1.前言

       隨著科技高速發展，多種新興行業的不斷壯大，研究人員對于新材料以及零部件的測試提出了越來越高的要求，如下圖所示，分別針對涂層行業，半導體行業，復合材料以及汽車零部件行業的材料力學性能研究提出了難以通過傳統測試方法解決的要求：

       如何全面評價耐磨件表面涂層的力學性能，如硬度、耐磨性、基體結合性等；

       如何對芯片中的微小焊點等構件進行強度評價；

       如何實現復合材料中增強纖維與基體結合性能的表征；

       如何在不破壞零部件的前提下實現其拉伸性能的研究。

 

       2.儀器化壓痕測試方法

       針對上述難題，我們推薦儀器化壓痕測試方法進行研究，儀器化壓痕測試與傳統硬度測試方法存在顯著的區別，前者根據直接測量的壓入深度間接計算壓痕面積，結合加載力值得到硬度值——壓痕硬度或者馬騰氏硬度，而后者分為布氏硬度、洛氏硬度與維氏硬度等方法，測試結果均由直接測量的壓痕面積或者壓入深度進行直接計算得到相應的硬度值。

 

       通過對比，我們不難發現，儀器化壓痕測試方法記錄了壓頭壓入與卸載的全部過程，得到加卸載曲線。然后通過對該曲線的分析可以得到材料的硬度、模量，甚至屈服強度與抗拉強度等力學性能參數。

 

       另外，與傳統硬度測試相比，儀器化壓痕測試具備以下顯著優勢：

       可獲得壓痕模量等力學參數，便于進行質量控制與殘余應力測試；

       無需測量殘余壓痕尺寸，可實現全自動測試，輕松實現硬度/模量的平面掃描。

       3.儀器化壓痕測試案例

       在前言部分我們提出目前面臨的四個測試難題，本期首先針對第三個問題進行舉例說明：

       測試設備：ZwickRoell-納米壓痕儀ZHN2.0

       材料：SiC纖維增強SiC基復合材料（SiC纖維表面沉積熱解碳PyC）

       樣品制備：利用低速金剛石鋸切割9 mm X 2 mm X 0.5 mm樣品，厚度500微米，然后研磨減薄(Precision Lapping and Polishing System PM5, Logitech Ltd.), 加工得到平行表面，且保證纖維軸向垂直于樣品表面，最終得到厚度為100微米樣品，樣品表面需要拋光處理（硅溶膠32nm），最后，將樣品固定于帶有凹槽的玻璃基體上。

       壓頭：平沖壓頭（頂端5微米X5微米）

       利用平沖壓頭對纖維一端加載，通過掃描電鏡觀察發現隨著加載力的增加，壓痕尖端開始擴展至基體部分。最后，纖維由另一面頂出。

 

       對比兩種壓頭所得壓入力-位移曲線可知，平沖壓頭所測的纖維-基體開脫臨界力降低，初步推測該現象由玻氏壓頭在壓入過程中觸及邊緣基體所致，而采用平沖壓頭時，當纖維完全脫開基體后，壓入力基本保持不變。此外，采用平沖壓頭進行加卸載測試，進而得到纖維與基體兩者之間發生摩擦所損耗的能量。

 

       加載曲線所包含面積由耗散功和非耗散功組成：其中耗散功包括摩擦功、塑形變形功與界面脫開功，而非耗散功主要為彈性變形功。由此可計算出界面脫開所需能量，進而得到纖維-基體的界面破裂韌性。

 

       4.ZwickRoell儀器化壓痕解決方案

       ZwickRoell所生產兩款儀器化壓痕測試設備，根據力值范圍不同分為納米壓痕儀和宏觀儀器化壓痕儀，前者主要針對涂層與薄膜進行表面力學性能測試，包括硬度、模量、摩擦磨損、劃痕測試等，后者主要針對較大零部件進行測試，如前言中第四個難題的微損測量，利用循環壓痕測試分析計算材料的單軸拉伸性能，這將會在下期內容中進行詳細闡述，歡迎各位關注。