隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，納米尺度材料的研究變得越來(lái)越重要。納米尺度材料具有獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)，與傳統(tǒng)材料相比有著許多不同之處。為了深入了解和研究納米尺度材料的力學(xué)性質(zhì)，科學(xué)家們不斷開(kāi)發(fā)出各種先進(jìn)的測(cè)試方法。在本文中，我將分享一些納米尺度下常用的材料力學(xué)性質(zhì)測(cè)試方法，研究人員可以根據(jù)具體需求選擇適合的方法來(lái)進(jìn)行材料力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試與研究。納米尺度下力學(xué)性質(zhì)的研究對(duì)于深入了解材料的力學(xué)行為、提高材料性能以及開(kāi)發(fā)新材料具有重要意義。希望本文所分享的方法能夠?qū)ο嚓P(guān)研究和應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)和幫助。納米力學(xué)測(cè)試可以幫助研究人員了解納米材料的力學(xué)行為，從而指導(dǎo)納米材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。廣州高精度納米力學(xué)測(cè)試儀
目前納米壓痕在科研界和工業(yè)界都得到了普遍的應(yīng)用，但是它仍然存在一些難以克服的缺點(diǎn)，比如納米壓痕實(shí)際上是對(duì)材料有損的測(cè)試，尤其是對(duì)于薄膜來(lái)說(shuō)；其壓針的曲率半徑一般在50 nm 以上，由于分辨率的限制，不能對(duì)更小尺度的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試；納米壓痕的掃描功能不強(qiáng)，掃描速度相對(duì)較慢，無(wú)法捕捉材料在外場(chǎng)作用下動(dòng)態(tài)性能的變化?；贏FM 的納米力學(xué)測(cè)試方法是另一類(lèi)被普遍應(yīng)用的測(cè)試方法。1986 年，Binnig 等發(fā)明了頭一臺(tái)原子力顯微鏡(AFM)。AFM 克服了之前掃描隧道顯微鏡(STM) 只能對(duì)導(dǎo)電樣品或半導(dǎo)體樣品進(jìn)行成像的限制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣體材料表面原子尺度的成像，具有更普遍的應(yīng)用范圍。AFM 利用探針作為傳感器對(duì)樣品表面進(jìn)行測(cè)試，不只可以獲得樣品表面的形貌信息，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微區(qū)物理、化學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)的定量化測(cè)試。目前，AFM 普遍應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、微電子等眾多領(lǐng)域。山東高校納米力學(xué)測(cè)試納米力學(xué)測(cè)試還可以評(píng)估材料在高溫、低溫等極端環(huán)境下的性能表現(xiàn)。
納米壓痕儀簡(jiǎn)介，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員以納米壓痕技術(shù)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出多種納米壓痕儀，并實(shí)現(xiàn)了商品化，為材料的納米力學(xué)性能檢測(cè)提供了高效、便捷的手段。圖片納米壓痕儀主要用于微納米尺度薄膜材料的硬度與楊氏模量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過(guò)力與壓入深度的曲線計(jì)算得出，無(wú)需通過(guò)顯微鏡觀察壓痕面積。納米壓痕儀的基本組成可以分為控制系統(tǒng)、 移動(dòng)線圈系統(tǒng)、加載系統(tǒng)及壓頭等幾個(gè)部分。壓頭一般使用金剛石壓頭，分為三角錐或四棱錐等類(lèi)型。試驗(yàn)時(shí)，首先輸入初始參數(shù)，之后的檢測(cè)過(guò)程則完全由微機(jī)自動(dòng)控制，通過(guò)改變移動(dòng)線圈系統(tǒng)中的電流，可以操縱加載系統(tǒng)和壓頭的動(dòng)作，壓頭壓入載荷的測(cè)量和控制通過(guò)應(yīng)變儀來(lái)完成，同時(shí)應(yīng)變儀還將信號(hào)反饋到移動(dòng)線圈系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而按照輸入?yún)?shù)的設(shè)置完成試驗(yàn)。
借助電子顯微鏡(EM)的原位納米力學(xué)測(cè)試法，利用掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡(TEM)的高分辨率成像，在EM 真空腔內(nèi)進(jìn)行原位納米力學(xué)測(cè)試，根據(jù)納米試樣在EM真空腔中加載方式不同分為諧振法和拉伸法。原位測(cè)試法的較大優(yōu)點(diǎn)是能夠在 SEM 中實(shí)時(shí)觀測(cè)試樣的失效引發(fā)過(guò)程，甚至能夠用 TEM 對(duì)缺陷成核和擴(kuò)展情況進(jìn)行原子級(jí)分辨率的實(shí)時(shí)觀測(cè);缺點(diǎn)是需在 EM 真空腔內(nèi)對(duì)納米試樣施加載荷，限制了其加載環(huán)境，并且加載力的檢測(cè)還需其他裝置才能完成。納米力學(xué)測(cè)試的前沿研究方向包括多功能材料力學(xué)、納米結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域。
國(guó)內(nèi)的江西省科學(xué)院、清華大學(xué)、南昌大學(xué)等采用掃描探針顯微鏡系列，如掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等，對(duì)高精度納米和亞納米量級(jí)的光學(xué)超光滑表面的粗糙度和微輪廓進(jìn)行測(cè)量研究。天津大學(xué)劉安偉等在量子隧道效應(yīng)的基礎(chǔ)上，建立了適用于平坦表面的掃描隧道顯微鏡微輪廓測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果較好地反映了掃描隧道顯微鏡對(duì)樣品表面輪廓的測(cè)量過(guò)程。清華大學(xué)李達(dá)成等研制成功在線測(cè)量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉儀，該儀器以穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器作為光源，共光路設(shè)計(jì)提高了抗外界環(huán)境干擾的能力，其縱向和橫向分辨率分別為0．39nm和0．73μm。李巖等提出了一種基于頻率分裂激光器光強(qiáng)差法的納米測(cè)量原理。納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展為納米材料在能源、環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更多可能性。山東高校納米力學(xué)測(cè)試
在納米尺度上，材料的力學(xué)性質(zhì)往往與其宏觀尺度下的性質(zhì)有明顯不同，因此納米力學(xué)測(cè)試具有重要意義。廣州高精度納米力學(xué)測(cè)試儀
與傳統(tǒng)硬度計(jì)算不同的是，A 值不是由壓痕照片得到，而是根據(jù) “接觸深度” hc(nm) 計(jì)算得到的。具體關(guān)系式需通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定，根據(jù)壓頭形狀的不同，一般采用多項(xiàng)式擬合的方法，比如針對(duì)三角錐形壓頭，其擬合結(jié)果為：A = 24.5 + 793hc + 4238+ 332+ 0.059+0.069+ 8.68+ 35.4+ 36. 9式中 “接觸深度”hc由下式計(jì)算得出：hc = h - ε P max/S，式中，ε是與壓頭形狀有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于球形或三角錐形壓頭可以取ε = 0.75。而S的值可以通過(guò)對(duì)載荷-位移曲線的卸載部分進(jìn)行擬合，再對(duì)擬合函數(shù)求導(dǎo)得出，即，式中Q 為擬合函數(shù)。這樣通過(guò)試驗(yàn)得到載荷-位移曲線，測(cè)量和計(jì)算試驗(yàn)過(guò)程中的載荷 P、壓痕深度h和卸載曲線初期的斜率S，就可以得到樣品的硬度值。該技術(shù)通過(guò)記錄連續(xù)的載荷-位移、加卸載曲線，可以獲得材料的硬度、彈性模量、屈服應(yīng)力等指標(biāo)，它克服了傳統(tǒng)壓痕測(cè)量只適用于較大尺寸試樣以及只能獲得材料的塑性性質(zhì)等缺陷，同時(shí)也提高了硬度的檢測(cè)精度，使得邊加載邊測(cè)量成為可能，為檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化和數(shù)字化創(chuàng)造了條件。廣州高精度納米力學(xué)測(cè)試儀
