基于abaqus仿真薄膜纳米力学性能的研究

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1、江苏大学硕士学位论文摘要在微纳米科学技术快速发展的今天，薄膜作为制作MEMS器件的重要基础材料，残余应力和基底的存在对其力学性能影响很大，而这将直接影响器件的寿命及稳定性，因此，基底和残余应力对薄膜的力学性能影响问题成为当前的研究热点。论文以两种不同硬基底和同一种软薄膜构成的软膜硬基系统为对象，利用ABAQUS软件，对试样的纳米压痕过程进行仿真，研究等二轴残余应力和基底对薄膜纳米力学性能的影响，并与薄膜同材料的块体材料进行了对比研究。首先，基于ABAQUS仿真软件建立了一个膜／基试样的几何模型、施加了边界条件和温度场，使等二轴残余应力q与材料初始屈服应力仃，的比值仃，

2、／仃，为1，模拟了该试样的纳米压痕过程，得到了压痕过程中Mises应力云纹图及载荷一深度曲线。其次，针对三个试样模型，依次施加q肛。为0和±1的等二轴残余应力，对压头依次施加100—300nm间隔为25nm的位移载荷，结果表明，薄膜的残余压入深度h，、接触深度玩、规范化加载载荷C、刚度s和弹性模量E随基底的弹性模量增加而增大，而薄膜的硬度日无明显变化。以、C、S、H和E在q／仃。=一1时最大，在q户，=1时最小；而JIl，的结果与之相反。薄膜的hr、吃、C、S、H和E随压深的增加呈规律性变化并受应力状态的影响。最后，讨论了恒定载荷作用下应力状态d，／仃，与薄膜的压痕特

3、性和力学性能之间的关系，结果表明：在盯，／∥，从，1变化至1的过程中，h，线性递增；吃和s线性递减；C呈近似抛物线状递减；日呈递减趋势，但在压应力阶段的递减速率比拉应力阶段的小；块体试样的E保持不变，而两个薄膜试样的E递减，但变化规律有较大差异。论文的研究成果为薄膜基底的正确选择、降低和消除残余应力、提高MEMS的可靠性和使用寿命具有一定的指导意义。关键字：ABAQUS，等二轴残余应力，硬基／软膜，纳米压痕特性，力学性能江苏大学硕士学位论文ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofmicro—nanoscienceandtechnologyto

4、day,thefilmwhichhavebeentakenastheimportantbasicmaterialofMEMS．ThemechanicalpropertiesofMEMSareinfluencedduetothepresenceofresidualstressandsubstrate，andthelifeandstabilityofthedevicewouldbeaffecteddirectly．Sotheproblemoftheinfluenceofthesubstrateandresidualstressonthemechanicalproperti

5、esofthefilmhadbecomearesearchfocus．Twosoftfdm／hardsubstratespecimenswhichconsistoftwodifferenthardsubstratesandasoftfilmwerestudied．Thellano·indentationprocessesofthespecimensweresimulatedbasedonABAQUSsimulation．Theinfluenceofequi—biaxialresidualstressandthesubstrateonthenano-mechanical

6、propertiesofspecimenswerestudied．ThebulksamplewhichhasthesalIlgmaterialofthefilmwastakenasreference．Firstly,thegeometricmodelofafilm／substratespecimenwasbuiltbasedonABAQUSsimulationsoftware．Theboundaryconditionsandtemperaturefieldwereimposedatthesametime．Theratioofexlui—biaxialresiduals

7、tress盯，andtheinitialyieldstress6。ofmaterialis1．Thenano—indentationprocesswassimulatedandthedistributionofMisesstressandtheload·depthcurveweregot．Secondly,forthemodelsofthethreespecimens，equi-biaxialresidualstressO"r／O'y20and±1wereappliedseparately．Thedisplacementloadswereimpose