納米壓入技術中基底和針尖效應的研究.pdf

1、納米壓痕技術由于具有試樣制備簡單、操作方便以及高重復性的測量結果等優(yōu)點被廣泛應用，目前已成為微納計量、材料科學和表面科學中檢測和表征微觀力學性能的主要手段之一。 本文在國家自然科學基金(No．50335050)和863基金(No．2006AA04Z311)的資助下完成。論文主要從薄膜基底和針尖尺寸效應兩個方面研究了納米壓入技術中對測量結果的可靠性影響的重要問題。 本論文的主要研究內容和成果包括以下幾個方面： 首先

2、，利用有限元方法探討了薄膜/基底體系中材料的力學性能對納米壓入測量結果的影響。針對軟膜在硬基底(軟膜/硬基)和硬膜在軟基上(硬膜/軟基)兩種結構體系，研究了薄膜和基底在壓頭壓入過程中的彈塑性變形行為及其演化過程。分析了不同力學性能的膜/基體系材料及薄膜厚度對硬度測量結果的影響。在此基礎上，闡述了引起這種基底效應行為的作用機理。該工作對納米壓入技術檢測方法和評估膜類結構材料的微觀力學性能以及對測量結果的可靠性分析都有著重要意義。

3、其次，通過理論和數(shù)值分析的方法探討了納米壓入過程中非理想壓頭尖端曲率半徑的變化對測量結果的影響，結果表明對于不同曲率半徑的針尖，硬度的測量結果呈現(xiàn)出明顯的尺寸效應。在此基礎上，對引起這種針尖尺寸效應的作用機理做出了分析和解釋；理論推導出了一個硬度與曲率半徑和壓入深度關系的半經(jīng)驗公式。另外，利用數(shù)值分析還得到了不同曲率半徑的壓頭壓入過程中材料的彈塑性變形場的分布及其演化過程。分析結果表明，引起針尖尺寸效應的主要原因是由于壓頭尖端曲率半徑的

4、存在導致對壓入過程中接觸深度的估計過低。另外，不同曲率半徑的壓頭引起壓頭下方彈塑性變形場的分布有所不同，這種由于壓頭幾何形狀的非相似性導致材料變形場的非相似性對這種針尖尺寸效應也有一定的影響。 再次，利用納米壓入技術、原子力顯微鏡(AFM)和X射線衍射分析技術(XRD)實驗研究了射頻式(RF)磁控濺射多晶氧化鋅(ZnO)薄膜在軟、硬不同基底上的力學特性；分析了不同退火溫度對膜的力學性能和微觀結構的影響。實驗結果表明，對于磁控濺射