江西高校纳米力学测试方法

纳米纤维已经展现出各种有趣的特性，除了高比表面积-体积比，纳米纤维相比于块状材料，沿主轴方向有更突出的力学特性。因此纳米纤维在复合材料、纤维、支架（组织工程学）、药物输送、创伤敷料或纺织业等领域是一种非常有应用前景的材料。纳米纤维机械性能（刚度、弹性变形范围、极限强度、韧性）的定量表征对理解其在目标应用中的性能非常重要，而测量这些参数需要高度专业画的仪器，必须具备以下功能：以亚纳米的分辨率测量非常小的变形；在测量的时间量程（例如100 s）内在纳米级的位移下保持高度稳定的测量系统；以亚纳米分辨率测量微小力；处理（捡取-放置）纳米纤维并将其放置在机械测试仪器上。纳米力学测试设备的精度和灵敏度对于获得准确的测试结果至关重要。江西高校纳米力学测试方法

量子效应决定物理系统内个别原子间的相互作用力。在纳米力学中用一些原子间势能的平均数学模型引入量子效应。在经典多体动力学内加入原子间势能提供了纳米结构和原子尺寸决定性的力学模型。数据方法求解这些模型称为分子动力学（MD），有时称为分子力学。非决定性数字近似包括蒙特卡罗，动力蒙卡罗和其它方法。现代的数字工具也包括交叉通用近似，允许同时和连续利用原子尺寸的模型。发展这些复杂的模型是另一应用力学的研究课题。重庆微纳米力学测试系统纳米力学测试还可以揭示纳米材料的表面特性和表面反应动力学。

当前纳米力学主要应用的测试手段是纳米压痕和基于原子力显微镜(AFM) 的力—距离曲线方法，实际上还有另外一种基于AFM 的纳米力学测试方法——扫描探针声学显微术(atomic force acoustic microscopy，AFAM)。AFAM具有分辨率高、成像速度快、相对误差低、力学性能敏感度高等优点。然而，目前AFAM 的应用还不够普遍，相关领域的学者对AFAM 了解和使用的还不多。为此，我们在前期研究的基础上，经过整理和凝练，形成了这部专著，目的是推动AFAM这种新型纳米力学测量方法在国内的普遍应用。

2005 年，中国科学院上海硅酸盐研究所的曾华荣研究员在国内率先单独开发出定频成像模式的AFAM，但不能测量模量。随后，同济大学、北京工业大学等单位也对这种成像模式进行了研究。2011 年初，我们研究组将双频共振追踪技术用于AFAM，实现了快速的纳米模量成像(一幅256×256 像素的图像只需1~2min)，并对其准确度和灵敏度进行了系统研究。较近几年，AFAM 引起了越来越多国内外学者的关注。然而，相对于其他AFM 模式，AFAM 的测量原理涉及梁振动力学和接触力学，初学者不容易掌握。纳米力学测试可以帮助研究人员了解纳米材料的力学行为，从而指导纳米材料的设计和应用。

纳米压痕法：纳米压痕硬度法是一类测量材料表面力学性能 的先进技术。其原理是在加载过程中 试样表面在压头作用下首先发生弹性变形，随着载荷的增加试样开始发生塑性变形，加载曲线呈非线性，卸载曲线反映被测物体的弹性恢复过程。通过分析加卸载曲线可以得到材料的硬度和弹性模量等参量。纳米压痕法不只可以测量材料的硬度和弹性模量，还可以根据压头压缩过程中脆性材料产生的裂纹估算材料的断裂韧性，根据材料的位移压力曲线与时间的相关性获悉材料的蠕变特性。除此之外，纳米压痕法还用于纳米膜厚度、微结构，如微梁的刚度与挠度等的测量。发展高精度、高稳定性纳米力学测试设备，是当前科研工作的重要任务。江西高校纳米力学测试方法

纳米力学测试还可以评估材料在高温、低温等极端环境下的性能表现。江西高校纳米力学测试方法

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。江西高校纳米力学测试方法