薄膜材料納米壓痕切向摩擦仿真及實驗研究.pdf

1、隨著微機電系統(tǒng)、微電了學(xué)以及納米生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，新型材料研究，尤其是具備多種功能和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單層和多層薄膜材料研究成為了熱點。薄膜材料除了光、聲、電等特性外，往往還要求其具有良好的力學(xué)性能，因此，非常有必要對這些功能薄膜材料的力學(xué)性能進行測試研究。本文以薄膜材料為研究對象，利用納米壓痕儀和有限元軟件對薄膜進行納米壓痕實驗和模擬仿真，探究壓頭與薄膜間的切向摩擦對薄膜力學(xué)性能和沉陷、堆積現(xiàn)象的影響。
　　運用接觸力學(xué)知識分析

2、了納米壓痕過程中的切向摩擦問題，并進行了有限元模擬。通過在壓頭與薄膜間設(shè)置摩擦系數(shù)，模擬研究切向摩擦對圓錐壓頭、Berkovich壓頭和球形壓頭納米壓痕測試的影響。結(jié)果表明，摩擦系數(shù)從0增大到0.6時，圓錐壓頭壓痕硬度和彈性模量增加均超過20％; Berkovich壓頭的壓痕硬度增加約10％，彈性模量增加約12％;球形壓頭的壓痕硬度增加約1％，彈性模量增加約為2％。最大壓入深度相同時，圓錐壓頭的殘余壓痕深度最大，Berkovich壓頭次

3、之，球形壓頭最小。
　　模擬研究了圓錐壓頭和球形壓頭壓入硬膜/軟基和軟膜/硬基兩種典型薄膜時，切向摩擦對測試結(jié)果的影響。結(jié)果表明，壓入深度為0.3μm時，硬膜和軟膜分別產(chǎn)生了沉陷（sink-in）和堆積(pile-up)現(xiàn)象。摩擦系數(shù)從0增大到0.6時，硬膜沉陷量增大而軟膜堆積量減小，受到載荷增大和面積減小的雙重影響，圓錐壓頭硬膜和軟膜硬度增長了29.4％和33.3％;球形壓頭硬膜和軟膜硬度增長了9.7％和6.4％。
　　為

4、了驗證模擬結(jié)果，采用原子層沉積技術(shù)制備了Al2O3薄膜、ZnO薄膜和Al2O3/ZnO復(fù)合薄膜樣品，運用納米壓痕儀對薄膜進行納米壓痕實驗。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算得到薄膜的硬度分別為23.36 GPa、6.25 GPa和17.34 GPa，彈性模量分別為214.72 GPa、40.42 GPa和124.61 GPa。采用有限元軟件模擬了Berkovich壓頭壓入Al2O3、ZnO、Al2O3/ZnO薄膜過程。比較模擬與實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最大壓入深度