江西材料科学纳米力学测试应用

AFAM 方法提出之后，不少研究者对方法的准确度和灵敏度方面进行了研究。Hurley 等分析了空气湿度对AFAM 定量化测量结果的影响。Rabe 等分析了探针基片对AFAM 定量化测量的影响。Hurley 等详细对比了AFAM 单点测试与纳米压痕以及声表面波谱方法的测试原理、空间分辨率、适用性及测试优缺点等。Stan 等提出一种双参考材料的方法，此方法不需要了解针尖的力学性能，可以在一定程度上提高测试的准确度。他们还提出了一种基于多峰接触的接触力学模型，在一定程度上可以提高测试的准确度。Turner 等通过严格的理论推导研究了探针不同阶弯曲振动和扭转振动模态的灵敏度问题。Muraoka提出一种在探针微悬臂末端附加集中质量的方法，以提高测试灵敏度。Rupp 等对AFAM测试过程中针尖样品之间的非线性相互作用进行了研究。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。江西材料科学纳米力学测试应用

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。江西材料科学纳米力学测试应用利用纳米力学测试，研究人员可揭示材料内部缺陷、应力分布等关键信息。

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。

纳米压痕试验举例，试验材料取单晶铝，试验在美国 MTS 公司生产的 Nano Indenter XP 型纳米硬度仪以及美国 Digital Instruments 公司生产的原子力显微镜 (AFM) 上进行。首先将试样放到纳米硬度仪上进行压痕试验，根据设置的较大载荷或者压痕深度的不同，试验时间从数十分钟到若干小时不等，中间过程不需人工干预。试验结束后，纳米压痕仪自动计算出试样的纳米硬度值和相关重要性能指标。本试验中对单晶铝(110) 面进行检测，设置压痕深度为1.5 μ m，共测量三点，较终结果取三点的平均值。在医学领域，纳米力学测试可用于研究细胞和组织的力学性质。

将近场声学和扫描探针显微术相结合的扫描探针声学显微术是近些年来发展的纳米力学测试方法。扫描探针声学显微术有多种应用模式，如超声力显微术(ultrasonic force microscopy，UFM)、原子力声学显微术(atomic force acoustic microscopy，AFAM)、超声原子力显微术(ultrasonic atomic force microscopy，UAFM)，扫描声学力显微术(scanning acoustic force microscopy，SAFM)等。在以上几种应用模式中，以基于接触共振检测的AFAM 和UAFM 这两种方法应用较为普遍，有时也将它们统称为接触共振力显微术(contact resonance force microscopy，CRFM)。纳米力学测试可以解决纳米材料在制备和应用过程中的力学问题，提高纳米材料的性能和稳定性。江西材料科学纳米力学测试应用

纳米力学测试技术的发展离不开多学科交叉融合和创新研究团队的共同努力。江西材料科学纳米力学测试应用

纳米划痕法，纳米划痕硬度计主要是通过测量压头在法向和切向上的载荷和位移的连续变化过程，进而研究材料的摩擦性能、塑性性能和断裂性能的。纳米划痕仪器的设计主要有两种方案 纳米划痕计和压痕计，合二为一即划痕计的法向力和压痕深度由高分辨率的压痕计提供，同时记录匀速移动的试样台的位移，使压头沿试样表面进行刻划，切向力由压杆上的两个相互垂直的力传感器测量纳米划痕硬度计和压痕计相互单独。纳米划痕硬度计，不只可以研究材料的摩擦磨损行为，还普遍应用于薄膜的粘着失效和黏弹行为。对刻划材料来说，不只载荷和压入深度是重要的参数，而且残余划痕的深度、宽度、凸起的高度在研究接触压力和实际摩擦也是十分重要的。目前，该类仪器已普遍应用于各种电子薄膜、汽车喷漆、胶卷、光学镜 头、磁盘、化妆品(指甲油和口红)等的质量检测。江西材料科学纳米力学测试应用