深圳高校納米力學(xué)測試技術(shù)

與傳統(tǒng)硬度計算不同的是，A 值不是由壓痕照片得到，而是根據(jù) “接觸深度” hc(nm) 計算得到的。具體關(guān)系式需通過試驗來確定，根據(jù)壓頭形狀的不同，一般采用多項式擬合的方法，比如針對三角錐形壓頭，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)，對于球形或三角錐形壓頭可以取ε = 0.75。而S的值可以通過對載荷-位移曲線的卸載部分進行擬合，再對擬合函數(shù)求導(dǎo)得出，即，式中Q 為擬合函數(shù)。這樣通過試驗得到載荷-位移曲線，測量和計算試驗過程中的載荷 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，它克服了傳統(tǒng)壓痕測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，同時也提高了硬度的檢測精度，使得邊加載邊測量成為可能，為檢測過程的自動化和數(shù)字化創(chuàng)造了條件。納米力學(xué)測試可以應(yīng)用于納米材料的力學(xué)模擬和仿真，加速納米材料的研發(fā)和應(yīng)用過程。深圳高校納米力學(xué)測試技術(shù)

摘要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進步，材料的研發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用進入了微納米尺度，微納米材料憑借其出色的性能被人們普遍應(yīng)用于科研和生產(chǎn)生活的各方各面。與此同時，人們正深入研究探索微納米尺度的材料力學(xué)性能參數(shù)測量技術(shù)方法，以滿足微納米材料的飛速發(fā)展和應(yīng)用需求。微納米力學(xué)測量技術(shù)的應(yīng)用背景，隨著材料的研發(fā)生產(chǎn)和應(yīng)用進入微納米尺度,以往的通過宏觀的力學(xué)測量手段已不適用于測量微納米薄膜和器件的力學(xué)性能參數(shù)的測量。近年來，微納米壓入和劃痕等力學(xué)測量手段隨著微納米材料的發(fā)展和應(yīng)用，在半導(dǎo)體薄膜和器件、功能薄膜、新能源材料、生物材料等領(lǐng)域應(yīng)用愈發(fā)普遍，因此亟待建立基于微納米尺度的材料力學(xué)性能參數(shù)測量的技術(shù)體系?？招募{米力學(xué)測試納米力學(xué)測試在納米器件的設(shè)計和制造中具有重要作用。

原位納米機械性能試驗技術(shù)，原位納米機械性能試驗技術(shù)是一種應(yīng)用超分辨顯微學(xué)、納米壓痕技術(shù)等手段，通過獨特的力學(xué)測試方法對納米尺度下的材料機械性質(zhì)進行測試的方法。相比于傳統(tǒng)的拉伸、壓縮等方法，原位納米機械性能試驗技術(shù)具有更高的精度和更豐富的信息，可以為納米材料的研究提供更加詳細的數(shù)據(jù)支持。隨著納米尺度下功能性材料的不斷涌現(xiàn)，納米力學(xué)測試將成為實現(xiàn)其合理設(shè)計的重要手段之一。原位納米力學(xué)測量技術(shù)在納米材料力學(xué)測試領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，它不只可以為納米尺度下材料力學(xué)行為的實驗研究提供詳細的數(shù)據(jù)支撐，而且還可以為新材料的設(shè)計和開發(fā)提供指導(dǎo)。

有限元數(shù)值分析方面，Hurley 等分別基于解析模型和有限元模型兩種數(shù)據(jù)分析方法測量了鈮薄膜的壓入模量，并進行了對比。Espinoza-Beltran 等考慮探針微懸臂的傾角、針尖高度、梯形橫截面、材料各向異性等的影響，給出了一種將實驗測試和有限元優(yōu)化分析相結(jié)合，確定針尖樣品面外和面內(nèi)接觸剛度的方法。有限元分析方法綜合考慮了實際情況中的多種影響因素，精度相對較高。Kopycinska-Muller 等研究了AFAM 測試過程中針尖樣品微納米尺度下的接觸力學(xué)行為。Killgore 等提出了一種通過檢測探針接觸共振頻率變化對針尖磨損進行連續(xù)測量的方法。跨學(xué)科合作，推動納米力學(xué)測試技術(shù)不斷創(chuàng)新，滿足多領(lǐng)域需求。

Berkovich壓頭是納米壓痕硬度計中較常用的。它可以加工得很尖，而且?guī)缀涡螤钤诤苄〕叨葍?nèi)保持自相似，適合于小尺度的壓痕實驗。目前，該類壓頭的加工水平：端部半徑50nm，典型值約40nm，中心線和面的夾角精度為J=0.025°。在納米壓痕硬度測量中，Berkovich壓頭是一種理想的壓頭。優(yōu)點包括：易獲得好的加工質(zhì)量，很小載荷就能產(chǎn)生塑性，能減小摩擦的影響。Cube-corner壓頭因其三個面相互垂直，像立方體的一個角，故取此名稱。壓頭越尖，就會在接觸區(qū)內(nèi)產(chǎn)生理想的應(yīng)力和應(yīng)變。目前，該種壓頭主要用于斷裂韌性(fracture toughness)的研究。它能在脆性材料的壓痕周圍產(chǎn)生很小的規(guī)則裂紋，這樣的裂紋能在相當小的范圍內(nèi)用來估計斷裂韌性。錐形壓頭圓錐具有尖的自相似幾何形狀，從模型角度常利用它的軸對稱特性，納米壓痕硬度的許多模型均基于圓錐壓痕。由于難以加工出尖的圓錐金剛石壓頭，它在小尺度實驗中很少使用。納米力學(xué)測試對于理解納米材料在極端條件下的力學(xué)行為具有重要意義，如高溫、高壓等?？招募{米力學(xué)測試

通過納米力學(xué)測試，我們可以評估納米材料在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐久性。深圳高校納米力學(xué)測試技術(shù)

AFAM 方法提出之后，不少研究者對方法的準確度和靈敏度方面進行了研究。Hurley 等分析了空氣濕度對AFAM 定量化測量結(jié)果的影響。Rabe 等分析了探針基片對AFAM 定量化測量的影響。Hurley 等詳細對比了AFAM 單點測試與納米壓痕以及聲表面波譜方法的測試原理、空間分辨率、適用性及測試優(yōu)缺點等。Stan 等提出一種雙參考材料的方法，此方法不需要了解針尖的力學(xué)性能，可以在一定程度上提高測試的準確度。他們還提出了一種基于多峰接觸的接觸力學(xué)模型，在一定程度上可以提高測試的準確度。Turner 等通過嚴格的理論推導(dǎo)研究了探針不同階彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)的靈敏度問題。Muraoka提出一種在探針微懸臂末端附加集中質(zhì)量的方法，以提高測試靈敏度。Rupp 等對AFAM測試過程中針尖樣品之間的非線性相互作用進行了研究。深圳高校納米力學(xué)測試技術(shù)