銅、單晶硅與鎳鈦形狀記憶合金的徑向納動(dòng)研究.pdf

1、納動(dòng)是指相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值在納米量級(jí)的特殊摩擦運(yùn)動(dòng)方式，其位移幅值和載荷通常遠(yuǎn)低于微動(dòng)。納動(dòng)可造成接觸表面的損傷，在微機(jī)電系統(tǒng)中可以引起一些微器件失效，進(jìn)而導(dǎo)致微機(jī)電系統(tǒng)使用壽命降低。而徑向納動(dòng)是納動(dòng)的主要運(yùn)行方式，廣泛存在于微機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)梁、薄膜、鉸鏈、微型軸承及微型彈簧等主要構(gòu)件中。因此，隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，其納動(dòng)損傷問題很可能成為繼微觀磨損及粘著破壞之后又一關(guān)鍵摩擦學(xué)問題。 本文在納米壓痕儀上，研究了微機(jī)電系統(tǒng)典型材料銅

2、、單晶硅與鎳鈦形狀記憶合金在不同載荷和循環(huán)次數(shù)下的徑向納動(dòng)運(yùn)行機(jī)制。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、納米壓痕儀、原子力顯微鏡(AFM)等設(shè)備對(duì)樣品表面的納動(dòng)損傷形貌進(jìn)行了測試，分析了其納動(dòng)損傷。詳細(xì)地研究了在同一載荷、不同循環(huán)次數(shù)下微機(jī)電系統(tǒng)的四種典型材料的納動(dòng)損傷情況，重點(diǎn)研究了單晶硅和鎳鈦形狀記憶合金中應(yīng)力誘發(fā)相變對(duì)其徑向納動(dòng)運(yùn)行及損傷的影響。本論文的主要結(jié)論如下： 1．在使用Berkovich壓頭進(jìn)行高載下的徑向納動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，

3、銅、單晶硅與鎳鈦形狀記憶合金殘余壓痕深度隨著納動(dòng)循環(huán)次數(shù)的增加急劇減小；納動(dòng)循環(huán)中載荷-位移曲線在閉合前表現(xiàn)為遲滯環(huán)；材料在首次納動(dòng)循環(huán)中耗散的能量最大，其后逐漸減小并趨于穩(wěn)定；材料的接觸剛度、彈性模量和在最初幾次納動(dòng)循環(huán)中增加較快，其后變化趨于平緩。 2．在使用球形壓頭進(jìn)行低載下的徑向納動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，超彈鎳鈦合金加載時(shí)發(fā)生奧氏體的彈性變形與奧氏體到馬氏體的相變，卸載后變形幾乎完全恢復(fù)，表現(xiàn)為典型的超彈效應(yīng)。形狀記憶鎳鈦合金在首次循

4、環(huán)發(fā)生奧氏體的彈性變形奧氏體到馬氏體相變，但與超彈鎳鈦合金不同，在卸載過程中沒有發(fā)生馬氏體到奧氏體的逆相變，表現(xiàn)出典型的形狀記憶效應(yīng)。分析表明兩種形狀記憶材料的壓痕力～位移曲線與其拉伸應(yīng)力～應(yīng)變曲線有很好的一致性。 3．在兩種不同壓頭的徑向納動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，四種材料的徑向納動(dòng)損傷表現(xiàn)出各自的特點(diǎn)。多晶銅的納動(dòng)損傷主要表現(xiàn)為壓痕邊緣的皺褶堆積，而單晶硅納動(dòng)損傷的主要特點(diǎn)是塑性區(qū)邊界裂紋的萌生與擴(kuò)展。銅、單晶硅與鎳鈦形狀記憶合金的壓痕投影