用原子力显微镜对单晶铜薄膜进行纳米压痕测试

用原子力显微镜对单晶铜薄膜进行纳米压痕测试

一、Nanoindentation tests on single crystal copper thin film with an AFM(论文文献综述)

李莉佳[1](2021)在《残余应力下金属材料压痕响应的仿真分析与试验研究》文中研究指明在材料及其构件的制备和服役过程中,不可避免地会产生残余应力,而残余应力的存在会对材料及其构件的服役性能产生重大影响。与传统的残余应力测试方法相比,基于压痕技术的测试方法具有高效快捷、无损检测、绿色环保、准确性高、通用性强等优点,因此,也具有较好的应用前景。此外,压痕测试技术作为一种成熟的力学性能检测手段,能够得到材料的硬度、弹性模量等重要力学性能参数。因此,发展残余应力的压痕测试方法,探索残余应力下材料的压痕响应规律和微观作用机理具有重要的价值和意义。随着商业化压痕仪的全面发展和广泛应用,残余应力下的压痕测试技术取得了长足发展,但现阶段该研究仍旧具有一定的局限性。为此,本文结合有限元仿真、分子动力学模拟和试验方法,基于压痕测试技术从残余应力的测试方法、典型(各向同性/各向异性)金属材料残余应力下的压痕响应测试和残余应力下材料的压痕响应机理三个方面开展了以下研究工作:(1)基于经典的压痕数据分析方法,通过量纲分析和有限元模拟对幂硬化型材料在残余应力作用下的压痕响应过程进行了研究。分析了残余应力作用下压痕曲线和压痕功无量纲参数Πω随σr/σy、E/σy、n的变化规律。根据归一化压痕功Πφ和残余应力之间的关系,提出了残余应力的通用计算方法,并进行了反演分析。通过张量分解对残余应力下材料表面的应力状态进行分析,基于应力分析推导了残余应力的计算方法,并且通过有限元模拟结果对该方法进行了检验。两种方法的计算精度均可满足实际的工程应用需求。(2)针对不同热处理的各向同性材料TC4开展了有/无残余应力作用下的宏/微观压痕响应测试研究,对其宏观残余应力进行了计算分析。不同残余应力状态下的宏观压痕曲线呈现明显的规律性,不同残余应力下材料的硬度和弹性模量值不发生变化。α相的压痕曲线不随残余应力的变化而变化,βt相压痕曲线没有规律性,得出压痕法并不适用于材料微观残余应力的计算。通过两种压痕方法对TC4的宏观残余应力进行了计算,与XRD法测试结果对比,误差均在20%范围内,压痕法测试各向同性材料残余应力满足工程应用需求。(3)通过施加预应力的方式获得稳定的残余应力场,针对各向异性材料单晶铜开展了有/无残余应力作用下的压痕响应测试,从残余应力大小变化、方向变化、塑性损伤三个方面对压痕响应的变化进行了系统分析和研究。在压痕过程中单晶铜表面产生了明显的堆积现象,残余应力对压痕过程中的塑性变形(堆积)具有一定的抑制作用。通过AFM对不同残余应力作用下的堆积面积进行测量,获得了真实的接触面积,基于真实接触面积计算得到的不同残余应力下的真实硬度值保持恒定。计算所得到的弹性模量值与理论推导结果相符。在材料的不同晶向上,残余应力对压痕曲线的影响程度不同。不同预塑性变形下单晶铜的压痕曲线变化是残余应力和损伤共同作用的结果,损伤导致压痕硬度出现降低趋势。在各向异性材料残余应力的计算中,压痕法比XRD法测试便捷、准确,具有明显优势。(4)通过分子动力学方法对残余应力下单晶铜的压痕响应过程进行模拟,研究了残余应力下材料的压痕响应机理。残余应力下材料内部储存的弹性能增加,导致原子势能增加,实现相同的压痕变形所需的额外能量就会降低。残余应力作用下材料在压痕过程中更容易形成位错成核,并且更容易在残余应力作用的方向进行扩展。基于单晶铜的位错扩展变形机制,提出了残余应力下的位错成核准则。从原子运动角度对不同晶向残余应力对材料压痕响应的影响进行了分析。本文的研究工作为残余应力作用下材料及其构件的力学性能、变形损伤、结构设计及服役寿命预测提供了重要的理论和试验依据,对建立材料残余应力的压痕识别测量标准、扩展标准压痕仪的残余应力测试功能模块、指导应力作用下材料及其构件的结构设计具有一定的理论和应用价值。

韦赟杰[2](2021)在《光栅厚铝膜塑变模拟与实验研究》文中研究指明中阶梯光栅因具有大闪耀角的特点,故在高衍射级次下具有高衍射效率,从而被广泛应用于光谱探测与光谱分析领域。母光栅的制备方法是在玻璃基底上采用真空热蒸镀工艺镀制一层铝质薄膜,然后利用金刚石刀具在铝膜上逐线刻划,使铝膜发生塑性形变从而形成具有周期性的沟槽结构。在成槽过程中,影响光栅槽形质量的因素除刻划设备精度及刻划工艺外,还有一项非常重要的因素—光栅铝膜毛坯的质量。根据理论分析与前期研究发现,采用物理气相沉积法蒸镀的中阶梯光栅薄膜内部会存在残余应力,使刻划初期光栅槽型质量的稳定性降低;同时前期刻划试验结果表明,采用分步镀制工艺制备“铝层-铬层-基底”结构的薄膜在刻划时往往能够获得更好的槽形。针对目前光栅刻划成槽影响因素众多、铝膜弹塑变机理不清晰、槽形轮廓预测困难等问题,通过有限元模拟与纳米压痕实验两种研究手段,研究了复合分层结构薄膜在塑变成形时的应力传导与分布规律,分析了残余应力对光栅薄膜塑变隆起的影响,对提高机刻光栅成槽质量具有重大的现实意义。以79g/mm中阶梯衍射光栅为例,对采用分步镀制与单步镀制工艺制备的光栅薄膜进行了金相实验,依据实验结果建立了不同铬层厚度与铝膜层数的光栅薄膜有限元模型,并进行了纳米压痕模拟试验。结合纳米压痕测试基本理论,分析不同层分结构光栅薄膜塑变时的应力应变传导机制与分布特点,发现了复合分层结构薄膜塑变后回弹量小,易发生塑性变形的原因。通过恒定压深纳米压痕模拟试验,比较了在拉应力、压应力、剪应力等多种残余应力状态下铝膜的载荷压深曲线与应力应变分布,发现残余应力仅会改变铝膜的塑性屈服极限与刚度。基于此发现,本文结合Suresh模型分析了光栅薄膜的应力状态与构成,推导了残余应力计算公式,并使用参数拟合法对公式进行修正,提高了计算结果的准确性,为光栅铝膜残余应力的计算提供了参考。根据模拟得到铝膜塑变后的残余应力场分布规律,设计了纳米压痕多点压入试验,研究残余应力对铝膜塑变隆起的影响。本文解释了刻划初期槽形质量不稳定的原因,阐释了残余应力对铝膜塑变隆起的影响规律,为分析机刻光栅复杂成槽形变规律,进而改善成槽质量提供了参考。

任旭亮[3](2021)在《石墨烯涂层对铝基体压痕及划痕性能影响研究》文中进行了进一步梳理在常规金属中,铝兼具耐热性,机械性,电气性和耐腐蚀性,这使其在许多工业应用中具有重要意义。但是,由于铝材料固有的柔软性,其抗侵入及摩擦性能差,限制了其潜在的应用。石墨烯具有强度高、质量轻、表面积大的优点,因此可作为一种新型润滑添加物,用以保护和增强铝的表面性能,降低其摩擦损耗,提高铝材料在工业应用中的使用范围。因此,本文选择石墨烯涂层铝材料作为研究对象,应用分子动力学方法从纳米压痕和纳米划痕两部分研究了其力学性能。在纳米压痕模拟中,首先建立了单晶铝(Al)及单、双层石墨烯涂层铝(Gr/Al)的压痕模拟模型,研究了Al在球形压头下的压痕性能,并对其压痕力学行为进行分析,同时在相同条件下对Gr/Al进行模拟,以探究压痕作用下Gr涂层对Al基体性能的影响。结果发现,Gr涂层显着增强了Al基体的负载能力,并且延迟了Al塑性行为的开始,提高了接触刚度和弹性能力。其次,通过对压痕过程中材料变形行为及内部应力的分析,发现Gr的面内拉应力对压头的运动有很大的阻力,并且Gr涂层扩大了下方Al基体的承载范围,使得有更多的Al原子参与受力,提高了基体承载力。可见,Gr提高Al基体压痕性能的主要原因是Gr涂层的自身的“托举作用”和对Al基体承载面积的大幅提升。然后,通过对压痕过程中材料内部位错扩展情况进行分析,发现Gr涂层使得Al中原本应该扩展到自由表面的位错转而向材料内部扩散,使得大量位错原子充斥整个基体。可见,Gr提高Al基体压痕性能的另一个主要原因是Gr涂层改变了Al基体中位错的运动机制。最后,通过对比单、双层Gr涂层下Al基体压痕性能的异同,发现增加Gr层数可以提高整个系统的承载能力,但降低了系统的临界压深。在纳米划痕模拟中,与压痕研究相同,首先建立了单晶铝(Al)及单、双层石墨烯涂层铝(Gr/Al)的划痕模拟模型,同时在相同条件下对Al和Gr/Al进行纳米划痕模拟,以探究划痕作用下Gr涂层对Al基体性能的影响。结果发现,Gr涂层的加入可以大幅降低Al基体的摩擦系数,显着提升了其摩擦性能,同时发现Gr手性对摩擦性能影响不大。其次,通过对划痕稳定阶段压痕力及划痕力随划痕长度的变化规律进行分析,发现Gr涂层并不能直接降低摩擦力,而是通过大幅提升材料对法向力的承载能力来实现对摩擦性能的提升的。然后,通过对不同压深下两种基体法向力、摩擦力及摩擦系数进行分析总结,发现Gr/Al基体的法向力对压痕深度表现出明显的线性特征,Al基体的法向力对于压痕深度的变化则不敏感,而两种基体的摩擦力及摩擦系数均与压痕深度呈一定的线性关系。最后,经过对比单、双层Gr涂层下Al基体的的摩擦性能,发现双层Gr可以进一步减小摩擦系数,但是增加Gr层数同样无法直接降低基体所受的摩擦力,而是与Gr涂层增强单晶Al划痕性能有着相同的增强机制。

于硕[4](2021)在《铝膜分层结构对机械刻划光栅成槽过程的影响研究》文中认为中阶梯光栅广泛应用于天文、医疗等领域的光谱分析仪器中,其利用特殊的周期性阶梯状槽形获取高衍射效率。对于用作大批量复制生产的母光栅模板而言,因其较大的槽深及严苛的槽形,通常利用机械刻划的方式进行制备。在机刻光栅制备过程中,影响刻划槽形质量的因素大致分为两方面,一方面与刻划机设备以及刀具有关,如刻划时的设备精度、刻划刀质量、工艺参数等。另一方面与光栅铝膜毛坯自身特性有关,如弹塑性变形特性等。目前我国已研制出了国际领先水平的光栅刻划机及刻划刀具,可生产出高精度的机刻光栅,但受薄膜自身的微观结构影响,制备光栅时仍需少量刻划试验,加入刀具摆放经验值来减小未知铝膜受力成槽机理而带来的加工偏差。所以准确获知刻划时铝膜的受力成槽规律对缩短制备周期起到关键作用。本文以最新分步镀制工艺获取的铝膜为主要研究对象,首先分析由分步镀制工艺带来的铝膜微观结构变化,利用扫描电镜设备与以往铝膜的微观结构进行对比观测,明确了两种铝膜微观结构的不同之处,即分步镀制产生了连续致密的分层结构,并对此内部分层结构进行了分析。其次通过纳米压痕及划痕实验对单层与多层铝薄膜的力学特性进行了探究,获取了硬度及弹性模量的差异,并分析了测试结果中包含的基底效应,同时获知了铝膜不同划痕深度下的回弹特性。接着结合混合率理论,基于获取到的薄膜微观结构及力学参数,建立了一种新的仿真模型,利用有限元方法对中阶梯光栅刻划过程进行仿真模拟,对比了新模型与以往连续均匀介质模型在仿真分析中的差异。并分析了不同膜层数量铝膜的刻划槽形和刻划过程中速度场,应力场的传递分布规律,探究了相同位置处各单元在刻划时的应力变化情况以及铝膜分层界面对薄膜弹塑性形变的影响,得出了晶粒尺寸在霍尔佩奇效应范围内时,分层界面越多,位置越接近刻划深度,薄膜回弹量越小,越接近于理想槽形的规律。最终基于严格耦合波理论,对不同分层数铝膜光栅毛坯刻划槽形具有的衍射效率进行计算,进一步评价分层结构对光栅槽形质量的影响,并进行实际光栅刻划实验,验证了上述规律的准确性。本论文获取了刻划中阶梯光栅铝膜时,其内部分层结构对应力的传递与分布,以及薄膜成槽过程的影响。此研究可为进一步降低光栅制备过程中的试刻划次数提供理论依据,对改进机刻光栅制造工艺有一定的借鉴意义。

宋俊成[5](2021)在《基于分子动力学的单晶锗纳米压痕力学特性研究》文中指出单晶锗是红外光学、半导体等领域的超精密部件中广泛应用的材料之一,其应用场景多为加工精度需求高的模块,但作为典型的各向异性硬脆材料,单晶锗具有易崩碎的特点,需要对其力学特性有进一步的分析用来加深对该材料的理解。纳米压痕技术可以测定材料硬度、刚度、弹性模量等参数,在材料力学性能测试中应用广泛,考虑到纳米压痕仪传感器极为敏感、对实验环境有很高要求,学界常用分子动力学作为模拟方法,通过计算机模拟微观粒子在固定条件下的移动轨迹等各种参数,可有效模拟微观结构变化。国内外诸多研究学者藉由分子动力学对纳米压痕、微纳切削过程进行分析,成果斐然。为了对特殊环境、特定条件的单晶锗力学特性进行研究,探明单种因素的影响,本研究通过单晶锗的纳米压痕试验,检验试验尺度对力学特性实验结果的影响,测试单晶锗力学性质,采用分子动力学模拟方法对单晶锗纳米压痕受载、卸载过程展开研究,由晶体网格结构入手对单晶锗的力学性能与其微观因素深入研究,揭示不同加载面硬度、刚度等力学特性、受载时的变形层形状等性能的变化规律;通过设置超常规体系温度参数作为仿真试验环境,克服纳米压痕只能在常温中进行的弊端,测试纳米压痕试验因温度变化产生的力学性能变化;通过在单晶锗当中预置空位、杂质、位错等不同种类的缺陷,由此探明空位浓度、碳原子杂质浓度、位错的伯氏向量模数、方向的影响;通过控制切削深度、切削速度,从最优加载方向切削单晶锗,对不同模型进行纳米压痕试验,对单晶锗工件切削过程中以及纳米压痕过程中的参数变化进行分析,研究了切削过程中与切削后单晶锗力学性能的变化。研究发现:(110)面达到相同压深时相变原子最多,变形层延展最深,硬度最大,温升最高,是最不适合加工的加载面。(111)面硬度最小,刚度最低,是单晶锗的最优加工面,以此进行后续研究;高温下材料表面原子活性极度增大,探针留下的痕迹在高温体系下变得模糊,硬度随之下降;晶体原子空位作为内能缺陷,会显着增加加载过程的切削热,削弱单晶锗的刚度,增大材料脆性;当单晶锗内部存在碳原子杂质时,一定浓度内可以强化单晶锗的硬度,超过该浓度则硬度降低,但碳原子浓度的升高始终减少材料脆性;伯氏向量的模数增大会减弱单晶锗的硬度和刚度,而伯氏向量的方向对于单晶锗的硬度和刚度影响不大;切削深度的增大使得变形层厚度显着增加,并降低已加工面的硬度,切削速度的增大也会使变形层厚度增大,但是对已加工面的硬度没有显着影响。进给量具有相对最优选择,而切削速度应在刀具可承受的范围内选择较大值。本文通过分子动力学对单晶锗的纳米压痕试验过程进行仿真,对单晶锗的力学特性系统性的研究,揭示了单晶锗随晶向、缺陷、残余应力条件不同而产生的力学特性变化机制,为单晶锗的超精密加工提供理论支撑。

何洋[6](2020)在《基于AFM敲击模式的纳米结构动态刻划加工技术研究》文中研究表明近年来,随着纳米技术的快速发展,纳米结构越来越广泛地应用于各种研究领域:纳米点或纳米凹痕可用于拉曼增强基底或进行信息存储;纳米沟槽可作为纳流控芯片的通道;周期性纳米沟槽阵列可作为纳米光栅。因此,纳米结构在纳米电子、纳米光学和纳米传感器等领域的技术发展中起到至关重要的作用。学者们致力于在广泛的材料表面研究高分辨率高精度纳米结构的加工技术,包括聚焦离子束刻蚀、电子束刻蚀和纳米压印等方法,但是这些加工方法对加工环境要求较为严苛,同时设备仪器昂贵,增大了加工过程的成本,因此纳米结构的加工技术还面临着重大挑战。综合考虑到纳米结构的加工分辨率、加工成本和加工效率等因素,基于原子力显微镜(AFM)探针的加工方法是一种简单可靠的纳米加工技术,不但可以在众多的材料表面实现纳米结构的制备,并且具有低成本、高精度和操作简单的优势。基于AFM敲击模式的动态刻划加工技术,探针悬臂梁在其一阶共振频率振动并压入样品表面进行动态刻划,探针尖端与材料的不连续接触可以减小加工过程中的侧向摩擦力,同时可以削弱侧向力对悬臂梁扭转的影响,而且由于敲击模式减小了探针样品间的相互作用,可以进一步降低所加工纳米结构的特征尺寸,此外在加工完成后还可以直接进行原位测量。然而,动态刻划加工技术对于材料的加工机理研究还不明确,工艺参数优化的研究还不够完善。因此针对以上问题,本文将详细地研究分析基于AFM敲击模式的动态刻划加工技术,研究内容包括以下几个方面:研究了AFM探针动态刻划加工的材料变形机理。针对AFM系统的敲击模式,建立了探针样品间的能量耗散与加工深度之间的理论模型,分析了加工速度和激振振幅等参数对加工深度的影响规律。采用相移的方法判定聚合物表面测量和动态刻划加工状态的转变规律。当动态刻划在聚合物表面产生塑性变形时,分别研究了纳米点、有材料堆积和无材料堆积纳米沟槽的加工机理。此外,建立了静态刻划和动态刻划加工单晶铜的分子动力学模型,对比分析了静态刻划和动态刻划加工纳米沟槽时切削力和位错的变化规律,揭示了动态刻划加工单晶铜的材料去除状态和加工机理。提出了在聚合物表面快速加工纳米点的新工艺方法。提出了快速制备纳米点的新工艺方法,分析了激振振幅电压、聚合物分子量、聚合物种类和激振频率对纳米点加工的临界速度和间距的影响规律,实现了纳米点的快速制备,并加工了纳米点阵列组成的8位ASCII码字符编码,为信息存储提供了一种新方法。研究了动态刻划加工工艺参数对纳米沟槽特征尺寸的影响规律。分析了在聚合物表面动态刻划加工纳米沟槽时,激振振幅电压、加工速度和加工方向对纳米沟槽特征尺寸的影响规律。此外,理论研究了探针刻划方向在单晶铜表面加工纳米沟槽时对材料去除状态的影响,从切削力和位错等方面分析了刻划方向对加工深度的影响规律,并通过实验验证了理论分析的结果。研究了纳米沟槽叠加制备三维纳米结构的加工过程。提出了加工凸起结构和凹坑结构的新工艺方法,分析了加工工艺参数对所加工纳米结构的影响规律,实现了加工高度可控的凸起结构和深度可控的凹坑结构制备过程。通过纳米沟槽和材料堆积叠加的方式制备了纳米沟槽阵列结构,进一步叠加实现了不同形状的高密度纳米点阵加工,纳米点阵作为拉曼信号增强基底,用R6G分子进行测试验证。

王顺博[7](2020)在《低温压痕校准理论方法与典型材料试验研究》文中研究指明微纳米压痕测试技术由于具有快速测试,精度高和无需专门制作试样等特点,已逐渐发展成为材料微区力学性能测试的一项主流技术。但随着低温环境应用领域的迅猛发展,材料在低温严苛环境下的特性面临着更高的要求,常规压痕试验已无法满足测试需求,且现有低温压痕测试技术尚不成熟,进一步限制了对材料在低温下力学行为的研究工作。因此,发展低温微纳米压痕测试技术,对典型材料进行低温下的性能测试与调控,开展针对新现象与新规律的研究,具有重要科学意义和广泛应用前景。为此,本文基于自制的低温压痕测试仪器,进行了其工况环境下的标定校准工作,提出了低温环境下压痕测试误差分析方法,消除了温度对压痕测试过程与后处理分析的影响。相比现有的低温压痕测试仪器与方法,本文获取了更为准确的压痕测试曲线与试验材料物理特性,为材料的低温性能分析、制备及使用提供了重要的试验依据,此外,通过对应用最为广泛的两种典型单晶材料进行了试验分析,获取了其低温下的力学性质并研究了其相关微尺度新现象。论文主要研究工作如下:(1)归纳了Oliver-Pharr经典压痕测试分析方法数据处理过程,并介绍了本文所采用的低温压痕测试系统的模块组成及机械结构。对测试系统内的传感器进行了标定,通过原子力显微镜对压头的面积函数进行了校准,实现了常温常压下仪器的准确测量。分别对位移传感器与力传感器在真空与低温环境下进行了测试,确认了二者工作环境下获取数据的可靠性。(2)针对低温环境对压痕测试过程产生的误差进行了分析与校准,在硬度测试方面,低温将导致压头面积函数的变化,进而引起硬度计算值的小幅度偏大,在弹性模量测试方面,低温将导致蓝宝石压头弹性模量的增加,进而引起弹性模量计算值不可忽视的偏小,需进行相应校准。并通过采用低热导率的蓝宝石压头、铜线进行压头辅助制冷和压痕前预接触的方法,减小并消除了低温压痕过程中的接触温度漂移现象,获取了准确可靠的低温压痕测试曲线。(3)对单晶硅材料进行了常温及变低温压痕试验,利用提出的误差分析校准方法对温度导致的误差进行了消除,发现其硬度与弹性模量在低温下略有增加,并与已有数据进行对比,验证了仪器的准确性。同时,其在卸载过程中的pop-out现象出现的概率随着温度的降低而降低,且不产生pop-out现象的曲线在卸载过程中均发生了elbow现象。通过分子动力学模拟分析,获取了常温与低温下压痕加载过程中压痕内部的相的状态,结合试验结果发现低温对加载过程中Si-II相的产生无影响,但会抑制卸载过程中Si-III/XII相的产生,并最终生成a-Si相。通过电流监测方法对变低温压痕过程进行原位测试,发现其能够有效对单晶硅压痕过程中的pop-out现象进行响应,并可通过出现的电流“陡降”现象对压痕加载过程中裂纹的萌生与扩展行为进行表征。(4)对单晶铜材料进行了常温及变低温压痕试验,发现其硬度与弹性模量随温度的降低而增加。通过球锥压头对多个晶面的单晶铜材料进行压痕试验,发现该材料仅在150 K温度下残余压痕内部出现了条纹状棱带。通过透射电镜与分子动力学模拟分析,发现位错与滑移仍是单晶铜材料试验低温下的主要塑性变形方式,条纹状棱带为材料适应压痕变形而产生的内部滑移带,且在各温度下均可在加载阶段发生,低温导致的硬度增加使150 K下的内部滑移带保留至卸载结束,而150 K下压痕非易变形方向边界的不清晰现象是由于低温下材料的弹性恢复强于常温状态导致的。

王站峰[8](2020)在《多晶铜各向异性超精密金刚石切削加工机理研究》文中研究说明惯性约束核聚变精密物理实验对高纯无氧多晶铜材料零件的表面质量提出了极高的要求,要求其轮廓误差优于3μm、表面粗糙度优于20nm、亚表面损伤层深度极低等。其中,超精密单点金刚石切削加工由于其加工效率高、加工精度高、亚表面损伤层可控、加工误差可控等优点,是用于制备高精度多晶金属零件的一个有效手段。然而,由于加工尺度较小,基于超精密切削的高精度加工成形是刀具与材料高度耦合的过程。材料的自身性质对加工产生显着的影响,制约着超精密切削加工表面质量的进一步提高。特别是金刚石切削多晶无氧铜材料的过程中,尺寸效应引起的各向异性加工特性以及晶界高度差等现象对表面粗糙度以及表面完整性存在显着的影响。然而,以往多晶材料的金刚石切削加工实验以及仿真研究中普遍将工件视为各向同性,未考虑材料内部微结构,忽略晶粒和晶界等材料微观结构对切削加工的影响。因此,为了提高加工表面质量,实现超光滑表面的金刚石切削,需要进一步探究加工过程中的材料微观变形及加工表面形成机理。为了探究多晶铜金刚石切削过程中的材料微观变形行为,本文基于晶体塑性理论建立多晶铜的晶体塑性本构模型,以精确描述纯铜材料的弹塑性变形。此外,基于材料的破坏模型,结合有限元软件中的单元删除功能,实现切削仿真过程中的材料去除。将材料晶体塑性本构模型和材料去除准则两者嵌入到商用软件Abaqus的用户子程序中,实现切削加工的晶体塑性有限元仿真。同时,利用纳米压痕仿真与实验结果对比来校核晶体塑性本构模型中的参数。所建立的模型以及校核的参数将为本文后续的研究奠定理论基础。基于所建立的晶体塑性本构模型,对纳米压痕以及纳米刻划进行有限元仿真。通过仿真结果探究晶体铜的机械性能,重点关注晶体铜的塑性变形及其各向异性特性。同时,与仿真参数完全相同的条件下,利用纳米压痕以及纳米刻划实验进行仿真结果的验证。通过探究多晶铜的各向异性变形机理,为多晶铜金刚石切削中的材料自身性质研究提供理论基础。基于所建立的多晶铜金刚石切削晶体塑性有限元模型,对多晶铜金刚石切削进行有限元仿真,结合实验验证探究正交切削加工的各向异性及其所导致的已加工表面上晶界高度差现象。正交切削实验中选择具有直线切削刃的单晶金刚石刀具,以对应二维晶体塑性有限元仿真中的刀具几何形状。通过双晶铜金刚石正交切削的有限元仿真、相应的实验验证以及横截面透射电子显微镜表征,揭示晶界高度差的形成机制。利用有限元仿真设置正交切削过程中的不同参数,探究刀具刃口半径、晶界错位角以及晶粒尺寸对晶界高度差的影响,为抑制晶界高度差的形成提供理论指导。最后,利用金刚石端面切削加工多晶铜,探究端面切削加工的各向异性及其所导致的已加工表面晶界高度差现象。在金刚石车刀切削经过晶界的过程中,晶界两侧晶粒由于力学性能有所差异,在切削加工中产生不同的弹塑性响应以及恢复,从而得到不同的加工表面高度。针对晶界高度差现象,从切削加工工艺参数以及刀具几何参数出发,探究端面车削过程中晶界高度差现象的抑制措施。最终综合分析各个因素,实现晶界高度差现象的抑制以及多晶铜超光滑表面的金刚石切削加工。

祖新宇[9](2020)在《单晶金红石(TiO2)微纳米压痕测试研究》文中研究表明单晶金红石(TiO2)是一种宽带隙半导体,具有高的折射率及双折射率、良好的近红外波段透过性等多种优异的性质,被广泛用于许多重要的技术领域中,如太阳能电池中的光催化剂、光学涂层、生物相容性骨植入物、MOSFET器件的栅极绝缘体,广泛应用于现代光学通讯、数码设备、科学技术、医疗仪器等领域。与此同时,单晶金红石(TiO2)由于易于制作成单晶、薄膜和多晶等形式而在广大研究人员中很深受欢迎。因此,对单晶金红石(TiO2)进行力学性能测试,探究其机械变形机理,对于优化设计各种仪器设备、提高设备的稳定性至关重要。本文结合单晶金红石(TiO2)广泛的应用前景和纳米压痕测试技术的特点和优势,阐述了采用纳米压痕测试方法对单晶金红石(TiO2)力学性能进行研究的重要意义。在进行试验之前重点分析了纳米压痕测试的典型数据分析方法-接触刚度-接触深度方法即Oliver-Pharr分析方法,对Oliver-Pharr分析方法的力学模型和处理原始数据的分析程序进行了阐述,对本文采用的纳米压痕测试装置进行了简单介绍。通过利用商业化压痕仪对单晶金红石(TiO2)(100)、(110)、(001)常规晶面进行常温纳米压痕试验,得到单晶金红石(TiO2)(100)、(110)、(001)晶面不同最大加载载荷下的载荷-压深(p-h)曲线,对三种晶面的硬度、弹性模量、弹塑性能量进行了分析,分析结果表明三种晶面硬度和弹性模量大小的排列顺序为(001)>(110)>(100),(001)晶面硬度和弹性模量明显高于另外两个晶面的硬度和弹性模量,而且三个晶面塑性指数大小关系是(100)>(110)>(001),这表明在压痕过程中(001)晶面具有更好的弹性恢复能力;最后,利用几何必要位错的模型对单晶金红石的压痕尺寸效应进行了分析,以(100)晶面不同最大加载载荷下的硬度为例,说明了该模型可以很好地解释单晶金红石(TiO2)硬度对深度的依赖关系,即小压痕固有的大应变梯度导致几何上必要的位错,从而导致单晶金红石(TiO2)硬度的增大。通过扫描电子显微镜对单晶金红石(TiO2)(100)、(110)、(001)三种常规晶面的压痕形貌进行观察,同时结合单晶金红石(TiO2)的晶体结构对不同晶面的变形及损伤机理进行了分析研究,解释了(100)、(110)、(001)三种晶面压入硬度、弹性模量差异的根本原因,即在压入过程中激活了不同的滑移系统,而激活不同的滑移系统需要大小、方向不同的临界分切应力,最终导致了三种晶面力学性能的不同。采用调整压头与样品的相对位置对同一晶面进行纳米压痕试验的方法来对单晶金红石(TiO2)的各向异性进行了研究,此种研究方法不仅可以节约研究资源,而且通过研究同一晶面不同相对位置的力学性能,为对单晶金红石(TiO2)进行科学研究和生产加工时选择更加合理、经济的研究方案和加工方式提供了参考。

赵丹[10](2020)在《基于分子动力学模拟的非晶合金纳米压痕响应研究》文中研究表明非晶合金材料是近年来伴随着科技高速发展应运产生的一种新型材料,其基本结构为长程无序排列的金属原子,同时具备金属材料良好塑性、导电特性和玻璃材料耐腐蚀、硬度高的特征,因而在微电子、耐腐蚀涂层、光电催化、微结构材料等领域具有很好的应用前景。无论是作为功能性材料还是结构性材料,非晶合金在工程应用中不可避免地面临复杂的力学环境,使得其变形机制和力学性能研究成为非晶材料科学研究中的重点和热点。其中,非晶材料变形机制和微观结构之间的关联是破解其力学本质的关键。传统力学测试方法采用离位观测手段难以对非晶材料微结构转变和力学行为间关联进行研究。先进观测技术的发展,可实现对非晶材料进行纳米级原位力学测试,并观测材料局部微观结构演变,有力促进了非晶微观力学研究。但此类测试手段对仪器先进度依赖性高、测试成本高、测试环境要求高,面对非晶合金材料多样化参数(如变形速率、温度、剪切带交互)研究的迫切需求十分受限。针对上述非晶合金材料微纳米级别力学性能及变形行为研究的迫切需求,以及原位测试技术先进度依赖高、测试成本高、测试环境苛刻的矛盾,本文采用分子动力学模拟方法,以Cu-Zr二元非晶合金材料为主要研究对象,围绕非晶合金压痕测试响应开展了以下研究工作。(1)建立Cu-Zr二元非晶合金模型,并进行分子动力学压痕模拟。对非晶合金进行二维圆柱和三维球头压痕模拟,通过Hertz接触分析等方法获取两种模拟方式材料屈服强度、弹性模量、硬度等信息,并进行对比。两种压痕模式下得到的力学材料参数基本相同,表明在对非晶合金材料使用球形压头进行压痕测试模拟中,二维模拟在材料力学参数计算中能够取代三维压痕模拟,使用有限的计算资源获取有效物理信息。对非晶合金制备参数以及压痕测试参数进行研究,结果表明非晶合金制备参数,如冷却速率、组分等,主要通过改变非晶材料中主要SRO结构组成和比例,来影响非晶合金力学性能;压痕速率和压头尺寸等测试参数,通过改变非晶合金原子流变特性来影响测得力学参数。(2)使用分子动力学方法对非晶合金在单轴预拉伸/压缩应变下压痕过程进行模拟,研究预应力对非晶合金材料力学性能和变形模式的影响。通过圆柱-平面Hertz接触理论对预应力的影响进行理论分析,并通过压痕区域剪切带形貌变化研究预应力对压痕过程变形模式的影响。研究结果表明,预拉应力对非晶材料压痕的影响高于预压应力:拉应力越大,材料压痕中屈服越早发生,屈服应力越小,硬度也越小;而预压应力对材料压痕的影响有一个临界值,当超出该临界值,预压应力对材料压痕获取力学的影响从“硬化”转为“软化”。另外,预应力的大小同样会影响材料变形过程中剪切带形貌及扩展方式。对材料施加的预应变超出一定范围后,压痕过程中出现单一剪切带自发性扩展行为,材料变形模式由塑性变形转变为剪切带脆性扩展。使用能量法对该模式转变现象进行分析,认为预拉伸/压缩过程中材料积蓄的势能超过剪切带产生所需变形能时,材料在后续压痕中会出现脆性变形。(3)对非晶合金进行循环压痕模拟及熨压-压痕模拟,研究塑形变形对非晶合金压痕力学行为及流变路径的影响。通过循环压痕研究Cu-Zr非晶合金由循环压痕加载导致的硬化行为。在非晶合金循环压痕加载下对比压痕硬度等参数,结果表明循环硬化现象依赖于循环压痕载荷幅度。通过监测von Mises剪切应变,原子轨迹和Voronoi原子体积,发现硬化行为主要是由循环压痕过程中不可逆剪切应变的累积引起的。此外,对温度和加载速率对硬化效应的影响进行研究,在较高温度下,非晶塑形得到改善,同时硬化现象变得更加明显,在较低加载速率下,非晶材料倾向于发生局域化的不均匀性变形,因此硬化现象减弱。对非晶合金进行的熨压处理模拟表明,通过熨压处理可使试件表层或亚表层产生一定剪切形变,从而影响材料表面压痕力学性能。(4)根据非晶合金易脆易断裂的力学特点,设计由Cu-Zr非晶合金层和单晶Cu层组成的复合层材料(ACNL),以提高非晶材料变形塑形。对ACNL进行并联、串联两方向剪切模拟,结果表明两种变形模式下得到的模拟结果在屈服机制、塑形变形机制以及ACI协同作用上都有区别。在并联剪切变形模式下,ACNL的屈服与晶体层位错滑移的触发相关,其塑形变形由晶体层位错滑移以及非晶层中剪切带变形共同作用;串联剪切变形模式中,材料的屈服强度和塑性变形主要由非晶层决定。改变晶体层与非晶层的比例,研究表明随着晶体层厚度的增加,ACNL两变形模式下剪切弹性模量和剪切强度都有增加,并且由于尺寸效应的影响,ACNL剪切弹性模量的改变并不完全符合复合材料混合规律。另外,对ACNL进行压痕测试模拟表明,晶体层中位错滑移等变形通过ACI很容易影响非晶层中剪切带形成,据此可实现对非晶层材料塑形调控。本文通过分子动力学模拟方法,对非晶合金材料在多样测试环境,以及预应力、预变形等外界载荷因素下压痕响应进行研究,并揭示其在复杂载荷因素下微纳米级微观力学响应及变形机制,为非晶合金及其衍生材料制备研发、测试研究、工程应用提供研究基础。

二、Nanoindentation tests on single crystal copper thin film with an AFM(论文开题报告)

(1)论文研究背景及目的

此处内容要求:

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例:

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

(2)本文研究方法

调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、Nanoindentation tests on single crystal copper thin film with an AFM(论文提纲范文)

(1)残余应力下金属材料压痕响应的仿真分析与试验研究(论文提纲范文)

摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 压痕测试技术研究进展
        1.2.1 压痕测试技术的产生与发展
        1.2.2 压痕测试技术的扩展应用
    1.3 残余应力下的压痕测试技术研究进展
        1.3.1 残余应力及其测试方法
        1.3.2 压痕法测试残余应力的产生与发展
        1.3.3 残余应力下压痕测试的现存问题
    1.4 数值模拟方法在压痕测试中的应用
        1.4.1 有限元模拟技术
        1.4.2 分子动力学模拟技术
    1.5 本文主要研究内容
第2章 基于压痕技术的残余应力测试方法
    2.1 经典压痕数据分析方法
    2.2 压痕法测试残余应力的理论基础
        2.2.1 应力分析
        2.2.2 量纲分析
    2.3 残余应力下压痕的有限元模拟与结果分析
        2.3.1 模型介绍
        2.3.2 压痕响应分析
    2.4 基于量纲分析的残余应力计算方法
        2.4.1 残余应力计算方法
        2.4.2 反演分析
    2.5 基于应力分析的残余应力计算方法
        2.5.1 残余应力计算方法
        2.5.2 方法验证
    2.6 本章小结
第3章 残余应力下TC4的压痕响应测试
    3.1 材料和实验介绍
    3.2 材料微观组织形貌分析
    3.3 残余应力对TC4宏观压痕的影响
        3.3.1 宏观压痕曲线分析
        3.3.2 屈服强度和应变硬化指数计算
        3.3.3 宏观硬度计算
        3.3.4 宏观弹性模量计算
    3.4 残余应力对α相和β_t相微观压痕的影响
        3.4.1 微观压痕曲线分析
        3.4.2 微观硬度计算
        3.4.3 微观弹性模量计算
    3.5 残余应力的计算
        3.5.1 XRD法计算TC4残余应力
        3.5.2 压痕法计算TC4残余应力
        3.5.3 XRD和压痕法测试残余应力对比分析
    3.6 本章小结
第4章 残余应力下单晶铜的压痕响应测试
    4.1 材料和实验介绍
    4.2 残余应力数值对压痕响应的影响
        4.2.1 压痕测试曲线分析
        4.2.2 残余压痕形貌分析
        4.2.3 投影接触面积计算
        4.2.4 硬度计算
        4.2.5 弹性模量计算
    4.3 残余应力取向对压痕响应的影响
        4.3.1 压痕测试曲线
        4.3.2 残余压痕形貌
    4.4 预塑性变形对压痕响应的影响
    4.5 残余应力的计算
        4.5.1 压痕法计算单晶铜残余应力
        4.5.2 XRD法计算单晶铜残余应力
        4.5.3 测试结果对比分析
    4.6 本章小结
第5章 残余应力下单晶铜的压痕响应机理分析
    5.1 模型的建立
        5.1.1 势函数
        5.1.2 系综
        5.1.3 边界条件
        5.1.4 晶体结构
        5.1.5 模拟及后处理分析软件
    5.2 单晶铜的残余应力模拟
        5.2.1 [100]晶向拉伸模拟
        5.2.2 应力取向分析
    5.3 残余应力下单晶铜的压痕模拟
        5.3.1 残余应力下压痕响应结果
        5.3.2 残余应力对表面能量分布的影响
        5.3.3 残余应力对微观结构演变的影响
        5.3.4 残余应力下压痕的位错扩展机理
        5.3.5 残余应力取向对压痕响应的影响
    5.4 本章小结
第6章 总结与展望
参考文献
作者简介与攻读学位期间的主要研究成果
    一、作者简介
    二、攻读学位期间的主要研究成果
致谢

(2)光栅厚铝膜塑变模拟与实验研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题的来源
    1.2 课题研究的背景及意义
    1.3 光栅刻划技术研究现状
        1.3.1 光栅刻划机
        1.3.2 光栅刻划刀具
        1.3.3 机刻光栅制备工艺
    1.4 薄膜力学性能测试技术
        1.4.1 纳米压痕法测试薄膜力学性能
        1.4.2 残余应力对薄膜力学性能的影响
    1.5 论文的主要内容
第2章 弹塑性材料纳米压痕测试技术
    2.1 引言
    2.2 弹塑性变形力学分析
        2.2.1 单点应力状态表示方法
        2.2.2 应力偏张量和应力球张量
    2.3 纳米压痕测试的基本原理
        2.3.1 纳米压痕实验
        2.3.2 接触刚度的计算方法
        2.3.3 硬度和弹性模量的计算方法
        2.3.4 有效接触面积的计算方法
    2.4 基于纳米压痕法的残余应力计算模型
    2.5 本章小结
第3章 复合分层结构对薄膜塑变影响研究
    3.1 引言
    3.2 光栅铝薄膜表面形貌与内部微结构
        3.2.1 光栅铝薄膜镀制工艺
        3.2.2 不同镀制工艺薄膜形貌与结构比较
    3.3 光栅厚铝膜纳米压痕有限元模型建立
        3.3.1 薄膜纳米压痕模型
        3.3.2 材料属性的定义
        3.3.3 材料接触与边界条件的定义
        3.3.4 有限元计算结果与实验验证
    3.4 多层结构膜基体系纳米压痕有限元仿真结果分析
        3.4.1 铬层厚度对铝膜塑变的影响
        3.4.2 铝膜层数对铝膜塑变的影响
    3.5 本章小结
第4章 光栅厚铝膜残余应力影响研究
    4.1 引言
    4.2 薄膜有限元模型预应力平衡方法
    4.3 残余应力对薄膜应力分布的影响
    4.4 纳米压痕法计算薄膜残余应力
        4.4.1 残余应力计算模型
        4.4.2 残余应力计算公式推导
        4.4.3 压入面积的计算方法
    4.5 基于参数拟合法的残余应力计算公式校正
    4.6 本章小结
第5章 光栅厚铝膜纳米压痕多点压入实验
    5.1 引言
    5.2 薄膜塑变过程纳米压痕测试
        5.2.1 实验条件
        5.2.2 纳米压痕实验结果
    5.3 残余应力对载荷压深曲线的影响分析
        5.3.1 纳米压痕试验的重复性
        5.3.2 残余应力对加载曲线的影响
        5.3.3 残余应力对卸载曲线的影响
    5.4 残余应力对压痕隆起变形的影响
    5.5 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果
致谢

(3)石墨烯涂层对铝基体压痕及划痕性能影响研究(论文提纲范文)

摘要
abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 纳米压痕技术及其研究现状
        1.2.1 基本原理
        1.2.2 实验现状
        1.2.3 分子动力学模拟现状
    1.3 纳米划痕技术及其研究现状
        1.3.1 基本原理
        1.3.2 实验现状
        1.3.3 分子动力学模拟现状
    1.4 石墨烯涂层材料纳米压痕及划痕研究现状
    1.5 本文主要研究内容
2 分子动力学基本理论
    2.1 引言
    2.2 分子动力学基本理论
        2.2.1 基本原理
        2.2.2 初始条件
        2.2.3 边界条件
        2.2.4 系综
        2.2.5 势函数
3 石墨烯涂层对铝基体压痕性能影响分析
    3.1 模型建立与模拟方法
        3.1.1 模型建立
        3.1.2 模拟方法
    3.2 石墨烯涂层压痕性能及作用机理分析
        3.2.1 荷载分析
        3.2.2 应力分析
        3.2.3 位错及形态分析
        3.2.4 石墨烯层数对强化效果的影响
        3.2.5 力学性能分析
    3.3 本章小结
4 石墨烯涂层对铝基体划痕性能影响分析
    4.1 模型建立与模拟方法
        4.1.1 模型建立
        4.1.2 模拟方法
    4.2 石墨烯涂层划痕性能及作用机理分析
        4.2.1 法向力与摩擦力分析
        4.2.2 摩擦系数分析
        4.2.3 压入深度影响分析
        4.2.4 形态及位错分析
        4.2.5 石墨烯层数影响分析
    4.3 本章小结
5 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间的科研成果

(4)铝膜分层结构对机械刻划光栅成槽过程的影响研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究的背景及意义
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 研究背景
        1.1.3 目的与意义
    1.2 中阶梯光栅制造工艺研究现状
        1.2.1 中阶梯光栅铝膜镀制工艺
        1.2.2 中阶梯光栅刻划工艺
    1.3 铝膜微观特性分析方法及研究现状
        1.3.1 分子动力学
        1.3.2 位错动力学
        1.3.3 混合率方法
    1.4 本文的主要研究内容
第2章 光栅铝膜分层结构观测及分析
    2.1 引言
    2.2 光栅毛坯SEM观测
        2.2.1 不同结构铝膜试样的制备
        2.2.2 单层及多层铝膜SEM观测
    2.3 薄膜分层界面分析
        2.3.1 微观尺度下界面的分类
        2.3.2 薄膜分层界面应力的三维求解
        2.3.3 光栅铝膜分层界面的分析
    2.4 混合率在光栅铝膜模型中的应用
    2.5 小结
第3章 光栅铝膜力学性能测试及屈服应力计算
    3.1 引言
    3.2 光栅铝膜纳米压痕实验
        3.2.1 纳米压痕实验介绍
        3.2.2 纳米压痕实验结果
        3.2.3 纳米压痕过程基底效应分析
    3.3 光栅铝膜纳米划痕实验
        3.3.1 纳米划痕实验介绍
        3.3.2 多层铝膜纳米划痕实验结果
        3.3.3 纳米划痕实验基底效应分析
    3.4 混合率晶粒铝膜模型屈服应力计算
        3.4.1 一般情况下的薄膜屈服应力计算
        3.4.2 基于混合率理论的铝膜晶粒及晶界屈服应力计算
    3.5 小结
第4章 分层铝膜光栅机械刻划成槽过程有限元仿真分析
    4.1 引言
    4.2 基于混合率模型的光栅机械刻划过程模拟分析
        4.2.1 ABAQUS相关参数设置
        4.2.2 刻划过程相关部件有限元模型建立
        4.2.3 两种模型的光栅机械刻划仿真对比分析
    4.3 不同膜层铝膜刻划成槽过程对比分析
        4.3.1 三种铝膜机械刻划速度场对比分析
        4.3.2 三种铝膜机械刻划位移场对比分析
        4.3.3 三种铝膜机械刻划槽形对比分析
        4.3.4 三种铝膜机械刻划过程槽深回弹现象分析
    4.4 不同模型晶界及晶粒单元在刻划过程中的应力分析
        4.4.1 各模型晶粒晶界单元选取位置
        4.4.2 刻划过程中各晶界单元处应力变化情况
        4.4.3 刻划过程中各晶粒单元处应力变化情况
    4.5 小结
第5章 不同分层数光栅衍射效率计算及刻划实验
    5.1 引言
    5.2 中阶梯机刻光栅槽形轮廓与衍射效率一般对应关系分析
    5.3 基于严格耦合波法的光栅衍射效率计算
        5.3.1 严格耦合波法介绍
        5.3.2 各分层结构铝膜刻划所得槽形的衍射效率计算
    5.4 光栅铝膜毛坯机械刻划实验
        5.4.1 微型光栅刻划台的搭建
        5.4.2 不同铝膜刻划槽形结果分析
        5.4.3 光栅刻槽面形缺陷对槽形质量的影响分析
    5.5 小结
第6章 结论及展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果
致谢

(5)基于分子动力学的单晶锗纳米压痕力学特性研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题来源与研究的目的和意义
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 研究的目的和意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 超精密加工
        1.2.2 纳米压痕测试技术
        1.2.3 分子动力学与力学性能测试、加工
    1.3 本文主要研究内容
    1.4 本章小结
第2章 单晶锗纳米压痕仿真准备工作
    2.1 引言
    2.2 单晶锗纳米压痕试验
    2.3 分子动力学方法简介
    2.4 分子动力学基本原理
    2.5 分子动力学的算法
    2.6 边界条件
    2.7 系综
        2.7.1 微正则系综
        2.7.2 正则系综
        2.7.3 等温等压系综
    2.8 势函数
    2.9 控温方法
        2.9.1 速度标定法
        2.9.2 Berendsen热浴法
        2.9.3 Nose-Hoover热浴法
    2.10 仿真与分析软件
    2.11 建模理论基础
    2.12 微结构识别方法
    2.13 本章小结
第3章 单加载参数单晶锗纳米压痕仿真
    3.1 引言
    3.2 单晶锗不同晶向纳米压痕仿真
        3.2.1 弛豫过程分析
        3.2.2 加载过程总体数据分析
        3.2.3 原子瞬态分析
        3.2.4 加载晶面力学性能差异的讨论
    3.3 不同温度下单晶锗纳米压痕力学性能试验
        3.3.1 总体数据分析
        3.3.2 原子瞬态分析
    3.4 本章小结
第4章 含缺陷单晶锗纳米压痕仿真
    4.1 晶体结构缺陷的分类
        4.1.1 点缺陷
        4.1.2 线缺陷
        4.1.3 面缺陷
        4.1.4 体缺陷
    4.2 预置肖脱基缺陷单晶锗纳米压痕仿真试验
        4.2.1 预置肖脱基缺陷模型的弛豫
        4.2.2 预置空位实验整体数据分析
        4.2.3 预置空位试验原子瞬态分析
    4.3 预置杂质原子单晶锗纳米压痕仿真试验
        4.3.1 含碳原子杂质单晶锗建模
        4.3.2 含碳原子杂质单晶锗模型试验过程与结果
    4.4 预置位错单晶锗纳米压痕仿真试验
        4.4.1 预置位错模型的建立
        4.4.2 螺型位错伯氏向量对比组
        4.4.3 螺型位错发射方向对比组
    4.5 本章小结
第5章 含残余应力单晶锗纳米压痕试验仿真
    5.1 引言
    5.2 不同切削深度单晶锗工件纳米压痕试验仿真
        5.2.1 不同切深单晶锗切削过程
        5.2.2 不同切深单晶锗模型的纳米压痕试验
    5.3 不同切削速度单晶锗工件纳米压痕试验仿真
        5.3.1 不同单晶锗切削速度的切削过程
        5.3.2 不同切削速度单晶锗模型的纳米压痕试验
    5.4 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果
致谢

(6)基于AFM敲击模式的纳米结构动态刻划加工技术研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 基于AFM探针刻蚀技术加工方法的研究现状
        1.2.1 蘸笔刻蚀技术
        1.2.2 热探针加工技术
        1.2.3 氧化刻蚀加工技术
        1.2.4 机械刻划加工技术
    1.3 动态刻划加工技术的研究现状
        1.3.1 敲击模式的物理建模分析
        1.3.2 加工机理的研究现状
        1.3.3 加工工艺的研究现状
    1.4 目前研究中存在的不足
    1.5 本文的主要研究内容
第2章 AFM探针动态刻划加工机理的研究
    2.1 引言
    2.2 基于AFM探针动态刻划加工原理的分析
        2.2.1 敲击模式的工作原理
        2.2.2 动态刻划加工原理的分析
    2.3 基于AFM敲击模式测量和动态刻划的判定研究
        2.3.1 聚合物薄膜表面机械性能表征分析
        2.3.2 敲击模式测量区域相位的研究
        2.3.3 动态刻划加工表面相移的研究
    2.4 聚合物表面加工中的材料塑性变形机理研究
        2.4.1 纳米点快速加工的材料变形机理研究
        2.4.2 粘附力对纳米沟槽堆积影响的研究
        2.4.3 无材料堆积的纳米沟槽加工机理研究
    2.5 单晶铜表面动态刻划加工的材料变形机理研究
        2.5.1 纳米机械刻划分子动力学仿真模型建立
        2.5.2 材料去除状态的分析
        2.5.3 切削力变化的分析
        2.5.4 纳米机械刻划位错滑移的分析
    2.6 本章小结
第3章 聚合物表面纳米点快速加工工艺的研究
    3.1 引言
    3.2 加工速度对纳米点形成的分析
    3.3 纳米点加工过程影响因素的研究
        3.3.1 激振振幅比和聚合物分子量的影响
        3.3.2 聚合物材料种类的影响
        3.3.3 探针激振频率的影响
    3.4 纳米点进行信息存储的研究
    3.5 本章小结
第4章 纳米沟槽加工特征尺寸影响因素的研究
    4.1 引言
    4.2 聚合物表面加工纳米沟槽影响因素的研究
        4.2.1 激振振幅电压比的影响
        4.2.2 加工速度的影响
        4.2.3 探针刻划方向的影响
    4.3 探针刻划方向对单晶铜加工的影响研究
        4.3.1 材料去除状态的分析
        4.3.2 切削力的分析
        4.3.3 位错的分析
    4.4 单晶铜表面机械刻划加工的实验研究
        4.4.1 静/动态刻划的对比实验研究
        4.4.2 单晶铜表面动态刻划加工的能量耗散研究
        4.4.3 探针刻划方向对加工纳米沟槽的影响分析
    4.5 本章小结
第5章 三维纳米结构加工工艺的研究
    5.1 引言
    5.2 凸起结构加工的影响因素研究
        5.2.1 凸起结构的加工原理
        5.2.2 加工区域的相移变化分析
        5.2.3 控制系统比例增益影响分析
        5.2.4 控制系统积分增益影响分析
    5.3 凹坑结构加工的影响因素研究
        5.3.1 无材料堆积的纳米沟槽加工影响分析
        5.3.2 凹坑结构的加工原理
        5.3.3 无材料堆积纳米沟槽的叠加研究
    5.4 周期性纳米结构阵列的加工及其应用研究
        5.4.1 纳米沟槽阵列的加工
        5.4.2 纳米点阵的加工
        5.4.3 单晶铜表面纳米点的表面增强拉曼散射特性研究
    5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文
致谢
个人简历

(7)低温压痕校准理论方法与典型材料试验研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 微纳米压痕测试技术研究进展
        1.2.1 压痕测试技术
        1.2.2 环境压痕测试技术
    1.3 低温环境压痕测试技术研究进展
        1.3.1 低温压痕测试技术
        1.3.2 温度场压痕测试的现存问题
    1.4 低温压痕试验技术与分析方法
        1.4.1 低温压痕的试验与表征技术
        1.4.2 低温压痕数值模拟方法
    1.5 本文主要研究内容
第2章 低温压痕测试原理与精度校准
    2.1 压痕测试分析方法
    2.2 低温压痕仪器构成与原理
    2.3 制冷过程的热仿真分析与试验测量
    2.4 压痕仪器的精度校准
        2.4.1 常规环境下仪器的标定与校准
        2.4.2 真空与低温环境下传感器的测试分析
    2.5 本章小结
第3章 低温压痕测试误差理论分析与消除方法
    3.1 温度场对材料压痕硬度测试的误差分析
        3.1.1 温度场对蓝宝石压头的影响
        3.1.2 温度场对金刚石压头的影响
    3.2 温度场对压痕弹性模量计算的误差分析
        3.2.1 温度场对蓝宝石压头的影响
        3.2.2 温度场对金刚石压头的影响
    3.3 低温压痕测试中的温度漂移
        3.3.1 低温压痕过程温度漂移的测量
        3.3.2 低温压痕过程温度漂移的消除
    3.4 本章小结
第4章 变低温下单晶硅材料的压痕响应测试
    4.1 常温与低温下单晶硅材料压痕测试进展
    4.2 变低温压痕下单晶硅的力学性质
    4.3 变低温压痕下单晶硅的相变过程
        4.3.1 常温下单晶硅的压痕突退现象
        4.3.2 变低温压痕下单晶硅的相变过程及分析
    4.4 常温与低温下单晶硅压痕响应的的分子动力学模拟
        4.4.1 单晶硅压痕仿真模型
        4.4.2 常温下单晶硅的压痕模拟
        4.4.3 低温下单晶硅压痕模拟
    4.5 原位变低温单晶硅压痕测试
        4.5.1 单晶硅压痕测试的电流原位监测装置
        4.5.2 变低温下单晶硅原位电流监测压痕试验
    4.6 本章小结
第5章 变低温下单晶铜材料的压痕响应测试
    5.1 单晶铜压痕测试进展
    5.2 变低温压痕下单晶铜的力学性质
    5.3 变低温压痕下单晶铜的表面形貌
    5.4 变低温压痕下单晶铜的塑性变形机制分析
    5.5 常温与低温下单晶铜压痕响应的分子动力学模拟
    5.6 变低温压痕下单晶铜的残余压痕尺寸分析
    5.7 本章小结
第6章 总结与展望
参考文献
攻读学位期间的主要研究成果
致谢

(8)多晶铜各向异性超精密金刚石切削加工机理研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 金刚石切削加工超精密表面的研究现状
        1.2.2 多晶金属材料金刚石切削加工的研究现状
        1.2.3 金刚石切削加工晶体塑性有限元仿真的研究现状
    1.3 国内外研究存在的不足
    1.4 本文的主要研究内容
第2章 多晶铜金刚石切削加工的晶体塑性有限元建模
    2.1 引言
    2.2 多晶铜切削加工的有限元构成
        2.2.1 多晶铜有限元模型
        2.2.2 切屑成形与材料破坏模型
    2.3 多晶铜晶体塑性本构模型
        2.3.1 多晶铜弹塑性变形模式
        2.3.2 多晶铜晶体塑性本构方程
        2.3.3 多晶铜晶体塑性本构模型参数校核
    2.4 本章小结
第3章 多晶铜各向异性塑性变形机理研究
    3.1 引言
    3.2 晶体取向对单晶晶粒塑性变形的影响
        3.2.1 单晶晶粒纳米压痕的仿真与实验研究
        3.2.2 单晶晶粒纳米刻划的仿真与实验研究
    3.3 晶界对多晶铜塑性变形的影响
        3.3.1 晶界纳米刻划的仿真研究
        3.3.2 晶界纳米刻划的实验研究
    3.4 本章小结
第4章 多晶铜各向异性切削加工机理研究
    4.1 引言
    4.2 多晶铜金刚石切削加工的实验与仿真研究
        4.2.1 多晶铜金刚石切削加工的实验研究
        4.2.2 多晶铜金刚石切削加工的仿真研究
        4.2.3 晶界对多晶铜金刚石切削加工的影响
    4.3 晶体取向对单晶晶粒切削加工的影响
        4.3.1 切屑成形的仿真研究
        4.3.2 切屑成形的实验研究
        4.3.3 晶体取向的影响
        4.3.4 单晶晶粒金刚石切削的剪切角建模
        4.3.5 切削深度的影响
    4.4 参数对跨晶界切削加工的影响
        4.4.1 刀具刃口半径的影响
        4.4.2 双晶铜晶界错向角的影响
    4.5 晶粒尺寸对多晶铜切削加工的影响
    4.6 本章小结
第5章 多晶铜超光滑表面端面切削加工研究
    5.1 引言
    5.2 多晶铜金刚石端面切削加工的晶界高度差现象
    5.3 工艺参数对多晶铜切削加工表面质量的研究
        5.3.1 切削深度的影响
        5.3.2 切削速度的影响
        5.3.3 进给速度的影响
    5.4 刀具几何参数对多晶铜切削加工过程的影响
        5.4.1 刀具刃口半径的影响
        5.4.2 刀具圆弧半径的影响
    5.5 多晶铜超光滑表面的金刚石端面切削加工
    5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历

(9)单晶金红石(TiO2)微纳米压痕测试研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 微纳米压痕测试技术国内外研究现状
        1.2.2 晶体二氧化钛研究现状
    1.3 本文主要研究内容
第2章 微纳米压痕测试理论基础与测试装置
    2.1 微纳米压痕测试基本理论
        2.1.1 微纳米压痕测试数据分析方法
        2.1.2 微纳米压痕测试技术特点
    2.2 单晶金红石(TiO_2)结构与特点
    2.3 微纳米压痕测试装置简介
    2.4 本章小结
第3章 单晶金红石(TiO_2)微纳米压痕力学性能测试研究
    3.1 试件及测试流程
        3.1.1 试验试件
        3.1.2 单晶金红石(TiO_2)的常温压痕测试流程
    3.2 单晶金红石(TiO_2)微纳米压痕测试
        3.2.1 单晶金红石(TiO_2)硬度分析
        3.2.2 单晶金红石(TiO_2)弹性模量分析
    3.3 单晶金红石(TiO_2)弹塑性能量分析
        3.3.1 单晶金红石(TiO_2)弹塑性能量
        3.3.2 单晶金红石(TiO_2)弹塑性能量计算
        3.3.3 单晶金红石(TiO_2)弹塑性能量分析
    3.4 单晶金红石(TiO_2)压痕尺寸效应分析
    3.5 本章小结
第4章 单晶金红石(TiO_2)微纳米压痕变形机制测试研究
    4.1 单晶金红石(TiO_2)塑性变形机制
    4.2 单晶金红石(TiO_2)塑性变形机制测试研究
        4.2.1 单晶金红石(TiO_2)(100)晶面变形机制分析
        4.2.2 单晶金红石(TiO_2)(110)晶面变形机制分析
        4.2.3 单晶金红石(TiO_2)(001)晶面变形机制分析
    4.3 单晶金红石(TiO_2)各向异性测试研究
    4.4 本章小结
第5章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
参考文献
作者简介及在校期间的科研成果
致谢

(10)基于分子动力学模拟的非晶合金纳米压痕响应研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 非晶合金材料发展
        1.2.1 非晶合金的基本结构
        1.2.2 非晶结构基本形变理论
    1.3 非晶合金力学性能研究进展
        1.3.1 非晶合金的力学性能
        1.3.2 非晶合金变形模式
        1.3.3 纳米压痕测试
        1.3.4 压痕作用下非晶合金剪切带
        1.3.5 非晶合金增韧方法及机制
    1.4 分子动力学在非晶合金力学性能分析中的应用
        1.4.1 非晶合金材料的几种主要计算模拟方法
        1.4.2 非晶合金分子动力学研究进展
        1.4.3 非晶合金压痕分子动力学模拟
    1.5 本文主要研究内容
第2章 分子动力学基本原理及非晶合金模型
    2.1 分子动力学简介
        2.1.1 基本原理
        2.1.2 分子动力学重要参数和概念
        2.1.3 模拟结果分析方法
    2.2 非晶合金模型构建和原子结构分析
        2.2.1 非晶合金模型构建
        2.2.2 非晶模型的验证和结构分析
        2.2.3 冷却速率对非晶合金结构的影响
        2.2.4 温度对非晶合金结构的影响
    2.3 本章小结
第3章 非晶合金压痕过程的分子动力学模拟
    3.1 非晶合金二维/三维压痕模型构建及对比
        3.1.1 非晶合金压痕模型建立
        3.1.2 Hertz弹性接触理论
        3.1.3 压痕弹性段拟合及屈服点分析
        3.1.4 剪切带对比
    3.2 影响非晶合金力学性能的几个因素
        3.2.1 非晶材料组分和制备冷却速率的影响
        3.2.2 温度的影响
    3.3 压痕参数对非晶合金压痕测试结果的影响
        3.3.1 压痕中加载速率的影响
        3.3.2 压头尺寸的影响
    3.4 本章小结
第4章 预应力对非晶合金压痕影响研究
    4.1 非晶合金的拉伸/压缩模拟
    4.2 预应力下非晶合金压痕的模拟
        4.2.1 预应力对非晶合金微结构的影响
        4.2.2 预应力对压痕弹性接触应力场分布的影响
        4.2.3 预应力压痕模拟结果
        4.2.4 预应力压痕过程剪切带扩展
        4.2.5 压头半径的影响
    4.3 预应力压痕中的脆性行为能量法分析
    4.4 本章小结
第5章 预塑性变形对非晶合金压痕影响研究
    5.1 循环压痕加载对非晶合金力学性能影响
        5.1.1 模型建立
        5.1.2 循环压痕模拟结果
        5.1.3 硬化行为分析
        5.1.4 温度对硬化现象的影响
        5.1.5 加载速率对硬化现象的影响
    5.2 熨压过程对非晶合金压痕测试的影响
        5.2.1 熨压模型建立
        5.2.2 熨压处理对非晶合金材料表面影响
        5.2.3 熨压处理后非晶合金压痕测试结果
    5.3 本章小结
第6章 非晶合金复合层材料的力学性能及压痕研究
    6.1 非晶-晶体金属复合材料剪切模拟
        6.1.1 ACNL剪切模型建立
        6.1.2 ACI结构分析
        6.1.3 ACNL剪切变形行为的各向异性
        6.1.4 ACI在两种变形模式中作用
        6.1.5 ACNL晶体层厚度比的影响
    6.2 ACNL压痕模拟研究
        6.2.1 ACNL压痕模型建立
        6.2.2 ACNL压痕结果
        6.2.3 压痕协作变形分析
    6.3 本章小结
第7章 总结与展望
参考文献
作者简介及主要研究成果
致谢

四、Nanoindentation tests on single crystal copper thin film with an AFM(论文参考文献)

  • [1]残余应力下金属材料压痕响应的仿真分析与试验研究[D]. 李莉佳. 吉林大学, 2021
  • [2]光栅厚铝膜塑变模拟与实验研究[D]. 韦赟杰. 长春理工大学, 2021
  • [3]石墨烯涂层对铝基体压痕及划痕性能影响研究[D]. 任旭亮. 西安建筑科技大学, 2021(01)
  • [4]铝膜分层结构对机械刻划光栅成槽过程的影响研究[D]. 于硕. 长春理工大学, 2021
  • [5]基于分子动力学的单晶锗纳米压痕力学特性研究[D]. 宋俊成. 长春理工大学, 2021
  • [6]基于AFM敲击模式的纳米结构动态刻划加工技术研究[D]. 何洋. 哈尔滨工业大学, 2020(02)
  • [7]低温压痕校准理论方法与典型材料试验研究[D]. 王顺博. 吉林大学, 2020
  • [8]多晶铜各向异性超精密金刚石切削加工机理研究[D]. 王站峰. 哈尔滨工业大学, 2020(01)
  • [9]单晶金红石(TiO2)微纳米压痕测试研究[D]. 祖新宇. 吉林大学, 2020(08)
  • [10]基于分子动力学模拟的非晶合金纳米压痕响应研究[D]. 赵丹. 吉林大学, 2020(08)

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用原子力显微镜对单晶铜薄膜进行纳米压痕测试
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