CN107941639B - 基于纳米压痕技术的复合材料界面相研究方法 - Google Patents

基于纳米压痕技术的复合材料界面相研究方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于纳米压痕技术的复合材料界面相研究方法，属于微纳米力学测试技术领域。将两维图中界面相的起始点和结束点在三维图种标出，点击自动生成通过相邻起始点并垂直于三维图空间坐标系水平面的立面，得到过相邻起始点间立面与三维图之间的截交线1，同样方法得到相邻结束点间立面与图2之间的截交线2。保留截交线1与截交线2之间的三维图，即可观察复合材料界面相的三维形貌；去掉截交线1与截交线2之间的三维图，在起始点连线左侧相邻划痕间中心位置进行压入深度小于划痕深度的压痕实验，即测得增强相微纳米尺度力学性能；在结束点连线右侧相邻划痕间中心位置进行压入深度小于划痕深度的压痕实验，即测得基体微纳米尺度力学性能。

Description

基于纳米压痕技术的复合材料界面相研究方法
技术领域
本发明涉及基于纳米压痕技术的复合材料界面相研究方法，属于微纳米力学测试技术领域，特别是通过纳米压痕仪进行实验的方法。
背景技术
复合材料中增强相与基体之间的界面是互相铆合在一起的、不规则的边界，而界面相常常定义为这一互相铆合在一起的区域。在这一区域进行的纳米压痕实验获得的是增强相与基体互相影响下的力学性能，而实验中通常需要得到其中一种相在复合材料中的性能。由于纳米压痕仪自带观察手段为光学显微镜，当不能判断界面相的宽度时，对于纯相的纳米压痕力学性能测试往往是盲目的。
常规可以通过图像处理软件采集界面轮廓，再通过建模软件进行三维重建，也可以选用CT、microCT、X-ray等对复合材料进行逐层扫描，将扫描得到的图片拼接重建。前一种方法分辨力高，理论上可以将通过纳米压痕法测试完的试样通过此方法筛选不受基底效应和周边效应的影响的点，然而由于复合材料性能分散度高，常常需要大量实验，此方法显然不适于批量实验研究。后一种方法较易完成，依然需要后期建模研究，而且十微米左右的精度也难于满足选择的要求。扫描电镜可以用于观察实验完成后压痕的位置，但是不能确定在全部压入过程中压痕是否已经接触其他相，不能确定得到的结果是否收到界面相的影响。纳米压痕仪和原子力显微镜的原位扫描模式提供了一种接触扫描的方法，施加微小的力使得压头与试样表面接触，通过往复的接触扫描使得压头以一定的力同试样保持接触，进而输出试样的形貌、接触刚度、相位角和简谐位移等一系列材料性能，可以用来描述材料表面形貌、表面刚度的变化，然而这些都是材料表面性能，依然难于描述当压头压入一定深度后基底效应和周边效应的影响。尤其是当在微纳米尺度研究时，形状复杂的增强相实际形状非常不规则，这使得磨抛后被测复合材料界面相形状非常复杂。参考光学显微镜观察到的边界而进行的纳米压痕实验，实际获得的材料性能分散度极高，即使大量实验后使用统计学方法依然无法获得可靠的各组分的力学性能。
纳米划痕法作为复杂磨损的简化，可以评估薄膜与基材的结合能力，测试界面结合强度和摩擦系数。可以用于复合材料在各种温度条件下的力学性能和划入特性之间的关系，分析粘弹性对划入阻力的影响。随着复合材料力学的迅速发展，人们越来越关心其表面及内部的微观乃至纳观力学性能，因此，纳米划痕测试在此领域也得到了广泛应用。本发明将纳米划痕测试做为一种原位的实验方法用于判断界面相形貌，然而由于使用载荷线性增加加载方式和载荷恒定加载方式时，压头划入被测试样深度非恒定值，划过不同相的载荷不能定量比较，所以本发明提出了通过反馈控制恒划入深度的方法，来定量研究载荷变化。常规可以通过其判断基底效应和周边效应的影响区，即界面相，再进行压痕实验，就可以得到增强相与基体压痕测试结果。然而，通过恒深度划痕直接获得的两维图像比较模糊，不能有效对划痕后的试样进行定位，常常会受到划痕后的周边材料影响。通过纳米压痕仪自带nanovision对典型区域进行扫描，结合划痕结果将典型区域一分为三，重新定位后再进行压痕实验，避免了压痕实验的盲目性，提高了实验结果的可信度，可以获得无周边效应影响的复合材料各组分性能。
现将常规划痕方法和复合材料测量中的问题概述如下：
第一，常规接触扫描的方法(原子力显微镜或者纳米压痕仪)可以根据扫描得到接触刚度或者接触力，进而计算出增强相与基体的弹性模量，但是测得结果会受到表面特性影响，而且无法准确区分一定区域的复合材料不同相的性能。
第二，常规获得复合材料各组分性能的测试方法是通过光学显微镜观察增强相与基体之间的界面，然后进行定位压痕。这种方法无法确定一定深度下是增强相还是基体，测得结果受不确定的基底效应影响。
第三，常规获得复合材料各组分性能的测试方法是先在增强相与基体混合区设置大量的压痕点，压痕实验完成后通过图像处理软件采集界面轮廓，再通过建模软件进行三维重建或选用CT、microCT、X-ray等对复合材料进行逐层扫描，判断压头位置受到基底相的影响。这种方法压头位置判断不准，而且对一次压痕需要反复对比图像，分析困难，测试效率很低。
第四，常规通过纳米压痕仪进行的划痕方法是通过法相力变化控制划痕过程，这使得在复合材料不同相上划痕深度不同，即在不同相上进行划痕时压头与试样相对位置是不同的，这使得无法通过接触力学判断准则获得界面相的宽度。
第五，常规通过纳米压痕仪进行的复合材料划痕方法，基底效应和周边效应、试样粗糙度、磨抛引起的亚表面损伤、表面粘性、凸起或者凹陷等影响不是恒定的，通过非恒深度划痕测得的过渡区难于分析，无法得到定量的结论。
第六，常规方法选用两维形貌图讨论复合材料界面相形貌，本方法依托纳米压痕仪自带接触扫描功能，巧妙的将两维形貌转化为三位形貌，对于界面相形貌研究以及筛点、选点提供了更加直观、边界的依据，提高了实验精度。
发明内容
通过本发明对微纳米尺度复合材料进行纳米压痕实验时，可以有效的判断典型区域一定深度下的界面相宽度。当压入深度小于划痕深度时，可以避免压痕压入在界面相，提升实验精度，获得无周边效应影响的复合材料微纳米尺度压痕性能。
本发明为复合材料微纳米尺度压痕实验方法，该方法具体步骤如下：首先，将被测复合材料镶嵌、研磨、抛光，制成用于纳米压痕和纳米划痕的试样。通过纳米压痕仪自带光学显微镜定位一定范围包括增强相、界面相和基体的矩形区域。划痕起始位置为矩形区域的左边界，划痕开始之前在起始点进行预压入。通过反馈调节方法，使得压头保持恒定的划入深度，依次划过增强相、界面相和基体，接下来按照平行、等间距、等深度进行划痕操作。通过接触力学判断准则，获得每条划痕界面相的起始点和结束点位置。以矩形区域左下角顶点为零点，建立包括全部划痕路径的直角坐标系，将划痕路径上采集点的坐标导入origin，标记界面相起始点和结束点，形成一幅两维图。通过纳米压痕仪nanovision选件对矩形区域进行扫描，扫描力大小为10微牛至40微牛。矩形区域左下角法向高度设为0，生成空间直角坐标系，形成三维图。将两维图中界面相的起始点和结束点在三维图种标出，首先点击自动生成通过相邻起始点并垂直于三维图空间坐标系水平面的立面，得到过相邻起始点间立面与三维图之间的截交线1，同样方法得到相邻结束点间立面与三维图之间的截交线2。保留截交线1与截交线2之间的三维图，即可观察复合材料界面相的三维形貌；去掉截交线1与截交线2之间的三维图，在起始点连线左侧相邻划痕间中心位置进行压入深度小于划痕深度的压痕实验，即可测得增强相微纳米尺度力学性能；在结束点连线右侧相邻划痕间中心位置进行压入深度小于划痕深度的压痕实验，即可测得基体微纳米尺度力学性能。
矩形区域延划痕方向的长度为100微米-200微米。
通过反馈调节方法对PID(比例(proportion)、积分(integral)、导数(derivative))控制器进行调解时，增强相与基体弹性模量位于1E+9帕至1E+7帕之间的材料，P值为10000-1000000，I值为100-500，D值为1000-10000，调节时力的变化速度是±0.1毫牛/秒至±1毫牛/秒；对于增强相与基体弹性模量位于1E+7帕至1E+5帕之间的材料，P值为1000-10000，I值为100-500，D值为10000-1000000，调节时力的变化速度是±0.01毫牛/秒-±0.1毫牛/秒；对于增强相与基体弹性模量小于1E+5帕或大于1E+9帕的材料不适用。
接触力学判断准则如下：实验用Berkovich压头是三棱锥压头，在划痕过程中通过一个棱和与其相邻的两个面划开试样，为分析方便将其简化为二维模型的一个边，叫前边。由于划痕过程中后侧面不与被测材料接触，可以将后侧面简化为二维模型的一个边，叫后边。由于当划入深度为数微米时，压头在划痕过程中几乎不会同时划入多相，故可以将划入过程中两相的边界简化成一条直线。
前边与划痕方向的夹角α1同边界与划痕方向的夹角α2会有三种关系，即：(1).α1＞α2；(2).α1＜α2；(3).α1＝α2。
如图1所示，实验用复合材料左侧为增强相，材料性能明显高于右侧相。当α1＞α2时，前边先在增强相中进行划痕，其载荷为恒定，体现在力与划痕距离的关系为一条近似平行于x轴的直线，即增强相性能平台。随着划痕的进行，前边的底部在划痕过程中将最先接触边界，如图a)中压头位置1。随着划痕的进行，前边将逐渐划入界面相，此时体现在力与划痕距离的关系为一个过渡区，由于基体力学性能较差，载荷会逐渐降低直到前边完全进入基体一侧，如图a)中的压头位置2，从压头位置1至压头位置2的界面相宽为L1。从第二个压头的位置开始前边将全部进入基体内，所以随着划痕的继续进行，体现在力与划痕距离的关系为一条近似平行于x轴的直线，即基体性能平台。如果想沿着划痕方向设置的一系列压痕得到纯相的性能，必须保证整个压头，即前边和后边，同时在一种相内，在压头位置1之前的压入完全落入增强相区域，说明此时界面相起始点压头位置3与界面相的起始点压头位置1重合，而在压头位置2时后边仍然部分落入增强相中，压头位置2延划痕方向向右平移一个接触直径的宽度即可得到界面相的结束点压头位置4，只有在压头位置4之后的位置进行压痕才能保证整个压头完全位于基体上。
当α1＜α2时，获得增强相性能平台后，随着划痕的进行，前边的顶部在划痕过程中将最先接触边界，如图中压头位置1。随着划痕的进行，前边将逐渐划入界面相，此时体现在力与划痕距离的关系为一个过渡区，由于基体力学性能较差，载荷会逐渐降低直到前边完全进入基体一侧，如图中压头位置2。从第二个压头的位置开始前边将全部进入基体内，所以随着划痕的继续进行，体现在力与划痕距离的关系为一条近似平行于x轴的直线，即基体性能平台。在压头位置1的之前进行压入的压痕将全部落入增强相，而在位置2之后进行的压痕将全部落入基体。此时，过渡区的起始点压头位置1与界面相的起始点压头位置3是重合的，过渡区的结束点压头位置2与界面相的结束点压头位置4是重合的，即L1＝L2。
当α1＝α2时，棱边同边界平行，随着划痕的进行，全部棱在划痕过程中接触边界，载荷随划痕距离会有一个突然的跳跃，由增强相性能平台直接跳入基体性能平台，所以此时划痕位置1与划痕位置2是重合的，即L1＝0。在压头位置3之前进行压入的压入将全部落入增强相，而在距离划痕位置3一个接触直径宽度的划痕位置4之后进行的压入将全部落入基体，即此时的L2宽度等于接触直径。
本发明可以解决常规方法测试微纳米尺度复合材料压痕性能时带来的问题，如下：常规接触扫描的方法(原子力显微镜或者纳米压痕仪)可以根据扫描得到接触刚度或者接触力，进而计算出增强相与基体的弹性模量，但是测得结果会受到表面特性影响，而且无法准确区分一定区域的复合材料不同相的就位性能；常规获得复合材料各组分就位性能的测试方法是通过光学显微镜观察增强相与基体之间的界面，然后进行定位压痕。这种方法无法确定一定深度下是增强相还是基体，测得结果受不确定的基底效应影响；常规获得复合材料各组分就位性能的测试方法是先在增强相与基体混合区设置大量的压痕点，压痕实验完成后通过图像处理软件采集界面轮廓，再通过建模软件进行三维重建或选用CT、microCT、X-ray等对复合材料进行逐层扫描，判断压头位置受到基底相的影响。这种方法压头位置判断不准，而且对一次压痕需要反复对比图像，分析困难，测试效率很低；常规通过纳米压痕仪进行的划痕方法是通过法相力变化控制划痕过程，这使得在复合材料不同相上划痕深度不同，即在不同相上进行划痕时压头与试样相对位置是不同的，这使得无法通过接触力学判断准则获得界面相的宽度；常规通过纳米压痕仪进行的复合材料划痕方法，基底效应和周边效应、试样粗糙度、磨抛引起的亚表面损伤、表面粘性、凸起或者凹陷等影响不是恒定的，通过非恒深度划痕测得的过渡区难于分析，无法得到定量的结论。
附图说明
图1接触力学判断准则示意图，a).α1＞α2；b).α1＜α2；c).α1＝α2。
具体实施方式
本发明为复合材料微纳米尺度压痕实验方法，其具体步骤如下：首先，将被测复合材料镶嵌、研磨、抛光，制成用于纳米压痕和纳米划痕的试样。通过纳米压痕仪自带光学显微镜定位一定范围包括增强相、界面相和基体的矩形区域。划痕起始位置为矩形区域的左边界，划痕开始之前在起始点进行预压入。通过反馈调节方法，使得压头保持恒定的划入深度，依次划过增强相、界面相和基体，接下来按照平行、等间距、等深度进行划痕操作。通过接触力学判断准则，获得每条划痕界面相的起始点和结束点位置。以矩形区域左下角顶点为零点，建立包括全部划痕路径的直角坐标系，将划痕路径上采集点的坐标导入origin，标记界面相起始点和结束点，形成两维图1。通过纳米压痕仪nanovision选件对矩形区域进行扫描，扫描力大小为10微牛至40微牛。矩形区域左下角法向高度设为0，生成空间直角坐标系，形成三维图。将图1中界面相的起始点和结束点在三维图中标出，首先点击自动生成通过相邻起始点并垂直于三维图空间坐标系水平面的立面，得到过相邻起始点间立面与三维图之间的截交线1，同样方法得到相邻结束点间立面与三维图之间的截交线2。保留截交线1与截交线2之间的三维图，即可观察复合材料界面相的三维形貌；去掉截交线1与截交线2之间的三维图，在起始点连线左侧相邻划痕间中心位置进行压入深度小于划痕深度的压痕实验，即可测得增强相微纳米尺度力学性能；在结束点连线右侧相邻划痕间中心位置进行压入深度小于划痕深度的压痕实验，即可测得基体微纳米尺度力学性能。
实例1测量碳纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)各组分弹性性能
应用基于纳米压痕技术的复合材料界面相研究方法，获得无周边效应影响的PMMA各组分弹性性能，首先，通过纳米压痕仪自带光学显微镜定位典型碳纤维-PMMA的矩形混合区域200微米×200微米。反馈调节P值为5000，I值为500，D值为2000，调节时力的变化速度是±0.2毫牛/秒。设置划痕数量11条，间隔20微米。预压入深度2微米，压入速度0.2微米/秒，划痕速度4微米/秒。通过接触力学判断准则，获得每条划痕界面相的起始点和结束点位置。以矩形区域左下角顶点为零点，建立包括全部划痕路径的直角坐标系，将划痕路径上采集点的坐标导入origin，标记界面相起始点和结束点，形成两维图。通过纳米压痕仪nanovision选件对矩形区域进行扫描，扫描力大小为10微牛。矩形区域左下角法向高度设为0，生成空间直角坐标系，形成三维图。将两维图中界面相的起始点和结束点在三维图中标出，得到过相邻起始点间立面与三维图之间的截交线1，同样方法得到相邻结束点间立面与三维图之间的截交线2。保留截交线1与截交线2之间的三维图，即可观察复合材料界面相的三维形貌；去掉截交线1与截交线2之间的三维图，在起始点连线左侧相邻划痕中心位置选点进行压痕实验，点左右间隔15微米，压入深度500纳米，加载速度20纳米/秒，保载时间10秒，最后通过Oliver-Pharr模型获得碳纤维相弹性模量。在结束点连线右侧相邻划痕中心位置选点进行压痕实验，点左右间隔20微米，压入深度500纳米，加载速度20纳米/秒，保载时间10秒，最后通过Oliver-Pharr模型获得PMMA弹性模量。
实例2测量碳纳米管纤维束增强聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)各组分弹性性能
应用基于纳米压痕技术的复合材料界面相研究方法，获得无周边效应影响的碳纳米管纤维束增强PMMA各组分弹性性能，首先，通过纳米压痕仪自带光学显微镜定位典型碳纳米管纤维束-PMMA的矩形混合区域200微米×200微米。反馈调节P值为10000，I值为500，D值为1000，调节时力的变化速度是±0.2毫牛/秒。设置划痕数量11条，间隔20微米。预压入深度1微米，压入速度0.2微米/秒，划痕速度5微米/秒。通过接触力学判断准则，获得每条划痕界面相的起始点和结束点位置。以矩形区域左下角顶点为零点，建立包括全部划痕路径的直角坐标系，将划痕路径上采集点的坐标导入origin，标记界面相起始点和结束点，形成两维图。通过纳米压痕仪nanovision选件对矩形区域进行扫描，扫描力大小为10微牛。矩形区域左下角法向高度设为0，生成空间直角坐标系，形成三维图。将两维图中界面相的起始点和结束点在三维图中标出，得到过相邻起始点间立面与三维图之间的截交线1，同样方法得到相邻结束点间立面与三维图之间的截交线2。保留截交线1与截交线2之间的三维图，即可观察复合材料界面相的三维形貌；去掉截交线1与截交线2之间的三维图，在起始点连线左侧相邻划痕中心位置选点进行压痕实验，点左右间隔10微米，压入深度500纳米，加载速度20纳米/秒，保载时间10秒，最后通过Oliver-Pharr模型获得碳纳米管纤维束弹性模量。在结束点连线右侧相邻划痕中心位置选点进行压痕实验，点左右间隔20微米，压入深度500纳米，加载速度20纳米/秒，保载时间10秒，最后通过Oliver-Pharr模型获得PMMA弹性模量。

Claims (3)

1.基于纳米压痕技术的复合材料界面相研究方法，其特征在于：首先，将被测复合材料镶嵌、研磨、抛光，制成用于纳米压痕和纳米划痕的试样；通过纳米压痕仪自带光学显微镜定位一定范围包括增强相、界面相和基体的矩形区域；划痕起始位置为矩形区域的左边界，划痕开始之前在起始点进行预压入；通过反馈调节方法，使得压头保持恒定的划入深度，依次划过增强相、界面相和基体，接下来按照平行、等间距、等深度进行划痕操作；通过接触力学判断准则，获得每条划痕界面相的起始点和结束点位置；以矩形区域左下角顶点为零点，建立包括全部划痕路径的直角坐标系，将划痕路径上采集点的坐标导入origin，标记界面相起始点和结束点，形成一幅两维图；通过纳米压痕仪nanovision选件对矩形区域进行扫描，扫描力大小为10微牛至40微牛；矩形区域左下角法向高度设为0，生成空间直角坐标系，形成三维图；将两维图中界面相的起始点和结束点在三维图种标出，首先点击自动生成通过相邻起始点并垂直于三维图空间坐标系水平面的立面，得到过相邻起始点间立面与三维图之间的截交线1，同样方法得到相邻结束点间立面与三维图之间的截交线2；保留截交线1与截交线2之间的三维图，即可观察复合材料界面相的三维形貌；去掉截交线1与截交线2之间的三维图，在起始点连线左侧相邻划痕间中心位置进行压入深度小于划痕深度的压痕实验，即可测得增强相微纳米尺度力学性能；在结束点连线右侧相邻划痕间中心位置进行压入深度小于划痕深度的压痕实验，即可测得基体微纳米尺度力学性能；
接触力学判断准则如下：实验用Berkovich压头是三棱锥压头，在划痕过程中通过一个棱和与其相邻的两个面划开试样，为分析方便将其简化为二维模型的一个边，叫前边；由于划痕过程中后侧面不与被测材料接触，将后侧面简化为二维模型的一个边，叫后边；
前边与划痕方向的夹角α1同边界与划痕方向的夹角α2会有三种关系，即：(1).α1＞α2；(2).α1＜α2；(3).α1＝α2；
实验用复合材料左侧为增强相，材料性能明显高于右侧相；当α1＞α2时，前边先在增强相中进行划痕，其载荷为恒定，体现在力与划痕距离的关系为一条近似平行于x轴的直线，即增强相性能平台；随着划痕的进行，前边的底部在划痕过程中将最先接触边界即压头位置1；随着划痕的进行，前边将逐渐划入界面相，此时体现在力与划痕距离的关系为一个过渡区，由于基体力学性能较差，载荷会逐渐降低直到前边完全进入基体一侧即压头位置2，从压头位置1至压头位置2的界面相宽为L1；从压头位置2开始前边将全部进入基体内，所以随着划痕的继续进行，体现在力与划痕距离的关系为一条近似平行于x轴的直线，即基体性能平台；如果想沿着划痕方向设置的一系列压痕得到纯相的性能，必须保证整个压头，即前边和后边，同时在一种相内，在压头位置1之前的压入完全落入增强相区域，说明此时界面相起始点压头位置3与界面相的起始点压头位置1重合，而在压头位置2时后边仍然部分落入增强相中，压头位置2沿划痕方向向右平移一个接触直径的宽度即可得到界面相的结束点压头位置4，只有在压头位置4之后的位置进行压痕才能保证整个压头完全位于基体上；
当α1＜α2时，获得增强相性能平台后，随着划痕的进行，前边的顶部在划痕过程中将最先接触边界即压头位置1；随着划痕的进行，前边将逐渐划入界面相，此时体现在力与划痕距离的关系为一个过渡区，由于基体力学性能较差，载荷会逐渐降低直到前边完全进入基体一侧即压头位置2；从第二个压头的位置开始前边将全部进入基体内，所以随着划痕的继续进行，体现在力与划痕距离的关系为一条近似平行于x轴的直线，即基体性能平台；在压头位置1的之前进行压入的压痕将全部落入增强相，而在压头位置2之后进行的压痕将全部落入基体；此时，过渡区的起始点压头位置1与界面相的起始点压头位置3是重合的，过渡区的结束点压头位置2与界面相的结束点压头位置4是重合的，即L1＝L2；
当α1＝α2时，棱边同边界平行，随着划痕的进行，全部棱在划痕过程中接触边界，载荷随划痕距离会有一个突然的跳跃，由增强相性能平台直接跳入基体性能平台，所以此时划痕位置1与划痕位置2是重合的，即L1＝0；在压头位置3之前进行压入的压入将全部落入增强相，而在距离划痕位置3一个接触直径宽度的划痕位置4之后进行的压入将全部落入基体，即此时的L2宽度等于接触直径。
2.根据权利要求1所述的基于纳米压痕技术的复合材料界面相研究方法，其特征在于：矩形区域延划痕方向的长度为100微米-200微米。
3.根据权利要求1所述的基于纳米压痕技术的复合材料界面相研究方法，其特征在于：通过反馈调节方法对PID控制器进行调解时，增强相与基体弹性模量位于1E+9帕至1E+7帕之间的材料，P值为10000-1000000，I值为100-500，D值为1000-10000，调节时力的变化速度是±0.1毫牛/秒至±1毫牛/秒；对于增强相与基体弹性模量位于1E+7帕至1E+5帕之间的材料，P值为1000-10000，I值为100-500，D值为10000-1000000，调节时力的变化速度是±0.01毫牛/秒-±0.1毫牛/秒；对于增强相与基体弹性模量小于1E+5帕或大于1E+9帕的材料不适用。
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