基于纳米压痕技术与有限元法的粘弹性材料力学特性研究

论文摘要

粘弹性材料在微电子、纳米技术以及微机电系统领域具有广泛的应用前景,如利用粘弹性材料制作的微纳结构和微型器件。使得粘弹性材料的微观力学特性研究显的尤为重要。本文结合纳米压痕技术和有限元法,对粘弹性材料的力学特性以及接触形貌对压痕试验的影响机理进行了研究。利用有限元分析软件模拟粘弹性材料的纳米压痕实测过程,并分析了针尖曲率半径、表面粗糙度在压痕测量中的影响。首先,利用纳米硬度计在聚氯乙烯表面进行压痕实验,得到材料的弹性模量、硬度等力学量；利用有限元软件ANSYS并结合相关文献和实验数据进行仿真,再现了纳米压痕实验的过程,得到位移形变等效图、应力等效图、载荷—位移曲线以及硬度值；对实验数据和仿真数据进行了比对,数据的符合度较好,得出了利用有限元数值模拟技术研究粘弹性材料纳米压痕测量方法的可行性结论。其次,针对不同尖端曲率半径的圆锥形压头,建立四种带有不同尖端曲率半径R的压头和样品表面接触模型。采用2-D轴对称有限元模型模拟纳米压痕测量过程。结果显示,在粘弹性材料纳米压痕实验中,硬度测量值随压入深度的减小而增大,随尖端曲率半径的增加而增大,并且随着压入深度的减小,测量结果受压头尖端曲率半径的影响更加明显。最后,引入压头表征尺寸概念,针对表征尺寸与表面粗糙度参数在同一数量级以及表征尺寸远小于表面粗糙度参数这两种情况,分别建立3-D有限元模型。仿真结果表明,接触零点在峰顶时的硬度测量值会偏小,接触零点在谷底时的硬度测量值会偏大,并且硬度测量值的偏差随粗糙度间距和轮廓最大高度的增加而增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图清单
• 表格清单
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景与意义
• 1.1.1 微机电系统的发展
• 1.1.2 粘弹性材料在微机电系统中的应用
• 1.1.3 微机电系统力学测量的重要性
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 接触形貌对纳米压痕测量影响的研究
• 1.2.2 粘弹性材料纳米压痕测量的研究
• 1.3 研究的目标与内容
• 1.3.1 研究的主要目标
• 1.3.2 论文的内容安排
• 第二章 纳米压痕技术与有限元法
• 2.1 纳米压痕技术
• 2.1.1 纳米压痕仪简介
• 2.1.2 几种常用压头
• 2.1.3 纳米硬度理论
• 2.1.4 纳米压痕弹性模量理论
• 2.2 粘弹性材料的有限元法
• 2.2.1 有限元法与有限元分析软件
• 2.2.2 粘弹性材料的力学特性
• 2.2.3 粘弹性材料的本构关系
• 2.2.4 粘弹性材料的有限元模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 纳米压痕实验测量粘弹性材料力学特性及有限元仿真
• 3.1 聚合物材料PVC材料简介
• 3.2 纳米压痕实验
• 3.2.1 实验样品
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 实验方案
• 3.2.4 纳米压痕实验
• 3.2.5 实验数据的处理与分析
• 3.3 有限元软件ANSYS10.0仿真压痕实验
• 3.3.1 对象分析
• 3.3.2 几何模型
• 3.3.3 单元选择与材料属性
• 3.3.4 网络划分
• 3.3.5 边界条件
• 3.3.6 模型加载与设置
• 3.3.7 结果提取
• 3.4 数据结果的比对、分析
• 3.4.1 数值计算后的等效示意图
• 3.4.2 弹性模量理论分析
• 3.4.3 硬度值分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 接触形貌在粘弹性材料纳米压痕实验中的影响
• 4.1 压头尖端曲率半径的影响
• 4.1.1 压头几何形貌分析
• 4.1.2 有限元模型
• 4.1.3 仿真结果与分析
• 4.1.3.1 位移形变和等效应力示意图
• 4.1.3.2 硬度归一化分析
• 4.2 表面粗糙度的影响
• 4.2.1 表面粗糙度理论概述
• y时粗糙度的影响'>4.2.2 μ≈D、R_y时粗糙度的影响
• 4.2.2.1 接触零点在谷底时
• 4.2.2.2 接触零点在峰顶时
• 4.2.2.3 硬度归一化分析
• y时斜坡的影响'>4.2.3 μ<y时斜坡的影响
• 4.2.3.1 斜坡模型分析
• 4.2.3.2 位移形变比对
• 4.2.3.3 等效应力比对
• 4.2.3.4 硬度归一化分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作内容
• 5.2 本文创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文