【摘 要】
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功能性微/纳米尺度厚度薄膜材料在精密加工刀具、微小型精密器件以及节能环保领域需求非常迫切。目前微/纳米尺度厚度薄膜材料力学性能表征测试方法包括离位纳米压痕/划痕测试方法与SEM原位纳米压痕/划痕测试方法。离位纳米压痕/划痕测试方法无法实时观察微/纳米尺度厚度薄膜材料的纳米压痕和纳米划痕测试过程,SEM原位纳米压痕/划痕测试方法无法实时获取微/纳米尺度厚度薄膜材料的残余纳米压痕/划痕局部区域三维形貌
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“跨尺度纳米操作机驱动机理及自动化微纳操作方法的研究”（项目编号:61774107）； 江苏省高等学校自然科学研究项目“基于SEM原位力学性能测量与三维形貌表征技术研究”（项目编号:20KJA460008）；
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功能性微/纳米尺度厚度薄膜材料在精密加工刀具、微小型精密器件以及节能环保领域需求非常迫切。目前微/纳米尺度厚度薄膜材料力学性能表征测试方法包括离位纳米压痕/划痕测试方法与SEM原位纳米压痕/划痕测试方法。离位纳米压痕/划痕测试方法无法实时观察微/纳米尺度厚度薄膜材料的纳米压痕和纳米划痕测试过程,SEM原位纳米压痕/划痕测试方法无法实时获取微/纳米尺度厚度薄膜材料的残余纳米压痕/划痕局部区域三维形貌。针对这两种测试方法在微/纳米尺度厚度薄膜材料力学性能表征研究存在的不足,本课题在国家自然科学基金项目“跨尺度纳米操作机驱动机理及自动化微纳操作方法的研究”（项目编号:61774107）和江苏省高等学校自然科学研究项目“基于SEM原位力学性能测量与三维形貌表征技术研究”（项目编号:20KJA460008）资助下,设计一种新型SEM原位纳米压痕/划痕-原子力三维成像复合测试系统,作为微/纳米尺度厚度薄膜材料力学性能表征研究新型测试方法。本课题分别对SEM原位纳米压痕/划痕-原子力三维成像复合测试系统设计、SEM真空环境下纳米压痕/划痕技术、SEM原位纳米压痕系统技术以及SEM原位纳米压痕/划痕-原子力三维成像复合测试系统实验进行深入研究。最后采用SEM原位纳米压痕/划痕-原子力三维成像复合测试系统对微米尺度厚度薄膜材料TiAlSiN进行力学性能表征实验。在SEM原位纳米压痕/划痕-原子力三维成像复合测试系统设计方面,设计了新型SEM原位纳米压痕/划痕-原子力三维成像复合测试系统,确定系统驱动方式为压电陶瓷驱动器,系统机械材料选择铝合金,系统电气材料选择外层包裹Teflon材料的电线,设计SEM安装配件使系统与扫描电镜HITACHI SU5000真空腔室外部主控制器连接。SEM原位纳米压痕/划痕-原子力三维成像复合测试系统尺寸为100 mm×100 mm × 30 mm,质量为346.42 g。最后,根据SEM原位纳米压痕/划痕-原子力三维成像复合测试系统操作流程设计了“人-机”友好的系统操作软件。在SEM真空环境下纳米压痕/划痕技术研究方面,设计了一种新型纳米压痕/划痕传感器,对纳米压痕/划痕传感器柔性铰链厚度尺寸进行优化设计,T=0.15mm,纳米压痕/划痕传感器负载输入/输出敏感度和位移输入/输出敏感度结果分别是139.18559 μV/mN 和 200.712μV/μm,负载范围为 1.5 N,质量为 6.53 g。设计了一种新型混合驱动纳米定位平台,集成纳米划痕与粘滑驱动功能,作为SEM原位纳米压痕/划痕-原子力三维成像复合测试系统纳米划痕、粗定位和磨损测试功能,为提高混合驱动纳米定位平台粘滑驱动纳米定位功能步进工作模式下负载能力,设计一种新型混合双直梁型机械结构和C型机械结构柔性铰链,混合驱动纳米定位平台纳米划痕最大输出位移4.9 μm,粘滑驱动纳米定位功能分辨率10 nm,最大运动位移20 mm,最大负载能力2 kg,尺寸为30 mmX 17 mm×8 mm。在SEM原位纳米压痕系统技术研究方面,基于纳米压痕/划痕传感器设计了纳米压痕系统,系统的尺寸为95mm × 64mm × 38mm,对系统Z微动定位平台半导体应变片位移传感器进行模拟温度补偿,首先将半导体应变片安装在Z微动定位平台上表面,然后将Z微动定位平台放入到可编程恒温恒湿箱中,获得半导体应变片电阻温度系统,带入模拟温度补偿公式中,计算得出补偿电阻,建立Z微动定位平台位移校准系统,获得Z微动定位平台位移输入/输出敏感度。最后将纳米压痕系统放置到扫描电镜HITACHI SU5000真空腔室中,获得TiAlSiN材料的纳米压痕“负载-深度”曲线。通过与装有honeywell传感器的压电陶瓷驱动SEM原位纳米压痕系统比较,本论文基于纳米压痕/划痕传感器设计的纳米压痕系统可以在扫描电镜真空腔室中多方向进行力学性能测试与观察。在SEM原位纳米压痕/划痕-原子力三维成像复合测试系统实验研究方面,采用SEM原位纳米压痕/划痕-原子力三维成像复合测试系统对微米尺度厚度薄膜材料TiAlSiN分别进行离位纳米压痕、纳米划痕、磨损测试;SEM原位纳米划痕、磨损测试;SEM原位磨损-原子力三维成像复合测试,并对三种测试方法进行比较,验证本课题提出的SEM原位纳米压痕/划痕-原子力三维成像复合测试方法在微/纳米尺度厚度薄膜材料力学性能表征研究的使用优势。
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