本书是关于纳米力学测试新方法——扫描探针声学显微术(AFAM)的专著，是在作者前期研究的基础上，经过总结和凝练而成。AFAM的基本原理是利用探针与样品的接触振动来对材料纳米尺度的弹性性能进行成像或测量，主要涉及微悬臂梁的振动力学和接触力学。本书的内容安排如下：第1章绪论，简要介绍当前主要的纳米力学测试方法以及AFAM的发展历史和研究现状。第2章首先简介接触力学的基本理论，随后介绍纳米压痕的测试原理和应用。第3章简介原子力显微镜的基本原理和应用模式。第4~6章详细介绍AFAM的定量化原理及基本成像模式，测试和成像的准确度和灵敏度以及基于AFAM的黏弹性力学性能测试方法的原理。第7章介绍AFAM在纳米科学技术各个领域的应用，主要涉及复合材料、智能材料和生物材料等。第8章介绍目前正在兴起的另外一种纳米力学测试技术——多频原子力显微成像技术。
样章试读
目录
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前言
第1章 绪论 1
1.1 微纳米力学测试的意义和必要性 1
1.2 微纳米力学测试方法的现状和发展趋势 3
1.3 本书的主要内容和安排 8
参考文献 9
第2章 接触力学与纳米压痕方法 13
2.1 引言 13
2.2 接触力学 14
2.2.1 赫兹接触 14
2.2.2 赫兹接触的基本公式 16
2.2.3 圆锥形压针与弹性半空间的接触力学分析 17
2.2.4 弹塑性接触 18
2.3 纳米压痕测试原理及实验方法 19
2.3.1 准静态纳米压痕测试 19
2.3.2 动态纳米压痕测试 22
2.3.3 影响纳米压痕测试的常见因素 23
2.4 纳米压痕应用简介 24
2.4.1 薄膜系统力学性能的测试 24
2.4.2 纳米压痕对材料界面的表征 27
2.5 本章小结 30
参考文献 30
第3章 原子力显微镜及力--距离曲线测试方法 32
3.1 引言 32
3.2 AFM 基本原理 33
3.2.1 AFM 基本原理及组成 33
3.2.2 AFM 探针 35
3.2.3 位敏检测器 37
3.3 AFM 工作模式 38
3.3.1 接触模式 38
3.3.2 轻敲模式 39
3.3.3 非接触模式 41
3.3.4 轻敲抬起模式 42
3.3.5 轻敲模式下的相位成像技术 42
3.3.6 AFM 在液相环境下的使用 42
3.3.7 环境控制 AFM 成像 43
3.4 AFM 样品制备以及成像过程中的一些常见问题和解决方案 44
3.4.1 AFM 测试样品制备 44
3.4.2 AFM 成像常见问题及解决方案 44
3.5 基于 AFM 的力-距离曲线测试方法 46
3.5.1 概述 46
3.5.2 微悬臂的弹性常数和共振频率的校准 50
3.5.3 针尖样品之间常见的作用力 54
3.6 力-距离曲线在低维纳米材料力学和细胞力学领域的应用 57
3.6.1 力-距离曲线用于低维纳米材料力学性能测试 57
3.6.2 力-距离曲线用于细胞的纳米力学性能测试 60
3.7 本章小结 63
参考文献 63
第4章 扫描探针声学显微术原理及实验实现 65
4.1 引言 65
4.2 扫描探针声学显微术定量化纳米力学测试基础 65
4.2.1 探针微悬臂的弯曲自由振动分析 66
4.2.2 悬臂梁模型与弹簧质量模型的等效 67
4.2.3 针尖与样品表面接触时悬臂梁的弯曲振动分析 68
4.2.4 针尖与样品之间的法向接触力学分析 72
4.2.5 弹性模量定量化测量的参考方法 74
4.2.6 扭转振动模式下测量剪切模量、泊松比及摩擦力 75
4.3 扫描探针声学显微术测试系统实验实现 79
4.3.1 概述 79
4.3.2 测试系统组成 80
4.4 扫描探针声学显微术的两种成像模式 84
4.5 液相模式下的扫描探针声学显微术 87
4.6 本章小结 89
参考文献 89
第5章 AFAM 测试方法的准确度和灵敏度 92
5.1 引言 92
5.2 AFAM 准确度研究 92
5.2.1 AFAM 与其他微纳米力学测试技术的比较 92
5.2.2 描述悬臂梁动力学特性的模型分析 94
5.2.3 针尖样品接触力学行为和针尖磨损 96
5.2.4 AFAM 测量过程中的非线性效应 99
5.2.5 影响定量化测试的其他因素 100
5.3 AFAM 灵敏度研究 101
5.3.1 微悬臂各阶模态的灵敏度分析 101
5.3.2 通过附加集中质量提高测试灵敏度 104
5.3.3 激光点位置设定对微悬臂响应检测的影响 106
5.4 本章小结 108
参考文献 108
第6章 基于 AFAM 的黏弹性力学性能测试 110
6.1 引言 110
6.2 黏弹性力学基础 110
6.2.1 麦克斯韦模型 112
6.2.2 开尔文模型 112
6.2.3 标准线性固体模型 113
6.2.4 复模量 114
6.3 基于 AFAM 的黏弹性力学性能测试理论基础 115
6.3.1 针尖样品存在黏弹性作用时探针的动力学分析 115
6.3.2 针尖样品接触力学分析 117
6.3.3 简谐激励下探针的动力学响应 117
6.4 AFAM 用于材料黏弹性力学性能测试及成像 119
6.5 本章小结 126
参考文献 127
第7章 扫描探针声学显微术在材料测试方面的应用 129
7.1 引言 129
7.2 纤维增强复合材料领域的应用 129
7.3 智能材料领域的应用 133
7.4 生物材料领域的应用 136
7.5 薄膜及纳米材料领域的应用 141
7.6 本章小结 149
参考文献 149
第8章 原子力显微镜多频成像技术 153
8.1 引言 153
8.2 动态 (轻敲) 模式原子力显微镜 153
8.3 动态模式下针尖样品之间力-距离曲线的重构 157
8.4 针尖样品间能量损耗测量 160
8.5 多频成像技术成像模式及其应用 163
8.5.1 双模态或多模态动态成像 164
8.5.2 弯曲振动高次谐波成像 171
8.5.3 频带激励 173
8.5.4 扭转高次谐波成像 174
8.5.5 扫描近场声全息 178
8.6 本章小结 181
参考文献 181
索引 184
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