纳米压痕实验

1、 纳米压痕是一种先进的微尺度力学测量技术。它是通过测 量作用在压针上的载荷和压入样品表面的深度来获得材料 的载荷-位移曲线。其压入深度一般控制在微/纳米尺度， 因此要求测试仪器的位移传感器具有优于1nm的分辨率， 所以称之为纳米压痕仪。 测量的材料力学性能包括：弹性模量、硬度、屈服强度、 断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性等。 浙江大学力学实验中心2 一、TriboIndenter是Hysitron公 司生产的低载荷原位纳米力学 测试系统，可进行压入和划入 测试。右上图为其核心部分。 Hysitron公司：1992年成立于美 国明尼苏达州，是一家专门致 力于原位纳米力学测试系统设 计、生产和销售的

2、公司。 二、Nano Indenter是最早研制 的压入测量仪器。右下图为其 核心部分。 1983年Nano Instruments公司在 美国田纳西州成立并开始研发 Nano Indenter，1998年被MTS 公司收购，MTS公司2008年被 Agilent公司收购。 浙江大学力学实验中心3 光学显微镜 传感器 样品台 Computer CSM Controller 连续刚度测量 NanoSwift Controller 控制和采集位移和力的变化 Monitor Keyboard Vibration Isolation Cabinet 隔热和隔音 浙江大学力学实验中心4 浙江大学力学实验

3、中心5 Schematic of the Nano Indenter G200 载荷分辨率：50nN 标准测试最大载荷：500mN 高载荷测试最大载荷：10N Z方向的位移分辨率：500m X-Y Table位移分辨率：1m 行程范围：100 100mm 显微镜放大倍数： Video Screen ：25X Objective ：10X&40X 浙江大学力学实验中心6 浙江大学力学实验中心7 最大载荷500mN，压痕深度2100nm左右 7 111 6 2 5 4 3 2 1 22 max max max max i i r r c c hh m f EEE A S E A P H hfA S

4、 P hh dh dP S hhP 用最小二乘法拟合卸载曲线顶端的25%30%，得到（1）式，然后计 算出接触刚度即（2）式，用（3）式计算出接触深度，代入（4）中 求得接触面积，于是得到硬度即（5）式。利用接触刚度和接触面积 计算得到折合模量即（6）式，然后利用（7）式以及压针的模量和泊 松比计算样品材料的弹性模量。 8浙江大学力学实验中心 浙江大学力学实验中心9 传统的准静态纳米压痕测试是利用卸载曲线获得接触刚度，每个压痕循环 只能获得最大压痕深度处的一个硬度和模量。连续刚度测量技术则可以直 接获得压入过程中采集的每个数据点对应压入深度的接触刚度，进而计算 出硬度与弹性模量等力学性能作为压入深度的连续函数。 0 2 4 6 8 10 12 01020304050607080 Load（mN） Time（seconds） Nominal ForceNominal Force 1 2 0 0 1 cos 1 f s K Km Z F S 接触刚度： H &E 浙江大学力学实验中心 装载样品1 打开电源，启动电脑2 打开Nanosuite软件，进行操作3 导出实验相关数据