湖南微電子納米力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室

納米壓痕儀簡(jiǎn)介，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員以納米壓痕技術(shù)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出多種納米壓痕儀，并實(shí)現(xiàn)了商品化，為材料的納米力學(xué)性能檢測(cè)提供了高效、便捷的手段。圖片納米壓痕儀主要用于微納米尺度薄膜材料的硬度與楊氏模量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過(guò)力與壓入深度的曲線計(jì)算得出，無(wú)需通過(guò)顯微鏡觀察壓痕面積。納米壓痕儀的基本組成可以分為控制系統(tǒng)、 移動(dòng)線圈系統(tǒng)、加載系統(tǒng)及壓頭等幾個(gè)部分。壓頭一般使用金剛石壓頭，分為三角錐或四棱錐等類型。試驗(yàn)時(shí)，首先輸入初始參數(shù)，之后的檢測(cè)過(guò)程則完全由微機(jī)自動(dòng)控制，通過(guò)改變移動(dòng)線圈系統(tǒng)中的電流，可以操縱加載系統(tǒng)和壓頭的動(dòng)作，壓頭壓入載荷的測(cè)量和控制通過(guò)應(yīng)變儀來(lái)完成，同時(shí)應(yīng)變儀還將信號(hào)反饋到移動(dòng)線圈系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而按照輸入?yún)?shù)的設(shè)置完成試驗(yàn)。摩擦學(xué)測(cè)試在納米力學(xué)領(lǐng)域具有重要地位，為減少能源損耗提供解決方案。湖南微電子納米力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室

借助原子力顯微鏡(AFM)的納米力學(xué)測(cè)試法，利用原子力顯微鏡探針的納米操縱能力對(duì)一維納米材料施加彎曲或拉伸載荷。施加彎曲載荷時(shí)，原子力顯微鏡探針作用在一維納米懸臂梁結(jié)構(gòu)高自山端國(guó)雙固支結(jié)構(gòu)的中心位置,彎曲撓度和載荷通過(guò)原子力顯微鏡探針懸曾梁的位移和懸臂梁的剛度獲取，依據(jù)連續(xù)力學(xué)理論，由試樣的載荷一撓度曲線獲得其彈性模量、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能參數(shù)。這種方法加載機(jī)理簡(jiǎn)單,相對(duì)拉伸法容易操作，缺點(diǎn)是原子力顯微鏡探針的尺寸與被測(cè)納米試樣相比較大,撓度較大時(shí)探針的滑動(dòng)以及試樣中心位置的對(duì)準(zhǔn)精度嚴(yán)重影響測(cè)試精度3、借助微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的片上納米力學(xué)測(cè)試法基于 MEMS 的片上納米力學(xué)測(cè)試法采用 MEMS 微加工工藝將微驅(qū)動(dòng)單元、微傳感單元或試樣集成在同一芯片上，通過(guò)微驅(qū)動(dòng)單元對(duì)試樣施加載荷，微位移與微力檢測(cè)單元檢測(cè)試樣變形與加載力，進(jìn)面獲取試樣的力學(xué)性能。湖北化工納米力學(xué)測(cè)試原理納米力學(xué)測(cè)試旨在探究微觀尺度下材料的力學(xué)性能，為科研和工業(yè)領(lǐng)域提供有力支持。

納米壓痕獲得的材料信息也比較豐富，既可以通過(guò)靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試獲得材料的硬度、彈性模量、斷裂韌性、相變(疇變) 等信息，也可以通過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試獲得被測(cè)樣品的存儲(chǔ)模量、損耗模量或損耗因子等。另外，動(dòng)態(tài)納米壓痕技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微納米尺度存儲(chǔ)模量和損耗模量的模量成像(modulus mapping)。圖1 是美國(guó)Hysitron 公司生產(chǎn)的TI-900 Triboindenter 納米壓痕儀的實(shí)物圖。納米壓痕作為一種較通用的微納米力學(xué)測(cè)試方法，目前仍然有不少研究者致力于對(duì)其方法本身的改進(jìn)和發(fā)展。

一般力學(xué)原理包括：。能量和動(dòng)量守恒原理；。哈密頓變分原理；。對(duì)稱原理。由于研究的物體小，納米力學(xué)也要考慮：。當(dāng)物體尺寸和原子距離可比時(shí)，物體的離散性；。物體內(nèi)自由度的多樣性和有限性。。熱脹落的重要性；。熵效應(yīng)的重要性；。量子效應(yīng)的重要性。這些原理可提供對(duì)納米物體新異性質(zhì)深入了解。新異性質(zhì)是指這種性質(zhì)在類似的宏觀物體沒(méi)有或者很不相同。特別是，當(dāng)物體變小，會(huì)出現(xiàn)各種表面效應(yīng)，它由納米結(jié)構(gòu)較高的表面與體積比所決定。這些效應(yīng)影晌納米結(jié)構(gòu)的機(jī)械能和熱學(xué)性質(zhì)（熔點(diǎn)，熱容等）例如，由于離散性，固體內(nèi)機(jī)械波要分散，在小區(qū)域內(nèi)，彈性力學(xué)的解有特別的行為。自由度大引起熱脹落是納米顆粒通過(guò)潛在勢(shì)壘產(chǎn)生熱隧道及液體和固體交錯(cuò)擴(kuò)散的理由。小和熱漲落提供了納米顆粒布朗運(yùn)動(dòng)的基本理由。在納米范圍增加了熱漲落重要性和結(jié)構(gòu)熵，使納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超彈性，熵彈性（熵力）和其它新彈性。開(kāi)放納米系統(tǒng)的自組織和合作行為中，結(jié)構(gòu)熵也令人產(chǎn)生很大興趣。測(cè)試內(nèi)容豐富多樣，包括硬度、彈性模量、摩擦系數(shù)等，助力材料研究。

納米壓痕試驗(yàn)舉例，試驗(yàn)材料取單晶鋁，試驗(yàn)在美國(guó) MTS 公司生產(chǎn)的 Nano Indenter XP 型納米硬度儀以及美國(guó) Digital Instruments 公司生產(chǎn)的原子力顯微鏡 (AFM) 上進(jìn)行。首先將試樣放到納米硬度儀上進(jìn)行壓痕試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)置的較大載荷或者壓痕深度的不同，試驗(yàn)時(shí)間從數(shù)十分鐘到若干小時(shí)不等，中間過(guò)程不需人工干預(yù)。試驗(yàn)結(jié)束后，納米壓痕儀自動(dòng)計(jì)算出試樣的納米硬度值和相關(guān)重要性能指標(biāo)。本試驗(yàn)中對(duì)單晶鋁(110) 面進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)置壓痕深度為1.5 μ m，共測(cè)量三點(diǎn)，較終結(jié)果取三點(diǎn)的平均值。納米力學(xué)測(cè)試在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，助力研究細(xì)胞力學(xué)行為，揭示疾病發(fā)生機(jī)制。湖北化工納米力學(xué)測(cè)試原理

納米力學(xué)測(cè)試的結(jié)果對(duì)于預(yù)測(cè)納米材料在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)具有重要參考價(jià)值。湖南微電子納米力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室

原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)(nanoindentation，instrumented-indentation testing，depth-sensing indentation，continuous-recording indentation，ultra low load indentation)是一類先進(jìn)的材料表面力學(xué)性能測(cè)試儀器。該類儀器裝有高分辨率的致動(dòng)器和傳感器，可以控制和監(jiān)測(cè)壓頭在材料中的壓入和退出，能提供高分辨率連續(xù)載荷和位移的測(cè)量。包括壓痕硬度和劃痕硬度兩種工作模式，主要應(yīng)用于測(cè)試各種薄膜（包括厚度小于100納米的超薄膜、多層復(fù)合膜、抗磨損膜、潤(rùn)滑膜、高分子聚合物膜、生物膜等）、多相復(fù)合材料的基體本構(gòu)和界面、金屬陣列復(fù)合材料、類金剛石碳涂層（DLC）、半導(dǎo)體材料、MEMS、生物醫(yī)學(xué)樣品（包括骨、牙齒、血管等）和生物材料、等在nano水平上的力學(xué)特性，還可以進(jìn)行納米機(jī)械加工。通過(guò)探針壓痕或劃痕來(lái)獲得材料微區(qū)的硬度、彈性模量、摩擦系數(shù)、磨損率、斷裂剛度、失效、蠕變、應(yīng)力釋放、分層、粘附力（結(jié)合力）、存儲(chǔ)模量、損失模量等力學(xué)數(shù)據(jù)。湖南微電子納米力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室