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納米壓痕技術(shù)在材料力學(xué)測試中的應(yīng)用
　　隨著材料科學(xué)的發(fā)展，多種多樣的微納米尺度材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防以及航空領(lǐng)域。微納尺度材料主要是指幾何尺寸或基本單元在幾十納米或幾十微米內(nèi)的材料?；诔叽绲南拗?，該類材料不能由宏觀塊體材料的知識體系推出，并且該類材料一般在多場耦合條件下服役，這些因素導(dǎo)致其力學(xué)測試難度加大。材料的力學(xué)測試是一項(xiàng)重要的內(nèi)容,包括硬度、彈性模量、塑性應(yīng)變,薄膜界面結(jié)合強(qiáng)度以及材料疲勞特性。在傳統(tǒng)力學(xué)測試無法滿足的情況下，尋求更先進(jìn)的力學(xué)測試方法成為廣大學(xué)者關(guān)注的內(nèi)容。人們發(fā)明了很多納米級力學(xué)測試的儀器，例如納米壓痕儀、原子力學(xué)顯微鏡和掃描探針聲學(xué)顯微鏡等。其中，納米壓痕儀憑借其高分辨率、操作方便等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用在材料的微區(qū)力學(xué)測試。
納米壓痕儀實(shí)現(xiàn)了對試樣加載的同時(shí)測量其變形，通過反饋系統(tǒng)控制載荷與壓入深度。系統(tǒng)中的各類組件實(shí)現(xiàn)了低載荷量程高分辨力、接觸剛度動態(tài)測量以及法向力和切向力的連續(xù)變化。納米壓痕儀可以測試硬度、彈性模量隨壓入深度的變化，實(shí)現(xiàn)了材料硬度、彈性模量、界面結(jié)合強(qiáng)度、疲勞參數(shù)等多項(xiàng)力學(xué)測試。納米壓痕儀測試對材料的壓痕屬于微納米級，幾乎可看作是無損測試。同時(shí)，納米壓痕儀因其具有高的載荷位移分辨率，滿足了納米級力學(xué)測試的需要，大大提高了實(shí)驗(yàn)精度。針對納米壓痕儀的特點(diǎn)，近些年國內(nèi)外出現(xiàn)了大量擴(kuò)展納米壓痕儀應(yīng)用方面的研究。例如，對三硝基甲苯(TNT)單晶、Si 單晶某一晶面上的壓入硬度、壓入模量進(jìn)行測試，比較不同工藝下生產(chǎn)的單晶產(chǎn)品性能。利用納米壓痕從納米尺度分析碳納米管對材料的強(qiáng)化效果和機(jī)理，進(jìn)而得出材料宏觀力學(xué)性能;采用納米壓痕法測量材料的蠕變速率敏感指數(shù)，其高的載荷和位移分辨率，為材料室溫蠕變的性能研究提供了可能，該方法簡單可行，受材料及構(gòu)件形狀和體積的影響較小，測量精度高。此外，納米壓痕儀對薄膜性能測試應(yīng)用廣泛。例如，利用納米壓痕儀測量薄膜厚度，所得加卸載曲線中對應(yīng)膜厚深度存在一個(gè)平臺，即平臺效應(yīng)，該平臺對應(yīng)的深度基本與膜厚相當(dāng)。納米壓痕儀定性測量薄膜結(jié)合強(qiáng)度，隨著壓入深度的增加，硬度和模量更接近于基體，若樣品硬度和模量曲線變化大，則說明膜基變形協(xié)調(diào)性差，薄膜與基體結(jié)合度低。
納米壓痕表征薄膜開裂行為，由于尺寸的限制，傳統(tǒng)線彈性破壞力學(xué)測試方法不容易獲得薄膜的斷裂行為。為此，很多研究學(xué)者采用納米壓痕法來研究薄膜的開裂行為。在對硅基質(zhì)碳薄膜進(jìn)行納米壓痕實(shí)驗(yàn)時(shí)，圓錐壓頭壓入產(chǎn)生了環(huán)狀裂紋，立方壓頭壓入則生成了放射狀裂紋。在布氏壓頭壓入玻璃基體的碳薄膜的實(shí)驗(yàn)中，研究者觀察到相框狀和放射狀裂紋。還有學(xué)者通過等離子沉積法制出聚醚醚酮基體上的非晶碳薄膜，用來研究軟基硬質(zhì)薄膜布氏壓頭下的壓痕開裂行為，先后產(chǎn)生了放射狀裂紋和相框狀裂紋。這些研究均表明壓頭的形狀和裂紋的形狀有關(guān)，據(jù)調(diào)查在裂紋形成機(jī)制與壓頭形狀關(guān)系方面的研究還較少。
標(biāo)準(zhǔn)集團(tuán)認(rèn)為近些年硬膜軟基材料應(yīng)用較為廣泛，硬質(zhì)薄膜可以提高軟質(zhì)基體的抗磨性、抗沖擊性等。但是硬質(zhì)薄膜易斷裂失效，所以研究硬膜軟基的斷裂力學(xué)行為顯得尤為重要。在布氏壓頭壓入聚醚醚酮基體的非晶碳薄膜實(shí)驗(yàn)中，采用了ABAQUS軟件進(jìn)行三維有限元模擬分析壓痕過程中應(yīng)力的演變。分別在膜基彈性模量比為2.33，13.95和41.86的樣品上進(jìn)行載荷為8.5mN和20.5mN的壓痕實(shí)驗(yàn)，獲得載荷深度曲線，并用蔡司超加速場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察裂紋形狀。發(fā)現(xiàn)隨著載荷的加大，先后產(chǎn)生了放射裂紋和相框狀裂紋，隨著載荷的增大，相框狀裂紋出現(xiàn)，并且裂紋之間不交叉。然而在載荷為20.5mN并形成相框狀裂紋的載荷深度曲線中沒有觀察到突躍現(xiàn)象。
標(biāo)準(zhǔn)集團(tuán)負(fù)責(zé)人表示納米壓痕儀與傳統(tǒng)的力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)測試相比，實(shí)現(xiàn)了小尺度材料的斷裂測試，操作便捷。更為重要的是，它可以實(shí)現(xiàn)接觸剛度的動態(tài)測量，并結(jié)合掃描顯微鏡觀察隨著壓入深度的增大裂紋的變化情況。據(jù)研究，在裂紋生成機(jī)制與壓入載荷、壓頭形狀關(guān)系的工作較少，所以在納米壓痕研究薄膜斷裂失效的工作還需有待深入研究。
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