基于纳米压痕的有序微纳结构制备研究.pdf

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1、硕士学位论文基于纳米压痕的有序微纳结构制备研究STUDYONFABRICATIONOFORDEREDMICRO-NANOSTRUCTURESBASEDONNANOINDENTATION蔡建雄哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH162+.1学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文基于纳米压痕的有序微纳结构制备研究硕士研究生：蔡建雄导师：闫永达教授申请学位：工学硕士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年06月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH162+.1U.D.C:621Disser

2、tationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONFABRICATIONOFORDEREDMICRO-NANOSTRUCTURESBASEDONNANOINDENTATIONCandidate：CaiJianxiongSupervisor：Prof.YanYongdaAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalManufacturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDate

3、ofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要材料表面的有序微纳结构可以有效的改变或提升表面性能，因而其在许多领域具有广泛的应用，例如改变光学元件的光学特性；改善机械零件的耐磨性等。研究人员已经开发了光刻技术、电子束刻蚀技术和纳米压印技术等多种有序微纳结构的制备技术。然而光刻技术分辨率受波长限制，制备过程复杂，设备成本昂贵；电子束刻蚀技术制备效率低，且无法大面积制备；纳米压印技术中必要的刚性模板难以制造。这些缺点使得它们的应用受到极大的限

4、制。纳米压痕技术作为一种在微纳尺度测量材料力学性能的测试手段广为人知，极大的促进了材料学的发展。本文将纳米压痕技术作为一种新型微纳加工技术进行有序微纳结构的制备。主要开展的研究工作如下：首先，研制一套具有纳米压痕加工能力和力伺服功能的微探针力伺服加工模块，并基于该模块搭建一套三维微纳加工平台。该模块以金刚石探针为刀具，以压电陶瓷换能器（PZT）为执行机构，以柔性铰链机构为力敏感元件，配合高精度位移传感器，可以实现对探针与工件表面法向力的闭环控制和探针实时压入深度的读取。并对微探针力伺服加工模块的指标参数和三维微纳加工平台的加工能力进行测试。其次，采用有限元仿真方法对基于纳米压

5、痕的有序微纳结构加工机理进行研究。建立模拟压痕加工的三维有限元仿真模型，对不同探针，不同载荷的单点压痕进行有限元仿真，并验证有限元仿真模型的合理性。进行多点压痕的有限元仿真，探究压痕间距、压痕角度等因素对基于纳米压痕的有序微纳结构的影响。最后，进行基于纳米压痕的有序微纳结构加工工艺研究。采用Vickers、Berkovich和Conical探针加工不同角度、不同间距的单列压痕和压痕阵列以形成有序微纳结构，探究这些参数对有序微纳结构的影响。并对成功制备的基于纳米压痕的有序微纳结构的拉曼增强性能进行研究，以罗丹明分子拉曼光谱的增强因子表征其增强性能。关键词：有序微纳结构；纳米压痕

6、；力伺服加工模块；拉曼增强-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractTheorderedmicro-nanostructuresonthematerialsurfacecaneffectivelychangeorenhancethesurfaceproperties.Therefore,ithasawiderangeofapplicationsinmanyfields,suchaschangingtheopticalcharacteristicsoftheopticalelement,andimprovingthewearresistanceofthemechani

7、calpart.Researchershavedevelopedavarietyoffabricationtechniquesoftheorderedmicro-nanostructures,suchasphotolithography,electronbeametching,andnanoimprinting.However,theresolutionofphotolithographyislimitedbythewavelength;theelectronbeametchingtechnologyh