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AR 类别。压痕 | 硬度和弹性
用纳米压痕法评估生物组织硬度
生物组织纳米压痕的重要性
传统的力学测试(硬度、粘附、压缩、穿刺、屈服强度等)在今天的质量控制环境中要求更高的精度和可靠性，包括从组织到脆性材料的各种先进材料。传统的机械仪表无法提供先进材料所需的灵敏负载控制和分辨率。与生物材料相关的挑战要求开发能够对极软材料进行精确负载控制的力学测试。这些材料需要非常低的次mN测试负载和大的深度范围，以确保适当的性能测量。此外，许多不同的机械测试类型可以在一个单一的系统上执行，允许更大的功能。这为生物材料提供了一系列重要的测量，包括硬度、弹性模量、损耗和存储模量、蠕变以及抗划伤性和屈服强度失效点。
测量目标
在本应用中，Nanovea的机械试验机在纳米压痕模式下，研究了一种生物材料替代品在火腿的脂肪、浅肉和暗肉区域上的硬度和弹性模量。
纳米压痕是基于压痕标准ASTM E2546和ISO 14577。它使用既定的方法，将已知几何形状的压头打入测试材料的特定部位，并控制增加法向载荷。当达到预先设定的最大深度时，法向载荷会减少，直到发生完全松弛。负载由压电致动器施加，并在一个受控的循环中用高灵敏度的称重传感器测量。在实验过程中，压头相对于样品表面的位置由一个高精度的电容式传感器监测。由此产生的负载和位移曲线提供了与被测材料的机械性质相关的数据。已建立的模型通过测量数据计算出定量的硬度和模量值。纳米压痕适用于纳米尺度的低负荷和穿透深度测量。
结果和讨论
下表给出了硬度和杨氏模量的实测值，并附有平均值和标准差。由于压痕尺寸小，高表面粗糙度可能导致结果的大变化。
脂肪区的硬度约为肉区的一半。肉类处理使深色的肉区比浅色的肉区更硬。弹性模量和硬度与脂肪和肉区的口感咀嚼度有直接关系。60秒后，脂肪和浅色肉区的蠕动继续率高于深色肉区。
详细结果-脂肪
详细结果-浅色肉
详细结果-深色肉
总结
在此应用中，Nanovea 的 机械测试器 在纳米压痕模式下，可以可靠地确定脂肪和肉类区域的机械特性，同时克服样品表面粗糙度较高的问题。这证明了 Nanovea 机械测试仪的广泛且无与伦比的功能。该系统同时对极硬的材料和软的生物组织提供精确的机械性能测量。
与压电台闭环控制的负载传感器确保了对1至5kPa的硬或软凝胶材料的精确测量。使用同一系统，可以在更高的负荷下测试生物材料，最高可达400N。多周期加载可用于疲劳测试，使用平坦的圆柱形金刚石尖端可获得每个区域的屈服强度信息。此外，通过动态机械分析（DMA），利用闭环载荷控制，可以高精度地评估粘弹性能损失和储存模量。在同一系统上还可以进行各种温度和液体下的测试。
Nanovea的机械测试仪继续是生物和软聚合物/凝胶应用的最佳测试仪器。
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用纳米压痕法评估牙齿硬度
纳米压痕对生物材料的重要性
对于许多传统的机械测试（硬度、附着力、压缩、穿刺、屈服强度等），今天的质量控制环境中的高级敏感材料，从凝胶到脆性材料，现在需要更高的精度和可靠性控制。传统的机械仪器无法提供所需的敏感负载控制和分辨率；设计用于散装材料。随着被测试材料的尺寸变得更加令人关注，开发了 纳米压痕 提供了一种可靠的方法来获取较小表面的基本机械信息，如正在进行的生物材料研究。与生物材料特别相关的挑战要求开发能够对极软至脆性材料进行精确负载控制的机械测试。另外，需要多种仪器来进行各种机械测试，现在可以在一个系统上进行。纳米压痕提供了一个广泛的测量范围，在纳米控制的负载下具有精确的分辨率，用于敏感的应用。
测量目标
在这个应用中，Nanovea 机械测试仪，在纳米压痕模式下，用于研究牙齿的牙本质、腐烂物和牙髓的硬度和弹性模量。纳米压痕测试最关键的方面是固定样品，在这里我们采用了切片牙齿并安装了环氧树脂，使所有三个感兴趣的区域都暴露出来进行测试。
结果和讨论
本节包括一个汇总表，对不同样品的主要数值结果进行了比较，然后是完整的结果列表，包括所进行的每一个压痕，如果有的话，还附有压痕的显微照片。这些完整的结果显示了硬度和杨氏模量的测量值，以及它们的平均数和标准偏差。应该考虑到，在表面粗糙度与压痕大小相同的情况下，结果会出现较大的变化。
主要数字结果的汇总表。
总结
总之，我们已经展示了Nanovea机械测试仪在纳米压痕模式下是如何对牙齿的机械性能进行精确测量的。这些数据可用于开发更符合真实牙齿机械特性的填充物。Nanovea机械测试仪的定位能力允许全面绘制牙齿各区域的硬度图。
使用同一系统，可以在高达200N的较高载荷下测试牙齿材料的断裂韧性。多周期加载试验可用于更多的多孔材料，以评估剩余的弹性水平。使用平坦的圆柱形金刚石尖端可以给出每个区域的屈服强度信息。此外，使用DMA "动态机械分析"，可以评估粘弹性能，包括损失和储存模量。
Nanovea纳米模块是这些测试的理想选择，因为它使用一个独特的反馈响应来精确控制所施加的负载。正因为如此，纳米模块也可以用来做精确的纳米划痕测试。研究牙齿材料和填充材料的耐刮擦性和耐磨性，增加了机械测试仪的整体实用性。使用锋利的2微米尖端来定量比较填充材料上的划痕，可以更好地预测实际应用中的行为。多次磨损或直接旋转磨损测试也是常见的测试，提供了关于长期生存能力的重要信息。
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弹性系数的纳米机械表征
弹簧储存机械能量的能力有很长的使用历史。从狩猎用的弓到门的锁，弹簧技术已经存在了许多世纪。如今，我们依赖弹簧，无论是床垫、笔，还是汽车悬挂系统，因为它们在我们的日常生活中发挥着重要作用。有了如此广泛的用途和设计，量化其机械性能的能力是必要的。
机械广角地图选择工具
我们都听说过这个词，时间就是金钱。这就是为什么许多公司不断寻求加快和改善各种流程的方法，它可以节省时间。当涉及到压痕测试时，当使用我们的Nanovea机械测试仪之一时，速度、效率和精度可以被整合到质量控制或研发过程中。在这个应用说明中，我们将展示一种利用我们的Nanovea机械测试仪和广角图和选择工具软件功能来节省时间的简单方法。
用纳米压痕DMA实现精确的局部玻璃化转变
用纳米压痕DMA实现精确的局部玻璃化转变
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想象一下，一个散装样品以恒定的速度均匀地被加热的情景。当散装材料加热并接近其熔点时，它将开始失去其刚性。如果在相同的目标力下进行周期性压痕（硬度测试），每次压痕的深度应该不断增加，因为样品正在变软（见图1）。这种情况一直持续到样品开始融化。在这一点上，每个压痕的深度将被观察到大幅增加。利用这个概念，材料的相变可以通过使用固定力振幅的动态振荡和测量其位移来观察，即动态机械分析（DMA）。
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使用纳米压痕的应力松弛测量
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对软性、柔性材料的压制
测试软性、柔性材料的重要性
非常柔软和灵活的样品的一个例子是微电子机械系统。MEMS被用于日常商业产品，如打印机、移动电话和汽车[1]。它们的用途还包括特殊功能，如生物传感器[2]和能量采集[3]。对于它们的应用，MEMS必须能够在其原始配置和压缩配置之间反复可逆地过渡[4]。为了了解这些结构对机械力的反应，可以进行压缩测试。压缩测试可以用来测试和调整各种MEMS配置，以及测试这些样品的上限和下限力。
纳诺维亚酒店 机械测试仪 纳米 模块能够在极低负载下准确收集数据并移动超过 1 毫米的距离，使其成为测试柔软样品的理想选择。通过具有独立的载荷和深度传感器，大的压头位移不会影响载荷传感器的读数。与其他纳米压痕系统相比，我们的系统能够在超过 1 毫米的压头行程范围内进行低负载测试，这使得我们的系统独一无二。相比之下，纳米级压痕系统的合理行进距离通常低于 250μm。
测量目标
在这个案例研究中，Nanovea对两个独特的不同的柔性弹簧状样品进行了压缩测试。我们展示了我们在非常低的负载下进行压缩和记录大位移的能力，同时准确地获得低负载下的数据，以及如何将其应用于MEMS行业。由于隐私政策，本研究中不会透露样品和它们的来源。
测量参数
注：当压头在空气中时，1V/min的加载速率与大约100μm的位移成正比。
结果和讨论
样品对机械力的反应可以从载荷与深度的曲线中看出。在上述的测试参数下，样品A只显示出线性弹性变形。图2是一个很好的例子，说明在75μN的载荷与深度曲线上可以实现的稳定性。由于载荷和深度传感器的稳定性，很容易察觉到样品的任何明显的机械反应。
样品B显示出与样品A不同的机械反应。超过750μm的深度，图表中开始出现类似断裂的行为。这可以从深度为850和975μm时载荷的急剧下降中看出。尽管在8mN的范围内以高负荷率行驶超过1mm，我们高度敏感的负荷和深度传感器允许用户获得以下光滑的负荷与深度曲线。
硬度是由负载与深度曲线的卸载部分计算出来的。刚度反映了使样品变形所需的力有多大。对于这个刚度的计算，使用了0.3的伪泊松比，因为材料的实际比率是不知道的。在这种情况下，样品B被证明比样品A更硬。
总结
使用Nanovea机械测试仪的纳米模块对两个不同的柔性样品进行了压缩测试。测试是在非常低的载荷（1mm）下进行的。用纳米模块进行的纳米级压缩测试表明该模块有能力测试非常柔软和灵活的样品。本研究的额外测试可以通过Nanovea机械测试仪的多负载选项解决反复循环负载对弹簧状样品的弹性恢复方面的影响。
有关这种测试方法的更多信息，请随时与我们联系：[email protected]，如需更多应用说明，请浏览我们广泛的应用说明数字图书馆。
参考文献
[1] "MEMS的介绍和应用领域"。EEHerald，2017年3月1日。 www.eeherald.com/section/design-guide/mems_application_introduction.html.
[2] Louizos, Louizos-Alexandros; Athanasopoulos, Panagiotis G.; Varty, Kevin (2012)."微电子机械系统和纳米技术。下一个支架技术时代的平台"。Vasc Endovascular Surg.46 (8):605–609. doi:10.1177/1538574412462637.PMID 23047818。
[3] Hajati, Arman; Sang-Gook Kim (2011)."超宽频压电能量采集"。AppliedPhysics Letters.99 (8):083105. doi:10.1063/1.3629551.
[4] Fu, Haoran, et al. "Morphable 3D mesostructures and microelectronic devices by multistable bucklingmechanics."自然材料17.3（2018）: 268。
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碳化硅晶片涂层的机械性能
了解碳化硅晶片涂层的机械性能是至关重要的。微电子器件的制造过程可能有300多个不同的加工步骤，可能需要6至8周的时间。在这个过程中，晶圆基材必须能够承受极端的制造条件，因为任何步骤的失败都会导致时间和金钱的损失。测试的内容 硬度晶片的附着力/抗划伤性和COF/磨损率必须满足一定的要求，以便在制造和应用过程中的条件下生存，确保不会发生故障。
组织的生物力学硬度评估
准确测量生命科学领域机械性能的能力最近已成为当前许多研究的一个重要方面。在某些情况下，了解柔软的生物表面的机械特性有助于揭示疾病的机械效应。了解机械特性为识别与特定变化相关的局部机械行为提供了背景。它对于人造生物材料的开发也至关重要。在此应用中，Nanovea 机械测试仪， 在 纳米压痕 模式，用于研究意大利熏火腿的3个独立区域（脂肪、浅肉和深肉）的生物力学硬度和弹性模量。
