SiN_x薄膜在纳米压痕下的变形和断裂行为

利用磁控溅射方法在Si(111)衬底上制备了厚度为1μm的非晶SiN_x薄膜,采用纳米压痕方法研究了薄膜的变形和断裂行为。傅立叶变换红外光谱显示实验获得了较为纯净的SiN_x薄膜。SiN_x薄膜在纳米压痕下呈现出放射状的脆性断裂特征,随着压入深度的增大,放射状裂纹的长度逐渐增加。最大压入深度达到1 500nm时,薄膜和衬底间出现了扇形的界面断裂,并且这一界面断裂是在卸载过程中发生的。到最大压入深度达到2 500nm时,原位原子力显微镜照片可以清晰的观察到界面断裂及放射状裂纹。界面断裂韧性计算结果表明,SiN_x薄膜和Si(111)衬底间易形成脆性较大的共价结构界面,这是其界面断裂韧性较小的原因。     

基于纳米试验技术的薄膜/基体体系显微力学性能表征

采用纳米压痕能够获得薄膜硬度、模量、膜层状态、粘接性能、断裂韧性等力学性能.纳米划痕可以表征薄膜/基体的表面状况、结合力、耐磨损等性能.纳米冲击可以研究薄膜/基体的脆韧性、失效机理等力学行为.综述了纳米压痕、纳米划痕及纳米冲击在薄膜/基体体系力学性能表征中的应用原理.     

硬质膜层开裂致韧性基体损伤研究进展

一直以来,硬质膜层被广泛地应用于改善金属基体表面性能,保护其不受恶劣环境的影响,以达到延长其服役寿命的目的。但是,研究发现硬质膜层的开裂会导致韧性金属基体的开裂,这将严重威胁到金属承载结构件的安全。因而,有必要了解、认识其规律,并揭示损伤机制,为制定相应的解决方案提供依据。综述了膜致韧性基体开裂的来源、机理以及相应的可行解决措施。脆性膜层与韧性基体的短程交互作用以及脆性膜层的开裂所提供的快速运动的裂纹是导致韧性基体低应变下脆性开裂的关键原因。降低硬质膜层开裂的可能性或裂纹在膜层中的运动速度以及减少膜与基体之间的不匹配,有助于减缓膜致韧性基体开裂这一现象的发生。     

平头压痕试验确定薄膜弹塑性参数的研究

本文研究用平头压痕试验确定薄膜-基体材料中薄膜材料弹塑性参数的可行性,重点研究了薄膜材料的屈服强度和硬化模量的确定方法.利用有限元(FEM)进行了模拟计算,给出了平头压痕下典型的等应力分布,以及载荷-压入深度的曲线.通过对载荷-压入深度曲线的研究,给出了通过平头压痕试验确定薄膜屈服强度和薄膜硬化模量的方法.     

残余应力对压头诱导的硬质薄膜/韧性基底材料体系界面分层机制的影响

硬质薄膜在工程应用中经常承受高载荷作用。在接触载荷下,薄膜/基底体系通常产生剪切分层破坏和法向分层破坏,并直接影响材料的可靠性。硬质薄膜中较大的残余应力对界面分层破坏影响不容忽视。该文基于内聚力模型,采用有限元方法模拟残余应力对压头诱导的硬质薄膜/韧性基底界面分层破坏的影响规律;给出在不同残余应力下薄膜/基底界面分层破坏时的临界压入深度以及临界载荷;获得考虑残余应力时硬质薄膜/韧性基底界面分层破坏失效图,进而对薄膜材料的工程应用和采用压痕法测量界面结合性能提供指导。     

几种单晶半导体材料在压痕下的变形与断裂行为比较

采用显微压痕方法研究了Si、Ge、GaAs和InP四种半导体单晶的变形与断裂行为.通过测量[100]取向单晶体面内的显微硬度,裂纹开裂的临界压痕尺寸以及断裂韧性,分析了这四种材料力学性能的面内各向异性行为.结果表明:在压痕载荷的作用下,Si和Ge的塑性变形以剪切断层为主,而GaAs和InP则通过滑移系的开动协调变形.[100]取向的Si、Ge、GaAs和InP四种单晶的面内显微硬度、弹性模量和断裂韧性表现出不同程度的各向异性.裂纹长度与压痕尺寸间的关系表明,与GaAs和InP相比,Si、Ge具有较小的临界压痕尺寸和拟合直线斜率,这一临界压痕尺寸和拟合直线斜率的变化规律分别与材料的硬度和断裂韧性的变化规律一致.     

维氏压痕对常压固相烧结碳化硅陶瓷材料力学性能的影响

为了研究维氏压痕裂纹对常压固相烧结碳化硅陶瓷(SSiC)材料力学性能的影响, 通过扫描电镜观察了0.1~100 N的压痕载荷下产生的表面裂纹及裂纹剖面的状况, 并测试了相应载荷下的力学性质, 探讨了压痕法测量SSiC材料硬度、韧性等力学性质的适当压力载荷. 结果表明, SSiC材料压痕裂纹起始的临界压力载荷介于0.1~0.2 N; 当压痕载荷小于0.5 N时, 裂纹尺寸小于5 μm, SSiC材料的平均弯曲强度受影响程度较小. 此外, 当压痕载荷为10 N以上时, 压痕法测得的维氏硬度值趋近定值, 且所得到的裂纹是半圆形裂纹, 因此, 10 N为采用压痕法准确测量SSiC材料硬度及韧性的最低压痕载荷值.     

一种钠钙硅酸盐玻璃的纳米压痕测试分析

采用纳米压痕测试技术对一种钠钙硅酸盐玻璃进行微观力学性能的测试分析.测得加载-卸载过程载荷与压入深度曲线,发现被测玻璃的最大压深、残余深度和弹性回复量随最大加载力的增加而增大,但其相对弹性回复率系数基本稳定,平均值为58.2%.通过电子显微镜观察了不同最大载荷下的压痕形貌,发现压痕区域出现了边界沉陷现象.当最大加载力为1 000 mN左右时,三棱锥工具头测试的压痕区域出现了较明显的微裂纹;采用四棱锥工具头时出现微裂纹的最大加载力要小于该值,且裂纹取向均与金刚石工具头的棱角取向一致.利用非线性有限元软件MSC.Marc对纳米压痕过程进行了仿真分析,得到载荷与压入深度的仿真曲线,该曲线与试验结果基本相符;分析了载荷作用下材料内部的应力分布.利用Oliver-Pharr模型得到不同压入深度下被测玻璃的接触刚度值,该值随压入深度的增加而增大.     

基于原位纳米力学测试系统的单晶硅微观机械性能实验

在纳米硬度计上对单晶硅进行了微压痕测试实验,以对单晶硅的微观力学性能有所认识。微压痕测试表明:单晶硅的弹性模量在压入载荷小于2400μN的范围内随载荷变化而波动变化;而在压入载荷大于2400μN后保持相对的稳定值(约为214GPa);单晶硅的表面硬度在压入载荷小于1000μN的范围内随载荷变化而线性增大,而后突然降低并保持相对的稳定值(13.5GPa~15GPa);单晶硅在纳米压入过程中,材料的破坏形式为脆性破裂,并且随压入载荷的增大而在压痕边沿产生堆积,堆积程度亦逐渐增大。     

ZrAlN薄膜的硬度和韧性与相结构的关系

Al在ZrN薄膜中的存在形式与Al含量密切相关,由此导致ZrAlN薄膜的韧性改变。本文发现了一定成分的ZrAlN薄膜同时具备高硬度和高韧性的现象。采用磁控溅射技术在钛合金和单晶Si上沉积不同Al含量的ZrAlN薄膜,测试了硬度(H)、弹性模量(E)和断裂韧性(KIC),表征了微观组织、相结构,阐明了性能变化机理。采用纳米压入仪测试H和E;压入法及小能量多冲法评价了KIC;采用场发射扫描电镜(FESEM)观察截面形貌,X射线衍射(XRD)分析物相结构。实验发现:当向Zr N薄膜(18.9 GPa)中加入5at%,23at%,47at%和63at%Al后,对应硬度分别是24.5,40.1,17.1和19.1 GPa;对应断裂韧性分别是1.47,3.17,1.13和1.58 MPa·m-0.5,即23at%Al的薄膜同时具备最高的硬度(40.1 GPa)和最高的韧性(3.17 MPa·m-0.5)。XRD表明,5at%和23at%Al固溶到Zr N晶粒中,形成Na Cl型面心立方(FCC)结构,而47at%和63at%Al则形成纤锌矿密排六方(HCP)Al N第二相。采用两种方法定量地评价了薄膜的韧性。     

用涂层压入仪测定薄膜与基体结合强度的探讨

用新颖的能连续加载、卸载并配有声发射监测的涂层压入仪 ,对薄膜与基体的结合强度进行了探讨。实验结果表明 ,膜或膜 /基破坏的声发射信号各有特点 ,可区分压入过程中 (含卸载 )开裂和剥落及其对应的载荷值。压入法的临界载荷 pc 为加载过程中使膜发生初始剥落的外载 ,用涂层压入仪可精确测定。 pc 值对基体硬度和表面粗糙度的变化敏感。故用涂层压入仪可以实现用压入法考察膜 /基结合强度     

用涂层压入仪测定薄膜与基体结合强度的探讨

用新颖的能连续加载、卸载并配有声发射监测的涂层压入仪,对薄膜与基体的结合强度进行了探讨。实验结果表明,膜或膜／基破坏的声发射信号各有特点,可区分压入过程中（含卸载）开裂和剥落及其对应的载荷值。压入法的临界载荷ｐｃ为加载过程中使膜发生初始剥落的外载,用涂层压入仪可精确测量。ｐｃ值对基体硬度和表面粗糙度的变化敏感。故用涂层压入仪可以实现用压入法考察膜／基结合强度。     

类金刚石薄膜的表面纳米划擦性能评价

用射频等离子体增强化学气相沉积在钛合金表面制备了类金刚石薄膜,利用纳米压入仪及其附件研究了薄膜与纳米划擦有关的力学性能．结果表明：随薄膜厚度的增加,其硬度略有增加,但增幅较小,弹性模量没有明显的相应规律;薄膜在划擦过程中,随载荷增加,先后经历薄膜变形、薄膜与基体共同变形及薄膜剥离三个阶段;在薄膜变形阶段,划擦对薄膜的损害较小;当压头进入薄膜一定深度后,划擦后薄膜与基体的变形不同步,造成薄膜沿划痕向两边形成整齐排列的小裂纹,呈鱼骨状;达到临界载荷值时,薄膜在界面处发生脆性剥落;随膜厚增加,薄膜的临界载荷增大,因其残余应力的相应增大而发生大面积脆性剥落．     

金属铍材室温平面应变断裂韧性测试方法

介绍了金属铍材的室温断裂韧性测试方法,并对不同方法进行了讨论,认为采用载荷比（Pmin/Pmax)为－3的拉－压疲劳循环加载方式,可以制备出脆性金属铍材KIC测试所需要的疲劳裂纹,所测试的铍材室温断裂韧性KIC均值为9．91MPa.m^1/2,标准偏差为0．73MPa.m^1/2,符合国家标准要求。     

球压法在线评价脆性材料的强度特性和残余应力

针对接触应力和压痕临界载荷的应力分布,通过应力梯度效应讨论分析了产生球压裂纹中的几个传统强度理论无法解释的问题.利用均强度准则提出了一种脆性材料局部强度和表面残余应力的压痕测试方法,并建立了一种简便的强度保证试验技术,对脆性构件的非破坏性能评价有实用意义.     

平头压头下基体对压痕规律的影响研究

本文通过对软薄膜/硬基体两相材料体系的平头压痕弹塑性模拟.重点研究了平压头压入过程中,不同屈服强度比(软薄膜屈服强度与硬基体屈服强度之比)以及不同压头尺寸下硬基体对压痕规律的影响.研究发现硬基体对压痕规律的影响与屈服强度比近似满足线性关系,且这种线性关系不随压头尺寸的改变而改变,相同压头半径下,屈服强度比越大,影响就越明显;相同屈服强度比下,压头半径越大,影响就越小.研究还发现压头压入过程中,材料的堆积对压入深度没有影响.     

陶瓷材料压痕韧性的统计性质

采用直接压痕法测定了钠钙硅酸盐玻璃和一种ＴｉＣ 颗粒增强Ａｌ_２Ｏ_３复合材料的断裂韧性．研究表明,在同一压痕压制荷载下测得的同一种材料的压痕韧性呈现出较大离散性,可以采用Ｗｅｉｂｕｌｌ分布加以较好地描述．对两种材料的试验数据的对比分析指出,压痕韧性测试值的离散性反映了材料显微结构的不均匀性对材料局部裂纹扩展阻力的影响．基于这一分析,本文建议采用直接压痕法测定材料断裂韧性时,应尽可能增大试验量,从而对压痕韧性测试结果的统计性质作出完整描述．     

Vickers压入识别氮化硅断裂韧性

依据仪器化Vickers压入氮化硅断裂韧性实验获得的有关压痕裂纹参数,通过有限元数值分析方法识别出氮化硅的弹性模量和屈服强度,进一步采用虚拟裂纹闭合法确定其裂纹尖端的应力强度因子KI。以此为基础,与氮化硅断裂韧性标准值对比,分析有限元仿真KIC结果和基于L-E-M模型建立的3种典型陶瓷断裂韧性压入测试方法的准确度。结果表明:基于Vickers压入有限元数值分析结果的最大误差仅为2.38%,Anstis公式最大识别误差为2.65%,而Lawn公式和Miyoshi公式的识别误差的绝对值均超过10%,因此Vickers压入测试具有较高测试准确度。     

金属薄膜中微裂纹萌生行为的分子动力学研究

基体-薄膜结构是微电子器件中的典型结构,尤其是金属薄膜已被广泛的应用到微电子器件上。金属薄膜在制备过程中产生的表面微裂纹对薄膜的力学性能有着较大的影响,并且表面微裂纹尖端扩展所导致的薄膜破裂,更是造成薄膜失效的主要形式,因此对金属薄膜表面微裂纹萌生行为的研究具有重要的意义。本文基于分子动力学,对连续载荷作用下的带有缺陷的铜金属薄膜进行模拟分析。计算得到了系统在拉伸方向上的应力-应变关系曲线。模拟结果显示,金属铜薄膜的原子运动对整体力学行为有明显的影响。同时模拟过程中发现,在连续载荷作用下,大量位错在金属薄膜缺陷附近产生,从而促使薄膜表面萌生微裂纹。     

硅橡胶压磁复合材料力学性能纳米压痕实验研究

通过纳米压痕测试技术对非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9/硅橡胶压磁复合材料薄膜的力学性能进行了研究,讨论了加载速率、保载时间、峰值载荷等试验参数对模量和硬度测试结果的影响.进一步分析了纳米压痕实验表征非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9/硅橡胶压磁复合材料薄膜蠕变行为的可行性,通过合理确定压痕蠕变实验参数,获得该材料的蠕变应力指数.结果表明:相对峰值载荷,加载速率对测试结果影响更为显著,而保载时间对硬度和模量测试结果几乎没有影响.