随着纳米技术的迅速发展,对薄膜、纳米材料的力学性质的测量成为了一个重要的课题,然而由于尺寸的限制,传统的拉伸试验等力学测试方法很难在纳米尺度下得到准确的结果。而原位纳米力学测量技术的出现,为解决纳米尺度下材料力学性质的测试问题提供了新的思路和手段。原位纳米压痕技术,原位纳米压痕技术是一种应用比较普遍的力学测试方法,其基本原理是用尖头压在待测材料表面,通过测量压头的形变等参数来推算出待测材料的力学性质。由于其具有样品尺寸、压头设计等方面的优点,原位纳米压痕技术已经被普遍应用于纳米材料力学测试领域。跨学科合作,推动纳米力学测试技术不断创新,满足多领域需求。湖北国产纳米力学测试定制

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。广东材料科学纳米力学测试方法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。

纳米压痕技术通过测量压针的压入深度,根据特定形状压针压入深度与接触面积的关系推算出压针与被测样品之间的接触面积。因此,纳米压痕也被称为深度识别压痕(depth-sensing indentation,DSI) 技术。纳米压痕技术的应用范围非常普遍,可以用于金属、陶瓷、聚合物、生物材料、薄膜等绝大多数样品的测试。纳米压痕相关仪器的操作和使用也非常方便,加载过程既可以通过载荷控制,也可以通过位移控制,并且只需测量压针压入样品过程中的载荷位移曲线,结合恰当的力学模型就可以获得样品的力学信息。
微纳米材料研究中用到的一些现代测试技术:电子显微法,电子显微技术是以电子显微镜为研究手段来分析材料的一种技术。电子显微镜拥有高于光学显微镜的分辨率,可以放大几十倍到几十万倍的范围,在实验研究中具有不可替代的意义,推动了众多领域研究的进程。电子显微技术的光源为电子束,通过磁场聚焦成像或者静电场的分析技术才达成高分辨率的效果、利用电子显微镜可以得到聚焦清晰的图像, 有利于研究人员对于实验结果进行观察分析。纳米力学测试可以帮助研究人员了解纳米材料的力学性能与结构之间的关系,为纳米材料的设计和优化提供指导。

采用磁力显微镜观察Sm2Co17基永磁材料表面的波纹磁畴和条状磁畴结构;使用摩擦力显微镜对计算机磁盘表面的摩擦特性进行试:利用静电力显微镜测量技术,依靠轻敲模式(Tapping mode)和抬举模式(Lift mode),用相位成像测量有机高分子膜-壳聚糖膜(CHI)的表面电荷密度空间分布等等除此之外,近年来,SPM还用于测量化学键、纳米碳管的强度,以及纳米碳管操纵力方面的测量。利用透射电子显微镜和原子力显微镜原位加载,观测单一纳米粒子链的力学属性和纳观断裂,采用扫描电镜、原子力显微镜对纳米碳管的拉伸过程及拉伸强度进行测等:基于原子力显微镜提出一种纳米级操纵力的同步测量方法,进而应用该方法,成功测量出操纵、切割碳纳米管的侧向力信息等。这些SFM技术为研究纳米粒子/分子、基体与操纵工具之间的相互作用提供较直接的原始力学信息和实验结果。在进行纳米力学测试时,需要特别注意样品的制备和处理过程,以避免引入误差。广东材料科学纳米力学测试方法
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。湖北国产纳米力学测试定制
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。湖北国产纳米力学测试定制