不同接觸尺度下單晶硅的摩擦磨損性能研究.pdf

1、隨著納米科技的發(fā)展，微機電系統(tǒng)(Microelectromechanical system，MEMS)在汽車、航空航天、通訊、醫(yī)療、環(huán)境保護等方面具有越來越廣闊的應用前景。由于尺寸效應，MEMS存在的摩擦學問題不容忽視?；谄鋬?yōu)異的物理與機械性能，單晶硅已成為制造MEMS的典型結(jié)構(gòu)材料。因此，研究晶面取向和滑動速度對單晶硅的摩擦磨損規(guī)律對于MEMS的摩擦學設計具有重要的指導意義。此外，單晶硅的超光滑表面制造在超大規(guī)模集成電路、光傳輸、信

2、息存儲、國防等領域具有重要的應用。該制造過程主要涉及切削、研磨和拋光等，而加工速度對加工質(zhì)量和加工效率有很大影響。因此，開展單晶硅磨損的基礎研究，無論對于指導MEMS的摩擦學優(yōu)化設計，以及提高單晶硅超光滑表面的加工效率，都有十分重要的意義。
　　本文分別采用納米劃痕儀和液壓伺服磨損實驗機，系統(tǒng)地研究了不同接觸尺度下晶面取向和滑動速度對單晶硅損傷的影響；結(jié)合原子力顯微鏡(AFM)、激光共聚焦顯微鏡(LCSM)、光學顯微鏡(OM)和雙

3、模式3D形貌儀(AEP，NanoMap-D)等儀器，深入地分析了單晶硅在不同階段的損傷特征。最后，對宏微觀下單晶硅的損傷特征進行比較。所得出的主要結(jié)論如下：
　　(1)在微觀單點接觸條件下，三種不同晶面取向的單晶硅在低載下的損傷均表現(xiàn)為隆起，其中Si(100)的隆起高度最高，Si(111)隆起最低。隨著載荷增加，單晶硅的損傷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘疾?，晶面取向?qū)τ趩尉Ч璧膿p傷影響不大。
　　(2)單晶硅在不同接觸尺度下的損傷強烈地依賴于

4、滑動速度。在微觀單點接觸條件下，滑動速度越高，低載下單晶硅表面所形成的凸結(jié)構(gòu)越低；高載下接觸區(qū)材料的塑性變形更加困難，劃痕深度越淺。在宏觀多點接觸的摩擦過程中，單晶硅的磨損過程同時伴隨犁溝、疲勞和氧化?；瑒铀俣仍礁?，單晶硅表面裂紋萌生得越多，擴展地越長，產(chǎn)生的磨屑越細，單晶硅表面的磨損量越少。
　　(3)單晶硅在不同接觸尺度下表現(xiàn)出不同的磨損特征。在微觀的單點接觸條件下，單晶硅的損傷隨載荷的增加主要表現(xiàn)為隆起向溝槽的轉(zhuǎn)變；在宏觀的