基于納米壓痕技術(shù)與有限元法的粘彈性材料力學(xué)特性研究.pdf

1、粘彈性材料在微電子、納米技術(shù)以及微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如利用粘彈性材料制作的微納結(jié)構(gòu)和微型器件。使得粘彈性材料的微觀力學(xué)特性研究顯的尤為重要。本文結(jié)合納米壓痕技術(shù)和有限元法，對粘彈性材料的力學(xué)特性以及接觸形貌對壓痕試驗(yàn)的影響機(jī)理進(jìn)行了研究。利用有限元分析軟件模擬粘彈性材料的納米壓痕實(shí)測過程，并分析了針尖曲率半徑、表面粗糙度在壓痕測量中的影響。
　　 首先，利用納米硬度計(jì)在聚氯乙烯表面進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)，得到材料的彈性模量、

2、硬度等力學(xué)量；利用有限元軟件ANSYS并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，再現(xiàn)了納米壓痕實(shí)驗(yàn)的過程，得到位移形變等效圖、應(yīng)力等效圖、載荷-位移曲線以及硬度值；對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對，數(shù)據(jù)的符合度較好，得出了利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)研究粘彈性材料納米壓痕測量方法的可行性結(jié)論。
　　 其次，針對不同尖端曲率半徑的圓錐形壓頭，建立四種帶有不同尖端曲率半徑R的壓頭和樣品表面接觸模型。采用2-D軸對稱有限元模型模擬納米壓痕測量過程。結(jié)

3、果顯示，在粘彈性材料納米壓痕實(shí)驗(yàn)中，硬度測量值隨壓入深度的減小而增大，隨尖端曲率半徑的增加而增大，并且隨著壓入深度的減小，測量結(jié)果受壓頭尖端曲率半徑的影響更加明顯。
　　 最后，引入壓頭表征尺寸概念，針對表征尺寸與表面粗糙度參數(shù)在同一數(shù)量級以及表征尺寸遠(yuǎn)小于表面粗糙度參數(shù)這兩種情況，分別建立3-D有限元模型。仿真結(jié)果表明，接觸零點(diǎn)在峰頂時(shí)的硬度測量值會偏小，接觸零點(diǎn)在谷底時(shí)的硬度測量值會偏大，并且硬度測量值的偏差隨粗糙度間距和輪