纳米压痕也叫做仪器压痕或是深度敏感压痕,是用于表征金属、陶瓷、聚合物、以及生物材料的硬度和弹性模量等力学特性的一种手段,这项技术已经在纳米材料领域中得到了广泛的应用。和传统的硬度测试仪器相比,用于纳米压痕的纳米力学测量系统通过在压入过程中,同时记录压入载荷与位移,经过计算可以得到被测材料的力学特性。但为了保证测试结果的准确性,在测试之前应完成一系列校准工作,包括静电力常量、极板间距、仪器柔性、压电扫描器、载荷因子、位移因子、针尖几何形状(面积函数)的校准。本文研究了纳米力学测量系统在准静态压入模式下载荷因子、位移因子的量值溯源问题,搭建了量值溯源系统,对测试结果进行了数据分析和处理,并将测试结果应用到系统校准上,校准后的纳米力学测量系统在国际比对测量中得到了很好的验证。本文最后还对针尖的几何形状的直接和间接溯源问题进行了探讨。1.载荷因子。纳米力学测量系统三板电容传感器的中间极板通过两端的微小弹簧悬挂,本文采用替换压针为特制的带挂钩的针尖与三板电容传感器的中间极板相连,通过悬挂高精度可溯源的砝码完成载荷因子的溯源。悬挂砝码后的中间极板的线性位移遵循胡克定律。载荷因子的值就是来源于传感器控制器上的位移电压与砝码质量的比值。2.位移因子。位移因子是表示传感器控制器输出的位移电压与中间极板的实际位移的相互关系的量。为了校准位移因子,需通过电容传感器和干涉仪同时记录中间极板的实际位移值。使用特制高反射率的平面硅片作为测量镜粘在针尖上,拥有高分辨率的干涉仪可以完成位移的测试工作。通过调节加在三板电容传感器下级板的电压,使中间极板在静电力的作用下移动1μm-5μm的位移。电容传感器的位移电压与干涉仪测得实际位移值的比值作为位移因子的值。为此特别研制了多倍程激光干涉仪系统,其具有较高的分辨率,能够满足纳米计量的需要。同时,本文也尝试运用雷尼绍的单频激光干涉仪在特殊透镜聚焦干涉光路中完成溯源。最终,使用校准后的载荷因子和位移因子去测试标准样品熔融石英,测试结果远远优于未经校准的值。3.针尖面积函数。在影响纳米压痕测量结果不确定度的因素中很重要的一点是针尖的几何形状。本文将阐述两种方法来校准针尖面积函数。(1)通过计量型原子力显微镜扫描得到针尖几何形状的直接溯源。(2)通过压针压入已知弹性模量和泊松比的标准物质中进行校准。直接校准Berkovich压针可以使用国家计量院的计量型原子力显微镜完成。由于这项工作比较复杂,课题组将会专门申请课题完成。另外,在论文中,对纳米力学测量系统的测量原理和分析方法进行了详细的描述,同时也对仪器测量结果的种种误差影响因素进行了具体说明。