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《智能机电产品的研究与开发》

项目调研报告

题目：摆动式纳米划痕仪系统设计

院（系）：

机电工程学院

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：学生：

刘清扬

学号：

2022030512

指导教师：

王洪喜

2023年12月

目录

TOC\o1-3\h\u325461绪论 3

78791.1前言 3

9571.2纳米划痕仪研究现状 4

238391.2.1国外研究现状 4

318391.2.2国内研究现状 5

40601.2.3纳米划痕测试技术研究现状 6

264582纳米划痕仪系统 7

148282.1系统构成 7

190142.2系统工作原理 8

19152.3系统基本功能 9

127373纳米划痕仪在实验中的应用 10

182233.1硬度及弹性模量测试 10

236403.2纳米结构材料研究 11

97143.3定量耐磨性能评估 12

208844结语 13

2636参考文献 15

28282致谢 17

1绪论

1.1前言

近十几年来，随着小尺度下材料学研究的不断深入及现代微电子材料科学的发展，试样规格越来越小型化，传统的划痕测量方法逐渐暴露出它的局限性。新兴纳米划痕技术的产生很好解决了传统测量的缺陷。纳米划痕是测试微小尺度下力学性能的另外一种常用的方法，它是在小曲率的硬质划针上施加一定的法向力，并使探针沿样品表面刻划，通过表面的划痕可以测试薄膜和基底的临界附着力、硬度、摩擦力、摩擦系数、表面抗划伤性等。纳米划痕仪的出现，为小尺度下材料学的研究提供了很大的便利。

传统的纳米划痕仪是使用单一探针进行力学性能测试的设备。它通过将探针与材料表面接触，并施加微小的力量进行划痕，然后测量划痕的深度和形状来计算材料的硬度和耐磨性。制作摆动式纳米划痕仪的目的是为了满足对材料硬度和力学性能的更深入和全面的测试需求，摆动式纳米划痕仪则采用了一种不同的测试方法。它使用一个摆动的探针，在探针上施加一个周期性的力，并同时测量探针的振幅和相位变化。根据振幅和相位的变化，可以推导出材料的力学性能，如硬度、弹性模量等。摆动式纳米划痕仪相对于传统纳米划痕仪具有一些优势。它可以在一次实验中获得更多的信息，例如材料的粘性、弹性、塑性等特性。此外，由于摆动式纳米划痕仪仅需要施加很小的力量，所以对材料的表面要求也相对较低。总而言之，摆动式纳米划痕仪和传统纳米划痕仪在测量原理和测试方法上将存在一些差异，但它们都是用来评估材料硬度和耐磨性能的重要工具。选择使用哪种仪器取决于具体的应用需求和研究目的。

本次项目调研报告将通过对市面上现有的纳米划痕仪信息的归纳和整理，作为下一步研发摆动式纳米划痕仪的资料。我们将集中现有纳米划痕测试仪的优点，优化其不足，制作出更加精确、更加便捷的摆动式纳米划痕仪用于纳米级别的科学研究

图SEQ图\*ARABIC1.1常见的纳米划痕仪

1.2纳米划痕仪研究现状

1.2.1国外研究现状

国外研究者利用摆动式纳米划痕仪结合表面分析技术，研究了材料表面的微观结构和性能变化。例如，通过测量划痕产生的应力和形貌，可以了解材料表面的变形机制和损伤行为。

摆动式纳米划痕仪在生物材料领域的应用也备受关注。研究者通过对生物组织和生物材料进行划痕测试，评估其机械性能和生物相容性，为生物医学工程和组织工程提供了理论基础。

同时，在新型材料开发方面，国外研究者利用摆动式纳米划痕仪评估了各种新型材料的力学性能和表面硬度，如二维材料、纳米复合材料等。研究结果为新材料的设计和应用提供了重要参考。

近年来，随着纳米材料和薄膜材料的快速发展，摆动式纳米划痕仪在国外实验中也得到了进一步的改进和应用。例如，引入了奈秒级别的力载荷频率来研究材料的动态力学响应；使用更精细的探头和高分辨率的测量系统，可以实现更准确的力学性能测试。

此外，还有一些研究致力于将摆动式纳米划痕仪与其他表征技术相结合，如原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）和扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscopy，SEM），以实现对材料表面形貌和力学性能的同时测量。

图1.2纳米划痕作用下针尖与样品接触示意图

1.2.2国内研究现状

国内研究者通过摆动式纳米划痕仪评估了各类材料的划痕性能，如金属、纳米材料、高分子材料等。研究结果有助于了解材料的力学性能和表面硬度等指标。摆动式纳米划痕仪在涂层评估方面应用广泛。研究者通过该仪器对不同涂层进行划痕测试，评估其耐磨性、附着性和机械性能，为涂层技术的开发和改进提供了依据。摆动式纳米划痕仪在研究材料界面行