納米壓痕法確定橫觀各向同性壓電薄膜的力電耦合系數(shù).pdf

1、納米壓痕技術(shù)因?yàn)槠浜?jiǎn)便快捷,樣品尺寸小、精確性高等特點(diǎn),成為一種表征薄膜材料力學(xué)性能的常用方法。但是,由于壓痕響應(yīng)過(guò)程中基底效應(yīng)的影響,使得測(cè)試的結(jié)果并不能真正的反映薄膜材料的力學(xué)性能。因此,在考慮基底效應(yīng)的情況下研究薄膜材料的力學(xué)性能成為當(dāng)今材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文將膜基體系的納米壓痕加載曲線擬合成冪指數(shù)函數(shù)形式,通過(guò)其中的加載曲線指數(shù)定量地反映出基底效應(yīng)影響的大小。從而可以在考慮基底效應(yīng)的情況下,通過(guò)結(jié)合有限元模擬和納米壓痕實(shí)驗(yàn)

2、來(lái)確定橫觀各向同性壓電薄膜材料的力電耦合系數(shù)。本文的主要工作分為四個(gè)部分:
　　1.考慮基底效應(yīng)的影響,運(yùn)用有限元模擬的方法研究了各向同性彈性膜基底體系的加載曲線指數(shù)與材料力學(xué)參數(shù)、壓痕深度的關(guān)系。定量地將膜基體系壓痕過(guò)程中的基底效應(yīng)與加載曲線指數(shù)相聯(lián)系,定義了一個(gè)表征基底效應(yīng)影響的因子。通過(guò)結(jié)合納米壓痕實(shí)驗(yàn),在反向分析中利用加載曲線指數(shù)確定了薄膜材料的楊氏模量。
　　2.在考慮基底效應(yīng)的情況下,提出了一種確定橫觀各向同性薄

3、膜材料彈性力學(xué)參數(shù)的方法。在正向分析中,對(duì)于一般的不考慮壓電效應(yīng)的橫觀各向同性薄膜材料,通過(guò)無(wú)量綱分析和有限元模擬得到了最大加載力、加載曲線指數(shù)與薄膜材料彈性力學(xué)參數(shù)之間的無(wú)量綱方程。在反向分析中,通過(guò)納米壓痕實(shí)驗(yàn)得到沉積在硅基底上ZnO薄膜材料的壓痕曲線,將實(shí)驗(yàn)壓痕曲線中的最大加載力和加載曲線指數(shù)代入正向分析過(guò)程中建立的無(wú)量綱方程,求解得到了在不考慮壓電效應(yīng)時(shí)ZnO薄膜材料的彈性力學(xué)參數(shù)。
　　3.考慮橫觀各向同性壓電薄膜材料在

4、壓痕過(guò)程中的壓電效應(yīng)和基底效應(yīng),將壓電系數(shù)和介電系數(shù)作為有限元模擬中的已知參數(shù),在正向分析中建立了考慮壓電效應(yīng)情況下的最大加載力、加載曲線指數(shù)與薄膜材料彈性力學(xué)參數(shù)之間的無(wú)量綱方程。在反向分析中,利用ZnO薄膜材料的納米壓痕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將加載曲線的最大加載力和加載曲線指數(shù)代入正向分析中建立的無(wú)量綱方程,求解得到考慮壓電效應(yīng)情況下的ZnO薄膜材料的彈性力學(xué)參數(shù),通過(guò)與不考慮壓電效應(yīng)時(shí)的結(jié)果相對(duì)比,發(fā)現(xiàn)考慮壓電效應(yīng)時(shí)的結(jié)果更合理。
　　

5、4.在考慮基底效應(yīng)的情況下,提出了一種確定橫觀各向同性壓電薄膜材料壓電系數(shù)的方法。在正向分析中,當(dāng)彈性剛度系數(shù)已知時(shí),通過(guò)無(wú)量綱分析和有限元模擬得到了橫觀各向同性壓電薄膜材料壓痕過(guò)程中的最大加載力、加載曲線指數(shù)與壓電系數(shù)之間的無(wú)量綱方程。在反向分析中,通過(guò)納米壓痕實(shí)驗(yàn)得到了沉積在硅基底上ZnO和PZT-6B薄膜材料的壓痕曲線,將實(shí)驗(yàn)曲線中的最大加載力和加載曲線指數(shù)代入正向分析中建立的無(wú)量綱方程,求得了ZnO和PZT-6B薄膜材料的壓電系