福建国产纳米力学测试方法

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。利用纳米力学测试，可以对纳米材料的弹性形变和塑性形变进行精细分析。福建国产纳米力学测试方法

纳米压痕技术，纳米压痕技术是一种直接测量材料硬度和弹性模量的方法。该方法通过在纳米尺度下施加一个小的压痕负荷，通过测量压痕的深度和形状来推算材料的力学性质。纳米压痕技术一般使用压痕仪进行测试。在进行纳米压痕测试时，样品通常需要进行前处理，例如制备平整的表面或进行退火处理。测试过程中，将顶端负载在材料表面上，并控制负载的大小和施加时间。然后，通过测量压痕的深度和直径来计算材料的硬度和弹性模量。纳米压痕技术普遍应用于纳米硬度测试、薄膜力学性质研究等领域。海南高精度纳米力学测试方法在纳米力学测试中，常用的仪器包括原子力显微镜、纳米硬度仪等设备。

研究液相环境下的流体载荷对探针振动产生的影响可以将AFAM 定量化测试应用范围扩展至液相环境。液相环境下增加的流体质量载荷和流体阻尼使探针振动的共振频率和品质因子都较大程度上减小。Parlak 等采用简单的解析模型考虑流体质量载荷和流体阻尼效应，可以在液相环境下从探针的接触共振频率导出针尖样品的接触刚度值。Tung 等通过严格的理论推导，提出通过重构流体动力学函数的方法，将流体惯性载荷效应进行分离。此方法不需要预先知道探针的几何尺寸及材料特性，也不需要了解周围流体的力学性能。

原位纳米力学测试系统(nanoindentation，instrumented-indentation testing，depth-sensing indentation，continuous-recording indentation，ultra low load indentation)是一类先进的材料表面力学性能测试仪器。该类仪器装有高分辨率的致动器和传感器，可以控制和监测压头在材料中的压入和退出，能提供高分辨率连续载荷和位移的测量。包括压痕硬度和划痕硬度两种工作模式，主要应用于测试各种薄膜（包括厚度小于100纳米的超薄膜、多层复合膜、抗磨损膜、润滑膜、高分子聚合物膜、生物膜等）、多相复合材料的基体本构和界面、金属阵列复合材料、类金刚石碳涂层（DLC）、半导体材料、MEMS、生物医学样品（包括骨、牙齿、血管等）和生物材料、等在nano水平上的力学特性，还可以进行纳米机械加工。通过探针压痕或划痕来获得材料微区的硬度、弹性模量、摩擦系数、磨损率、断裂刚度、失效、蠕变、应力释放、分层、粘附力（结合力）、存储模量、损失模量等力学数据。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。

国内的江西省科学院、清华大学、南昌大学等采用扫描探针显微镜系列，如扫描隧道显微镜、原子力显微镜等，对高精度纳米和亚纳米量级的光学超光滑表面的粗糙度和微轮廓进行测量研究。天津大学刘安伟等在量子隧道效应的基础上，建立了适用于平坦表面的扫描隧道显微镜微轮廓测量的数学模型，仿真结果较好地反映了扫描隧道显微镜对样品表面轮廓的测量过程。清华大学李达成等研制成功在线测量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉仪，该仪器以稳频半导体激光器作为光源，共光路设计提高了抗外界环境干扰的能力，其纵向和横向分辨率分别为0．39nm和0．73μm。李岩等提出了一种基于频率分裂激光器光强差法的纳米测量原理。纳米力学测试在材料设计和产品开发中发挥着重要作用，能够提供关键的力学性能参数。黑龙江化工纳米力学测试

碳纳米管、石墨烯等纳米材料，因独特力学性能，备受关注。福建国产纳米力学测试方法

目前纳米压痕在科研界和工业界都得到了普遍的应用，但是它仍然存在一些难以克服的缺点，比如纳米压痕实际上是对材料有损的测试，尤其是对于薄膜来说；其压针的曲率半径一般在50 nm 以上，由于分辨率的限制，不能对更小尺度的纳米结构进行测试；纳米压痕的扫描功能不强，扫描速度相对较慢，无法捕捉材料在外场作用下动态性能的变化。基于AFM 的纳米力学测试方法是另一类被普遍应用的测试方法。1986 年，Binnig 等发明了头一台原子力显微镜(AFM)。AFM 克服了之前扫描隧道显微镜(STM) 只能对导电样品或半导体样品进行成像的限制，可以实现对绝缘体材料表面原子尺度的成像，具有更普遍的应用范围。AFM 利用探针作为传感器对样品表面进行测试，不只可以获得样品表面的形貌信息，还可以实现对材料微区物理、化学、力学等性质的定量化测试。目前，AFM 普遍应用于物理学、化学、材料学、生物医学、微电子等众多领域。福建国产纳米力学测试方法