纳米压痕实验
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• 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
传感器 光学显微镜 样品台
纳米压痕实验
纳米压痕技术
• 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。
3
A f hc
4
H P max
5
A
Er
2
S A
6
1
1
2
1
2 i
7
Er
E
Ei
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。
浙江大学力学实验中心
8
CSM技术
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。
1
接触刚S度 ZF ： 00cos1m2
13
Thank you！
浙江大学力学实验中心
14
• 高载荷测试最大载荷：10N
• Z方向的位移分辨率：<0.01nm
• 最大压入深度：>500μm
• X-Y Table位移分辨率：1μm
• 行程范围：100 ×100mm • 显微镜放大倍数：
上图是进行显微镜校准时得到： 沿45°方向，间距为50μm的三个Leabharlann Baidu痕
Video Screen ：25X Objective ：10X&40X
3
Nano Indenter®G200系统外观
Vibration Isolation Cabinet 隔热和隔音
Computer
Monitor
CSM Controller 连续刚度测量
Keyboard
NanoSwift Controller 控制和采集位移和力的变化
浙江大学力学实验中心
4
Nano Indenter®G200核心部分
显微镜放大倍数为250 倍 视距约为250 × 50μm=12.5mm
浙江大学力学实验中心
6
标准测试的载荷-位移曲线
最大载荷<500mN，压痕深度2100nm左右
浙江大学力学实验中心
7
压痕实验原理
P h h f m
1
S dP
2
dh h h max
h c h max
P max S
Ks
1 Kf
H &E
浙江大学力学实验中心
9
操作流程
1
装载样品
2
打开电源，启动电脑
3
打开Nanosuite软件，进行操作
4
导出实验相关数据，卸载样品
浙江大学力学实验中心
10
装载样品
浙江大学力学实验中心
11
Nanosuite软件界面
浙江大学力学实验中心
12
注意事项
1）
2）
3）
浙江大学力学实验中心
浙江大学力学实验中心
2
纳米压痕测量仪器
• 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、生产和销售的公司。
Schematic of the Nano Indenter G200
Nano Indenter G200
Minus k Vibration Isolation Table 精密减振台
浙江大学力学实验中心
5
Nano Indenter®G200的技术参数
• 载荷分辨率：50nN
• 标准测试最大载荷：500mN
• 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。
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传感器 光学显微镜 样品台
纳米压痕实验
纳米压痕技术
• 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。
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A f hc
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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。
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CSM技术
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。
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接触刚S度 ZF ： 00cos1m2
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Thank you！
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• 高载荷测试最大载荷：10N
• Z方向的位移分辨率：<0.01nm
• 最大压入深度：>500μm
• X-Y Table位移分辨率：1μm
• 行程范围：100 ×100mm • 显微镜放大倍数：
上图是进行显微镜校准时得到： 沿45°方向，间距为50μm的三个Leabharlann Baidu痕
Video Screen ：25X Objective ：10X&40X
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Nano Indenter®G200系统外观
Vibration Isolation Cabinet 隔热和隔音
Computer
Monitor
CSM Controller 连续刚度测量
Keyboard
NanoSwift Controller 控制和采集位移和力的变化
浙江大学力学实验中心
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Nano Indenter®G200核心部分
显微镜放大倍数为250 倍 视距约为250 × 50μm=12.5mm
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6
标准测试的载荷-位移曲线
最大载荷<500mN，压痕深度2100nm左右
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压痕实验原理
P h h f m
1
S dP
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dh h h max
h c h max
P max S
Ks
1 Kf
H &E
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操作流程
1
装载样品
2
打开电源，启动电脑
3
打开Nanosuite软件，进行操作
4
导出实验相关数据，卸载样品
浙江大学力学实验中心
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装载样品
浙江大学力学实验中心
11
Nanosuite软件界面
浙江大学力学实验中心
12
注意事项
1）
2）
3）
浙江大学力学实验中心
浙江大学力学实验中心
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纳米压痕测量仪器
• 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、生产和销售的公司。
Schematic of the Nano Indenter G200
Nano Indenter G200
Minus k Vibration Isolation Table 精密减振台
浙江大学力学实验中心
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Nano Indenter®G200的技术参数
• 载荷分辨率：50nN
• 标准测试最大载荷：500mN