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微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统

阅读：437发布：2020-05-11

专利汇可以提供微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及集驱动、精密加载与信号检测、微纳米级力学性能测试、超精密刻划加工和高分辨率原位观测为一体的微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统。该系统主要由X、Y轴方向精密定位平台、Z轴方向的精密线性定位平台和精密压入驱动单元、载荷信号和位移信号的检测单元、用于观测存储测试过程中材料变形、损伤状况的高分辨率数字显微成像系统组成。X、Y轴方向精密定位平台装配在底座上，Z轴方向的精密线性定位平台装配在侧板上，精密压入驱动单元、检测金刚石工具头压入材料压力的精密力学传感器和检测Z方向金刚石工具头压入深度的精密位移传感器装配在Z轴方向的精密线性定位平台上，高分辨率数字显微成像系统装配在横梁上。，下面是微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统，主要由X、Y和Z轴方向定位平台、驱动和检测单元以及用于观测存储测试过程中材料变形、损伤状况的高分辨率数字显微成像系统组成，其特征在于，所述的X、Y和Z轴方向定位平台中的X、Y轴方向精密定位平台(17)通过能同时沿X、Y轴方向移动的滑动机构装配在底座(2)上，Z轴方向的精密线性定位平台(6)与固定在底座(2)上的侧板(3)滑动配合，所述的驱动和检测单元安装在Z轴方向的精密线性定位平台(6)上，高分辨率数字显微成像系统装配在与底座(2)固定安装的横梁(10)上。
2.根据权利要求1所述的一种微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统，其特征在于，所述的滑动机构主要由垂直交叉布置的导轨和对导轨施力的动力拖链组成，定位平台(17)安装在固定于基座I(18)的导轨II(26)上，导轨II(26)通过X轴移动滑块(23)安装在固定于基座II(22)的导轨III(28)上，基座II(22)固定安装在底座(2)上，定位平台(17)和X轴移动滑块(23)分别由动力拖链II(25)和动力拖链III(24)带动沿Y轴和X轴方向移动，移动量由相应的光栅检测系统检测并作为反馈信号进行闭环控制。
3.根据权利要求1所述的一种微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统，其特征在于，所述的Z轴方向的精密线性定位平台(6)由动力拖链I(4)带动沿Z轴方向移动，移动量由光栅检测系统检测并作为反馈信号进行闭环控制。
4.根据权利要求1或3所述的一种微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统，其特征在于，所述的驱动和检测单元主要由柔性铰链、压电叠堆、力和位移传感器和金刚石压头组成，柔性铰链(8)通过连接板I(7)固定安装在定位平台(6)上，力传感器(19)螺纹连接在柔性铰链(8)下端，精密位移传感器(20)固定安装在连接板I(7)上，金刚石压头(21)通过连接杆安装在力传感器(19)上，并由锁紧螺钉锁紧。
5.根据权利要求1所述的一种微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统，其特征在于，所述的高分辨率数字显微成像系统主要由横梁、连接件、导杆和CCD数字成像系统组成，CCD数字成像系统通过连接件IV(15)和连接件III(14)装在导杆(13)上，导杆(13)通过连接板II(9)固定在横梁(10)上，连接件IV(15)与连接件III(14)之间滑动配合，并通过调整螺母(12)定位，连接件III(14)滑动安装在导杆(13)上，并通过锁紧螺母I(11)定位。
6.根据权利要求1或4所述的一种微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统，其特征在于，所述的驱动单元为精密压入驱动单元，该单元包括装在柔性铰链(8)上的2个压电叠堆I(29)和压电叠堆II(30)，并采用压电叠堆I(29)和压电叠堆II(30)同时驱动，加大金刚石压头(21)在Z轴方向的精密进给行程。

说明书全文

微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统

技术领域

[0001] 本发明涉及集驱动、精密加载与检测、微纳米级力学性能测试、超精密刻划加工和原位观测为一体的精密自动化试验测试系统，特别是对于各类试件或材料的微观力学性能测试中的纳米压/划痕实验、原位纳米压/划痕实验和微纳米级原位金刚石刻划加工的装置，属于光机电一体化的精密测试仪器。精密仪器是推动科技进步，社会发展的重要保证，本发明是用于测定各类试件或材料的微观力学性能参数的专用测试仪器，可以对精密元件的力学性能、服役行为进行测试评估，在设计制造环节优化工艺、改善其性能甚至提高其使用寿命，并可在高分辨率数字显微成像系统下实时观测被测试件或材料的变形、损伤过程，有助于对材料损伤机理的研究与分析，并可用于金刚石的精密刻划痕加工，对我国精密仪器、微电子技术、信息科学、冶金制造、微机电系统、生物医学工程、汽车飞机关键零部件设计制造等产业技术领域的发展将具有广泛的实用价值，是拓宽光学元件、微电子元件、冶金材料等领域设计-制造-改进这一瓶颈的有效途径。

背景技术

[0002] 微纳米级材料力学性能的测试技术主要包括纳米压痕(Nanoindentation)、纳米划痕(Nanoscratch)、原子力显微镜(AFM)、微机电系统(MEMS)专用测试技术(如微拉伸等)及相关支撑技术等。按照测试中是否可通过电子显微镜等仪器在线实时监测材料的变形和损伤状况，又可分为原位(In situ)测试和非原位(Ex situ)测试。所谓的原位(或在位)测试，是指对被测件力学性能测试中进行的在线连续监测和分析；与之对应的是非原位测试(又称异位或移位测试)，是指利用实验前或实验后的试件进行力学性能分析。目前绝大多数的纳米力学研究停留在非原位测试技术上。

[0003] (1)纳米力学性能测试中的支撑技术—精密驱动与检测技术

[0004] 纳米尺度的力学性能测试是以超精密驱动和载荷力/位移(或变形)的精密检测为支撑技术发展起来的。微纳米级精密驱动单元是现代高科技领域的重要工作单元，自上世纪中后期以来，出现了利用电致/磁致伸缩材料、形状记忆合金、压电陶瓷等智能材料实现精密驱动的研究。由于压电元件在“逆压电效应”作用下可产生精密可控的变形，并具有结构紧凑、承载能力强、分辨率高、能量转换效率高和无电磁干扰等优点，以压电元件作为动力转换元件的精密驱动研究成为近些年的热点，并对惯性冲击式、尺蠖式、粘滑式驱动机构和微位移工作台等多种压电驱动器进行了深入的研究，这些研究成果在超精加工、微细操作、精密仪器、生物医学工程等领域展现了较为广阔的应用前景。在纳米级变形的检测上，目前主要通过光学三角法、干涉法、电容式检测等手段实现；而在微载荷的检测上，研究人员主要利用敏感元件将载荷力转换为弹性元件的微变形，进而通过对变形量或由变形引起的电容(或应变)变化量进行检测得到加载力。

[0005] (2)非原位(Ex situ)纳米压痕/刻划测试技术

[0006] 纳米力学测试中如不能通过电子显微镜等仪器动态监视材料的变形损伤，即为“非原位(Ex-situ)纳米力学测试”。目前决大多数的纳米力学测试停留在非原位测试上，其中以纳米压痕和纳米刻划最具代表性。纳米压痕测试通过检测分析金刚石工具头施加给试件的加载力、试件变形和载荷—压深曲线，可测材料硬度和弹性模量等参数。纳米刻划可用来研究三维试件和薄膜等的界面强度以及刻划抗力等特性。现在这两项技术已较为成熟，美国MTS和Hysitron、瑞士CSM、英国MML等公司都有商业化产品.目前，我国还不具备具有自主知识产权的这类技术。

[0007] 但这些商业化测试仪器无法动态监视测试中材料发生的变形损伤状况，制约了研究的深入；它们通过多个单自由度的运动模块组装起来实现多自由度的运动输出，导致结构庞大、传动环节复杂，增加了测试误差、削弱了系统的抗干扰性；由于大都采用电磁或静电驱动方式实现精密驱动加载，造成这类仪器在工作中存在较显著的电磁干扰。当前我国还没有该技术的自主知识产权产品。进口国外设备价格昂贵、维护使用费用高，且出于军事和高技术附加值领域的产业化应用考虑，国外高端技术设备对我国还封销禁运，以致在很大程度上制约了我国材料科学和微电子技术等学科和产业的发展。

[0008] (3)原位(In situ)纳米力学性能测试技术

[0009] 原位纳米力学测试是基于以上多项技术于一体在最近几年才发展起来的，一经提出即受到美国政府的高度重视，麻省理工学院(MIT)、加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和西北大学等，美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)等以及顶级电镜制造商FEI等，在美国能源部(DOE)、科学基金会(NSF)和国防部(DOD)等政府机构资助下，投入了相当的人力、物力开展此项研究。

[0010] 美国LLNL和LBNL的M.A.Wall等人率先研制了一种通过齿轮马达和压电元件实现精密驱动的原位纳米压痕装置；加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和LBNL的A.M.Minor等人通过压电直动式驱动装置推动掺杂的金刚石工具头也在TEM原位监测下开展了铝薄膜的纳米压痕测试；美国MIT的S.Suresh、Northwestern大学H.D.Espinosa和我国北京工大的张泽院士等人还研制了基于MEMS工艺的专用测试装置，分别对极微小的人体细胞、纳米线和纳米管等开展了原位纳米力学测试，取得了一些标志性研究成果。

[0011] 但是上述测试装置都存在着不足：LLNL和LBNL的M.A.Wall等人开发的装置由于不能检测加载力导致无法测试材料力学参数，不能研究载荷作用对材料变形损伤的影响规律；A.M.Minor等的装置通过施加在压电元件上的电压与其变形量关系经换算得到加载力，造成测试复杂、离线操作环节过多，还存在加载力换算的模型误差和参数误差，影响了测试结果在量值上的可信性；基于MEMS工艺的测试装置存在专门用途的限制。由于这些不足，使得上述装置无法对特征尺寸毫米级以上的三维试件开展测试，为了进行测试还必须通过“掩膜、腐蚀、沉积”等工艺制作结构极微小的专门试件，准备工作复杂繁琐。另外，由于试件尺寸极为微小，其固定方式、边界条件及其与金刚石工具头间尺寸效应等对测试结果影响十分显著，因此利用该测试结果去评价衡量较大尺寸三维试件的综合力学性能缺乏可信性。

[0012] 针对三维试件的原位纳米力学测试研究，目前仅见于瑞士联邦理工学院J.Michler和R.Rabe、日本东北大学W.Gao和赵宏伟副教授所在项目组等开展的部分工作。

[0013] J.Michler等人在欧洲框架计划和瑞士联邦政府资助下研制了一种原位纳米刻划测试装置，采用粘滑式(Stick-Slip)压电驱动机构作为驱动动力源，利用电容式位移传感器和应变式力传感器检测工具头压入试件的深度和压力，并在扫描电镜(SEM)原位监视下研究了砷化镓(GaAs)在连续刻划力作用下的变形损伤情况。该装置可测试件最大尺寸Φ8×5mm、加载力分辨率1mN，可承载最大试件重量仅为10g。受粘滑式压电驱动机理的制约工作中存在无法克服的后冲现象(幅度达30-100nm)，且在每个运动周期内核心驱动单元都会产生微幅振动，驱动装置的定位误差还导致加载力存在很大误差和不可控性，严重影响了测试精度和可靠性。

[0014] 综上所述，原位纳米力学测试被国际学术界和工程界普遍认为是崭新的、最具发展潜力的研究材料纳米尺度力学性能和损伤机制的有效方法，近几年受到国际工程界、学术界和有关政府部门的高度重视。目前商业化产品的原位纳米力学测试仪器仅有美国Hysitron公司生产，价格十分昂贵，并且还对我国禁运；其它的一些原位纳米力学测试都存在一定的缺点或受专门用途的限制。

[0015] 本发明以研究试件或材料微观力学性能、损伤机制的精密高效测试技术为对象，提出针对特征尺寸毫米级以上三维试件的原位纳米压痕/刻划测试的新装置，开展研究开发并推进其产业化，以弥补我国这一领域的空白，并在国际范围内占据一席之地。

发明内容

[0016] 本发明的目的在于提供一种微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统，该系统为一种集驱动、加载、检测、微纳米级力学性能测试、超精密刻划加工和原位观察为一体的高性能综合精密实验系统。它由具有X、Y轴精密定位的载物台、Z轴方向的宏动调整机构和精密压入驱动单元、用于检测压入深度Z方向金刚石刀具的运动位移和X、Y方向载物台的位移的精密位移传感器I7、用于检测金刚石刀具压入材料内部的压力的精密力学传感器和用于观测和存储力学测试过程中材料的变形、损伤状况的精密显微成像系统和数字成像系统组成。具有X、Y轴精密定位的载物台能够实现工件在X、Y轴方向上的精密进给，Z轴方向的宏动调整机构能够快速调整金刚石刀具和工件间的位置，精密压入驱动单元能够实现金刚石刀具向材料内部压入，精密显微成像系统和数字成像系统用于观测和存储力学测试过程中材料的变形、损伤状况。

[0017] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：

[0018] 一种微纳米级原位纳米压痕刻划测试技术与系统，主要由X、Y和Z轴方向定位平台、驱动和检测单元以及用于观测存储测试过程中材料变形、损伤状况的高分辨率数字显微成像系统组成，所述的X、Y和Z轴方向定位平台中的X、Y轴方向精密定位平台17通过能同时沿X、Y轴方向移动的滑动机构装配在底座2上，Z轴方向的精密线性定位平台6与固定在底座2上的侧板3滑动配合，所述的驱动和检测单元安装在Z轴方向的精密线性定位平台6上，高分辨率数字显微成像系统装配在与底座2固定安装的横梁10上。

[0019] 所述的滑动机构主要由垂直交叉布置的导轨和对导轨施力的动力拖链组成，定位平台17安装在固定于基座I18的导轨II26上，导轨II26通过X轴移动滑块23安装在固定于基座II22的导轨III28上，基座II22固定安装在底座2上，定位平台17和X轴移动滑块23分别由动力拖链II25和动力拖链III24带动沿Y轴和X轴方向移动，移动量由相应的光栅检测系统检测并作为反馈信号进行闭环控制。

[0020] 所述的Z轴方向的精密线性定位平台6由动力拖链I4带动沿Z轴方向移动，移动量由光栅检测系统检测并作为反馈信号进行闭环控制。

[0021] 所述的驱动和检测单元主要由柔性铰链、压电叠堆、力和位移传感器和金刚石压头组成，柔性铰链8通过连接板I7固定安装在定位平台6上，力传感器19 螺纹连接在柔性铰链8下端，精密位移传感器20固定安装在连接板I7上，金刚石压头21通过连接杆安装在力传感器19上，并由锁紧螺钉锁紧。

[0022] 所述的高分辨率数字显微成像系统主要由横梁、连接件、导杆和CCD数字成像系统组成，CCD数字成像系统通过连接件IV15和连接件III14装在导杆13上，导杆13通过连接板II9固定在横梁10上，连接件IV15与连接件III14之间滑动配合，并通过调整螺母12定位，连接件III14滑动安装在导杆13上，并通过锁紧螺母I11定位。

[0023] 所述的驱动单元为精密压入驱动单元，该单元包括装在柔性铰链8上的2个压电叠堆I29和压电叠堆II30，并采用压电叠堆I29和压电叠堆II30同时驱动，加大金刚石压头21在Z轴方向的精密进给行程。

[0024] 本发明的技术效果是：为宏观特征尺寸的三维试件材料(被测试件尺寸可达40mm×40mm×10mm)的硬度、弹性模量、刻划抗力等力学性能参数的测定表征提供更为精准的测试方法与装备，本发明提出的测试技术或方法加载位移分辨率达到纳米级、加载力分辨率达到微牛级；通过高分辨率数字显微成像系统对测试中材料的变形损伤状况进行原位监测，为评价分析材料在载荷作用下的力学行为或服役行为提供更为准确有效的研究测试手段，为建立载荷作用下材料的变形损伤及其与载荷作用和材料性能间的相关性规律提供技术手段；为复杂精密光栅等的纳米级金刚石刻划加工提供优化加工工艺的方法。本发明专利对材料科学、微电子技术、精密光学、薄膜技术、超精密加工技术和国防军工等领域将起到推动促进作用。

附图说明

[0025] 附图1是精密自动化纳米压痕/划痕试验装置主体部分机构图。

[0026] 附图2是X、Y轴方向精密定位平台的机构图。

[0027] 附图3是精密压入驱动单元机构图

[0028] 1.支撑座，2.底座，3.侧板，4.动力拖链I，5.导轨I，6.Z轴方向的精密线性定位平台，7.连接板I，8.柔性铰链，9.连接板II，10.横梁，11.锁紧螺母I，12.调整螺母，13.导杆，14.连接件III，15.连接件IV，16.CCD数字成像系统，17.X、Y轴方向精密定位平台，18.基座I，19.力传感器，20.精密位移传感器，21.金刚石压头，22.基座II，23.X轴移动滑块，24.动力拖链III，25.动力拖链II，26.导轨II，27.光栅检测系统，28.导轨III，
29.压电叠堆I，30.压电叠堆II

具体实施方式

[0029] 下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

[0030] 一种微纳米级原位纳米压痕刻划测试技术与系统，主要由X、Y轴方向精密定位平台17、Z轴方向的精密线性定位平台6和精密压入驱动单元、载荷信号检测单元、位移信号检测单元、用于观测存储测试过程中材料变形、损伤状况的高分辨率数字显微成像系统组成。所述的X、Y轴方向精密定位平台17装配在底座2上、Z轴方向的精密线性定位平台6安装在侧板3上，精密压入驱动单元、检测金刚石工具头压入材料压力的精密力传感器19和检测Z方向金刚石工具头压入深度的精密位移传感器20安装在Z轴方向的精密线性定位平台6上，高分辨率数字显微成像系统装配在横梁10上。

[0031] 所述的X、Y轴方向精密定位平台17主要由基座I18、基座II22、导轨II26、导轨III28、X轴移动滑块23、光栅检测系统27、动力拖链III24、动力拖链II25组成。定位平台17安装在导轨II26上，导轨II26由螺钉安装在基座I18上，定位平台17由动力拖链II25带动其沿Y轴方向移动，移动量大小由光栅检测系统27检测并形成闭环控制。基座I18由螺钉安装在X轴移动滑块23上，X轴移动滑块23安装在导轨III28上，导轨III28通过螺钉安装在基座II22上，基座II22安装在底座2上。由动力拖链III24带动X轴移动滑块
23沿X轴移动，按照连接关系最终带动定位平台17沿X轴移动，移动量的大小由相应的光栅检测系统检测，并实现闭环控制，最终实现精密定位。

[0032] 所述的Z轴方向的精密线性定位平台6安装在导轨I5上，导轨I5通过螺钉安装在侧板3上，由动力拖链I4带动定位平台6沿Z轴方向移动，移动量的大小由光栅检测系统测量并作为反馈信号实现闭环控制，最终实现精密移动。

[0033] 所述的精密压入驱动单元和检测单元主要由柔性铰链8、压电叠堆I29、压电叠堆II30、力传感器19、精密位移传感器20、金刚石压头21组成。连接板I7通过螺钉安装在定位平台6上，柔性铰链8通过螺钉安装在连接板I7上，力传感器19由螺纹连接在柔性铰链8下端，精密位移传感器20通过螺钉安装在连接板I7上，金刚石压头21通过连接杆安装在力传感器19上，并由锁紧螺钉锁紧。测试过程中，金刚石压头21的压入力由力传感器19拾取，压入深度由精密位移传感器20拾取。精密压入驱动单元和检测单元Z轴方向上的精密移动由Z轴方向的精密线性定位平台6实现。

[0034] 所述的高分辨率数字显微成像系统主要由横梁10、连接板II9、锁紧螺母I11、调整螺母12、导杆13、连接件III14、连接件IV15、CCD数字成像系统16组成。横梁10安装在底座2上，连接板II9通过螺钉安装在横梁10上，导杆13安装在连接板II9上，连接件III14沿导杆9可以移动，到达适当位置时由锁紧螺母I11锁紧，连接件IV15通过调节调整螺母12可以在连接件III14凹槽内移动，并带动CCD数字成像系统16实现移动。在高分辨率显微成像系统下，能够实现对纳米压痕/刻划过程中载荷作用下材料发生的力学行为和损伤状况实施动态的原位监测。

[0035] 所述的精密压入驱动单元采用压电叠堆I29、压电叠堆II30同时驱动，可以加大金刚石压头21在Z轴方向的行程，并实现Z轴方向上的精密进给。

[0036] 本发明为一种精密自动化试验测试系统，被测试件粘贴在X、Y轴方向精密定位平台上，由X、Y轴方向上的动力拖链带动精密定位平台沿X、Y轴方向移动，移动量的大小由相应的光栅检测系统检测并作为反馈信号实现闭环控制，从而实现被测试件沿X、Y轴方向的精密定位。金刚石压头在Z轴方向上的精密移动由Z轴方向上的动力拖链带动实现，并实现自锁，位移量大小由相应的光栅检测系统检测作为反馈信号实现闭环控制，保证移动的准确性，根据力传感器是否有示数变化来判断压头是否接触到被测试件表面。压头精密压入驱动单元由设计的柔性铰链和两个压电叠堆实现，具有行程较大、分辨率高、无电磁干扰、结构微小等优点。通过精密力传感器和精密位移传感器来分别检测压头压入试件过程中的压入力和压入深度的大小，通过软件编程控制A/D采集卡将位移传感器输出的位移信号和力传感器输出的力信号同步采集到计算机里，再通过数据处理，获得压痕试验的载荷——深度曲线。通过控制X或Y轴方向上的动力拖链带动试件沿着X或Y轴方向实现精密移动可完成试件的划痕实验。通过测试装置上的高分辨率数字成像系统，可以实时观测被测试件在载荷力作用下的变形、损伤状况。

[0037] 参阅附图1所示，X、Y轴方向精密定位平台17装配在底座2上、Z轴方向的精密线性定位平台6安装在侧板上，精密压入驱动单元、检测金刚石工具头压入材料压力的精密力传感器19和检测Z方向金刚石工具头压入深度的精密位移传感器20通过连接板I7安装在Z轴方向的精密线性定位平台6上，用于观测和存储力学测试过程中材料的变形、损伤状况的高分辨率数字显微成像系统装配在横梁10上。

[0038] 附图2是X、Y轴方向精密定位平台的机构图，定位平台17安装在导轨II26上，导轨II26由螺钉安装在基座I18上，定位平台17由动力拖链II25带动其沿Y轴方向移动，移动量大小由光栅检测系统27检测并形成闭环控制。基座I18由螺钉安装在X轴移动滑块23上，X轴移动滑块23安装在导轨III28上，导轨III28通过螺钉安装在基座II22上，基座II22安装在底座2上。由动力拖链III24带动X轴移动滑块23沿X轴移动，按照连接关系最终带动定位平台17沿X轴移动，移动量的大小由相应的光栅检测系统检测，并实现闭环控制，最终实现精密定位。

[0039] 附图3是精密压入驱动单元的机构图，柔性铰链8通过螺钉安装在连接板I7上，压电叠堆I29、压电叠堆II30安装在柔性铰链的两个相应的安装孔中，并用垫片预紧，实验过程中，操作人员可通过控制压电叠堆驱动器的电源来同时驱动两个压电叠堆从而实现金刚石压头21在Z轴方向的精密进给。

[0040] 在纳米压痕测试中，金刚石工具头压入试件的深度h可通过精密位移传感器测得；而金刚石工具头施加给试件的接触载荷P可通过高精度力传感器测得。

[0041] 根据接触力学的相关知识，试件的接触刚度S可表示为

[0042]

[0043] 结合Oliver-Pharr的相关理论，压痕测试卸载曲线顶部的载荷与对应位移可拟合为一指数函数关系

[0044] P＝α(h-hf)m (2)

[0045] 式中：α和m为拟合参数.

[0046] 对(2)式在最大载荷处进行微分可得到试件的接触刚度

[0047] S＝αm(hmax-hf)m-1 (3)

[0048] 另外，试件的接触刚度还可由下式给出

[0049]

[0050] 式中：A为压头此刻与试件的接触面积；Er为折算模量

[0051]

[0052] 式中：Es为试件的杨氏模量；Ei为金刚石工具头的杨氏模量；vs为试件的泊松比；vi为金刚石工具头的泊松比.

[0053] 材料的微观硬度可以表示为

[0054]

[0055] 式中：H为被测材料的硬度；P为金刚石工具头施加在材料上的载荷；A金刚石工具头压入材料的接触面积，针对四棱锥金刚石工具头针对三棱锥金刚石工具头其中h为接触深度，α为金刚石工具头的中心轴线与其棱面的夹角.

[0056] 结合上述理论，借助纳米压痕试验测得的压痕曲线和相关数据，可计算出被测材料试件的硬度、弹性模量等性能参数。通过电子显微镜等仪器对试件压痕区域进行观测，还可研究裂纹、应力分布乃至于微观结构变化等情况。

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微纳米级原位纳米压痕刻划测试系统

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