纳米力学测试技术已经成为定量、小体积力学性能测定的流行方法。纳米压痕是一种仪器深度传感压痕技术，特别适合于涂层和其他表面工程表面的表征。极低的力和位移噪声地板，以及高度的定位精度，允许在微米到单纳米长度尺度上获得材料特性的高空间分辨率。

从概念上讲，纳米压痕是一种简单的技术，将一个已知几何形状的压痕探针推入和退出材料表面，同时连续记录力、位移和时间。100 nN和2Å的极低力和位移噪声地板可从选定的仪器制造商获得，并允许对非常薄的薄膜、处理过的表面层和小结构特征进行定量力学性能测量。

最常使用纳米压痕提取的主要性质是试样的弹性模量和压痕硬度。此外，通过使用补充技术，可以很容易地测量存储和损失模量、屈服应力、断裂韧性、蠕变和应力松弛研究、应变率敏感性、界面和表面粘附、力学性能温度依赖性和电接触电阻。横向探针运动可用于研究表面的摩擦学行为，包括抗划痕和损伤、磨损性能和摩擦系数。结合这些技术，研究人员可以很容易地研究亚微米级材料的广泛的机械和摩擦学性能。

背景

压痕或硬度测试已用于材料表征和质量控制目的超过一个世纪通常，这种测试包括在压头探针上施加静态负载一段时间，收回探针并光学测量剩余硬度压痕的面积。残余压痕面积测量的必要性对测试的规模和精度提出了较低的限制，而相对较大的利用力产生了样品材料/几何的限制，对薄膜不敏感，定位精度较差。

与传统硬度测试相比，纳米压痕测试同时记录了加载-卸载循环中的穿透深度和施加载荷(图1)，即使压痕太小而不方便成像，也可以定量测量力学性能。力-位移曲线作为一个机械指纹，提供了关于材料在整个压痕循环中的变形行为的丰富信息，这使得在接触诱导应力下检查膜失效的可能模式成为可能。

获得硬度和模量的最常用的分析方法首先由Doerner和Nix2开发，后来由Oliver和pharx2改进。3在加载过程中，随着硬度印象的形成，弹性变形和塑性变形都发生，而卸载时，假设只有弹性位移恢复。压头的总位移为塑性接触深度hc与弹性深度hs之和，其中hs为表面在载荷作用下的弹性挠度:

尖端/样品接触周长处表面的弹性位移可由Sneddon接触解得到:

其中是一个依赖于尖的几何因子，S是最大载荷下卸载接触刚度或卸载曲线的斜率。卸荷曲线的形状可以用幂律关系很好地近似:

式中、m为幂律拟合常数，hf为残余硬度压痕的最终深度。通过压痕显示加载过程中变形的截面示意图在图2中可以找到。

硬度定义为载荷除以压痕的投影接触面积A，或材料在载荷下将支持的平均接触压力:

简化模量Er可由卸荷曲线的初始斜率S由下式确定

式中A为弹性接触的投影面积。减小的模量解释了在压痕时尖端和样品中都存在的弹性位移。试样和压头尖端的测量遵从性(1/S)可以串联成弹簧:

式中，E和:分别为压头i和试样s的弹性模量和泊松比。

这种方法已经成为测定小体积材料力学性能的主要技术，可能是最吸引人的技术，因为压痕硬度和减小的模量值可以直接从负载和位移测量中确定，而无需成像残余硬度印象。由于压头的几何形状从来都不是真正理想的，接触面积和接触深度之间的关系可以通过在一个良好表征的参考材料的渗透深度范围内进行压头，并使用公式5求解接触面积来建立。

接触截面面积与接触深度之间的关系称为尖端面积函数，可以拟合为如下形式的多项多项式函数:

在C0……Cn是由曲线拟合确定的常数系数。

通常，熔融二氧化硅是用于尖端区域校准的参考材料，因为它具有弹性各向同性，并且具有恒定的模量作为压痕深度的函数。图3和图4分别显示了在熔融二氧化硅中进行的不同深度压痕所产生的印象的地形SPM(扫描探针显微镜)图像和所产生的力-位移曲线。

汽车透明涂层纳米压痕的纳米力学测试

从一家领先的涂料制造商获得了三种不同的专有聚氨酯汽车清漆。涂层的厚度为10微米，并附着在钢基板上。所有纳米压痕测试均使用Berkovich金刚石压痕探针进行。所利用的压痕荷载函数由5秒线性加载至峰值荷载、20秒最大荷载保持段以最小化蠕变对试验结果的影响和5秒线性卸载段组成。在每个透明涂层上进行15次纳米压痕测试，最大利用负载为500 μ N。在每个压痕之前使用原位SPM成像，以确保测试放置在涂层的无缺陷区域，以最大限度地提高测试精度和可重复性。

原位SPM成像是一种利用压头探头在样品表面通过光栅扫描探头来提供地形图像的技术。图5显示了在涂料A、B和c上进行的每个压痕的力-位移图。从原始力和位移数据可以看出，测试的三种聚氨酯涂料的力学行为存在明显差异。

每个测试涂层的平均硬度和降低模量值可以在图6中找到。在每种涂层之间可以看到实质性的性能差异。在测试深度下，涂层A、B和C的平均降低模量值分别为3.54±0.01 GPa、5.20±0.08 GPa和5.84±0.05 GPa，平均硬度值分别为196.6±1.6 MPa、328.3±7.1 MPa和424.9±9.5 MPa。

靠近自由表面的高分子材料的性质可能与本体材料的性质大不相同在每个透明涂层上进行纳米压痕深度分析实验，以确定机械性能作为涂层深度的函数。压痕载荷在20 μ N到8500 μ N之间递增变化，以获得较大的穿透深度范围。图7和图8分别显示了降低的模量和硬度值作为涂层表面深度的函数。三种涂层的硬度和还原模量均随压痕深度的增加而减小。涂层B和C在穿透深度约300 nm时具有相对稳定的性能，而涂层a表现出持续下降的性能。识别和定制这种性能趋势的能力可以在改变涂料配方和加工条件以最大限度地提高产品性能和可靠性方面发挥关键的支持作用。

纳米级划痕测试/耐腐蚀

涂层外观和可靠性的一个重要因素是抗划伤和损坏的能力。有许多测试方法可以量化涂层的耐刮擦性，但没有一种能比纳米级刮擦测试技术更精确地控制刮擦条件。划痕测试是了解划痕变形、去除机制与划痕形态之间关系的基础对于摩擦学家和高分子材料科学家来说，评估损伤类型和预测划痕行为的能力是非常重要的。

在划痕测试中，当划痕探针同时横向穿过样品表面时，在法线方向上施加一个力。控制法向力和侧向位移，同时记录侧向力和法向位移作为时间的函数。从这些力和位移测量，可以推断出材料的纳米划痕性能的全面信息。

使用尖端曲率半径为5µm的60°锥形划痕探针对每个涂层样品进行了几次倾斜力划痕测试。划痕探针的几何形状和材料可以定制，以模拟真实世界的滑动粗糙条件。划痕载荷函数包括在50秒内通过500 μ m的横向位移将施加的正常载荷从0 mN线性斜坡到50 mN。图9显示了划痕探针进入涂层的法向位移作为横向位移的函数。底部一组曲线表示实际划痕周期中探针的法向位移，顶部一组曲线表示残余表面变形程度。每条曲线都是对每个涂层样品进行五次划痕测试得到的平均值。涂层B和C具有几乎相同的初始穿透和残留划痕深度，而涂层A表现出明显更大的瞬时和残留划痕深度。图10显示了在三个透明涂层样品上进行的划痕测试的划痕形态的代表性微分干涉对比(DIC)光学显微照片。

划痕深度恢复百分比为:取恢复位移ds- dr，除以划痕时的瞬时穿透深度ds:

图11显示了在聚氨酯涂层上进行50 mN倾斜力划痕时，穿透深度恢复百分比作为横向位移的函数。在大约100µm时，三种涂层体系的深度恢复百分比稳定下来，这与10 mN的法向力有关。在此之后，剩余划痕轨道深度与划痕过程中获得的瞬时穿透深度保持恒定比例。

从图10中我们可以看到，在所有三种聚氨酯透明涂层上，50 mN倾斜力划痕的划痕变形是一个延性犁压过程。包括摩擦系数在内的几种表面特征有助于划痕变形行为。高摩擦系数的聚合物容易表现出裂纹、开裂、脱粘和空化类型的脆性划伤此外，增加的摩擦系数倾向于将划伤过程中产生的塑料区域的位置向涂层表面移动。图12显示了每个涂层样品上100 mN倾斜力划痕的DIC光学显微图。

从图12中可以清楚地看到，相同的划痕条件在每个涂层上产生了不同程度的变形。图13显示了犁耕摩擦，或在50 mN倾斜力划痕循环的持续时间内测量的横向力与施加的法向载荷的比率。

结论

采用纳米压痕和纳米划痕测试技术对三种聚氨酯汽车清漆进行了测试。在力学性能梯度和划痕性能方面都测量了实质性的差异，这最终可以与涂层性能和可靠性联系起来。纳米力学测试包含了一套用于定量小体积力学性能和材料变形行为表征的强大技术。这些技术可以很容易地结合起来，使研究人员能够在亚微米尺度上研究材料的广泛的机械和摩擦学性能。

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