基于纳米压痕技术及有限元模拟的薄膜力学性能研究

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随着薄膜技术的发展,薄膜材料以其独特的性能在化工、电子、机械、生物和环境等众多领域得到广泛应用,薄膜材料力学性能的表征一直是材料科学界和力学界研究的热点,研究薄膜的力学性能就显得尤为重要。   由于薄膜材料的小尺度(微纳米尺度),力学性能不同于相同组成元素的块状材料,其测量方法不能简单的用宏观测量方法得到,也不能用传统的宏观理论来解释。因此精确地测量薄膜材料的力学性能日益成为人们关注的课题。纳米压痕技术作为一种测量薄膜材料力学性能的方法,通过连续记录加载与卸载期间载荷与位移的变化,可以测量出材料的弹性性能。但是由于纳米压痕测试技术是建立在压痕问题的弹性解之上的,对于材料的塑性性能,需要结合有限元数值模拟和量纲分析方法来完成。   1.本文采用纳米压痕技术结合量纲分析方法和有限元方法分析薄膜材料的弹塑性性能。运用纳米压痕仪对氧化锌薄膜/玻璃基底进行多组纳米压痕试验,得出氧化锌薄膜的弹性模量和载荷-位移曲线。   2.基于材料双线性本构模型,用量纲分析方法将纳米压痕的加卸载过程与被压材料的力学性能,如弹性模量、屈服强度和塑性强化模量等联系起来,建立起两者间的无量纲函数关系结构式。   3.通过有限元方法模拟纳米压痕压入过程,分析得到无量纲函数的具体表达式。再结合纳米压痕试验得出的载荷-位移曲线计算出材料的屈服强度和塑性强化模量。   最后,将有限元模拟和纳米压痕试验所得载荷-位移曲线进行比较,发现两者吻合得比较好。因此,这种得到材料弹塑性性能的方法是可行的。
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