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1、纳米压痕技术及其应用——黎 明 温诗铸文章编号:1004-132Ò(2002)17-1437-03纳米压痕技术及其应用黎 明 温诗铸 摘要:介绍了纳米压痕技术在微机电系统、材料科学、摩擦学性能研究、生物工程和信息技术等领域中的应用,以及纳米压痕技术在理论研究方面的进展及今后的研究重点。关键词:纳米压痕技术;力学性能;弹性模量;微硬度中图分类号:TG113.25 文献标识码:A黎 明 副教授 硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。移,并建立两者之间的相应关系(即P-h曲线)。常用的硬度
2、试验方法有压入法和刻划法两类。在通过卸载曲线的斜率可以得到弹性模量E,而硬度压入法中,根据压入载荷、压头几何形状和表示方值H则可由最大加载载荷和残余变形面积求出。法的不同,又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度纳米硬度计一般最小压入载荷为1LN,力分辨率可和显微硬度等多种。压入法硬度值是材料表面抵达50nN,而位移分辨率则在0.3nm以上。抗另一物体压入时所引起塑性变形的能力。硬度1 纳米压痕技术的应用值不是一个单纯的物理量,它表征着材料的弹性、塑性、变形强化、强度和韧性等一系列不同物理量1975年
3、,美国物理学家、诺贝尔物理学奖金获组合的一种综合性能指标。根据材料的硬度,人们得者费恩曼在其著名的演讲报告“There'sPlenty可以对材料的某些力学性能进行评定,如抗拉强ofRoomattheBottom”中首次提出了微机械的概度、疲劳极限和磨损性能等。念。随着微电子技术和微系统的发展,许多微小结硬度通常被定义为压入载荷与压痕投影面积构得到了实际应用。同时,材料在微小尺度下的力的比值。在体材料的硬度试验中,当压入载荷大于学性能也逐渐成为人们关注的对象,材料的微观力10N时所得到的硬度值一般
4、称为宏观硬度学性能研究也随之开展起来。在微电子技术、微机(macrohardness)。近十几年来,随着大规模集成电械和纳米摩擦学应用中,微构件的几何尺寸一般在路制作技术的迅速发展,微机电系统(MEMS)的微米级,而薄膜的厚度则往往是纳米级。在载荷的尺寸可小至几毫米甚至数微米。因此,微小精密构作用下,这些微小构件常常会表现出与宏观条件下件的微观硬度(microhardness)、涂层或薄膜的机所不同的特性,因而引起了人们的极大关注,目前械性能等问题开始引人关注,如MEMS中微梁和这一领域已成为科
5、学前沿和研究热点。纳米压痕技微泵致动膜的弹性变形。此时的压入载荷一般为几术由于具有无损、可以在很小的局部范围测试材料佰毫牛或数牛,压痕深度为微米级。当压入深度为的力学性能等优点,近10年来在材料的微观力学纳米级或亚微米级时,这就是所谓的纳米硬度性能研究方面得到了广泛的应用,主要有以下几个(nanohardness)。方面:(1)微机电系统(MEMS)目前微构件的几原子力显微镜和纳米硬度计的研制成功使得何尺寸大多以微米计,一些构件上的涂层或薄膜的纳米尺度上的材料力学性能测试成为可能。对于压厚度甚至
6、以纳米计。这些微构件的力学性能,如弹入载荷不小于1LN的硬度测试,一般可由纳米硬性模量和微硬度,用以往常规的硬度测试手段是无度计来完成。纳米硬度计主要由轴向移动线圈、加法实现的。此外,体材料的力学行为对微ö纳米尺度载单元、金刚石压头和控制单元等四部分组成。压上的构件已不再适用,即存在通常所说的尺度效头材料一般为金刚石,常用的有伯克维奇压头应。目前纳米压痕技术在MEMS领域的应用不仅(Berkovich)和维氏(Vicker)压头。压入载荷的测可以利用原子力显微镜(AFM)和纳米硬度计直接量和控制
7、是通过应变仪来实现的,整个压入过程由测量微小构件的弹性模量和硬度,还可以测量固支计算机自动控制进行,可在线测量载荷与相应的位梁或悬臂梁在载荷下的弯曲变形,如微杆件、微泵收稿日期:2002—05—14和微开关的膜片等。·1437·中国机械工程第13卷第16期2002年8月下半月(2)生物工程 纳米压痕技术在生物工程领域痕技术对压焊点施压,可以检测焊接后的焊点是否的应用主要是测定骨、牙齿或细胞等生物组织的力会产生开裂或附着失效。此外,在芯片表面镀一层学性能,为病理研究或治疗提供依据。骨质疏松是薄膜,
8、可以提高表面的耐磨性和防腐性。有的薄膜导致骨裂的根本原因,目前常用的双磷疗法较为有具有一定的功能,如光电性或电磁性,它们在基体效,可以改善骨组织的内在性能。局部探针测量技上的附着性是一个关键的技术指标。此外,磁记录术(可以取很小的样且不会造成骨组织的任何损装置中的磨损问题等也可以用纳米压痕技术来研害)的应用,如纳米压痕硬度测试技术,可以对骨质究。疏松症的治疗机理有更深入的了解。为了研究活体2 纳米压痕技术理论基础细胞与其周围环境的相互作用和反应,就必须了解细胞的力学性能。通过试验,人们已经知道生
