納米壓痕結(jié)合有限元法確定壓電薄膜的彈性常數(shù).pdf

1、越來越多的研究致力于發(fā)展壓電材料在微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用。它們經(jīng)常是以一種薄膜的形式存在,薄膜的厚度在納米到微米量級(jí)。微機(jī)電系統(tǒng)的性能在加工和使用的過程中,由于接觸加載會(huì)退化。在很多結(jié)構(gòu)部件中應(yīng)用的壓電薄膜材料,尤其是航空部件,不可避免的在大應(yīng)力和高溫下工作,所以壓電薄膜的本征的力學(xué)行為的確定是非常重要而且是首要研究的對象。在表征硬度和彈性模量方面,納米壓痕實(shí)驗(yàn)被公認(rèn)為一種有效的實(shí)驗(yàn)方法。在本文中,首先在考慮壓頭的幾何效應(yīng)的條件下,壓電薄膜的

2、彈性模量被確定。其次,不同于先前的方法,基于壓電本構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)出的對應(yīng)于錐形壓頭的壓電薄膜的壓痕載荷-位移曲線被用來建立補(bǔ)充方程,其可以把壓電薄膜的工程常數(shù),壓電常數(shù)以及介電常數(shù)與最大壓痕加載力和最大壓痕深度聯(lián)系起來,進(jìn)而壓電薄膜的工程常數(shù)可以通過結(jié)合納米壓痕實(shí)驗(yàn)和有限元確定。本文的主要內(nèi)容從以下三個(gè)方面展開:
　　1.對于薄膜/基底系統(tǒng)的納米壓痕實(shí)驗(yàn),由于基底效應(yīng)和幾何效應(yīng)的影響,冪函數(shù)關(guān)系被提出來描述壓痕過程的加載曲線。加載曲線

3、指數(shù)、最大加載力和薄膜/基底系統(tǒng)的彈性性能、壓頭頂角的無量綱方程被建立,他們的具體形式通過擬合有限元模擬的結(jié)果確定。求解無量綱方程組,可以得到薄膜的彈性模量和真實(shí)的壓頭頂角。
　　2.在考慮壓電本構(gòu)關(guān)系的情況下,提出了一種估算壓電薄膜工程常數(shù)的模型。分析了壓電壓痕模型。在壓電系數(shù)和介電常數(shù)看作已知的情況下利用壓電壓痕響應(yīng)理論的邊界值問題的解,確定了最大加載力與材料的工程常數(shù)之間的由壓電本構(gòu)關(guān)系導(dǎo)出的P-h曲線的顯示解析式的補(bǔ)充方程

4、,來聯(lián)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與壓電薄膜的工程常數(shù)。在無量綱分析的過程中,建立了最大加載力和加載曲線指數(shù)與歸一化的工程常數(shù)之間的無量綱方程。
　　3.在考慮壓電本構(gòu)關(guān)系的情況下,計(jì)算了壓電薄膜的工程常數(shù)。在壓電薄膜的壓電系數(shù)和介電常數(shù)已知的條件下,通過結(jié)合納米壓痕實(shí)驗(yàn)和有限元模擬,壓電薄膜的工程常數(shù)被估算得到。由壓電本構(gòu)關(guān)系導(dǎo)出的P-h曲線的顯示解析式被作為補(bǔ)充方程,來聯(lián)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與壓電薄膜的工程常數(shù)。通過有限元軟件在一個(gè)大的材料組合范圍內(nèi)模擬