納米材料力學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特性的一種手段，這項技術已經(jīng)在納米材料領域中得到了廣泛的應用。和傳統(tǒng)的硬度測試儀器相比，用于納米壓痕的納米力學測量系統(tǒng)通過在壓入過程中，同時記錄壓入載荷與位移，經(jīng)過計算可以得到被測材料的力學特性。但為了保證測試結果的準確性，在測試之前應完成一系列校準工作，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。本文研究了納米力學測量系統(tǒng)在準靜態(tài)壓入模式下載荷因子、位移因子的量值溯源問題，搭建了量值溯源系統(tǒng)，對測試結果進行了數(shù)據(jù)分析和處理，并將測試結果應用到系統(tǒng)校準上，校準后的納米力學測量系統(tǒng)在國際比對測量中得到了很好的驗證。本文最后還對針尖的幾何形狀的直接和間接溯源問題進行了探討。
　　 1.載荷因子。納米力學測量系統(tǒng)三板電容傳感器的中間極板通過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性位移遵循胡克定律。載荷因子的值就是來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際位移的相互關系的量。為了校準位移因子，需通過電容傳感器和干涉儀同時記錄中間極板的實際位移值。使用特制高反射率的平面硅片作為測量鏡粘在針尖上，擁有高分辨率的干涉儀可以完成位移的測試工作

4、。通過調(diào)節(jié)加在三板電容傳感器下級板的電壓，使中間極板在靜電力的作用下移動1μm-5μm的位移。電容傳感器的位移電壓與干涉儀測得實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，能夠滿足納米計量的需要。同時，本文也嘗試運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，使用校準后的載荷因子和位移因子去測試標準樣品熔融石英，測試結果遠遠優(yōu)于未經(jīng)校準的值。
　　 3.針尖面積函數(shù)。

5、在影響納米壓痕測量結果不確定度的因素中很重要的一點是針尖的幾何形狀。本文將闡述兩種方法來校準針尖面積函數(shù)。(1)通過計量型原子力顯微鏡掃描得到針尖幾何形狀的直接溯源。(2)通過壓針壓入已知彈性模量和泊松比的標準物質(zhì)中進行校準。直接校準Berkovich壓針可以使用國家計量院的計量型原子力顯微鏡完成。由于這項工作比較復雜，課題組將會專門申請課題完成。
　　 另外，在論文中，對納米力學測量系統(tǒng)的測量原理和分析方法進行了詳細的描述，同