单晶铜薄膜纳米压痕过程的分子动力学模拟

使用三维分子动力学方法模拟了单晶铜薄膜的纳米压痕过程,研究了压头半径对纳米压痕过程的影响;采用Morse势函数计算试样原子与压头原子之间、试样原子之间的相互作用关系.结果表明:单晶铜薄膜纳米压痕的力学机理是非晶态产生的变形;纳米压痕过程具有尺寸效应,压头大小对单晶铜薄膜纳米压痕的分子动力学模拟结果有显著的影响.     

基于AFM的单晶铜薄膜压痕的分子动力学模拟

使用三维分子动力学方法对基于AFM的单晶铜薄膜压痕过程进行了研究。采用对势Morse势计算试件原子之间,试件原子和压头原子之间的相互作用。模拟了不同压入深度的压痕过程,分析了压入深度对压头应力、系统势能变化的影响。结果显示单晶铜薄膜的纳米压痕的力学机理是非晶态产生的变形。当压入深度增加时,系统势能变化增大,压头应力变化增大,体现出强烈的尺寸效应。     

基于单晶铜的纳米压痕的机理分析

为了进一步深入研究纳米压痕的机理，提高纳米压痕的测量精度和应用范围，对单晶铜纳米压痕的机理展开详细分析与研究。从纳米压痕的理论方法入手，建立单晶铜的分子动力学模型，利用该模型对压力和势能进行仿真分析，并得到相应的曲线。在单晶铜的纳米压痕过程中，压力先增加后下降，其中，曲线的波动主要受表面粗糙度、表面化学反应膜、表面力、表面加工硬化等因素的影响；原子势能一直上升，最后趋于稳定，推断出纳米压痕没有出现位错的现象。最后，对纳米压痕的局限性进行总结，并针对不同的问题，提出行之有效的措施，为纳米压痕的精度提高奠定良好的基础。     

应用纳米压痕法测试类金刚石薄膜的力学性能

纳米压痕仪被称为材料机械性质微探针,它借助于加载-卸载过程中压痕对载荷和压入深度的敏感关系,使得测试始终在薄膜材料的弹性限度内,克服了维氏法和努氏法等传统方法引起压痕边缘模糊或者碎裂的缺点,从而正确地、可靠地测试出薄膜材料的硬度和弹性模量等纳米力学性能.试验用微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积技术,在不同偏压条件下制备三种类金刚石薄膜(DLC膜),用纳米压痕仪测试不同载荷下薄膜的硬度和弹性模量值.试验结果表明,材料的纳米硬度和弹性模量随着载荷的增大而逐渐减小.     

基于AFM的单晶铜薄膜压痕的分子动力学研究

为了研究基于ArM的单晶铜薄膜压痕过程,建立了单晶铜薄膜纳米压痕过程的三维分子动力学模型.采用对势Morse势计算试件原子之间,试件原子和压头原子之间的相互作用.模拟了不同压入深度(0、0.361、0.722、1.083 nm)的压痕过程,分析了压入深度对压头应力、系统势能变化的影响.结果显示,单晶铜薄膜的纳米压痕的力学机理足非晶态产生的变形.当压人深度增加时,系统势能变化增大(最大的压入深度对应的系统势能变化为-83 900～ -83 400 eV),压头受力变化增大(最大压力深度对应的受力为-0.3～70 nN),体现出强烈的尺寸效应.     

基于原子力显微镜和分子动力学的纳米压痕技术研究

利用原子力显微镜对真空蒸发镀膜技术制得的单晶铜薄膜试件进行了纳米压痕试验。通过进行各种压痕深度下的试验,获得了压痕深度对试件力学性能的影响关系。试验得到的试件弹性模量为67.0 GPa±6.9 GPa。试件的硬度值随着压痕深度的减小而不断增大,表现出强烈的尺寸效应。在原子力显微镜试验的同时,使用分子动力学仿真方法对单晶铜薄膜的纳米压痕过程进行了研究。仿真结果表明单晶铜薄膜的纳米压痕的力学机理不是位错在晶体中运动产生的塑性变形,而是非晶态产生的变形,从而解释了尺寸效应产生的原因。     

基于纳米压痕技术和AFM的单晶铝硬度测试实验研究

利用纳米压痕技术对单晶铝作压痕试验,获得载荷-压深的加载和卸载曲线。根据O liver-Pharr方法求出压头与测试材料之间接触表面的投影面积Ac和硬度值Hop。再利用原子显微镜(atom ic force m icroscopy,AFM)得到压痕的真实三维形貌图。结合M atlab对压痕进行分析,得到压痕的真实残余面积Aresidual,并计算出其硬度Hresidual。通过对两组单晶铝的硬度数据进行比较分析:在微纳米尺度下,两种方法计算得到的压痕硬度都存在压痕尺寸效应,Hresidual的压痕尺寸效应比Hop要更明显。     

光学玻璃微切削时材料去除机理和表面质量的研究

通过显微压痕和纳米压痕试验,研究了Soda-lime光学玻璃在微/纳米尺度下的材料去除机理,发现外加载荷的幅值对脆性材料变形方式有直接影响。对光学玻璃的金刚石普通切削和超声振动切削试验结果表明,超声振动切削的实际有效切削深度与名义切削深度有着较好的一致性,合理选择金刚石超声振动切削参数可实现光学玻璃的塑性域切削。     

压电驱动型微纳米压痕测试装置的设计与试验研究

集成压电叠堆和柔性铰链设计一种微纳米压痕测试装置,分析测试装置的原理、组成和工作过程。该装置在压入方向上可实现0.05～30μm范围内线性位移输出,在无隔振和未做恒温处理的试验环境,位移传感器示数波动小于10 nm。提出一种新的机架柔度测试方法,利用该方法得到测试装置的机架柔度值为4.8 nm/mN。熔融石英材料压痕试验结果验证测试装置和机架柔度获取方法的可行性。对测试装置进行校准,利用校准后的测试装置对单晶硅片(100)晶面进行压痕试验,对应于最大压入载荷49.60 mN,当压入载荷卸载至18 mN时压痕曲线出现典型的pop-out现象,说明测试装置对于材料结构的细微变化具有较高的分析能力。根据Oliver-Pharr相关理论,计算得到单晶硅片(100)晶面在最大压入载荷为49.60 mN时的硬度为16.29 GPa,弹性模量为181.63 GPa。     

纳米压痕技术理论基础

针对纳米压痕技术的应用现状和存在的问题,分析了现有理论研究方法以及它们的不足之处。在纳米压痕试验的基础上,提出了微硬度的新定义并根据量纲分析方法给出了微硬度的表达式。结果表明纳米尺度上的微硬度可以表达为一个与压入深度无关的常量和一个随压入深度减小而增大的分量,这为深入研究纳米压痕技术及纳米硬度的尺寸效应提供了简单易行的新方法。     

单晶蓝宝石的延性研磨加工

为实现单晶蓝宝石的延性研磨加工,采用纳米压痕和划痕法测试并分析了单晶蓝宝石(0001)面的微纳力学特性,建立了单颗圆锥状磨粒的压入模型并计算了延性研磨加工的受力临界条件,分析了金刚石磨粒嵌入合成锡研磨盘表面的效果.对单晶蓝宝石进行了延性研磨加工试验,采用NT9800白光干涉仪、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等方法分析了单晶蓝宝石的延性研磨表面特征.试验结果表明:采用纳米压痕和划痕法可以为单晶蓝宝石的延性研磨加工提供工艺参数,单晶蓝宝石的延性堆积的极限深度为100 nm,金刚石磨粒的嵌入及在适当载荷下可以实现蓝宝石的延性研磨加工,实验条件下的最佳载荷为21 kPa,延性研磨后单晶蓝宝石表面划痕深度的分布情况较好,分散性小,研磨后的表面发生了位错滑移变形.     

微/纳尺度接触力学行为有限元数值分析研究

微/纳尺度接触问题已成为制约微机电系统发展的关键性问题。针对这一问题,以纳米压痕技术为基础,首先分别应用赫兹理论和弹塑性理论分析了不同阶段的接触过程,然后运用有限元分析软件Ansys建立了有限元分析模型,进行了不同载荷下的接触分析,获得了相应的应力和应变分布规律等。然后利用纳米压痕技术进行了实验对比分析。证明了两种研究方式的力学规律一致。从而证明了有限元方法在微/纳尺度接触力学研究方面的可行性。     

微/纳尺度接触力学行为有限元数值分析研究

微/纳尺度接触问题已成为制约微机电系统发展的关键性问题。针对这一问题,以纳米压痕技术为基础,首先分别应用赫兹理论和弹塑性理论分析了不同阶段的接触过程,然后运用有限元分析软件Ansys建立了有限元分析模型,进行了不同载荷下的接触分析,获得了相应的应力和应变分布规律等。然后利用纳米压痕技术进行了实验对比分析。证明了两种研究方式的力学规律一致。从而证明了有限元方法在微/纳尺度接触力学研究方面的可行性。     

纳米压痕技术研究现状与发展趋势

纳米压痕技术是一种新的材料特性测量方法,被广泛应用在研究微/纳零部件的力学性能和材料微纳区域内的局部特性。介绍了纳米压痕技术的基本理论方法;针对纳米压痕技术的理论建模、压痕形貌、微观组织以及测量精度等几个方面对现有的研究成果进行系统的分析和总结;分析了纳米压痕技术现存的研究难点及主要问题,并对其发展趋势进行了展望。     

不同种类光学玻璃的纳米压痕测试分析

以探索不同光学玻璃在纳米压痕条件下的机械特性,分析塑性去除的能力为目的,为后续机械加工质量的改善提供技术支撑,采用纳米压痕测试技术,测得BK7玻璃、石英玻璃及微晶玻璃表面的载荷与压入深度变化关系。在最大加载力为10 mN、50 mN和100 mN时,对光学玻璃的机械特性进行研究,得出三种材料在法向载荷作用下的变形和断裂行为。结果表明光学玻璃的弹性回复量、最大压深和残余深度随最大加载力的加大而上升,但相对弹性回复率基本稳定。石英玻璃、微晶玻璃和BK7玻璃的硬度依次减小,而弹性模量值依次增加。当表征材料的弹塑性特性时,相对弹性回复率这个参量兼具很强的参考意义,可推测加工时塑性去除的能力。这将有助于机械加工时表面质量的分析,并为研究加工机理提供保障。     

单晶硅纳米力学性能的测试

对材料纳米力学性能测试手段进行了研究,着重分析了纳米压痕技术的原理和方法.结合纳米压痕技术,采用尖端四面体Vickers型单晶金刚石压头对单晶硅(100)晶面进行了纳米压痕实验测试.实验发现,在载荷为1 000 mN时,晶体硅出现了明显的裂纹和脆性断裂;而在载荷低于80 mN的情况下,晶体硅则表现出延性特性.此外,在不同载荷条件下对晶体硅的硬度进行了实验测试,测试结果发现,不同载荷条件下晶体硅的硬度测量值存在较大的差异,认为导致这种差异的原因在于压痕区域晶体硅所受压力不同,使得晶体硅内部结构发生了改变,较为准确的单晶硅的硬度测量值为15.7 GPa.     

基于分子动力学的单晶硅压痕过程计算机仿真研究

对单晶Si的压痕过程进行了分子动力学模拟.采用Morse势函数描述原子间的相互作用,以牛顿方程建立力学运动方程,使用改进后的Verlet算法解原子运动轨迹,通过对MD仿真结果的分析研究,将压痕过程分为三个特征阶段,即初期弹性变形阶段、中期塑性变形阶段及非晶层形成阶段.并从原子角度分析了压痕过程中原子间势能、磨削力的变化、应力状态、磨削温度等特征,解释了微观材料的去除和表面形成机理.     

纳米压痕技术及其试验研究

介绍纳米压痕技术的基本原理和计算方法 ,从定义、适用范围和压痕面积的获得方法等三个方面指出纳米硬度与常规硬度之间的重要区别 ,对硬度的概念做了进一步讨论。通过试验得出了单晶铝材料的纳米硬度值 ,并与传统计算方法获得的硬度值进行了比较。     

单晶铜纳米机械加工的分子动力学模拟与实验的间接对比

以单晶铜微探针纳米刻划加工为例,提出了一种分子动力学模拟与实验的间接对比方法,依次开展了工件材料的弹性常量的定量对比、工件材料机械性能的纳米压痕测量的定量对比、已加工表面形貌的定性对比。单晶铜工件压缩、剪切、拉伸和纳米压痕的分子动力学模拟显示,分子动力学模拟体系的弹性模量与实验测得值相同,压痕后工件表面材料堆积的对称特性与实验结果相符。研究结果表明,所使用的嵌入原子势能函数可以精确地描述单晶铜工件中铜原子之间的相互作用,纳米机械加工的分子动力学模拟具有较高的精度,并且可以很好地预测纳米机械加工的实验结果。     

纳米压痕硬度尺寸效应分析及其试验研究

针对材料纳米压痕硬度的压痕尺寸效应(Indentation size effect,ISE),利用纳米压痕技术测得单晶铝和单晶硅的载荷-压深曲线,获得最大载荷和最大压深,并结合原子力显微镜,获得压痕的三维形貌,计算出压痕的真实残余面积。根据最大压深和残余面积提出了一个新的模型——残余面积最大压深模型,此模型能更好地理解和描述材料硬度的压痕尺寸效应,并与其他几种典型的理论和模型进行了比较和分析。