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。纳米力学测试可用于研究纳米颗粒在胶体、液态等介质中的相互作用行为。广西工业纳米力学测试模块
纳米纤维已经展现出各种有趣的特性,除了高比表面积-体积比,纳米纤维相比于块状材料,沿主轴方向有更突出的力学特性。因此纳米纤维在复合材料、纤维、支架(组织工程学)、药物输送、创伤敷料或纺织业等领域是一种非常有应用前景的材料。纳米纤维机械性能(刚度、弹性变形范围、极限强度、韧性)的定量表征对理解其在目标应用中的性能非常重要,而测量这些参数需要高度专业画的仪器,必须具备以下功能:以亚纳米的分辨率测量非常小的变形;在测量的时间量程(例如100 s)内在纳米级的位移下保持高度稳定的测量系统;以亚纳米分辨率测量微小力;处理(捡取-放置)纳米纤维并将其放置在机械测试仪器上。广州涂层纳米力学测试模块纳米力学测试可以用于评估纳米材料的热力学性能,为纳米材料的应用提供参考依据。
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。
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。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。
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。纳米力学测试对于理解纳米材料在极端条件下的力学行为具有重要意义,如高温、高压等。广州涂层纳米力学测试模块
纳米力学测试可以帮助研究人员了解纳米材料的力学行为,从而指导纳米材料的设计和应用。广西工业纳米力学测试模块
2005 年,中国科学院上海硅酸盐研究所的曾华荣研究员在国内率先单独开发出定频成像模式的AFAM,但不能测量模量。随后,同济大学、北京工业大学等单位也对这种成像模式进行了研究。2011 年初,我们研究组将双频共振追踪技术用于AFAM,实现了快速的纳米模量成像(一幅256×256 像素的图像只需1~2min),并对其准确度和灵敏度进行了系统研究。较近几年,AFAM 引起了越来越多国内外学者的关注。然而,相对于其他AFM 模式,AFAM 的测量原理涉及梁振动力学和接触力学,初学者不容易掌握。广西工业纳米力学测试模块