納米壓痕獲得的材料信息也比較豐富,既可以通過靜態力學性能測試獲得材料的硬度、彈性模量、斷裂韌性、相變(疇變) 等信息,也可以通過動態力學性能測試獲得被測樣品的存儲模量、損耗模量或損耗因子等。另外,動態納米壓痕技術還可以實現對材料微納米尺度存儲模量和損耗模量的模量成像(modulus mapping)。圖1 是美國Hysitron 公司生產的TI-900 Triboindenter 納米壓痕儀的實物圖。納米壓痕作為一種較通用的微納米力學測試方法,目前仍然有不少研究者致力于對其方法本身的改進和發展。納米力學測試技術的發展推動了納米材料和納米器件的性能優化。重慶高校納米力學測試實驗室
有限元數值分析方面,Hurley 等分別基于解析模型和有限元模型兩種數據分析方法測量了鈮薄膜的壓入模量,并進行了對比。Espinoza-Beltran 等考慮探針微懸臂的傾角、針尖高度、梯形橫截面、材料各向異性等的影響,給出了一種將實驗測試和有限元優化分析相結合,確定針尖樣品面外和面內接觸剛度的方法。有限元分析方法綜合考慮了實際情況中的多種影響因素,精度相對較高。Kopycinska-Muller 等研究了AFAM 測試過程中針尖樣品微納米尺度下的接觸力學行為。Killgore 等提出了一種通過檢測探針接觸共振頻率變化對針尖磨損進行連續測量的方法。重慶高校納米力學測試實驗室納米力學測試在生物醫學領域的應用,有助于揭示生物分子和細胞結構的力學特性。
SFM納米力學測試。在掃描隧道顯微鏡(STM)發明以后,基于STM,人們又陸續發展一系列相似的掃描成像顯微技術,它們包括原子力顯微鏡(AFM)、摩擦力顯微鏡(FFM)、磁力顯微鏡、靜電力顯微等,統稱為掃描力顯微鏡(SFM)。由于這些掃描力顯微鏡成像的工作原理是基于探針與被測樣品之間的原子力、摩擦力、磁力或靜電力,因此,它們自然地成為測量探針與被測樣品之間微觀原子力、摩擦力、磁力或靜電力的有力工具。采用原子力顯微鏡對飽和鐵轉鐵蛋白和脫鐵轉鐵蛋白與轉鐵蛋白抗體之間的相互作用進行研究通過原子力顯微鏡對分子間力的曲線進行探測,比較飽和鐵轉鐵蛋白和脫鐵轉鐵蛋白與抗體之間的作用力的差異。
隨著精密、 超精密加工技術的發展,材料在納米尺度下的力學特性引起了人們的極大關注研究。而傳統的硬度測量方法只適于宏觀條件下的研究和應用,無法用于測量壓痕深度為納米級或亞微米級的硬度( 即所謂納米硬度,nano- hardness) 。近年來,測量納米硬度一般采用新興的納米壓痕技術 (nano-indentation),由于采用納米壓痕技術可以在極小的尺寸范圍內測試材料的力學性能,除了塑性性質外,還可反映材料的彈性性質,因此得到了越來越普遍的應用。納米力學測試可以幫助研究人員了解納米材料的力學行為,從而指導納米材料的設計和應用。
原位納米力學測試系統是一種用于材料科學領域的儀器,于2011年10月27日啟用。壓痕測試單元:(1)可實現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)室溫熱漂移:0.05nm/s;(4)更換壓頭時間:60s。能夠實現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、高溫測試及微彎曲、NanoDMA、模量成像等功能。力學測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行原位實時檢測。納米力學測試可以應用于納米材料的力學模擬和仿真,加速納米材料的研發和應用過程。重慶高校納米力學測試實驗室
隨著納米技術的不斷發展,納米力學測試技術也在不斷更新換代,以適應更高精度的測試需求。重慶高校納米力學測試實驗室
英國:國家物理研究所對各種納米測量儀器與被測對象之間的幾何與物理間的相互作用進行了詳盡的研究,繪制了各種納米測量儀器測量范圍的理論框架,其研制的微形貌納米測量儀器測量范圍是0.01n m~3n m和0.3n m~100n m。Warwick大學的Chetwynd博士利用X光干涉儀對長度標準用的波長進行細分研究,他利用薄硅片分解和重組X光光束來分析干涉圖形,從干涉儀中提取的干涉條紋與硅晶格有相等的間距,該間距接近0.2nm,他依此作為校正精密位移傳感器的一種亞納米尺度。Queensgate儀器公司設計了一套納米定位裝置,它通過壓電驅動元件和電容位置傳感器相結合的控制裝置達到納米級的分辨率和定位精度。重慶高校納米力學測試實驗室