广东材料科学纳米力学测试应用

目前微纳米力学性能测试方法的发展趋势主要向快速定量化以及动态模式发展，测试对象也越来越多地涉及软物质、生物材料等之前较难测试的样品。另外，纳米力学测试方法的标准化也在逐步推进。建立标准化的纳米力学测试方法标志着相关测试方法的逐渐成熟，对纳米科学和技术的发展也具有重要的推动作用。绝大多数的纳米力学测试都需要复杂的样品制备过程。为了使样品制备简单化和人性化,FT-NMT03采用能够感知力的微镊子和不同形状的微力传感探针针尖来实现对微纳结构的精确提取、转移直至将其固定在测试平台上。总而言之,集中纳米操作以及力学-电学性能同步测试功能于一体的FT-NMT03能够满足几乎所有的纳米力学测试需求。纳米压痕技术作为一种常见测试方法，可实时监测材料在微观层面的力学性能。广东材料科学纳米力学测试应用

德国：T．Gddenhenrich等研制了电容式位移控制微悬臂原子力显微镜。在PTB进行了一系列称为1nm级尺寸精度的计划项目，这些研究包括：①．提高直线和角度位移的计量；②．研究高分辨率检测与表面和微结构之间的物理相互作用，从而给出微形貌、形状和尺寸的测量。已完成亚纳米级的一维位移和微形貌的测量。中国计量科学研究院研制了用于研究多种微位移测量方法标准的高精度微位移差拍激光干涉仪。中国计量科学研究院、清华大学等研制了用于大范围纳米测量的差拍法―珀干涉仪，其分辨率为0．3nm，测量范围±1．1μm，总不确定度优于3．5nm。中国计量学院朱若谷提出了一种能补偿环境影响、插入光纤传光介质的补偿式光纤双法布里―珀罗微位移测量系统，适合于纳米级微位移测量，可用于检定其它高精度位移传感器、几何量计量等。湖北涂层纳米力学测试设备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。

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。

微纳米材料力学性能测试系统可移动范围：250mm x 150mm；步长分辨率：50nm；Encoder 分辨率：500nm；较大移动速率：30mm/S；Z stage。可移动范围：50mm；步长分辨率：3nm；较大移动速率：1.9mm/S。原位成像扫描范围。XY 方向：60μm x 60μm；Z 方向：4μm；成像分辨率：256 x 256 像素点；扫描速率：3Hz；压头原位的位置控制精度：＜+/-10nm；较大样品尺寸：150mm- 200mm。纳米压痕试验：测试硬度及弹性模量（包括随着连续压入深度的变化获得硬度和弹性模量的分布）以及断裂韧性、蠕变、应力释放等。 纳米划痕试验：获得摩擦系数、临界载荷、膜基结合性质。纳米摩擦磨损试验 ：评价抗磨损能力。在压痕、划痕、磨损前后的SPM原位扫描探针成像: 获得微区的形貌组织结构。纳米力学测试还可以揭示纳米材料的表面特性和表面反应动力学。

主要的微纳米力学测量技术：1、微纳米压痕测试技术，1.1压入测试技术，压人测试技术是较初的是表征各种材料力学性能较常用的方法之一,可以追溯到 20 世纪初的定量硬度测试方法。传统的压人测试技术是利用已知几何形状的硬压头以预设的压人深度或者载荷作用到较软的样品表面,通过测量残余压痕的尺寸计算相关的硬度指数。但压入测试技术的缺陷在所能够表征的材料力学参量局限于硬度和弹性模量这2个基本的参量。1.2 微纳米压痕测试，近年来新型材料正在向低维化、功能化与复合化方向飞速发展，在微纳米尺度作用区域上开展微纳米压痕测试已被普遍用作评价材料因微观结构变化面诱发力学性能变化以及获得材料物性转变等新现象、新规律的重要工具。所能够表征的材料力学参量也不再局限于硬度和弹性模量这2个基本的参量。解决方案之一：采用新型纳米材料，提高力学性能，拓宽应用范围。广东材料科学纳米力学测试应用

通过纳米力学测试，可以测量材料的硬度、弹性模量、粘附性等关键参数。广东材料科学纳米力学测试应用

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。广东材料科学纳米力学测试应用