納米材料力學(xué)特性量值溯源方法研究.pdf

1、納米壓痕也叫做儀器壓痕或是深度敏感壓痕，是用于表征金屬、陶瓷、聚合物、以及生物材料的硬度和彈性模量等力學(xué)特性的一種手段，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在納米材料領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。和傳統(tǒng)的硬度測(cè)試儀器相比，用于納米壓痕的納米力學(xué)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)在壓入過(guò)程中，同時(shí)記錄壓入載荷與位移，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到被測(cè)材料的力學(xué)特性。但為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在測(cè)試之前應(yīng)完成一系列校準(zhǔn)工作，包括靜電力常量、極板間距、儀器柔性、壓電掃描器、載荷因子、位移因子、針尖幾何形狀

2、(面積函數(shù))的校準(zhǔn)。本文研究了納米力學(xué)測(cè)量系統(tǒng)在準(zhǔn)靜態(tài)壓入模式下載荷因子、位移因子的量值溯源問(wèn)題，搭建了量值溯源系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析和處理，并將測(cè)試結(jié)果應(yīng)用到系統(tǒng)校準(zhǔn)上，校準(zhǔn)后的納米力學(xué)測(cè)量系統(tǒng)在國(guó)際比對(duì)測(cè)量中得到了很好的驗(yàn)證。本文最后還對(duì)針尖的幾何形狀的直接和間接溯源問(wèn)題進(jìn)行了探討。
　　 1.載荷因子。納米力學(xué)測(cè)量系統(tǒng)三板電容傳感器的中間極板通過(guò)兩端的微小彈簧懸掛，本文采用替換壓針為特制的帶掛鉤的針尖與三板電容傳感

3、器的中間極板相連，通過(guò)懸掛高精度可溯源的砝碼完成載荷因子的溯源。懸掛砝碼后的中間極板的線(xiàn)性位移遵循胡克定律。載荷因子的值就是來(lái)源于傳感器控制器上的位移電壓與砝碼質(zhì)量的比值。
　　 2.位移因子。位移因子是表示傳感器控制器輸出的位移電壓與中間極板的實(shí)際位移的相互關(guān)系的量。為了校準(zhǔn)位移因子，需通過(guò)電容傳感器和干涉儀同時(shí)記錄中間極板的實(shí)際位移值。使用特制高反射率的平面硅片作為測(cè)量鏡粘在針尖上，擁有高分辨率的干涉儀可以完成位移的測(cè)試工作

4、。通過(guò)調(diào)節(jié)加在三板電容傳感器下級(jí)板的電壓，使中間極板在靜電力的作用下移動(dòng)1μm-5μm的位移。電容傳感器的位移電壓與干涉儀測(cè)得實(shí)際位移值的比值作為位移因子的值。為此特別研制了多倍程激光干涉儀系統(tǒng)，其具有較高的分辨率，能夠滿(mǎn)足納米計(jì)量的需要。同時(shí)，本文也嘗試運(yùn)用雷尼紹的單頻激光干涉儀在特殊透鏡聚焦干涉光路中完成溯源。最終，使用校準(zhǔn)后的載荷因子和位移因子去測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)樣品熔融石英，測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于未經(jīng)校準(zhǔn)的值。
　　 3.針尖面積函數(shù)。

5、在影響納米壓痕測(cè)量結(jié)果不確定度的因素中很重要的一點(diǎn)是針尖的幾何形狀。本文將闡述兩種方法來(lái)校準(zhǔn)針尖面積函數(shù)。(1)通過(guò)計(jì)量型原子力顯微鏡掃描得到針尖幾何形狀的直接溯源。(2)通過(guò)壓針壓入已知彈性模量和泊松比的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中進(jìn)行校準(zhǔn)。直接校準(zhǔn)Berkovich壓針可以使用國(guó)家計(jì)量院的計(jì)量型原子力顯微鏡完成。由于這項(xiàng)工作比較復(fù)雜，課題組將會(huì)專(zhuān)門(mén)申請(qǐng)課題完成。
　　 另外，在論文中，對(duì)納米力學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理和分析方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述，同