纳米科学与技术是近二十年来发展起来的一门前沿和交叉学科,纳米力学作为其中的一个分支,对其他分支学科如纳米材料学、物理学、生物医学等都有着重要的支撑作用。下面简要介绍一下目前应用较普遍的两类微纳米力学测试方法:纳米压痕方法和基于原子力显微镜的纳米力学测试方法。纳米压痕是20 世纪90 年代初期快速发展起来的一种微纳米力学测试方法,是研究微纳米尺度材料力学性能的重要方法之一,在科研和工业领域都有着普遍的应用。纳米压痕的压入深度在一般在纳米量级,远小于传统压痕的微米或毫米量级。限于光学显微镜的分辨率,无法直接对纳米压痕的尺寸进行精确测量。测试设置需精确控制实验条件,以消除外部干扰,确保实验结果的准确性。湖南高校纳米力学测试技术
除了采用弯曲振动模式进行测量外,Reinstadtler 等给出了探针扭转振动模式测量侧向接触刚度的理论基础。通过同时测量探针微悬臂的弯曲振动和扭转振动,Hurley 和Turner提出了一种同时测量各向同性材料杨氏模量、剪切模量和泊松比的方法。Killgore 等提出了利用软探针的高阶模态进行AFAM 定量化测试的方法,可以使探针施加在样品上的力减小到10 nN,极大地扩展了这一方法的应用范围。Killgore 和Hurley提出了一种新的脉冲接触共振的方法,将接触共振与脉冲力模式相结合,不只能测量探针的接触共振频率和品质因子,还可以测量针尖样品之间黏附力的大小。深圳纳米力学测试厂商借助纳米力学测试,可以评估材料在微观尺度下的耐磨性和耐蚀性。
中国计量学院朱若谷、浙江大学陈本永等提出了一种通过测量双法布里一boluo干涉仪透射光强基波幅值差或基波等幅值过零时间间隔的方法进行纳米测量的理论基础,给出了检测扫描探针振幅变化的新方法。中国科学院北京电子显微镜实验室成功研制了一台使用光学偏转法检测的原子力显微镜,通过对云母、光栅、光盘等样品的观测证明该仪器达到原子分辨率,较大扫描范围可达7μm×7μm。浙江大学卓永模等研制成功双焦干涉球面微观轮廓仪,解决了对球形表面微观轮廓进行亚纳米级的非接触精密测量问题,该系统具有0.1nm的纵向分辨率及小于2μm的横向分辨率。
原位纳米机械性能试验技术,原位纳米机械性能试验技术是一种应用超分辨显微学、纳米压痕技术等手段,通过独特的力学测试方法对纳米尺度下的材料机械性质进行测试的方法。相比于传统的拉伸、压缩等方法,原位纳米机械性能试验技术具有更高的精度和更丰富的信息,可以为纳米材料的研究提供更加详细的数据支持。随着纳米尺度下功能性材料的不断涌现,纳米力学测试将成为实现其合理设计的重要手段之一。原位纳米力学测量技术在纳米材料力学测试领域具有广阔的应用前景,它不只可以为纳米尺度下材料力学行为的实验研究提供详细的数据支撑,而且还可以为新材料的设计和开发提供指导。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。
纳米划痕法,纳米划痕硬度计主要是通过测量压头在法向和切向上的载荷和位移的连续变化过程,进而研究材料的摩擦性能、塑性性能和断裂性能的。纳米划痕仪器的设计主要有两种方案 纳米划痕计和压痕计,合二为一即划痕计的法向力和压痕深度由高分辨率的压痕计提供,同时记录匀速移动的试样台的位移,使压头沿试样表面进行刻划,切向力由压杆上的两个相互垂直的力传感器测量纳米划痕硬度计和压痕计相互单独。纳米划痕硬度计,不只可以研究材料的摩擦磨损行为,还普遍应用于薄膜的粘着失效和黏弹行为。对刻划材料来说,不只载荷和压入深度是重要的参数,而且残余划痕的深度、宽度、凸起的高度在研究接触压力和实际摩擦也是十分重要的。目前,该类仪器已普遍应用于各种电子薄膜、汽车喷漆、胶卷、光学镜 头、磁盘、化妆品(指甲油和口红)等的质量检测。纳米力学测试可以解决纳米材料在制备和应用过程中的力学问题,提高纳米材料的性能和稳定性。湖南高校纳米力学测试技术
纳米力学测试在生物医学领域的应用,有助于揭示生物分子和细胞结构的力学特性。湖南高校纳米力学测试技术
原子力显微镜(AFM),原子力显微镜(AtomicForce Microscopy,简称AFM)是一种常用的纳米级力学性质测试方法。它通过在纳米尺度下测量材料表面的力与距离之间的关系,来获得材料的力学性质信息。AFM的基本工作原理是利用一个具有纳米的探针对样品表面进行扫描,并测量在探针与样品之间的力的变化。使用AFM可以获得材料的力学性质参数,如纳米硬度、弹性模量和塑性变形等信息。此外,AFM还可以进行纳米级别的形貌表征,使得研究人员可以直观地观察到材料的表面形貌和结构。湖南高校纳米力学测试技术