微納米力學(xué)及納米壓痕表征技術(shù)

1、微納米力學(xué)及納米壓痕表征技術(shù)摘要：微納米力學(xué)為微納米尺度力學(xué)即特征尺度為微納米之間的微細(xì)結(jié)構(gòu)所涉及的力學(xué)問(wèn)題[1]。納米壓痕方法是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制載荷連續(xù)變化，并在線(xiàn)監(jiān)測(cè)壓深量[2]，適用于微米或納米級(jí)的薄膜力學(xué)性能測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)采用Oliver–Pharr方法研究了Al2O3薄膜，附著在ZnS基底，得到了Al2O3薄膜的力學(xué)性能。關(guān)鍵詞：微納米力學(xué)納米壓痕楊氏模量硬度0引言近年來(lái)隨著工業(yè)的現(xiàn)代化、規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化以及高新技術(shù)和國(guó)防技術(shù)的發(fā)展

2、對(duì)各種材料表面性能的要求越來(lái)越高。20世紀(jì)80年代現(xiàn)代表面技術(shù)被國(guó)際科技界譽(yù)為最具發(fā)展前途的十大技術(shù)之一。薄膜、涂層和表面處理材料的極薄表層的物理、化學(xué)、力學(xué)性能和材料內(nèi)部的性能常有很大差異這些差異在摩擦磨損、物理、化學(xué)、機(jī)械行為中起著主導(dǎo)作用如計(jì)算機(jī)磁盤(pán)、光盤(pán)等要求表層不但有優(yōu)良的電、磁、光性能而且要求有良好的潤(rùn)滑性、摩擦小、耐磨損、抗化學(xué)腐蝕、組織穩(wěn)定和優(yōu)良的力學(xué)性能。因此世界各國(guó)都非常重視材料的納米級(jí)表層的物理、化學(xué)、機(jī)械性能及其

3、檢測(cè)方法的研究。[3]同時(shí)隨著材料設(shè)計(jì)的微量化、微電子行業(yè)集成電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化傳統(tǒng)材料力學(xué)性能測(cè)試方法已難以滿(mǎn)足微米級(jí)及更小尺度樣品的測(cè)試精度不能夠準(zhǔn)確評(píng)估薄膜材料的強(qiáng)度指標(biāo)和壽命另外在材料微結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域中材料研究尺度逐漸縮小材料的變形機(jī)制表現(xiàn)出與傳統(tǒng)塊狀材料相反的規(guī)律以上趨勢(shì)要求測(cè)試儀器具有高的位置分辨率、位移分辨率和載荷分辨率納米壓痕方法能夠滿(mǎn)足上述測(cè)試需求。[4]現(xiàn)在，薄膜的厚度己經(jīng)做到了微米級(jí)甚至于納米級(jí)對(duì)于這樣的薄膜用傳統(tǒng)的材

4、料力學(xué)性能測(cè)試方法己經(jīng)無(wú)法解決。納米壓痕試驗(yàn)方法是一種在傳統(tǒng)的布氏和維氏硬度試驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新的力學(xué)性能試驗(yàn)方法。它通過(guò)連續(xù)控制和記錄樣品上壓頭加載和卸載時(shí)的載荷和位移數(shù)據(jù)并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而得出材料的許多力學(xué)性能指標(biāo)壓痕深度可以非常淺，壓痕深度在納米范圍也可以得到材料的力學(xué)性能，這樣該方法就成為薄膜、涂層和表面處理材料力學(xué)性能測(cè)試的首選工具如薄膜、涂層和表面處理材料表面力學(xué)性能測(cè)試等。1納米力學(xué)簡(jiǎn)介1.4納米材料的特殊性質(zhì)特殊的

5、光學(xué)性質(zhì)是指所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，因?yàn)榻饘俪㈩w粒對(duì)光的反射率很低，通?？傻陀趌％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。特殊的熱學(xué)性質(zhì)是指固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10nm量級(jí)時(shí)尤為顯

6、著。特殊的磁學(xué)性質(zhì)是指小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80Am，而當(dāng)顆粒尺寸減小到20nm以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6nm時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，可制作高貯存密度的磁記錄磁粉，應(yīng)用于磁帶、磁卡以及磁性鑰匙等。特殊的力學(xué)性質(zhì)是指因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出

7、甚佳的韌性與一定的延展性。1.5表面效應(yīng)對(duì)納米材料的影響納米粒子的表面原子所處的晶體場(chǎng)環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同，存在許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，因而極易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定，具有很高的化學(xué)活性。當(dāng)顆粒細(xì)化時(shí)，粒子逐漸減小時(shí)，總表面積急劇增大，比表面積相應(yīng)的也急劇加大。由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合而表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性納米粒子的表面原子所處的位場(chǎng)環(huán)境及

8、結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同，如存在許多懸空鍵，配位嚴(yán)重不足，具有不飽和性質(zhì)，因而極易與其它原子結(jié)合而趨于穩(wěn)定，所以具有很高的化學(xué)活性。2納米壓痕實(shí)驗(yàn)原理及方法2.1納米壓痕實(shí)驗(yàn)原理為了便于理論分析通常用一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)壓頭作為納米壓痕試驗(yàn)的理論模型圖2一3為試驗(yàn)過(guò)程中壓痕剖面變化的示意圖。當(dāng)壓頭壓入試樣后壓頭附近的材料首先產(chǎn)生彈性變形隨著載荷的增加試樣開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形樣品中出現(xiàn)一個(gè)與壓頭形狀匹配的壓痕壓痕的接觸深度為h。接觸圓半徑為a。當(dāng)壓頭卸