有限元数值分析方面,Hurley 等分别基于解析模型和有限元模型两种数据分析方法测量了铌薄膜的压入模量,并进行了对比。Espinoza-Beltran 等考虑探针微悬臂的倾角、针尖高度、梯形横截面、材料各向异性等的影响,给出了一种将实验测试和有限元优化分析相结合,确定针尖样品面外和面内接触刚度的方法。有限元分析方法综合考虑了实际情况中的多种影响因素,精度相对较高。Kopycinska-Muller 等研究了AFAM 测试过程中针尖样品微纳米尺度下的接触力学行为。Killgore 等提出了一种通过检测探针接触共振频率变化对针尖磨损进行连续测量的方法。纳米力学测试在材料设计和产品开发中发挥着重要作用,能够提供关键的力学性能参数。甘肃半导体纳米力学测试
纳米压痕获得的材料信息也比较丰富,既可以通过静态力学性能测试获得材料的硬度、弹性模量、断裂韧性、相变(畴变) 等信息,也可以通过动态力学性能测试获得被测样品的存储模量、损耗模量或损耗因子等。另外,动态纳米压痕技术还可以实现对材料微纳米尺度存储模量和损耗模量的模量成像(modulus mapping)。图1 是美国Hysitron 公司生产的TI-900 Triboindenter 纳米压痕仪的实物图。纳米压痕作为一种较通用的微纳米力学测试方法,目前仍然有不少研究者致力于对其方法本身的改进和发展。湖北科研院纳米力学测试供应通过纳米力学测试,我们可以评估纳米材料在极端环境下的稳定性和耐久性。
纳米力学从研究的手段上可分为纳观计算力学和纳米实验力学。纳米计算力学包括量子力学计算方法、分子动力学计算和跨层次计算等不同类型的数值模拟方法。纳米实验力学则有两层含义:一是以纳米层次的分辨率来测量力学场,即所谓的材料纳观实验力学;二是对特征尺度为1-100nm之间的微细结构进行的实验力学研究,即所谓的纳米材料实验力学。纳米实验力学研究有两种途径:一是对常规的硬度测试技术、云纹法等宏观力学测试技术进行改造,使它们能适应纳米力学测量的需要;另一类是创造如原子力显微镜、摩擦力显微镜等新的纳米力学测量技术建立新原理、新方法。
在黏弹性力学性能测试方面,Yuya 等发展了AFAM 黏弹性力学性能测试的理论基础。随后,Killgore 等将单点测试拓展到成像测试,对二元聚合物的黏弹性力学性能进行了定量化成像,获得了存储模量和损耗模量的分布图。Hurley 等发展了一种不需要进行中间的校准测试过程而直接测量损耗因子的方法。Tung 等采用二维流体动力学函数,考虑探针接近样品表面时的阻尼和附加质量效应以及与频率相关的流体动力载荷,对黏弹性阻尼损耗测试进行了修正。周锡龙等研究了探针不同阶模态对黏弹性测量灵敏度的影响,提出了一种利用软悬臂梁的高阶模态进行黏弹性力学性能测试的方法。纳米力学测试可以帮助研究人员了解纳米材料的力学响应机制,从而推动纳米科学的发展。
即使源电阻大幅降低至1MW,对一个1mV的信号的测量也接近了理论极限,因此要使用一个普通的数字多用表(DMM)进行测量将变得十分困难。除了电压或电流灵敏度不够高之外,许多DMM在测量电压时的输入偏移电流很高,而相对于那些纳米技术[3]常常需要的、灵敏度更高的低电平DC测量仪器而言,DMM的输入电阻又过低。这些特点增加了测量的噪声,给电路带来不必要的干扰,从而造成测量的误差。系统搭建完毕后,必须对其性能进行校验,而且消除潜在的误差源。误差的来源可以包括电缆、连接线、探针[5]、沾污和热量。下面的章节中将对降低这些误差的一些途径进行探讨。利用大数据和人工智能技术,优化纳米力学测试结果分析,提升研究效率。河南微纳米力学测试
在纳米力学测试中,常用的测试方法包括纳米压痕测试、纳米拉伸测试和纳米弯曲测试等。甘肃半导体纳米力学测试
AFAM 方法提出之后,不少研究者对方法的准确度和灵敏度方面进行了研究。Hurley 等分析了空气湿度对AFAM 定量化测量结果的影响。Rabe 等分析了探针基片对AFAM 定量化测量的影响。Hurley 等详细对比了AFAM 单点测试与纳米压痕以及声表面波谱方法的测试原理、空间分辨率、适用性及测试优缺点等。Stan 等提出一种双参考材料的方法,此方法不需要了解针尖的力学性能,可以在一定程度上提高测试的准确度。他们还提出了一种基于多峰接触的接触力学模型,在一定程度上可以提高测试的准确度。Turner 等通过严格的理论推导研究了探针不同阶弯曲振动和扭转振动模态的灵敏度问题。Muraoka提出一种在探针微悬臂末端附加集中质量的方法,以提高测试灵敏度。Rupp 等对AFAM测试过程中针尖样品之间的非线性相互作用进行了研究。甘肃半导体纳米力学测试
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