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.     

全方位离子注入与沉积TiN薄膜的纳米压痕和纳米划擦行为

用等离子体浸没离子注入与沉积(PIIID)复合改性技术在AISI52100轴承钢基体表面合成了高硬耐磨的TiN薄膜。膜层的相组成及其表面形貌分别用X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)表征。合成薄膜前后试样的力学性能经纳米压痕和划痕实验评价。XRD结果表明,膜层中主要存在TiN相,择优取向(200),同时含有少量TiO2和钛氮氧的化合物。AFM形貌显示出试样表面TiN呈定向排列,膜层均匀完整,结构致密。纳米压痕测试结果表明,膜层具有较高的纳米硬度和弹性模量,最大值分别达到22.5和330 GPa,较基体分别增长104.5%和50%。根据纳米划痕形貌和划痕深度随划痕位置的变化关系分析出,薄膜在纳米划擦过程中先后经历了弹性变形,弹塑性变形,加载开裂或卸载剥落三个阶段。划擦剥落抗力达到80mN,表明TiN薄膜具有很好的弹性恢复能力和较强的疲劳剥落抗力。     

纳米压痕仪和激光超声技术检测薄膜弹性模量

在薄膜材料的力学性能测定中,弹性模量是衡量材料软硬程度的重要指标。为了测定弹性模量,本文选取不同种类和厚度的金属薄膜材料,采用纳米压痕技术(nanoindentation)和激光超声技术(laser-acoustics)两种测试方法相互比较,以确保测试的准确性。两种方法在膜厚较大的试样测试中得到了大致相符的试验结果,相对误差最小达到2%。     

三种不同碳纤维的纳米压痕行为

采用Raman光谱对三种不同碳纤维(K223HE、HTA40和T700SC)的微晶尺寸进行了表征,利用纳米压痕技术对三种碳纤维的横向弹性模量和硬度进行了测试,结合Weibull分布函数对碳纤维的横向弹性模量和硬度进行统计分析。结果表明,中间相沥青基碳纤维K223HE的微晶长度最大,为39.43nm±2.63nm,PAN基碳纤维HTA40和T700SC的微晶尺寸基本相同,分别为4.63nm±0.09nm和4.89nm±0.06nm。在纳米压痕载荷-深度曲线上,碳纤维K223HE的残余变形大(75.34nm±17.07nm),压入功恢复率低(65.89%)。碳纤维HTA40、K223HE和T700SC的特征横向弹性模量为19.52GPa、11.99GPa和17.92GPa。三种碳纤维的横向弹性模量的Weibull分布模数分别为25.26、6.85和8.07,说明HTA40碳纤维的性能均匀性最好。碳纤维的纳米压痕行为的差异主要是由碳纤维中微晶的完整性、择优取向性的差异引起的。     

不同应变率下纳米多晶Cu/Ni薄膜变形行为的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了纳米多晶Cu/Ni薄膜在不同应变率下进行应变加载时的变形行为与力学性能.结果表明:Cu/Ni薄膜在较高的应变率加载情况下具有较高的屈服极限和应变率敏感性(m).应变率为108s1时Cu/Ni多层膜的界面上产生孔洞,而应变率为1010s-1时纳米多晶Cu薄膜出现碎裂.在较高的应变率加载条件下,Cu,Ni薄膜中FCC,HCP,OTHER原子团分数变化都很显著,而较小应变率时只有Cu薄膜的结构变化明显.模拟结果还表明,应变率增加有利于堆垛层错的形成,但应变率超过某一值时无序原子团增加会阻碍堆垛层错原子团的生长.     

Si_3N_4 和 SiC 陶瓷材料的压痕断裂行为和断裂韧性测量

本文以热压 Si_3N_4和反应烧结 Si_3N_4为对象,研究其在 Vickers 钻石压头的作用下,相应于压痕断裂行为而发出的声发射特征。发现,除了与压痕特征参数的发展相应的准静态声发射之外,尚有三个以上突然增强的发射讯号,分别与径向裂纹的成核、径向裂纹突发至试样表面和裂纹分岔,以及侧向裂纹的萌生等效应相关。与一般力学测试法相比,据据 Evans 表达式(7),以 Vickers 压痕裂纹技术测得的 K_(IC)值具有的负偏差是,热压 Si_3N_4:-25.1%;反应烧结 Si_3M_4:-21.6%;热压 SiC:-29.2%。以含有弹性模量项的 Evans 表达式(8)取代式(7),从而得到上述材料的 K_(IC)值偏差分别从-25.1%降至-13.9%;从-21.6%降至-12.3%和从-29.2%降至-17.9%。作为从终点烧结温度淬冷至室温的必然结果,在热压陶瓷材料中存在的热残余应力似乎助长了热压 Si_3N_4和热压 SiC 陶瓷的 K_(IC)值偏差。     

压头晶体各向异性对纳米压痕变形机理的影响

为了研究压头晶体各向异性对纳米压痕变形机理的影响,用多尺度准连续介质(QC)法模拟了不同晶向的Ni压头与Ag薄膜的纳米压痕过程,对比不同晶向的压头在薄膜的弹-塑性转变点和最大载荷时薄膜中的原子滑移带,发现压头的晶向是决定薄膜开启原子滑移系的难易的关键因素。研究了压头在不同晶向下纳米压痕过程中Ag薄膜的变形机理,发现薄膜中原子滑移大都由压头拐角处触发。用RiceThomson位错模型计算得到压头表面正应力和切应力的分布图,借助应力分布图讨论了薄膜原子滑移的开启机理。     

取向电工钢的低温拉伸变形和断裂行为

测量了普通取向电工钢室温至300℃的拉仲性能并观察了拉伸断口形貌.对比分析和定量计算表明,随着拉伸温度的升高P原子在晶界偏聚的程度逐渐降低,使得断口形貌的沿晶特征减弱、解理特征增强.拉伸温度超过100℃以后沿晶断裂特征消失,基体的屈服强度逐渐低于解理强度,使得断口形貌解理特征减弱、韧窝特征增强,至190℃转变成完全的韧窝断口.在100℃-160℃范围内拉伸变形时位错滑移会拖曳柯垂尔气团随之迁移,造成了随温度升高延伸率下降,且屈服强度的降幅减缓.     

用纳米压痕法研究玻璃表面复合薄膜的力学性能

采用溶胶凝胶法在玻璃基体上制备了CeO2-TiO2单层膜、TiO2-SiO2单层膜和CeO2-TiO2/TiO2-SiO2双层膜,采用纳米压痕和划痕法对薄膜的机械性能(纳米硬度、弹性模量、临界载荷、摩擦系数)进行了分析.实验结果表明,双层膜与玻璃基体的附着力以及弹性模量、硬度等指标均大于单层膜,由TiO2-SiO2组成的内层,对强化附着力起到了关键作用.     

有限元结合纳米压痕法确定ZnO薄膜的压电系数

为准确表征横观各向同性ZnO薄膜材料的压电性能,以沉积在硅基底上的ZnO薄膜为研究对象,结合有限元法和纳米压痕法确定了ZnO薄膜的压电系数.正向分析,用ABAQUS软件的压电模块模拟了纳米压痕实验,分别确定了薄膜压电系数与最大加载力、加载曲线指数之间的无量纲方程.反向分析,对ZnO薄膜/硅基底体系进行纳米压痕实验,将实...     

纳米压痕方法在材料研究中的应用

纳米压痕方法具有高的载荷-位移分辨率,不仅能测量出薄膜材料的各种力学性能,还能在实验中反映出块状材料内部晶体学缺陷的变化规律、相变特征,已经成为从原子量级到微米级研究材料各种性能的重要表征手段。介绍了纳米压痕方法在材料研究中的应用,在此基础上提出了纳米压痕方法研究中存在的问题,并展望了其前景。     

纳米压痕试验结果的重复性和再现性

按照2002年颁布的ISO 14577-1《金属材料硬度和材料参数的仪器化压痕试验第1部分:试验方法》标准的规定方法,分别采用MTS,HYSI和CSM公司生产的纳米压痕仪,对熔融石英样品和高硬度GCr15钢样品进行了实验室之间的比对试验,并采用重复性和再现性来表征目前使用的纳米压痕试验的精密程度.     

人工水晶的压痕断裂行为及其 K_(1c)测量

藉助于声发射技术,研究了在 Vickers 钻石压头作用下人工水晶的压痕断裂行为。压头对角线与晶体试样的相对取向是,使得水晶Ⅰ和水晶Ⅱ的压痕诱发径向/中位断裂,分别沿着(10(?)0)/(1(?)10)和(11(?)0/(1(?)00)晶面对发展。压痕断裂过程中的声发射特征表明,除了随着压痕特征参数的发展所引起的准静态—声发射外,有三个相互独立的,与径向/中位裂纹的成核、径向/中位裂纹突入试样表面、以及裂纹分岔或侧向裂纹萌生等过程相关的声发射效应。以 Vickers 压痕技术测得 K_(c2)的结果与以一般力学法及 Knoop 压痕技术的测试结果作了比较。断裂韧性与晶体学取向的关系亦作了分析。实验表明,水晶Ⅰ和水晶Ⅱ具有相同的 K_(1c)值。其原因是,两种试样的径向/中位裂纹实际上沿着同样的{1100}/{1120}晶面对扩展。至于从缺口梁法或 Knoop 压痕技术得到的 K_(1c)值,由于水晶Ⅰ和水晶Ⅱ的主裂纹分别沿着(1(?)10)和(1(?)00)晶面扩展;它们的 K_(1c)值与断裂能随着晶体学取向而变有关,因而也就各不相同。     

纳米压痕法测试微纳米涂层的力学性能

采用G200型微/纳米压痕仪,测试了不同微纳米级涂层材料的力学性能。结果表明:使用纳米压痕法能检测和表征微纳米涂层材料的硬度和弹性模量及其随涂层厚度的变化趋势,从而了解涂层的力学性能以及与基体的结合质量情况;纳米压痕法测试涂层力学性能时存在明显的表面效应,一般建议压入深度不小于20μm,以保证表面粗糙度引起的压入深度的不确定度小于5%。     

压痕诱发GaAs和Si晶体塑性、损伤与断裂

对压痕诱发脆性材料塑性、损伤与断裂研究进行总结, 并结合与之有关学科研究进展予以评述. 主要结果：微压痕诱导硅和砷化镓晶体的纳米和非晶转变, 并发现这一转变的临界应力; 转变过程是由切应力, 并非静水压力控制; 电子辐照诱导非晶晶化, 并发现晶化临界条件; 晶化速率与电流密度有关; 压痕诱发的裂纹尖端不是原子尖的, 其萌生与扩展伴随位错的产生, 并由此引发点阵的畸变, 并产生1～2nm宽非晶带; 裂纹扩展沿非晶带发生, 而非裂端前方原子键相继断裂的结果; 经傅立叶变换和逆变换发现, 裂纹尖端变形显示出各向异性.     

电沉积制备纳米镍的拉伸变形行为

为了系统研究纳米材料的超塑性变形特点,用电沉积方法制备了平均晶粒尺寸为70 nm的纳米镍.采用单向拉伸实验研究了其在室温和高温时的力学性能,并用透射电子显微镜TEM、扫描电子显微镜SEM和X射线能谱仪EDS观察分析了纳米镍变形前后的显微组织.实验结果表明:制备的纳米镍在室温时表现出的延伸率很低,但强度可达1000 MPa以上.当温度升高至450℃,应变速率为1.67×10-3 s-1时单向拉伸实验得到380%的延伸率,说明制备的纳米镍具有低温超塑性性能.实验过程中,材料内部的晶粒发生明显的长大与拉长.拉伸过程中形成的氧化物夹杂成为裂纹源,断口表现为沿晶断裂.     

在压力冲击负载下的核石墨断裂行为

日本原子能研究所高温工程部简介日本原子能研究所(JAERI)计划建造一个高温气体冷却反应堆(HTGR),这种高温工程试验堆(HTTR)的设计是用石墨作为减速剂,氦气冷却,热输出30MW,出口冷却剂最高温度是950℃,予计1996年达到临界状态。 HTTR的堆心主要由石墨元件构成,在反应堆运行条件下,堆内元件要遭到由于地     

纳米压痕测试技术在GFRP材料中的应用综述

近年来玻璃纤维树酯复合材料(GFRP)广泛应用于各类工程领域,它在服役环境中的性能劣化过程相对复杂,需要联系其宏微观特征变化进行深入研究.利用纳米压痕技术测试GFRP中各组分的微观力学性能有助于建立材料微观与宏观尺度之间性能的相互联系,为深入探讨GFRP的性能演化提供依据.然而,在利用纳米压痕对GFRP进行检测过程中,由于约束效应、树酯堆积效应和粘弹性效应等作用的影响,会导致测量值与真实结果之间产生偏差.本文从纳米压痕技术的基本原理入手,对其在测试GFRP内玻璃纤维、树酯基体和界面三类区域时的既有研究进行归纳总结,逐一分析导致测量误差的原因并提出了相应的解决方案或研究方向.在引起测量误差的各类原因中,树酯堆积效应和粘弹性效应将导致树酯部分的测量结果偏高,但对纤维的测量结果几乎不会产生影响.纤维约束效应对GFRP各区域纳米压痕结果的准确性均有明显影响,且通过理论分析可知纳米压痕测试中约束效应对测试结果的影响普遍存在于所有复合材料之中.为探析此效应对测试结果的影响,已有学者展开了实验和模拟研究,但既有研究对数据结果的分析较为浅显,尚未形成完整体系.鉴于约束效应对测量结果的影响,本文还对GFRP中纤维和树酯的界面状态进行了初步的理论分析.最后,为更加准确地表征GFRP的微观性能,笔者还在后续所需要深入探讨的研究方向中提出了相关建议.