纳米压痕技术也称深度敏感压痕技术(Depth-Sensing Indentation, DSI),是较简单的测试材料力学性质的方法之一,可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质,如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等。纳米压痕理论,纳米压痕试验中典型的载荷-位移曲线。在加载过程中试样表面首先发生的是弹性变形,随着载荷进一步提高,塑性变形开始出现并逐步增大;卸载过程主要是弹性变形恢复的过程,而塑性变形较终使得样品表面形成了压痕。图中Pmax 为较大载荷,hmax 为较大位移,hf为卸载后的位移,S为卸载曲线初期的斜率。纳米硬度的计算仍采用传统的硬度公式H =P/A。式中,H 为硬度 (GPa);P 为较大载荷 ( μ N),即上文中的 P max ;A 为压痕面积的投影(nm2 )。 纳米力学测试的结果对于预测纳米材料在实际应用中的表现具有重要参考价值。福建工业纳米力学测试服务
原位纳米力学测试系统(nanoindentation,instrumented-indentation testing,depth-sensing indentation,continuous-recording indentation,ultra low load indentation)是一类先进的材料表面力学性能测试仪器。该类仪器装有高分辨率的致动器和传感器,可以控制和监测压头在材料中的压入和退出,能提供高分辨率连续载荷和位移的测量。包括压痕硬度和划痕硬度两种工作模式,主要应用于测试各种薄膜(包括厚度小于100纳米的超薄膜、多层复合膜、抗磨损膜、润滑膜、高分子聚合物膜、生物膜等)、多相复合材料的基体本构和界面、金属阵列复合材料、类金刚石碳涂层(DLC)、半导体材料、MEMS、生物医学样品(包括骨、牙齿、血管等)和生物材料、等在nano水平上的力学特性,还可以进行纳米机械加工。通过探针压痕或划痕来获得材料微区的硬度、弹性模量、摩擦系数、磨损率、断裂刚度、失效、蠕变、应力释放、分层、粘附力(结合力)、存储模量、损失模量等力学数据。广东涂层纳米力学测试实验室纳米力学测试技术为纳米材料在航空航天、汽车制造等领域的应用提供了有力支持。
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。
FT-NMT03纳米力学测试系统可以配合SEM/FIB原位精确直接地测量纳米纤维的力学特性。微力传感器加载微力,纳米力学测试结合高分辨位置编码器可以对纳米纤维进行拉伸、循环、蠕变、断裂等形变测试。力-形变(应力-应变)曲线可以定量的表征纳米纤维的材料特性。此外,纳米力学测试结合样品架电连接,可以定量表征电-机械性质。位置稳定性,纳米力学测试对于纳米纤维的精确拉伸测试,纳米力学测试系统的位移是测试不稳定性的主要来源。图2展示了FT-NMT03纳米力学测试系统位移的统计学评价,从中可以找到每一个测试间隔内位移导致的不确定性,例如100s内为450pm,意思是65%(或95%)的概率,纳米力学测试系统在100s的时间间隔内的位移稳定性小于±450pm(或±900pm)。纳米力学测试旨在探究微观尺度下材料的力学性能,为科研和工业领域提供有力支持。
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。纳米力学测试可以用于研究纳米材料的界面行为和相互作用,为纳米材料的应用提供理论基础。深圳电线电缆纳米力学测试原理
测试内容丰富多样,包括硬度、弹性模量、摩擦系数等,助力材料研究。福建工业纳米力学测试服务
量子效应决定物理系统内个别原子间的相互作用力。在纳米力学中用一些原子间势能的平均数学模型引入量子效应。在经典多体动力学内加入原子间势能提供了纳米结构和原子尺寸决定性的力学模型。数据方法求解这些模型称为分子动力学(MD),有时称为分子力学。非决定性数字近似包括蒙特卡罗,动力蒙卡罗和其它方法。现代的数字工具也包括交叉通用近似,允许同时和连续利用原子尺寸的模型。发展这些复杂的模型是另一应用力学的研究课题。福建工业纳米力学测试服务