共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）下的原位划痕测试仪

划痕测试是一种常用的材料力学表征方法，广泛用于表征薄膜粘附强度以及块状材料的损伤机理。特别地，原位划伤测试可以直接观察压头与试样之间的相互作用区域，可以提供额外的信息，如塑性流动和裂纹扩展过程。一些商用划伤测试仪可以实现原位划伤检测，其集成在扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）中，如表1所示。

表1一些现有的商业现场划伤测试的例子。

扫描电镜由于其高成像分辨率和大景深，可以观察到一些细节现象，被广泛应用于原位划伤检测。随着大试样室扫描电镜的推出，1984年Prasad和Kosel试图提出与扫描电镜集成的划痕测试仪。随着成像分辨率的提高，SEM内部的原位划伤测试逐渐成为研究划伤过程的有用工具。但是，为了获得清晰的图像，应该将刷新率设置为较低的值。这导致在几秒钟内只能捕获几张图像。但在刮擦过程中，相互作用区域每时每刻都在发生变化。因此，一些有趣的现象可能没有被监测到。此外，对于绝缘材料，为了获得良好的图像质量，应在压头或样品表面沉积导电涂层，以增强其导电性。然而，导电涂层可能会改变划痕特性，并且在划痕过程中可能会损坏，从而影响图像质量。

为了实现现场划痕检测过程中的实时观察，报道了利用普通光学显微镜进行现场划痕检测的实例。图1（a）和（b）分别展示了划痕测试仪的原理图和三维（3D）结构。划伤试验机主要包括三个相同的粘滑压电致动器、两个连接件、一个直驱式压电致动器、一个两轴力传感器、一个工作台、一个压头和一个底座。

图1 （a）划痕试验机原理图和（b）三维结构。

图2 划痕测试器的原型。

1997年，Bulsara和Chandrasekar提出了一种利用光学显微镜的原位划痕测试仪。Wheeler等人¹提出了一种原位光学斜观测划痕测试仪。Poiri ' e等人²利用偏振光实现了对刮痕过程中压头附近应力场的现场观测。这些研究证明了光学显微镜作为现场划痕检测监测设备的潜力。理论上，普通光学显微镜的刷新率可以远高于扫描电镜，并且可以使用高速摄像机进行原位观察。共聚焦激光扫描显微镜（confocal laser scanning microscope, CLSM）可以将图像在二维空间中分解为许多点，一次只捕获一个点的光，同时拒绝几乎所有其他点的光，因此可以获得清晰度和对比度都很好的图像。在以往的研究中，CLSM被广泛用于非原位划痕试验的后表征。

目前商用划痕测试仪比较成熟，可以采集到侧向力、划痕深度、现场图像等多种信息。然而，大多数是与SEM和TEM相结合，很少与普通光学显微镜相结合，更不用说CLSM了。为了获得成像分辨率和刷新率的平衡性能，He等人³开发了一种能够在商用CLSM下进行原位划伤测试的小型化划伤测试仪。讨论了划痕测试仪的结构和工作原理，并对其性能进行了实验表征。然后，对熔融二氧化硅、ITO沉积在玻璃上的薄膜和PMMA三种典型材料进行了原位划伤测试，以验证所提出的划伤测试仪的可行性，并研究了这三种材料的变形和损伤特性。

1.Wheeler, J. M.;  Wehrs, J.;  Favaro, G.; Michler, J., In-situ optical oblique observation of scratch testing. Surf. Coat. Technol. 2014, 258, 127-133.

2.Poirié, T.;  Schmitt, T.;  Bousser, E.;  Martinu, L.; Klemberg-Sapieha, J.-E., Influence of internal stress in optical thin films on their failure modes assessed by in situ real-time scratch analysis. Tribol. Int. 2017, 109, 355-366.

3.He, G.;  Wu, H.;  Huang, H.; Zhao, H., An in-situ scratch tester under the confocal laser scanning microscope （CLSM）. Vacuum 2024, 222, 113033.

科学指南针以分析测试为核心，提供材料测试、环境检测、生物服务、模拟计算、科研绘图等多项科研产品，累计服务1800+个高校、科研院所及6000+家企业，获得了60万科研工作者的信赖。始终秉持“全心全意服务科研，助力全球科技创新”的使命，致力于为高校、院所、医院、研发型企业等科研工作者提供专业、快捷、全方位的服务。

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。