基于ABAQUS仿真的薄膜納米力學(xué)性能研究.pdf

1、在微納米科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天,薄膜作為制作MEMS器件的重要基礎(chǔ)材料,殘余應(yīng)力和基底的存在對(duì)其力學(xué)性能影響很大,而這將直接影響器件的壽命及穩(wěn)定性,因此,基底和殘余應(yīng)力對(duì)薄膜的力學(xué)性能影響問(wèn)題成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。論文以兩種不同硬基底和同一種軟薄膜構(gòu)成的軟膜硬基系統(tǒng)為對(duì)象,利用ABAQUS軟件,對(duì)試樣的納米壓痕過(guò)程進(jìn)行仿真,研究等二軸殘余應(yīng)力和基底對(duì)薄膜納米力學(xué)性能的影響,并與薄膜同材料的塊體材料進(jìn)行了對(duì)比研究。
　　 首先,基于

2、ABAQUS仿真軟件建立了一個(gè)膜/基試樣的幾何模型、施加了邊界條件和溫度場(chǎng),使等二軸殘余應(yīng)力σr與材料初始屈服應(yīng)力σy的比值σr/σy為1,模擬了該試樣的納米壓痕過(guò)程,得到了壓痕過(guò)程中Mises應(yīng)力云紋圖及載荷一深度曲線。
　　 其次,針對(duì)三個(gè)試樣模型,依次施加σr/σy為0和±1的等二軸殘余應(yīng)力,對(duì)壓頭依次施加100～300nm間隔為25nm的位移載荷,結(jié)果表明,薄膜的殘余壓入深度hf、接觸深度hc、規(guī)范化加載載荷C、剛度S和

3、彈性模量E隨基底的彈性模量增加而增大,而薄膜的硬度H無(wú)明顯變化。Hc、C、S、H和E在σr/σy=-1時(shí)最大,在σr/σy=1時(shí)最小;而hf的結(jié)果與之相反。薄膜的hf、hc,C、S、H和E隨壓深的增加呈規(guī)律性變化并受應(yīng)力狀態(tài)的影響。
　　 最后,討論了恒定載荷作用下應(yīng)力狀態(tài)σr/σy與薄膜的壓痕特性和力學(xué)性能之間的關(guān)系,結(jié)果表明:在σr/σy從-1變化至1的過(guò)程中,hf線性遞增;hc和S線性遞減;C呈近似拋物線狀遞減;日呈遞減趨