纳米压痕

一基本介绍高温纳米压痕仪的主要用途是获得薄膜和材料在一定温度下的微观力学性能，其力学性能随温度变化的特性具有巨大的工业和科学意义。但高温测量中存在热漂移，信号稳定性（噪声），表面氧化和尖端样品反应的困难，安东帕研发了一种新型的高温真空纳米压痕仪，该压痕仪能够完成在特定温度下的超稳定的测量，是一款商业化的高温纳米压痕仪。二工作原理该系统基于超纳米压痕测试仪（UNHT），该测试仪利用一种主动表面参照技术，该技术包括两个独立的轴，一个用于表面参照，另一个用于压痕。在这种对称结构和差分深度测量技术中使用的极硬且热膨胀系数非常低的材料导致系统的柔量可忽略不计，并且热漂移率非常低。这样就可以进行稳定且长期的测量（例如蠕变测试），而不必担心漂移和噪声。每个轴都有自己的执行器，位移和负载传感器。对于两个轴，通过压电执行器A1和A2施加位移。压头和基准上的负载是从弹簧K1和K2的位移获得的，这些位移是用电容式传感器C1和C2测量的。压头的位移是通过差分电容传感器C3相对于基准进行测量的。精确的反馈回路确保连续控制压头和基准上的法向力。三针尖与样品表面温度的匹配-热漂移最小化实验过程中热电偶读取的温度不是压头和参比端以及样品表面的真实温度。因此，压头和样品的表面温度需要精确匹配，以避免热量流过触点，从而避免热漂移。我们开发了以下3个步骤的程序来匹配此压头的尖端样品表面温度：a.将压头尖端放在距离样品表面约100微米以内的位置，并使用PID控制将样品和尖端加热到目标温度。现在，安装在压痕头上的热电偶将直接与样品表面接触。将样品表面温度调节至目标温度。温度稳定后，请切换至恒定功率模式以防止瞬时温度波动b.温度粗调：通过调整针尖加热过程中热电偶的温度，以最大程度地减大载荷压入样品表面时引起针尖的温度变化c.温度微调：进一步微调针尖加热过程中的功率，以达到零热漂移率(a) 长时间蠕变测试时的压痕温度(b) 通过粗调压头温度，以最大程度减少接触产生时的温度变化(c) 直接在热漂移测量过程中微调压头的加热功率安东帕中国总部销售热线：+86 4008202259售后热线：+86 4008203230官网：www.anton-paar.cn在线商城：shop.anton-paar.cn

近日，中国科学院近代物理研究所材料研究中心在纳米压痕测试方面取得新进展。研究发现，在进行纳米压痕测试时，使用不同的伯克维奇压头会导致试验结果不一致（除熔融石英外），并分析了造成这种情况的原因。相关研究成果发表在《材料研究与技术杂志》（Journal of Materials Research and Technology）上。    纳米压痕测试是高精度仪器化压入试验技术，具有无损测试和试验简单等优点。然而，即使经过压头面积函数校准，使用不同的伯克维奇压头进行测试仍会产生不一致的结果，这使得准确测试材料硬度以及比较来自不同实验室的数据变得困难。     研究发现，导致试验结果不一致的主要原因在于压头尖端的缺陷和压痕尺寸效应。伯克维奇压头在加工过程中会产生尖端缺陷，且在使用过程中发生磨损。     为了量化压头尖端的缺陷和压痕尺寸效应对试验结果的影响，科研人员利用压头面积函数建立了压头的有限元模型，并提出了校正纳米压痕载荷-位移曲线尺寸效应的方法。研究表明，压头尖端缺陷对试验结果的直接影响较小，而不同的压头尖端缺陷通过影响压痕尺寸效应造成了试验结果不一致的现象。     该研究提出的纳米压痕试验载荷-位移曲线压痕尺寸效应的校正方法和压头建模方法，可用于反向有限元计算测试材料的本构关系。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。     图1. 伯克维奇压头原子力显微镜等高线云图图2. 使用1号和2号伯克维奇压头测试熔融石英和A508-3钢的试验曲线

NanoForce纳米力学测试系统 在2014年MRS秋季会议和展览会上，布鲁克展示了NanoForce纳米压痕和纳米力学测试系统，此系统有利于纳米科学的发展。纳米材料不仅用于研究中，还越来越多的用于产品设计流程中，并且在工业中扮演重要的角色。判断纳米材料是否适合特定环境的应用需要对材料的特性进行稳健性分析。这个新的NanoForce系统支持完整的纳米力学特性分析，可以将学术研究和产品开发中的纳米压痕测量扩展成全面的纳米材料行为研究。这些材料样品的几何形状也很广泛，包括薄膜、纳米结构、微机电系统和各式各样的设备组件等。 　　&ldquo 纳米压痕是一种实验技术，很大程度上促进了纳米尺度上对材料特性的理解，同时也促进了很多现代材料科学的发展。&rdquo 俄亥俄杰出学者Bharat Bhushan和俄亥俄州立大学材料科学教授Howard D. Winbigler说。&ldquo 布鲁克在开发NanoForce系统上投入了很多资源，而当像布鲁克这样知名和有技术实力的公司在这一领域有如此大的投入时，说明纳米压痕技术又向前迈进了重要一步。&rdquo 　　&ldquo NanoForce是纳米力学测试的一个重要突破，因为它简化了纳米尺度上的精确测量过程，即使这个过程是应用于最复杂的情况。&rdquo 布鲁克TMT事业部总经理James Earle补充说。&ldquo 这个平台的发布标志着布鲁克进入了纳米压痕和完整的纳米力学特性领域，给我们的客户提供了一种发现纳米材料真正应用潜力的方法。&rdquo 　　关于NanoForce纳米力学测试系统　　 　　得益于电磁驱动技术的准确性，经过几十年的纳米力学研究，NanoForce系统将纳米压痕技术延伸成真正的纳米力学测试系统。NanoForce 的NanoScript测量和控制软件能实现根据记录和计算数据实时控制实验。基于布鲁克的Dimension Icon® AFM产品家族，创新的龙门设计和封闭室使系统具有优秀的位置精度和防噪声防震动效果，从而为应用于纳米材料科学创造了一个最优的测试环境。真空样品盘方便了样品的添加，内置式安全设备可以在X-Y平台转换过程中保护磁头组件。 　　关于布鲁克 　　布鲁克是一个高性能科学仪器提供商，提供分子学、细胞学和材料学研究以及工业、诊断、临床和应用分析的解决方案。