湖南纳米力学性能测试

2005 年，中国科学院上海硅酸盐研究所的曾华荣研究员在国内率先单独开发出定频成像模式的AFAM，但不能测量模量。随后，同济大学、北京工业大学等单位也对这种成像模式进行了研究。2011 年初，我们研究组将双频共振追踪技术用于AFAM，实现了快速的纳米模量成像(一幅256×256 像素的图像只需1~2min)，并对其准确度和灵敏度进行了系统研究。较近几年，AFAM 引起了越来越多国内外学者的关注。然而，相对于其他AFM 模式，AFAM 的测量原理涉及梁振动力学和接触力学，初学者不容易掌握。纳米力学测试可以帮助研究人员了解纳米材料的力学性能与结构之间的关系，为纳米材料的设计和优化提供指导。湖南纳米力学性能测试

较大压痕深度1.5 μ m时的试验结果，其中纳米硬度平均值为0.46GPa，而用传统硬度计算方法得到的硬度平均值为0.580GPa，这说明传统硬度计算方法在微纳米硬度测量时误差较大，其原因就是在微纳米硬度测量时，材料变形的弹性恢复造成残余压痕面积较小，传统方法使得计算结果产生了偏差，不能正确反映材料的硬度值。图片通过对不同载荷下的纳米硬度测量值进行比较发现，单晶铝的纳米硬度值并不是恒定的， 而是在一定范围内随着载荷（压头位移）的降低而逐渐增大，也就是存在压痕尺寸效应现象。图3反映了纳米硬度随压痕深度的变化。较大压痕深度1μm时单晶铝弹性模量与压痕深度的关系。此外，纳米硬度仪还可以输出接触刚、实时载荷等随压头位移的变化曲线，试验者可以从中获得丰富的信息。湖南纳米力学性能测试跨学科合作，推动纳米力学测试技术不断创新，满足多领域需求。

随着科学技术的发展，纳米尺度材料的研究变得越来越重要。纳米尺度材料具有独特的力学性质，与传统材料相比有着许多不同之处。为了深入了解和研究纳米尺度材料的力学性质，科学家们不断开发出各种先进的测试方法。在本文中，我将分享一些纳米尺度下常用的材料力学性质测试方法，研究人员可以根据具体需求选择适合的方法来进行材料力学性质的测试与研究。纳米尺度下力学性质的研究对于深入了解材料的力学行为、提高材料性能以及开发新材料具有重要意义。希望本文所分享的方法能够对相关研究和应用提供一定的指导和帮助。

纳米力学从研究的手段上可分为纳观计算力学和纳米实验力学。纳米计算力学包括量子力学计算方法、分子动力学计算和跨层次计算等不同类型的数值模拟方法。纳米实验力学则有两层含义:一是以纳米层次的分辨率来测量力学场，即所谓的材料纳观实验力学;二是对特征尺度为1-100nm之间的微细结构进行的实验力学研究，即所谓的纳米材料实验力学。纳米实验力学研究有两种途径:一是对常规的硬度测试技术、云纹法等宏观力学测试技术进行改造，使它们能适应纳米力学测量的需要;另一类是创造如原子力显微镜、摩擦力显微镜等新的纳米力学测量技术建立新原理、新方法。发展高精度、高稳定性纳米力学测试设备，是当前科研工作的重要任务。

力—距离曲线测试分为准静态模式和动态模式，实际应用中采用较多的是准静态模式下的力-距离曲线测试。由力—距离曲线测试可以获得样品表面的力学性能及黏附的信息。利用接触力学模型对力—距离曲线进行拟合，可以获得样品表面的弹性模量。力—距离曲线测试与纳米压痕相比，可以施加更小的作用力(nN量级)，较好地避免了对生物软材料的损害，极大地降低了基底对薄膜力学性能测试的影响。力—距离曲线测试普遍应用于聚合物材料和生物材料的纳米力学性能测试，很多研究者利用此方法获得了细胞的模量信息。力—距离曲线阵列测试可以获得测试区域内力学性能的分布，但是分辨率较低，且测试时间较长。另外，力—距离曲线一般只对软材料才比较有效。图2 是通过力—距离曲线阵列测试获得的细胞力学性能(模量) 的分布。面向未来，纳米力学测试将继续拓展人类对微观世界的认知边界。湖南纳米力学性能测试

在进行纳米力学测试时，需要特别注意样品的制备和处理过程，以避免引入误差。湖南纳米力学性能测试

原位纳米力学测试系统(nanoindentation，instrumented-indentation testing，depth-sensing indentation，continuous-recording indentation，ultra low load indentation)是一类先进的材料表面力学性能测试仪器。该类仪器装有高分辨率的致动器和传感器，可以控制和监测压头在材料中的压入和退出，能提供高分辨率连续载荷和位移的测量。包括压痕硬度和划痕硬度两种工作模式，主要应用于测试各种薄膜（包括厚度小于100纳米的超薄膜、多层复合膜、抗磨损膜、润滑膜、高分子聚合物膜、生物膜等）、多相复合材料的基体本构和界面、金属阵列复合材料、类金刚石碳涂层（DLC）、半导体材料、MEMS、生物医学样品（包括骨、牙齿、血管等）和生物材料、等在nano水平上的力学特性，还可以进行纳米机械加工。通过探针压痕或划痕来获得材料微区的硬度、弹性模量、摩擦系数、磨损率、断裂刚度、失效、蠕变、应力释放、分层、粘附力（结合力）、存储模量、损失模量等力学数据。湖南纳米力学性能测试