连续刚度测量(csm)方法在载荷信号上加入了一个连续的小振荡。在考虑了移动质量、频率和阻尼系数等因素的修正后,载荷与位移幅度之比给出了压头与试件之间的接触刚度。在csm方法中,每次振荡加载时的静态载荷略有不同。这使得几个振荡的平均值和反馈控制变得复杂。
相反,在准静态连续刚度测试方法中,载荷是以小步进量增加的,振荡仅在大约0.5到3年代之间的短停留时间内开启(参见准静态连续刚度测试方法的原理)。这样可以轻松地得到几个振荡的平均值,而且反馈控制也更精确。例如,在频率为40 Hz,停留时间为1.4 s的条件下,测量了56次振荡的振幅。在准静态连续刚度测试方法中,前20%的测量振幅不考虑用于求平均值,以减少蠕变对结果的影响。这对粘胶材料尤为重要。
试样,压头,标称力
参数 | 薄膜材料 | 薄膜厚度(µm) | 硬度GPa | 杨氏模量GPa | 屈服强度GPa | 泊松比 |
示例1 | a - c: H | 4 | 14.5 | 120 | 10.9 | 0.2 |
示例2 | a-C(高sp3.) | 5 | 50.0 | 542 | 30.1 | 0.2 |
示例3 | 得了 | 3. | 15.0 | 170 | 8.8 | 0.2 |
示例4 | a - c: W (17%) | 3. | 14.5 | 140 | 9.5 | 0.2 |
示例5 | a-C:H(结构化) | 4 | 12.2 | 103 | 9.0 | 0.2 |
- 压头1:金刚石,初始半径67 μm,5种载荷:50 mN ~ 1000 mN
- 压头2:金刚石,初始半径6 μm,7种载荷:5 mN ~ 200 mN
- 压头3:硬质合金,初始半径100 μm,4种载荷:100 mN ~ 1000 mN
用半径约为10µm的球形压头在熔融石英试样上压出几个压痕。同样的压头也用于扫描试样。图2显示了具有800 mN(左上)和2x 500 mN压痕的玻璃表面。较低载荷下的其他压痕是完全弹性的。200 mN下的压痕在光学上很难识别,但是,可以测量到几纳米的小塑性变形。
- 使用15 mN的接触力执行测量。这是一个相对较大的扫描力,但接触是完全弹性的,这样可以更好地测量预期较小摩擦系数的横向力。扫描范围为97 μ m x 77.5 μ m的光学图像,在屏幕上最高可放大约3350倍。其他测试参数如下:
- 45行
- 每行扫描时间:25 s(高分辨率)
- 数据速率8hz
- 偏移量10%(超出分析范围的两侧的额外扫描长度,以排除启停效应)
- 振荡频率40hz
- 振幅0.1 V(相当于5 nm左右位移和0.8 mN载荷幅)
标称力信号的映射允许清晰地检测压痕位置,因为当压头滑入压痕时,力变小,当压头滑出时,力变大。力控制不够快,无法抵消这种影响。
在这里,在200 mN压痕位置也可以看到轻微的变形。当只显示振荡的载荷幅时,也可以得到类似的结果(图4)。
对于杨氏模量的测定,不仅需要接触刚度(很容易从测得的力和位移幅度中获得),而且还需要正确的压痕深度。因此,需要对位移测量进行零点校正。此操作可以在同一分析窗口中执行。熔融石英的杨氏模量映射结果如图5所示。除压痕位置外,整个区域很好地保持了预期值72 GPa。其中,假设平面的分析模型不正确,因此结果太大。
由横向力与标称力之比,求得金刚石针尖与玻璃间的摩擦系数,如图6和图7所示。在压痕位置,根据图3,摩擦在移动方向上减小,当针尖移出压痕时增加。
在平坦区域,摩擦系数在0.7 - 0.8之间。只是在试样的前部,它有点低,原因尚不清楚。
所有呈现性能的测量都是在一次扫描期间进行的,扫描时间相对较长,大约2000年。扫描时间可以大大缩短;但是,移动速度越快,散射越大。