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微纳米力学及纳米压痕表征技术
微纳米力学及纳米压痕表征技术

摘要：微纳米力学为微纳米尺度力学,即特征尺度为微纳米之间的微细结构所涉及的力学问题[1] 。纳米压痕方法是通过计算机控制载荷连续变化，并在线监测寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为 80 A/m，而当颗粒尺寸减小到 20nm以下时，其矫顽力可增加1千倍，假设进一步减小其尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可制作高贮存密度的磁记录磁粉，应用于磁带、磁卡以及磁性钥匙等。
特殊的力学性质是指因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。

纳米粒子的外表原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，具有不饱和性质，因而极易与其他原子相结合而趋于稳定，具有很高的化学活性。
当颗粒细化时，粒子逐渐减小时，总外表积急剧增大，比外表积相应的也急剧加大。
由于外表原子数增多，原子配位缺乏及高的外表能，使这些外表原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合,而表现出很高的化学活性
纳米粒子的外表原子所处的位场环境及结合能与内部原子有所不同，如存在许多悬空键，配位严重缺乏，具有不饱和性质，因而极易与其它原子结合而趋于稳定，所以具有很高的化学活性。
2纳米压痕实验原理及方法

为了便于理论分析,通常用一个轴对称压头作为纳米压痕试验的理论模型,图2一3为试验过程中压痕剖面变化的示意图。当压头压入试样后,压头附近的材料首先产生弹性变形,随着载荷的增加,试样开始产生塑性变形,样品中出现一个与压头形状匹配的压痕,压痕的接触深度为h。,接触圆半径为a。当压头卸载时,仅仅弹性变形得到恢复。图2一4给出了一个完整的加载一卸载循环过程的载荷(F)一位移(h)变化曲线。
压痕硬度和压痕模量的计算公式如下:
(2-1)
Fmax一最大载荷,Ap一相应载荷下的接触投影面积。
式2一1是用压痕硬度的普遍定义。由这个定义可知,这里的压痕硬度是由接触载荷除以相应的受载接触面积得到的。这需要与传统的硬度定义接触载荷除以剩余压痕面积相区别。当塑性形变为主或全部是塑性形变的时候,由这两个定义得到的计算结果很接近。但是,对于弹性形变为主的时候计算结果就完全不同了,因为纯弹性形变的材料使得压痕剩余面积很小,用传统的硬度定义计算得到的硬度为无穷大。因为纯弹性接触、尖压头测试薄膜时压头周围的弹性接触都是非常常见的,所以用球形压头得到的接触面积的细微差异显得尤其重要。在这些情况下,传统的硬度定义公式计算得到的硬度值要大于式2一1的计算结果。
折合模量的计算公式见式2一2。
(2-2)
这里,S为卸载曲线顶部的斜率,又称弹性接触刚度或接触刚度,
Er为约化压痕模量,β是与压头几何形状相关的常数[5]。式2一2是建立在弹性接触理论根底上的[6-8],但它也适合其他形状的压头,只不过β值不同。对圆锥压头和球压头,β=l,对维氏压头,β=,对Berkovieh和eube一eorner压头,β=。Er被用来解释压头和试样的复合弹性形变,由Er可得出被测材料的压痕弹性模量EIT.。
(2-3)
此处V为被测材料的泊松比,Ei、Vi分别为压头的压痕模量和泊松比。
从式2一l和式2一2可知,要计算出压痕硬度0和压痕压痕模量就必须精确地测量弹性接触刚度S和加载时的投影接触面积AP。纳米压痕硬度和传统的压痕硬度之间的要差异就是在接触面积确实定方式上,它是通过对载荷一位移曲线进行分析后计算出投影接触面积的。目前确定接触面积的方法应用最广泛的是0liver一Pharr方法。该方法的原理和过程如下:首先,通过将卸载曲线的载荷与位移的关系拟合为一指数关系,
(2-4)
此处B和m为拟和参数,hf为完全卸载后的位移。
对式(2一4)微分就可得到弹性接触刚度:
(2-5)
由式(2一4)所表示的卸载曲线与实际卸载曲线往往有一些偏差,特别是对梯度材料和薄膜材料等深度上不均匀的样品,按式2一4对整条卸载曲线拟合常常导致非常大的误差。因此,确定弹性接触刚度的曲线