原位纳米力学测试原理

随着精密、 超精密加工技术的发展，材料在纳米尺度下的力学特性引起了人们的极大关注研究。而传统的硬度测量方法只适于宏观条件下的研究和应用，无法用于测量压痕深度为纳米级或亚微米级的硬度( 即所谓纳米硬度，nano- hardness) 。近年来，测量纳米硬度一般采用新兴的纳米压痕技术 (nano-indentation)，由于采用纳米压痕技术可以在极小的尺寸范围内测试材料的力学性能，除了塑性性质外，还可反映材料的弹性性质，因此得到了越来越普遍的应用。原子力显微镜（AFM）在纳米力学测试中发挥着重要作用，可实现高分辨率成像。原位纳米力学测试原理

纳米压痕法：纳米压痕硬度法是一类测量材料表面力学性能 的先进技术。其原理是在加载过程中 试样表面在压头作用下首先发生弹性变形，随着载荷的增加试样开始发生塑性变形，加载曲线呈非线性，卸载曲线反映被测物体的弹性恢复过程。通过分析加卸载曲线可以得到材料的硬度和弹性模量等参量。纳米压痕法不只可以测量材料的硬度和弹性模量，还可以根据压头压缩过程中脆性材料产生的裂纹估算材料的断裂韧性，根据材料的位移压力曲线与时间的相关性获悉材料的蠕变特性。除此之外，纳米压痕法还用于纳米膜厚度、微结构，如微梁的刚度与挠度等的测量。江西科研院纳米力学测试实验室解决方案之一：采用新型纳米材料，提高力学性能，拓宽应用范围。

纳米力学性能测试系统是一款可在SEM/FIB中对微纳米材料和结构的力学性能进行原位、直接而准确测量的纳米机器人系统。测试原理是通过微力传感探针对微纳结构施加可控的力,同时采用位移记录器来测量该结构的形变。从测得的力和形变(应力-应变)曲线可以定量地分析微纳米结构的力学性能。通过控制加载力的大小和方向,可实现拉伸、压缩、断裂、疲劳和蠕变等各种力学测试。同时,其配备的导电样品测试平台可以对微纳米结构的电学和力学性能进行同步测试。

纳米科学与技术是近二十年来发展起来的一门前沿和交叉学科，纳米力学作为其中的一个分支，对其他分支学科如纳米材料学、物理学、生物医学等都有着重要的支撑作用。下面简要介绍一下目前应用较普遍的两类微纳米力学测试方法：纳米压痕方法和基于原子力显微镜的纳米力学测试方法。纳米压痕是20 世纪90 年代初期快速发展起来的一种微纳米力学测试方法，是研究微纳米尺度材料力学性能的重要方法之一，在科研和工业领域都有着普遍的应用。纳米压痕的压入深度在一般在纳米量级，远小于传统压痕的微米或毫米量级。限于光学显微镜的分辨率，无法直接对纳米压痕的尺寸进行精确测量。纳米力学测试的前沿研究方向包括多功能材料力学、纳米结构动力学等领域。

纳米测量技术是利用改制的扫描隧道显微镜进行微形貌测量，这个技术已成功的应用于石墨表面和生物样本的纳米级测量。国外于1982年发明并使其发明者Binnig和Rohrer（美国）荣获1986年物理学诺贝尔奖的扫描隧道显微镜（STM）。1986年，Binnig等人利用扫描隧道显微镜测量近10－18N的表面力，将扫描隧道显微镜与探针式轮廓仪相结合，发明了原子力显微镜，在空气中测量，达到横向精度3n m和垂直方向0．1n m的分辨率。California大学S．Alexander等人利用光杠杆实现的原子力显微镜初次获得了原子级分辨率的表面图像。在进行纳米力学测试时，需要选择合适的测试方法和参数，以确保测试结果的准确性和可靠性。原位纳米力学测试原理

纳米力学测试技术的发展推动了纳米材料和纳米器件的性能优化。原位纳米力学测试原理

随着纳米技术的迅速发展，对薄膜、纳米材料的力学性质的测量成为了一个重要的课题，然而由于尺寸的限制，传统的拉伸试验等力学测试方法很难在纳米尺度下得到准确的结果。而原位纳米力学测量技术的出现，为解决纳米尺度下材料力学性质的测试问题提供了新的思路和手段。原位纳米压痕技术，原位纳米压痕技术是一种应用比较普遍的力学测试方法，其基本原理是用尖头压在待测材料表面，通过测量压头的形变等参数来推算出待测材料的力学性质。由于其具有样品尺寸、压头设计等方面的优点，原位纳米压痕技术已经被普遍应用于纳米材料力学测试领域。原位纳米力学测试原理