纺织纳米力学测试实验室

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。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。纺织纳米力学测试实验室

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。重庆科研院纳米力学测试实验室在进行纳米力学测试前，需要对测试样品进行表面处理和尺寸测量，以确保测试结果的准确性。

纵观纳米测量技术发展的历程，它的研究主要向两个方向发展：一是在传统的测量方法基础上，应用先进的测试仪器解决应用物理和微细加工中的纳米测量问题,分析各种测试技术,提出改进的措施或新的测试方法；二是发展建立在新概念基础上的测量技术，利用微观物理、量子物理中较新的研究成果,将其应用于测量系统中,它将成为未来纳米测量的发展趋向。但纳米测量中也存在一些问题限制了它的发展。建立相应的纳米测量环境一直是实现纳米测量亟待解决的问题之一，而且在不同的测量方法中需要的纳米测量环境也是不同的。

国内的江西省科学院、清华大学、南昌大学等采用扫描探针显微镜系列，如扫描隧道显微镜、原子力显微镜等，对高精度纳米和亚纳米量级的光学超光滑表面的粗糙度和微轮廓进行测量研究。天津大学刘安伟等在量子隧道效应的基础上，建立了适用于平坦表面的扫描隧道显微镜微轮廓测量的数学模型，仿真结果较好地反映了扫描隧道显微镜对样品表面轮廓的测量过程。清华大学李达成等研制成功在线测量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉仪，该仪器以稳频半导体激光器作为光源，共光路设计提高了抗外界环境干扰的能力，其纵向和横向分辨率分别为0．39nm和0．73μm。李岩等提出了一种基于频率分裂激光器光强差法的纳米测量原理。纳米力学测试还可以用于研究纳米结构材料的断裂行为和变形机制。

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。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。山西纳米力学测试参考价

纳米力学测试可以解决纳米材料在微纳尺度下的力学问题，为纳米器件的设计和制造提供支持。纺织纳米力学测试实验室

借助原子力显微镜(AFM)的纳米力学测试法，利用原子力显微镜探针的纳米操纵能力对一维纳米材料施加弯曲或拉伸载荷。施加弯曲载荷时，原子力显微镜探针作用在一维纳米悬臂梁结构高自山端國双固支结构的中心位置,弯曲挠度和载荷通过原子力显微镜探针悬曾梁的位移和悬臂梁的刚度获取，依据连续力学理论，由试样的载荷一挠度曲线获得其弹性模量、强度和韧性等力学性能参数。这种方法加载机理简单,相对拉伸法容易操作，缺点是原子力显微镜探针的尺寸与被测纳米试样相比较大,挠度较大时探针的滑动以及试样中心位置的对准精度严重影响测试精度3、借助微机电系统(MEMS)技术的片上纳米力学测试法基于 MEMS 的片上纳米力学测试法采用 MEMS 微加工工艺将微驱动单元、微传感单元或试样集成在同一芯片上，通过微驱动单元对试样施加载荷，微位移与微力检测单元检测试样变形与加载力，进面获取试样的力学性能。纺织纳米力学测试实验室

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