摆动式纳米划痕仪系统设计项目调研报告

《智能机电产品的研究与开发》项目调研报告题目：摆动式纳米划痕仪系统设计院（系）：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：22020615学生：刘清扬学号：2022030512指导教师：王洪喜2023年12月

目录TOC\o"1-3"\h\u325461绪论 378791.1前言 39571.2纳米划痕仪研究现状 4238391.2.1国外研究现状 4318391.2.2国内研究现状 540601.2.3纳米划痕测试技术研究现状 6264582纳米划痕仪系统 7148282.1系统构成 7190142.2系统工作原理 819152.3系统基本功能 9127373纳米划痕仪在实验中的应用 10182233.1硬度及弹性模量测试 10236403.2纳米结构材料研究 1197143.3定量耐磨性能评估 12208844结语 132636参考文献 1528282致谢 17

1绪论1.1前言近十几年来，随着小尺度下材料学研究的不断深入及现代微电子材料科学的发展，试样规格越来越小型化，传统的划痕测量方法逐渐暴露出它的局限性。新兴纳米划痕技术的产生很好解决了传统测量的缺陷。纳米划痕是测试微小尺度下力学性能的另外一种常用的方法，它是在小曲率的硬质划针上施加一定的法向力，并使探针沿样品表面刻划，通过表面的划痕可以测试薄膜和基底的临界附着力、硬度、摩擦力、摩擦系数、表面抗划伤性等。纳米划痕仪的出现，为小尺度下材料学的研究提供了很大的便利。传统的纳米划痕仪是使用单一探针进行力学性能测试的设备。它通过将探针与材料表面接触，并施加微小的力量进行划痕，然后测量划痕的深度和形状来计算材料的硬度和耐磨性。制作摆动式纳米划痕仪的目的是为了满足对材料硬度和力学性能的更深入和全面的测试需求，摆动式纳米划痕仪则采用了一种不同的测试方法。它使用一个摆动的探针，在探针上施加一个周期性的力，并同时测量探针的振幅和相位变化。根据振幅和相位的变化，可以推导出材料的力学性能，如硬度、弹性模量等。摆动式纳米划痕仪相对于传统纳米划痕仪具有一些优势。它可以在一次实验中获得更多的信息，例如材料的粘性、弹性、塑性等特性。此外，由于摆动式纳米划痕仪仅需要施加很小的力量，所以对材料的表面要求也相对较低。总而言之，摆动式纳米划痕仪和传统纳米划痕仪在测量原理和测试方法上将存在一些差异，但它们都是用来评估材料硬度和耐磨性能的重要工具。选择使用哪种仪器取决于具体的应用需求和研究目的。本次项目调研报告将通过对市面上现有的纳米划痕仪信息的归纳和整理，作为下一步研发摆动式纳米划痕仪的资料。我们将集中现有纳米划痕测试仪的优点，优化其不足，制作出更加精确、更加便捷的摆动式纳米划痕仪用于纳米级别的科学研究图SEQ图\*ARABIC1.1常见的纳米划痕仪1.2纳米划痕仪研究现状1.2.1国外研究现状国外研究者利用摆动式纳米划痕仪结合表面分析技术，研究了材料表面的微观结构和性能变化。例如，通过测量划痕产生的应力和形貌，可以了解材料表面的变形机制和损伤行为。摆动式纳米划痕仪在生物材料领域的应用也备受关注。研究者通过对生物组织和生物材料进行划痕测试，评估其机械性能和生物相容性，为生物医学工程和组织工程提供了理论基础。同时，在新型材料开发方面，国外研究者利用摆动式纳米划痕仪评估了各种新型材料的力学性能和表面硬度，如二维材料、纳米复合材料等。研究结果为新材料的设计和应用提供了重要参考。近年来，随着纳米材料和薄膜材料的快速发展，摆动式纳米划痕仪在国外实验中也得到了进一步的改进和应用。例如，引入了奈秒级别的力载荷频率来研究材料的动态力学响应；使用更精细的探头和高分辨率的测量系统，可以实现更准确的力学性能测试。此外，还有一些研究致力于将摆动式纳米划痕仪与其他表征技术相结合，如原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）和扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscopy，SEM），以实现对材料表面形貌和力学性能的同时测量。图1.2纳米划痕作用下针尖与样品接触示意图1.2.2国内研究现状国内研究者通过摆动式纳米划痕仪评估了各类材料的划痕性能，如金属、纳米材料、高分子材料等。研究结果有助于了解材料的力学性能和表面硬度等指标。摆动式纳米划痕仪在涂层评估方面应用广泛。研究者通过该仪器对不同涂层进行划痕测试，评估其耐磨性、附着性和机械性能，为涂层技术的开发和改进提供了依据。摆动式纳米划痕仪在研究材料界面行为方面发挥了重要作用。研究者利用划痕实验，探索了不同材料界面的摩擦、磨损和塑性变形等行为，为界面工程和材料设计提供了理论基础。《基于AFM的纳米刻划系统》一文中详细介绍到，研究者们在纳米划痕测试技术的基础上开发出了一套基于AFM的纳米刻划系统，通过采用外加精密工作台及自行开发的单片机输入输出设备，可以实现变垂直载荷的加载和恒定载荷加载，同时测量微悬臂的水平扭转信号，并可以实现阵列刻划实验，拓展了原有AFM的功能。图1.3基于AFM的纳米刻划系统原理示意1.2.3纳米划痕测试技术研究现状纳米划痕测试技术利用一块非常精细的试针或者划痕尖端，施加一定的力量在材料表面做微小划伤，并测量划痕的深度和划痕所需要的力量。通过分析划痕的形成和扩展过程，可以获得材料的硬度、弹性模量和耐磨性等机械性能参数。在纳米划痕测试过程中，通常使用压痕机构对试针施加力量。试针下端的尖端是非常细小的，可以控制施加的压力。试针在材料表面划过时，会形成微小的划痕。利用划痕尖端的形状和尺寸，同时结合施加的力量，可以计算出材料表面硬度等机械性能参数。纳米划痕仪通常配备相应的显微镜系统，可以观察和测量划痕的形态和尺寸。通过对多个划痕进行测量和分析，可以获得有效的材料性能数据。纳米划痕仪利用试针在材料表面划过形成微小划痕的原理，通过测量和分析划痕的深度和所需力量，用于评估材料的硬度、弹性模量和耐磨性等机械性能参数。例如在《仿生叠层构型石墨烯对铝基复合材料的纳米摩擦性能的影响》一文中就提到了研究者们使用纳米划痕技术进行实验，以铝基复合材料为研究对象，使用改良的粉末冶金法制备了仿生叠层构型铝基石墨烯复合材料，采用纳米压痕和纳米划痕技术研究了复合材料的力学性能和摩擦磨损性能。图1.4显微镜下的纳米划痕2纳米划痕仪系统2.1系统构成经查阅网络上现有资料，我们得知现有的纳米划痕仪系统主要由以下六组成部分构成：①划痕针：划痕针用于在被测材料表面制造划痕。通常采用金属或石英材料制成，具有一定硬度和尖锐度。②基台：基台用于支撑和稳定划痕针以及待测试的材料。它通常由坚固的材料制成，以确保实验的稳定进行。③驱动系统：驱动系统用于控制划痕针在被测材料表面上进行划痕运动。可以采用电动或气动方式。④滑动平台：滑动平台位于基台上，用于支撑待测试的材料并提供划痕针运动的表面。⑤传感器系统：传感器系统用于测量划痕针在划痕过程中的力和位移。通过测量力和位移的变化，可以计算出材料的硬度和其他力学性能参数。⑥控制系统：控制系统用于控制划痕针运动的速度、力度和路径等参数，并接收传感器系统的数据进行实时监测和记录。由以上这些组成部分协同工作，通过实验测量和分析，可以得到材料的硬度和其他力学性能参数。图2.1纳米划痕仪系统2.2系统工作原理纳米划痕仪是一种用于研究材料力学性能的仪器。其基本原理是利用纳米尖头对材料表面进行加载和划痕，通过测量加载力和深度变化来获得材料的力学参数。纳米划痕仪通过在材料表面施加划痕载荷，并测量载荷与位移之间的关系，来评估材料的耐磨性和划痕性能。使用划痕针尖施加垂直于样品表面的载荷，并在材料表面划过一定距离。在载荷下，划痕针尖对材料表面施加切向力，形成一个划痕。保持载荷恒定的同时，测量划痕针尖的位移，从而确定材料的划痕性能。首先，仪器会使用一个纳米尖端来施加一个小的力量在材料表面上。这个力量通常在纳牛顿级别，足够小以避免对材料造成显著的损伤。然后，纳米尖端会在材料表面上划出一个微小的痕迹。这个划痕的形状和深度可以提供关于材料硬度和结合力的重要信息。图2.2国产高精度纳米划痕仪2.3系统基本功能纳米划痕仪系统的基本功能是对材料的硬度、弹性模量、断裂韧性、蠕变、磨损性能等进行测定，设计的材料几乎涵盖所以的材料研究领域，比较典型的包括薄膜和纳米材料、半导体材料、金属材料、先进功能材料、生物材料等。这种纳米级力学测试仪器可以用于研究纳米材料、薄膜、涂层、纳米复合材料等的力学性能，提供对材料强度、刚度、韧性、耐久性等力学特性的定量评估和比较。它们在材料科学、表面工程、纳米技术、涂层研究等领域中广泛应用。随着应用研究工作的深入，通过在纳米划痕测试仪器的基础上改造、增添新的测试模块，仪器的功能不断得到拓展，现在纳米划痕测试仪还可以开展材料的参与应力测量、冲击压痕测试、微悬梁臂等期间刚度系数测量、压缩测试、耦合高温、电场、湿润环境、多物理场等的测试以及微结构表面加工等。3纳米划痕仪在实验中的应用3.1硬度及弹性模量测试纳米划痕仪是一种常用于测试材料硬度的仪器，可以评估材料在纳米尺度下的硬度性能。它通过在材料表面进行小范围、微小负荷的划痕，然后测量划痕产生的深度和长度，以确定材料的硬度；通过使用纳米尺度的刚体探头对材料表面进行划痕测试，并测量划痕的几何参数来计算材料的弹性模量。使用纳米划痕仪进行硬度及弹性模量测试时，通常需要以下几个步骤，首先是样品准备，将待测试的材料样品放置在摆动式纳米划痕仪上，并确保其表面光洁无划痕；其次是参数设置，根据不同的材料和测试要求，设置适当的测试参数，如划痕负荷、划痕速度、划痕长度，包括刚体探头的形状和材料的力学性质等。常见的探头形状有锥形、球形等，根据材料的特性选择合适的探头形状；然后启动仪器进行测试，划痕针或划痕锥在预定参数下对材料表面进行划痕操作，测试过程中，测量和记录载荷-划痕深度曲线。紧接着进行测量分析，根据划痕产生的深度和长度，使用仪器提供的软件或者其他分析方法计算材料的硬度参数，通过分析载荷-划痕深度曲线，计算材料的弹性模量。常用的分析方法包括Oliver-Pharr方法和Hertz模型等。最后对其结果解读，根据测试结果，评估材料的硬度性能及弹性模量，并进行相应的数据分析和解释。例如在深圳大学学报上刊登的《超薄纳米薄膜的划痕硬度评价方法及应用》一文中就提到了利用纳米划痕仪在1.0mN载荷下对不同厚度非晶碳膜进行纳米划痕实验。图3.1纳米划痕硬度测试实验《用纳米压痕法研究玻璃表面复合薄膜的力学性能》一文中，也使用纳米划痕技术多次测量了样品的硬度和弹性模量，最终完成了对玻璃表面复合薄膜力学性能的研究。3.2纳米结构材料研究纳米划痕仪还可用于对纳米结构材料（如纳米线、纳米颗粒等）的力学性能进行测试。通过对纳米尺度上的划痕行为进行测量和分析，可以研究纳米结构材料的力学行为、变形机制等。《纳米划痕测试在材料研究领域的最新进展》一文中介绍到，近年来纳米划痕仪被用于研究材料微观结构对材料宏观力学性能的影响，从而为设计结构材料提供力学方面的指导。例如，硬质合金材料具有高硬度、高强度等力学性能方面的优势，被广泛应用于工业领域。但是，由于生产条件的限制，这些材料的体积通常比较小，并且具有很强的硬度和韧性，很难利用传统的方法来检测其力学性能。而纳米划痕测试对样品的尺寸要求比较低，并且可以同步监测测试过程中的位移和载荷。因此，与传统力学测试方法相比，纳米划痕测试更具优势。NdlovuSiphilisiwe等使用Berkovich压头，采用斜坡加载方式对WC-Co合金进行了纳米划痕测试，并且分析了WC-Co硬质合金中WC颗粒的大小和Co含量对材料力学性质的影响。研究表明，合金中Co的含量影响了合金的破坏形式，而WC颗粒的尺寸则影响了合金的抗划伤性。在相同的载荷条件下，WC颗粒的尺寸越小，合金表面划痕的宽度就越窄，深度也越小，合金表现出更好的抗划伤性。随着科技不断发展，纳米划痕测试在纤维增强复合材料中的应用也逐渐成为热点。纤维增强复合材料的性能不仅取决于基体材料和纤维的性能，而且还取决于基体和纤维间的界面粘结性能。研究纤维和基体间粘结性能的基本做法是通过微观力学实验，如纤维拔出和压入法，然后利用一些重要的物理参数进行表征。KimJ.K.等利用纳米划痕测试研究了硅烷偶联剂处理的玻璃纤维增强乙烯基酯复合材料界面。研究表明，利用纳米划痕测试可以准确地测定有效界面的厚度，并且发现偶联剂的浓度越高，有效界面的厚度就越厚。3.3定量耐磨性能评估定量耐磨性能评估是指对材料或产品在摩擦、磨损等工况下的抗磨特性进行测量和评价的过程。摆动式纳米划痕仪就是常用于超精密仪器的定量耐磨性能评估。在《TiZrHfCuBe高熵非晶合金的纳米划痕力学行为》一文中就详细介绍了利用纳米划痕技术对样品的耐磨性能进行测试。纳米划痕实验在配备有扫描探针显微成像技术模块(SPM)的NanoTestVantage系统上进行，配备的压头为圆锥形金刚石压头(半径约5μm)。整个恒力控制下的纳米划痕测试分为3个过程，具体参数如下：(1)预划，以2μN的载荷刮擦试样表面，以测量该区域表面的粗糙度随位移的变化，为后续刻划数据的修正提供基准；(2)刻划，采用恒定载荷为50mN，速率为0.1、0.5和1.0μm/s，划痕距离为30μm的参数划过样品使其变形产生磨损，并记录划痕过程中的轴向力、切向力、深度等参数随划痕位移的变化；(3)终划，仍然采用2μN的载荷对划痕区域进行扫描，以确定划痕过后的残余深度随划痕位移的变化。此外，每次实验重复3次且相邻划痕间距大于200μm，以保证实验的重复性和准确性。为了进一步研究TiZrHfCuBeHE-MG在纳米划痕下的微力学响应，同时设计了另一组变力控制下的纳米划痕实验：在预划及终划过程中同样采用2μN的载荷对划痕区域进行扫描，在刻划过程中以0.5μm/s的速率线性施加纳米划痕，将法向力分别以1和2mN/s的速率从0增加到50mN，总划痕距离同样为30μm。纳米划痕实验结束后，利用SPM对划痕后留下的表面磨损痕迹进行成像并和研究。图3.2抛光表面的原子力显微镜(AFM)高度像及沿水平方向剖面粗糙度分布曲线4结语纳米划痕仪系统在国内外的科学研究中具有重要的研究前景。纳米划痕仪的出现为科学研究带来了更便利的技术，推动了纳米级别的实验发现更多科研结果。随着仪器技术的不断提升，纳米划痕仪将能够实现更高精度的力学性能测量。通过改进仪器设计和传感器技术，可以实现更准确的力载荷测量，深度控制和位移测量，提高测量结果的精确性。未来的纳米划痕仪可能会具备更多的功能，可以同时进行力学性能测试和表征分析。比如结合原子力显微镜（AFM）或扫描电子显微镜（SEM），能够实现对材料的力学性能和形貌特征的同时观测和测量。随着纳米技术的发展，纳米划痕仪可以用于不同尺度范围内的材料研究。除了常规的纳米材料，还可以应用于微观尺度和宏观尺度的材料力学性能研究，为不同领域的应用提供更详细的力学特性数据。通过本次调研，我们已经了解了市面上现有纳米划痕仪的工作原理、基本功能以及纳米划痕仪在实验中的应用，下一步，我们将着手摆动式纳米划痕仪系统的研究设计，依据我们收集到的现有资料制作出更加精良、更加便捷的摆动式纳米划痕仪，为纳米级别科学实验提供更加优良的仪器技术。

参考文献[1]叶雯婷，周青等罗大微仿生叠层构型石墨烯对铝基复合材料的纳米摩擦性能的影响[J]摩擦学学报2022，42（02）[2]范雪，\t"/kcms2/article/_blank"刁东风等超薄纳米薄膜的划痕硬度评价方法及应用[J]深圳大学学（理工版）2019,36（05）[3]杜银，李涛等TiZrHfCuBe高熵非晶合金的纳米划痕力学行为[J]金属学报2023[4]罗良，杨晓京等基于纳米划痕仪的单晶锗多次刻划力学特性实验[J]中国有色金属学报2019,29（10）[5]闫永达，胡振江等基于AFM的纳米刻划系统[J]纳米技术与精密工程2008,（05）[6]赵洪力，高伟等用纳米压痕法研究玻璃表面复合薄膜的力学性能[J]材料科学与工程学报2007（04）[7]黄立业，徐可为等类金刚石薄膜的表面纳米划擦性能评价[J]无机材料学报2001（05）[8]李洁纳米划痕测试在材料研究领域的最新进展[J]材料导报，2010,24（S1）[9]LiensA,Ter-OvanessianB,CourtoisN,etal.EffectofalloyingelementsonthemicrostructureandcorrosionbehaviorofTiZr-basedbulkmetallicglasses[J].Corros.Sci.,2020,177:108854[10]KimJK.ShamML.WuJS.NanoscalecharacterizationofinterphaseinsilanetreatedglassfibrecompositesJ.Com-posPartA:ApplSciManuf.2001.32:607[11]JonesMR,Kus