Nano Indenter G200 纳米压痕原位纳米力学测试系统

第五代原位纳米力学测试系统 

Nano Indenter G200 

在微/纳尺度范围内的加载和位移构成精确的力学测试 

– 半导体器件, 薄膜 

– 硬质涂层, DLC薄膜

– 复合材料, 光纤, 聚合物材料 

– 金属材料, 陶瓷材料 

– 无铅焊料 

– 生物材料, 生物及仿生组织等等 

广受赞誉的高速测试选项可以和所有G200 型纳米压痕仪配合 使用, 包括DCMII 和 XP模块以及样品台 ；

快速进行面积函数和框架刚度校对 ；

精确和可重复的结果, 完全符合 ISO14577 标准；

通过电磁驱动, 可在无与伦比的 范围内连续调整加载力和位移 ；

结构优化, 适合传统测试或全新应用；模块化选项, 适合划痕测试, 高温测试 和动态测试 ；

强大的软件功能, 包括对试验进行实时控制, 简化了的特殊测试方法的开发；

增强的载荷加载系统 

新一代 Nano Indenter G200 系列纳米压痕仪是具有从纳牛到牛顿zei为完整的加载力范围，并且不同的加载装置可自动软件切换，整个测试流程都是全 自动的，极大的提高了测试数据的可靠性和可重复性，避免了可能的人为因素的影响，确保每个测试都是合理、一致、精确。 

标准的加载装置 Nano Indenter G200 纳米压痕仪标准配置是 XP 加载系统 (zei大为500mN)， 位移分辨率< 0.01纳米，zei大压入深度> 500 微米,该装置可应用到所有的测试功能；

高精度加载装置 DCM II 是高分辨的纳米纳牛力加载模块，它既可以单独工作，也可以作为一 个附件与Nano Indenter G200 协同工作。由于其惯性质量很低，使得纳米压痕中的初始表面的选取更加灵敏、精确， DCM II 在超低载荷下的纳米压痕测试具有极高的精确度和可重复性，由于它自身的空载共振频率远高于一般建 筑物的振动频率，这就使得一般的环境振动对它几乎没有影响，DCM II 具有很宽的动态频率范围 (0.1 Hz 到 300 Hz)，所有这些特点使得 DCM II 可以提供 同类设备不可比拟的高信噪比和高可靠性的试验数据； 

大载荷加载装置 Nano Indenter G200的大载荷加载选件，大大强化了 G200 系列纳米压痕仪 的应用范围。这个选件可以用于标准的 XP 加载模块，将 G200 型纳米压痕仪 的加载能力扩展至 10N，可对陶瓷、金属块材和复合材料进行力学表征。 大载荷选件的巧妙设计，使得 G200 既避免了在低载荷的情况下牺牲仪器的 载荷和位移精度，同时又保证了用户在需要大加载力的测试时，通过鼠标操 作就可以在测试实验中进行无缝加载装置切换。

增强的纳米划痕测试 

       zei新的第五代 G200 型纳米压痕仪测试系统，可以轻松地解决过去人们一直 认为划痕测试无法给出定量的、可靠的并且可重复的测试结果这一难题，而 且可以定量地研究过去无法获得的表面划痕的特性行为。利用垂直于划痕方 向的断面扫描可以获得划痕深度、划痕宽度以及凸起高度。利用该测试方 法，还可以研究划痕损伤后的粘弹性恢复以及时效。

主要划痕特征包括: 

– 划痕头的几何形状完全一致 

– 测量过程全自动 

– 能在多个试样设置多次划痕测试 

– 可在不平整的表面进行划痕测试 

– 定量测试表面形貌和粗糙度 

– 定量测量划痕测试中的弹性形变和塑形形变百分比 

粘弹性材料性能测量功能－DMA 功能 

基于G200传感器的敏感度和动态特性，可对粘弹性材料进行宽频谱测试。 小质量的压杆和压头/驱动传感器以及低阻尼，保证G200可在较大频率范围 内进行测试 (zei高至 300 Hz)。很高的空间分辨率有可能将不同位置的力学 性能形成 Mapping。KT的Nano Indenter G200系列通过专门开发的传感器 技术和动态测试模块，将纳米力学测试能力扩展到聚合物材料和生物材料。 

增强的恒应变速率测试功能 

由于大部分材料的强度都是应变速率的函数，因此在力学测试过程中应变速 率的控制极为重要。作为流变强度的反映，硬度也不例外。 

压痕测试的应变速率定义为压痕深度的瞬态变化率除以压痕深度 ((dh/dt)/h)，恒载荷速率 (dP/dt=k) 或恒位移速率 (dh/dt=k) 都不能保持恒定 的应变速率。恰恰相反，上述两种加载方法的应变速率随着压痕深度的增加 逐渐变小，因此这两种加载技术都会给出近表面处较高的硬度 (假设材料是 均匀)，这是由于实验方法所导致的。 

KT的Nano Indenter G200系列zei新的第五代 产品可以在一个压入过程中自 动改变多个不同的应变速率，从而获得不同应变速率下的硬度，轻松获得材 料的应变速率敏感因子 (m)，该功能已被成功应用到纳米材料，大块非晶玻 璃等新材料的研中。KT的Nano Indenter G200系列zei新的第五代 产品利用恒应变速率加载过程 中的硬度测量彻底排除了这种人为因素很好的保证了所测数据的可靠性和可对比性。 

独有的连续刚度测量功能

传统的准静态纳米压痕测试 (单一刚度法) 是利用卸载曲线获得接触刚度，每个压痕循环只能获得zei大压痕深度处的一个硬度和模量。KT的Nano Indenter G200系列zei新的第五代 产品 独有的连续刚度测量功能则可以直 接获得压入过程中采集的每组载荷和位移数据对应压入深度的接触刚度、进 而计算出硬度与弹性模量等力学性能作为压入深度的连续函数。连续刚度测 量技术对各种薄膜材料，表面改性材料、复合材料及多相材料的研究至关重 要。连续刚度测量给出硬质涂层的纳米压痕结果，硬度和弹性模量随压入深 度均出现一个zei高的平台，该平台处的数值代表硬质薄膜的硬度和弹性模 量。随着压痕深度的增加，硬度和弹性模量均出现下降，这是基底效应的表 现，值得指出的是两个力学参量的zei高平台的宽度存在很大差别，这表明弹 性模量的基底效应与硬度的基底效应相比总是出现在更浅的压痕深度处，因 此传统的涂层材料的维氏硬度测量方法采用的 10% 膜厚的经验，根本不适用 于弹性模量的测量。解决这个问题，还得依靠连续度测量技术。 

增强的原位纳米力学测试功能 

Survey Scanning 图像功能 

超高精度成像定位功能 

纳米力学显微镜提供了真正意义上的原位纳米力学测试功能，同一个金刚石 头既可以做纳米压痕测试，又可以实现原位的三维定量扫描成像，由于在 X 和 Y 方向均采用了位移传感器和反馈系统，因此利用它可以轻松实现超高分 辨率定位的纳米压痕测试。 

独有的接触刚度成像功能 

动态成像，也称为刚度成像，对于纳米压痕仪来说是一个相对较新的技术， 可对表面的多相材料、复合材料以及和断裂韧性进行分析，这是传统的形貌 图所不能给出的。 

在刚度测量过程中，对接触区域刚度微小变化的敏感性，使得这一技术能对 表面特征进行完全表征。根据测得的刚度数据，以及假设对 Hertz 弹性接触 理论的适用性，这些刚度图也可以被转换成力学特性图，比如弹性模量。本 文仔细检验了与 Hertz 弹性接触理论相关的假设，以及通过接触扫描得到的 刚度图如何能被转换成弹性模量图。理论证明将刚度图转为力学特性图是可 能的，这其中涉及到众多假设，且对于绝大多数热点样品都是无效的。本文 通过碳纤维和熔融石英作为样品，来详细描述通过动态成像来检测表面特征 的意义，这是传统的纳米压痕扫描技术所无法得到的。

独有的革命性的超快压痕技术 

KT的Nano Indenter G200系列zei新的第五代产品独具的专利技术－ Express Test 超快速压痕技术，为客户提供了一种全新且高效的测试方法， 对一定范围内的材料进行高精度的纳米力学测试。该革命性的专利技术再配 合KT的Nano Indenter G200系列zei新的产品，可以在 100 秒内对100 个不 同位置进行 100 次压痕测试。 

超快压痕测试自动生成柱状图和力学特性图 (硬度图和杨氏模量图)，而且曲 线图和相关数据可方便的输出到 Excel。这些方法对金属材料、玻璃材料、 陶瓷材料、结构化聚合物、薄膜材料和 low-k 材料的应用有很大的意义

KT的Nano Indenter G200系列zei新的第五代产品 使用电磁驱动，实现无与 伦比的载荷和位移的运动范围。G200 是世界上zei精确、灵活和使用友好的 纳米力学测试设备，KT创新的超快压痕技术选件进一步巩固了其地位。 

超快压痕技术允许纳米压痕仪G200在载荷控制或位移控制的模式下工作。测 试简便，仅需要 "point" 和 "shoot"。面积函数的校正工作可以在几分钟内完 成。强大的统计功能，可以快速评估杨氏模量和硬度，而且在记录的同时， 就可以生成定量的力学特性分布图。超快压痕技术无与伦比的速度使得热漂 的影响完全可以忽略不计

其它应用测试 

Si 材料在三个不同温度下的载荷位移曲线

人造组织的储存模量和损失模量的测量

       天然的生物组织容易腐败且价格昂贵，特别对于人类组织。因此，研究人员 努力研发新的技术，来对价廉的无机替代材料进行成像、测试、切割等。 Wiscons 大学的研究人员已经开发出此类材料，称为 "phantoms"，用来评估 和提高磁共振以及超声成像系统。作为替代材料，这些材料必须在力学性能 以及稳定性上与天然生物组织具有可比性。本文基于KT纳米压痕仪 G200 的 动态压痕技术，开发出测量此类材料储存模量和损失模量的方法。 

高温附件 

激光加热纳米压痕测试的特点 

1. 很宽的变温范围， zei高温度可达 500℃（or Higher for options）

2. 压头和样品同步加热，实现二者 同样温度下的纳米压痕测试，得到 真正可信的高温纳米力学性能 

3. 压头和样品保持同样温度，热稳 定性极好，保证了高温下的连续刚 度纳米压痕测试 

4. 超快速加热和冷却，zei大变温速 率25℃ /s 

5. 激光加热的很大优势就是局部区 域加热，减少了多余的热量对仪器 其它部位的影响 

6.NanoSuite 界面下的全部软件控制 集成 

7. 流动的惰性气体保护，防止高温 测试过程中的样品和压头氧化 

8. 激光加热面积连续可调。zei大可 达ф15mm，通过减小加热面积可以 实现更高的加热温度 

上面两个图给出了冷压头（室温）与高温压头（与样品保持同样温度300℃）纳米压 痕载荷 — 位移曲线对比。冷压头的zei大载荷保载时的位移不升反而出现降低，这与 材料高温保载蠕变导致位移逐渐增大的预期不同；右图给出的压头与样品保持同样高 温下的zei大载荷保载测试，明显看出位移逐渐增大，这就是我们所说的蠕变效应。

高温纳米压痕的压头选择很有挑战。选 用不同材质的压头进行纳米压痕测试， 样品保持在 250℃高温，选用金刚石或蓝 宝石压头（压头没有加热），明显看出 金刚石压头逼近样品的过程中温度逐渐 升高到大约 60℃，压入过程中压头温度 迅速升高到 90 多度，当金刚石压头脱离 样品后压头的温度又会快速降低到大约 50℃。若是选用蓝宝石压头，压头的温 度变化就会比金刚石压头的温度变化小 很多。这主要是由于金刚石的导热性大 大优于蓝宝石材料。 

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