湖北表面微纳米力学测试仪

目前纳米压痕在科研界和工业界都得到了普遍的应用，但是它仍然存在一些难以克服的缺点，比如纳米压痕实际上是对材料有损的测试，尤其是对于薄膜来说；其压针的曲率半径一般在50 nm 以上，由于分辨率的限制，不能对更小尺度的纳米结构进行测试；纳米压痕的扫描功能不强，扫描速度相对较慢，无法捕捉材料在外场作用下动态性能的变化。基于AFM 的纳米力学测试方法是另一类被普遍应用的测试方法。1986 年，Binnig 等发明了头一台原子力显微镜(AFM)。AFM 克服了之前扫描隧道显微镜(STM) 只能对导电样品或半导体样品进行成像的限制，可以实现对绝缘体材料表面原子尺度的成像，具有更普遍的应用范围。AFM 利用探针作为传感器对样品表面进行测试，不只可以获得样品表面的形貌信息，还可以实现对材料微区物理、化学、力学等性质的定量化测试。目前，AFM 普遍应用于物理学、化学、材料学、生物医学、微电子等众多领域。通过纳米力学测试，可以优化材料的加工工艺，提高产品的性能和品质。湖北表面微纳米力学测试仪

国内的江西省科学院、清华大学、南昌大学等采用扫描探针显微镜系列，如扫描隧道显微镜、原子力显微镜等，对高精度纳米和亚纳米量级的光学超光滑表面的粗糙度和微轮廓进行测量研究。天津大学刘安伟等在量子隧道效应的基础上，建立了适用于平坦表面的扫描隧道显微镜微轮廓测量的数学模型，仿真结果较好地反映了扫描隧道显微镜对样品表面轮廓的测量过程。清华大学李达成等研制成功在线测量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉仪，该仪器以稳频半导体激光器作为光源，共光路设计提高了抗外界环境干扰的能力，其纵向和横向分辨率分别为0．39nm和0．73μm。李岩等提出了一种基于频率分裂激光器光强差法的纳米测量原理。湖北表面微纳米力学测试仪纳米力学测试是一种用于研究纳米尺度材料力学性质的实验方法。

微纳米材料力学性能测试系统可移动范围：250mm x 150mm；步长分辨率：50nm；Encoder 分辨率：500nm；较大移动速率：30mm/S；Z stage。可移动范围：50mm；步长分辨率：3nm；较大移动速率：1.9mm/S。原位成像扫描范围。XY 方向：60μm x 60μm；Z 方向：4μm；成像分辨率：256 x 256 像素点；扫描速率：3Hz；压头原位的位置控制精度：＜+/-10nm；较大样品尺寸：150mm- 200mm。纳米压痕试验：测试硬度及弹性模量（包括随着连续压入深度的变化获得硬度和弹性模量的分布）以及断裂韧性、蠕变、应力释放等。 纳米划痕试验：获得摩擦系数、临界载荷、膜基结合性质。纳米摩擦磨损试验 ：评价抗磨损能力。在压痕、划痕、磨损前后的SPM原位扫描探针成像: 获得微区的形貌组织结构。

AFAM 方法较早是由德国佛罗恩霍夫无损检测研究所Rabe 等在1994 年提出的。1996 年Rabe 等详细分析了探针自由状态以及针尖与样品表面接触情况下微悬臂的动力学特性，建立了针尖与样品接触时共振频率与接触刚度之间的定量化关系。之后，他们还给出了考虑针尖与样品侧向接触、针尖高度及微悬臂倾角影响的微悬臂振动特征方程。他们在这方面的主要工作奠定了AFAM 定量化测试的理论基础。Reinstaedtler 等利用光学干涉法对探针悬臂梁的振动模态进行了测量。Turner 等采用解析方法和数值方法对比了针尖样品之间分别存在线性和非线性相互作用时，点质量模型和Euler-Bernoulli 梁模型描述悬臂梁动态特性的异同。纳米力学测试还可以揭示纳米材料的表面特性和表面反应动力学。

英国：国家物理研究所对各种纳米测量仪器与被测对象之间的几何与物理间的相互作用进行了详尽的研究，绘制了各种纳米测量仪器测量范围的理论框架，其研制的微形貌纳米测量仪器测量范围是0．01n m～3n m和0．3n m～100n m。Warwick大学的Chetwynd博士利用X光干涉仪对长度标准用的波长进行细分研究，他利用薄硅片分解和重组X光光束来分析干涉图形，从干涉仪中提取的干涉条纹与硅晶格有相等的间距，该间距接近0．2nm，他依此作为校正精密位移传感器的一种亚纳米尺度。Queensgate仪器公司设计了一套纳米定位装置，它通过压电驱动元件和电容位置传感器相结合的控制装置达到纳米级的分辨率和定位精度。借助纳米力学测试，可以评估材料在微观尺度下的耐磨性和耐蚀性。国产纳米力学测试实验室

纳米力学测试结果有助于优化材料设计，提升产品性能，降低生产成本。湖北表面微纳米力学测试仪

原位纳米力学测试系统是一种用于材料科学领域的仪器，于2011年10月27日启用。压痕测试单元：（1）可实现70nN~30mN不同加载载荷，载荷分辨率为3nN；（2）位移分辨率：0.006nm，较小位移：0.2nm，较大位移：5um；（3）室温热漂移：0.05nm/s；（4）更换压头时间：60s。能够实现薄膜或其他金属或非金属材料的压痕、划痕、摩擦磨损、微弯曲、高温测试及微弯曲、NanoDMA、模量成像等功能。力学测试芯片大小只为几平方毫米，亦可放置在电子显微镜真空腔中进行原位实时检测。湖北表面微纳米力学测试仪