【摘要】 本研究通过实验与建模揭示纳米多孔金（np-Au）球形压痕中硬度随压头半径减小的尺寸效应，提出基于塑性坍塌耗能的纳米力学模型，为多孔材料微纳力学性能评估提供理论支撑。

一、研究背景与核心发现

1.研究背景

纳米多孔金（np-Au）因其独特的多孔结构和优异的力学性能，在催化、传感器等领域备受关注。然而，其力学行为中的压痕尺寸效应（ISE）尚未在球形压痕场景中被系统研究。传统尖锐压痕（如Berkovich）的ISE与压痕深度相关，而球面压痕的ISE则取决于压头半径，这对纳米尺度力学性能评估提出新挑战。

2.核心发现

  • 实验表明，np-Au的硬度与压头半径呈负相关：相同代表应变下，压头半径越小，硬度越高。
  • 提出基于塑性坍塌耗能机制的纳米力学模型，成功解释球面压痕的ISE现象。
  • 首次关联球形压痕与尖锐压痕的ISE差异，揭示加载模式（法向力/剪切力）对压痕功的影响。

 

二、实验方法与数据验证

1.样品制备

  • 采用自由腐蚀脱合金工艺制备单韧带尺寸26 nm的np-Au样品（图1）。

纳米多孔金韧带形貌与孔结构

图1 (a)接触形态示意图，以及(b)4，(c)12和(d)50μm的标称压头尖端半径的典型纳米压痕力-深度曲线

  • 前驱体合金（Au30Ag70）经均匀化、退火处理，确保力学性能一致性。

 

2.压痕测试

  • 使用三种标称半径（4μm、12μm、50μm）金刚石球形压头，通过CSM模式进行纳米压痕测试。
  • 有效压痕深度严格控制在压头几何精度范围内（图2）。

不同压头半径的载荷-位移曲线对比

图2 np-Au上球形纳米压痕的硬度与接触半径的关系

 

3.数据分析

  • 通过Oliver-Pharr方法计算接触半径与硬度，发现硬度随接触半径减小而上升（图3）。

纳米多孔金球形压痕硬度变化曲线

图3(a)np-Au上球形纳米压痕的纳米力学模型的示意图和(b)压痕剂在np-Au韧带上的初始接触

 

三、纳米力学模型与机理分析

1.模型构建

  • 假设压痕总功由法向力与剪切力共同作用下的塑性坍塌消耗。
  • 引入单位晶格尺度参数（d=3l），建立压痕力与韧带尺寸的数学关系。

2.ISE机理

  • 与固体材料不同，np-Au的ISE源于多孔结构压缩-剪切耦合响应，而非几何必要位错（GND）堆积。
  • 验证模型显示，硬度与压头半径满足H/H0=1+R*/Rp，与退火铱、无氧铜的ISE趋势一致。

 

四、研究意义与工业应用

1.学术价值

  • 填补球形压痕ISE在np-Au中的研究空白，为多孔材料力学建模提供新思路。

2.工业应用

  • 指导np-Au基**微机电系统（MEMS）**的可靠性设计，优化催化剂载体的抗疲劳性能。

 

参考文献：1.Young-Cheon Kim, Eun-Ji Gwak, Seung-min Ahn, Na-Ri Kang, Heung Nam Han, Jae-il Jang, Ju-Young Kim, Indentation size effect for spherical nanoindentation on nanoporous gold, Scripta Materialia, Volume 143, 2018, Pages 10-14, ISSN 1359-6462, https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2017.09.002.

 

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