四川核工業(yè)納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)

AFAM 利用探針和樣品之間的接觸共振進(jìn)行測(cè)試，基于對(duì)探針的動(dòng)力學(xué)特性以及針尖樣品之間的接觸力學(xué)行為分析，可以通過對(duì)探針接觸共振頻率、品質(zhì)因子、振幅、相位等響應(yīng)信息的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣品力學(xué)性能的定量化表征。AFAM 不只可以獲得樣品表面納米尺度的形貌特征，還可以測(cè)量樣品表面或亞表面的納米力學(xué)特性。AFAM 屬于近場(chǎng)聲學(xué)成像技術(shù)，它克服了傳統(tǒng)聲學(xué)成像中聲波半波長對(duì)成像分辨率的限制，其分辨率取決于探針針尖與測(cè)試樣品之間的接觸半徑大小。AFM 探針的針尖半徑很小(5~50 nm)，且施加在樣品上的作用力也很小(一般為幾納牛到幾微牛)，因此AFAM 的空間分辨率極高，其橫向分辨率與普通AFM 一樣可以達(dá)到納米量級(jí)。與納米壓痕技術(shù)相比，AFAM 在分辨率方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，通常認(rèn)為其測(cè)試過程是無損的。此外，AFAM 在成像質(zhì)量和速度方面均明顯優(yōu)于納米壓痕。目前，AFAM 已經(jīng)普遍應(yīng)用于納米復(fù)合材料、智能材料、生物材料、納米材料和薄膜系統(tǒng)等各種先進(jìn)材料領(lǐng)域。納米力學(xué)測(cè)試需要使用專屬的納米力學(xué)測(cè)試儀器，如納米壓痕儀和納米拉伸儀等。四川核工業(yè)納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)

即使源電阻大幅降低至1MW，對(duì)一個(gè)1mV的信號(hào)的測(cè)量也接近了理論極限，因此要使用一個(gè)普通的數(shù)字多用表（DMM）進(jìn)行測(cè)量將變得十分困難。除了電壓或電流靈敏度不夠高之外，許多DMM在測(cè)量電壓時(shí)的輸入偏移電流很高，而相對(duì)于那些納米技術(shù)[3]常常需要的、靈敏度更高的低電平DC測(cè)量儀器而言，DMM的輸入電阻又過低。這些特點(diǎn)增加了測(cè)量的噪聲，給電路帶來不必要的干擾，從而造成測(cè)量的誤差。系統(tǒng)搭建完畢后，必須對(duì)其性能進(jìn)行校驗(yàn)，而且消除潛在的誤差源。誤差的來源可以包括電纜、連接線、探針[5]、沾污和熱量。下面的章節(jié)中將對(duì)降低這些誤差的一些途徑進(jìn)行探討。河北納米力學(xué)測(cè)試廠商在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米力學(xué)測(cè)試有助于了解細(xì)胞與納米材料的相互作用機(jī)制。

微納米材料力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)是一種用于機(jī)械工程領(lǐng)域的科學(xué)儀器，于2008年11月18日啟用?？v向載荷力和位移。載荷力分辨率：3nN（在施加1μN(yùn)的條件下）；較小載荷接觸力：＜100nN；較大載荷：10mN；位移分辨率：0.0004nm；較小位移：＜0.2nm；較大位移：5μm；熱漂移：＜0.05nm/s（在室溫條件下）。 橫向載荷力和位移。載荷力的分辨率：0.5μN(yùn)；較小橫向力：＜5μN(yùn)；較大橫向力：2mN；位移分辨率：3nm；較小位移：＜5nm；較大位移：15μm；熱漂移：＜0.05nm/s（在室溫條件下）。磨損面積范圍：4μm x 4μm 到 60μm x 60μm；磨損速率：≤180μm/s；縱向載荷范圍：100nN – 1mN。X-Y stage。

在AFAM 測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)方面，Hurley 等開發(fā)了一套基于快速數(shù)字信號(hào)處理的掃頻模式共振頻率追蹤系統(tǒng)。這一測(cè)試系統(tǒng)可以根據(jù)上一像素點(diǎn)的接觸共振頻率自動(dòng)調(diào)整掃描頻率的上下限。隨后，他們又開發(fā)出一套稱為SPRITE(scanning probe resonance image tracking electronics) 的測(cè)試系統(tǒng)，可以同時(shí)對(duì)探針兩階模態(tài)的接觸共振頻率和品質(zhì)因子進(jìn)行成像，并較大程度上提高成像速度。Rodriguez 等開發(fā)了一種雙頻共振頻率追蹤(dual frequency resonance tracking，DFRT) 的方法，此種方法應(yīng)用于AFAM 定量化成像中，可以同時(shí)獲得探針的共振頻率和品質(zhì)因子。日本的Yamanaka 等利用PLL(phase locked loop) 電路實(shí)現(xiàn)了UAFM 接觸共振頻率追蹤。納米力學(xué)測(cè)試可以解決納米材料在制備和應(yīng)用過程中的力學(xué)問題，提高納米材料的性能和穩(wěn)定性。

與傳統(tǒng)硬度計(jì)算不同的是，A 值不是由壓痕照片得到，而是根據(jù) “接觸深度” hc(nm) 計(jì)算得到的。具體關(guān)系式需通過試驗(yàn)來確定，根據(jù)壓頭形狀的不同，一般采用多項(xiàng)式擬合的方法，比如針對(duì)三角錐形壓頭，其擬合結(jié)果為：A = 24.5 + 793hc + 4238+ 332+ 0.059+0.069+ 8.68+ 35.4+ 36. 9式中 “接觸深度”hc由下式計(jì)算得出：hc = h - ε P max/S，式中，ε是與壓頭形狀有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于球形或三角錐形壓頭可以取ε = 0.75。而S的值可以通過對(duì)載荷-位移曲線的卸載部分進(jìn)行擬合，再對(duì)擬合函數(shù)求導(dǎo)得出，即，式中Q 為擬合函數(shù)。這樣通過試驗(yàn)得到載荷-位移曲線，測(cè)量和計(jì)算試驗(yàn)過程中的載荷 P、壓痕深度h和卸載曲線初期的斜率S，就可以得到樣品的硬度值。該技術(shù)通過記錄連續(xù)的載荷-位移、加卸載曲線，可以獲得材料的硬度、彈性模量、屈服應(yīng)力等指標(biāo)，它克服了傳統(tǒng)壓痕測(cè)量只適用于較大尺寸試樣以及只能獲得材料的塑性性質(zhì)等缺陷，同時(shí)也提高了硬度的檢測(cè)精度，使得邊加載邊測(cè)量成為可能，為檢測(cè)過程的自動(dòng)化和數(shù)字化創(chuàng)造了條件。原子力顯微鏡（AFM）在納米力學(xué)測(cè)試中發(fā)揮著重要作用，可實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。四川國產(chǎn)納米力學(xué)測(cè)試儀

發(fā)展高精度、高穩(wěn)定性納米力學(xué)測(cè)試設(shè)備，是當(dāng)前科研工作的重要任務(wù)。四川核工業(yè)納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)

納米壓痕獲得的材料信息也比較豐富，既可以通過靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試獲得材料的硬度、彈性模量、斷裂韌性、相變(疇變) 等信息，也可以通過動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試獲得被測(cè)樣品的存儲(chǔ)模量、損耗模量或損耗因子等。另外，動(dòng)態(tài)納米壓痕技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微納米尺度存儲(chǔ)模量和損耗模量的模量成像(modulus mapping)。圖1 是美國Hysitron 公司生產(chǎn)的TI-900 Triboindenter 納米壓痕儀的實(shí)物圖。納米壓痕作為一種較通用的微納米力學(xué)測(cè)試方法，目前仍然有不少研究者致力于對(duì)其方法本身的改進(jìn)和發(fā)展。四川核工業(yè)納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)

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