微納米力學(xué)及納米壓痕表征技術(shù)-在線瀏覽
2024-08-10 21:02本頁面
【正文】 的要求越來越高。微納米力學(xué)及納米壓痕表征技術(shù) 摘要：微納米力學(xué)為微納米尺度力學(xué),即特征尺度為微納米之間的微細(xì)結(jié)構(gòu)所涉及的力學(xué)問題[1] 。納米壓痕方法是通過計(jì)算機(jī)控制載荷連續(xù)變化，并在線監(jiān)測壓深量[2]，適用于微米或納米級的薄膜力學(xué)性能測試，本實(shí)驗(yàn)采用Oliver–Pharr 方法研究了Al2O3 薄膜，附著在ZnS 基底，得到了Al2O3 薄膜的力學(xué)性能。20世紀(jì)80年代,現(xiàn)代表面技術(shù)被國際科技界譽(yù)為最具發(fā)展前途的十大技術(shù)之一。因此,世界各國都非常重視材料的納米級表層的物理、化學(xué)、機(jī)械性能及其檢測方法的研究。另外在材料微結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域中, 材料研究尺度逐漸縮小,材料的變形機(jī)制表現(xiàn)出與傳統(tǒng)塊狀材料相反的規(guī)律 ,以上趨勢要求測試儀器具有高的位置分辨率、位移分辨率和載荷分辨率 ,納米壓痕方法能夠滿足上述測試需求。納米壓痕試驗(yàn)方法是一種在傳統(tǒng)的布氏和維氏硬度試驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新的力學(xué)性能試驗(yàn)方法。1納米力學(xué)簡介 納米材料是指三維空間尺度至少有一維處于納米量級(1100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子與宏觀體系之間的納米粒子所組成的材料，是把組成相或晶粒結(jié)構(gòu)控制在 100nm以下尺寸的材料。 納米材料的基本單元：團(tuán)簇、納米微粒、納米管、納米帶、納米薄膜、納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時，金屬費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道(HOMO)和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(LUMO)，能隙變寬現(xiàn)象，稱為量子尺寸效應(yīng)。 表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒子尺寸的減小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子物理、化學(xué)性質(zhì)的變化。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，因?yàn)榻饘俪㈩w粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米的厚度就能完全消光。此外又有可能應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。 特殊的磁學(xué)性質(zhì)是指小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為 80 A/m，而當(dāng)顆粒尺寸減小到 20nm以下時，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6nm時，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。 特殊的力學(xué)性質(zhì)是指因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性。當(dāng)顆粒細(xì)化時，粒子逐漸減小時，總表面積急劇增大，比表面積相應(yīng)的也急劇加大。2納米壓痕實(shí)驗(yàn)原理及方法 為了便于理論分析,通常用一個軸對稱壓頭作為納米壓痕試驗(yàn)的理論模型,圖2一3為試驗(yàn)過程中壓痕剖面變化的示意圖。,接觸圓半徑為a。圖2一4給出了一個完整的加載一卸載循環(huán)過程的載荷(F)一位移(h)變化曲線。 式2一1是用壓痕硬度的普遍定義。這需要與傳統(tǒng)的硬度定義接觸載荷除以殘余壓痕面積相區(qū)別。但是,對于彈性形變?yōu)橹鞯臅r候計(jì)算結(jié)果就完全不同了,因?yàn)榧儚椥孕巫兊牟牧鲜沟脡汉蹥堄嗝娣e很小,用傳統(tǒng)的硬度定義計(jì)算得到的硬度為無窮大。在這些情況下,傳統(tǒng)的硬度定義公式計(jì)算得到的硬度值要大于式2一1的計(jì)算結(jié)果。 (22)這里,S為卸載曲線頂部的斜率,又稱彈性接觸剛度或接觸剛度,Er為約化壓痕模量,β是與壓頭幾何
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