不同接觸尺度下單晶硅的摩擦磨損性能研究.pdf

1、隨著納米科技的發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical system，MEMS)在汽車、航空航天、通訊、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等方面具有越來越廣闊的應(yīng)用前景。由于尺寸效應(yīng)，MEMS存在的摩擦學(xué)問題不容忽視?；谄鋬?yōu)異的物理與機(jī)械性能，單晶硅已成為制造MEMS的典型結(jié)構(gòu)材料。因此，研究晶面取向和滑動(dòng)速度對(duì)單晶硅的摩擦磨損規(guī)律對(duì)于MEMS的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。此外，單晶硅的超光滑表面制造在超大規(guī)模集成電路、光傳輸、信

2、息存儲(chǔ)、國防等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。該制造過程主要涉及切削、研磨和拋光等，而加工速度對(duì)加工質(zhì)量和加工效率有很大影響。因此，開展單晶硅磨損的基礎(chǔ)研究，無論對(duì)于指導(dǎo)MEMS的摩擦學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及提高單晶硅超光滑表面的加工效率，都有十分重要的意義。
　　本文分別采用納米劃痕儀和液壓伺服磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，系統(tǒng)地研究了不同接觸尺度下晶面取向和滑動(dòng)速度對(duì)單晶硅損傷的影響；結(jié)合原子力顯微鏡(AFM)、激光共聚焦顯微鏡(LCSM)、光學(xué)顯微鏡(OM)和雙

3、模式3D形貌儀(AEP，NanoMap-D)等儀器，深入地分析了單晶硅在不同階段的損傷特征。最后，對(duì)宏微觀下單晶硅的損傷特征進(jìn)行比較。所得出的主要結(jié)論如下：
　　(1)在微觀單點(diǎn)接觸條件下，三種不同晶面取向的單晶硅在低載下的損傷均表現(xiàn)為隆起，其中Si(100)的隆起高度最高，Si(111)隆起最低。隨著載荷增加，單晶硅的損傷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘疾?，晶面取向?qū)τ趩尉Ч璧膿p傷影響不大。
　　(2)單晶硅在不同接觸尺度下的損傷強(qiáng)烈地依賴于

4、滑動(dòng)速度。在微觀單點(diǎn)接觸條件下，滑動(dòng)速度越高，低載下單晶硅表面所形成的凸結(jié)構(gòu)越低；高載下接觸區(qū)材料的塑性變形更加困難，劃痕深度越淺。在宏觀多點(diǎn)接觸的摩擦過程中，單晶硅的磨損過程同時(shí)伴隨犁溝、疲勞和氧化?；瑒?dòng)速度越高，單晶硅表面裂紋萌生得越多，擴(kuò)展地越長(zhǎng)，產(chǎn)生的磨屑越細(xì)，單晶硅表面的磨損量越少。
　　(3)單晶硅在不同接觸尺度下表現(xiàn)出不同的磨損特征。在微觀的單點(diǎn)接觸條件下，單晶硅的損傷隨載荷的增加主要表現(xiàn)為隆起向溝槽的轉(zhuǎn)變；在宏觀的