江西科研院纳米力学测试方法

原子力显微镜(AFM)，原子力显微镜(AtomicForce Microscopy，简称AFM)是一种常用的纳米级力学性质测试方法。它通过在纳米尺度下测量材料表面的力与距离之间的关系，来获得材料的力学性质信息。AFM的基本工作原理是利用一个具有纳米的探针对样品表面进行扫描，并测量在探针与样品之间的力的变化。使用AFM可以获得材料的力学性质参数，如纳米硬度、弹性模量和塑性变形等信息。此外，AFM还可以进行纳米级别的形貌表征，使得研究人员可以直观地观察到材料的表面形貌和结构。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。江西科研院纳米力学测试方法

AFAM 利用探针和样品之间的接触共振进行测试，基于对探针的动力学特性以及针尖样品之间的接触力学行为分析，可以通过对探针接触共振频率、品质因子、振幅、相位等响应信息的测量，实现被测样品力学性能的定量化表征。AFAM 不只可以获得样品表面纳米尺度的形貌特征，还可以测量样品表面或亚表面的纳米力学特性。AFAM 属于近场声学成像技术，它克服了传统声学成像中声波半波长对成像分辨率的限制，其分辨率取决于探针针尖与测试样品之间的接触半径大小。AFM 探针的针尖半径很小(5~50 nm)，且施加在样品上的作用力也很小(一般为几纳牛到几微牛)，因此AFAM 的空间分辨率极高，其横向分辨率与普通AFM 一样可以达到纳米量级。与纳米压痕技术相比，AFAM 在分辨率方面具有明显的优势，通常认为其测试过程是无损的。此外，AFAM 在成像质量和速度方面均明显优于纳米压痕。目前，AFAM 已经普遍应用于纳米复合材料、智能材料、生物材料、纳米材料和薄膜系统等各种先进材料领域。福建新能源纳米力学测试纳米力学测试在生物医学领域，助力研究细胞力学行为，揭示疾病发生机制。

特点：能同时实现SEM/FIB高分辨成像和纳米力学性能测试，力学测量范围0.5nN-200mN(9个数量级)，位移测量范围0.05nm-21mm(9个数量级)，五轴(X,Y,Z,旋转,倾斜)闭环控制保证样品和微力传感探针的精确对准，能在SEM/FIB较佳工作距离下实现高分辨成像(可达4mm)以及FIB切割和沉积，五轴(X,Y,Z,旋转,倾斜)位移记录器实现样品台上多样品的自动测试和扫描，导电的微力传感探针可有效减少荷电效应，能够通过力和位移两种控制模式实现各种力学测试,例如拉伸、压缩、弯曲、剪切、循环和断裂测试等，电性能测试模块能够实现力学和电学性能同步测试(样品座配备6个电极)导电的微力传感探针可有效减少荷电效应，实现力学性能测试与其他SEM/FIB原位分析手段联用,如EDX、EBSD、离子束沉积和切割，兼容于SEM本身的样品台,安装和卸载快捷方便。

FT-NMT03纳米力学测试系统可以配合SEM/FIB原位精确直接地测量纳米纤维的力学特性。微力传感器加载微力，纳米力学测试结合高分辨位置编码器可以对纳米纤维进行拉伸、循环、蠕变、断裂等形变测试。力-形变（应力-应变）曲线可以定量的表征纳米纤维的材料特性。此外，纳米力学测试结合样品架电连接，可以定量表征电-机械性质。位置稳定性，纳米力学测试对于纳米纤维的精确拉伸测试，纳米力学测试系统的位移是测试不稳定性的主要来源。图2展示了FT-NMT03纳米力学测试系统位移的统计学评价，从中可以找到每一个测试间隔内位移导致的不确定性，例如100s内为450pm，意思是65%（或95%）的概率，纳米力学测试系统在100s的时间间隔内的位移稳定性小于±450pm（或±900pm）。纳米力学测试需要使用专属的纳米力学测试仪器，如纳米压痕仪和纳米拉伸仪等。

研究液相环境下的流体载荷对探针振动产生的影响可以将AFAM 定量化测试应用范围扩展至液相环境。液相环境下增加的流体质量载荷和流体阻尼使探针振动的共振频率和品质因子都较大程度上减小。Parlak 等采用简单的解析模型考虑流体质量载荷和流体阻尼效应，可以在液相环境下从探针的接触共振频率导出针尖样品的接触刚度值。Tung 等通过严格的理论推导，提出通过重构流体动力学函数的方法，将流体惯性载荷效应进行分离。此方法不需要预先知道探针的几何尺寸及材料特性，也不需要了解周围流体的力学性能。纳米力学测试可以用于评估纳米材料的耐久性和寿命，为产品的设计和使用提供参考依据。山西纳米力学测试供应商

通过纳米力学测试，我们可以深入了解纳米材料在受到外力作用时的变形和破坏机制。江西科研院纳米力学测试方法

AFAM 方法较早是由德国佛罗恩霍夫无损检测研究所Rabe 等在1994 年提出的。1996 年Rabe 等详细分析了探针自由状态以及针尖与样品表面接触情况下微悬臂的动力学特性，建立了针尖与样品接触时共振频率与接触刚度之间的定量化关系。之后，他们还给出了考虑针尖与样品侧向接触、针尖高度及微悬臂倾角影响的微悬臂振动特征方程。他们在这方面的主要工作奠定了AFAM 定量化测试的理论基础。Reinstaedtler 等利用光学干涉法对探针悬臂梁的振动模态进行了测量。Turner 等采用解析方法和数值方法对比了针尖样品之间分别存在线性和非线性相互作用时，点质量模型和Euler-Bernoulli 梁模型描述悬臂梁动态特性的异同。江西科研院纳米力学测试方法