1.前言

       随着科技高速发展，多种新兴行业的不断壮大，研究人员对于新材料以及零部件的测试提出了越来越高的要求，如下图所示，分别针对涂层行业，半导体行业，复合材料以及汽车零部件行业的材料力学性能研究提出了难以通过传统测试方法解决的要求：

       如何全面评价耐磨件表面涂层的力学性能，如硬度、耐磨性、基体结合性等；

       如何对芯片中的微小焊点等构件进行强度评价；

       如何实现复合材料中增强纤维与基体结合性能的表征；

       如何在不破坏零部件的前提下实现其拉伸性能的研究。

 

       2.仪器化压痕测试方法

       针对上述难题，我们推荐仪器化压痕测试方法进行研究，仪器化压痕测试与传统硬度测试方法存在显著的区别，前者根据直接测量的压入深度间接计算压痕面积，结合加载力值得到硬度值——压痕硬度或者马腾氏硬度，而后者分为布氏硬度、洛氏硬度与维氏硬度等方法，测试结果均由直接测量的压痕面积或者压入深度进行直接计算得到相应的硬度值。

 

       通过对比，我们不难发现，仪器化压痕测试方法记录了压头压入与卸载的全部过程，得到加卸载曲线。然后通过对该曲线的分析可以得到材料的硬度、模量，甚至屈服强度与抗拉强度等力学性能参数。

 

       另外，与传统硬度测试相比，仪器化压痕测试具备以下显著优势：

       可获得压痕模量等力学参数，便于进行质量控制与残余应力测试；

       无需测量残余压痕尺寸，可实现全自动测试，轻松实现硬度/模量的平面扫描。

       3.仪器化压痕测试案例

       在前言部分我们提出目前面临的四个测试难题，本期首先针对第三个问题进行举例说明：

       测试设备：ZwickRoell-纳米压痕仪ZHN2.0

       材料：SiC纤维增强SiC基复合材料（SiC纤维表面沉积热解碳PyC）

       样品制备：利用低速金刚石锯切割9 mm X 2 mm X 0.5 mm样品，厚度500微米，然后研磨减薄(Precision Lapping and Polishing System PM5, Logitech Ltd.), 加工得到平行表面，且保证纤维轴向垂直于样品表面，最终得到厚度为100微米样品，样品表面需要抛光处理（硅溶胶32nm），最后，将样品固定于带有凹槽的玻璃基体上。

       压头：平冲压头（顶端5微米X5微米）

       利用平冲压头对纤维一端加载，通过扫描电镜观察发现随着加载力的增加，压痕尖端开始扩展至基体部分。最后，纤维由另一面顶出。

 

       对比两种压头所得压入力-位移曲线可知，平冲压头所测的纤维-基体开脱临界力降低，初步推测该现象由玻氏压头在压入过程中触及边缘基体所致，而采用平冲压头时，当纤维完全脱开基体后，压入力基本保持不变。此外，采用平冲压头进行加卸载测试，进而得到纤维与基体两者之间发生摩擦所损耗的能量。

 

       加载曲线所包含面积由耗散功和非耗散功组成：其中耗散功包括摩擦功、塑形变形功与界面脱开功，而非耗散功主要为弹性变形功。由此可计算出界面脱开所需能量，进而得到纤维-基体的界面破裂韧性。

 

       4.ZwickRoell仪器化压痕解决方案

       ZwickRoell所生产两款仪器化压痕测试设备，根据力值范围不同分为纳米压痕仪和宏观仪器化压痕仪，前者主要针对涂层与薄膜进行表面力学性能测试，包括硬度、模量、摩擦磨损、划痕测试等，后者主要针对较大零部件进行测试，如前言中第四个难题的微损测量，利用循环压痕测试分析计算材料的单轴拉伸性能，这将会在下期内容中进行详细阐述，欢迎各位关注。