硫系玻璃是热成像系统元件的重要材料，虽然适合成型，但这些脆性材料的加工特性在很大程度上是未知的。因此为了解硫系玻璃的微观变形机理，采用纳米压痕仪对硫系玻璃进行压痕实验、变载划痕实验和恒载划痕实验。纳米压痕实验中获得的数据表明，硫系玻璃在压痕的过程中出现了不连续阶梯状（pop-in）现象，从而表明材料发生了弹塑性转变，并得出材料的弹性模量和硬度；通过对压痕后的形貌进行观察，发现有边缘存在材料堆积现象，这将使通过Oliver-Pharr方法计算得出的弹性模量和硬度偏大，因此需要使用半椭圆模型进行校正。通过变载划痕实验得出划痕深度-长度曲线图，分析了硫系玻璃在每种阶段的去除方式，得出了脆塑转变的临界载荷为92.3 mN；通过对恒载划痕实验数据进行分析，得出脆塑转变的临界载荷为50~120 mN，证实了变载划痕实验所得临界载荷的准确性。

镁渣是冶炼镁过程中产生的固体废弃物，存在着活性低和体积稳定性差等问题。本研究以镁渣和纸浆纤维为原料，制备了一种固碳纤维板(CFB)，并系统研究了蒸压养护、碳化养护以及碳化-蒸压养护对固碳纤维板性能的影响，以及碳化镁渣浆体和纸浆纤维之间的界面微结构。结果表明，只经过蒸压养护的CFB，其体积稳定性差，抗折强度仅为4.5 MPa；而碳化8 h后CFB的抗折强度和CO2吸收量分别达到17.3 MPa和14.4%。此外，通过碳化-蒸压养护后CFB的抗折强度可以进一步提高到20.2 MPa。微观结构和纳米压痕的结果表明，碳酸钙晶体(文石和方解石)与C-S-H一起填充了孔隙，增强了纸浆纤维与硬化浆体间的界面微观性能，这是CFB经过碳化-蒸压养护后具有较高抗折强度的主要原因。

为研究单晶硅超精密切削特性, 采用纳米压痕仪配合Berkovich金刚石压头对单晶硅<100>晶面进行纳米压痕与纳米划痕实验。纳米压痕实验分别以10、30 和50 mN载荷将压头压入单晶硅表面, 发现30 mN载荷下载荷-位移曲线产生微小波动, 而在50 mN载荷下发生“pop-out”现象, 说明材料此时有突然的应力变化并有脆性破坏发生, 预测了单晶硅脆塑转变的临界载荷略小于30 mN。开展变载荷纳米划痕实验, 用0~100 mN的载荷刻划单晶硅表面, 根据载荷-位移曲线观察到单晶硅在变载荷刻划中分为弹塑性去除和脆性去除阶段。弹塑性去除阶段, 载荷-位移曲线波动平稳, 而脆性去除阶段曲线波动较大, 得到单晶硅脆塑转变的临界载荷为27 mN, 临界深度为392 nm。通过恒载荷纳米划痕实验, 在塑性加工域内分别以5、10和20 mN的恒载荷刻划单晶硅表面, 并通过扫描电子显微镜(SEM)观察恒载荷划痕后的单晶硅表面形貌, 分析刻划数据发现切削力和弹性回复率随着载荷的增加而增大, 摩擦系数则先增大后减小。因此单晶硅超精密切削加工应选择合理的载荷, 并充分考虑弹性回复的影响。

对GaN单晶力学性能的研究有助于解决其在生长、加工和器件应用中的开裂问题。本文围绕掺杂对GaN单晶力学性能的影响，通过纳米压痕法测试了不同掺杂类型(非掺、Si掺和Fe掺)GaN单晶的弹性模量和硬度，测试结果表明掺杂对GaN单晶的硬度有重要影响。Si掺、Fe掺GaN较非掺样品硬度有所提升，用重掺杂的氨热GaN单晶作为对照，也证明了这一结论。通过高分辨X射线衍射分析和原子力显微镜表征实验发现，晶体结晶质量、接触面积等因素对GaN单晶硬度的影响较小。对GaN表面纳米压痕滑移带长度和晶体晶格常数进行测试，结果表明，掺杂影响GaN单晶硬度的主要原因是缺陷对GaN位错增殖、滑移的阻碍作用和掺杂引起的GaN晶格常数的变化。

本文通过对碳化物粉末进行放电等离子烧结(SPS), 成功制备了(Ti0.25Zr0.25Nb0.25Ta0.25)C高熵陶瓷(HECs), 系统研究了HECs的微观结构演变、力学性能和氧化行为。结果表明, 单相HECs的形成温度为1 800 ℃, 低于已报道的HECs烧结温度。1 900 ℃烧结的陶瓷晶粒细小, 平均晶粒尺寸约7.5 μm, 元素分布均匀, 相对密度高达99.2%。1 800 ℃和1 900 ℃烧结的HECs的室温显微硬度值分别为30.9 GPa和33.2 GPa, 断裂韧性值分别为(4.6±0.24) MPa·m1/2和(4.5±0.31) MPa·m1/2, 高于大多数已报道的HECs。原位高温纳米压痕试验结果表明, HECs的硬度随温度的升高而降低, 当温度达到500 ℃时, 1 800 ℃和1 900 ℃烧结的陶瓷硬度分别下降到21.9 GPa和22.2 GPa, 具有突出的高温稳定性。此外, HECs在温度低于500 ℃时无明显氧化, 当温度超过650 ℃时会发生明显氧化, 氧化速率随温度升高而增加。

为了快捷、精准测量脆性易解理氧化镓晶体的断裂韧度, 为氧化镓精密加工提供理论依据。采用G200纳米压痕仪对氧化镓晶体进行纳米压痕试验, 通过扫描电子显微镜分析压痕形貌, 分别采用纳米压痕法、能量法两种方法计算断裂韧度。纳米压痕法测得(010)面氧化镓晶体的断裂韧度为0.769 MPa·m1/2; 能量法测得其断裂韧度为0.782 MPa·m1/2。与传统的断裂韧度检测方法相比, 基于纳米压痕仪的压痕法和能量法能够微损伤快速检测脆性材料的断裂韧度。能量法是更精准、更便捷的纳米级断裂韧度检测方法。

利用离子辅助电子束双源共蒸发工艺方法, 制备了SiO2掺杂含量分别为0、13%、20%、30%、40%和100%的六组HfO2-SiO2混合膜。采用纳米压痕法测量了不同组分混合膜的杨氏模量和硬度, 并研究了混合膜杨氏模量和硬度随SiO2含量增长的变化规律。结果显示, 随着SiO2含量增加, 混合膜杨氏模量和硬度均减小, 双组分复合材料并联模型可以较好地拟合杨氏模量随混合膜SiO2含量变化关系。为了解释混合膜力学性能随SiO2含量变化规律, 对混合膜进行了XRD测试, 研究了混合膜微观结构与杨氏模量和硬度的关系, 发现结晶对硬度影响显著, 对杨氏模量影响较小; 用Zygo干涉仪测量了样品的面形, 获得了薄膜残余应力随SiO2含量的变化规律, 表明SiO2掺杂能减小HfO2薄膜压应力。

选区激光熔化(SLM)技术是一种典型的快速成形技术，使用高能激光束熔化金属粉末，逐层堆积，直接成形复杂高性能金属零部件。为了对SLM 成形多孔铝合金的性能进行研究,利用扫描电子显微镜、能量色散X 射线荧光光谱、纳米压痕等测试手段分析了多孔铝合金的表面形貌、孔隙率、显微组织、相组成及微观力学性能。结果表明，激光功率为130 W 时，孔隙率达到最大，多孔合金的显微组织细化，晶粒尺度达到纳米级别；激光功率变化对多孔铝合金的纳米硬度影响较大，但对弹性模量的影响不明显，其中α-Al相的弹性模量约为65 GPa，α-Al+Si共晶组织相的弹性模量约为85 GPa。

提出了一种可以实现同种或异种金属材料固态冶金结合的新型激光冲击点焊工艺。实验中，采用Nd∶YAG激光器发出的脉冲激光驱动厚度为30 μm 的钛箔产生局部塑性变形，并以超高速撞击厚度为100 μm 的铝板以实现点焊连接。当钛箔的飞行距离分别为0.3、0.6、0.9 mm 时，焊点中心的回弹区域面积依次减小，而结合区域面积依次增大。采用冷镶嵌技术制样用来观察焊点的截面特征，发现了沿焊点直径方向振幅和周期变化的波形界面和平直型界面。为研究激光冲击点焊对材料力学性能的影响，应用纳米压痕测试技术测量了垂直于焊接界面方向材料的显微硬度，结果表明焊接界面附近材料的硬度值明显提高。此外，焊接试样的拉伸剪切测试结果表明，当复板和基板发生有效固态冶金结合时其连接强度较高，失效形式通常是焊点边缘破裂。激光冲击点焊为厚度在微米级的异种金属箔板的点焊连结开辟了新途径。