纳米材料力学特性量值溯源方法研究

纳米材料力学特性量值溯源方法研究 Research on Measurement Traceability for Mechanical Properties of Nanomaterial作 者 姓 名 学 位 类 型 学 科、专 业 研 究 方 向 导师及职称魏小林学 历 硕 士 光电信息工程 精密测试技术及仪器 卢荣胜 教授 高思田 研究员2010 年 4 月I

合 肥 工 业 大 学本论文经答辩委员会全体委员审查， 确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。答辩委员会签名主席： 委员：导师：II

独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权 合肥工业大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编：III

纳米材料力学特性量值溯源方法研究 摘 要纳米压痕也叫做仪器压痕或是深度敏感压痕，是用于表征金属、陶瓷、聚合 物、以及生物材料的硬度和弹性模量等力学特性的一种手段，这项技术已经在纳 米材料领域中得到了广泛的应用。和传统的硬度测试仪器相比，用于纳米压痕的 纳米力学测量系统通过在压入过程中，同时记录压入载荷与位移，经过计算可以 得到被测材料的力学特性。但为了保证测试结果的准确性，在测试之前应完成一 系列校准工作，包括静电力常量、极板间距、仪器柔性、压电扫描器、载荷因子、 位移因子、针尖几何形状（面积函数）的校准。本文研究了纳米力学测量系统在 准静态压入模式下载荷因子、位移因子的量值溯源问题，搭建了量值溯源系统， 对测试结果进行了数据分析和处理，并将测试结果应用到系统校准上，校准后的 纳米力学测量系统在国际比对测量中得到了很好的验证。 本文最后还对针尖的几 何形状的直接和间接溯源问题进行了探讨。 1. 载荷因子。纳米力学测量系统三板电 容传感器的中间极板通过两端的微 小 弹簧悬挂，本文采用替换压针为特制的带挂钩的针尖与三板电容传感器的中间 极板相连，通过悬挂高精度可溯源的砝码完成载荷因子的溯源。悬挂砝码后的 中间极板的线性位移遵循胡克定律。载荷因子的值就是来源于传感器控制器上 的位移电压与砝码质量的比值。 2. 位移因子。位移因子是表示传感器控 制器输出的位移电压与中间极板的 实 际位移的相互关系的量。为了校准位移因子，需通过电容传感器和干涉仪同时 记录中间极板的实际位移值。使用特制高反射率的平面硅片作为测量镜粘在针 尖上，拥有高分辨率的干涉仪可以完成位移的测试工作。通过调节加在三板电 容传感器下级板的电压，使中间极板在静电力的作用下移动 1 μ m-5 μ m 的位移。 电容传感器的位移电压与干涉仪测得实际位移值的比值作为位移因子的值。为 此特别研制了多倍程激光干涉仪系统，其具有较高的分辨率，能够满足纳米计 量的需要。同时，本文也尝试运用雷尼绍的单频激光干涉仪在特殊透镜聚焦干 涉光路中完成溯源。最终，使用校准后的载荷因子和位移因子去测试标准样品 熔融石英，测试结果远远优于未经校准的值。 3. 针尖面积函数。在影响纳米压痕测量 结果不确定度的因素中很重要的一 点 是针尖的几何形状。本文将阐述两种方法来校准针尖面积函数。 （ 1 ）通过计量 型原子力显微镜扫描得到针尖几何形状的直接溯源。 （ 2 ）通过压针压入已知弹 性模量和泊松比的标准物质中进行校准。直接校准 Berkovich 压针可以使用国 家计量院的计量型原子力显微镜完成。由于这项工作比较复杂，课题组将会专 门申请课题完成。IV

另外，在论文中，对纳米力学测量系统的测量原理和分析方法进行了详细 的描述，同时也对仪器测量结果的种种误差影响因素进行了具体说明。 关键词：纳米压痕；校准；载荷因子；位移因子；面积函数；干涉仪V

Research on Measurement Traceability for Mechanical Properties of Nanomaterial AbstractNanoindentation, also known as instrumented indentation or depth sensing indentation, is a well-established technique in materials testing, with its origins in the field of metals, ceramics, polymeric and biological materials as a means of characterizing hardness and modulus. In contrast to traditional hardness testers, nanoindentation systems record the raw data about force and displacement when the transducer pushes the indenter into the material. Then the software can calculate the hardness and modulus about material’s mechanical character. The instrument should be taken a series of calibration which include the electrostatic force constant and plate spacing, machine compliance, piezo scanner calibration, load scale factor(LSF), displacement scale factor(DSF) and tip shape (area function) calibration before having a real test. This paper has made a research on the traceability of load scale factor and displacement scale factor in the quasistatic nanoindentation mode under nanomechanical testing system, establishing a system of traceability for the data analysis and processing on the results of the test, and applying the result of the test to the calibration of the nanomechanical testing system, which has been well verified in Interlaboratory Comparison through test. In the end, this paper also explores the direct and indirect traceability of the geometry of the tip of the indenter. 1. Load scale factor. The transducer’s center plate is suspended within the transducer by springs, so the load scale factor could be calibrated by using the traceable masses which are hung from the center plate through the use of a special hook-shaped tip. When the traceable masses are hung from the center plate, the center plate will displace according to Hooke’s law. The load scale factor (LSF) is the slope of the displacement voltage, which can be obtained from the “MicroScope Feedback” on the transducer controller, vs. the traceable masses. 2. Displacement scale factor. The displacement scale factor (DSF) represents the correlation between the displacement voltages from the transducer to the actual position of center plate of the transducer. To calibrate the DSF, the physical displacement of the center plate is simultaneously recorded by the transducer and interferometer. A special tip with a mirror at the end is attached to center plate so that an interferometer with high resolution can be used to measure the indenter’sVI

displacement. The applied voltage to the bottom outer plate is adjusted to displace the indenter by 1µm-5µm.The slope of the recorded voltage vs. recorded displacement is the DSF. A set of multi-pass position laser interferometer system is established. Its higher resolution can meet the needs of nanometrology. At the same time, The Renishaw’s interferometer is used for doing this research. At last, the calibrated value of LSF and DSF are used for testing the fused quartz sample with known modulus. The result is better than before. 3. Tip area function. The important source of uncertainty in nanoindentation measurement is the geometry of the indenter tip. In this paper, two methods of calibrating the tip area function will be deduced. (1) Direct determination from co-ordinate measurements obtained using traceable Atomic Force Microscope (AFM). (2)Indirect determination can get from indenting into reference materials with known Young’s modulus and Poisson ratio. The direct measurement of geometry of a Berkovich indenter is determined using a traceably calibrated AFM from National Institute of Metrology. Because the calibration of tip area function is complicated, so the group will apply another subject to do this research. In addition, in this paper, a particular description of instrumented indentation is given with regard to current instrument technology and analysis method. Some of the most commonly encountered sources of error and methods of accounting for them are also included. Key words: Nanoindentation ； calibration ； load scale factor ； displacement scale factor ； area function ； interferometerVII

致谢本论文的研究工作是在导师卢荣胜教授和高思田研究员的悉心指导和关怀 下完成。非常感谢两位导师对我的严格要求和谆谆教诲，无论是生活还是学习 上，都给予了我的极大的支持和鼓励，你们的教导是我一生中最宝贵的财富。 卢荣胜教授严肃的科学态度，严谨的治学精神以及精益求精的工作作风无时无 刻不在感染和激励着我；高思田研究员有着渊博深厚的知识底蕴、精湛的学术 水平、开阔敏锐的思维以及对科研事业的执着追求，都是我人生的学习目标。 在即将完成毕业论文离开学校走上工作岗位之际，谨向高老师和卢老师表示衷 心的感谢和诚挚的敬意，我会时刻不忘你们的教诲，在人生的旅途中奋发向上、 积极进取。 我的研究工作是在中国计量科学研究院长度计量科学与精密机械测量技术 研究所完成的。在这里特别要感谢量仪试验室的杜华高级工程师，是他在工作 之余培训我仪器的使用方法和技巧，当我遇到困难时，给予我最大的鼓励和帮 助。正是由于他的协助，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利 完成。 在此还要特别感谢邵宏伟研究员、卢明臻博士、崔建军助理研究员、朱小 平高级工程师、施玉书工程师给予我在生活和学习上无私的帮助和指导，使我 的理论知识和实践经验都有了相当大的提高。当然，还要感谢长度所各位领导、 主任和老师给予我的热心帮助和支持。 感谢合肥工业大学仪器科学与光电工程学院光机电研究所的孙凯、 朱晋文、 李琪、巫荣闻、马程、夏瑞雪、刘宁、操红等所有兄弟姐妹，谢谢你们在我攻 读研究生的 3 年里给予我的支持和帮助，谢谢你们！ 最后谨向在百忙之中抽出宝贵时间评审我的毕业论文的各位专家、学者致 以诚挚的谢意。作者 ： 魏小林 2010 年 4 月VIII

目第一章 绪录论 ............................................................................................... 11.1 课题研究的背景 ................................................................................... 1 1.1.1 纳米力学测量系统的发展背景 ................................................. 1 1.1.2 国内量值溯源体系 .................................................................... 1 1.2 纳米力学测量系统溯源的研究意义 ..................................................... 3 1.3 纳米力学测量系统量值溯源的国内外状况 .......................................... 3 1.4 国外纳米力学测量系统介绍 ............................................................... 5 1.4.1 纳米力学测量系统技术指标定义 ............................................. 5 1.4.2 纳米力学测量系统介绍 ............................................................ 6 1.5 课题来源与主要研究内容 .................................................................. 10 第二章 纳米力学测量系统的原理及应用 ........................................................ 11 2.1 纳米压入测试原理 ............................................................................. 11 2.2 纳米压痕压针类型 ............................................................................. 13 2.3 影响纳米压入测试的因素 .................................................................. 15 2.3.1 温度漂移 ................................................................................. 16 2.3.2 接触零点的确定 ..................................................................... 17 2.3.3 测试仪器的柔性 ..................................................................... 17 2.3.4 压针的几何形状 ..................................................................... 18 2.3.5 凸起与凹陷现象 ..................................................................... 20 2.3.6 其他影响因素 ......................................................................... 21 2.4 纳米力学测量系统在材料领域的应用 ............................................... 21 2.5 本章小结 ............................................................................................ 23 第三章 纳米力学测量系统的载荷与位移的溯源方法 ..................................... 24 3.1 纳米力学测量系统载荷与位移溯源的总体方案 ................................ 24 3.2 纳米力学测量系统位移溯源的激光干涉仪光路的搭建 ..................... 25 3.2.1 激光干涉测量原理 .................................................................. 26 3.2.2 多倍程激光偏振干涉仪光路搭建 ........................................... 28 3.3 纳米力学测量系统位移溯源的激光干涉仪信号处理 ......................... 34 3.3.1 偏振激光干涉仪电子信号处理总体方案 ................................ 34 3.3.2 偏振激光干涉仪电子细分 ...................................................... 36 3.4 多倍程偏振激光干涉仪优点及误差分析 ............................................ 40 3.5 本章小结 ............................................................................................ 41 第四章 纳米力学测量系统载荷与位移溯源及结果分析 .................................. 43IX

4.1 载荷量值溯源系统的建立与数据处理 ............................................... 43 4.2 位移量值溯源系统的建立与数据处理 ............................................... 47 4.2.1 多倍程激光干涉仪对电容传感器位移的溯源 ......................... 50 4.2.2 商业单频激光干涉仪对电容传感器位移的溯源 ..................... 51 4.3 标准样品对量值溯源结果的验证和分析 ............................................ 56 4.4 亚太国际比对 ..................................................................................... 57 4.5 本章小结 ............................................................................................. 60 第五章 纳米力学测量系统接触面积的溯源方法 ............................................. 61 5.1 纳米力学测量系统接触面积的间接溯源方法 .................................... 61 5.2 纳米力学测量系统接触面积的直接溯源方法 .................................... 67 5.3 本章小结 ............................................................................................ 69 第六章 总结与展望 .......................................................................................... 70 6.1 总结 .................................................................................................... 70 6.2 展望 .................................................................................................... 70 参考文献 ........................................................................................................... 72X

插 图 清 单图 1- 1 中国量值溯源体系图 ............................................................................. 2 图 1- 2 PTB 纳米力学测量系统的载荷溯源图 ................................................... 3 图 1- 3 PTB 纳米力学测量系统的位移溯源图 ................................................... 4 图 1- 4 HYSITRON 公司的 TRIBOINDENTER 型设备 ........................................ 7 图 1- 5 美国 AGILENT 公司的 G200 型设备 ........................................................ 8 图 1- 6 瑞士 CSM 公司的 ULTRA 型设备 .............................................................. 9 图 2- 1 典型加载卸载曲线 ……………………………………………………….. ..12 图 2- 2 加卸载过程中压痕剖面 ........................................................................ 12 图 2- 3 BERKOVICH 压针图 ............................................................................ 14 图 2- 4 接触投影面积与压针几何形状示意图 ................................................. 14 图 2- 5 球形压针 .............................................................................................. 15 图 2- 6 实测仪器压针 Z 方向漂移 ..................................................................... 16 图 2- 7 实测仪器在接触零点时的温度漂移 ..................................................... 16 图 2- 8 初始压入深度 ....................................................................................... 17 图 2- 9 在相同压入深度下，完美压针和非完美压针接触面积比较 ................ 19 图 2- 10 被测材料的凸起和凹陷现象示意图 .................................................... 20 图 2- 11 碳纤维力学性能测试 .......................................................................... 21 图 2- 12 竹子细胞的力学性能测试 ................................................................... 22 图 3- 1 仪器溯源的关键部件 - 三板电容传感器 ………………………………… ..24 图 3- 2 仪器量值溯源的载荷与位移的系统示意框图 ....................................... 25 图 3- 3 典型激光偏振干涉原理图 .................................................................... 27 图 3- 4 四倍程激光干涉仪光路示意图 ............................................................ 29 图 3- 5 用于位移溯源的八倍程激光干涉仪示意图 .......................................... 29 图 3- 6 偏振光移相接收部分示意图 ................................................................ 30 图 3- 7 PBS1 出射两正交偏振光与四分之一玻片 QWP 的位置坐标 ............... 31 图 3- 8 多倍程激光偏振干涉仪试验光路 ......................................................... 33 图 3- 9 多倍程激光偏振干涉仪实际测试光路 ................................................. 33 图 3- 10 电路系统整体方案设计框图 .............................................................. 34 图 3- 11 前置放大电路 ..................................................................................... 35 图 3- 12 电子细分流程图 ................................................................................. 37 图 3- 13 电子细分八个区间划分 ...................................................................... 38 图 3- 14 运用 QUARTUSII 软件编程实现细分查表运算数字电路图 ................ 39 图 3- 15 查表数字电路的时序仿真 .................................................................. 39 图 3- 16 运用 QUARTUSII 软件编程实现细分查表计算相位角度 θ 数字电路 .. 40 图 3- 17 运用 QUARTUSII 软件编程实现细分查表计算相位角度 θ 时序仿真 .. 40XI

图 4- 1 载荷溯源专用器具与标准器 ……………………………………………...44 图 4- 2 载荷量值溯源系统的建立 .................................................................... 44 图 4- 3 载荷因子溯源标准砝码与仪器输出位移电压拟合直线 ........................ 45 图 4- 4 载荷溯源误差值 ................................................................................... 46 图 4- 5 位移量值溯源体系总体构造 ................................................................ 47 图 4- 6 位移溯源专用器具与平面反射镜 ......................................................... 47 图 4- 7 数据采集卡前面板设置 ........................................................................ 48 图 4- 8 差分模式采集卡内部电路图 ................................................................ 48 图 4- 9 数据采集卡线性测试结果图 ................................................................ 49 图 4- 10 干涉仪正交信号之李萨如图形 ........................................................... 50 图 4- 11 运用商业激光干涉仪的位移溯源 ....................................................... 51 图 4- 12 XL-80 系列干涉仪溯源原理图 .......................................................... 52 图 4- 13 余弦误差示意图 ................................................................................. 53 图 4- 14 原始数据经修正后的位移校准因子示例 1 ......................................... 54 图 4- 15 原始数据经修正后的位移校准因子示例 2 ......................................... 55 图 4- 16 位移因子校准值 ................................................................................. 56 图 4- 17 熔融石英测试结果比较图 .................................................................. 57 图 4- 18 熔融石英和聚碳酸酯（聚合物）标样 ............................................... 57 图 4- 19 熔融石英样品的测量实例 .................................................................. 58 图 4- 20 熔融石英样品国际比对结果 .............................................................. 59 图 4- 21 熔融石英样品国际比对满意度评定 ................................................... 59 图 5- 1 校准面积函数之加载函数 ………………………………………………...62 图 5- 2 熔融石英样品 5×5 点阵位移 - 载荷曲线 ................................................ 63 图 5- 3 接触深度和投影接触面积的拟合曲线 ................................................. 63 图 5- 4 不同形状压针示意图 ........................................................................... 64 图 5- 5 非完美针尖几何形状示意图 ................................................................ 66 图 5- 6 计量型原子力显微镜 ........................................................................... 68 图 5- 7 三维激光干涉仪布局图 ........................................................................ 68 图 5- 8 AFM 扫描针尖的实测轮廓与包络轮廓 ................................................ 69XII

表 格 清 单表 1- 1 TRIBOINDENTER 标准配置技术指标 .................................................. 8 表 1- 2 NANO INDENTER G200 标准配置技术指标 ......................................... 9 表 1- 3 CSM ULTRA 标准配置技术指标 ........................................................... 9 表 2- 1 不同类型压针的接触投影面积 …………………………………………...15 表 3- 1 两正交信号八个区间的极性和绝对值大小 …………………………… ..38 表 3- 2 电子细分角度 θ 的计算 ........................................................................ 39 表 4- 1 载荷测量原始数据 ………………………………………………………. ..44 表 4- 2 测量结果计算 ...................................................................................... 45 表 4- 3 载荷因子的校准结果 .......................................................................... 46 表 4- 4 数据采集卡线性验证 .......................................................................... 49 表 4- 5 偏振激光干涉仪与电容传感器位移值 ................................................ 50 表 4- 6 数据采集卡采集激光干涉仪与电容传感器原始数据 .......................... 52 表 4- 7 一维纳米位移平台参数 ....................................................................... 53 表 4- 8 干涉仪位移值与辅助接口输出的对应电压值 ..................................... 54 表 4- 9 位移因子的校准结果 .......................................................................... 55 表 4- 10 应用溯源后的校准因子与未应用校准因子的测量结果 ..................... 56 表 4- 11 国际比对测量结果 .............................................................................. 58XIII

第一章1.1 课题研究的背景 1.1.1 纳米力学测量系统的发展背景绪论纳米技术是基础研究和高新技术发展中最具前瞻性、带动性的重点领域， 已经成为国际科技竞争的战略制高点，世界各国纷纷投入巨资用于纳米技术和 材料的研究开发，希望能够获取在该领域的战略领先地位。纳米材料力学特性 的测试是工程技术界普遍关注的前沿话题，也是纳米尺度力学学科的基础。多 年来，通过测量载荷和深度确定硬度和模量的压入技术的迅猛发展，基于该技 术的仪器逐渐成为纳米力学测试中的标准仪器。我国对与纳米相关的工作极为 重视， 《国家中长期科学和技术发展规划纲要》指出要建立和完善国家标准、计 量和检测技术体系。研究制定高精确度和高稳定性的计量基标准和标准物质体 系，以及重点领域的技术标准；在纳米研究中特别指出了要进行纳米尺度表征 与度量学的研究。在国家质检总局“十一五”科技和发展规划中的优先启动项 目包括了信息、纳米技术等高新技术和社会发展所需的计量基标准及关键技术 研究；量值传递和量值溯源方法研究；用先进技术提升和完善现有计量基标准。 国家纳米技术标准化委员会也将“纳米技术和材料的计量和检测”作为其 2006 年－ 2010 年三个重点工作之一。 纳米膜层是纳米材料的重要组成部分，是在三维空间中有一维在纳米尺度 的二维纳米材料。它广泛应用于微电子、医疗、存储媒体、光学、太阳能等领 域，几乎涵盖了从新型产业到传统产业的先进制造过程。由于纳米薄膜在各个 应用领域的巨大作用，目前全球各国政府以及相关企业都非常热衷于纳米技术 的产业化，纳米薄膜技术的市场前景巨大是毋庸置疑的。同样，它也是我国当 前重点支持发展的材料学科。其中，纳米膜层的力学性质如硬度和弹性模量等 是表征其性能与寿命等膜层产品质量的重要指标。因此，纳米膜层硬度的测试 和其溯源方法研究将对相关产业和学科发展起到重要技术支撑和推动作用。纳 米膜层硬度国家标准的建立将统一我国在纳米膜层产品的纳米硬度量值，为国 内相关企业积极参与贸易全球化做技术服务支撑与后盾，进一步提升我国纳米 材料的表征测试能力，并推动纳米技术标准化进程。 1.1.2 国内量值溯源体系 计量的目的是实现单位统一，使量值准确可靠，以实现同一物体测量结果 的可比性、一致性。而溯源性是指通过一条具有规定的不确定度的连续比较链， 使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准，通常是与国家测量基准或 国际测量标准联系起来的特性。它反映了测量结果和计量标准值与计量基准相 联系的能力。正是这一连续的比较链，把全国的单位量值统一起来。这一比较1

链的表述构成了我国的溯源等级图。它表述了某一量值从计量基准、计量标准 直至计量器具及被测量之间的关系，其中也规定了不确定度或最大误差及其测 量方法，这就构成了计量溯源性的比较链。实施这一比较链有两种途径，一种 是自上而下，从计量基准到 → 计量标准 → 工作计量器具 → 被测量的测量结果， 逐级传递下去，以确保被测量的统一准确，称为量值传递。另一种是从下而上， 从被测量的测量结果 → 工作计量器具 → 计量标准 → 计量基准，可以逐级或越级 的向上追溯，以使被测量的测量结果与计量基准联系起来，称为量值溯源 [1] 。国家计量基准国家副计量基准 国家计量基准 （国家社会公用标准）社会公用计量标准 （国家专业计量站）社会公用计量标准（省级） 部门最高计量标准 社会公用计量标准（市级）社会公用计量标准 （专业计量站）社会公用计量标准（县级）部门计量标准企业事业单位最高计量标准企业事业单位计量标准工作计量器具 （企业、事业、市场等）被测量对象 （产品、样品、其他被测物体）图 1- 1 中国量值溯源体系图2

1.2 纳米力学测量系统溯源的研究意义 当前我国纳米膜层材料产品的研发、生产和应用得到大幅度提高，相关产 业正在飞速增长。纳米功能材料已形成规模庞大的产业，急需建立相应的国家 计量标准来统一量值，实现量值溯源。但我国在纳米膜层硬度的计量方面，与 国际发达国家的差距还很大，在溯源体系上基本处于空白。因此，为了保证纳 米产业及微电子行业中膜层的产品质量，特别是其力学性能技术指标，就必须 解决这些纳米力学测量设备的量值溯源问题，建立我国的纳米膜层硬度国家计 量标准。所以，通过对纳米力学测量系统和其溯源方法的研究完成纳米膜层硬 度国家标准以及相关技术规范的编制，建立我国纳米膜层硬度量值溯源体系， 为我国纳米技术产品提供检定校准服务，这样既可填补了我国纳米膜层硬度量 值溯源的空白，又可满足纳米膜层硬度国际比对的需求，还可满足我国纳米膜 层产品量值溯源的需求，对于提高我国纳米膜层产品质量，提高国际竞争力具 有重要的意义。同时该系统还可开放给相关的科研院所，进行相关的研究，实 现资源共享。这些都会带来很好的社会和经济效益。因此，纳米膜层硬度国家 标准的建立对于促进我国纳米膜层制备产业的发展有着重要意义。 1.3 纳米力学测量系统量值溯源的国内外状况 虽然纳米力学性能测量仅仅出现 10 年， 但全世界已经有了数千台的设备投 入使用。美国国家标准技术研究院（ NIST ）及德国物理技术研究院（ PTB ）均 建立了纳米硬度国家标准，用于解决这些设备的量值溯源与统一。这些发达国 家均是通过购置商品化的纳米力学测量系统，结合已有的纳米几何结构测量设 备，开展进一步的工作，对测量方法和溯源方法进行研究，以建立本国的纳米 膜层硬度溯源体系。其中 PTB 对纳米力学测量系统的载荷与位移的溯源方法 [2] 分别如图 1-2 与图 1-3 所示。图 1- 2PTB 纳米力学测量系统的载荷溯源图3

Laser Beam CL1Optical Fiber CL2Optical Probe Interferom etersinDetector IAmplifierOscilloscopecosDetector IIJamin BeamsplitterDAQInterfaceRetroreflectorPolarising Beamsplitter λ/4 PlateObjective f1 FilterInterfaceEyepiecef2 d1 d2 Sample 3-D Piezo ActuatorPIControllerDriverPII Tip图 1- 3PTB 纳米力学测量系统的位移溯源图近年来我国购入了相应的纳米力学测量设备超过 30 台， 其中大多数为科研 院校。例如中国计量科学研究院、中科院力学所、北京大学等院校相继购买了 纳米力学测试仪器进行科学研究，而且陆续还将会有更多的纳米力学测量设备 投入使用。这些仪器在我国得到了广泛使用，包括中科院力学所等单位都初步 开展了膜层硬度的测量工作。但由于是不同原理仪器的使用，使得他们的测量 结果差异很大，量值无法得到统一。因此，从实际生产和科研工作需求上，国 内用户也急需计量单位能够提供准确的量值溯源保障，从而保证材料硬度及弹 性模量的测量值的准确性。 目前，我国在纳米膜层硬度的计量方面，与国际发达国家的差距还很大， 溯源体系还没有形成。因此，为了保证我国航空航天、汽车工业、半导体、生 物医学、 MEMS 、高分子、薄膜和涂层，以及太阳能 / 燃料电池等领域的产品质 量，特别是其力学性能技术指标，就必须解决这些纳米力学测量设备的量值溯 源问题，建立相应的量值溯源体系，进而建立纳米膜层硬度国家计量基标准是 目前我们亟待解决的问题。4

1.4国外纳米力学测量系统介绍 由于人们对纳米尺度的材料及结构力学行为的研究兴趣不断的加深，世界上涌现了多家纳米力学测量系统的研制公司。此仪器的购买者大多来自于各大 高校，研究所及相关产品生产企业，用于科学研究、新材料的研制及产品质量 的控制。这类仪器为深度敏感仪器，通过电感或电容传感器测试压入深度和压 入载荷力。典型的纳米力学测量系统位移分辨力能做到小于 0.1nm ，而载荷的 分辨力能做到小于 1nN 。 纳米力学测量系统是典型的载荷控制仪器，也许初学者会提出一个问题， 那就是它能够测量最小是多厚的膜层或样品，这完全归咎于仪器的最小施加载 荷力，当施加最小载荷的时候，压针压入深度又依赖于被测试样品的力学性能。 所以最小载荷是仪器的一个相当重要的参数，相对而言仪器的载荷和位移的分 辨力在实际中受到环境及仪器噪声的限制，从而显得并非那么重要。 1.4.1 纳米力学测量系统技术指标定义 最小接触力：由仪器及测试环境的噪声水平限制，这个量值应当尽可能小， 以减小初始压入的相关误差。 载荷分辨力：载荷分辨力为仪器能感受到的载荷的最小变化。大多仪器配 备 16bit 或 20bit 的模数转换器。每种仪器的理论分辨力为载荷量程除以 2 的比 特次方。此理论分辨力并不能反应仪器的实际性能。 载荷噪声水平：仪器的载荷噪声水平是反应仪器最小接触载荷的最重要的 指标，任何分辨力的提高仅仅意味着噪声被测量的更加精确，噪声水平往往受 电子噪声以及环境噪声的影响。 位移分辨力：仪器能检测到得位移的最小变化量，可以通过细分采集系统 得到的位移电压得到。 位移噪声水平：在位移测量系统里面，其噪声水平决定最小压入深度，同 样位移噪声水平也是仪器测试性能的重要参数之一。 最大数据采集点：单一测试环节中能采集到得最多数据点。较多的数据点 可以更好的分辨载荷位移曲线中的 pop-in 及其他特征。 数据采集率：数据采集率反映了仪器采集载荷与位移数据的速率，采集速 率越快越好，这样可以使每次压痕的时间加快，减少温度漂移带来的影响。 可变加载率：某些样品材料的力学性能依赖于载荷的加载率，可变的加载 率使得此项研究能够进行，例如对于某种材料慢的加载或快的卸载使测试结果 更加准确。 自动测量：在无人干预下能够进行自动测试。 定位精度：仪器控制压针移动的精度。对于大多数仪器，一般采用电控位 移平台进行定位，在分米量级运动范围内可以达到± 1µm 。如果采用线性光电5

编码器，在分米量级运动范围内精度可达到± 0.1µm 。 如 果 采 用 压 电 陶 瓷 平 移 台，在 100µm 范围内分辨力可达到 2nm 。 测试范围：根据位置平台最大移动范围所决定的最大测试区域。这点对于 测试大样品很重要。 共振频率：这是仪器自然的共振频率，它由压杆质量和支撑弹簧精度决定。 高的共振频率可以减少机械环境对仪器的干扰。同时，一个高的响应使得高频 动态测量成为可能。 温度漂移：如果仪器周围环境的温度不能得到很好的控制，温度漂移不可 避免。大多数仪器配备封闭的保温箱，严格控制环境温度的变化，避免压针附 近温度的变化。 仪器稳定时间：仪器上电后需要稳定的时间，这个时间往往依赖于测量系 统的热稳定性。 压入时间：典型的压痕周期包括从加载到完全卸载的平均时间。一台纳米 压痕仪器能在 1 到 2 分钟内完成一次单点压痕测试。 加载步长：典型的纳米压痕仪有各种各样的加载方式，载荷增量的步长平 方根间距和压入深度间距之间存在着近似关系，线性增加的载荷能够提供恒定 加载率。 原位成像：原位成像提供压入前样品表面的扫描成像及压针加载卸载后扫 描压痕形貌完成残余面积的计算，此过程可通过 AFM 或原位成像仪器完成。 动态特性：这是测量被测样品在正弦或其他震荡加载作用下的响应能力， 这项技术主要用于测试粘弹性材料，其中锁相放大器用于测量载荷和位移信号 的相位和幅值。 声发射测试：使用声发射技术记录测针和样品相互作用下的信号，如裂纹 和薄膜的分层 [3-4] 。 1.4.2 纳米力学测量系统介绍 （ 1 ）美国 Hysitron 公司 TriboIndenter Hysitron 公司是美国一家专门致力于原位纳米力学测量系统设计、生产和 销售的公司。生产仪器主要包括 TriboIndenter 、 Ubi 1 和 Triboscope 三种型号。 计量院购置的仪器是该厂家的 TriboIndenter ，所以以下将对其进行比较详细的 介绍。 TriboIndenter 是低载荷原位纳米力学测量系统，可进行压入和划入测试， 该仪器主要组成部分为主机、电控部分和隔振部分，主机部分主要包括传感器、 扫描器、光学显微镜和位移平台。其中核心的部分为主机上的三板电容传感器 如图 1-4 所示，它是集驱动、载荷和位移为一体的传感器。通过三板电容式传 感器实现静电力的激励加载，同时能够测量载荷和位移的大小。工作原理如图6

1-4 所示，外部的上下两个电极板加上反相的交流信号，由此在两电极板之间 形成电场，其中中间极板的电动势为零，浮动的中心电极板捕捉到任意位置的 电压，此电压用来标定压针位移量的大小。在图中可以看出，通过在上或下极 板上施加一个大的直流漂移，因此可以产生一个微小的载荷施加在中心电极板 之上，此时在带有电荷的极板和中心极板之间产生静电力，用此静电力去标定 加载到压针上的载荷的大小。三板电容传感器包含了 5 项专利技术，它具有高 分辨力、低噪音和较低热漂移的能力，其主要技术指标见表 1-1 。这种小型传 感器可以直接固定在压电三维扫描器上，实现三维高精度的压针定位与原位成 像。其工作原理与接触式原子力显微镜类似，直接利用压针对样品进行扫描成 像。其特点为：快速原位成像，不需要卸载针尖和样品，数秒钟内即可找到所 需要扫描的压痕和划痕区域，扫描范围较大，水平扫描范围 60µm × 60µm ，垂 直扫描范围 3µm 。特别适合对复合材料通过原位成像，迅速准确的对选中位置 进行压痕，用于评价材料的力学特性。 该系统还有其他组件，例如 NanoDMA 是纳米尺度的动态力学分析组件， 主要用于考察粘弹性的样品材料，从而反映材料的粘弹性或具有时间相关的特 性，可以获得粘弹性材料在不同频率和载荷下的储存模量和损失模量。模量成 像是一个功能独立但又与 NanoDMA 密切相关的组件，通过对 NanoDMA 组件 的扩展，在样品表面确定区域内以探针扫描方式逐点进行压入，可获得扫描探 针显微镜图像格式的储存模量和损失模量信息，是动态测试和扫描探针显微镜 扫描图像功能的集成 [3-4] 。提 示 框 标 注 。 选 取 形 状 然 后 开 始 键 入 。 按 照 实 际 需 要 ， 调 整 框 的 大 小 。 移 动 控 制 手 柄 可 将 指 针 对 准 要 标 注 的 对 象。图 1- 4Hysitron 公司的 Triboindenter 型设备7

表 1- 1Triboindenter 标准配置技术指标Transducer 最大载荷 载荷分辨力 载荷噪声水平 最大位移 位移分辨力 位移噪声水平 热漂移压入 10mN 1nN 100nN 5µm 0.04nm 0.2nm <0.05nm/s划入 2mN 3µN 10µN 15µm 4nm 10nm <0.05nm/s（ 2 ）美国 Agilent 公司 Nano Indenter G200 Nano Indenter 是最早研制的压入测量仪器，历史可追溯到 1981 年，本文 介绍的是安捷伦公司最新产品 Nano indenter G200 。 G200 采用电磁力驱动，电 磁线圈和压杆牢固连接，并由悬浮弹簧支撑。通过测量作用在电磁线圈上电信 号可换算出载荷大小，位移由差动电容式传感器测量。该仪器能够测试材料的 杨氏模量和硬度，并能够测试材料从纳米到微米级别的形变。还可以进行划痕、 磨损、基于压针成像和高温测试，最大载荷可达到 10N 。 在传统的准静态压入测试中，仪器的接触刚度通过分析卸载后力和位移曲 线得到，这种深度敏感的测试方法提供的是给定深度的单一测试。而安捷伦的 连续刚度测量技术（ CSM ）充分考虑到了对有动态影响的材料的测量。基本原 理是在准静态加载方式的基础上，通过固定频率的放大器，叠加一个微小的动 态交变载荷，使其产生的同频交变位移保持微小的恒定幅度，以测量出交变载 荷和交变位移信号的幅值和相位差，由此确定出材料在加载阶段随压入深度变 化的连续接触刚度 [3-4] 。图 1- 5 美国 Agilent 公司的 G200 型设备8

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