NIOS納米機(jī)械測(cè)試/原位納米壓痕儀

NIOS納米機(jī)械測(cè)試/原位納米壓痕儀

NIOS納米機(jī)械測(cè)試/原位納米壓痕儀是實(shí)現(xiàn)超過30種不同的測(cè)量技術(shù)的全能系統(tǒng)，涵蓋了亞微米和納米尺度所有類型的物理和機(jī)械性能測(cè)量。通過NIOS壓痕儀控制軟件，可以實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的測(cè)量，允許終端用戶配置任何測(cè)量方案，無需操作員干預(yù)即可執(zhí)行。這一特性對(duì)于材料質(zhì)量的技術(shù)控制特別有用。有了這個(gè)新增的功能，NIOS既可以用于研究工作，也可以用于工業(yè)應(yīng)用。

NIOS系列納米機(jī)械測(cè)試/納米壓痕儀的模塊化設(shè)計(jì)允許終端用戶根據(jù)自己的需要配置納米機(jī)械測(cè)試機(jī)。NIOS納米機(jī)械測(cè)試機(jī)的配置可包括以下模塊: 寬量程納米壓痕儀；光學(xué)顯微鏡；原子力顯微鏡；掃描納米機(jī)械測(cè)試儀；電特性測(cè)量；側(cè)向力傳感器；原位形貌成像；加熱臺(tái)等。

測(cè)量模式和測(cè)量方法：

1.機(jī)械性能測(cè)量：儀器壓痕符合ISO 14577；維氏顯微硬度測(cè)量；具有恒定或可變載荷的硬度測(cè)試(通過劃痕測(cè)量硬度；力光譜學(xué)；機(jī)械化學(xué)納米；梁和膜的剛度測(cè)量；硬度和彈性模量對(duì)壓痕深度的依賴性；自動(dòng)測(cè)繪的二維和三維硬度和彈性模量分布在面積為50x50mm的表面；通過劃痕試驗(yàn)確定附著力；測(cè)量液體

2.納米摩擦測(cè)量：載荷作用下的循環(huán)表面磨損；在研究表面上進(jìn)行潤(rùn)滑脂的納米摩擦學(xué)試驗(yàn)

3.光學(xué)顯微測(cè)量：納米力學(xué)測(cè)試領(lǐng)域的選擇；對(duì)象尺寸測(cè)量和高精度定位

4.原位掃描模式：用控制負(fù)載或壓痕深度測(cè)量電流-電壓特性；納米力學(xué)測(cè)試中的電流擴(kuò)展測(cè)量

5.原子力顯微測(cè)量：接觸原子力顯微鏡(AFM)；振動(dòng)(半接觸)原子力顯微鏡(VAFM)；掃描隧道顯微鏡(STM)；高磁場(chǎng)顯微鏡(M-AFM)；電導(dǎo)率和電勢(shì)顯微鏡(E-AFM)；力調(diào)制(FM-AFM)；橫向力顯微鏡(LF-AFM)；粘滯力顯微鏡(V-AFM)；粘附原子力顯微鏡(AD-AFM)；光刻技術(shù)模式(AFM-LIT)；根據(jù)殘余壓印測(cè)量硬度；對(duì)二維和三維地表起伏度圖像的粗糙度參數(shù)進(jìn)行了擴(kuò)展計(jì)算

可測(cè)量的特征參數(shù)：壓印硬度(顯微硬度)；壓痕硬度(納米硬度)；彈性模量(折算楊氏模量)；彈性恢復(fù)系數(shù)；附著力；涂膜厚度；機(jī)械性能的映射；機(jī)械性能與深度；力學(xué)性能vs三坐標(biāo)(層析成像)；微結(jié)構(gòu)剛度和位移；斷裂阻力；耐用性；線性磨損強(qiáng)度；摩擦系數(shù)；刮傷時(shí)的側(cè)向力；表面形貌；粗糙度參數(shù)；原位電壓特性；電阻系數(shù)

應(yīng)用領(lǐng)域：

材料科學(xué)，材料研究和工程：納米相與復(fù)合材料；超分散硬質(zhì)合金；新型硬、超硬材料；結(jié)構(gòu)納米材料:合金，復(fù)合材料，陶瓷；薄膜和涂層；碳納米材料和纖維

能源：用于核能的納米材料；渦輪葉片涂層

儀器工程：新型半導(dǎo)體材料；光學(xué)組件；微型和納米機(jī)電系統(tǒng)(MEMS和NEMS)；用于夜視設(shè)備的微通道板；存儲(chǔ)設(shè)備(如硬盤驅(qū)動(dòng)器)；納米光刻

醫(yī)學(xué)：牙科的新材料；納米材料植入物；生物活性涂層；支架

汽車、飛機(jī)制造；空間研究和機(jī)械工程：新型結(jié)構(gòu)和功能納米材料；機(jī)械部件耐磨涂層；刀具涂層；硬質(zhì)合金刀具質(zhì)量控制；金剛石及金剛石粉

計(jì)量：利用三軸激光干涉術(shù)測(cè)量納米尺度的線性尺寸

包裝：塑料制品的保護(hù)涂層；玻璃和金屬裝飾和功能涂層

教育：納米壓痕和掃描探針顯微鏡實(shí)驗(yàn)室課程及高級(jí)研究

NIOS系列納米機(jī)械測(cè)試/納米機(jī)械測(cè)試器有三個(gè)平臺(tái)可供選擇:緊湊型，標(biāo)準(zhǔn)型，增強(qiáng)型。根據(jù)所選平臺(tái)的大小，該設(shè)備可能包括以下三個(gè)測(cè)量模塊中的一個(gè)、兩個(gè):

• 寬量程納米壓痕儀

• 掃描納米機(jī)械測(cè)試儀

• 原子力顯微鏡

• 光學(xué)顯微鏡

   

對(duì)NIOS標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行特殊修改后，可以配置三軸外差干涉儀，用于線性位移納米測(cè)量。根據(jù)平臺(tái)的類型，可以增加附加選項(xiàng)，如側(cè)向力傳感器、加熱臺(tái)、高負(fù)載選項(xiàng)、聲發(fā)射傳感器、往復(fù)式磨損模塊等。

1. 寬量程納米壓痕模塊

技術(shù)數(shù)據(jù)：

壓痕模塊有4種基本工作模式:

技術(shù)數(shù)據(jù)：

XYZ軸的測(cè)量范圍:500um

三軸分辨率均不小于0.01 nm

在1hz到1khz的頻帶內(nèi)，干涉儀均方根的噪聲水平不超過1nm

軸位移測(cè)量的非正交性:0.01弧度

相移范圍:±1*104弧度

相位位移分辨率:10-4弧度

時(shí)間測(cè)量分辨率:1 ms

zui大掃描速率:100um/s

工作區(qū)域的熱量釋放不超過5W

5.透明金剛石壓頭作為光學(xué)目鏡

配置向?qū)В?/span>

第1步：框架尺寸

緊湊型：200x300 mm （可安裝1個(gè)測(cè)量模塊）

標(biāo)準(zhǔn)型：450x400 mm（可安裝2個(gè)測(cè)量模塊）

增強(qiáng)型：550x450 mm （可安裝3個(gè)測(cè)量模塊）

第2步：測(cè)量模塊

左一：寬量程納米壓痕儀

左二：掃描納米機(jī)械測(cè)試儀

左三：原子力顯微鏡AFM

左四：光學(xué)顯微鏡

第3步：樣品臺(tái)

第4步：擴(kuò)展件

第5步：配件及其它

NIOS配置表：

附加單元和傳感器

NIOS納米機(jī)械測(cè)試器有很多額外的單元和傳感器。這擴(kuò)展了測(cè)量系統(tǒng)的功能，并為客戶的需求提供了zui大程度的設(shè)備適應(yīng)。

測(cè)量平臺(tái)的zui終配置取決于客戶的研究任務(wù)。

為了處理不尋常的研究任務(wù)，有可能創(chuàng)造新的單位，修改現(xiàn)有單位和傳感器，并安裝在其他制造商的NIOS單位。

側(cè)向力傳感器：在硬度測(cè)量和多循環(huán)磨損期間的側(cè)向力測(cè)量；摩擦學(xué)試驗(yàn)中摩擦系數(shù)的測(cè)量

原位掃描單元：金剛石壓頭表面形貌可視化的SPM模式

加熱臺(tái)：zui高溫度:400℃；zui大加熱速率:1℃/s；溫度穩(wěn)定:0.1℃；樣品zui大尺寸(WxLxH): 25x25x10mm

電氣性能測(cè)量模塊：機(jī)械試驗(yàn)期間的電流-電壓特性和電流擴(kuò)散測(cè)量

樣品臺(tái)：虎頭鉗，夾具，支撐，真空吸盤

旋轉(zhuǎn)臺(tái)：力學(xué)性能各向異性研究；樣品定位擴(kuò)展功能

硬度計(jì)壓頭:壓頭由摻雜和高品質(zhì)合成的單晶金剛石制成；Berkovich三棱錐；Knoop四面椎 ；Vickers四面錐；平面沖頭，直徑50um-2mm；具有給定半徑的球面頂端

參照樣品：參考樣品(RS)是由一種材料經(jīng)過特殊表面處理制成的。參考樣品用于校正NIOS裝置，并經(jīng)檢驗(yàn)符合既定標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)RS都有一個(gè)RS的護(hù)照，其中包含標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量特征、應(yīng)用說明和運(yùn)輸和儲(chǔ)存條件。

聚碳酸酯參照樣品:硬度:0.21±0.02 GPa；彈性模量(楊氏模量):3±0.3 GPa；粗糙度:<5 nm；尺寸:10x10x7 mm；表面處理:無

鋁參照樣品：硬度:0.5±0.1 GPa；彈性模量:70,0±7,0 GPa；粗糙度:< 5海里；尺寸:10 x10x8毫米；表面處理:拋光、電解蝕刻

熔融石英參照樣品：硬度:9.5±1.0 GPa；彈性模量:72.0±3.0 GPa；粗糙度:< 5海里；尺寸:7 x10x4毫米；表面處理:深磨-拋光

藍(lán)寶石參照樣品：硬度:24.5±2.5 GPa；彈性模量:415.0±35.0 GPa；粗糙度:< 5海里；尺寸:25×5毫米；表面處理:epi拋光

測(cè)量分析套件：

準(zhǔn)靜態(tài)儀器壓痕測(cè)試是NIOS器件的基本功能。該算法基于對(duì)壓痕載荷位移數(shù)據(jù)的測(cè)量和分析。這項(xiàng)技術(shù)是國際硬度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ISO 14577的基礎(chǔ)。載荷(P)與深度(h)的典型實(shí)驗(yàn)曲線包括加載和卸載部分。

1. 多相材料研究

多相材料性能研究涉及壓頭在表面特定區(qū)域的精確定位，相應(yīng)的單個(gè)部件。NIOS納米機(jī)械測(cè)試機(jī)結(jié)合了掃描探針顯微鏡和硬度計(jì)的功能。

該裝置可獲得多相樣品的三維表面形貌圖像，然后通過與所得到圖像的連接測(cè)量位置。

壓頭在測(cè)量時(shí)相對(duì)于表面的定位精度在XY平面上約為10nm。

示例：D16鋁合金。表面形貌:壓痕前(a)，壓痕后(b)，不同性質(zhì)相的載荷-位移曲線(c)。

2.力學(xué)性能層析圖

基本儀器壓痕測(cè)試(ISO 14577)包含一個(gè)加載-卸載循環(huán)，因此給出對(duì)應(yīng)于一個(gè)深度的硬度和彈性模量。NIOS測(cè)試器可以進(jìn)行部分卸荷壓痕(PUL):在表面上的給定位置，針尖穿透樣品，部分返回并再次穿透更深。這種多次重復(fù)的侵徹過程，使得隨深度變化的力學(xué)性能有可能得到剖面。

允許沿深度剖面力學(xué)性能(PUL或DMA)的測(cè)試可以與部分覆蓋樣本區(qū)域的網(wǎng)格一起布置，從而有機(jī)會(huì)沿三個(gè)軸(X、Y和Z)繪制力學(xué)性能。相應(yīng)的數(shù)據(jù)用于構(gòu)建彈性模量和硬度的斷層圖。層析圖的zui大表面積可達(dá)10 cm x 10 cm，zui大深度受樣品性質(zhì)限制，但不能大于200 um。

彈性模量斷層圖(a)、硬度斷層圖(b)。

2.力學(xué)性能層析圖

基本儀器壓痕測(cè)試(ISO 14577)包含一個(gè)加載-卸載循環(huán)，因此給出對(duì)應(yīng)于一個(gè)深度的硬度和彈性模量。NIOS測(cè)試器可以進(jìn)行部分卸荷壓痕(PUL):在表面上的給定位置，針尖穿透樣品，部分返回并再次穿透更深。這種多次重復(fù)的侵徹過程，使得隨深度變化的力學(xué)性能有可能得到剖面。

允許沿深度剖面力學(xué)性能(PUL或DMA)的測(cè)試可以與部分覆蓋樣本區(qū)域的網(wǎng)格一起布置，從而有機(jī)會(huì)沿三個(gè)軸(X、Y和Z)繪制力學(xué)性能。相應(yīng)的數(shù)據(jù)用于構(gòu)建彈性模量和硬度的斷層圖。層析圖的zui大表面積可達(dá)10 cm x 10 cm，zui大深度受樣品性質(zhì)限制，但不能大于200 um。

彈性模量斷層圖(a)、硬度斷層圖(b)。

4. 劃痕硬度測(cè)試

用劃痕法測(cè)定硬度意味著在樣品表面劃痕并測(cè)量其寬度。您可以使用不同的NIOS模塊來測(cè)量這個(gè)值:光學(xué)顯微鏡，AFM或掃描納米機(jī)械測(cè)試器，掃描表面在SPM模式下，并用相同的探針制造劃痕。

與儀器測(cè)得的壓痕劃痕測(cè)量相似，需要預(yù)先校準(zhǔn)頂端形狀的功能。這是通過測(cè)量刮痕的寬度b來實(shí)現(xiàn)的，在不同的(增加的)負(fù)載下在參考樣品的表面進(jìn)行。對(duì)于給定載荷P，硬度H與劃痕寬度b成反比，由下式可知。理想的金字塔尖需要單系數(shù)k進(jìn)行校準(zhǔn)。

盡管劃痕不能提供有關(guān)彈性模量的信息，但該方法有其自身的優(yōu)點(diǎn)。與儀器壓痕法相比，劃痕硬度的測(cè)定考慮了堆積效應(yīng)，而對(duì)于薄而粗糙的薄膜尤為重要的是，它對(duì)粗糙度的敏感性較低。

石英(實(shí)線)和鋁(虛線)殘留劃痕槽的截面剖面示例。箭頭表示在劃痕試驗(yàn)期間壓頭和材料之間的接觸面積的寬度。

5.相對(duì)硬度測(cè)試

6.用變載荷劃痕試驗(yàn)測(cè)量材料和薄膜的機(jī)械性能(硬度、附著力、厚度)

薄膜被廣泛用于各種對(duì)象的保護(hù)和耐磨涂層。在不受襯底影響的情況下，準(zhǔn)確地測(cè)量這些薄膜的力學(xué)性能是現(xiàn)代質(zhì)量控制系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要任務(wù)。NIOS納米機(jī)械測(cè)試機(jī)允許用不同的方法測(cè)量不同厚度的薄膜硬度。儀器壓痕法是測(cè)量薄膜物理和機(jī)械性能的常用方法。然而，有幾個(gè)因素導(dǎo)致了這種測(cè)量方法的誤差。關(guān)鍵的是表面粗糙度、殘余應(yīng)力和所謂的基材效應(yīng)(對(duì)于膜-基材系統(tǒng)，材料的響應(yīng)既取決于膜的性能，也取決于基材的性能)。在納米尺度上，劃痕測(cè)試法(劃痕和劃痕輪廓分析)比壓痕測(cè)試法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。直接用SPM方法觀察殘余劃痕，可以將壓痕方法中典型的主要彈性變形的影響降到zui低。可變載荷下的劃痕使得在一個(gè)測(cè)量過程中定義幾個(gè)薄膜參數(shù)成為可能:彈性相互作用區(qū)域、開始塑性變形的極限載荷(表面上有可見的痕跡)、薄膜的分離和分層。

在硅基板上的類金剛石薄膜表面上對(duì)負(fù)載進(jìn)行線性縮放的劃痕

7.用力譜測(cè)量彈性模量

NIOS納米力學(xué)測(cè)試儀能夠測(cè)量彈性模量的定量值。該方法涉及探頭傳感器隨載荷同時(shí)振動(dòng)。振蕩振幅小于10nm，頻率約為10khz。金剛石壓頭接觸表面時(shí)，頻率隨載荷的增加而增加。

根據(jù)赫茲模型的解析描述，頻率隨探頭位移的斜率(接近-收縮曲線)與材料的彈性模量成正比。

在測(cè)試之前，該裝置在具有已知彈性模量的基準(zhǔn)材料上進(jìn)行校準(zhǔn)。所得到的彈性模量值以縮進(jìn)曲線斜率與參考彈性模量的比例來評(píng)估。這種方法是無損的。

參與測(cè)試的材料層可以小到100nm。這使得在不受襯底影響的情況下測(cè)量薄膜彈性模量成為可能。通過對(duì)不同材料的比較測(cè)量，發(fā)現(xiàn)彈性模量在較大范圍內(nèi)具有較高的精度。

接近收縮曲線測(cè)量方案(a);Δf曲線的斜率特征材料的彈性模量(b)。

8.耐磨性測(cè)量

涂層的耐磨性測(cè)試在NIOS裝置中進(jìn)行。測(cè)試原理是在給定壓頭運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，保持恒定的正常載荷，并記錄壓頭的正常位移。由于材料磨損，壓頭內(nèi)部會(huì)加深。一段時(shí)間后壓頭會(huì)破壞涂層并到達(dá)基材，如圖所示的斜率變化所示。

在使用標(biāo)準(zhǔn)三角形針尖時(shí)，考慮到壓頭不對(duì)稱，壓頭按“正方形”路徑移動(dòng)。采用不同材質(zhì)的球形壓頭時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)壓頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

錐體di-amond壓頭的“方形”試驗(yàn)(a);球面藍(lán)寶石壓頭磨損測(cè)試結(jié)果(b)。疊加圖形軸標(biāo)簽:橫軸T表示時(shí)間，以秒為單位，縱軸Z表示平均穿透試樣表面。

9.同時(shí)繪制表面形貌和力學(xué)性能分布

半接觸表面掃描和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)測(cè)試是NIOS掃描納米機(jī)械測(cè)試機(jī)的兩種基本選擇。測(cè)量頭(使用在自振蕩電路中工作的壓電陶瓷探頭)不僅可以同時(shí)測(cè)量表面形貌，還可以表征其機(jī)械性能。

這樣的附加信息，可以記錄在任何表面掃描提供快速的機(jī)械表征。在XY平面上分辨率約為10nm，在z軸上分辨率約為1nm。

復(fù)合碳纖維。表面形貌(a);剛度映射(b)

10.動(dòng)態(tài)硬度測(cè)量

在NIOS設(shè)備中實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)硬度測(cè)量。該方法基于壓頭擺動(dòng)和直接運(yùn)動(dòng)的同時(shí)處理。與準(zhǔn)靜態(tài)納米壓痕法相比，該方法對(duì)表面粗糙度的影響較小。然而，它需要關(guān)于彈性模量的信息。用于此類測(cè)量的公式如下:

F和ΔF -力和共振頻率的轉(zhuǎn)變,都是在掃描測(cè)量,f0, k -探測(cè)共振頻率和動(dòng)態(tài)剛度。后兩個(gè)參數(shù)是在校準(zhǔn)過程中確定的，在以后的測(cè)量中被認(rèn)為是不變的。這個(gè)方程導(dǎo)致H/E2確定(H或E的值，如果另一個(gè)是已知的)作為深度或表面坐標(biāo)的函數(shù)。

硬玻璃纖維在軟基體中的硬度圖(a)和熔融石英硬度與深度(b)。在這兩種情況下，彈性模量取自其他來源。

11.表面輪廓與機(jī)械測(cè)試模塊

掃描式納米機(jī)械測(cè)試儀和寬量程壓頭模塊可以實(shí)現(xiàn)表面輪廓的測(cè)量。相應(yīng)的zui大測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)10mm和100mm。標(biāo)準(zhǔn)壓痕頂端(Berkovich金字塔)的zui大可測(cè)量斜率是10度，可選擇的頂端。水平分辨率取決于所使用的模塊的類型、掃描速度和水平方向上的限制為10nm，垂直方向上的限制為10nm。所有剖面都是在半接觸掃描模式下獲得的。

A套筒(A)和相應(yīng)的圓柱面輪廓(b)。

12.機(jī)械納米光刻

NIOS設(shè)備為精密機(jī)械微加工和納米蝕刻提供了樣品機(jī)會(huì)。金剛石刀尖可以切割幾乎所有已知材料。通過在10 pN分辨率的切割過程中控制負(fù)載，可以穩(wěn)定地得到100納米寬度和幾納米深度的劃痕。zui大劃痕深度可達(dá)數(shù)微米。

通過使用高精度壓電陶瓷納米孔和機(jī)械線性平移級(jí)，金剛石頂端定位精度在100 x 100 pm區(qū)域達(dá)到10 nm，在100 x 100 mm區(qū)域達(dá)到約1 pm。

表面微處理的結(jié)果可由同一金剛石頂端通過SPM模式掃描或通過數(shù)字光學(xué)顯微鏡來控制。

機(jī)械納米蝕刻模式可用于在表面創(chuàng)建規(guī)則結(jié)構(gòu)，去除氧化膜，在選定區(qū)域清潔涂層和調(diào)整微電子和微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)元件的幾何形狀。

從金剛石基板上去除的金色涂層(a);在熔融石英表面刻劃的銘文;概要文件(b)。

13.微機(jī)械剛度測(cè)量

NIOS設(shè)備能夠控制不同對(duì)象的剛度:切削工具、光束、MEMS和NEMS光束和膜。數(shù)值根據(jù)力-位移圖計(jì)算，即與儀器壓痕分析中使用的曲線相同。不同的加載模式是可能的，包括多加載-卸載模式，這允許得到平均剛度值以及確定破壞的循環(huán)次數(shù)。

NIOS系統(tǒng)允許通過原位SPM預(yù)掃描(掃描納米機(jī)械測(cè)試模塊)或借助光學(xué)顯微鏡來確定測(cè)量位置，該光學(xué)顯微鏡與寬量程壓頭模塊一起工作。

刀具剛度測(cè)量(a)、膜特性測(cè)量方案(b)、加卸載曲線(c): 1 -膜彎曲(剛度測(cè)量);2 -與基板接觸。

14.表面電性能測(cè)量

摻雜硼的金剛石頂端可以進(jìn)行電學(xué)性能分析:測(cè)量樣品的電阻率，表面掃描或壓痕期間的電流擴(kuò)展。用給定的負(fù)載或穿透深度測(cè)量伏安特性也是可能的。利用端部與試樣之間的恒壓偏壓測(cè)量電流擴(kuò)展圖。通過測(cè)量不同表面位置的電流擴(kuò)散，可以確定具有不同導(dǎo)電性的位置，并將其與表面結(jié)構(gòu)和夾雜物進(jìn)行比較。

通過測(cè)量壓痕過程中電流的擴(kuò)散，可以研究材料沿深度的非均勻性，控制涂層厚度，研究半導(dǎo)體在壓力下的相變。同時(shí)處理力和電流與深度的相關(guān)性，可以計(jì)算特定的電阻率。在與材料接觸時(shí)，用0.1 mN到100 mN的力進(jìn)行伏安特性的測(cè)量。電壓范圍為±10V，電流范圍為±30mol / l，電流測(cè)量分辨率優(yōu)于10pa。

AlCuCo合金的表面組織。電導(dǎo)率圖(a)。不同顏色的區(qū)域?qū)?yīng)著合金的不同晶體結(jié)構(gòu)。電子顯微鏡圖像(b)。

15.裂縫阻力測(cè)量

常用應(yīng)力臨界系數(shù)強(qiáng)度Kc -斷裂韌性來衡量材料的抗脆斷裂能力。斷裂韌性是表征涂層耐磨性的重要參數(shù)之一。常用的脆性研究方法是將壓頭推入材料中進(jìn)行破壞，得到不同尺寸的裂縫。

材料機(jī)架阻力可以通過刮擦來定義。在這種情況下，Kc值與臨界劃痕寬度相連。達(dá)到此寬度后，彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈宰冃?。利用?yīng)用載荷值和裂縫長(zhǎng)度計(jì)算Kc的方法有30多種。確定薄涂層Kc的方法正在進(jìn)行深入的研究。當(dāng)壓痕深度較小時(shí)，壓痕沿壓痕的肋部產(chǎn)生徑向或半便士的裂紋，隨著載荷的增加，涂層從基材上脫落。管道裂紋導(dǎo)致基體的破壞和螺旋裂紋的涂層脫離基體。

NIOS器件有幾種基于劃痕和儀器壓痕的薄涂層抗裂測(cè)量方法。

16.在納米尺度上支持線性尺寸測(cè)量

SPMs的計(jì)量特性和納米尺度線性尺寸測(cè)量的計(jì)量支持對(duì)于技術(shù)和認(rèn)證任務(wù)的設(shè)備以及納米產(chǎn)品的控制都是重要的。NIOS的干涉儀模塊設(shè)計(jì)為一個(gè)小巧的插件式實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x器。輻射源為單頻穩(wěn)定的He-Ne激光器(功率1 mW，波長(zhǎng)632,991084 nm，在8小時(shí)工作時(shí)，光頻率的相對(duì)不穩(wěn)定性不超過3x10-9)。

在PTB(德國)采用SPM校準(zhǔn)的線性測(cè)量TGZ1、TGZ2、TGZ3進(jìn)行計(jì)量特性檢驗(yàn)。所有三個(gè)測(cè)量結(jié)果都包含在由PTB設(shè)備估計(jì)的95%置信區(qū)間內(nèi)。所獲得的結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的器件是納米尺度上的線性尺寸測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，允許通過掃描探針顯微鏡方法支持納米結(jié)構(gòu)的線性尺寸測(cè)量的可追溯性。

17.微觀物體的機(jī)械測(cè)試

壓頭和樣品的高精度相互定位以及使用不同幾何形狀的壓頭可以實(shí)現(xiàn)NIOS設(shè)備中對(duì)微物體的機(jī)械性能測(cè)試。特別地，有一種測(cè)定用LBL技術(shù)生產(chǎn)的聚電解質(zhì)微膠囊的機(jī)械耐久性的方法，該方法基于在帶電基片上連續(xù)吸附多陽離子和多陰離子。

物體的特征直徑可以從幾微米到數(shù)百微米。物體的精確幾何形狀是用光學(xué)顯微鏡確定的。尖咀采用鉆石平郵票，直徑定好。膠囊破壞發(fā)生后的載荷由已登記的載荷-位移曲線確定。機(jī)械耐久性由載荷與膠囊直徑的比率來定義。

這種方法廣泛應(yīng)用于生物物體，色粉中使用的染料塊和顆粒磨料測(cè)試過程中。

用顯微鏡定位物體(a)，金剛石平壓孔機(jī)的顯微照片(b)，膠囊壓縮時(shí)記錄的載荷與位移(c)。

18.力學(xué)性能分析

由于在特定的直線或區(qū)域進(jìn)行一系列測(cè)量的自動(dòng)化，NIOS裝置實(shí)現(xiàn)了機(jī)械性能的映射和剖面分析方法。

該方法對(duì)于研究具有非均勻力學(xué)性能的物體具有重要意義。例如，一個(gè)高爾夫球由一個(gè)球芯和幾個(gè)層組成，這些層具有不同的屬性，厚度從微米到毫米不等。測(cè)量可以在露天和液體中進(jìn)行。

NIOS軟件允許自動(dòng)測(cè)量，剖面和測(cè)繪硬度和彈性模量分布在幾十微米到100毫米的區(qū)域，特定的步驟之間的點(diǎn)。

高爾夫球中不同層的屬性

19.維氏顯微硬度測(cè)量

根據(jù)ISO 6507標(biāo)準(zhǔn)，NIOS納米機(jī)械測(cè)試提供了對(duì)殘余縮進(jìn)圖像的顯微硬度測(cè)量。常用的顯微硬度計(jì)采用這種方法。

四邊維氏錐體用作壓頭(對(duì)邊之間的角度為136度)。測(cè)量采用光學(xué)微圖像。

d—四邊形壓印的中等長(zhǎng)度(mm)， P—zui大載荷(kgf)。

維氏硬度是一種常用的硬度測(cè)量方法。這種方法與其他納米硬度測(cè)量方法的結(jié)合允許比較和定義不同尺度的硬度。

壓印以標(biāo)準(zhǔn)硬度測(cè)量。負(fù)載是200 g。硬度為270 HV 0.2。

20.機(jī)械性能隨溫度變化的測(cè)量

帶加熱控制的加熱臺(tái)用于高溫下材料力學(xué)性能的測(cè)量。加熱階段允許將樣品加熱到400℃，并進(jìn)行NIOS中實(shí)現(xiàn)的所有類型的機(jī)械測(cè)試。保持給定溫度的精確度為1℃。
測(cè)試結(jié)果包括在特定溫度下的硬度、彈性模量、蠕變恢復(fù)、抗裂性、耐磨性和其他特性。

NIOS中用于溫度測(cè)試的典型樣品尺寸為25x25x10毫米。

21.動(dòng)態(tài)測(cè)量分析

NIOS通過動(dòng)態(tài)力學(xué)分析支持力學(xué)性能的測(cè)量。

該方法將振蕩力施加在線性增加的載荷上，并施加在表面上，同時(shí)測(cè)量相應(yīng)的同相分量和相位偏差90度分量。

得到的數(shù)據(jù)用于計(jì)算信號(hào)的實(shí)部和虛部，進(jìn)而用于計(jì)算存儲(chǔ)和損耗彈性模量E '和E '。也計(jì)算了硬度值。

所支持的頻率范圍可達(dá)50hz，無分析振蕩可執(zhí)行至250hz。

熔融石英(a)彈性模量E'和損失模量E"的測(cè)量瀝青(b)

20.機(jī)械性能隨溫度變化的測(cè)量

帶加熱控制的加熱臺(tái)用于高溫下材料力學(xué)性能的測(cè)量。加熱階段允許將樣品加熱到400℃，并進(jìn)行NIOS中實(shí)現(xiàn)的所有類型的機(jī)械測(cè)試。保持給定溫度的精確度為1℃。
測(cè)試結(jié)果包括在特定度下的硬度、彈性模量、蠕變恢復(fù)、抗裂性、耐磨性和其他特性。

NIOS中用于溫度測(cè)試的典型樣品尺寸為25x25x10毫米。