湖北材料科学纳米力学测试应用

纳米科学与技术是近二十年来发展起来的一门前沿和交叉学科，纳米力学作为其中的一个分支，对其他分支学科如纳米材料学、物理学、生物医学等都有着重要的支撑作用。下面简要介绍一下目前应用较普遍的两类微纳米力学测试方法：纳米压痕方法和基于原子力显微镜的纳米力学测试方法。纳米压痕是20 世纪90 年代初期快速发展起来的一种微纳米力学测试方法，是研究微纳米尺度材料力学性能的重要方法之一，在科研和工业领域都有着普遍的应用。纳米压痕的压入深度在一般在纳米量级，远小于传统压痕的微米或毫米量级。限于光学显微镜的分辨率，无法直接对纳米压痕的尺寸进行精确测量。在进行纳米力学测试时，需要选择合适的测试方法和参数，以确保测试结果的准确性和可靠性。湖北材料科学纳米力学测试应用

应用举例：纳米纤维拉伸测试，纳米力学测试单轴拉伸测试是纳米纤维定量力学分析较常见的方法。用Pt-EBID将纳米纤维两端分别固定在FT-S微力传感探针和样品架上，拉伸直至断裂。从应力-应变曲线计算得到混合纳米纤维的平均屈服/极限拉伸强度为375MPa/706Mpa，金纳米纤维的平均屈服/极限拉伸强度为451MPa/741Mpa。对单根纳米纤维进行各种机械性能的定量测试需要通用性极高的仪器。这类设备必须能进行纳米机器人制样和力学测试。并且由于纳米纤维轴向形变（延长）小，高位移分辨率和优异的位置稳定性（位置漂移小）对于精确一定测量是至关重要的。电线电缆纳米力学测试技术纳米力学测试可以揭示纳米材料在受力过程中的微观结构变化和能量耗散机制。

纳米硬度计主要由移动线圈、加载单元、金刚石压头和控制单元4部分组成。压头及其所在轴的运动由移动线圈控制，改变线圈电流的大小即可实现压头的轴向位移，带动压头垂直压向试件表面，在试件表面产生压力。移动线圈设计的关键在于既要满足较大量程的需要，还必须有很高的分辨率，以实现纳米级的位移和精确测量。压头载荷的测量和控制是通过应变仪来实现的。应变仪发出的信号再反馈到移动线圈上．如此可进行闭环控制，以实现限定载荷和压深痕实验。整个压入过程完全由微机自动控制进行。可在线测量位移与相应的载荷，并建立两者之间的关系压头大多为金刚石压头，常用的压头有Berkovich压头、Cube Corner压头和Conical压头。

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。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。

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 )。 纳米力学测试的前沿研究方向包括多功能材料力学、纳米结构动力学等领域。重庆原位纳米力学测试定制

纳米力学测试可以解决纳米材料在制备和应用过程中的力学问题，提高纳米材料的性能和稳定性。湖北材料科学纳米力学测试应用

AFAM 方法提出之后，不少研究者对方法的准确度和灵敏度方面进行了研究。Hurley 等分析了空气湿度对AFAM 定量化测量结果的影响。Rabe 等分析了探针基片对AFAM 定量化测量的影响。Hurley 等详细对比了AFAM 单点测试与纳米压痕以及声表面波谱方法的测试原理、空间分辨率、适用性及测试优缺点等。Stan 等提出一种双参考材料的方法，此方法不需要了解针尖的力学性能，可以在一定程度上提高测试的准确度。他们还提出了一种基于多峰接触的接触力学模型，在一定程度上可以提高测试的准确度。Turner 等通过严格的理论推导研究了探针不同阶弯曲振动和扭转振动模态的灵敏度问题。Muraoka提出一种在探针微悬臂末端附加集中质量的方法，以提高测试灵敏度。Rupp 等对AFAM测试过程中针尖样品之间的非线性相互作用进行了研究。湖北材料科学纳米力学测试应用