薄膜厚度对Si基SiO2薄膜力学性能的影响

为了研究薄膜厚度对Si基SiO_2薄膜力学性能的影响规律,利用纳米压痕技术及有限元模拟方法对不同厚度的Si基SiO_2薄膜材料进行测试,分析了不同厚度薄膜的硬度及弹性模量等力学性能,讨论了不同压深膜厚比对不同厚度薄膜弹性恢复率的影响,并在试验的基础上,建立了有限元模型,模拟了不同厚度薄膜在相同压深下的载荷位移关系,分析了薄膜的弹性恢复性能。结果表明:SiO_2薄膜越厚其弹性模量越小,而薄膜的硬度在薄膜较薄时压痕的尺寸效应更明显,并利用模拟进一步分析得出薄膜越薄弹性恢复性能越好。     

表面纳米化对316L不锈钢干摩擦性能的影响

目的研究表面纳米化316L不锈钢干摩擦磨损性能,以获得合理的喷丸时间,提高316L不锈钢的使用寿命。方法采用普通喷丸强化方法对316L不锈钢进行表面纳米化处理,利用洛氏硬度计测量了纳米化前后材料表面洛氏硬度;利用激光共聚焦显微镜观察了纳米化前后材料表面三维形貌,测量了材料表面的粗糙度;利用扫描电子显微镜观察了表面纳米化处理后横截面的金相组织;利用材料表面性能综合测试仪在干摩擦条件下进行了摩擦磨损实验,测量了材料的摩擦系数;利用扫描电子显微镜观察了磨痕表面形貌,分析了材料的磨损机理。结果与未纳米化试样相比,喷丸时间为15 min时,表面硬度提高9.7%,而表面粗糙度降低17.6%,干摩擦系数降低17.3%;喷丸时间为30 min时,表面硬度提高34.1%,粗糙度降低35.1%,干摩擦系数降低28.8%。未纳米化试样呈现典型的粘着磨损和磨粒磨损机制,而纳米化处理后试样则主要呈现疲劳磨损和磨粒磨损机制。结论表面纳米化处理后试样表面硬度随处理时间的增加而增加,粗糙度随处理时间的增加而降低,干摩擦系数随处理时间的增加而减小。喷丸处理时间较短时以疲劳磨损为主,处理时间较长时以磨粒磨损为主。     

SEM环境下纤维推出技术结合电子束云纹技术表征复合材料界面细观力学性能

纤维推出技术是研究复合材料界面细观力学性能的常用方法。本文将该方法在SEM环境下与电子束云纹技术相结合开发一套基于SEM环境下的纤维推出实验系统。利用该系统测试了SiC/Ti-15-3复合材料的界面剪切强度、摩擦应力、摩擦系数及残余应力分布等细观力学性能。结果表明:对于厚度为500 μm的SiC/Ti-15-3复合材料界面剪切强度为35 MPa,摩擦应力为32.8 MPa,纤维与界面间的摩擦系数为0.082,径向残余应力为?400 MPa。该系统在SEM环境可以实现直径为几微米的纤维推出,扩展了纤维推出技术的应用范围,提高了纤维推出过程的对准精度,减小了测量误差。并且与电子束云纹技术相结合,实时测量纤维推出后界面残余应力分布情况,为复合材料界面的设计、评估及优化提供必要的实验方法。      

基于纳米划痕的电子束光刻胶微观力学性能研究

目的 研究不同厚度的ZEP-520电子束光刻胶胶层的韧性以及其与衬底间的结合强度等力学性能,为解决光刻胶层在使用过程中的开裂及脱落问题提供实验支持.方法 利用纳米划痕技术对不同厚度下的ZEP-520电子束光刻胶进行了划痕测试,分析了光刻胶开始破损和完全脱粘时的临界载荷,研究了胶层厚度与光刻胶韧性的定量关系,并以光刻胶胶层与硅基底的结合能评价了其结合强度.此外,在厚度为587 nm的光刻胶胶层上,利用电子束曝光技术成功制备了频率为10000线/mm的高质量正交光栅,采用几何相位分析法对栅格间距误差进行了定量表征.结果 ZEP-520光刻胶胶层的韧性、结合力以及结合能均随胶层厚度的增加而增加,结合能在光刻胶胶层厚度大于529 nm时,趋于定值0.17 J/m2.利用几何相位分析法测得所制备的光栅间距误差在1.3％以内,并且未存在开裂以及脱粘等现象.结论 在ZEP-520电子束光刻胶胶层微纳米成形过程中,适当增加光刻胶胶层厚度可以有效增强胶层韧性和其与衬底之间的结合力,缓解光刻胶胶层在使用过程中出现裂纹与脱落的现象.     

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金纳米压痕蠕变研究

目的研究原始态和退火态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的室温压痕蠕变特性。方法利用光学显微镜观察原始态和退火态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的显微组织。基于纳米压痕技术结合恒载荷法,测量原始态和退火态合金在室温下的最大压痕深度、蠕变位移和蠕变速率敏感指数等压痕蠕变参数,并分析两种状态下合金的蠕变机理。结果原始态合金的显微组织几乎全为α相,退火态合金的显微组织为网篮组织。荷载分别为200、300、400 mN时,加载阶段原始态合金的最大压痕深度比退火态合金的最大压痕深度分别提高43%、42%、34%;保载阶段,原始态合金的蠕变位移比退火态合金的蠕变位移分别提高129%、128%、139%。原始态合金的蠕变速率敏感指数m值分别为0.054、0.050、0.046,退火态合金的m值分别为0.041、0.032、0.022,相同荷载下原始态的m值均大于退火态的m值。结论退火处理形成的网篮组织,使退火态合金的蠕变速率敏感指数m值降低,从而使其蠕变抗力增强。原始态和退火态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的蠕变机理均为位错蠕变。     

(0001)面氧化锌单晶微纳米尺度划痕特性实验研究

目的 对(0001)面ZnO单晶微纳米尺度划痕特性进行实验研究,为ZnO单晶器件性能提升及ZnO单晶精密加工工艺优化等提供必要的科学依据。方法 采用Berkovich金刚石压头棱向前和面向前2种划痕方式,在不同划痕速度下对(0001)面ZnO单晶进行了纳米划痕实验,分析了划痕速度和划痕方式对其微纳米尺度划痕特性的影响。结果 当划痕速度从2 µm/s增加到100 µm/s时,棱向前划痕方式下的深度从352.9 nm降到了326.9 nm,面向前划痕方式下的深度从352.7 nm降到了289.9 nm;棱向前划痕方式下的切向力从4.15 mN降到了3.93 mN,面向前划痕方式下的切向力从5.12 mN降到了4.45 mN;棱向前划痕方式下的摩擦因数从0.21降到了0.19,面向前划痕方式下的摩擦因数从0.25降到了0.2;棱向前划痕方式下的残余划痕深度从162.2 nm降到了138.4 nm,面向前划痕方式下的残余划痕深度从148.3 nm降到了129.9 nm;棱向前划痕方式下的残余划痕两侧塑性堆积高度从23 nm降到了17 nm,面向前划痕方式下的残余划痕两侧塑性堆积高度从18 nm降到了11 nm。结论 随划痕速度的增加,(0001)面ZnO单晶的划痕深度、切向力、摩擦因数、残余划痕深度及划痕两侧塑性堆积高度均在下降。在相同划痕速度下,棱向前划痕方式下的划痕深度、残余划痕深度及划痕两侧塑性堆积高度都比面向前划痕方式下的要大,而棱向前划痕方式下的切向力和摩擦因数都比面向前划痕方式下的要小。     

力、热载荷作用下纤维在复合材料中的界面应力传递行为

采用三维光弹性实验应力分析和有限元计算两种方法,在拉拔载荷和热残余应力联合作用下,对单丝拔出树脂基复合材料三维冻结切片界面剪应力进行了研究。实验结果和计算表明,在单纤维与基体界面的埋入端及埋入末端附近出现界面残余剪应力的极值;力、热载荷作用下纤维界面剪应力呈抛物线分布,单丝埋入端附近是应力的主要传递区域,最先达到危险应力,出现界面脱胶破坏,然后剪应力沿纤维埋入长度由纤维埋入端附近向埋入末端逐渐传递;界面热残余应力对界面剪应力的影响是使纤维埋入末端应力集中程度降低,使界面剪应力最大值增大。      

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金纳米压痕尺寸效应分析

在微纳观尺度下分析纳米压痕的尺寸效应,可以为研究激光选区熔化合金材料的力学性能提供较为客观的试验依据。使用准静态法对激光选区熔化制备的原始态和退火态Ti-6Al-4V合金进行了纳米压痕试验,并根据Meyer模型和比例试样阻力模型对Ti-6Al-4V合金的载荷和接触深度进行了函数拟合。结果表明:最大载荷分别为200、300、400mN时,原始态合金的硬度分别为3.64、3.71、3.94GPa,退火态合金的硬度分别为7.48、7.43、6.84GPa;拟合结果表明原始态合金呈逆压痕尺寸效应(RISE),退火态合金呈正压痕尺寸效应(ISE);比例试样阻力模型在退火态可以很好地预测合金的硬度;晶界是否连续是原始态和退火态合金产生两种不同类型压痕尺寸效应的主要原因。     

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的微纳压痕尺寸效应

目的 研究不同状态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的纳米压痕尺寸效应。方法 对原始态合金分别进行600、700、800、900℃退火处理,利用扫描电子显微镜观察原始态和4种退火态合金的显微组织。基于纳米压痕技术测量原始态及4种退火态合金的纳米硬度和弹性模量。基于比例试样阻力模型、Nix-Gao模型和Meyer定律对纳米硬度进行函数拟合。结果 随着退火温度的升高,原始态组织从魏氏体逐渐演变为网篮组织。5种形态的Ti-6Al-4V合金的硬度和弹性模量均出现随压入深度的增加而减小的现象,表现出典型的压痕尺寸效应,基于试验测得的原始态及4种退火态合金的纳米硬度分别为3.66、4.36、3.96、3.88、4.77 GPa,弹性模量分别为113.1、125.2、102.1、100.3、108.7 GPa;基于比例试样阻力模型计算的纳米硬度分别为3.53、4.34、3.92、3.52、4.04 GPa;基于Nix-Gao模型计算的纳米硬度分别为3.68、3.94、4.07、3.85、4.47 GPa;基于Meyer定律拟合出的迈耶指数分别为1.75、1.86、1.82、1.80、1.81,均小于...     

应用纳米压痕技术研究表面纳米化后316L不锈钢力学性能

316L不锈钢经表面纳米化(SNC)处理后,表面形成一层纳米层。样品表面晶粒细化至纳米级大约12nm左右,随着深度的增加,晶粒尺寸逐渐增大。该文应用纳米压痕技术分析了纳米层力学性能,结果表明:纳米层的纳米硬度和弹性模量分别为6.05GPa和227GPa,是基体硬度和弹性模量的1.4倍和1.2倍。随距表面距离的增加而降低,并逐步趋近于一个稳定值。同时测得纳米层的应变硬化指数为0.44为基体的1.5倍。