AFAM 的基本原理是利用探针与样品的接触振动来对材料纳米尺度的弹性性能进行成像或测量。AFAM 于20 世纪90 年代中期由德国萨尔布吕肯无损检测研究所的Rabe 博士(女) 首先提出,较初为单点测量模式。2000 年前后,她们采用逐点扫频的方式实现了模量成像功能,但是成像的速度很慢,一幅128×128 像素的图像需要大约30min,导致图像的热漂移比较严重。2005 年,美国国家标准局的Hurley 博士(女) 采用DSP 电路控制扫频和探针的移动,将成像速度提高了4~5倍(一幅256×256 像素的图像需要大约25min)。纳米力学测试对于材料科学研究至关重要,能够精确测量纳米尺度下的力学性质。深圳纺织纳米力学测试模块
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。海南金属纳米力学测试厂家纳米力学测试可以解决纳米材料在微纳尺度下的力学问题,为纳米器件的设计和制造提供支持。
应用举例:纳米纤维拉伸测试,纳米力学测试单轴拉伸测试是纳米纤维定量力学分析较常见的方法。用Pt-EBID将纳米纤维两端分别固定在FT-S微力传感探针和样品架上,拉伸直至断裂。从应力-应变曲线计算得到混合纳米纤维的平均屈服/极限拉伸强度为375MPa/706Mpa,金纳米纤维的平均屈服/极限拉伸强度为451MPa/741Mpa。对单根纳米纤维进行各种机械性能的定量测试需要通用性极高的仪器。这类设备必须能进行纳米机器人制样和力学测试。并且由于纳米纤维轴向形变(延长)小,高位移分辨率和优异的位置稳定性(位置漂移小)对于精确一定测量是至关重要的。
微纳米材料研究中用到的一些现代测试技术:电子显微法,电子显微技术是以电子显微镜为研究手段来分析材料的一种技术。电子显微镜拥有高于光学显微镜的分辨率,可以放大几十倍到几十万倍的范围,在实验研究中具有不可替代的意义,推动了众多领域研究的进程。电子显微技术的光源为电子束,通过磁场聚焦成像或者静电场的分析技术才达成高分辨率的效果、利用电子显微镜可以得到聚焦清晰的图像, 有利于研究人员对于实验结果进行观察分析。纳米力学测试可以帮助解决材料在实际使用过程中遇到的损伤和磨损问题。
在AFAM 测试系统开发方面,Hurley 等开发了一套基于快速数字信号处理的扫频模式共振频率追踪系统。这一测试系统可以根据上一像素点的接触共振频率自动调整扫描频率的上下限。随后,他们又开发出一套称为SPRITE(scanning probe resonance image tracking electronics) 的测试系统,可以同时对探针两阶模态的接触共振频率和品质因子进行成像,并较大程度上提高成像速度。Rodriguez 等开发了一种双频共振频率追踪(dual frequency resonance tracking,DFRT) 的方法,此种方法应用于AFAM 定量化成像中,可以同时获得探针的共振频率和品质因子。日本的Yamanaka 等利用PLL(phase locked loop) 电路实现了UAFM 接触共振频率追踪。纳米力学测试技术的发展为纳米材料在能源、环保等领域的应用提供了更多可能性。深圳纺织纳米力学测试模块
纳米力学测试可以应用于纳米材料的力学模拟和仿真,加速纳米材料的研发和应用过程。深圳纺织纳米力学测试模块
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。深圳纺织纳米力学测试模块