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纳米压痕技术介绍：测试项目、应用及测量影响因素

纳米压痕技术被称为深度敏感压痕技术，可在低至纳米尺度内获取材料的硬度、弹性模量、蠕变行为、断裂韧性等一些力学性能。通过控制载荷或者位移，使形状特定的压头与被测物体接触，压入过程中利用传感器采集信号，得到载荷-位移曲线，再由计算得到材料的弹塑性性能。以下详细介绍纳米压痕技术测试能力、纳米压痕技术全面的测试范围、纳米压痕技术-测量影响因素、

阅读：10159+ 时间：2024-09-03 源于：66 作者：ccpst 电话：400-9621-929

纳米压痕技术被称为深度敏感压痕技术，可在低至纳米尺度内获取材料的硬度、弹性模量、蠕变行为、断裂韧性等一些力学性能。通过控制载荷或者位移，使形状特定的压头与被测物体接触，压入过程中利用传感器采集信号，得到载荷-位移曲线，再由计算得到材料的弹塑性性能。以下详细介绍纳米压痕技术测试能力、纳米压痕技术全面的测试范围、纳米压痕技术-测量影响因素、纳米压痕技术的主要特点包、纳米压痕技术的优点、纳米压痕技术的局限性等。

纳米压痕技术测试功能：

  • 准静态模量和硬度测试
  • 连续刚度测试技术
  • 多相或复合材料的硬度
  • Mapping和杨氏模量Mapping
  • 剪切模量
  • 薄膜或涂层材料的附着力测试
  • 压入功计算
  • 压入蠕变Creep
  • 变温测试
  • 扫描电镜-纳米压痕联用等

 

纳米压痕技术全面的测试范围： 

  • 膜薄,涂层和表面处理后的样品 
  • 金属、陶瓷和聚合物 
  • 复合材料 
  • 生物材料 
  • MEMS 和微结构

纳米压痕仪应用广泛，可适用于有机或无机、软质或硬质材料的检测分析，包括PVD、CVD、PECVD薄膜，感光薄膜，彩绘釉漆，光学薄膜，微电子镀膜，保护性薄膜，装饰性薄膜等等。

基体可以为软质或硬质材料，包括金属、合金、半导体、玻璃、矿物和有机材料等。

主要应用领域：半导体技术(钝化层、镀金属、Bond Pads)；存储材料(磁盘的保护层、磁盘基底上的磁性涂层、CD的保护层)；

光学组件(接触镜头、光纤、光学刮擦保护层)；金属蒸镀层；防磨损涂层(TiN, TiC, DLC, 切割工具)；药理学(药片、植入材料、生物组织)；工程学(油漆涂料、橡胶、触摸屏、MEMS)等行业。

纳米压痕技术-测量影响因素

纳米压痕技术-表面粗糙度

接触零点为材料表面高峰时，得到的峰值载荷小于光滑表面，当接触零点为材料表面低谷时，峰值载荷大于光滑表面。随着均方根粗糙度σ 的增大，载荷-位移曲线变得越来越分散。压入深度越大，表面粗糙度测试的结果的影响越小。

纳米压痕技术压入深度

在纳米压痕测试中，粗糙表面对测量结果的影响规律为：压头与试件刚接触时，位移接近于 0，载荷偏差为负值，且绝对值最大，出现这个负向大偏差是由于压深度小，出现了压痕尺寸效应；之后随着压深的增加，偏差的绝对值逐渐减小，当压深达到某一值时，偏差为零；当压深继续增加时，偏差为正值，且随着压深增大而逐渐达到极限值；之后，随着偏差随着压深的增加逐渐减小。因此，在纳米压痕测量时，需根据测量的试样表面粗糙度特征，选取合理的测量深度，减小测量误差。

纳米压痕技术-压头磨损

建立存在尖端半径的玻氏、维氏、圆锥压头的纳米压痕模型，分析其在不同尖端半径和压入深度下的载荷位移曲线、应力云图，并计算了硬度和弹性模量。发现硬度和弹性模量随着深度的减小而增大，随后趋于定值，硬度表现出了更显著的压痕尺寸效应；相同压入深度下，尖端半径越大，计算得到的硬度和弹性模量越大；在小压深范围采用玻氏压头的测量值更精确。

纳米压痕技术的主要特点包括：

  1. 小尺度测试：可以对非常小的样品进行测试，甚至可以测试材料的局部区域。

  2. 高分辨率：能够提供纳米级别的力和位移分辨率，从而获得精确的测量结果。

  3. 非破坏性：与传统的压痕测试相比，纳米压痕测试对样品的破坏性较小，可以在不破坏样品的情况下进行测试。

  4. 广泛的应用范围：可以用于各种材料，包括金属、陶瓷、聚合物、生物材料等。

  5. 动态测试：可以进行动态测试，例如在加载和卸载过程中测量材料的响应。

  6. 数据丰富：除了硬度和弹性模量，还可以获得其他材料性能参数，如断裂韧性、蠕变行为等。

纳米压痕技术与传统的硬度测试（如维氏硬度、洛氏硬度和布氏硬度测试）相比，具有一些明显的优势，但也存在一些局限性。以下是它们的比较：

纳米压痕技术-优势：

  1. 小尺度测试：纳米压痕可以在非常小的尺度上进行测试，这对于研究薄膜、涂层、纳米材料等具有重要意义。

  2. 局部性能分析：可以对材料的特定区域进行测试，从而获得局部的硬度和弹性模量信息，这对于材料的微观结构分析非常有用。

  3. 高分辨率：提供极高的力和位移分辨率，使得测量结果更加精确。

  4. 非破坏性或微创：与传统的硬度测试相比，纳米压痕对样品的破坏性较小，有时甚至可以认为是非破坏性的。

  5. 材料多样性：适用于各种材料，包括硬质材料、软质材料、脆性材料和生物材料。

  6. 动态测试能力：可以进行动态加载和卸载测试，以研究材料的蠕变、疲劳等行为。

  7. 数据丰富：除了硬度和弹性模量，还可以获得其他材料性能参数，如断裂韧性、应力-应变关系等。

纳米压痕技术局限性：

  1. 测试成本：纳米压痕设备通常比传统的硬度测试设备更昂贵。

  2. 样品准备：可能需要更精细的样品表面处理，以确保测试的准确性。

  3. 测试速度：与传统硬度测试相比，纳米压痕测试的速率通常较慢，因为需要精确控制加载和测量过程。

  4. 数据解释复杂性：纳米压痕测试产生的数据可能需要复杂的分析和模型来解释，这可能需要专业的软件和知识。

  5. 样品尺寸限制：对于非常小或非常薄的样品，可能难以进行纳米压痕测试。

  6. 环境因素：测试过程中可能需要控制环境条件（如湿度、温度），以确保测试结果的准确性。

  7. 标准化程度：与已经广泛标准化的传统硬度测试相比，纳米压痕测试的标准化程度较低，可能需要更多的研究来建立统一的测试和分析方法。

 

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