广州核工业纳米力学测试技术

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。纳米力学测试可以应用于纳米材料的研究和开发，以及纳米器件的设计和制造。广州核工业纳米力学测试技术

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。重庆科研院纳米力学测试实验室发展高精度、高稳定性纳米力学测试设备，是当前科研工作的重要任务。

与传统硬度计算不同的是，A 值不是由压痕照片得到，而是根据 “接触深度” hc(nm) 计算得到的。具体关系式需通过试验来确定，根据压头形状的不同，一般采用多项式拟合的方法，比如针对三角锥形压头，其拟合结果为：A = 24.5 + 793hc + 4238+ 332+ 0.059+0.069+ 8.68+ 35.4+ 36. 9式中 “接触深度”hc由下式计算得出：hc = h - ε P max/S，式中，ε是与压头形状有关的常数，对于球形或三角锥形压头可以取ε = 0.75。而S的值可以通过对载荷-位移曲线的卸载部分进行拟合，再对拟合函数求导得出，即，式中Q 为拟合函数。这样通过试验得到载荷-位移曲线，测量和计算试验过程中的载荷 P、压痕深度h和卸载曲线初期的斜率S，就可以得到样品的硬度值。该技术通过记录连续的载荷-位移、加卸载曲线，可以获得材料的硬度、弹性模量、屈服应力等指标，它克服了传统压痕测量只适用于较大尺寸试样以及只能获得材料的塑性性质等缺陷，同时也提高了硬度的检测精度，使得边加载边测量成为可能，为检测过程的自动化和数字化创造了条件。

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。纳米力学测试可以解决纳米材料在高温、低温和高压等极端环境下的力学问题，提高纳米材料的稳定性和可靠性。

用透射电镜可评估微纳米粒子的平均直径或粒径分布。该方法是一种颗粒度观察测定的一定方法,因而具有可靠性和直观性,在微纳米材料表征中普遍采用。原子力显微镜的英文名为缩写为AFM。AFM具有着自己独特的优势。AFM对于样品的要求较低，AFM的应用范围也较为宽广。在进行纳米材料研究中，AFM能够分析纳米材料的表面形貌，AFM 可以同其他设备如相结合进行微纳米粒子的研究。实验需要进行观察、测量、记录、分析等多项步骤，电子显微技术的作用可以贯穿整个实验过程，所以电子显微镜的重要性不言而喻。纳米力学测试可以用于评估纳米材料的热力学性能，为纳米材料的应用提供参考依据。江西空心纳米力学测试仪

纳米力学测试对于材料科学研究至关重要，能够精确测量纳米尺度下的力学性质。广州核工业纳米力学测试技术

摘要 随着科学技术的发展进步，材料的研发和生产应用进入了微纳米尺度，微纳米材料凭借其出色的性能被人们普遍应用于科研和生产生活的各方各面。与此同时，人们正深入研究探索微纳米尺度的材料力学性能参数测量技术方法，以满足微纳米材料的飞速发展和应用需求。微纳米力学测量技术的应用背景，随着材料的研发生产和应用进入微纳米尺度,以往的通过宏观的力学测量手段已不适用于测量微纳米薄膜和器件的力学性能参数的测量。近年来，微纳米压入和划痕等力学测量手段随着微纳米材料的发展和应用，在半导体薄膜和器件、功能薄膜、新能源材料、生物材料等领域应用愈发普遍，因此亟待建立基于微纳米尺度的材料力学性能参数测量的技术体系。广州核工业纳米力学测试技术

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