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微纳尺度接触力学行为实验研究

作　者: 杨承铭
导　师: 杨晓京
学　校: 昆明理工大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 微机电系统微纳尺度纳米压痕仪原子力显微镜接触力学接触滑动
分类号: TH-39
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

微纳尺度下接触表面容易引发黏着和磨损,导致微机电系统产生严重的黏着、摩擦与磨损问题。它是导致微机械系统在制造和使用中失效的主要因素,也是当前微纳机械亟待解决的重要课题。本课题选题来源于国家自然科学基金项目：“微机械摩擦副接触力学行为多尺度耦合分析方法研究”的部分内容。首先对微纳尺度接触力学理论进行分析,利用纳米压痕仪和原子力显微镜,在探针与试件之间形成球面-平面类型的微机械摩擦副。然后通过探针与不同晶向的试件样品表面之间的接触力学行为实验和接触滑动力学行为实验,再利用最后利用原子力显微镜扫描压、划痕,观测实验后试件的表面形貌。最后运用Matlab软件分析实验数据,绘制位移-载荷曲线及滑动距离-摩擦力曲线,计算获得硬度、模量等力学性能参数,分析实验数据和原子力显微镜扫描获得的表面形貌图,得出相关规律：(1)通过分析位移-载荷曲线,发现在接触力学行为实验过程中发生了较明显的突进和蠕变,主要原因是材料的内部结构发生了变化,即晶格变形、晶格重构等。而且在实验过程中,不同晶向的试件,硬度值和弹性模量值并不相同。(2)观察三种晶向的单晶硅试件的压痕图片,发现试件在压深小于1000nm时,只是发生了弹塑性变形；在压深为1000nm时,压痕周围出现了裂纹；而在压深为2000nm时,试件出现了明显的脆性断裂。观察三种晶向的单晶铜试件的压痕图片,发现在接触力学行为实验过程中,压痕周围没有裂纹或是脆性断裂出现。发现由于铜的延展性很好,脱离接触后,弹性恢复较小。(3)对比不同载荷和不同速度情况下的三种晶向的单晶硅试件以及三种晶向的单晶铜试件的滑动距离-摩擦力曲线可以发现,在接触滑动力学行为实验过程中摩擦力并不是恒定不变的。同载荷的情况下,速度越大,相对波动越小；当载荷和速度都相同时,不同晶向的试件曲线是不同的且并不是平滑的曲线；载荷越大速度越大的情况下,探针与试件间的摩擦力波动越小,黏着作用越小。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-19
  1.1 微机电系统概述  9-10
  1.2 微纳尺度接触力学的研究意义  10-13
  1.3 微纳尺度接触力学的研究现状  13-15
    1.3.1 国外研究现状  13-14
    1.3.2 国内研究现状  14-15
  1.4 本课题的主要研究方法和手段  15-17
  1.5 本文主要研究内容  17-19
第二章微纳尺度接触力学理论  19-31
  2.1 接触力学理论  19-23
    2.1.1 赫兹接触理论  19-21
    2.1.2 Bradley黏附模型  21
    2.1.3 Hamaker假设黏附模型  21-22
    2.1.4 JKR接触模型  22
    2.1.5 DMT接触模型  22
    2.1.6 Tabor数  22-23
  2.2 微纳尺度接触过程力学特性的理论计算  23-24
  2.3 微纳尺度滑动接触过程力学特性的理论计算  24-25
  2.4 探针顶端曲率半径对实验结果的影响  25-27
  2.5 晶向指数和晶面指数  27-30
    2.5.1 晶向和晶面  27-28
    2.5.2 晶向指数和晶面指数的确定  28-30
  2.6 本章小结  30-31
第三章不同晶向单晶硅接触力学行为实验  31-45
  3.1 引言  31
  3.2 晶向单晶硅接触力学行为实验  31-36
    3.2.1 不同载荷条件的接触过程实验  31-33
    3.2.2 不同接触深度条件的接触过程实验  33-36
  3.3 ,,晶向单晶硅接触力学行为实验  36-44
    3.3.1 接触深度30nm条件下的接触过程实验  36-37
    3.3.2 接触深度70nm条件下的接触过程实验  37-38
    3.3.3 接触深度100nm条件下的接触过程实验  38-39
    3.3.4 接触深度500nm条件下的接触过程实验  39-40
    3.3.5 接触深度1000nm条件下的接触过程实验  40-42
    3.3.6 接触深度2000nm条件下的接触过程实验  42-44
  3.4 本章小结  44-45
第四章不同晶向单晶硅接触滑动力学行为实验  45-53
  4.1 引言  45
  4.2 5mN载荷条件下三种晶向单晶硅接触滑动实验  45-49
  4.3 50mN载荷条件下三种晶向单晶硅接触滑动实验  49-51
  4.4 本章小结  51-53
第五章不同晶向单晶铜接触力学行为实验  53-61
  5.1 引言  53
  5.2 ,,晶向单晶铜接触力学行为实验  53-59
    5.2.1 接触深度100nm条件下的接触过程实验  53-54
    5.2.2 接触深度500nm条件下的接触过程实验  54-55
    5.2.3 接触深度1000nm条件下的接触过程实验  55-57
    5.2.4 接触深度2000nm条件下的接触过程实验  57-58
    5.2.5 三种晶向单晶铜纳米压痕仪压痕图片  58-59
  5.3 本章小结  59-61
第六章不同晶向单晶铜接触滑动力学行为实验  61-71
  6.1 引言  61
  6.2 500μN载荷条件下三种晶向单晶铜接触滑动实验  61-65
  6.3 5mN载荷条件下三种晶向单晶铜接触滑动实验  65-67
  6.4 50mN载荷条件下三种晶向单晶铜接触滑动实验  67-69
  6.6 本章小结  69-71
第七章全文总结与工作展望  71-73
  7.1 全文主要工作总结  71-72
  7.2 后续工作研究建议与展望  72-73
致谢  73-75
参考文献  75-79
附录A：实验仪器及实验过程附图  79-81
附录B：本人在攻读硕士学位期间的科研情况  81

微纳尺度接触力学行为实验研究

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