CGMD运算方法在纳米压痕上的应用
纳米压痕技术实验及其应用
纳米压痕技术实验及其应用简介纳米压痕技术（Nanoindentation）是一种用于研究材料力学性质的精密技术。
通过在材料表面施加一定载荷，然后测量载荷与压痕深度之间的关系，可以得到材料的硬度、弹性模量等力学性质。
本文将介绍纳米压痕技术的基本原理、实验步骤以及在材料科学领域中的应用。
基本原理纳米压痕技术基本原理是利用钢球或金刚石尖端通过纳米压头在被测材料表面施加载荷，然后测量载荷与压痕深度的关系。
通过分析载荷-压痕深度曲线，可以获得材料的硬度、弹性模量等力学参数。
实验步骤1.样品制备：制备需要进行纳米压痕实验的材料样品，通常是块状的金属、陶瓷、聚合物等材料。
2.仪器校准：校准纳米压头的载荷传感器和位移传感器，确保实验数据准确可靠。
3.压痕实验：在样品表面选取合适的位置进行压痕实验，在一定载荷范围内施加载荷并记录载荷-压痕深度曲线。
4.数据处理：通过数据处理软件对实验数据进行分析，计算得到材料的硬度、弹性模量等力学参数。
应用领域纳米压痕技术在材料科学领域中有着广泛的应用，主要包括：•材料硬度测试：纳米压痕技术可以准确测量材料的硬度，对于评估材料的力学性能非常重要。
•薄膜力学性质研究：对于薄膜材料而言，纳米压痕技术可以有效地评估其力学性质。
•生物材料力学性质研究：在生物材料研究领域，纳米压痕技术可以帮助科研人员了解生物材料的力学性能，如骨骼、牙齿等。
结论纳米压痕技术作为一种精密的材料力学测试方法，在材料科学领域有着广泛的应用前景。
通过实验分析，可以更准确地评估材料的力学性能，为材料设计和研发提供重要参考。
以上就是关于纳米压痕技术实验及其应用的文档内容，希术能对您有所帮助。
纳米压痕的工作原理及应用
纳米压痕的工作原理及应用1. 纳米压痕的定义纳米压痕是一种实验技术，它通过在材料表面施加小型压力，然后测量压痕的尺寸和形状，从而推断材料的力学性质和表面特征。
2. 纳米压痕的工作原理纳米压痕技术基于材料的弹性和塑性行为，通过在材料表面施加小型压力，使之发生弹性和塑性形变。
测量压痕的尺寸和形状可以确定材料的硬度、弹性模量等力学性质，以及表面的粗糙度和涂层厚度等表面特征。
3. 纳米压痕的应用纳米压痕技术在各个领域有着广泛的应用，下面列举几个常见的应用领域：•材料科学与工程：纳米压痕可以用于研究材料的力学性能，比如硬度、弹性模量、塑性行为等，这对于材料科学和工程的研究非常重要。
此外，纳米压痕还可以用于研究材料的磨损特性、涂层的性能等。
•纳米技术：纳米压痕可以用于研究纳米材料的力学性能，比如纳米颗粒、纳米薄膜等。
纳米材料的力学性能对于纳米技术的应用非常重要，纳米压痕可以提供对纳米材料力学性能的准确测量。
•医学领域：纳米压痕可以在医学领域中应用于材料和组织的力学性质研究。
例如，可以通过纳米压痕测量人体组织的硬度，从而对组织的健康状况进行评估。
•电子学：纳米压痕可以用于研究电子器件和材料的力学性能，如半导体材料、导线材料等。
这对于电子器件的性能和可靠性的评估和优化非常重要。
•能源领域：纳米压痕可以用于研究能源材料的力学性质，如锂离子电池的电极材料、太阳能电池的表面材料等。
这对于能源材料的研究和开发具有重要意义。
•环境科学：纳米压痕可以用于研究环境材料的力学性能和耐久性。
例如，可以通过纳米压痕来评估建筑材料的抗风蚀性能、海洋材料的耐久性等。
4. 纳米压痕的发展趋势随着纳米科学和纳米技术的快速发展，纳米压痕技术也在不断改进和完善。
目前，一些新的纳米压痕技术已经出现，如纳米压痕显微镜、纳米压痕机械测试仪等。
这些新技术的出现使得纳米压痕技术在应用上更加方便和准确。
5. 总结纳米压痕是一种重要的实验技术，可以用于研究材料的力学性质和表面特征。
数值模拟在纳米压痕技术中的重要意义
数值模拟在纳米压痕技术中的重要意义数值模拟在纳米压痕技术中的重要意义贵所-材料学李泽丽-20211005纳米材料由于其特殊的力学性能引起了人们的广泛关注，例如高的强度、硬度、耐磨性、延展性以及低温超塑性等。
纳米材料之所以表现出这些特殊的性能与材料内部结构和变形机制密切相关。
纳米压痕技术是一种相对简单有效地评估薄膜材料力学性能的方法，通过纳米压痕实验不仅可以获得材料的相关性能参量，而且能够反映材料弹塑性转变的机制，揭示微观组织结构与宏观力学性能的关系。
然而，纳米压痕是一个复杂的接触问题，进行纳米压痕试验时受到诸多因素的影响，例如材料表面粗糙度，衬底效应，晶界效应，压头几何形状，晶格各项异性和压痕尺寸效应等，即便是在相同的设备和试验条件下纳米压痕试验过程的重复性也不能得到保证，因此需要采用数值模拟方法对纳米压痕过程进行研究。
计算机数值模拟是独立于理论分析和实验研究的第三种手段，是沟通理论和实验的桥梁。
与实验研究相比，数值模拟可实现在实验上很难或根本无法完成的研究；与理论研究相比，数值模拟无需过于简化的假设，能够接近实际的复杂情况，获得实验无法测量的结果，并深入揭示它们的内在行为机制。
目前，研究材料纳米压痕的常用数值模拟方法主要有三种:有限元 (Finiteelementmethod，FEM)模拟，分子动力学 (Moleeulardynamies，MD)模拟以及多尺度(Multi sealemethod)模拟。
有限元 (FEM)方法常用于薄膜/基体组合体系的纳米压痕试验数值模拟。
然而，在研究微/纳观尺度的缺陷行为时，如位错芯的原子结构、位错动力学、晶界结构、晶界与位错的相互作用、裂纹尖端的晶格结构以及裂纹尖端的位错发射等方面，采用建立在传统连续介质力学基础上的理论来解释会出现一些问题。
因为在微/纳米尺度下晶体是由大量的原子有序的排列而成的，材料的强度来源于原子间的相互作用，塑性来源于原子间的相互运动，其本质均是原子的离散特性。
纳米压印技术的基本方法及其应用
纳米压印技术的基本方法及其应用摘要：纳米压印技术具有加工成本低，使用设备简单，制备周期短等优点，是目前纳米沟道加工的主要技术。
本文介绍了纳米压印技术中热压印、紫外固化压印和微接触等三种典型的压印工艺及其关键技术，并对三种工艺方法的优缺点进行对比说明，总结了纳米压印技术的应用领域，最后对该技术的发展进行了总结和展望。
关键词：纳米压印技术热压印紫外固化压印微接触中图分类号：TH161The Main Method and Application of Nanoimprint Technology Abstract: Nanoimprint technology which has low cost, simple device and Short production cycle is the main technology in Nano-channel production. This article describes the typical embossing process and key technologies of Hot embossing, UV-curable Nanoimprint Lithograhpy and Micro-contact printing, introduce the advantages and disadvantages of these three methods by contrast, Summarizes the applications of nanoimprint technology, finally summarize and prospect the development of nanoimprint technology.Keywords:Nanoimprint technology Hot embossing UV-curable Micro-contact printing0 前言纳米压印技术是目前纳米沟道加工的主要技术。
纳米压痕技术综述
纳米压痕技术及其应用傅杰摘要：纳米压痕技术也称深度敏感压痕技术，是最简单的测试材料力学性质的方法之一，在材料科学的各个领域都得到了广泛的应用，本文主要针对纳米压痕技术及其应用做一个简单概述。
关键字：纳米压痕技术，应用一、引言传统的压痕测量是将一特定形状和尺寸的压头在一垂直压力下将其压入试样，当压力撤除后。
通过测量压痕的断截面面积，人们可以得到被测材料的硬度这种测量方法的缺点之一是仅仅能够得到材料的塑性性质。
另外一个缺点就是这种测量方法只能适用于较大尺寸的试样。
新兴纳米压痕方法是通过计算机控制载荷连续变化, 在线监测压深量, 由于施加的是超低载荷, 加上监测传感器具有优于1 nm 的位移分辨率, 所以, 可以获得小到纳米级的压深, 它特别适用于测量薄膜、镀层、微机电系统中的材料等微小体积材料力学性能可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质，如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等1]。
二、纳米压痕技术概述纳米硬度计主要由轴向移动线圈、加载单元、金刚石压头和控制单元等四部分组成。
压头材料一般为金刚石，常用的有伯克维奇压头(Berkovich)和维氏(Vicker)压头。
压入载荷的测量和控制是通过应变仪来实现，整个压入过程由计算机自动控制，可在线测量载荷与相应的位移，并建立两者之间的相应关系(即P—h曲线)。
在纳米压痕的应用中，弹性模量和硬度值是最常用的实验数据，通过卸载曲线的斜率得到弹性模量E，硬度值H 则可由最大加载载荷和残余变形面积求出2]。
纳米压痕技术大体上有5种技术理论，他们分别是[2-3]：(1)Oliver和Pharr方法：根据试验所测得的载荷一位移曲线，可以从卸载曲线的斜率求出弹性模量，而硬度值则可由最大加载载荷和压痕的残余变形面积求得。
该方法的不足之处是采用传统的硬度定义来进行材料的硬度和弹性模量计算，没有考虑纳米尺度上的尺寸效应。
(2)应变梯度理论：材料硬度H 依赖于压头压人被测材料的深度h，并且随着压人深度的减小而增大，因此具有尺度效应。
纳米压痕试验方法研究
纳米压痕试验方法研究一、引言随着科学技术的发展，材料科学领域的研究越来越深入。
纳米压痕试验作为材料科学领域的一种重要试验方法，能够在纳米尺度上研究材料的力学性能和机械行为。
本文将介绍纳米压痕试验的背景和意义，阐述纳米压痕试验的原理和实验方法，分析纳米压痕试验结果并与传统试验方法进行比较，最后总结归纳纳米压痕试验的重要性和未来发展方向。
二、纳米压痕试验的背景和意义在材料科学领域，研究人员对材料的力学性能和机械行为的研究不断深入。
传统的力学试验方法通常是在宏观尺度上进行的，难以在纳米尺度上研究材料的力学性能和机械行为。
因此，纳米压痕试验方法应运而生。
纳米压痕试验可以实现在纳米尺度上对材料进行精确的力学性能测试，为材料科学领域的研究提供更为准确的试验数据。
三、纳米压痕试验的原理和实验方法1、纳米压痕试验的原理纳米压痕试验是通过在材料表面施加一定压力的载荷，测量材料表面的变形和位移，从而获得材料的力学性能和机械行为。
在纳米压痕试验中，载荷一般采用压头为锥形或球形的力传感器，通过计算机控制系统实现对材料表面进行精确的位移控制和数据采集。
2、纳米压痕试验的实验方法纳米压痕试验的实验方法主要包括以下几个步骤：（1）选择合适的试样：根据研究目的和材料性质选择合适的试样。
试样表面应平整、无瑕疵，以保证试验结果的准确性。
（2）安装试样：将试样固定在纳米压痕试验仪上，确保试样稳定不动。
（3）选择合适的载荷和位移：根据试样材料性质和研究目的选择合适的载荷和位移范围。
（4）进行纳米压痕试验：通过计算机控制系统控制力传感器向下位移，实现对试样表面施加压力。
同时，采集试样表面的变形数据，记录下载荷和位移的变化情况。
（5）数据处理和分析：根据采集到的数据，进行曲线拟合、数据处理和分析，获得材料的力学性能指标和机械行为参数。
四、纳米压痕试验结果与传统的试验方法比较与传统力学试验方法相比，纳米压痕试验具有以下优点：1、精度高：纳米压痕试验可以在纳米尺度上对材料进行精确的力学性能测试，而传统力学试验方法是在宏观尺度上进行的，精度相对较低。
微纳米力学及纳米压痕表征技术
微纳米力学及纳米压痕表征技术摘要：微纳米力学为微纳米尺度力学,即特征尺度为微纳米之间的微细结构所涉及的力学问题[1] 。
纳米压痕方法是通过计算机控制载荷连续变化，并在线监测压深量[2]，适用于微米或纳米级的薄膜力学性能测试，本实验采用Oliver–Pharr 方法研究了Al2O3 薄膜，附着在ZnS 基底，得到了Al2O3 薄膜的力学性能。
关键词：微纳米力学纳米压痕杨氏模量硬度0引言近年来,随着工业的现代化、规模化、产业化,以及高新技术和国防技术的发展,对各种材料表面性能的要求越来越高。
20世纪80年代,现代表面技术被国际科技界誉为最具发展前途的十大技术之一。
薄膜、涂层和表面处理材料的极薄表层的物理、化学、力学性能和材料内部的性能常有很大差异,这些差异在摩擦磨损、物理、化学、机械行为中起着主导作用,如计算机磁盘、光盘等,要求表层不但有优良的电、磁、光性能,而且要求有良好的润滑性、摩擦小、耐磨损、抗化学腐蚀、组织稳定和优良的力学性能。
因此,世界各国都非常重视材料的纳米级表层的物理、化学、机械性能及其检测方法的研究。
[3]同时随着材料设计的微量化、微电子行业集成电路结构的复杂化,传统材料力学性能测试方法已难以满足微米级及更小尺度样品的测试精度,不能够准确评估薄膜材料的强度指标和寿命 ;另外在材料微结构研究领域中, 材料研究尺度逐渐缩小,材料的变形机制表现出与传统块状材料相反的规律 ,以上趋势要求测试仪器具有高的位置分辨率、位移分辨率和载荷分辨率 ,纳米压痕方法能够满足上述测试需求。
[4]现在，薄膜的厚度己经做到了微米级,甚至于纳米级,对于这样的薄膜,用传统的材料力学性能测试方法己经无法解决。
纳米压痕试验方法是一种在传统的布氏和维氏硬度试验基础上发展起来的新的力学性能试验方法。
它通过连续控制和记录样品上压头加载和卸载时的载荷和位移数据,并对这些数据进行分析而得出材料的许多力学性能指标,压痕深度可以非常浅，压痕深度在纳米范围,也可以得到材料的力学性能，这样该方法就成为薄膜、涂层和表面处理材料力学性能测试的首选工具,如薄膜、涂层和表面处理材料表面力学性能测试等。
纳米压痕方法在材料研究中的应用
纳米压痕方法在材料研究中的应用纳米压痕方法在材料研究中的应用引言：纳米压痕方法是一种在纳米尺度下对材料进行力学性能测试的技术，它通过对材料施加微小的压力和观察材料在压力下的变形情况来评估材料的硬度、弹性模量和塑性行为等力学特性。
这种方法具有非常广泛的应用领域，包括材料科学、纳米技术、生物医学和电子器件等。
本文将深入探讨纳米压痕方法在材料研究中的应用，包括其原理、实验步骤和在不同材料中的应用案例。
一、纳米压痕方法的原理1. 纳米压痕机理纳米压痕方法基于材料受力导致的变形行为来评估材料的力学性能。
在纳米压痕实验中，压头采用微小的针尖或球状探头，施加在样品表面上。
通过控制压头所施加的压力和加载速率，可以获得不同范围内的材料变形情况。
在这个过程中，探测器记录样品的变形曲线，从而计算出材料的硬度、弹性模量和塑性变形等力学参数。
2. 纳米压痕仪器的原理纳米压痕仪器通常由压头、负载传感器和位移传感器等组成。
压头通过控制系统施加压力，负载传感器测量压力大小，位移传感器检测样品的变形情况。
通过将以上信息进行整合和计算，可以得到准确的力学性能参数。
二、纳米压痕方法的实验步骤1. 样品制备进行纳米压痕实验前，首先需要准备好样品。
样品可以是固态材料如金属、陶瓷或聚合物，也可以是生物组织或薄膜等其他类型的材料。
样品的平整度和表面质量对实验结果有着很大的影响，因此在制备过程中需要保证样品表面的光洁度和平整度。
2. 实验参数设置在实验前，需要根据材料的特性和分析需求设置好实验参数，包括压头的类型、压力的范围和加载速率等。
不同的材料需要不同的实验参数，这些参数的选择将直接影响到实验结果的准确性和可靠性。
3. 进行压痕实验将样品固定在纳米压痕仪器上，并在控制系统的指导下进行压痕实验。
实验过程中，通过记录和监测压头施加的压力和样品的变形情况，可以获得包括压头载荷-位移曲线、变形图像和力学性能参数等数据。
根据这些数据，可以对材料的力学性能进行准确的分析和评估。
纳米压痕法测试压痕蠕变的应用研究
:
图 2 Ta, Ni和 N i基合金的应变曲线和硬度之间的双对数 关系
1 ( a ) 应变速率为 0. 01 s21 ; ( b) 应变速率为 0. 0 5 s2 ; ( c ) 应变 速率 为 0. 1 s21
Fig . 2 Do ub le loga rithm ic relatio n sh ip be t w een strain and hardne ss of Ta , N i, and N i2b ased a lloy
( 3) β 其中 C 为常数 , 为一与材料有关的常数 。将 ( 2) 和 ( 3) 式代入方程 ( 1 ) , 并将方程两边积分得压
[ 15 ]
入蠕变的硬度与保载时间的关系 : - n lnH = lnB - Q / RT + ln t ( 4) n σ /β 其中 B = nA 。式 ( 4 ) 说明 lnH 和 ln t 之间 存在线性关系 ,其斜率即为应力指数的倒数。 第二种方法利用 B erkovich三棱锥压头的几何 相似性 ,采用如下的等效应变率 , dh 1 ε ( 5) �= dt h 结合 ( 1) , ( 3 ) , ( 5 )式可以得到应力指数 [ 16 ]
[1]
用于块体材料 , 如蠕变的 应力指数 、 晶粒尺寸影响 等 , 薄膜材料的研究报导还很少 。压痕蠕变实验方 [9] [ 10 ] 法主要有恒加载速率法 ( CRL ) 、 恒定载荷法 、
[ 11 ] [7] 压入载荷松弛 ( I LR ) 、 恒加载速率 /载荷法 等 。
一些学者通过实验或者有限元模拟计算将拉伸蠕变 实验与压痕蠕变实验相比较 , 发现两种方法得到的 蠕变性能符合得较好
收稿日期 : 2 006 2 01 2 3 0; 修订日期 : 2 006 2 03 2 22 基金项目 : 国家自然 科学 基金 资助 ( 90 406 024 ) 作者简介 : 高阳 ( 196 8 - ) , 女 , 博 士 , 高级工程师 。
纳米压痕技术处理数据流程
纳米压痕技术处理数据流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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以下是一般的纳米压痕技术处理数据流程：1. 实验准备：准备待测试的样品，并确保其表面平整、清洁。
纳米压痕体积
纳米压痕体积纳米压痕技术是一种通过使用纳米尖端对材料进行压痕实验以研究材料力学性质的方法。
纳米压痕技术可以测量材料的硬度、弹性模量和塑性变形等重要性能参数，对于材料科学和工程技术具有重要意义。
本文将围绕纳米压痕体积展开讨论，介绍纳米压痕技术的原理、应用以及未来的发展方向。
一、纳米压痕技术的原理纳米压痕技术是利用纳米尖端在材料表面施加压力，然后通过测量压痕后的几何参数来计算材料的力学性质。
在纳米压痕实验中，常用的纳米尖端材料包括钨、钢和金刚石等。
当纳米尖端施加在材料表面时，会形成一个微小的压痕。
通过测量压痕的深度和宽度等几何参数，可以推导出材料的硬度和弹性模量等力学性质。
二、纳米压痕技术的应用1. 材料力学性能研究：纳米压痕技术可以用于研究各种材料的力学性能，包括金属、陶瓷、聚合物等。
通过测量不同材料的硬度和弹性模量，可以评估材料的强度和刚度，为材料设计和工程应用提供依据。
2. 薄膜性能评估：纳米压痕技术可以用于评估薄膜的力学性能。
薄膜通常具有不同于块材料的力学行为，通过纳米压痕可以测量薄膜的硬度和弹性模量，从而评估薄膜的质量和性能。
3. 生物材料研究：纳米压痕技术可以用于研究生物材料的力学性能，如骨骼、软组织等。
通过测量生物材料的硬度和弹性模量，可以了解其力学特性，为生物医学研究和工程应用提供基础数据。
4. 界面力学研究：纳米压痕技术可以用于研究材料的界面力学性能。
材料的界面性能对于材料的整体性能具有重要影响，在纳米压痕实验中可以测量界面的硬度和弹性模量，从而评估界面的结合强度和刚度。
三、纳米压痕技术的发展方向1. 多参数测量：目前的纳米压痕技术主要关注材料的硬度和弹性模量等单一参数，未来的发展方向是实现多参数的测量。
通过同时测量多个参数，可以更全面地评估材料的力学性能，提高测试的精确度和可靠性。
2. 动态压痕：目前的纳米压痕技术主要是静态压痕，即在恒定载荷下进行测试。
未来的发展方向是实现动态压痕，即在变化载荷下进行测试。
纳米压痕测量薄膜力学参数的多尺度研究
南昌航空大学硕士学位论文纳米压痕测量薄膜力学参数的多尺度研究姓名：苏建君申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：江五贵20080501摘要随着微/纳米技术的迅猛发展，过去的十年里，在微/纳观尺度下如何表征材料力学性能方面取得了令人瞩目的成就，使得纳米材料及其技术成为目前科学研究的热点之一。
由于纳米材料在微观尺度下的表面/界面的影响，力学性能方面往往会表现出与微观尺度的小尺寸效应。
这也是对当今纳米科技相关机械性能的研究带来的新问题之一。
纳米压痕技术是一种用于研究材料小尺寸范围相关力学性能的技术之一，它可以用来观察纳米等级微变形行为和目前最为关注的压痕尺寸效应的研究。
本文首先针对薄膜材料在纳米压痕试验时出现压痕尺寸效应，运用准连续介质法模拟单晶铝膜纳米压痕试验初始塑性变形过程。
分析了不同直径的刚性圆柱形压头分别压入同一深度时弹性和塑性变形特点，并获得了相应的载荷—压深曲线。
基于Oliver-Pharr法，预测了纳米硬度值和弹性模量；当压头直径达到或超过80 Å时纳米硬度值趋于稳定值，即压头尺寸效应消失。
同时表明弹性模量不存在尺寸效应。
表明材料的弹性模量本质上仅依赖原子间的结合能，而和压头尺寸基本无关。
研究表明计算结果试验结果非常吻合，表明使用该方法预测薄膜材料的纳米硬度和弹性模量是可行的。
其次为了检测测试材料表面对纳米压痕试验中相关力学参量测试结果的影响，运用准连续介质法模拟了具有一定表面形貌的单晶铜薄膜的初始变形过程。
同样利用Oliver-Pharr法预测了单晶铜的纳米硬度值和弹性模量。
结果表明具有一定表面形貌的测试数据均低于完美单晶表面所计算获得的数值。
基于研究发现在纳米压痕试验中应该考虑到如下因素可能会对试验造成影响：例如压头尺寸、压入深度和受测试样表面形貌情况。
为了能准确测量和获得相关力学性能参数结果，试验时应该选用足够大的压头以避免压头尺寸效应和选择大于最大表面形貌深度的压深以减少表面相貌情况对试验造成的影响。
原子力显微镜针尖同接触面的纳米压痕粘着力
原子力显微镜针尖同接触面的纳米压痕粘着力
田文超;贾建援
【期刊名称】《半导体学报》
【年(卷),期】2003(024)B05
【摘要】建立了原子力显微镜(AFM)针尖同接触面的纳米压痕物理模型；根据Hamaker三个假设和Lennard-Jones势理论，利用连续方法推导出针尖同接触面的纳米压痕粘着力表达式，针对Hamaker常数实验值受环境影响较大，给Hamaker常数的具体应用产生困难的问题，从Lifshitz理论，得出Hamaker常数的近似表达式，并计算了Au、Cu、Al、Ag、Hg的Hamaker常数，计算结果同有关文献的实验结果符合，从而为微机械中广泛存在的纳米接触、“微碰”现象研究提供理论基础。
【总页数】4页(P70-73)
【作者】田文超;贾建援
【作者单位】西安电子科技大学机电工程学院，西安710071
【正文语种】中文
【中图分类】TN16
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基于纳米压痕与纳米划痕实验的单晶硅超精密切削特性研究
第52卷第9期2023年9月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.9September,2023基于纳米压痕与纳米划痕实验的单晶硅超精密切削特性研究崔㊀杰,杨晓京,李云龙,张高赞,李宗睿(昆明理工大学机电工程学院,昆明㊀650500)摘要:为研究单晶硅超精密切削特性,采用纳米压痕仪配合Berkovich 金刚石压头对单晶硅<100>晶面进行纳米压痕与纳米划痕实验㊂纳米压痕实验分别以10㊁30和50mN 载荷将压头压入单晶硅表面,发现30mN 载荷下载荷-位移曲线产生微小波动,而在50mN 载荷下发生 pop-out 现象,说明材料此时有突然的应力变化并有脆性破坏发生,预测了单晶硅脆塑转变的临界载荷略小于30mN㊂开展变载荷纳米划痕实验,用0~100mN 的载荷刻划单晶硅表面,根据载荷-位移曲线观察到单晶硅在变载荷刻划中分为弹塑性去除和脆性去除阶段㊂弹塑性去除阶段,载荷-位移曲线波动平稳,而脆性去除阶段曲线波动较大,得到单晶硅脆塑转变的临界载荷为27mN,临界深度为392nm㊂通过恒载荷纳米划痕实验,在塑性加工域内分别以5㊁10和20mN 的恒载荷刻划单晶硅表面,并通过扫描电子显微镜(SEM)观察恒载荷划痕后的单晶硅表面形貌,分析刻划数据发现切削力和弹性回复率随着载荷的增加而增大,摩擦系数则先增大后减小㊂因此单晶硅超精密切削加工应选择合理的载荷,并充分考虑弹性回复的影响㊂关键词:单晶硅;超精密切削;纳米压痕;纳米划痕;脆塑转变;切削力;弹性回复率;摩擦系数中图分类号:TG501㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)09-1651-09Ultra Precision Cutting Characteristics of Monocrystalline Silicon Based on Nanoindentation and Nanoscratch ExperimentsCUI Jie ,YANG Xiaojing ,LI Yunlong ,ZHANG Gaozan ,LI Zongrui(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)㊀㊀收稿日期:2023-04-05㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(51765027)㊀㊀作者简介:崔㊀杰(1996 ),男,安徽省人,硕士研究生㊂E-mail:cuixiaojie96@ ㊀㊀通信作者:杨晓京,博士,教授㊂E-mail:xjyang@Abstract :In order to investigate the ultra precision cutting characteristics of monocrystalline silicon,nanoindentation and nanoscratch experiments were conducted on <100>surface of monocrystalline silicon using a nanoindentation instrument and a Berkovich diamond indenter.In the nanoindentation experiment,the indenter was pressed onto the surface of monocrystalline silicon under 10,30,and 50mN loads,respectively.It is found that there are slight fluctuations in the load displacement curve under 30mN load,while a "pop out"phenomenon occurred under 50mN load,indicating a sudden stress change and brittle failure of the material,the critical load for brittle-plastic transition of monocrystalline silicon was predicted to be slightly less than 30mN.Nanoscratch experiments with variable loads from 0to 100mN were carried out.According to the load-displacement curve,it is observed that monocrystalline silicon scratching can be divided into elastic-plastic removal and brittle removal stages during variable load.In the elastic-plastic removal stage,the load-displacement curve fluctuates smoothly,while in the brittle removal stage,the curve fluctuates significantly.The critical load for the brittle-plastic transition of monocrystalline silicon is 27mN,and the critical depth is 392nm.Finally,through the constant load nanoscratch experiment,the surface of monocrystalline silicon was scratched at a constant load of 5,10,and 20mN in the plastic processing region,respectively.The surface morphology of monocrystalline silicon after constant load scratch was observed by scanning electron microscopy (SEM).The scratching analysis data shows that the cutting force and elastic recovery rate increases with the increase of load,while the friction coefficient first increases and then decreases.Therefore,in ultra1652㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷precision machining of monocrystalline silicon,it is necessary to select a reasonable machining load and fully consider the impact of elastic recovery.Key words:monocrystalline silicon;ultra precision cutting;nanoindentation;nanoscratch;brittle-plastic transition;cutting force;elastic recovery rate;friction coefficient0㊀引㊀㊀言得益于芯片等半导体元器件的应用,计算机㊁通信工具㊁医疗器械等产品不断朝着集成化㊁智能化方向发展㊂单晶硅作为半导体元器件最常用的衬底材料,在微电子和集成电路领域运用广泛,其尺寸和精度需要借助超精密切削技术来完成㊂超精密切削技术是指在微米,甚至纳米尺度[1-3]下对材料进行机械加工,从而制造出极高精密度零件的技术㊂单晶硅的超精密切削技术水平一定程度上决定了集成电路的线宽和元件数,直接影响微电子工业和计算机技术的发展,因此世界各国都非常重视该项技术[4-6],并将其作为先进制造技术中的优先发展内容㊂Song等[7]研究了超精密切削中摩擦力与最小切削厚度的关系,提出了一种超精密切削模型,模型中刀具刃口半径越小,摩擦系数越高,切削深度越薄㊂Guo等[8]发现单晶铜在弱磁场中超精密切削时会产生磁塑性效应,此时亚晶体成型度低,抑制了切削中工件表面褶皱结构的形成㊂真实的超精密切削加工实验成本高㊁周期长,因此随着仿真软件发展的日趋成熟,越来越多的学者开始尝试用分子动力学(MD)模拟材料的超精密切削过程[9-11]㊂Li等[12]采用MD模拟了闪锌矿氮化镓(B3-GaN)在不同半径球形压痕下的压痕过程,发现位错和非晶化扩展是导致B3-GaN晶体塑性变形的主要原因㊂且随着压头半径增大,弹塑性转化临界载荷增大,材料硬度逐渐降低,原子位移和Von Mises应力增大,最终促进了位错在滑移体系中的成核与扩展,加剧了B3-GaN晶体的塑性变形㊂马世泽等[13]利用LAMMPS软件模拟了单晶硅纳米切削过程,研究了V形微沟槽结构对金刚石刀具切削性能的影响,发现当微沟槽深度为0.75nm时金刚石刀具切削效果最好㊂受计算机算力限制,MD只能完成小规模尺度下的模拟,不能完全反映实际切削情况㊂纳米压痕与划痕实验在形式上更加接近于实际的超精密切削加工,对材料的脆塑转变过程和切削特性有着更直观的表现[14-16]㊂杨晓京等[17]对单晶锗<100>㊁<110>㊁<111>三个不同晶面进行纳米划痕实验,发现单晶锗具有强烈的各向异性,即在不同晶面脆塑转变的临界载荷以及临界深度有显著差异㊂郜伟等[18]通过6H-SiC表面的多次纳米划痕实验,发现间隔较小的划痕之间会产生干涉,且非顺序下的划痕比顺序划痕更易得到高质量加工表面㊂目前,通过将纳米压痕与纳米划痕实验相结合,研究单晶硅超精密切削特性的成果并不多见㊂因此,本文首先对单晶硅<100>晶面进行纳米压痕实验,分析实验中载荷-位移曲线不连续及产生 pop-out 现象的原因,推测出单晶硅脆塑转变临界载荷的大致范围;后用变载荷纳米划痕实验验证了推测结果,并得到单晶硅脆塑转变临界载荷与临界深度的精确值;但变载荷纳米划痕实验由于速率变化实验结果会出现偏差,进而又设计了恒载荷纳米划痕实验观察塑性域内不同载荷大小下的划痕特性,并综合考虑材料弹性回复对加工的影响,以期为单晶硅实际超精密切削加工提供理论依据和数据支持㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀微纳尺度压痕与划痕实验的理论基础图1(a)是压痕过程中金刚石压头与工件表面接触的示意图㊂P是压头施加的垂直于材料表面的法向载荷,h max是压头压入的最大深度,h f是压头卸载后的残余深度㊂若被压材料为弹塑性材料,压痕接触边缘会发生材料堆积,导致压头有一个下沉量h s,卸载时压头在下沉量这段距离上与材料不发生接触,发生接触的阶段为接触深度h c㊂图1(b)是压痕后所得的载荷-位移曲线,曲线由加载和卸载两部分组成,S是压头刚开始卸载时卸载曲线切线的斜率㊂通过该曲线可以观察整个压痕过程中压头施加载荷与压入深度之间的变化关系,并且可以计算被压材料的纳米硬度和弹性模量㊂Oliver与Pharr[19]提出了一种Oliver-Pharr模型,该模型从弹性接触理论出发,给出了描述纳米压痕卸载曲线的经验公式:P=α(h-h f)m(1)㊀第9期崔㊀杰等:基于纳米压痕与纳米划痕实验的单晶硅超精密切削特性研究1653㊀图1㊀纳米压痕过程示意图(a)与压痕后所得的载荷-位移曲线(b)Fig.1㊀Schematic diagram of process for nanoindentation (a)and load-displacement curves after nanoindentation (b)式中:α和m 是与压头几何参数及压头工件各自弹性模量㊁泊松比相关的拟合参数㊂接触深度的计算公式为h c =h max -h s =h max -εP max S (2)式中:ε是与金刚石压头几何形状相关的系数,锥形压头取0.72,旋转抛物面形压头取0.75,平压头取1㊂压头与材料接触面积A 由面积函数确定㊂A =f (h c )=kh 2c(3)对于理想的Berkovich 压头,A =24.5kh 2c ㊂纳米压痕硬度(H )计算公式为H =P max A(4)弹性模量(E r )计算公式为E r =π㊃S 2A (5)被压材料的弹性模量可以通过经验公式计算㊂1E r =1-ν2tip E tip +1-ν2sample E sample (6)式中:E tip 和νtip 是金刚石压头的弹性模量和泊松比,分别取1141GPa 和0.07;E sample 和νsample 分别是被压材料的弹性模量和泊松比㊂根据公式(2)~(6),结合实验所得载荷-位移曲线可以计算单晶硅的纳米硬度和弹性模量㊂图2㊀纳米划痕实验过程示意图Fig.2㊀Schematic diagram of experimental process for nano scratch 纳米划痕实验示意图如图2所示,压头施加法向载荷P 同时以速度V 向前方移动,通过控制载荷大小与滑动速度可以模拟不同参数条件下单晶硅的切削加工㊂与划痕方向一致的切向力F t ,是实际对材料表面产生切削作用并迫使材料变形的作用力㊂通过记录法向载荷P 和切削力F t ,可以计算与表面粗糙度有关的摩擦系数f ,定义为f =P F t (7)以上是单晶硅超精密切削加工的主要参数,合理选择这些参数可以大大提高工件表面的加工精度㊂单晶硅是典型的脆硬性材料,这种材料的去除通1654㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷常分为三个阶段:弹塑性去除阶段㊁塑性去除阶段,以及脆性去除阶段㊂塑性去除阶段和脆性去除阶段之间存在一个临界状态,这个状态被称为脆塑转变点㊂弹塑性去除阶段施加载荷较小,划入深度较浅,弹性变形对切削过程有较为显著的影响,此时切屑呈微小均匀的粉末状;随着施加载荷的不断增大,划痕深度也持续增加,但小于临界深度,此时为塑性去除阶段,切屑呈细小带状,该阶段加工表面光滑㊁平整,是较为理想的加工状态;当划痕深度随着载荷的增加持续加深,直至超过临界深度后,刻划进入脆性去除阶段,切屑呈大块状,并出现裂纹,样品表面遭到破坏㊂实际切削加工中应尽量避免到达脆性去除阶段,尽量在塑性域内进行材料去除以保证加工表面的精度㊂1.2㊀实验原材料和制备方法实验试样为用直拉法制备,且单面抛光的<100>晶面单晶硅样片,抛光面粗糙度小于2nm,样片尺寸为10mmˑ10mmˑ0.5mm㊂实验前先准备好圆柱形金属底座,在表面涂上热熔胶水并放在加热台上加热至160ħ放置实验样片,待冷却到室温后材料样片固定在圆柱形底座上㊂观察样品表面是否有污渍,用棉棒蘸取乙醇溶液轻轻擦拭样品表面,烘干备用㊂1.3㊀性能测试与表征纳米压痕与划痕的实验采用美国Aglient公司生产的Nano indenter G200纳米压痕仪,配合曲率半径为20nm的Berkovich金刚石压头进行㊂压头负载分辨率为10nN,位移分辨率小于0.01μm㊂压痕仪配有位移传感器和力传感器,实验中可实时记录划入深度㊁划痕长度㊁法向载荷㊁切削力等参数的变化㊂划痕实验结束后通过JSM-6700F型号的扫描电子显微镜(SEM)观察恒载荷刻划后的单晶硅表面形貌㊂纳米压痕实验的加载和卸载时间各设置为15s,保载5s,其中保载是为了消除材料在加载过程中因内应力而产生的蠕变现象㊂纳米划痕实验中每条划痕的长度均为140μm,其中0~20和120~140μm分别是压头以极小的法向作用力垂直于材料表面预划入和划出的过程,该阶段压头对材料表面不产生力的作用,为压痕仪扫描㊁检查材料表面㊂20~120μm是压头真正参与刻划单晶硅材料表面的阶段,这一阶段中,变载荷划痕实验的法向力从0mN逐渐增加到100mN(载荷加载速度为1mN/s),恒载荷划痕实验则保持设定的载荷不变㊂自始至终,压头的移动速度均为1μm/s㊂此外,为保证实验数据的可靠性与可重复性,每组压痕与划痕实验进行3次㊂2㊀结果与讨论2.1㊀单晶硅纳米压痕实验纳米压痕实验中,载荷-位移曲线可以完整㊁直观地反映压痕全过程,是研究纳米压痕实验的重要手段[20-21]㊂一些学者研究发现在压头加载过程中载荷-位移曲线存在明显的不连续[22],这种现象被定义为 pop-in 现象;但也有些学者记录了仅在卸载过程中载荷-位移曲线存在突变的情况[23],称为 pop-out 现象㊂这两种现象与高压相变引起的单晶硅密度变化有关㊂加载过程中,金刚石压头不断迫使单晶硅转变为密度更大的晶体结构,某一时刻下材料体积被压缩的速率突然增大,会导致 pop-in 现象的发生㊂相反,卸载时晶格破坏导致材料体积突然增加,在短时间内膨胀到相对低密度的结构,因此卸载曲线会出现 pop-out 现象㊂无论加载还是卸载过程中,曲线发生位移不连续现象说明材料在该载荷大小的压痕下发生了体积突变,可以推断此时材料有裂纹产生,发生了脆性断裂变形㊂本实验在10㊁30和50mN载荷下对单晶硅表面进行纳米压痕,图3是三次压痕实验的载荷-位移曲线㊂可以发现三次压痕的加载曲线均没有 pop-in 现象发生,但卸载曲线则表现出明显不同的特征㊂当最大压痕载荷为10mN时,曲线表现出良好的连续性;将最大压痕载荷增加到30mN,卸载曲线在压痕深度为200mN附近产生微小波动;而在最大压痕载荷为50mN时,卸载曲线部分出现了明显的 pop-out 现象,该现象发生在压痕深度为330nm左右㊂对比三种不同载荷下压痕的载荷-位移曲线,10mN载荷材料完全处于弹塑性变形阶段,增加到30mN后可能超出材料脆塑转变的临界点,而50mN载荷下材料发生脆性断裂,即单晶硅脆塑转变的临界载荷在10~50mN,且略小于30mN㊂卸载结束后,三次压痕实验的卸载曲线均没有回到原点,说明都产生了不可逆的塑性变形㊂卸载终点与原点间的距离被称为压痕残余深度,并且随着载荷的增加,产生塑性变形的原子更多,残余深度也更大㊂由图3可以观察到,10㊁30和50mN载荷下的残余深度分㊀第9期崔㊀杰等:基于纳米压痕与纳米划痕实验的单晶硅超精密切削特性研究1655㊀别为79㊁158和226nm㊂使用上一节中的Oliver-Pharr 模型结合本次实验数据,计算得到实验单晶硅样片的纳米硬度为11.17GPa,弹性模量为150.51GPa,与葛梦然等[24]论文中的实测纳米硬度值(12.22GPa)和弹性模量值(173.09GPa)相差不大,误差率分别为8.59%和12.98%㊂因此,纳米压痕结果在预测单晶硅等脆硬性材料的纳米硬度和弹性模量时具有一定指导意义㊂图3㊀10(a)㊁30(b)与50mN(c)载荷下纳米压痕实验的载荷-位移曲线Fig.3㊀Load-displacement curves of nanoindentation experiments under 10(a),30(b)and 50mN (b)loads 图4㊀变载荷纳米划痕实验的划入深度-划痕长度曲线Fig.4㊀Scratch depth-scratch length curve for variable load nano scratch experiment 2.2㊀单晶硅变载荷纳米划痕实验图4是单晶硅变载荷纳米划痕实验的划入深度-划痕长度曲线㊂从图中可以看出:Ⅰ阶段曲线较为平缓,此时材料去除方式为塑性去除,压头施加的载荷较小,划入深度较浅,划入深度平稳增加但不超过临界深度;Ⅰ阶段与Ⅱ阶段交界处曲线出现了小幅波动,表明此时材料处于由塑性去除转为脆性去除的临界状态,该临界状态称为材料的脆塑转变点;进入Ⅱ阶段后曲线起伏波动不断增加,此时去除方式为完全的脆性去除,划入深度超过临界深度,样品表面被破坏,开始有裂纹出现㊂观察图4可以得出Ⅰ阶段载荷为0~27mN,Ⅱ阶段载荷为27~100mN㊂因此得到单晶硅<100>晶面的脆塑转变临界法向载荷为27mN,对应的临界深度为392nm㊂2.3㊀单晶硅恒载荷纳米划痕实验变载荷划痕实验中,每个载荷的作用时间都较短,为避免载荷速率变化对刻划的影响,本文又设计了恒载荷划痕实验㊂图5分别是在5㊁10㊁20mN 载荷下刻划深度以及刻划结束后划痕槽深度相对于划痕长度的曲线㊂对比三种不同载荷下的曲线图可以发现,随着载荷增加,刻划深度以及划痕槽深度都在不断加深,曲线的波动也越大㊂刻划深度与划痕槽深度之间的距离可以定义为划痕弹性回复,实际加工中弹性回复对零1656㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷件的加工精度和加工效率有重要影响㊂弹性回复深度与刻划深度的比值定义为弹性回复率,经计算本实验中5㊁10㊁20mN 载荷下的平均弹性回复率分别为88.1%㊁64.6%㊁51.2%㊂载荷为5mN 时压头划入深度很浅,弹性变形在刻划过程中占主导地位,仅有较少的塑性变形产生,因此弹性回复率相对较大㊂随着载荷增加,塑性变形起到越来越重要的作用,弹性回复率逐步降低㊂图5㊀5(a)㊁10(b)和20mN(c)载荷下划痕深度及划痕槽深度相对于划痕长度的曲线Fig.5㊀Curves of scratching press in depth and scratch groove depth relative to the scratch length under 5(a),10(b)and 20mN (c)loads 图6为塑性域内三种恒力刻划下切削力㊁摩擦系数与划痕长度间的关系曲线㊂从图中可以看出,切削力随着载荷的增加而增加,5㊁10㊁20mN 载荷下对应的平均切削力分别为0.362㊁1.444㊁2.439mN,这是因为载荷越大,刻划深度越深,在针尖前方堆积的材料越多,阻碍了针尖的运动从而导致切削力增加㊂而摩擦系数随着载荷增加先增加,后有微小回落,三种不同载荷下平均摩擦系数分别为0.0724㊁0.1444和0.1220㊂这是因为载荷为5mN 时刻划深度非常浅,材料主要发生弹性变形,此时压头对材料的挤压和耕犁作用会间歇性取代切削作用,因此摩擦系数较小;随着载荷大小增加到10mN 切削深度增加,压头对材料转为连续切削,已加工表面的弹性变形回复会对压头后方产生挤压,压头需要同时克服材料弹性回复和塑性变形,导致摩擦系数增大;当施加载荷为20mN,此时已接近单晶硅脆塑转变的临界载荷,弹性变形减小,材料几乎全部以产生带状切屑的塑性方式去除,此时摩擦系数相较于10mN 略有下降㊂图7(a)~(e)是在低真空环境下加工后的单晶硅的SEM 照片㊂施加载荷在5㊁10㊁20mN 时为塑性域内刻划,如图7(a)~(c)所示,此时样品表面去除方式为塑性去除,去除表面质量较好,没有崩碎颗粒出现㊂另以一条100mN 载荷下的划痕作为对比(见图7(d)),此时施加载荷已经超过了脆塑转变的临界载荷,观察放大后的裂纹细节图(见图7(e))可以发现,材料去除方式为完全的脆性去除,去除表面有大量侧向裂纹出现㊂㊀第9期崔㊀杰等:基于纳米压痕与纳米划痕实验的单晶硅超精密切削特性研究1657㊀图6㊀不同载荷下切削力(a)㊁摩擦系数(b)相对于划痕长度的关系曲线Fig.6㊀Curves of cutting force (a)and friction coefficient (b)relative to scratch length under differentloads 图7㊀不同载荷下划痕表面形貌的SEM 照片Fig.7㊀SEM images of scratched surface under different loads 3㊀纳米划痕实验在金刚石磨粒线锯切割单晶硅领域的应用磨粒线锯切割是一种极具发展潜力的超精密加工方式,广泛应用于蓝宝石㊁SiC 等晶体的切片,并逐步用于芯片制造行业的单晶硅切片加工㊂线锯加工的刀具通常采用嵌有金刚石磨粒的锯丝,柔性锯丝易发生磨损,降低了加工效率和加工精度,且制备和更换成本较高㊂同时,单晶硅材料的切削特性也会影响其切片表面质量㊂研究发现[25],合理选择线锯工艺参数对减小锯丝磨损,提高单晶硅切片表面质量有重要影响㊂本文纳米划痕实验所用压头为金刚石Berkovich 压头,几何形状呈正三角金字塔形,尖端为球形冠,中心线与面的角度为65.3ʎ,中心线与脊的角度为77ʎ,脊与脊的角度为115ʎ㊂大部分线锯金刚石磨粒的尖端也是三角形金字塔状,中心线-面磨料尖的平均角度为66ʎ,中心线-脊角度为76ʎ,脊-脊角度为112ʎ[26],与Berkovich 压头参数极为相似㊂可见本文开展的纳米划痕实验,可以比较好地模拟线锯切割单晶硅的实际加工过程,得到的单晶硅超精密切削特性对线锯加工单晶硅参数的选取也具有一定的参考价值㊂图8(a)是金刚石线锯切割单晶硅的过程图,图中工件以一定的速度做进给运动,而金刚石锯丝则垂直于工件进给方向做往复切割运动获得成品单晶硅片㊂纳米划痕实验中的金刚石压头半径可用来模拟金刚石1658㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷锯丝表面磨粒半径;切片加工时需对锯丝施加张力产生切割作用,该张力可对应划痕实验中压头所加载荷;工件相对锯丝的进给运动对应压头相对实验样件的进给运动,从而产生切削力切割工件㊂切割的截面图如图8(b)所示,实际对工件产生切割作用的并非锯丝本身,而是锯丝上的金刚石磨粒㊂由变载荷纳米划痕实验结论可知,单晶硅脆塑转变的临界载荷为27mN,临界深度为392nm,因此可通过控制锯丝张力㊁弓角以及选择半径不超过临界深度的磨粒在塑性域内切割材料,得到表面光滑平整且无裂纹的单晶硅切片㊂图8㊀金刚石线锯切割单晶硅示意图Fig.8㊀Schematic diagram of diamond wire saw cutting single silicon4㊀结㊀㊀论1)通过纳米压痕实验分析单晶硅压痕变形机理,对材料施加载荷为30mN时,卸载曲线不再连续并产生微小波动,推测单晶硅脆塑转变的临界载荷略小于30mN;载荷为50mN时,卸载曲线在330nm压痕深度附近发生 pop-out 现象,说明单晶硅在由高密度向低密度卸载时有突然的体积变化,推测50mN载荷下单晶硅产生显著脆性断裂变形;根据三次压痕结果计算得到单晶硅的纳米硬度和弹性模量,与实测值的误差率分别为8.59%和12.98%,验证了压痕结果数据的准确性㊂2)由变载荷纳米划痕实验分析单晶硅的脆塑转变机理,材料去除分为弹塑性去除和脆性去除两个阶段,实验得出脆塑转变的临界载荷为27mN,对应的临界深度为392nm,验证了压痕实验中的结论㊂因此在超精密加工领域切削单晶硅时,施加载荷应尽量选择在27mN以内,易得到光滑平整的加工表面㊂3)通过恒载荷纳米划痕实验分析切削力㊁摩擦系数㊁弹性回复等切削参数,发现在塑性域内压头所受的切削力随着载荷的增加而增加,且载荷越大切削力的波动范围也越大㊂摩擦系数则是随着载荷增加先增加后又微小回落㊂划痕结束后材料表面会因为弹性变形恢复部分深度,且不同载荷下弹性回复率有较大差异,因此在加工时不仅要考虑载荷大小的选择,也要注意弹性回复对实际加工的影响㊂4)对比发现本文实验所用Berkovich金刚石压头形貌与线锯切割单晶硅金刚石磨粒形貌非常相似,因此本文实验结果可用于模拟金刚石磨粒线锯切割单晶硅的加工过程,对加工参数选取具有一定参考价值㊂参考文献[1]㊀GAO S,HUANG H.Recent advances in micro-and nano-machining technologies[J].Frontiers of Mechanical Engineering,2017,12(1):18-32.[2]㊀YANG L L,WEI J T,MA Z,et al.The fabrication of micro/nano structures by laser machining[J].Nanomaterials,2019,9(12):1789.[3]㊀FANG F Z,XU F F.Recent advances in micro/nano-cutting:effect of tool edge and material properties[J].Nanomanufacturing and 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微纳米压痕接触区域变形的测试方法及装置
微纳米压痕接触区域变形的测试方法及装置一、微纳米压痕接触区域变形测试方法及装置的重要性哎呀，小伙伴们，咱得知道这微纳米压痕接触区域变形的测试方法和装置那可老重要啦。
在这个科技飞速发展的时代，微纳米技术到处都是。
这个微纳米压痕接触区域变形的研究就像是打开一扇通往微观世界精确测量的大门。
你想啊，如果能准确测试这个变形，那对于好多好多方面都有帮助呢。
比如说材料科学里那些超级小的材料，我们就能知道它们在压力下到底发生了啥，对于制造更高级的材料那就是个关键的步骤。
再比如说在一些超精密的机械零件制造上，知道这个变形就能让零件的精度更高，使用寿命更长。
二、一些常见的测试方法1. 光学测量法这光学测量法可是很厉害的呢。
它就是利用光的一些特性来测量微纳米压痕接触区域的变形。
比如说光的反射、折射啥的。
通过观察光线在这个区域的变化，就能推算出变形的情况。
就像我们看东西，光线一变，我们就能感觉到东西的形状或者位置变了一样。
这种方法的好处是比较直观，而且不会对测试区域造成破坏。
但是呢，它也有缺点，就是对于一些超微小的变形，可能就不太容易精确测量了。
2. 电学测量法电学测量法也很有趣。
它是利用一些电学的原理，像电阻、电容之类的变化来测量变形。
当压痕接触区域变形的时候，这个区域的电学性质就会发生变化。
就好比一个电路里的某个小零件形状变了，电路的电流或者电压就会跟着变。
这种方法的精度有时候可以很高，但是它对测试环境的要求也比较高，周围有一点点干扰，可能就会影响测量结果。
三、相关的测试装置1. 高精度显微镜装置这个高精度显微镜装置在测试微纳米压痕接触区域变形的时候就像是一个超级放大镜。
它能够把非常微小的区域放大，让我们能够清楚地看到变形的情况。
这个装置里面有很多精密的部件，比如说高质量的镜头，可以把图像放大到我们需要的倍数，而且还能保证图像的清晰度。
还有一些微调的装置，可以精确地调整观察的位置。
不过呢，这个装置比较娇贵，需要好好保养，要是不小心碰到或者弄脏了，可能就会影响测量的准确性。
纳米压痕连续刚度
纳米压痕连续刚度
纳米压痕连续刚度是指在纳米尺度下，材料表面受到压力时的弹性变形程度。
这一指标对于材料的力学性能和应用具有重要意义。
纳米压痕连续刚度的测量方法主要有两种：基于力-位移曲线的方法和基于功率谱密度的方法。
基于力-位移曲线的方法是通过纳米压痕仪测量材料表面受到压力时的力-位移曲线，然后根据材料的几何形状和弹性模量计算出纳米压痕连续刚度。
这种方法适用于各种材料，但需要对材料的几何形状和弹性模量有一定的了解。
基于功率谱密度的方法是通过纳米压痕仪测量材料表面受到压力时的功率谱密度，然后根据材料的弹性模量和材料表面的粗糙度计算出纳米压痕连续刚度。
这种方法适用于表面粗糙度较小的材料，但需要对材料的弹性模量有一定的了解。
纳米压痕连续刚度的测量对于材料的力学性能和应用具有重要意义。
例如，在材料的表面加工和涂覆过程中，纳米压痕连续刚度可以用来评估材料的表面硬度和弹性，从而确定加工和涂覆的参数。
在材料的力学性能研究中，纳米压痕连续刚度可以用来评估材料的弹性模量和塑性变形能力，从而确定材料的应力应变关系和断裂机制。
总之，纳米压痕连续刚度是一种重要的材料力学性能指标，可以用来评估材料的表面硬度和弹性、弹性模量和塑性变形能力等。
纳米压痕连续刚度的测量方法主要有基于力-位移曲线的方法和基于功率谱密度的方法，具体选择哪种方法应根据材料的几何形状和表面粗糙度来确定。
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C G M D运算方法在纳米压痕上的应用"傅仕红(浙江师范大学先进材料成形技术研究所，浙江金华321019)摘要：分子动力学是用来描述原子尺度行为的一种重要方法，但是如果尺度上升到巨宽尺度，分子动力学所需要的计算量非常庞大，其运算时间也需要很长。
针对上述问题，研究了将C G M D运算方法运用到纳米压痕上，并将得到的结果与分子动力学进行比较，结果表明，C G M D与分子动力学这2种运算方法在纳米压痕的变形机制与物理行为是很接近的，但由C G M D模拟得到的载荷-位移曲线所估算的薄膜基板材料性质略高于分子动力学的模拟结果。
关键词：C G M D;分子动力学；纳米压痕；变形机制；变换尺度；节点势能中图分类号：〇55 文献标志码：BApplication of CGMD Operation Method in NanindentationF U Shihong(Lab for Advanced Material Processing,Zhejiang Normal University,Jinhua321019, China)Abstract:Coarse grained molecular dynamics(C G M D)i s an important method for simulating atom scale action,but i fthe scale increased to tremendous level,molecular dynamics need huge calculated amount,and the operation time was long.Aimed at that,C G M D method was taken,and applied i t into nanoindentation,the results were compared with namics.The results showed that the two operational method were similar in the aspect ofi cs behavior of nanoindentation,but the properties of film placode materials estimated with C G M D load-displacement were a l i t t l e higher than those with molecular dynamics.Key words：C G M D,molecular dynamics,nanoindentation,deformation mechanism,transformation scale,node potent i a l energy分子动力学（M D)是用来描述原子尺度行为的 一种重要的方法，但是如果尺度上升到巨宽尺度[1]，分子动力学所需要的计算量非常庞大，其运算时间 也需要很长。
在系统中，想要模拟这个尺度的行为，对使用有限元分析法来说，由于网格划分小，必须经 过一系列的修正，所以不太适合；对分子动力学来 说，系统需求庞大，在定量分析上有很大的困难。
C G M D(C o a r s e Grained MolecularD y n a m i c s)是分 子动力学的一种延伸方法，利用该方法，通过截取一 团原子群的重要特征，能够达到用减少的节点数取 代多数原子做运算的目的。
如果使用C G M D运算 方法来描述原子等级的现象，将会大大提高效率，甚 至可以达到有限元分析法的定量结果。
1纳米压痕弹性模数理论的建立通过连续体力学，可以推导应力式1直接应用 在分子动力学上，除了必须对模型内的原子计算相 关的作用力外，还应考虑到模型内原子与映像空间 中假想粒子的相对作用力。
在计算作用力时，需要 找到模型与映像空间内的粒子间相对距离的最小间 距，这个距离应为截断半径[2]的2倍(见图1)。
〇s*V?21*< '!(r>)>e s d r>(1 )式中，a是区域内应力s是作用区域；N是区域内 粒子数F,是区域内的2个方向；V Z是区域内原 子体积，V z =4$?/3,仏是区域内原子半径，仏= 2r k1/(22r k2)。
图1截面示意图纳米压痕分析仪器是目前科学研究领域中少数 可以用来分析纳米尺度下，测试工件表面及微小结 构机械性质的工具。
在测量过程中，可得到压痕作 用力与压痕深度的关系图（见图2)[3]，通过图2可以进一步分析极薄薄膜的硬度、弹性系数与破坏韧 性等机械性质M。
图2压痕载荷与压痕深度关系示意利用几何关系，得到理想的三角锥J 面的压痕投影面积为[56]$A h c = 2Q . "h 2c式中，A 是正向接触投影面积-8是接触 义为压头与试件之间接触深度。
由图2 度h max 的关系式为：h c =h m aP m a x式中，S 是卸载刚性，S = cLP /d h ;)为 Pmax 是最大压痕力。
综合式2和式3得：P max 2P m a24. 5A h cA h c = 2Q . 5(h由一般硬度公式得：H式中，E 是硬度。
2模拟结果与分析2.1模拟流程设置用C G M D结合MD法来进行模拟纟 试验[7]，并从力的位移图中，估算材料的模数[8]。
试验模型是外形尺寸为145m r X60 mm的基板。
MD模型由108 800 格结构的原子组成（见图3#C G M D模颗原子、9 600个C5小晶格节点与2 00 晶格节点组成(见图4#通过以上条件: 流程如图5所示。
图压头垂直表 (2)f e 深度，其定得到压痕深(3)几何常数；⑷(5)纳米压痕的尺度及杨氏 X 145 m m颗F C C晶型由6 400 )0个C5大设置的模拟图3 M D 纳米压痕模型图4 C G M D 纳米压痕模型图5模拟流程图2.2压痕的变形过程在压痕变形试验中，模拟参数设定如下:探针负载为4 800X 10-10 N ，系统温度为27 °C ，下压和提 针速度皆为300 m /s 。
图6为初始位置，由图6可以看出，最右边刻度 排成不等宽，原因是M D最小晶格距离与CG最小晶格距离不相等，经过周期边界处理后，将使两者相等。
图6初始位置图S为热平衡后的初始阶段，由图S可以明显 的发现，基板的自由粒子产生了轻微的热振荡现象，粒子之间相互牵扯，由于与探针距离相距较远，两者 之间还无法产生相互作用力。
图S平衡状态随着时间的增加，探针逐渐下压，探针吸附现象 示意图如图V所示，由图V可以看出，在模拟步数达 到3 000 G时，最表面层的粒子产生了些许振动波 动，尤其是探针顶端处格外明显。
图V探针吸附现象图9、图10表示的是针尖下压到最大深度，此 时压痕区域面积已经形成，由图中可知道，应力波的 扩散是由原来的均匀波动变为只往针尖两侧扩散的 非均匀波动。
研究发现，在针尖下方的粒子波动扩 散在此刻变得较为缓慢，但是在针尖两侧仍然持续 的波动蔓延[9]，这就说明了在此下压深度，基板的受 力变形由原来的弹性变形转换为塑性变形。
图9基板受压临界状态图10残留压痕俯视图2.3模拟结果分析试验过程中，C G M D涵盖了 3种尺度，包括原子、C G小晶格节点和C G大晶格节点，相当于F E M不同大小的网格处理。
微小变形区域可以使用C G大晶格，主要是用来抵挡基板应力波回弹。
C5M D与M D模拟纳米压痕时所得到的载荷-位移图如图11所示。
其中，C G M o r s e和C G T B这2条曲线分别代表C5晶格使用M o r s e和T i ght-binding势能[10]并做了适当处理的载荷-位移曲线。
由图11可知，与M D运算方法相比，C5M D运算方法使用范围宽，速度快，效率高。
2.Q试验结论通过试验，用C5M D模拟和M D模拟纳米压痕进行比较，得到如下结论。
1)C5M D模拟得到的载荷-位移曲线斜率比M D模拟略高一些，误差也是在许可的范围内。
2) 在基板受探针影响发生的物理变化方面，C5M D与M D的模拟结果是相当近似的。
3) 试验中，C5M D比M D模拟范围广，可以同 时进行多种尺度原子的模拟。
3结语文中C5M D是由M D衍生而来的，虽然尺度上往上提升了许多，但是仍然没有达到巨宽，而现在的巨宽分析方法F E M已经发展得很成熟，如果可以做改进将F E M的尺度往下降，那么多尺度的理论就会更加完善，配合平行处理运算，相信完全可以实现定量分析。
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收稿日期$017-04-09责任编辑马彤。