作为第三代半导体材料,碳化硅(SiC)以其大禁带宽度、高热导率、高击穿电场强度等优异性能受到广泛关注。但是碳化硅材料属于超硬材料,针对其力学性能研究难度较高,因此碳化硅材料变形损伤机制及其力学性能演化规律依然很不清晰,从而影响到碳化硅材料的可加工性研究,这也严重制约了碳化硅材料的设计、制造与应用。因此,碳化硅材料微观力学性能的研究一直是国际学术界的研究热点。近年来,纳米压痕测试技术逐渐成为材料微观力学性能的主流测试手段,针对碳化硅材料的纳米压痕研究也被国内外学者逐步开展,并出现了一些关于碳化硅材料变形行为和机理的研究成果。然而,纳米压痕试验存在着自身的局限性,压痕过程中被测试材料表面及亚表面产生的动态变形行为难以被实时监测,这也限制了纳米压痕测试技术的发展。为深入研究并阐述碳化硅材料的微观力学性能和变形损伤机制,针对上述问题,结合国内外相关领域的研究分析,本文提出了基于分子动力学的纳米压痕模拟方法,对3C-SiC和4H-SiC材料的力学性能、弹性及塑性变形过程、相变的产生及演化、材料的各向异性进行了研究分析。考虑到碳化硅材料的高硬度特性,金刚石压头在压痕过程中会产生变形行为,文章针对金刚石压头变形对碳化硅材料纳米压痕测试结果的影响进行了研究及修正。论文的主要内容如下:(1)建立了单晶碳化硅材料的分子动力学模型。针对碳化硅材料结构,建立了单晶3C-SiC和4H-SiC材料纳米压痕分子动力学仿真模型;基于试验结果,确定Vashishta势函数描述碳化硅材料内部原子间作用,ABOP势函数描述金刚石压头与碳化硅材料原子间作用的势函数体系,并确定运动方程求解方法的选择、系统系综和边界条件的选择。文章还对分子动力学基本原理、碳化硅晶体结构和缺陷分析方法等内容和碳化硅材料纳米压痕的建模过程进行了阐述。(2)对3C-SiC材料纳米压痕过程中变形损伤机理,材料的各向异性进行研究。使用分子动力学方法对3C-SiC(010)、(110)和(111)三个晶面使用球形压头的纳米压痕的过程进行模拟,分析并解释了3C-SiC变形损伤机理,深度解析了3C-SiC各向异性产生的原因。研究结果表明,3C-SiC塑性变形是由于位错环的形核和扩展引发大量原子定向移动所导致,该现象以pop-in的形式表现在压痕的载荷-位移曲线上。位错环形核于弹性变形区域底部,并逐渐扩展为V形位错环和棱柱位错环,棱柱位错环沿<110>晶向族向试件内部扩展。文章利用汤普森四面体对3C-SiC不同晶面压痕的材料结构变化进行了探究,发现3C-SiC所表现出的各向异性均可通过压入表面与汤普森四面体所成角度不同解释。(3)对3C-SiC材料纳米压痕过程中变形损伤机理,材料的各向异性进行研究。开展了4H-SiC(0001)晶面球形压头纳米压痕的分子动力学模拟,解释了4H-SiC的弹性和塑性变形行为,并逐层系统地研究了4H-SiC纳米压痕过程中相变产生的原因和机理。研究发现,4H-SiC在压痕过程中以全位错为塑性变形的主要变形形式,并发现少量不全位错。通过改变立方角压头轴向旋转角度对4H-SiC压痕的各向异性进行测试和研究:当压头的棱边平行于[~—1010]晶向时,材料内部发生了4H-SiC向3C-SiC的相变,该现象的产生主要由剪切应力和不全位错的扩展导致。文章还针对4H-SiC进行了纳米压痕试验研究,与理论研究结果相互印证。(4)对碳化硅材料纳米压痕过程中由于金刚石压头变形对压痕测试结果产生影响进行研究,并提出压头变形校正方法。对于碳化硅纳米压痕过程中金刚石压头变形行为,使用分子动力学模拟方法分别模拟了球形压头、立方角压头和四棱锥压头在3C-SiC材料纳米压痕过程中的变形行为,分析了不同形状压头在压痕中的变形机理,讨论了压头变形对3C-SiC材料变形行为以及压痕测试结果的影响。针对金刚石压头变形而产生的偏差,提出了三种形状压头纳米压痕下载荷-位移曲线的校正方法,并对压痕的硬度-位移曲线进行了校正。该问题的研究填补了压头变形对材料变形行为影响的空白。本研究对理解碳化硅材料的变形损伤机理及压头变形对纳米压痕测试结果的影响具有重要意义,为碳化硅材料的设计、制造与应用提供重要理论支撑。