基于分子動力學(xué)的納米薄膜力學(xué)行為研究.pdf

1、隨著微機(jī)電和納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)技術(shù)的發(fā)展,系統(tǒng)的集成度逐漸增加,功能逐漸增強(qiáng),加工尺寸減小,這些都對材料的性能提出了更高的要求。在傳統(tǒng)的 MEMS/NEMS設(shè)備中,硅基材料占主導(dǎo)地位,但是受到硅基材料固有材料屬性的限制,人們急需尋找一些新的材料來代替硅而被應(yīng)用于MEMS/NEMS設(shè)備中。其中金屬材料(如銅)和類金剛石碳膜因?yàn)楦髯詢?yōu)異的特性而被認(rèn)為是比較有前途的材料之一。
　　受到空間尺寸的限制,MEMS/NEMS設(shè)備

2、中的材料多以納米薄膜的形式存在。在納米尺度,由于強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng),材料將會表現(xiàn)出和宏觀不同的材料屬性,因此本文將通過分子動力學(xué)模擬納米壓痕和劃痕的方法對單晶銅膜和非晶碳膜的力學(xué)性能進(jìn)行研究。
　　為了研究單晶銅薄膜的力學(xué)性能,本文建立了剛性金剛石球形壓頭與單晶銅基體納米壓痕的分子動力學(xué)模型,并且通過納米壓痕過程中壓入深度與法向載荷之間的關(guān)系來分析研究納米尺度的接觸行為,并將仿真結(jié)果與經(jīng)典的Hertz彈性接觸理論進(jìn)行對比。同時,對于單

3、晶銅晶體,本文通過對加載/卸載過程中壓入深度與法向載荷之間關(guān)系的分析,區(qū)分了基體的彈塑性變形。除此之外,本文還研究了納米接觸過程中,法向加載速度和壓頭曲率半徑對基體力學(xué)性能的影響。
　　為了研究非晶碳膜的力學(xué)性能,首先,本文通過快速淬火的方法,分別采用三種不同的勢函數(shù),模擬生成了密度從2.2g/cm3到3.2g/cm3的非晶碳結(jié)構(gòu),同時,本文通過配位數(shù)和徑向分布函數(shù)分析了不同密度非晶碳結(jié)構(gòu)的區(qū)別,對比了不同勢函數(shù)描述非晶碳中原子排

4、列的能力。其次,根據(jù)仿真獲得的非晶碳結(jié)構(gòu),建立了剛性金剛石球形壓頭與非晶碳基體的納米壓痕和納米劃痕的分子動力學(xué)仿真模型。本文通過納米壓痕中的力/位移曲線,研究了不同密度、不同結(jié)構(gòu)非晶碳的力學(xué)性能。研究表明,高密度的非晶碳具有更強(qiáng)的抵抗變形能力;同一密度下,高 sp3含量的非晶碳力學(xué)性能更好。通過對納米刻劃過程的分析,發(fā)現(xiàn)在納米刻劃過程中,壓頭與基體間存在明顯的摩擦化學(xué)反應(yīng),刻劃過程中摩擦力隨著法向載荷的增大而近似線性增大;相對于低密度的