图6-1 Berkovich金刚石压头及其三面直角角锥
a）金刚石压头 b）三面直角角锥
在纳米压痕试验中，一般使用专用的金刚石压头，在一定的正向负载的作用下，垂直压入样品表面。通过在试验过程中获得的负载/位移曲线，计算出样品的硬度、弹性模量；或者在压痕试验后，用原子力显微镜（Atomic Force Micro-scope，AFM）对压痕区域进行形貌观察，由此获得压痕的几何尺寸，计算出样品的硬度、弹性模量。目前用于纳米压痕试验的金刚石压头的几何外形，主要有三棱锥形（Berk-ovich压头）、圆锥形和球形等，其中最为常用的是三棱锥形的Berkovich金刚石压头，如图6-1所示[8]。这是因为三棱锥形压头的3个面可以较好地交于一点，能够尽可能地减少压头几何形状的偏差给纳米压痕试验带来的影响。
图6-2 纳米硬度仪结构示意图(www.xing528.com)
目前用于纳米压痕试验的仪器一般分为2大类：一种是专门的纳米硬度仪（Nano-hardness Tester，NHT），它通过电磁力驱动压头在X，Y，Z 3个方向上运动，并探测作用力大小，3个方向上的位移信号由3组相互独立的平板电容器结构通过电容量的变化来获得，竖直（Z）方向上的作用力和位移即为压力和压入深度，如图6-2所示[9，10]。另一种是原子力显微镜（Atomic Force Mi-croscopy，AFM）测试法。由于在AFM的系统中，AFM针尖与试样之间的交互作用力会使微小悬臂摆动，当激光照射在悬臂的末端并形成摆动时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时通过位置敏感探测器可记录此偏移量，从而通过信号处理能够获得悬臂的形变量。继而通过在原子力显微镜上安装带有金刚石压头的探针，以AFM自身的压电陶瓷管驱动带有压头的悬臂下压，压入深度由压电陶瓷管Z方向位移减去悬臂的形变量获得，压力可由悬臂的形变量和整个探针的弹性系数算出，如图6-3所示[8]。
图6-3 基于AFM的纳米压痕
a）AFM压痕示意图 b）放大的AFM用金刚石压头
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