简单的测试材料力学性质的方法之一，可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质，如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等。纳米压痕理论，纳米压痕试验中典型的载荷-位移曲线。在加载过程中试样表面首先发生的是弹性变形，随着载荷进一步提高，塑性变形开始出现并逐步增大；卸载过程主要是弹性变形恢复的过程，而塑性变形较终使得样品表面形成了压痕。图中Pmax 为较大载荷，hmax 为较大位移，hf为卸载后的位移，S为卸载曲线初期的斜率。纳米硬度的计算仍采用传统的硬度公式H =P/A。式中，H 为硬度 (GPa)；P 为较大载荷 ( μ N)，即上文中的 P max ；A 为压痕面积的投影(nm2 )。 纳米力学测试技术的发展离不开多学科交叉融合和创新研究团队的共同努力。深圳材料科学纳米力学测试原理

原位纳米片取样和力学测试技术，原位纳米片取样和力学测试技术是一种新兴的纳米尺度力学测试方法，其基本原理是利用优化的离子束打造方法，在含有待测塑料表面的纳米区域内制备出超薄的平面固体材料，再对其进行拉伸、扭曲等力学测试。相比于传统的拉伸试验等方法，原位纳米片取样技术具有更优的尺寸控制和纳米量级精度，可以为纳米尺度力学测试提供更加准确的数据。总之，原位纳米力学测量技术的研究及应用是未来纳米材料科学发展的重要方向之一，将为纳米材料的设计、开发以及工业应用等领域的发展做出积极贡献。广州化工纳米力学测试厂家碳纳米管、石墨烯等纳米材料，因独特力学性能，备受关注。

AFAM 的基本原理是利用探针与样品的接触振动来对材料纳米尺度的弹性性能进行成像或测量。AFAM 于20 世纪90 年代中期由德国萨尔布吕肯无损检测研究所的Rabe 博士(女) 首先提出，较初为单点测量模式。2000 年前后，她们采用逐点扫频的方式实现了模量成像功能，但是成像的速度很慢，一幅128×128 像素的图像需要大约30min，导致图像的热漂移比较严重。2005 年，美国国家标准局的Hurley 博士(女) 采用DSP 电路控制扫频和探针的移动，将成像速度提高了4~5倍(一幅256×256 像素的图像需要大约25min)。

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。通过纳米力学测试，我们可以深入了解纳米材料在受到外力作用时的变形和破坏机制。

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。纳米力学测试可应用于纳米材料、生物材料、涂层等领域的研究和开发。重庆工业纳米力学测试原理

随着纳米技术的不断发展，纳米力学测试技术也在不断更新换代，以适应更高精度的测试需求。深圳材料科学纳米力学测试原理

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。深圳材料科学纳米力学测试原理