湖南微電子納米力學(xué)測試實驗室

納米壓痕儀簡介，近年來，國內(nèi)外研究人員以納米壓痕技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出多種納米壓痕儀，并實現(xiàn)了商品化，為材料的納米力學(xué)性能檢測提供了高效、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試，測試結(jié)果通過力與壓入深度的曲線計算得出，無需通過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)、 移動線圈系統(tǒng)、加載系統(tǒng)及壓頭等幾個部分。壓頭一般使用金剛石壓頭，分為三角錐或四棱錐等類型。試驗時，首先輸入初始參數(shù)，之后的檢測過程則完全由微機自動控制，通過改變移動線圈系統(tǒng)中的電流，可以操縱加載系統(tǒng)和壓頭的動作，壓頭壓入載荷的測量和控制通過應(yīng)變儀來完成，同時應(yīng)變儀還將信號反饋到移動線圈系統(tǒng)以實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而按照輸入?yún)?shù)的設(shè)置完成試驗。摩擦學(xué)測試在納米力學(xué)領(lǐng)域具有重要地位，為減少能源損耗提供解決方案。湖南微電子納米力學(xué)測試實驗室

借助原子力顯微鏡(AFM)的納米力學(xué)測試法，利用原子力顯微鏡探針的納米操縱能力對一維納米材料施加彎曲或拉伸載荷。施加彎曲載荷時，原子力顯微鏡探針作用在一維納米懸臂梁結(jié)構(gòu)高自山端國雙固支結(jié)構(gòu)的中心位置,彎曲撓度和載荷通過原子力顯微鏡探針懸曾梁的位移和懸臂梁的剛度獲取，依據(jù)連續(xù)力學(xué)理論，由試樣的載荷一撓度曲線獲得其彈性模量、強度和韌性等力學(xué)性能參數(shù)。這種方法加載機理簡單,相對拉伸法容易操作，缺點是原子力顯微鏡探針的尺寸與被測納米試樣相比較大,撓度較大時探針的滑動以及試樣中心位置的對準(zhǔn)精度嚴(yán)重影響測試精度3、借助微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的片上納米力學(xué)測試法基于 MEMS 的片上納米力學(xué)測試法采用 MEMS 微加工工藝將微驅(qū)動單元、微傳感單元或試樣集成在同一芯片上，通過微驅(qū)動單元對試樣施加載荷，微位移與微力檢測單元檢測試樣變形與加載力，進面獲取試樣的力學(xué)性能。湖北化工納米力學(xué)測試原理納米力學(xué)測試旨在探究微觀尺度下材料的力學(xué)性能，為科研和工業(yè)領(lǐng)域提供有力支持。

納米壓痕獲得的材料信息也比較豐富，既可以通過靜態(tài)力學(xué)性能測試獲得材料的硬度、彈性模量、斷裂韌性、相變(疇變) 等信息，也可以通過動態(tài)力學(xué)性能測試獲得被測樣品的存儲模量、損耗模量或損耗因子等。另外，動態(tài)納米壓痕技術(shù)還可以實現(xiàn)對材料微納米尺度存儲模量和損耗模量的模量成像(modulus mapping)。圖1 是美國Hysitron 公司生產(chǎn)的TI-900 Triboindenter 納米壓痕儀的實物圖。納米壓痕作為一種較通用的微納米力學(xué)測試方法，目前仍然有不少研究者致力于對其方法本身的改進和發(fā)展。

一般力學(xué)原理包括：。能量和動量守恒原理；。哈密頓變分原理；。對稱原理。由于研究的物體小，納米力學(xué)也要考慮：。當(dāng)物體尺寸和原子距離可比時，物體的離散性；。物體內(nèi)自由度的多樣性和有限性。。熱脹落的重要性；。熵效應(yīng)的重要性；。量子效應(yīng)的重要性。這些原理可提供對納米物體新異性質(zhì)深入了解。新異性質(zhì)是指這種性質(zhì)在類似的宏觀物體沒有或者很不相同。特別是，當(dāng)物體變小，會出現(xiàn)各種表面效應(yīng)，它由納米結(jié)構(gòu)較高的表面與體積比所決定。這些效應(yīng)影晌納米結(jié)構(gòu)的機械能和熱學(xué)性質(zhì)（熔點，熱容等）例如，由于離散性，固體內(nèi)機械波要分散，在小區(qū)域內(nèi)，彈性力學(xué)的解有特別的行為。自由度大引起熱脹落是納米顆粒通過潛在勢壘產(chǎn)生熱隧道及液體和固體交錯擴散的理由。小和熱漲落提供了納米顆粒布朗運動的基本理由。在納米范圍增加了熱漲落重要性和結(jié)構(gòu)熵，使納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超彈性，熵彈性（熵力）和其它新彈性。開放納米系統(tǒng)的自組織和合作行為中，結(jié)構(gòu)熵也令人產(chǎn)生很大興趣。測試內(nèi)容豐富多樣，包括硬度、彈性模量、摩擦系數(shù)等，助力材料研究。

納米壓痕試驗舉例，試驗材料取單晶鋁，試驗在美國 MTS 公司生產(chǎn)的 Nano Indenter XP 型納米硬度儀以及美國 Digital Instruments 公司生產(chǎn)的原子力顯微鏡 (AFM) 上進行。首先將試樣放到納米硬度儀上進行壓痕試驗，根據(jù)設(shè)置的較大載荷或者壓痕深度的不同，試驗時間從數(shù)十分鐘到若干小時不等，中間過程不需人工干預(yù)。試驗結(jié)束后，納米壓痕儀自動計算出試樣的納米硬度值和相關(guān)重要性能指標(biāo)。本試驗中對單晶鋁(110) 面進行檢測，設(shè)置壓痕深度為1.5 μ m，共測量三點，較終結(jié)果取三點的平均值。納米力學(xué)測試在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，助力研究細(xì)胞力學(xué)行為，揭示疾病發(fā)生機制。湖北化工納米力學(xué)測試原理

納米力學(xué)測試的結(jié)果對于預(yù)測納米材料在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)具有重要參考價值。湖南微電子納米力學(xué)測試實驗室

原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)(nanoindentation，instrumented-indentation testing，depth-sensing indentation，continuous-recording indentation，ultra low load indentation)是一類先進的材料表面力學(xué)性能測試儀器。該類儀器裝有高分辨率的致動器和傳感器，可以控制和監(jiān)測壓頭在材料中的壓入和退出，能提供高分辨率連續(xù)載荷和位移的測量。包括壓痕硬度和劃痕硬度兩種工作模式，主要應(yīng)用于測試各種薄膜（包括厚度小于100納米的超薄膜、多層復(fù)合膜、抗磨損膜、潤滑膜、高分子聚合物膜、生物膜等）、多相復(fù)合材料的基體本構(gòu)和界面、金屬陣列復(fù)合材料、類金剛石碳涂層（DLC）、半導(dǎo)體材料、MEMS、生物醫(yī)學(xué)樣品（包括骨、牙齒、血管等）和生物材料、等在nano水平上的力學(xué)特性，還可以進行納米機械加工。通過探針壓痕或劃痕來獲得材料微區(qū)的硬度、彈性模量、摩擦系數(shù)、磨損率、斷裂剛度、失效、蠕變、應(yīng)力釋放、分層、粘附力（結(jié)合力）、存儲模量、損失模量等力學(xué)數(shù)據(jù)。湖南微電子納米力學(xué)測試實驗室