纳米划痕实验原理简介

采用纳米划入测量仪进行纳米划痕实验时，样品平面垂直于划针轴线移动，小曲率半径的硬质划针在一定的法向载荷作用下与样品接触，并通过样品运动沿样品表面刻划，载荷可以是恒定载荷也可以是线性递增载荷，划入深度一般控制在微米甚至纳米尺度，系统自动检测并记录试验过程中的载荷、深度、划动距离、摩擦力、摩擦因数、声发射信号、划擦时间等数据，图6-11示意地说明了纳米划痕测试原理。纳米划痕技术能实现高分辨率的测量，对样品的几何尺寸和形状无特殊要求，可通过样品表面的划痕来评价薄膜/基体的表面粗糙度、摩擦学性能、抗疲劳磨损、膜基结合强度等微/纳米表面力学性能参量。

图6-11 纳米划痕测试示意图

如上所述，纳米划痕有两种模式，一是多次恒定负荷纳米划痕测试（多道纳米划痕测试），可用于测试纳米材料的抗滑动磨损和抗磨粒磨损性能；二是单次递增负荷纳米划痕测试，直至在临界负荷（L_c）下产生失效，因此可用于测试纳米薄膜和母材的粘接强度。但无论哪种模式，在划痕测试时所获得的划痕深度都可以表示抗划阻力或者是抗切削阻力值。由于Berkovich针尖是三棱锥形针尖，很难沿着划痕方向进行调整，所以在划痕实验中多采用小曲率圆锥形金刚石针尖，划入深度一般控制在微米甚至纳米尺度，从而实现高分辨率测量。此外，为了保证使用纳米划痕仪获得更精确、更稳定的数据，还要避免测试探头的偏动（图6-12）；定期标定仪器，包括对仪器进行四项重要基础指标的标定，即载荷、深度、金刚石压头面积函数和框架刚性等。在实际的纳米划痕测试中，多采用针尖半径为1μm、顶角为60°的金刚石针尖，施加线性递增载荷直到裂纹产生。以一个典型的划痕实验为例，划痕长度为500μm，梯度载荷为0～5mN，施加于圆锥形针尖。实验包括三个步骤：①接近表面。②在线性递增载荷下刻划。③针尖的最终卸载。划痕测试完成以后，划痕导致的损伤便通过原位摩擦力测试和光学显微镜成像记录下来。(www.xing528.com)

图6-12 探针的偏动