納米壓入技術(shù)中基底和針尖效應(yīng)的研究.pdf

1、納米壓痕技術(shù)由于具有試樣制備簡單、操作方便以及高重復(fù)性的測(cè)量結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，目前已成為微納計(jì)量、材料科學(xué)和表面科學(xué)中檢測(cè)和表征微觀力學(xué)性能的主要手段之一。 本文在國家自然科學(xué)基金(No．50335050)和863基金(No．2006AA04Z311)的資助下完成。論文主要從薄膜基底和針尖尺寸效應(yīng)兩個(gè)方面研究了納米壓入技術(shù)中對(duì)測(cè)量結(jié)果的可靠性影響的重要問題。 本論文的主要研究內(nèi)容和成果包括以下幾個(gè)方面： 首先

2、，利用有限元方法探討了薄膜/基底體系中材料的力學(xué)性能對(duì)納米壓入測(cè)量結(jié)果的影響。針對(duì)軟膜在硬基底(軟膜/硬基)和硬膜在軟基上(硬膜/軟基)兩種結(jié)構(gòu)體系，研究了薄膜和基底在壓頭壓入過程中的彈塑性變形行為及其演化過程。分析了不同力學(xué)性能的膜/基體系材料及薄膜厚度對(duì)硬度測(cè)量結(jié)果的影響。在此基礎(chǔ)上，闡述了引起這種基底效應(yīng)行為的作用機(jī)理。該工作對(duì)納米壓入技術(shù)檢測(cè)方法和評(píng)估膜類結(jié)構(gòu)材料的微觀力學(xué)性能以及對(duì)測(cè)量結(jié)果的可靠性分析都有著重要意義。

3、其次，通過理論和數(shù)值分析的方法探討了納米壓入過程中非理想壓頭尖端曲率半徑的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，結(jié)果表明對(duì)于不同曲率半徑的針尖，硬度的測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)引起這種針尖尺寸效應(yīng)的作用機(jī)理做出了分析和解釋；理論推導(dǎo)出了一個(gè)硬度與曲率半徑和壓入深度關(guān)系的半經(jīng)驗(yàn)公式。另外，利用數(shù)值分析還得到了不同曲率半徑的壓頭壓入過程中材料的彈塑性變形場的分布及其演化過程。分析結(jié)果表明，引起針尖尺寸效應(yīng)的主要原因是由于壓頭尖端曲率半徑的

4、存在導(dǎo)致對(duì)壓入過程中接觸深度的估計(jì)過低。另外，不同曲率半徑的壓頭引起壓頭下方彈塑性變形場的分布有所不同，這種由于壓頭幾何形狀的非相似性導(dǎo)致材料變形場的非相似性對(duì)這種針尖尺寸效應(yīng)也有一定的影響。 再次，利用納米壓入技術(shù)、原子力顯微鏡(AFM)和X射線衍射分析技術(shù)(XRD)實(shí)驗(yàn)研究了射頻式(RF)磁控濺射多晶氧化鋅(ZnO)薄膜在軟、硬不同基底上的力學(xué)特性；分析了不同退火溫度對(duì)膜的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于磁控濺射