上海涂層納米力學(xué)測(cè)試

當(dāng)前納米力學(xué)主要應(yīng)用的測(cè)試手段是納米壓痕和基于原子力顯微鏡(AFM) 的力—距離曲線方法，實(shí)際上還有另外一種基于AFM 的納米力學(xué)測(cè)試方法——掃描探針聲學(xué)顯微術(shù)(atomic force acoustic microscopy，AFAM)。AFAM具有分辨率高、成像速度快、相對(duì)誤差低、力學(xué)性能敏感度高等優(yōu)點(diǎn)。然而，目前AFAM 的應(yīng)用還不夠普遍，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)AFAM 了解和使用的還不多。為此，我們?cè)谇捌谘芯康幕A(chǔ)上，經(jīng)過(guò)整理和凝練，形成了這部專著，目的是推動(dòng)AFAM這種新型納米力學(xué)測(cè)量方法在國(guó)內(nèi)的普遍應(yīng)用。納米力學(xué)測(cè)試可以解決納米材料在制備和應(yīng)用過(guò)程中的力學(xué)問(wèn)題，提高納米材料的性能和穩(wěn)定性。上海涂層納米力學(xué)測(cè)試

納米力學(xué)從研究的手段上可分為納觀計(jì)算力學(xué)和納米實(shí)驗(yàn)力學(xué)。納米計(jì)算力學(xué)包括量子力學(xué)計(jì)算方法、分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算和跨層次計(jì)算等不同類型的數(shù)值模擬方法。納米實(shí)驗(yàn)力學(xué)則有兩層含義:一是以納米層次的分辨率來(lái)測(cè)量力學(xué)場(chǎng)，即所謂的材料納觀實(shí)驗(yàn)力學(xué);二是對(duì)特征尺度為1-100nm之間的微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究，即所謂的納米材料實(shí)驗(yàn)力學(xué)。納米實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究有兩種途徑:一是對(duì)常規(guī)的硬度測(cè)試技術(shù)、云紋法等宏觀力學(xué)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行改造，使它們能適應(yīng)納米力學(xué)測(cè)量的需要;另一類是創(chuàng)造如原子力顯微鏡、摩擦力顯微鏡等新的納米力學(xué)測(cè)量技術(shù)建立新原理、新方法。湖南空心納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)納米力學(xué)測(cè)試的結(jié)果可以為納米材料的安全性和可靠性評(píng)估提供重要依據(jù)。

微納米材料力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)是一種用于機(jī)械工程領(lǐng)域的科學(xué)儀器，于2008年11月18日啟用?？v向載荷力和位移。載荷力分辨率：3nN（在施加1μN(yùn)的條件下）；較小載荷接觸力：＜100nN；較大載荷：10mN；位移分辨率：0.0004nm；較小位移：＜0.2nm；較大位移：5μm；熱漂移：＜0.05nm/s（在室溫條件下）。 橫向載荷力和位移。載荷力的分辨率：0.5μN(yùn)；較小橫向力：＜5μN(yùn)；較大橫向力：2mN；位移分辨率：3nm；較小位移：＜5nm；較大位移：15μm；熱漂移：＜0.05nm/s（在室溫條件下）。磨損面積范圍：4μm x 4μm 到 60μm x 60μm；磨損速率：≤180μm/s；縱向載荷范圍：100nN – 1mN。X-Y stage。

有限元數(shù)值分析方面，Hurley 等分別基于解析模型和有限元模型兩種數(shù)據(jù)分析方法測(cè)量了鈮薄膜的壓入模量，并進(jìn)行了對(duì)比。Espinoza-Beltran 等考慮探針微懸臂的傾角、針尖高度、梯形橫截面、材料各向異性等的影響，給出了一種將實(shí)驗(yàn)測(cè)試和有限元優(yōu)化分析相結(jié)合，確定針尖樣品面外和面內(nèi)接觸剛度的方法。有限元分析方法綜合考慮了實(shí)際情況中的多種影響因素，精度相對(duì)較高。Kopycinska-Muller 等研究了AFAM 測(cè)試過(guò)程中針尖樣品微納米尺度下的接觸力學(xué)行為。Killgore 等提出了一種通過(guò)檢測(cè)探針接觸共振頻率變化對(duì)針尖磨損進(jìn)行連續(xù)測(cè)量的方法。納米力學(xué)測(cè)試助力新能源材料研發(fā)，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

主要的微納米力學(xué)測(cè)量技術(shù)：1、微納米壓痕測(cè)試技術(shù)，1.1壓入測(cè)試技術(shù)，壓人測(cè)試技術(shù)是較初的是表征各種材料力學(xué)性能較常用的方法之一,可以追溯到 20 世紀(jì)初的定量硬度測(cè)試方法。傳統(tǒng)的壓人測(cè)試技術(shù)是利用已知幾何形狀的硬壓頭以預(yù)設(shè)的壓人深度或者載荷作用到較軟的樣品表面,通過(guò)測(cè)量殘余壓痕的尺寸計(jì)算相關(guān)的硬度指數(shù)。但壓入測(cè)試技術(shù)的缺陷在所能夠表征的材料力學(xué)參量局限于硬度和彈性模量這2個(gè)基本的參量。1.2 微納米壓痕測(cè)試，近年來(lái)新型材料正在向低維化、功能化與復(fù)合化方向飛速發(fā)展，在微納米尺度作用區(qū)域上開(kāi)展微納米壓痕測(cè)試已被普遍用作評(píng)價(jià)材料因微觀結(jié)構(gòu)變化面誘發(fā)力學(xué)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(xué)參量也不再局限于硬度和彈性模量這2個(gè)基本的參量。納米力學(xué)測(cè)試需要使用專屬的納米力學(xué)測(cè)試儀器，如納米壓痕儀和納米拉伸儀等。福建科研院納米力學(xué)測(cè)試供應(yīng)

納米力學(xué)測(cè)試可應(yīng)用于納米材料、生物材料、涂層等領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)。上海涂層納米力學(xué)測(cè)試

較大壓痕深度1.5 μ m時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，其中納米硬度平均值為0.46GPa，而用傳統(tǒng)硬度計(jì)算方法得到的硬度平均值為0.580GPa，這說(shuō)明傳統(tǒng)硬度計(jì)算方法在微納米硬度測(cè)量時(shí)誤差較大，其原因就是在微納米硬度測(cè)量時(shí)，材料變形的彈性恢復(fù)造成殘余壓痕面積較小，傳統(tǒng)方法使得計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生了偏差，不能正確反映材料的硬度值。圖片通過(guò)對(duì)不同載荷下的納米硬度測(cè)量值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，單晶鋁的納米硬度值并不是恒定的， 而是在一定范圍內(nèi)隨著載荷（壓頭位移）的降低而逐漸增大，也就是存在壓痕尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。圖3反映了納米硬度隨壓痕深度的變化。較大壓痕深度1μm時(shí)單晶鋁彈性模量與壓痕深度的關(guān)系。此外，納米硬度儀還可以輸出接觸剛、實(shí)時(shí)載荷等隨壓頭位移的變化曲線，試驗(yàn)者可以從中獲得豐富的信息。上海涂層納米力學(xué)測(cè)試