纳米云纹法,云纹法是在20世纪60年代兴起的物体表面全场变形的测量技术。从上世纪80年代以来,高频率光栅制作技术已经日趋成熟。目前高精度云纹干涉法通常使用的高密度光栅频率已达到600~2400线mm,其测量位移灵敏度比传统的云纹法高出几十倍甚至上百倍。近年来云纹法的研究热点已进入微纳尺度的变形测量,并出现与各种高分辨率电镜技术、扫描探针显微技术相结合的趋势。显微几何云纹法,在光学显微镜下通过调整放大倍数将栅线放大到频率小于40线/mm,然后利用分辨率高的感光胶片分别记录变形前后的栅线,两种栅线干涉后即可获得材料表面纳米级变形的云纹。纳米力学测试在纳米器件的设计和制造中具有重要作用。湖北高精度纳米力学测试方法
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。河南新能源纳米力学测试纳米力学测试可以解决纳米材料在制备和应用过程中的力学问题,提高纳米材料的性能和稳定性。
纵观纳米测量技术发展的历程,它的研究主要向两个方向发展:一是在传统的测量方法基础上,应用先进的测试仪器解决应用物理和微细加工中的纳米测量问题,分析各种测试技术,提出改进的措施或新的测试方法;二是发展建立在新概念基础上的测量技术,利用微观物理、量子物理中较新的研究成果,将其应用于测量系统中,它将成为未来纳米测量的发展趋向。但纳米测量中也存在一些问题限制了它的发展。建立相应的纳米测量环境一直是实现纳米测量亟待解决的问题之一,而且在不同的测量方法中需要的纳米测量环境也是不同的。对纳米材料和纳米器件的研究和发展来说,表征和检测起着至关重要的作用。由于人们对纳米材料和器件的许多基本特征、结构和相互作用了解得还不很充分,使其在设计和制造中存在许多的盲目性,现有的测量表征技术就存在着许多问题。此外,由于纳米材料和器件的特征长度很小,测量时产生很大扰动,以至产生的信息并不能完全表示其本身特性。这些都是限制纳米测量技术通用化和应用化的瓶颈,因此,纳米尺度下的测量无论是在理论上,还是在技术和设备上都需要深入研究和发展。
力—距离曲线测试分为准静态模式和动态模式,实际应用中采用较多的是准静态模式下的力-距离曲线测试。由力—距离曲线测试可以获得样品表面的力学性能及黏附的信息。利用接触力学模型对力—距离曲线进行拟合,可以获得样品表面的弹性模量。力—距离曲线测试与纳米压痕相比,可以施加更小的作用力(nN量级),较好地避免了对生物软材料的损害,极大地降低了基底对薄膜力学性能测试的影响。力—距离曲线测试普遍应用于聚合物材料和生物材料的纳米力学性能测试,很多研究者利用此方法获得了细胞的模量信息。力—距离曲线阵列测试可以获得测试区域内力学性能的分布,但是分辨率较低,且测试时间较长。另外,力—距离曲线一般只对软材料才比较有效。图2 是通过力—距离曲线阵列测试获得的细胞力学性能(模量) 的分布。利用纳米力学测试,研究人员可揭示材料内部缺陷、应力分布等关键信息。
借助原子力显微镜(AFM)的纳米力学测试法,利用原子力显微镜探针的纳米操纵能力对一维纳米材料施加弯曲或拉伸载荷。施加弯曲载荷时,原子力显微镜探针作用在一维纳米悬臂梁结构高自山端國双固支结构的中心位置,弯曲挠度和载荷通过原子力显微镜探针悬曾梁的位移和悬臂梁的刚度获取,依据连续力学理论,由试样的载荷一挠度曲线获得其弹性模量、强度和韧性等力学性能参数。这种方法加载机理简单,相对拉伸法容易操作,缺点是原子力显微镜探针的尺寸与被测纳米试样相比较大,挠度较大时探针的滑动以及试样中心位置的对准精度严重影响测试精度3、借助微机电系统(MEMS)技术的片上纳米力学测试法基于 MEMS 的片上纳米力学测试法采用 MEMS 微加工工艺将微驱动单元、微传感单元或试样集成在同一芯片上,通过微驱动单元对试样施加载荷,微位移与微力检测单元检测试样变形与加载力,进面获取试样的力学性能。在生物医学领域,纳米力学测试有助于了解细胞与纳米材料的相互作用机制。深圳微电子纳米力学测试应用
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。湖北高精度纳米力学测试方法
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。湖北高精度纳米力学测试方法