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纳米压痕法确定横观各向同性压电薄膜的力电耦合系数

作　者: 王甲世
导　师: 郑学军
学　校: 湘潭大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 纳米压痕有限元模拟横观各向同性压电薄膜正向分析反向分析
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

纳米压痕技术因为其简便快捷,样品尺寸小、精确性高等特点,成为一种表征薄膜材料力学性能的常用方法。但是,由于压痕响应过程中基底效应的影响,使得测试的结果并不能真正的反映薄膜材料的力学性能。因此,在考虑基底效应的情况下研究薄膜材料的力学性能成为当今材料领域研究的热点问题。本文将膜基体系的纳米压痕加载曲线拟合成幂指数函数形式,通过其中的加载曲线指数定量地反映出基底效应影响的大小。从而可以在考虑基底效应的情况下,通过结合有限元模拟和纳米压痕实验来确定横观各向同性压电薄膜材料的力电耦合系数。本文的主要工作分为四个部分:1.考虑基底效应的影响,运用有限元模拟的方法研究了各向同性弹性膜基底体系的加载曲线指数与材料力学参数、压痕深度的关系。我们定量地将膜基体系压痕过程中的基底效应与加载曲线指数相联系,定义了一个表征基底效应影响的因子。通过结合纳米压痕实验,在反向分析中利用加载曲线指数确定了薄膜材料的杨氏模量。2.在考虑基底效应的情况下,提出了一种确定横观各向同性薄膜材料弹性力学参数的方法。在正向分析中,对于一般的不考虑压电效应的横观各向同性薄膜材料,通过无量纲分析和有限元模拟得到了最大加载力、加载曲线指数与薄膜材料弹性力学参数之间的无量纲方程。在反向分析中,通过纳米压痕实验得到沉积在硅基底上ZnO薄膜材料的压痕曲线,将实验压痕曲线中的最大加载力和加载曲线指数代入正向分析过程中建立的无量纲方程,求解得到了在不考虑压电效应时ZnO薄膜材料的弹性力学参数。3.考虑横观各向同性压电薄膜材料在压痕过程中的压电效应和基底效应,将压电系数和介电系数作为有限元模拟中的已知参数,在正向分析中建立了考虑压电效应情况下的最大加载力、加载曲线指数与薄膜材料弹性力学参数之间的无量纲方程。在反向分析中,利用ZnO薄膜材料的纳米压痕实验数据,将加载曲线的最大加载力和加载曲线指数代入正向分析中建立的无量纲方程,求解得到考虑压电效应情况下的ZnO薄膜材料的弹性力学参数,通过与不考虑压电效应时的结果相对比,发现考虑压电效应时的结果更合理。4.在考虑基底效应的情况下,提出了一种确定横观各向同性压电薄膜材料压电系数的方法。在正向分析中,当弹性刚度系数已知时,通过无量纲分析和有限元模拟得到了横观各向同性压电薄膜材料压痕过程中的最大加载力、加载曲线指数与压电系数之间的无量纲方程。在反向分析中,通过纳米压痕实验得到了沉积在硅基底上ZnO和PZT-6B薄膜材料的压痕曲线,将实验曲线中的最大加载力和加载曲线指数代入正向分析中建立的无量纲方程,求得了ZnO和PZT-6B薄膜材料的压电系数。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 薄膜材料及其力学性能测试  9-10
  1.2 纳米压痕技术简介  10-13
  1.3 纳米压痕的实验测试  13-14
  1.4 纳米压痕的数值模拟  14-16
  1.5 本论文的选题依据和主要内容  16-19
    1.5.1 本文的选题依据  16-17
    1.5.2 本文的主要工作  17-19
第2章各向同性薄膜材料的弹性力学参数  19-30
  2.1 各向同性的弹性膜基体系  19-20
  2.2 各向同性的弹性膜基体系压痕响应的无量纲分析  20-21
  2.3 ABAQUS有限元软件及其应用  21-23
  2.4 有限元模拟各向同性弹性膜基体系数值加载曲线  23-26
  2.5 加载曲线指数的无量纲方程拟合  26-28
  2.6 基底效应在反向分析中的应用  28-29
  2.7 本章小结  29-30
第3章横观各向同性薄膜材料的弹性刚度系数  30-44
  3.1 横观各向同性薄膜材料的弹性本构关系  30-32
  3.2 求解横观各向同性薄膜材料弹性刚度系数的正向分析  32-41
    3.2.1 压痕响应的无量纲分析  32-33
    3.2.2 有限元模拟数值加载曲线  33-36
    3.2.3 最大加载力和加载曲线指数的无量纲方程拟合  36-41
  3.3 求解横观各向同性薄膜材料弹性刚度系数的反向分析  41-43
    3.3.1 反向分析算法  41
    3.3.2 纳米压痕实验及弹性刚度系数的确定  41-43
  3.4 本章小结  43-44
第4章横观各向同性压电薄膜材料的弹性刚度系数  44-56
  4.1. 横观各向同性压电薄膜材料的本构关系  44
  4.2 求解横观各向同性压电薄膜材料弹性刚度系数的正向分析  44-54
    4.2.1 已知压电和介电系数时压痕响应的无量纲分析  45-46
    4.2.2 有限元模拟压电薄膜材料的数值加载曲线  46-50
    4.2.3 考虑压电效应时最大加载力和加载曲线指数的无量纲方程拟合  50-54
  4.3 求解横观各向同性压电薄膜材料弹性刚度系数的反向分析  54-55
  4.4 本章小结  55-56
第5章横观各向同性压电薄膜材料的压电系数  56-68
  5.1 求解横观各向同性压电薄膜材料压电系数的正向分析  56-62
    5.1.1 已知弹性刚度系数时压痕响应的无量纲分析  56-57
    5.1.2 已知弹性刚度系数时改变压电系数的有限元模拟  57-60
    5.1.3 求解压电系数的无量纲方程拟合  60-62
  5.2 求解横观各向同性压电薄膜材料压电系数的反向分析  62-66
    5.2.1 纵向应变压电系数  62-63
    5.2.2 求解压电系数的反向分析算法  63-64
    5.2.3 纳米压痕实验及压电系数的确定  64-66
  5.3 本章小结  66-68
第6章总结与展望  68-70
  6.1 总结  68-69
  6.2 展望  69-70
参考文献  70-74
致谢  74-75
攻读硕士学位期间发表的学术论文  75

纳米压痕法确定横观各向同性压电薄膜的力电耦合系数

内容摘要

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