湖南表面微納米力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室

特點(diǎn)：能同時(shí)實(shí)現(xiàn)SEM/FIB高分辨成像和納米力學(xué)性能測(cè)試，力學(xué)測(cè)量范圍0.5nN-200mN(9個(gè)數(shù)量級(jí))，位移測(cè)量范圍0.05nm-21mm(9個(gè)數(shù)量級(jí))，五軸(X,Y,Z,旋轉(zhuǎn),傾斜)閉環(huán)控制保證樣品和微力傳感探針的精確對(duì)準(zhǔn)，能在SEM/FIB較佳工作距離下實(shí)現(xiàn)高分辨成像(可達(dá)4mm)以及FIB切割和沉積，五軸(X,Y,Z,旋轉(zhuǎn),傾斜)位移記錄器實(shí)現(xiàn)樣品臺(tái)上多樣品的自動(dòng)測(cè)試和掃描，導(dǎo)電的微力傳感探針可有效減少荷電效應(yīng)，能夠通過(guò)力和位移兩種控制模式實(shí)現(xiàn)各種力學(xué)測(cè)試,例如拉伸、壓縮、彎曲、剪切、循環(huán)和斷裂測(cè)試等，電性能測(cè)試模塊能夠?qū)崿F(xiàn)力學(xué)和電學(xué)性能同步測(cè)試(樣品座配備6個(gè)電極)導(dǎo)電的微力傳感探針可有效減少荷電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能測(cè)試與其他SEM/FIB原位分析手段聯(lián)用,如EDX、EBSD、離子束沉積和切割，兼容于SEM本身的樣品臺(tái),安裝和卸載快捷方便。納米力學(xué)測(cè)試可以應(yīng)用于納米材料的研究和開(kāi)發(fā)，以及納米器件的設(shè)計(jì)和制造。湖南表面微納米力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室

本文中主要對(duì)當(dāng)今幾種主要材料納觀力學(xué)與納米材料力學(xué)特性測(cè)試方法:納米硬度技術(shù)、納米云紋技術(shù)、掃描力顯微鏡技術(shù)等進(jìn)行概述。納米硬度技術(shù)。隨著現(xiàn)代材料表面工程、微電子、集成微光機(jī)電 系統(tǒng)、生物和醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展試樣本身或表面改性層厚度越來(lái)越小。傳統(tǒng)的硬度測(cè)量已無(wú)法滿足新材料研究的需要，于是納米硬度技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。納米硬度計(jì)是納米硬度測(cè)量的主要儀器，它是一種檢測(cè)材料微小體積內(nèi)力學(xué)性能的測(cè)試儀器，包括壓痕硬度和劃痕硬度兩種工作模式。由于壓痕或劃痕深度一般控制在微米甚至納米尺度，因此該類儀器已成為電子薄膜、涂層、材料表面及其改性的力學(xué)性能檢測(cè)的理想手段。它不需要將表層從基體上剝離，便可直接給出材料表層力學(xué)性質(zhì)的空間分布。湖北高精度納米力學(xué)測(cè)試方法納米力學(xué)測(cè)試還可以評(píng)估材料在高溫、低溫等極端環(huán)境下的性能表現(xiàn)。

納米力學(xué)（Nanomechanics）是研究納米范圍物理系統(tǒng)的基本力學(xué)（彈性，熱和動(dòng)力過(guò)程）的一個(gè)分支。納米力學(xué)為納米技術(shù)提供科學(xué)基礎(chǔ)。作為基礎(chǔ)科學(xué)，納米力學(xué)以經(jīng)驗(yàn)原理（基本觀察）為基礎(chǔ)，包括：一般力學(xué)原理和物體變小而出現(xiàn)的一些特別原理。納米力學(xué)（Nanomechanics）是研究納米范圍物理系統(tǒng)基本力學(xué)性質(zhì)（彈性，熱和動(dòng)力過(guò)程）的納米科學(xué)的一個(gè)分支。納米力學(xué)為納米技術(shù)提供了科學(xué)基礎(chǔ)。納米力學(xué)是經(jīng)典力學(xué)，固態(tài)物理，統(tǒng)計(jì)力學(xué)，材料科學(xué)和量子化學(xué)等的交叉學(xué)科。

借助電子顯微鏡(EM)的原位納米力學(xué)測(cè)試法，利用掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡(TEM)的高分辨率成像，在EM 真空腔內(nèi)進(jìn)行原位納米力學(xué)測(cè)試，根據(jù)納米試樣在EM真空腔中加載方式不同分為諧振法和拉伸法。原位測(cè)試法的較大優(yōu)點(diǎn)是能夠在 SEM 中實(shí)時(shí)觀測(cè)試樣的失效引發(fā)過(guò)程，甚至能夠用 TEM 對(duì)缺陷成核和擴(kuò)展情況進(jìn)行原子級(jí)分辨率的實(shí)時(shí)觀測(cè);缺點(diǎn)是需在 EM 真空腔內(nèi)對(duì)納米試樣施加載荷，限制了其加載環(huán)境，并且加載力的檢測(cè)還需其他裝置才能完成。在納米力學(xué)測(cè)試中，常用的測(cè)試方法包括納米壓痕測(cè)試、納米拉伸測(cè)試和納米彎曲測(cè)試等。

較大壓痕深度1.5 μ m時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，其中納米硬度平均值為0.46GPa，而用傳統(tǒng)硬度計(jì)算方法得到的硬度平均值為0.580GPa，這說(shuō)明傳統(tǒng)硬度計(jì)算方法在微納米硬度測(cè)量時(shí)誤差較大，其原因就是在微納米硬度測(cè)量時(shí)，材料變形的彈性恢復(fù)造成殘余壓痕面積較小，傳統(tǒng)方法使得計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生了偏差，不能正確反映材料的硬度值。圖片通過(guò)對(duì)不同載荷下的納米硬度測(cè)量值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，單晶鋁的納米硬度值并不是恒定的， 而是在一定范圍內(nèi)隨著載荷（壓頭位移）的降低而逐漸增大，也就是存在壓痕尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。圖3反映了納米硬度隨壓痕深度的變化。較大壓痕深度1μm時(shí)單晶鋁彈性模量與壓痕深度的關(guān)系。此外，納米硬度儀還可以輸出接觸剛、實(shí)時(shí)載荷等隨壓頭位移的變化曲線，試驗(yàn)者可以從中獲得豐富的信息。納米力學(xué)測(cè)試結(jié)果有助于優(yōu)化材料設(shè)計(jì)，提升產(chǎn)品性能，降低生產(chǎn)成本。湖南表面微納米力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室

納米力學(xué)測(cè)試可以用于評(píng)估納米材料的熱力學(xué)性能，為納米材料的應(yīng)用提供參考依據(jù)。湖南表面微納米力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室

2005 年，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的曾華榮研究員在國(guó)內(nèi)率先單獨(dú)開(kāi)發(fā)出定頻成像模式的AFAM，但不能測(cè)量模量。隨后，同濟(jì)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等單位也對(duì)這種成像模式進(jìn)行了研究。2011 年初，我們研究組將雙頻共振追蹤技術(shù)用于AFAM，實(shí)現(xiàn)了快速的納米模量成像(一幅256×256 像素的圖像只需1~2min)，并對(duì)其準(zhǔn)確度和靈敏度進(jìn)行了系統(tǒng)研究。較近幾年，AFAM 引起了越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。然而，相對(duì)于其他AFM 模式，AFAM 的測(cè)量原理涉及梁振動(dòng)力學(xué)和接觸力學(xué)，初學(xué)者不容易掌握。湖南表面微納米力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室