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。河北空心纳米力学测试

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。江苏纳米力学测试系统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。

纳米力学从研究的手段上可分为纳观计算力学和纳米实验力学。纳米计算力学包括量子力学计算方法、分子动力学计算和跨层次计算等不同类型的数值模拟方法。纳米实验力学则有两层含义:一是以纳米层次的分辨率来测量力学场,即所谓的材料纳观实验力学;二是对特征尺度为1-100nm之间的微细结构进行的实验力学研究,即所谓的纳米材料实验力学。纳米实验力学研究有两种途径:一是对常规的硬度测试技术、云纹法等宏观力学测试技术进行改造,使它们能适应纳米力学测量的需要;另一类是创造如原子力显微镜、摩擦力显微镜等新的纳米力学测量技术建立新原理、新方法。
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。通过纳米力学测试,我们可以评估纳米材料在极端环境下的稳定性和耐久性。

纳米压痕试验举例,试验材料取单晶铝,试验在美国 MTS 公司生产的 Nano Indenter XP 型纳米硬度仪以及美国 Digital Instruments 公司生产的原子力显微镜 (AFM) 上进行。首先将试样放到纳米硬度仪上进行压痕试验,根据设置的较大载荷或者压痕深度的不同,试验时间从数十分钟到若干小时不等,中间过程不需人工干预。试验结束后,纳米压痕仪自动计算出试样的纳米硬度值和相关重要性能指标。本试验中对单晶铝(110) 面进行检测,设置压痕深度为1.5 μ m,共测量三点,较终结果取三点的平均值。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。江苏纳米力学测试系统
纳米力学测试可以帮助解决材料在实际使用过程中遇到的损伤和磨损问题。河北空心纳米力学测试
特点:能同时实现SEM/FIB高分辨成像和纳米力学性能测试,力学测量范围0.5nN-200mN(9个数量级),位移测量范围0.05nm-21mm(9个数量级),五轴(X,Y,Z,旋转,倾斜)闭环控制保证样品和微力传感探针的精确对准,能在SEM/FIB较佳工作距离下实现高分辨成像(可达4mm)以及FIB切割和沉积,五轴(X,Y,Z,旋转,倾斜)位移记录器实现样品台上多样品的自动测试和扫描,导电的微力传感探针可有效减少荷电效应,能够通过力和位移两种控制模式实现各种力学测试,例如拉伸、压缩、弯曲、剪切、循环和断裂测试等,电性能测试模块能够实现力学和电学性能同步测试(样品座配备6个电极)导电的微力传感探针可有效减少荷电效应,实现力学性能测试与其他SEM/FIB原位分析手段联用,如EDX、EBSD、离子束沉积和切割,兼容于SEM本身的样品台,安装和卸载快捷方便。河北空心纳米力学测试