基于铬配对金属薄膜的界面力学性能测试及其数值模拟.pdf

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1、江苏大学硕士学位论文基于铬配对金属薄膜的界面力学性能测试及其数值模拟姓名：李春申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：杨平20100601 江苏大学硕士学位论文 膜中各组成膜间能够形成良好的界面结构。 ���������瑃�����������������，������瓵���������������，��������琖／����������������／����瑃����琖／��／����������������／����ā篶����� ���瑃���／�����／�����������／��������������������������� 年解密后适用本

2、授权书。指导教师签名： 学位论文作者签名：房奋 金属薄膜研究的重要性少，相应的质量极小。因此，许多现象就不能用宏观尺度下块状材料的性质加以 近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。量子尺寸效应会导致纳米微粒的宏观特性，如磁、光、声、热、电、超导等有显著的改变，从而在微电子学和光学中一直占有显赫的地位，根据这一效应已经设计出许多优越性的器件。��金属薄膜力学性能测试及其国内外研究现状 压入的弹性恢复测定力学性能的方法。��年，����”】首次将

3、这种技术应用研究了浅压深下，在静态和动态加载两种情况下位错的漂移情形，并对其进行了� 压入法对双铬层的界面表面进行压入实验，测得了描述界面软铬层力学性质的弹性模量和压入弹、塑性功等参数。卢茜等人��利用压痕法对��／��／�多层膜进行了微观结构的研究，研究表明，随着载荷的增大，硬性衬底对于体系硬度与弹性模量的影响逐渐明显，并在大载荷下起主导作用，并且发现多层膜结构中在���界面处出现分层现象，压痕下方的衬底发生开裂。纳米划痕测试是上个世纪�年代发明的，最早的力学分析是����与 江苏大学硕士学位论文单纯的实验手段并不能完全满足对金属薄膜力学性能的研究需要，因此许多学

4、者都利用计算机仿真手段来模拟纳米压痕和纳米划痕测试。数值模拟是借助于强大的数学工具和计算机科学技术的普及与发展而发展起来的。目前，使用最为广泛的对纳米压痕和纳米划痕测试进行数值模拟的方法有三种：�从微观的角度进行模拟仿真，主要的方法是采用分子动力学方法��琈���� ��热恕��利用有限元描述了压痕法中不同材料在载荷作用下压��本论文主要研究内容以及目的意义本文通过实验与有限元相结合的手段对金属双层纳米薄膜的力学性能进行了研究。实验方面，使用纳米压痕仪和纳米划痕仪对样品进行力学性能参数的测试；并且通过样品热循环前后测试结果的对比，找出测试时随着压深的不同，弹性模量、

5、硬度等呈现出的变化规律；得出双层金属纳米薄膜的膜一膜界面结合力；探讨了双层膜界面的微结构及其对整个膜一基体系的性能影响；对测试结果的影响因素进行了讨论。有限元方面，通过对纳米压痕实验的模拟，得出了最大压深时仿真结果与实验结果的压力一压深曲线的对比，以及双层膜的应力分布及其表面处、界面处、压头下的应力一位移曲线等。具体研究内容有以下几个方面：���么趴亟ι浞椒ㄔ诓ＡС牡咨现票噶薈�疌���疌��／�、�／�四组金属双层纳米薄膜，并对其进行了热循环载荷试验，模拟实际工作环境下金属双 纳米压痕技术的测试原理�球形压头；曲圆锥压头；一审�圆锥压头图��几种常用压头的几何形

6、状�� ����．���图��压头压入材料及卸载后压头参数示意图�中，硬度和模量可以从最大压力‰、最大压入深度‰、卸载后的残余深度一通过拟合实验得出的压深一压力曲线，得出如下的函数：�—����一��艉 ��．�砖�．�� 松比。对于金刚石压针而言，噩����，嵋�．�。��纳米划痕技术的测试原理 基裁一图��纳米划痕测试的测量装置简图图��薄膜的形变和力的关系������声�梗甈当�龃蟮揭涣俳缰礧��保�∧け阍贚点首先破裂。若再使划头移动，则几乎不需要再加力就会把薄膜劈开。故划破薄膜使其脱落下来的力�ノ幻婊� �暑��高级有限元分析理论对于金属双层纳米薄膜的压痕测

7、试的有限元模拟涉及到塑性分析、非线性分 �应力应变关系是非线性的，其非线性性质与材料有关；进入塑性状态。这两个假说都被后来的试验所否定，因为在各向等压时，压应力可以远远超过材料的屈服极限％，而材料并未进入塑性状态。这个试验结果与它们所提出的假说是矛盾的。在此之后，贝尔特拉密�����提出，当物体的弹性能达到某一极限值时，材料便进入塑性状态，但这个假说由于将形状改变能和体积变形能混在一起考虑，因而和试验结果也是不一致的。� 江苏大学硕士学位论文¨点一面接触单元：主要用于点一面的接触行为建模，例如两根梁的相互接触。如果通过一组结点来定义接触面，生成多个单元，可以通