广州科研院纳米力学测试服务

摘要 随着科学技术的发展进步，材料的研发和生产应用进入了微纳米尺度，微纳米材料凭借其出色的性能被人们普遍应用于科研和生产生活的各方各面。与此同时，人们正深入研究探索微纳米尺度的材料力学性能参数测量技术方法，以满足微纳米材料的飞速发展和应用需求。微纳米力学测量技术的应用背景，随着材料的研发生产和应用进入微纳米尺度,以往的通过宏观的力学测量手段已不适用于测量微纳米薄膜和器件的力学性能参数的测量。近年来，微纳米压入和划痕等力学测量手段随着微纳米材料的发展和应用，在半导体薄膜和器件、功能薄膜、新能源材料、生物材料等领域应用愈发普遍，因此亟待建立基于微纳米尺度的材料力学性能参数测量的技术体系。纳米力学测试需要使用专属的纳米力学测试仪器，如纳米压痕仪和纳米拉伸仪等。广州科研院纳米力学测试服务

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。湖北核工业纳米力学测试系统纳米力学测试的发展促进了纳米材料及其应用领域的快速发展和创新。

常把纳米力学当纳米技术的一个分支，即集中在工程纳米结构和纳米系统力学性质的应用面。纳米系统的例子，包括纳米颗粒，纳米粉，纳米线，纳米棍，纳米带，纳米管，包括碳纳米管和硼氮纳米管，单壳，纳米膜，纳米包附，纳米复合物/纳米结构材料（有纳米颗粒分散在内的液体），纳米摩托等。纳米力学一些已确立的领域是：纳米材料，纳米摩檫学（纳米范畴的摩檫，摩损和接触力学），纳米机电系统，和纳米应用流体学（Nanofluidics）。作为基础科学，纳米力学是以经验原理（基本观察）为基础。包括：1.一般力学原理；2.由于研究或探索的物体变小而出现的一些特别原理。

纳米力学性能测试系统是一款可在SEM/FIB中对微纳米材料和结构的力学性能进行原位、直接而准确测量的纳米机器人系统。测试原理是通过微力传感探针对微纳结构施加可控的力,同时采用位移记录器来测量该结构的形变。从测得的力和形变(应力-应变)曲线可以定量地分析微纳米结构的力学性能。通过控制加载力的大小和方向,可实现拉伸、压缩、断裂、疲劳和蠕变等各种力学测试。同时,其配备的导电样品测试平台可以对微纳米结构的电学和力学性能进行同步测试。纳米力学测试技术的发展离不开多学科交叉融合和创新研究团队的共同努力。

纳米力学从研究的手段上可分为纳观计算力学和纳米实验力学。纳米计算力学包括量子力学计算方法、分子动力学计算和跨层次计算等不同类型的数值模拟方法。纳米实验力学则有两层含义:一是以纳米层次的分辨率来测量力学场，即所谓的材料纳观实验力学;二是对特征尺度为1-100nm之间的微细结构进行的实验力学研究，即所谓的纳米材料实验力学。纳米实验力学研究有两种途径:一是对常规的硬度测试技术、云纹法等宏观力学测试技术进行改造，使它们能适应纳米力学测量的需要;另一类是创造如原子力显微镜、摩擦力显微镜等新的纳米力学测量技术建立新原理、新方法。纳米力学测试可以帮助研究人员了解纳米材料的力学行为，从而指导纳米材料的设计和应用。广州科研院纳米力学测试服务

纳米力学测试可用于研究纳米颗粒在胶体、液态等介质中的相互作用行为。广州科研院纳米力学测试服务

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)。广州科研院纳米力学测试服务