广东材料科学纳米力学测试实验室

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。纳米力学测试的结果对于预测纳米材料在实际应用中的表现具有重要参考价值。广东材料科学纳米力学测试实验室

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。上海金属纳米力学测试在纳米力学测试中，常用的测试方法包括纳米压痕测试、纳米拉伸测试和纳米弯曲测试等。

Berkovich压头是纳米压痕硬度计中较常用的。它可以加工得很尖，而且几何形状在很小尺度内保持自相似，适合于小尺度的压痕实验。目前，该类压头的加工水平：端部半径50nm，典型值约40nm，中心线和面的夹角精度为J=0.025°。在纳米压痕硬度测量中，Berkovich压头是一种理想的压头。优点包括：易获得好的加工质量，很小载荷就能产生塑性，能减小摩擦的影响。Cube-corner压头因其三个面相互垂直，像立方体的一个角，故取此名称。压头越尖，就会在接触区内产生理想的应力和应变。目前，该种压头主要用于断裂韧性(fracture toughness)的研究。它能在脆性材料的压痕周围产生很小的规则裂纹，这样的裂纹能在相当小的范围内用来估计断裂韧性。锥形压头圆锥具有尖的自相似几何形状，从模型角度常利用它的轴对称特性，纳米压痕硬度的许多模型均基于圆锥压痕。由于难以加工出尖的圆锥金刚石压头，它在小尺度实验中很少使用。

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。纳米压痕技术作为一种常见测试方法，可实时监测材料在微观层面的力学性能。

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。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。四川空心纳米力学测试技术

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。广东材料科学纳米力学测试实验室

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。广东材料科学纳米力学测试实验室