图6-19为一个商品化的纳米压痕仪及其工作原理。目前，各种商业应用的纳米压痕仪原理基本相同，它们的差别主要表现在力的加载方式和位移的测量方式上。图6-19压痕仪的结构及内部结构根据前面的介绍，目前的纳米压痕仪的工作模式有两种：普通模式和连续刚性测量模式。压头在纳米压痕仪中是一个重要的部件，测试时需要选择合适的压头。是纳米压痕试验另一个常用的压头。球形压头的初始接触应力小，仅产生弹性变形。......
2023-06-20
纳米压痕仪工作模式解析
【摘要】：由于缺少专门的仪器，纳米尺度的疲劳行为过去很少被研究。
1.压痕测试
纳米压痕仪最常用的工作模式就是压痕测试（nanoindentation testing），即压头以一定的载荷施加在样品表面，并测量相应的数据。图6-21所示为压痕试验中常用到的三种加压方式，压痕试验可用于静态测试，也可用于动态测试。利用压痕测试可以获得样品的弹性模量、硬度、断裂韧性、蠕变应力指数等。
图6-21 三种常用的压痕测试加压方式
图6-22 压痕过程的SEM图片及各位置在载荷—位移曲线上对应的点［66］
图6-22显示了一个完整的压痕试验过程，图中（a）为压头开始接触样品表面；（b）是在设定的载荷下，压头逐渐深入样品内部，并达到最大深度，见图（c）；随后，压头逐渐离开样品见图（d）→（f），并在样品表面留下一个压痕见图（g）。通过记录的载荷—位移曲线和压痕尺寸可计算出样品的多种力学参数。
2.刻划测试
刻划技术是研究材料的耐磨、抗划伤等性能的主要表征手段，而近年来刚兴起的纳米刻划技术具有较高的载荷和位移的分辨率，能够定量分析材料在小载荷作用下的刻划行为，并描述刻划变形机理，为我们提供了一种深入研究纳米材料刻划行为的有效手段。刻划测试（nanoscratching testing）普遍地应用于材料科学和摩擦学领域来表征材料抵抗刻划和抗切削的能力。在刻划测试中，使用一个锋利的针尖在恒定的载荷或梯度载荷下在被测材料的表面移动，如图6-23（a）所示。利用获得的划痕深度可表征材料的抗刻划性或者抗切削性，见图6-23（b）。由于玻氏针尖是三棱锥形形状，很难沿着划痕方向进行调整，所以在刻划实验中多采用圆锥形金刚石针尖。在刻划过程中，也可记录摩擦系数数据。利用纳米刻划测试可以得到材料的摩擦系数、耐磨性、薄膜在基底上的临界附着力等信息。
图6-23 刻划过程示意图及划痕图像
（a）刻划测试 （b）利用划痕获得材料抗切削性
3.疲劳测试
疲劳，也被称为延迟断裂，指的是在外部连续施加循环应力的条件下在有限的时间内发生失效的行为。由于缺少专门的仪器，纳米尺度的疲劳行为过去很少被研究。CSM可以提供高频正弦曲线的循环力，能够完成纳米尺度的疲劳测试（wear testing）。由于接触刚度对于裂纹的发生是非常敏感的，所以通过追踪接触刚度的变化可以研究薄膜和微悬臂梁的疲劳行为。使用大振幅的强迫振动可以获得材料的疲劳变形和断裂。循环次数可以通过时间来决定。图6-24所示为带基底的薄膜系统使用CSM技术进行疲劳测试的示意图。
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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