中阶梯光栅厚铝膜硬度计算方法修正

为了排除Pile-up现象对真空镀制机刻光栅厚铝膜在纳米压痕测试硬度中的影响,获得中阶梯光栅铝膜准确硬度值,提出通过修正OP法中接触投影面积的新硬度计算方法。首先,参照中阶梯光栅成槽深度,采用连续刚度测试模式,对中阶梯光栅厚铝膜进行压入深度为5μm的纳米压痕硬度测试。其次,对压痕位置进行SEM与AFM测试,结果表明厚铝膜在纳米压痕硬度测试中出现Pile-up现象。最后,对铝膜纳米压痕数据分析、提取,压痕隆起形貌复原等,证明接触面投影面积边缘为抛物线,进而对OP法中接触投影面积的计算方法进行修正。结果表明:采用纳米压痕硬度测试方法,中阶梯光栅厚铝膜的硬度值随着压深增加而增加,采用修正接触投影面积的硬度修正计算方法获得的硬度值比传统OP法所得硬度值减少40%左右。     

中阶梯光栅铝膜纳米压痕材料隆起研究

在光栅机械刻划加工过程中,光栅铝膜的隆起对机刻光栅槽形质量影响十分明显。为了研究光栅铝膜的隆起特性,采用了纳米压痕试验的方法,对光栅铝膜的纳米压入过程进行了理论建模和仿真分析,发现在光栅铝膜纳米压痕过程中,材料的隆起高度随着压入深度的增加而呈线性增加,随着摩擦因数的增加而减小;材料的相对隆起量在压入深度范围内基本保持不变。此外,仿真结果与理论计算结果的误差范围随着摩擦因数的增加而增加,当摩擦因数一定时,在最大压深处取得最小值。     

中阶梯衍射光栅厚铝膜硬度研究

铝薄膜硬度对机械刻制中阶梯母光栅质量影响显著,常采用纳米压入方法进行硬度测试。由于薄膜"三明治"式复合结构,进一步增加薄膜硬度表征的困难。为探究光栅厚铝薄膜的硬度特性,对其做浅压深和大压深纳米压痕实验,基于Nix-Gao模型和压痕功法,进行实验数据拟合与分析。结果显示,衍射光栅铝膜的本征硬度为0.480 6 GPa,浅压深拟合得到的尺度效应特征长度为0.38μm,大压深拟合得到的尺度效应长度为2.22μm,此研究揭示出基底存在尺度效应,为中阶梯衍射光栅厚铝膜的硬度研究提供参考和指导。     

机械刻划层分结构铝膜刀具磨损研究

掌握机刻光栅刀具磨损机理是稳定制备大面积光栅的关键,由镀制工艺决定的具有层分结构铝膜是机刻光栅的首选膜坯。为获取光栅机械刻划过程中层分构铝膜对金刚石刻划刀具磨损影响规律,首次开展层分构铝膜力学性能测试与刀具刻划磨损规律研究,采用纳米压痕实验测得层分构铝膜硬度与弹性模量分别为0.48 GPa与65.2 GPa,满足Hall-Petch强化理论。据此,首次运用Deform 3D有限元分析软件建立层分构铝膜模型,将刻深位置设置在铝膜层分界面位置,分别对刻深在2μm与4μm的单层与4层铝膜进行刻划仿真后发现,分层膜界面对于其应力传递影响作用明显,且刻深突破第一、二层铝膜界面时,该界面对于应力传递的阻碍作用消失;不同刻深刻划单层和4层铝膜时刀具磨损形式与磨损部位大体相同,但刻划4层铝膜时刀具磨损较小,与后续机刻试验结果相符。     

基于应变梯度理论的光栅铝膜本构关系表征及纳米压痕实验

基于应变梯度理论,提出了一种玻璃基底光栅铝膜本构关系的表征方法。建立了包含基底参数和铝膜参数的本构关系数学模型,并逐一表征了相关参数。进行了79g/mm中阶梯光栅铝膜的纳米压痕实验,验证了上述本构关系表征过程的正确性。提出了光栅薄膜材料和基底材料都具有尺度效应的假设,并应用纳米压痕实验对铝膜的尺度效应和基底效应进行了实验表征。对光栅铝膜压痕实验与含基底压深实验的结果进行了比较,结果显示,在有无基底条件下,压痕结果在应力方向上相差0.8倍,在应变方向上相差3倍。进行了光栅刻划实验,结果显示压痕实验对刻划实验具有重要的指导作用。研究过程及研究结果表明:理论分析和两种实验可有效地分析光栅刻划过程,有助于在实际光栅刻划过程中减小误差,对光栅刻划的工艺过程具有较好的理论指导意义。     

光栅分层结构铝膜塑变应力传递规律研究

近似采用连续均匀介质模型表征分层铝膜机械刻划塑变过程时,无法准确揭示铝膜微观结构对应力传递的影响规律,直接阻碍刻划光栅精密控形成槽技术的获取。首先通过扫描电镜获取光栅毛坯上分层铝膜的微观形貌,结合混合率理论建立具有晶粒晶界特性的两相晶粒模型。其次通过纳米压痕及纳米划痕实验获取分层结构铝膜的力学特性。最后利用Abaqus软件,对光栅机械刻划过程进行仿真分析。分析研究表明:临近刻槽的晶界在形变结束后储存压应力,阻碍下方晶粒中拉应力的释放。仿真中的回弹量与划痕数据相吻合,误差较传统模型减小一半。两相晶粒模型可以很好地揭示具有分层结构铝膜的加载形变规律。     

衍射光栅铝膜纳米压痕基底效应有限元模拟研究

为探究衍射光栅铝膜基底效应对纳米压痕过程的影响,基于ABAQUS有限元分析软件,采用对比分析的方法,建立有基底铝膜和无基底铝膜模型,模拟纳米压痕的压入过程。结果表明,当出现基底效应后,有基底铝膜的回弹量比无基底铝膜小,隆起高度先比无基底铝膜小,之后大,载荷比无基底铝膜大,且基底效应逐渐变大。通过分析铝膜中基底效应对纳米压痕过程的影响,为衍射光栅铝膜力学性能研究提供了重要参考。     

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。     

AFM的纳米硬度测试与分析

基于原子力显微镜(AFM)和金刚石针尖建立了一套纳米压痕测量系统。通过向系统发送控制电压使金刚石针尖在完成加载和卸载全过程的同时进行实时的数据采集并直接绘出载荷-压深曲线。利用该系统,对单晶铝和单晶铜薄膜材料进行了单点压痕实验,用美国Hysitron公司的纳米原位测量仪(TriboIndenter)做了验证试验。实验结果表明,该系统适合测量较软材料的纳米硬度。分析了基体材料对薄膜硬度和弹性模量的影响,在薄膜厚度低于5~10倍压入深度时,基体对薄膜材料的力学性能影响很大;并根据获得的载荷－压深曲线分析得出由于尺度效应的影响,随着压痕深度的减小,薄膜的硬度值呈明显的上升趋势,弹性模量没有这个趋势。     

残余应力与基底效应对光栅厚铝膜纳米压痕耦合影响研究

机刻中阶梯衍射光栅厚铝膜通过真空蒸镀方法获得,其内部存在残余应力,与基底效应耦合作用,增加纳米压入测试与刻划成槽模拟仿真的研究难度。为此,基于材料变形弹塑性接触理论和量纲分析方法,建立具有内部残余应力的光栅厚铝膜模型,研究内部残余应力与基底效应耦合作用对纳米压痕硬度与隆起高度的影响规律。结果显示,随着薄膜内部残余应力变大,铝膜载荷和表面隆起高度减小;受基底效应耦合影响,其二者变化趋势逐渐增大。此研究为机刻衍射光栅厚铝膜力学性能纳米压入测试及刻划成槽研究提供重要参考。