AFM-nanoDMA纳米动态机械分析仪

基于原子力显微镜的纳米动态机械分析仪AFM-nanoDMA

复合材料微观结构的粘弹性分析

综合均衡不同软材料如弹性体、聚合物和凝胶的性能，取长补短，从而获得综合性能较为理想的材料，这在工程中得到越来越广泛的应用，是开发具有崭新性能新型材料的重要途径。复合材料的整体性能与组成相及界面的力学性能密切相关。关于这种界面结构的力学性质如粘弹性的研究对于材料设计是至关重要的。另外，粘弹性质通常随频率或温度发生显著变化。例如，在橡胶状聚合物中，储能模量通常在低频下比较小，随着频率的增加，储能模量急剧增加。但由于其界面结构非常小（数十纳米），其粘弹性的表征具有很大的挑战。

传统的AFM和Nano-DMA的技术

定量纳米力学功能在进行高分辨成像的同时实现了材料弹性和粘性的成像，但其测试频率是固定和离散不可调谐的，并且在数千Hz。而 DMA 的流变学研究通常在低于 200Hz 的频率下工作。研究这种微观结构的粘弹性等力学性质的常用仪器还有纳米动态热机械分析(nanoDMA)，它可以在程序控温下对试样施加交变应力( 或应变)，测量材料的应变(或应力) 随温度、时间或频率响应,可以获得材料的储能模量(E')、损耗模量(E″)及损耗角正切(Tanδ) 等信息。不足的是其X-Y方向的分辨率为几百纳米，达不到更小的分辨精度。

基于原子力显微镜的AFM-nanoDMA技术

基于原子力显微镜的DMA技术（AFM-nanoDMA），解决了X-Y方向的分辨率的问题，同时可以得到材料微区不同频率和不同温度下的粘弹性质。原子力显微镜探针以一定大小的力接触到样品表面之后，保持一段时间，再离开表面。在保持接触的时间里，对样品施加不同频率下亚纳米级小振幅的震荡，记录材料应力和应变的关系，而探针从材料表面回撤阶段利用包含粘附力的力学接触模型计算得到材料的储能模量和损耗能量。同时还采用了一种特殊的参考频率技术来补偿在保持接触期间由于蠕变而导致接触面积的不稳定性。这种方法可以得到某个频率下的模量分布图，也可以得到材料表面某一位置点不同频率下的模量谱图。