湖北汽車納米力學(xué)測(cè)試應(yīng)用

主要的微納米力學(xué)測(cè)量技術(shù)：1、微納米壓痕測(cè)試技術(shù)，1.1壓入測(cè)試技術(shù)，壓人測(cè)試技術(shù)是較初的是表征各種材料力學(xué)性能較常用的方法之一,可以追溯到 20 世紀(jì)初的定量硬度測(cè)試方法。傳統(tǒng)的壓人測(cè)試技術(shù)是利用已知幾何形狀的硬壓頭以預(yù)設(shè)的壓人深度或者載荷作用到較軟的樣品表面,通過測(cè)量殘余壓痕的尺寸計(jì)算相關(guān)的硬度指數(shù)。但壓入測(cè)試技術(shù)的缺陷在所能夠表征的材料力學(xué)參量局限于硬度和彈性模量這2個(gè)基本的參量。1.2 微納米壓痕測(cè)試，近年來新型材料正在向低維化、功能化與復(fù)合化方向飛速發(fā)展，在微納米尺度作用區(qū)域上開展微納米壓痕測(cè)試已被普遍用作評(píng)價(jià)材料因微觀結(jié)構(gòu)變化面誘發(fā)力學(xué)性能變化以及獲得材料物性轉(zhuǎn)變等新現(xiàn)象、新規(guī)律的重要工具。所能夠表征的材料力學(xué)參量也不再局限于硬度和彈性模量這2個(gè)基本的參量。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。湖北汽車納米力學(xué)測(cè)試應(yīng)用

原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)(nanoindentation，instrumented-indentation testing，depth-sensing indentation，continuous-recording indentation，ultra low load indentation)是一類先進(jìn)的材料表面力學(xué)性能測(cè)試儀器。該類儀器裝有高分辨率的致動(dòng)器和傳感器，可以控制和監(jiān)測(cè)壓頭在材料中的壓入和退出，能提供高分辨率連續(xù)載荷和位移的測(cè)量。包括壓痕硬度和劃痕硬度兩種工作模式，主要應(yīng)用于測(cè)試各種薄膜（包括厚度小于100納米的超薄膜、多層復(fù)合膜、抗磨損膜、潤(rùn)滑膜、高分子聚合物膜、生物膜等）、多相復(fù)合材料的基體本構(gòu)和界面、金屬陣列復(fù)合材料、類金剛石碳涂層（DLC）、半導(dǎo)體材料、MEMS、生物醫(yī)學(xué)樣品（包括骨、牙齒、血管等）和生物材料、等在nano水平上的力學(xué)特性，還可以進(jìn)行納米機(jī)械加工。通過探針壓痕或劃痕來獲得材料微區(qū)的硬度、彈性模量、摩擦系數(shù)、磨損率、斷裂剛度、失效、蠕變、應(yīng)力釋放、分層、粘附力（結(jié)合力）、存儲(chǔ)模量、損失模量等力學(xué)數(shù)據(jù)。湖北汽車納米力學(xué)測(cè)試應(yīng)用利用納米力學(xué)測(cè)試，研究人員可揭示材料內(nèi)部缺陷、應(yīng)力分布等關(guān)鍵信息。

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(guó)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。

原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)是一種用于材料科學(xué)領(lǐng)域的儀器，于2011年10月27日啟用。壓痕測(cè)試單元：（1）可實(shí)現(xiàn)70nN~30mN不同加載載荷，載荷分辨率為3nN；（2）位移分辨率：0.006nm，較小位移：0.2nm，較大位移：5um；（3）室溫?zé)崞疲?.05nm/s；（4）更換壓頭時(shí)間：60s。能夠?qū)崿F(xiàn)薄膜或其他金屬或非金屬材料的壓痕、劃痕、摩擦磨損、微彎曲、高溫測(cè)試及微彎曲、NanoDMA、模量成像等功能。力學(xué)測(cè)試芯片大小只為幾平方毫米，亦可放置在電子顯微鏡真空腔中進(jìn)行原位實(shí)時(shí)檢測(cè)。納米力學(xué)測(cè)試在納米器件的設(shè)計(jì)和制造中具有重要作用。

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。納米力學(xué)測(cè)試的結(jié)果對(duì)于預(yù)測(cè)納米材料在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)具有重要參考價(jià)值。湖北汽車納米力學(xué)測(cè)試應(yīng)用

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)。湖北汽車納米力學(xué)測(cè)試應(yīng)用

對(duì)納米元器件的電測(cè)量——電壓、電阻和電流——都帶來了一些特有的困難，而且本身容易產(chǎn)生誤差。研發(fā)涉及量子水平上的材料與元器件，這也給人們的電學(xué)測(cè)量工作帶來了種種限制。在任何測(cè)量中，靈敏度的理論極限是由電路中的電阻所產(chǎn)生的噪聲來決定的。電壓噪聲[1]與電阻的方根、帶寬和一定溫度成正比。高的源電阻限制了電壓測(cè)量的理論靈敏度[2]。雖然完全可能在源電阻抗為1W的情況下對(duì)1mV的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，但在一個(gè)太歐姆的信號(hào)源上測(cè)量同樣的1mV的信號(hào)是現(xiàn)實(shí)的。湖北汽車納米力學(xué)測(cè)試應(yīng)用