SiC单晶片微观力学行为及其损伤特性研究

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现代制造科学的进步需要更为先进的加工技术作为支撑,而精密超精密加工技术是现代制造科学的发展方向,材料在微纳米尺度下的变形行为和微观损伤机制是精密超精密加工的重要研究内容。SiC单晶片作为LED芯片上衬底的理想材料,具有许多优良特性,如它的热导率和导电性能都非常好,化学性质稳定而且比较难腐蚀,是制作许多大功率器件不可或缺的材料。但由于SiC单晶的硬度高,是典型的难加工材料。微纳米压/划痕测试是一种常用的薄膜材料力学性能测试方法,利用微纳米压/划痕技术研究SiC单晶材料在微观尺度下的变形机理和力学性能,可为硬脆性材料的超精密加工提供理论支持。  本文首先通过微纳米压痕试验研究了SiC单晶的载荷-位移曲线、硬度和弹性模量以及微裂纹的类型;然后采用ABAQUS软件有限元仿真模拟了SiC单晶片的压痕过程,比较了不同压头下压痕的力学响应;最后开展了SiC单晶片的微米划痕试验,研究了接触力、划痕速度、法向力对划痕的影响,并通过仿真研究了划痕过程的力学响应。  压痕研究结果表明,SiC单晶的显微硬度和弹性模量随着载荷的增加而减小,并逐渐趋于稳定,硬度和弹性模量都存在比较明显的尺寸效应,在150mN下能明显看到压痕裂纹和材料堆积现象。在玻氏压头、球形压头、维氏压头和圆锥压头等四种压头正下方的材料都存在不同程度的应力集中,并且由压痕中心向周围呈放射状分布,球形压头的应力影响区域更大。结合SiC单晶的玻氏压头纳米压痕试验,验证了压痕模型的正确性。随着压痕载荷的增加,SiC单晶压痕平均裂纹长度在增加,其裂纹类型有主裂纹、侧向裂纹、平直型裂纹、主次型裂纹和间断型裂纹。  划痕研究结果表明,在变载荷划痕过程中,改变接触力对划痕摩擦因数、剪切力的变化影响不大;最大法向载荷变大,影响最大的是划痕末段,法向载荷越大,划痕末段的刻划深度越深,小幅度的增加法向载荷,对划痕的摩擦因数和切向载荷影响不是很大。不同恒载荷条件下,其摩擦因数的变化趋势和波动范围是一致的,但不同恒载荷的切向力不同,且剪切力波动也更明显些。等效应力的最大值主要出现在压头尖端与工件材料发生推挤作用的区域,以及划痕沟槽的底部区域。随着划痕深度的增加,沟槽底部的塑形损伤也越明显。
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