湖南化工纳米力学测试实验室

借助电子显微镜(EM)的原位纳米力学测试法，利用扫描电子显微镜或透射电子显微镜(TEM)的高分辨率成像，在EM 真空腔内进行原位纳米力学测试，根据纳米试样在EM真空腔中加载方式不同分为谐振法和拉伸法。原位测试法的较大优点是能够在 SEM 中实时观测试样的失效引发过程，甚至能够用 TEM 对缺陷成核和扩展情况进行原子级分辨率的实时观测;缺点是需在 EM 真空腔内对纳米试样施加载荷，限制了其加载环境，并且加载力的检测还需其他装置才能完成。纳米力学测试可以揭示纳米材料在受力过程中的微观结构变化和能量耗散机制。湖南化工纳米力学测试实验室

纳米压痕仪简介，近年来，国内外研究人员以纳米压痕技术为基础，开发出多种纳米压痕仪，并实现了商品化，为材料的纳米力学性能检测提供了高效、便捷的手段。图片纳米压痕仪主要用于微纳米尺度薄膜材料的硬度与杨氏模量测试，测试结果通过力与压入深度的曲线计算得出，无需通过显微镜观察压痕面积。纳米压痕仪的基本组成可以分为控制系统、 移动线圈系统、加载系统及压头等几个部分。压头一般使用金刚石压头，分为三角锥或四棱锥等类型。试验时，首先输入初始参数，之后的检测过程则完全由微机自动控制，通过改变移动线圈系统中的电流，可以操纵加载系统和压头的动作，压头压入载荷的测量和控制通过应变仪来完成，同时应变仪还将信号反馈到移动线圈系统以实现闭环控制，从而按照输入参数的设置完成试验。黑龙江材料科学纳米力学测试在进行纳米力学测试前，需要对测试样品进行表面处理和尺寸测量，以确保测试结果的准确性。

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。

经过三十年的发展，目前科学家在AFM 基础上实现了多种测量和表征材料不同性能的应用模式。利用原子力显微镜，人们实现了对化学反应前后化学键变化的成像，研究了化学键的角对称性质以及分子的侧向刚度。Ternes 等测量了在材料表面移动单个原子所需要施加的作用力。各种不同的应用模式可以获得被测样品表面纳米尺度力、热、声、电、磁等各个方面的性能。基于AFM 的定量化纳米力学测试方法主要有力—距离曲线测试、扫描探针声学显微术和基于轻敲模式的动态多频技术。通过纳米力学测试，可以测量纳米材料的弹性模量、硬度和断裂韧性等力学性能。

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。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。原位纳米力学测试厂商

纳米力学测试可以应用于纳米材料的研究和开发，以及纳米器件的设计和制造。湖南化工纳米力学测试实验室

金属玻璃纳米线的热机械蠕变测试，金属玻璃由于其独特的力学性能，如高弹性极限和高断裂韧性，而受到越来越多的关注。而且，其宽的过冷液态区间开启了超塑成形的材料加工工艺。因此定量研究金属玻璃的热机械行为是至关重要的。右图显示了针对金属玻璃超塑性性能的研究。金属玻璃纳米线通过Pt基电子束沉积方法固定在FT-S微力传感探针和样品台之间。在进行蠕变测试时（施加固定拉伸力来测量样品的形变量），纳米力学测试采用对纳米线通电加热来控制纳米线温度。这样可测试纳米线在不同温度下的热机械蠕变性能。湖南化工纳米力学测试实验室