SiC單晶片微觀力學(xué)行為及其損傷特性研究.pdf

1、現(xiàn)代制造科學(xué)的進(jìn)步需要更為先進(jìn)的加工技術(shù)作為支撐，而精密超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展方向，材料在微納米尺度下的變形行為和微觀損傷機(jī)制是精密超精密加工的重要研究?jī)?nèi)容。SiC單晶片作為L(zhǎng)ED芯片上襯底的理想材料，具有許多優(yōu)良特性，如它的熱導(dǎo)率和導(dǎo)電性能都非常好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定而且比較難腐蝕，是制作許多大功率器件不可或缺的材料。但由于SiC單晶的硬度高，是典型的難加工材料。微納米壓/劃痕測(cè)試是一種常用的薄膜材料力學(xué)性能測(cè)試方法，利用微納米

2、壓/劃痕技術(shù)研究SiC單晶材料在微觀尺度下的變形機(jī)理和力學(xué)性能，可為硬脆性材料的超精密加工提供理論支持。
　　本文首先通過(guò)微納米壓痕試驗(yàn)研究了SiC單晶的載荷-位移曲線、硬度和彈性模量以及微裂紋的類(lèi)型;然后采用ABAQUS軟件有限元仿真模擬了SiC單晶片的壓痕過(guò)程，比較了不同壓頭下壓痕的力學(xué)響應(yīng);最后開(kāi)展了SiC單晶片的微米劃痕試驗(yàn)，研究了接觸力、劃痕速度、法向力對(duì)劃痕的影響，并通過(guò)仿真研究了劃痕過(guò)程的力學(xué)響應(yīng)。
　　壓痕研

3、究結(jié)果表明，SiC單晶的顯微硬度和彈性模量隨著載荷的增加而減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，硬度和彈性模量都存在比較明顯的尺寸效應(yīng)，在150mN下能明顯看到壓痕裂紋和材料堆積現(xiàn)象。在玻氏壓頭、球形壓頭、維氏壓頭和圓錐壓頭等四種壓頭正下方的材料都存在不同程度的應(yīng)力集中，并且由壓痕中心向周?chē)史派錉罘植迹蛐螇侯^的應(yīng)力影響區(qū)域更大。結(jié)合SiC單晶的玻氏壓頭納米壓痕試驗(yàn)，驗(yàn)證了壓痕模型的正確性。隨著壓痕載荷的增加，SiC單晶壓痕平均裂紋長(zhǎng)度在增加，其裂紋

4、類(lèi)型有主裂紋、側(cè)向裂紋、平直型裂紋、主次型裂紋和間斷型裂紋。
　　劃痕研究結(jié)果表明，在變載荷劃痕過(guò)程中，改變接觸力對(duì)劃痕摩擦因數(shù)、剪切力的變化影響不大;最大法向載荷變大，影響最大的是劃痕末段，法向載荷越大，劃痕末段的刻劃深度越深，小幅度的增加法向載荷，對(duì)劃痕的摩擦因數(shù)和切向載荷影響不是很大。不同恒載荷條件下，其摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)和波動(dòng)范圍是一致的，但不同恒載荷的切向力不同，且剪切力波動(dòng)也更明顯些。等效應(yīng)力的最大值主要出現(xiàn)在壓頭尖端