微納米力學(xué)及納米壓痕表征技術(shù)

1、微納米力學(xué)及納米壓痕表征技術(shù)摘要：微納米力學(xué)為微納米尺度力學(xué)即特征尺度為微納米之間的微細(xì)結(jié)構(gòu)所涉及的力學(xué)問題[1]。納米壓痕方法是通過計算機(jī)控制載荷連續(xù)變化，并在線監(jiān)測壓深量[2]，適用于微米或納米級的薄膜力學(xué)性能測試，本實驗采用Oliver–Pharr方法研究了Al2O3薄膜，附著在ZnS基底，得到了Al2O3薄膜的力學(xué)性能。關(guān)鍵詞：微納米力學(xué)納米壓痕楊氏模量硬度0引言近年來隨著工業(yè)的現(xiàn)代化、規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化以及高新技術(shù)和國防技術(shù)的發(fā)展

2、對各種材料表面性能的要求越來越高。20世紀(jì)80年代現(xiàn)代表面技術(shù)被國際科技界譽(yù)為最具發(fā)展前途的十大技術(shù)之一。薄膜、涂層和表面處理材料的極薄表層的物理、化學(xué)、力學(xué)性能和材料內(nèi)部的性能常有很大差異這些差異在摩擦磨損、物理、化學(xué)、機(jī)械行為中起著主導(dǎo)作用如計算機(jī)磁盤、光盤等要求表層不但有優(yōu)良的電、磁、光性能而且要求有良好的潤滑性、摩擦小、耐磨損、抗化學(xué)腐蝕、組織穩(wěn)定和優(yōu)良的力學(xué)性能。因此世界各國都非常重視材料的納米級表層的物理、化學(xué)、機(jī)械性能及其

3、檢測方法的研究。[3]同時隨著材料設(shè)計的微量化、微電子行業(yè)集成電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化傳統(tǒng)材料力學(xué)性能測試方法已難以滿足微米級及更小尺度樣品的測試精度不能夠準(zhǔn)確評估薄膜材料的強(qiáng)度指標(biāo)和壽命另外在材料微結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域中材料研究尺度逐漸縮小材料的變形機(jī)制表現(xiàn)出與傳統(tǒng)塊狀材料相反的規(guī)律以上趨勢要求測試儀器具有高的位置分辨率、位移分辨率和載荷分辨率納米壓痕方法能夠滿足上述測試需求。[4]現(xiàn)在，薄膜的厚度己經(jīng)做到了微米級甚至于納米級對于這樣的薄膜用傳統(tǒng)的材

4、料力學(xué)性能測試方法己經(jīng)無法解決。納米壓痕試驗方法是一種在傳統(tǒng)的布氏和維氏硬度試驗基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新的力學(xué)性能試驗方法。它通過連續(xù)控制和記錄樣品上壓頭加載和卸載時的載荷和位移數(shù)據(jù)并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而得出材料的許多力學(xué)性能指標(biāo)壓痕深度可以非常淺，壓痕深度在納米范圍也可以得到材料的力學(xué)性能，這樣該方法就成為薄膜、涂層和表面處理材料力學(xué)性能測試的首選工具如薄膜、涂層和表面處理材料表面力學(xué)性能測試等。1納米力學(xué)簡介1.4納米材料的特殊性質(zhì)特殊的

5、光學(xué)性質(zhì)是指所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，因為金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。特殊的熱學(xué)性質(zhì)是指固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10nm量級時尤為顯

6、著。特殊的磁學(xué)性質(zhì)是指小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80Am，而當(dāng)顆粒尺寸減小到20nm以下時，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6nm時，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，可制作高貯存密度的磁記錄磁粉，應(yīng)用于磁帶、磁卡以及磁性鑰匙等。特殊的力學(xué)性質(zhì)是指因為納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出

7、甚佳的韌性與一定的延展性。1.5表面效應(yīng)對納米材料的影響納米粒子的表面原子所處的晶體場環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同，存在許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，因而極易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定，具有很高的化學(xué)活性。當(dāng)顆粒細(xì)化時，粒子逐漸減小時，總表面積急劇增大，比表面積相應(yīng)的也急劇加大。由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合而表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性納米粒子的表面原子所處的位場環(huán)境及

8、結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同，如存在許多懸空鍵，配位嚴(yán)重不足，具有不飽和性質(zhì)，因而極易與其它原子結(jié)合而趨于穩(wěn)定，所以具有很高的化學(xué)活性。2納米壓痕實驗原理及方法2.1納米壓痕實驗原理為了便于理論分析通常用一個軸對稱壓頭作為納米壓痕試驗的理論模型圖2一3為試驗過程中壓痕剖面變化的示意圖。當(dāng)壓頭壓入試樣后壓頭附近的材料首先產(chǎn)生彈性變形隨著載荷的增加試樣開始產(chǎn)生塑性變形樣品中出現(xiàn)一個與壓頭形狀匹配的壓痕壓痕的接觸深度為h。接觸圓半徑為a。當(dāng)壓頭卸