湖北汽車納米力學測試應用

主要的微納米力學測量技術：1、微納米壓痕測試技術，1.1壓入測試技術，壓人測試技術是較初的是表征各種材料力學性能較常用的方法之一,可以追溯到 20 世紀初的定量硬度測試方法。傳統(tǒng)的壓人測試技術是利用已知幾何形狀的硬壓頭以預設的壓人深度或者載荷作用到較軟的樣品表面,通過測量殘余壓痕的尺寸計算相關的硬度指數(shù)。但壓入測試技術的缺陷在所能夠表征的材料力學參量局限于硬度和彈性模量這2個基本的參量。1.2 微納米壓痕測試，近年來新型材料正在向低維化、功能化與復合化方向飛速發(fā)展，在微納米尺度作用區(qū)域上開展微納米壓痕測試已被普遍用作評價材料因微觀結(jié)構(gòu)變化面誘發(fā)力學性能變化以及獲得材料物性轉(zhuǎn)變等新現(xiàn)象、新規(guī)律的重要工具。所能夠表征的材料力學參量也不再局限于硬度和彈性模量這2個基本的參量。在納米力學測試中，常用的測試方法包括納米壓痕測試、納米拉伸測試和納米彎曲測試等。湖北汽車納米力學測試應用

原位納米力學測試系統(tǒng)(nanoindentation，instrumented-indentation testing，depth-sensing indentation，continuous-recording indentation，ultra low load indentation)是一類先進的材料表面力學性能測試儀器。該類儀器裝有高分辨率的致動器和傳感器，可以控制和監(jiān)測壓頭在材料中的壓入和退出，能提供高分辨率連續(xù)載荷和位移的測量。包括壓痕硬度和劃痕硬度兩種工作模式，主要應用于測試各種薄膜（包括厚度小于100納米的超薄膜、多層復合膜、抗磨損膜、潤滑膜、高分子聚合物膜、生物膜等）、多相復合材料的基體本構(gòu)和界面、金屬陣列復合材料、類金剛石碳涂層（DLC）、半導體材料、MEMS、生物醫(yī)學樣品（包括骨、牙齒、血管等）和生物材料、等在nano水平上的力學特性，還可以進行納米機械加工。通過探針壓痕或劃痕來獲得材料微區(qū)的硬度、彈性模量、摩擦系數(shù)、磨損率、斷裂剛度、失效、蠕變、應力釋放、分層、粘附力（結(jié)合力）、存儲模量、損失模量等力學數(shù)據(jù)。湖北汽車納米力學測試應用利用納米力學測試，研究人員可揭示材料內(nèi)部缺陷、應力分布等關鍵信息。

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

原位納米力學測試系統(tǒng)是一種用于材料科學領域的儀器，于2011年10月27日啟用。壓痕測試單元：（1）可實現(xiàn)70nN~30mN不同加載載荷，載荷分辨率為3nN；（2）位移分辨率：0.006nm，較小位移：0.2nm，較大位移：5um；（3）室溫熱漂移：0.05nm/s；（4）更換壓頭時間：60s。能夠?qū)崿F(xiàn)薄膜或其他金屬或非金屬材料的壓痕、劃痕、摩擦磨損、微彎曲、高溫測試及微彎曲、NanoDMA、模量成像等功能。力學測試芯片大小只為幾平方毫米，亦可放置在電子顯微鏡真空腔中進行原位實時檢測。納米力學測試在納米器件的設計和制造中具有重要作用。

與傳統(tǒng)硬度計算不同的是，A 值不是由壓痕照片得到，而是根據(jù) “接觸深度” hc(nm) 計算得到的。具體關系式需通過試驗來確定，根據(jù)壓頭形狀的不同，一般采用多項式擬合的方法，比如針對三角錐形壓頭，其擬合結(jié)果為：A = 24.5 + 793hc + 4238+ 332+ 0.059+0.069+ 8.68+ 35.4+ 36. 9式中 “接觸深度”hc由下式計算得出：hc = h - ε P max/S，式中，ε是與壓頭形狀有關的常數(shù)，對于球形或三角錐形壓頭可以取ε = 0.75。而S的值可以通過對載荷-位移曲線的卸載部分進行擬合，再對擬合函數(shù)求導得出，即，式中Q 為擬合函數(shù)。這樣通過試驗得到載荷-位移曲線，測量和計算試驗過程中的載荷 P、壓痕深度h和卸載曲線初期的斜率S，就可以得到樣品的硬度值。該技術通過記錄連續(xù)的載荷-位移、加卸載曲線，可以獲得材料的硬度、彈性模量、屈服應力等指標，它克服了傳統(tǒng)壓痕測量只適用于較大尺寸試樣以及只能獲得材料的塑性性質(zhì)等缺陷，同時也提高了硬度的檢測精度，使得邊加載邊測量成為可能，為檢測過程的自動化和數(shù)字化創(chuàng)造了條件。納米力學測試的結(jié)果對于預測納米材料在實際應用中的表現(xiàn)具有重要參考價值。湖北汽車納米力學測試應用

發(fā)展高精度、高穩(wěn)定性納米力學測試設備，是當前科研工作的重要任務。湖北汽車納米力學測試應用

對納米元器件的電測量——電壓、電阻和電流——都帶來了一些特有的困難，而且本身容易產(chǎn)生誤差。研發(fā)涉及量子水平上的材料與元器件，這也給人們的電學測量工作帶來了種種限制。在任何測量中，靈敏度的理論極限是由電路中的電阻所產(chǎn)生的噪聲來決定的。電壓噪聲[1]與電阻的方根、帶寬和一定溫度成正比。高的源電阻限制了電壓測量的理論靈敏度[2]。雖然完全可能在源電阻抗為1W的情況下對1mV的信號進行測量，但在一個太歐姆的信號源上測量同樣的1mV的信號是現(xiàn)實的。湖北汽車納米力學測試應用