薄膜材料纳米压痕切向摩擦仿真及实验研究

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1、薄膜材料纳米压痕切向摩擦仿真及实验研究FEMSimulationandExperimentStudyontheShearFrictioninNanoindentationSnearFr1CtlOn1nNanOmdenta，t10n江苏大学2014年4月独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本

2、声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：努1寻鳢w年6月『同学位论文版权使用授权书江苏大学、中闸科。、乒技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊f比珊版)电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采J{j影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，I司时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入《中国学位论文全文数据库》并向社会提供查询，授权中国学术期刊(光挤JJ扳)电子杂志社将本论文编入《r{，Ⅲ优秀博硕士学位论文全文数据库》并向社会提供查询。论文的公布(包括刊髓)授权江苏大学研究生处办理。本学位

3、论文属j二彳i保；瞥d。学位论文f1：者掺铌：苏l3使叫年6月”指导教师签名：≥纠垆年江苏大学硕士学位论文摘要随着微机电系统、微电了学以及纳米生物医学等学科的快速发展，新型材料研究，尤其是具备多种功能和复杂结构的单层和多层薄膜材料研究成为了热点。薄膜材料除了光、声、电等特性外，往往还要求其具有良好的力学性能，因此，非常有必要对这些功能薄膜材料的力学性能进行测试研究。本文以薄膜材料为研究对象，利用纳米压痕仪和有限元软件对薄膜进行纳米压痕实验和模拟仿真，探究压头与薄膜间的切向摩擦对薄膜力学性能和沉陷、堆积现象的影响。运用接触力学知识分析了纳米压痕过程中的切向摩擦问题，并进行

4、了有限元模拟。通过在压头与薄膜间设置摩擦系数，模拟研究切向摩擦对圆锥压头、Berkovich压头和球形压头纳米压痕测试的影响。结果表明，摩擦系数从O增大到o．6时，圆锥压头压痕硬度和弹性模量增加均超过20％；Berkovich压头的压痕硬度增加约10％，弹性模量增加约12％；球形压头的压痕硬度增加约1％，弹性模量增加约为2％。最大压入深度相同时，圆锥压头的残余压痕深度最大，Berkovich压头次之，球形压头最小。模拟研究了圆锥压头和球形压头压入硬膜／软基和软膜／硬基两种典型薄膜时，切向摩擦对测试结果的影响。结果表明，压入深度为O．3岬时，硬膜和软膜分别产生了沉陷(si

5、lll(一in)和堆积(pile—up)现象。摩擦系数从0增大到0．6时，硬膜沉陷量增大而软膜堆积量减小，受到载荷增大和面积减小的双重影响，圆锥压头硬膜和软膜硬度增长了29．4％和33．3％；球形压头硬膜和软膜硬度增长了9．7％和6．4％。为了验证模拟结果，采用原子层沉积技术制备了A1203薄膜、zno薄膜和A1203／zno复合薄膜样品，运用纳米压痕仪对薄膜进行纳米压痕实验。根据实验数据计算得到薄膜的硬度分别为23．36GPa、6．25GPa和17．34GPa，弹性模量分别为214．72GPa、40．42GPa和124．6lGPa。采用有限元软件模拟了Berkovic

6、h压头压入A1203、znO、A1203／Zn0薄膜过程。比较模拟与实验结果发现，最大压入深度相差不超过10％。研究结果为准确评价薄膜材料的力学性能提供了新的分析方法，可进一步提薄膜材料纳米压痕切向摩擦仿真及实验研究高纳米压痕技术的测量精度。关键词：薄膜，切向摩擦，纳米压痕，有限元模拟，力学性能II江苏大学硕士学位论文ABSTRACTWiththedevelopmentofmicroelectmmechanicalsystem，microelectronicsandnanobiomedical，newmaterialsbecomearesearchhotspot，esp

7、eciallyforthemonolayeraIldmultilayerfilmmaterialswimmultifUnctionandcomplexstlllctures．Filmmaterialshavemanyperfo眦ancerequirementsin1i曲t，soundandelectricalwiththerequirementforexcellentmechanicalproperties．Thus，itisnecessarytoresearchmemechanicalpropeniesoffilms．Inthispap