有限元数值分析方面,Hurley 等分别基于解析模型和有限元模型两种数据分析方法测量了铌薄膜的压入模量,并进行了对比。Espinoza-Beltran 等考虑探针微悬臂的倾角、针尖高度、梯形横截面、材料各向异性等的影响,给出了一种将实验测试和有限元优化分析相结合,确定针尖样品面外和面内接触刚度的方法。有限元分析方法综合考虑了实际情况中的多种影响因素,精度相对较高。Kopycinska-Muller 等研究了AFAM 测试过程中针尖样品微纳米尺度下的接触力学行为。Killgore 等提出了一种通过检测探针接触共振频率变化对针尖磨损进行连续测量的方法。纳米力学测试的结果可以为新材料的设计和应用提供重要参考。微电子纳米力学测试技术
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。湖南国产纳米力学测试定制纳米力学测试对于理解纳米材料在极端条件下的力学行为具有重要意义,如高温、高压等。
样品制备,纳米力学测试纳米纤维的拉伸测试前需要复杂的样品制备过程,因此FT-NMT03纳米力学测试具备微纳操作的功能,纳米力学测试利用力传感微镊或者微力传感器可以对单根纳米纤维进行五个自由度的拾取-放置操作(闭环)。可以使用聚焦离子束(FIB)沉积或电子束诱导沉积(EBID)对样品进行固定。纳米力学测试这种结合了电-机械测量和纳米加工的技术为大多数纳米力学测试应用提供了完美的解决方案。SEM/FIB集成,得益于FT-NMT03纳米力学测试系统的紧凑尺寸(71×100×35mm),该系统可以与市面上绝大多数的全尺寸SEM/FIB结合使用,在样品台上安装和拆卸该系统十分简便,只需几分钟。此外,由于FT-NMT03纳米力学测试的独特设计(无基座、开放式),纳米力学测试体系统可以和电子背向散射衍射仪(EBSD)和扫描透射电子显微镜(STEM)技术兼容。
日本:S.Yoshida主持的Yoshida纳米机械项目主要进行以下二个方面的研究:⑴.利用改制的扫描隧道显微镜进行微形貌测量,已成功的应用于石墨表面和生物样本的纳米级测量;⑵.利用激光干涉仪测距,在激光干涉仪中其开发的双波长法限制了空气湍流造成的误差影响;其实验装置具有1n m的测量控制精度。日本国家计量研究所(NRLM)研制了一套由稳频塞曼激光光源、四光束偏振迈克尔干涉仪和数据分析电子系统组成的新型干涉仪,该所精密测量已涉及一些基本常数的决定这一类的研究,如硅晶格间距、磁通量等,其扫描微动系统主要采用基于柔性铰链机构的微动工作台。纳米力学测试可以应用于纳米材料的力学模拟和仿真,加速纳米材料的研发和应用过程。
目前微纳米力学性能测试方法的发展趋势主要向快速定量化以及动态模式发展,测试对象也越来越多地涉及软物质、生物材料等之前较难测试的样品。另外,纳米力学测试方法的标准化也在逐步推进。建立标准化的纳米力学测试方法标志着相关测试方法的逐渐成熟,对纳米科学和技术的发展也具有重要的推动作用。绝大多数的纳米力学测试都需要复杂的样品制备过程。为了使样品制备简单化和人性化,FT-NMT03采用能够感知力的微镊子和不同形状的微力传感探针针尖来实现对微纳结构的精确提取、转移直至将其固定在测试平台上。总而言之,集中纳米操作以及力学-电学性能同步测试功能于一体的FT-NMT03能够满足几乎所有的纳米力学测试需求。在医学领域,纳米力学测试可用于研究细胞和组织的力学性质。四川空心纳米力学测试定制
纳米力学测试可以帮助解决材料在实际使用过程中遇到的损伤和磨损问题。微电子纳米力学测试技术
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。微电子纳米力学测试技术
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