四川科研院纳米力学测试原理

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。摩擦学测试在纳米力学领域具有重要地位，为减少能源损耗提供解决方案。四川科研院纳米力学测试原理

纳米压痕仪的应用，纳米压痕仪可适用于有机或无机、软质或硬质材料的检测分析，包括PVD、CVD、PECVD薄膜，感光薄膜，彩绘釉漆，光学薄膜，微电子镀膜，保护性薄膜，装饰性薄膜等等。基体可以为软质或硬质材料，包括金属、合金、半导体、玻璃、矿物和有机材料等。半导体技术(钝化层、镀金属、Bond Pads)；存储材料(磁盘的保护层、磁盘基底上的磁性涂层、CD的保护层)；光学组件(接触镜头、光纤、光学刮擦保护层)；金属蒸镀层；防磨损涂层(TiN， TiC， DLC， 切割工具)；药理学(药片、植入材料、生物组织)；工程学(油漆涂料、橡胶、触摸屏、MEMS)等行业。四川科研院纳米力学测试原理在纳米力学测试中，常用的仪器包括原子力显微镜、纳米硬度仪等设备。

借助电子显微镜(EM)的原位纳米力学测试法，利用扫描电子显微镜或透射电子显微镜(TEM)的高分辨率成像，在EM 真空腔内进行原位纳米力学测试，根据纳米试样在EM真空腔中加载方式不同分为谐振法和拉伸法。原位测试法的较大优点是能够在 SEM 中实时观测试样的失效引发过程，甚至能够用 TEM 对缺陷成核和扩展情况进行原子级分辨率的实时观测;缺点是需在 EM 真空腔内对纳米试样施加载荷，限制了其加载环境，并且加载力的检测还需其他装置才能完成。

采用磁力显微镜观察Sm2Co17基永磁材料表面的波纹磁畴和条状磁畴结构;使用摩擦力显微镜对计算机磁盘表面的摩擦特性进行试:利用静电力显微镜测量技术,依靠轻敲模式(Tapping mode)和抬举模式(Lift mode),用相位成像测量有机高分子膜-壳聚糖膜(CHI)的表面电荷密度空间分布等等除此之外,近年来,SPM还用于测量化学键、纳米碳管的强度,以及纳米碳管操纵力方面的测量。利用透射电子显微镜和原子力显微镜原位加载,观测单一纳米粒子链的力学属性和纳观断裂,采用扫描电镜、原子力显微镜对纳米碳管的拉伸过程及拉伸强度进行测等:基于原子力显微镜提出一种纳米级操纵力的同步测量方法,进而应用该方法,成功测量出操纵、切割碳纳米管的侧向力信息等。这些SFM技术为研究纳米粒子/分子、基体与操纵工具之间的相互作用提供较直接的原始力学信息和实验结果。测试设置需精确控制实验条件，以消除外部干扰，确保实验结果的准确性。

日本：S．Yoshida主持的Yoshida纳米机械项目主要进行以下二个方面的研究：⑴．利用改制的扫描隧道显微镜进行微形貌测量，已成功的应用于石墨表面和生物样本的纳米级测量；⑵．利用激光干涉仪测距，在激光干涉仪中其开发的双波长法限制了空气湍流造成的误差影响；其实验装置具有1n m的测量控制精度。日本国家计量研究所（NRLM）研制了一套由稳频塞曼激光光源、四光束偏振迈克尔干涉仪和数据分析电子系统组成的新型干涉仪，该所精密测量已涉及一些基本常数的决定这一类的研究，如硅晶格间距、磁通量等，其扫描微动系统主要采用基于柔性铰链机构的微动工作台。原子力显微镜（AFM）在纳米力学测试中发挥着重要作用，可实现高分辨率成像。四川科研院纳米力学测试原理

纳米力学测试旨在探究微观尺度下材料的力学性能，为科研和工业领域提供有力支持。四川科研院纳米力学测试原理

主要的微纳米力学测量技术：1、微纳米压痕测试技术，1.1压入测试技术，压人测试技术是较初的是表征各种材料力学性能较常用的方法之一,可以追溯到 20 世纪初的定量硬度测试方法。传统的压人测试技术是利用已知几何形状的硬压头以预设的压人深度或者载荷作用到较软的样品表面,通过测量残余压痕的尺寸计算相关的硬度指数。但压入测试技术的缺陷在所能够表征的材料力学参量局限于硬度和弹性模量这2个基本的参量。1.2 微纳米压痕测试，近年来新型材料正在向低维化、功能化与复合化方向飞速发展，在微纳米尺度作用区域上开展微纳米压痕测试已被普遍用作评价材料因微观结构变化面诱发力学性能变化以及获得材料物性转变等新现象、新规律的重要工具。所能够表征的材料力学参量也不再局限于硬度和弹性模量这2个基本的参量。四川科研院纳米力学测试原理