四川纳米力学测试系统

纳米压痕法：纳米压痕硬度法是一类测量材料表面力学性能 的先进技术。其原理是在加载过程中 试样表面在压头作用下首先发生弹性变形，随着载荷的增加试样开始发生塑性变形，加载曲线呈非线性，卸载曲线反映被测物体的弹性恢复过程。通过分析加卸载曲线可以得到材料的硬度和弹性模量等参量。纳米压痕法不只可以测量材料的硬度和弹性模量，还可以根据压头压缩过程中脆性材料产生的裂纹估算材料的断裂韧性，根据材料的位移压力曲线与时间的相关性获悉材料的蠕变特性。除此之外，纳米压痕法还用于纳米膜厚度、微结构，如微梁的刚度与挠度等的测量。纳米力学测试在生物医学领域，助力研究细胞力学行为，揭示疾病发生机制。四川纳米力学测试系统

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 )。 重庆材料科学纳米力学测试纳米力学测试可以应用于纳米材料的研究和开发，以及纳米器件的设计和制造。

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)。

一般力学原理包括：。能量和动量守恒原理；。哈密顿变分原理；。对称原理。由于研究的物体小，纳米力学也要考虑：。当物体尺寸和原子距离可比时，物体的离散性；。物体内自由度的多样性和有限性。。热胀落的重要性；。熵效应的重要性；。量子效应的重要性。这些原理可提供对纳米物体新异性质深入了解。新异性质是指这种性质在类似的宏观物体没有或者很不相同。特别是，当物体变小，会出现各种表面效应，它由纳米结构较高的表面与体积比所决定。这些效应影晌纳米结构的机械能和热学性质（熔点，热容等）例如，由于离散性，固体内机械波要分散，在小区域内，弹性力学的解有特别的行为。自由度大引起热胀落是纳米颗粒通过潜在势垒产生热隧道及液体和固体交错扩散的理由。小和热涨落提供了纳米颗粒布朗运动的基本理由。在纳米范围增加了热涨落重要性和结构熵，使纳米结构产生超弹性，熵弹性（熵力）和其它新弹性。开放纳米系统的自组织和合作行为中，结构熵也令人产生很大兴趣。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。

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。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。四川纳米力学测试系统

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。四川纳米力学测试系统

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。四川纳米力学测试系统