奈米壓痕法測試材料性能

儀器化壓痕測試法，也叫奈米壓痕法, 是一種測量硬度的方法。是材料測試的重要組成部分，它用於確定材料的塑性和彈性性能，如壓痕彈性模量 E_IT、壓痕硬度 H_IT 及壓痕蠕變 C_IT.

與只能確定單一特徵值的傳統的硬度測量方法(如維氏硬度或馬氏硬度)不同，奈米壓痕法可以非常精確地測量與壓痕深度相關的多個材料特徵參數。奈米壓痕技術的主要應用領域是塗料、電鍍層、硬質材料或塗層以及聚合物。

壓痕硬度H_IT是材料抵抗永久(=塑性)變形的測量值。它通常是在預設的最大載荷下測定的。壓痕硬度可以轉換為維氏硬度，但必須清楚地標明轉換值。

 

與壓痕硬度相比，馬氏硬度HM提供了有關材料塑性和彈性性能方面的資訊。馬氏硬度是由整個載入過程中的連續壓痕深度計算得出的。

 

壓痕模量E_IT是一個描述材料彈性的值，並且是彈性材料的所有應用中最重要的參數;它是由壓痕測試中的卸載過程計算得出的。 

 

蠕變行為C_IT描述了材料在恒載荷作用下的進一步持續變形。為了測定這個值，壓頭需要壓入樣品並以恒定的載荷保持較長一段時間(幾分鐘到幾小時)。聚合物等容易蠕變的材料不斷地在該載荷下屈服，所以壓痕深度持續增大。

 

儲能模量和損耗模量(E '和E ')描述了材料在振盪載荷作用下的行為。儲能模量代表了材料的彈性變形部分；它與材料中儲存的變形能的比例成正比，且變形能在卸荷後從材料中回收。損耗模量則代表材料的黏性部分；它對應的是在形變過程中轉化為熱量而失去的那部分能量。

 

為了能夠測定更多的參數，Fischer的奈米壓痕儀置提供了不同的測量模式。

 

在ESP方法中，壓頭反復地逐漸載入和卸載。在這個過程當中載荷不斷地增加，直到達到預設的最大載荷為止。這樣就可以在樣品的同一位置處快速測得壓痕模量(E_IT)、壓痕硬度(H_IT)和維氏硬度(HV)等參數隨載荷和壓痕深度變化的關係。

這種方法在測試薄塗層時特別有用。這種與深度相關的測量可以在極低載荷下測得塗層的性能參數而不受基底的影響。隨著載荷的增加，還可以分析塗層向基材的過渡部分。

動態模式是基於動態力學分析(DMA)。DMA用於測試固體材料，而Fischer的動態模式允許在更小的尺度上表徵材料性能，如汽車塗料。為此，壓頭透過正弦載入和卸載的載荷壓入樣品表面-所有的振幅只有幾個奈米，這可以測定彈性模量、儲能模量和損耗模量等性能。

與所有方法一樣，測量會受到一些因素的影響。對於奈米壓痕，除了壓頭磨損和溫度外，最重要的影響因素是振動和粗糙度。 

 

Fischer只使用天然金剛石製成的壓頭，因為它們非常耐磨。然而，在多次測量之後壓頭確實會受到磨損。壓頭尖端變得鈍化，影響了其最初規定的形狀。在一定程度上，可以透過測量標準材料來補償這種影響，例如硼矽玻璃。一旦壓頭嚴重磨損，壓頭必須更換。

 

在測量硬度和彈性性能過程中，溫度起著重要的作用。許多材料，特別是軟的聚合物，即使在相對較小的溫度波動下其力學性能也會發生變化。這就是為什麼在測量時必須確定環境溫度。

此外，測量技術本身也會對溫度敏感，尤其是在幾個小時的測量過程中，儀器內部會產生熱量。當不同部件受熱膨脹時，會使測量結果偏差。 

HM2000和PICODENTOR HM500儀器中的天然大理石構造使它們在結構和溫度方面都非常穩定，這可以讓它們持續長達數小時的測試而不受溫度的影響。 
 

震動是影響測量結果的最常見原因之一。在低載荷測試中，即使是通風系統產生的空氣流動，或者由於腳步引起的地板震動，也會影響測量結果。對於高精度的測量，Fischer建議選擇一個震動較小的位置(例如地下室)，並使用帶主動減震系統的封閉測量艙。

 

由於表面粗糙，壓頭不能與樣品表面均勻接觸。這就是為什麼測量結果往往難以重現。如果有可能，應在測量前儘量拋光粗糙表面，如無法進一步改善粗糙狀況，則應進行多次對比測量。