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题目:薄膜力学性能及膜基结合力仿真研究

关键词:纳米压入,划痕试验,硬度,结合强度,有限元方法

  摘要

在基体表面镀膜或涂层既能发挥基体材料的力学性能,又能使材料表面获得某些特殊的性能,例如:耐磨、耐腐蚀、耐高温、超导以及绝缘等性能。膜基体系由于具备这些特殊性能,已经广泛应用于微电子设备、磁记录、光学等领域中。随着膜基体系的广泛应用,人们对其力学性能提出了更高的要求,因此研究薄膜的力学性能就显的尤为重要。薄膜的硬度和薄膜与基体间的结合强度是薄膜的两个重要力学性能,它们直接关系到薄膜的质量和使用寿命。纳米压痕试验和划痕试验分别用来测量薄膜的硬度和膜基结合强度,膜基体系在纳米压入过程和划痕过程中的应力情况非常复杂,用数学方法很难研究膜基体系的应力情况,有限元仿真技术有助于解决这个问题。本文通过有限元模拟的手段,根据纳米压痕试验和划痕试验的基本原理,来对其测量过程进行仿真,得到膜基体系在试验过程中的应力、应变情况。本文首先将仿真得到的数据结果与试验结果进行对比,比较它们之间的拟合程度,评价拟合误差范围和有限元模拟仿真的效果。其次,本文还研究了膜基体系在压入过程中,应力应变的变化,确定了极限压入深度;并且探讨了压入过程中的凹陷和隆起现象,并分析凹陷和隆起现象的影响因素以及其对硬度测量的影响。最后,文章还通过模拟纳米压痕和划痕实验,并且改变薄膜、过渡层厚度等一些基本参数,来探讨这些不同的参数对膜基体系应力应变分布及大小的影响,从而探讨其对力学性能的影响。合理的控制这些影响参数,从而制备出性能更优异的薄膜材料。