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。

•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。

•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。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

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：<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：

Video Screen ：25X

Objective ：10X&40X

最大载荷<500mN，压痕深度2100nm左右

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7 1116 25 4 3 2 1 2

2max

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max max

i

i

r r c c h h m

f E E E A S

E A P H h f A S P h h dh dP S h h P ννβπεα-+-====-=⎪⎭⎫

⎝⎛=-==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。

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。

2

4

6

8

1012

01020304050607080

L o

a d

（m

N

）Time （seconds ）Nominal Force

1

2001cos 1-⎪⎪

⎪

⎪

⎭

⎫

⎝⎛--+=f s K K m Z F S ωφ接触刚度：H &E

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

装载样品

Nanosuite软件界面

注意事项

1）

2）

3）