湖南表面微納米力學測試實驗室

特點：能同時實現(xiàn)SEM/FIB高分辨成像和納米力學性能測試，力學測量范圍0.5nN-200mN(9個數(shù)量級)，位移測量范圍0.05nm-21mm(9個數(shù)量級)，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準，能在SEM/FIB較佳工作距離下實現(xiàn)高分辨成像(可達4mm)以及FIB切割和沉積，五軸(X,Y,Z,旋轉(zhuǎn),傾斜)位移記錄器實現(xiàn)樣品臺上多樣品的自動測試和掃描，導電的微力傳感探針可有效減少荷電效應，能夠通過力和位移兩種控制模式實現(xiàn)各種力學測試,例如拉伸、壓縮、彎曲、剪切、循環(huán)和斷裂測試等，電性能測試模塊能夠?qū)崿F(xiàn)力學和電學性能同步測試(樣品座配備6個電極)導電的微力傳感探針可有效減少荷電效應，實現(xiàn)力學性能測試與其他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,安裝和卸載快捷方便。納米力學測試可以應用于納米材料的研究和開發(fā)，以及納米器件的設(shè)計和制造。湖南表面微納米力學測試實驗室

本文中主要對當今幾種主要材料納觀力學與納米材料力學特性測試方法: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、集成微光機電 系統(tǒng)、生物和醫(yī)學材料的發(fā)展試樣本身或表面改性層厚度越來越小。傳統(tǒng)的硬度測量已無法滿足新材料研究的需要，于是納米硬度技術(shù)應運而生。納米硬度計是納米硬度測量的主要儀器，它是一種檢測材料微小體積內(nèi)力學性能的測試儀器，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性能檢測的理想手段。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性質(zhì)的空間分布。湖北高精度納米力學測試方法納米力學測試還可以評估材料在高溫、低溫等極端環(huán)境下的性能表現(xiàn)。

納米力學（Nanomechanics）是研究納米范圍物理系統(tǒng)的基本力學（彈性，熱和動力過程）的一個分支。納米力學為納米技術(shù)提供科學基礎(chǔ)。作為基礎(chǔ)科學，納米力學以經(jīng)驗原理（基本觀察）為基礎(chǔ)，包括：一般力學原理和物體變小而出現(xiàn)的一些特別原理。納米力學（Nanomechanics）是研究納米范圍物理系統(tǒng)基本力學性質(zhì)（彈性，熱和動力過程）的納米科學的一個分支。納米力學為納米技術(shù)提供了科學基礎(chǔ)。納米力學是經(jīng)典力學，固態(tài)物理，統(tǒng)計力學，材料科學和量子化學等的交叉學科。

借助電子顯微鏡(EM)的原位納米力學測試法，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)進行原位納米力學測試，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。原位測試法的較大優(yōu)點是能夠在 SEM 中實時觀測試樣的失效引發(fā)過程，甚至能夠用 TEM 對缺陷成核和擴展情況進行原子級分辨率的實時觀測;缺點是需在 EM 真空腔內(nèi)對納米試樣施加載荷，限制了其加載環(huán)境，并且加載力的檢測還需其他裝置才能完成。在納米力學測試中，常用的測試方法包括納米壓痕測試、納米拉伸測試和納米彎曲測試等。

較大壓痕深度1.5 μ m時的試驗結(jié)果，其中納米硬度平均值為0.46GPa，而用傳統(tǒng)硬度計算方法得到的硬度平均值為0.580GPa，這說明傳統(tǒng)硬度計算方法在微納米硬度測量時誤差較大，其原因就是在微納米硬度測量時，材料變形的彈性恢復造成殘余壓痕面積較小，傳統(tǒng)方法使得計算結(jié)果產(chǎn)生了偏差，不能正確反映材料的硬度值。圖片通過對不同載荷下的納米硬度測量值進行比較發(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、實時載荷等隨壓頭位移的變化曲線，試驗者可以從中獲得豐富的信息。納米力學測試結(jié)果有助于優(yōu)化材料設(shè)計，提升產(chǎn)品性能，降低生產(chǎn)成本。湖南表面微納米力學測試實驗室

納米力學測試可以用于評估納米材料的熱力學性能，為納米材料的應用提供參考依據(jù)。湖南表面微納米力學測試實驗室

2005 年，中國科學院上海硅酸鹽研究所的曾華榮研究員在國內(nèi)率先單獨開發(fā)出定頻成像模式的AFAM，但不能測量模量。隨后，同濟大學、北京工業(yè)大學等單位也對這種成像模式進行了研究。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)，并對其準確度和靈敏度進行了系統(tǒng)研究。較近幾年，AFAM 引起了越來越多國內(nèi)外學者的關(guān)注。然而，相對于其他AFM 模式，AFAM 的測量原理涉及梁振動力學和接觸力學，初學者不容易掌握。湖南表面微納米力學測試實驗室