[发明专利]基于AFM纳米压痕实验获取硬度和弹性模量测量值的方法

权利要求书

1.基于AFM纳米压痕实验获取硬度和弹性模量测量值的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1、获取原子力显微镜探针的载荷-位移曲线的加载曲线数据点坐标值(X_nj，Y_nj)和卸载曲线数据点坐标值(X_nx，Y_nx)；

其中，X_nj：载荷-位移曲线中加载曲线的横坐标位移值；

Y_nj：载荷-位移曲线中加载曲线的纵坐标压入载荷值；

X_nx：载荷-位移曲线中卸载曲线的横坐标位移值；

Y_nx：载荷-位移曲线中卸载曲线的纵坐标压入载荷值

S2、将所述载荷-位移曲线的加载阶段和卸载阶段的曲线数据点坐标值(X_nj，Y_nj)和(X_nx，Y_nx)转化为载荷-压深曲线相对应阶段的曲线数据点坐标值(P_nj，Q_nj)和(P_nx，Q_nx)；

其中，P_nj：载荷-压深曲线中加载曲线的横坐标压入深度值；

Q_nj：载荷-压深曲线中加载曲线的纵坐标压入载荷值；

P_nx：载荷-压深曲线中卸载曲线的横坐标压入深度值；

Q_nx：载荷-压深曲线中卸载曲线的纵坐标压入载荷值；

S3、运用高次函数P(x)＝A*x⁴拟合载荷-压深卸载曲线确定脱离点的位置、拟合载荷-压深加载曲线确定接触零点的位置；

S4、运用多项式函数P(x)拟合方法分别拟合脱离点和接触零点附近曲线，并对P(x)函数进行求导，求出其导数分别为零点的坐标，获取脱离点和接触零点的坐标值；

S5、将所述脱离点移动到坐标零点，利用公式P＝α(h-h_f)^m拟合载荷-压深卸载曲线顶部曲线获取接触刚度S；

式中：P为探针压入载荷；h为探针的压入深度；h_f为残余压入深度；α、m为常数；

进一步带入公式输出硬度值H_sample；

式中，h_max为最大载荷处其最大压入深度，h_c为接触深度，A为系数；

P为探针压入载荷

S6、将所述接触零点移动到坐标零点，用Hertz模型拟合载荷-压深加载曲线弹性变形区，获取折合弹性模型E_r；

所述Hertz模型计算公式如下：

式中，P为压入载荷，γ为修正系数，E_r为折合弹性模量，R为探针针尖的曲率半径，h为压入深度；

进一步带入公式输出弹性模量E_sample；

式中，E_r为折合弹性模量，E_sample为聚合物样品的弹性模量，ν_sample为样品材料的泊松比，E_tip为探针材料的弹性模量。

2.根据权利要求1所述的基于AFM纳米压痕实验获取硬度和弹性模量测量值的方法，其特征在于：所述步骤S2具体过程如下，获取压电陶瓷扫描管的位移以及探针悬梁臂的挠曲变形量；根据电陶瓷扫描管的位移和探针悬梁臂的变形量，计算原子力显微镜的探针压入样品的深度；所述压电陶瓷扫描管的位移(Z_p)包括悬梁臂的挠曲变形量(Z_i)和探针压入样品的深度(h)；通过用压电扫描管的位移(Z_p)减去探针悬梁臂的挠曲变形量(Z_i)，可以得到探针压入样品的深度(h＝Z_p-Z_i)；利用数据分析软件将AFM初始得到的载荷-位移曲线中的位移(Z_p)减去探针悬梁臂的挠曲变形量(Z_i)，从而得到施加在AFM探针上的载荷随探针压入深度的变化曲线，即载荷-压深曲线。