深圳科研院纳米力学测试技术

纳米力学（Nanomechanics）是研究纳米范围物理系统的基本力学（弹性，热和动力过程）的一个分支。纳米力学为纳米技术提供科学基础。作为基础科学，纳米力学以经验原理（基本观察）为基础，包括：一般力学原理和物体变小而出现的一些特别原理。纳米力学（Nanomechanics）是研究纳米范围物理系统基本力学性质（弹性，热和动力过程）的纳米科学的一个分支。纳米力学为纳米技术提供了科学基础。纳米力学是经典力学，固态物理，统计力学，材料科学和量子化学等的交叉学科。纳米力学测试可用于研究纳米颗粒在胶体、液态等介质中的相互作用行为。深圳科研院纳米力学测试技术

纳米压痕获得的材料信息也比较丰富，既可以通过静态力学性能测试获得材料的硬度、弹性模量、断裂韧性、相变(畴变) 等信息，也可以通过动态力学性能测试获得被测样品的存储模量、损耗模量或损耗因子等。另外，动态纳米压痕技术还可以实现对材料微纳米尺度存储模量和损耗模量的模量成像(modulus mapping)。图1 是美国Hysitron 公司生产的TI-900 Triboindenter 纳米压痕仪的实物图。纳米压痕作为一种较通用的微纳米力学测试方法，目前仍然有不少研究者致力于对其方法本身的改进和发展。深圳科研院纳米力学测试技术纳米力学测试可以揭示纳米材料在受力过程中的微观结构变化和能量耗散机制。

除了采用弯曲振动模式进行测量外，Reinstadtler 等给出了探针扭转振动模式测量侧向接触刚度的理论基础。通过同时测量探针微悬臂的弯曲振动和扭转振动，Hurley 和Turner提出了一种同时测量各向同性材料杨氏模量、剪切模量和泊松比的方法。Killgore 等提出了利用软探针的高阶模态进行AFAM 定量化测试的方法，可以使探针施加在样品上的力减小到10 nN，极大地扩展了这一方法的应用范围。Killgore 和Hurley提出了一种新的脉冲接触共振的方法，将接触共振与脉冲力模式相结合，不只能测量探针的接触共振频率和品质因子，还可以测量针尖样品之间黏附力的大小。

一般力学原理包括：。能量和动量守恒原理；。哈密顿变分原理；。对称原理。由于研究的物体小，纳米力学也要考虑：。当物体尺寸和原子距离可比时，物体的离散性；。物体内自由度的多样性和有限性。。热胀落的重要性；。熵效应的重要性；。量子效应的重要性。这些原理可提供对纳米物体新异性质深入了解。新异性质是指这种性质在类似的宏观物体没有或者很不相同。特别是，当物体变小，会出现各种表面效应，它由纳米结构较高的表面与体积比所决定。这些效应影晌纳米结构的机械能和热学性质（熔点，热容等）例如，由于离散性，固体内机械波要分散，在小区域内，弹性力学的解有特别的行为。自由度大引起热胀落是纳米颗粒通过潜在势垒产生热隧道及液体和固体交错扩散的理由。小和热涨落提供了纳米颗粒布朗运动的基本理由。在纳米范围增加了热涨落重要性和结构熵，使纳米结构产生超弹性，熵弹性（熵力）和其它新弹性。开放纳米系统的自组织和合作行为中，结构熵也令人产生很大兴趣。纳米力学测试的发展促进了纳米材料及其应用领域的快速发展和创新。

金属玻璃纳米线的热机械蠕变测试，金属玻璃由于其独特的力学性能，如高弹性极限和高断裂韧性，而受到越来越多的关注。而且，其宽的过冷液态区间开启了超塑成形的材料加工工艺。因此定量研究金属玻璃的热机械行为是至关重要的。右图显示了针对金属玻璃超塑性性能的研究。金属玻璃纳米线通过Pt基电子束沉积方法固定在FT-S微力传感探针和样品台之间。在进行蠕变测试时（施加固定拉伸力来测量样品的形变量），纳米力学测试采用对纳米线通电加热来控制纳米线温度。这样可测试纳米线在不同温度下的热机械蠕变性能。通过纳米力学测试，可评估纳米材料在极端环境下的可靠性。深圳科研院纳米力学测试技术

纳米力学测试技术为纳米材料在航空航天、汽车制造等领域的应用提供了有力支持。深圳科研院纳米力学测试技术

纳米纤维已经展现出各种有趣的特性，除了高比表面积-体积比，纳米纤维相比于块状材料，沿主轴方向有更突出的力学特性。因此纳米纤维在复合材料、纤维、支架（组织工程学）、药物输送、创伤敷料或纺织业等领域是一种非常有应用前景的材料。纳米纤维机械性能（刚度、弹性变形范围、极限强度、韧性）的定量表征对理解其在目标应用中的性能非常重要，而测量这些参数需要高度专业画的仪器，必须具备以下功能：以亚纳米的分辨率测量非常小的变形；在测量的时间量程（例如100 s）内在纳米级的位移下保持高度稳定的测量系统；以亚纳米分辨率测量微小力；处理（捡取-放置）纳米纤维并将其放置在机械测试仪器上。深圳科研院纳米力学测试技术