Si-DLC膜微觀摩擦性能及彈塑性接觸有限元分析.pdf

1、本文采用試驗方法研究了硅摻雜類金剛石(Si-DLC)膜的微觀摩擦力學性能，同時從數值模擬的角度進一步分析了硅材料微機電器件表面鍍Si-DLC膜前后，其彈塑性接觸性能和摩擦熱分布的規(guī)律。
　　 首先，介紹了微波電子回旋共振等離子體增強化學氣相沉積和等離子體增強非平衡磁控濺射兩種工藝綜合制備Si-DLC膜的原理和具體工藝。所制樣品表征結果表明Si-DLC膜是非晶膜。采用原子力顯微鏡(AFM)分析了膜表面形貌和濺射偏壓的關系，隨著基底

2、負偏壓的增加，薄膜的表面粗糙度值逐漸減小，濺射偏壓為400V左右時，薄膜表面形貌平滑，且表面粘附力值小。
　　 其次，采用微米級別的AFM球頭探針對Si-DLC膜進行了摩擦實驗。研究了微米尺度下，外加載荷和掃描速率對薄膜摩擦性能的影響。考慮粘附的影響，提出了適用于微觀低載荷接觸摩擦力表征的修正Amonton公式。分析了摩擦系數與表面形貌粗糙峰之間的關系，根據薄膜表面粗糙峰的分布，建立了微米尺度下球頭探針與薄膜表面粗糙峰的等效接觸

3、模型，并推導了摩擦力關于載荷和形貌參數的函數表達式，表明單位面積接觸粗糙峰密度對摩擦力大小起著主導作用。所建接觸模型成功解釋了摩擦實驗現象產生的原因。
　　 接著，采用尖頭探針、球頭探針和平頭探針對Si-DLC膜進行了摩擦實驗，進一步研究了薄膜的摩擦力學性能。探討了不同接觸尺度下，薄膜表面粘附力及摩擦產生的機理。建立了不同探針與膜表面粗糙峰的接觸模型，推導了表面粘附力與接觸面積的關系表達式，表明在微觀接觸中，接觸面積的大小對粘附

4、力起著主導作用。尖頭探針與薄膜表面的微觀摩擦系數取決于表面粗糙峰的斜率，與粗糙峰的高度相關不大；球頭探針與薄膜表面的摩擦力主要取決于單位面積接觸粗糙峰密度；平頭探針與薄膜表面的摩擦力取決于外加載荷大小，表面形貌的微觀尺寸效應可忽略。
　　 最后，用有限元數值方法模擬了硅材料微機電器件表面鍍Si-DLC膜前后，其彈塑性接觸及摩擦熱分布的性能。用ansys10.0建立了彈塑性接觸和摩擦熱分析的有限元幾何模型，分析了彈性階段和彈塑性階