纳米压痕技术在应用中的优势和挑战

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：近十几年来，在微观力学方面，纳米压痕技术受到越来越广泛的应用，主要体现在以下几个方面。图6-27为采用纳米压痕技术在硅表面施加50mN压力后形成的压痕阵列。图6-30为利用纳米压痕和显微成像技术相结合的一个典型例子。图6-31为采用材料纳米压痕技术测量Al多晶材料中一个晶粒性能的过程及力—位移曲线。Bahr［88］利用纳米压痕实验完成了低于50 nm深度的硬度测量；Adams［89］用纳米压痕实验研究了颗粒薄膜凝聚体的断裂机制。

纳米压痕技术的应用使人们在微观尺度上，甚至纳观尺度上认识事物的能力又提高了一步，并且能够在纳米的尺度上对摩擦现象、材料的力学行为和失效机理等进行研究，为微机电系统的设计和应用提供了很好的研究手段（参见图6-27）。

纳米压痕试验主要用来测量材料的硬度和弹性模量，还用于研究膜厚、杨氏模量、弹—塑性变形和时间相关的蠕变／松弛效应、断裂韧性、疲劳特性等，包括脆性材料的断裂韧性、金属材料的屈服应力和应变硬化特性、聚合物的阻尼和内摩擦参数如存储和耗散模量、蠕变的活化能和应力指数、单轴应力应变曲线等方面的研究。近十几年来，在微观力学方面，纳米压痕技术受到越来越广泛的应用，主要体现在以下几个方面。

1.纳米加工

纳米压痕系统中金刚石探针具有足够高的硬度，用它可以在试样表面进行机械加工（类似纳米刨刀），在超低载荷作用下，通过一定的扫描方式，可以获得所需的刻痕。图6-27为采用纳米压痕技术在硅表面施加50mN压力后形成的压痕阵列。经拉曼光谱和TEM研究表明，这些压痕部位出现了相转变，并观察到亚稳定的Si-III和Si-XII相。为Si的压力导致相变的机理研究提供了实验依据。

2.一维纳米材料的力学性能研究

由于纳米压痕仪的探头尺寸很小，与一维纳米材料的直径相当。所以当采用纳米压痕仪测试一维材料时，加载方式有两种：在一维材料径向加压和在一维材料长度方向加压。相应地，可得到一维纳米材料的不同方向的力学性能。2006年以来，李晓东教授等利用纳米压痕方法测量了ZnO纳米带，如图6-28（a）所示［59，75，79］和多种硼氧化物纳米线［76，77］的弹性和强度性能。2007年，Stan等发展了AFM的接触共振模式，并研究了Au［78］、ZnO［79］、Te［80］、In［81］等纳米线的弹性尺寸效应。如图6-28（b）所示，AFM微悬臂起初在真空中受迫共振；当其靠近纳米线表面时，由于受到纳米线的弹性约束，共振频率ωf增大，通过接触力学理论的一系列推导最终将能够求出纳米线的径向弹性模量，但是这种方法和纳米压痕存在同样的问题，就是纳米线的受力状态非常复杂。图6-28（c）是Stan等发展的测量剪切模量的横向力模式。

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图6-28　测量横向力模式

（a）纳米压痕测量的ZnO纳米带的F-d曲线［59］　（b）接触共振模式［79］（c）横向力模式［79］　（d）单根纳米管的长度方向压痕测试［29］

图6-28（d）为在一维纳米材料的长度加载，可直接测量纳米材料在长度方向受力后的弯曲变形及相应的弹性模量等力学性能。这种测量方式在本章第二节中已经详细介绍过。同样，材料压痕技术也可对定向排列的一维纳米材料阵列进行研究，如图6-29所示。图中为对7.5μm长的CNT施加应变的20%（a）、60%（b）和90%（c）后的变形碳纳米管。图6-29（d）为释放应力后的碳纳米管阵列。

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图6-29　碳纳米管阵列的长度方向压痕测试［82］

3.纳米颗粒或晶粒、薄膜的力学性能研究

与6.2介绍的测量方法相比，纳米压痕仪的测量对象从一维纳米材料扩展到了整个纳米材料领域，即可以实现对零维、一维、二维和三维纳米材料的力学测量。

图6-30为利用纳米压痕和显微成像技术相结合的一个典型例子。首先，利用聚焦离子束技术（FIB）制备出160 nm直径、（111）面的Ni纳米柱；在TEM中选取一个合适的Ni纳米柱，然后利用压痕探针对其施压并记录力—位移曲线，即可获得相关力学参数。研究结果表明，经过第一次压痕试验，因FIB制样造成的缺陷消失，只留下Ni晶体本身的缺陷，如图6-30（b）所示；第二次压痕试验更能反映Ni晶体本身的性能。在力—位移曲线（图6-30（d）、（e）、（f）所示）中可以看到材料的塑性变形和弹性变形，见图6-30（e）（f）所示。利用纳米压痕技术和显微镜技术相结合，可以精确选择测量的颗粒或晶粒，能够同时记录力—位移曲线和微观结构（包括颗粒尺寸和缺陷）。如果采用图像的连续观察记录功能，还可以研究纳米材料在外力作用下的结构变化过程，为探索纳米材料的力学性能和形变机理提供微观证据。同样，纳米压痕技术还可用于测量多晶材料中单个晶粒的力学性能。图6-31为采用材料纳米压痕技术测量Al多晶材料中一个晶粒性能的过程及力—位移曲线。对于纳米薄膜来说，压痕深度是一个重要的参数，一般来说，载荷较小时，压痕不明显，随着载荷的增加，压痕深度和宽度变大（如图6-32所示）。同时，压痕深度对力学参数的计算也有影响（如图6-33所示）。大量研究发现［86，87］，对于薄膜材料的纳米压痕实验，当压痕深度控制在薄膜厚度的1／10之内时，可以忽略基底材料的影响，测得的实验结果才能反映薄膜材料的真实力学性能。但是当被测试的样品为几个微米至几百个纳米厚的薄膜或者尺寸更小的纳米带时，如果仍然把压痕深度控制在厚度的1／10之内，那么尺寸效应和表面吸附作用将会对测试结果产生很大的不利影响。为了避免这些影响，此时我们需要把压痕深度控制在厚度的1／10以上，以测得真实的材料力学性能。同时我们又面临了一个新的问题，此时基底效应对测试结果的影响变得越来越大，因此，对于薄膜或者纳米带／基底体系的压痕实验，我们必须要考虑基底效应的影响。Bahr［88］利用纳米压痕实验完成了低于50 nm深度的硬度测量；Adams［89］用纳米压痕实验研究了颗粒薄膜凝聚体的断裂机制。