（机械制造及其自动化专业论文）sidlc膜微观摩擦性能及弹塑性接触有限元分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文采用试验方法研究了硅掺杂类金刚石( s i d l c ) 膜的微观 摩擦力学性能，同时从数值模拟的角度进一步分析了硅材料微机电器 件表面镀s i d l c 膜前后，其弹塑性接触性能和摩擦热分布的规律。 首先，介绍了微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积和等 离子体增强非平衡磁控溅射两种工艺综合制备s i d l c 膜的原理和具 体工艺。所制样品表征结果表明s i d l c 膜是非晶膜。采用原子力显 微镜( a f m ) 分析了膜表面形貌和溅射偏压的关系，随着基底负偏 压的增加，薄膜的表面粗糙度值逐渐减小，溅射偏压为4 0 0 v 左右时， 薄膜表面形貌平滑，且表面粘附力值小。 其次，采用微米级别的a f m 球头探针对s i d l c 膜进行了摩擦 实验。研究了微米尺度下，外加载荷和扫描速率对薄膜摩擦性能的影 响。考虑粘附的影响，提出了适用于微观低载荷接触摩擦力表征的修 正a m o n t o n 公式。分析了摩擦系数与表面形貌粗糙峰之间的关系， 根据薄膜表面粗糙峰的分布，建立了微米尺度下球头探针与薄膜表面 粗糙峰的等效接触模型，并推导了摩擦力关于载荷和形貌参数的函数 表达式，表明单位面积接触粗糙峰密度对摩擦力大小起着主导作用。 所建接触模型成功解释了摩擦实验现象产生的原因。 接着，采用尖头探针、球头探针和平头探针对s i d l c 膜进行了 摩擦实验，进一步研究了薄膜的摩擦力学性能。探讨了不同接触尺度 下，薄膜表面粘附力及摩擦产生的机理。建立了不同探针与膜表面粗 糙峰的接触模型，推导了表面粘附力与接触面积的关系表达式，表明在 i 江苏大学硕士学位论文 微观接触中，接触面积的大小对粘附力起着主导作用。尖头探针与薄 膜表面的微观摩擦系数取决于表面粗糙峰的斜率，与粗糙峰的高度相 关不大；球头探针与薄膜表面的摩擦力主要取决于单位面积接触粗糙 峰密度；平头探针与薄膜表面的摩擦力取决于外加载荷大小，表面形 貌的微观尺寸效应可忽略。 最后，用有限元数值方法模拟了硅材料微机电器件表面镀 s i d l c 膜前后，其弹塑性接触及摩擦热分布的性能。用a n s y s l 0 0 建 立了弹塑性接触和摩擦热分析的有限元几何模型，分析了弹性阶段和 弹塑性阶段各参数与接触性能之间的规律，摩擦热及热耦合应力的分 布规律。研究结果表明：硅表面镀上一层s i d l c 膜后，其抵抗外力。 变形能力和抗磨性得到很大的提高，而且摩擦热引起的升温和热耦合 应力降低了很多。 本文开展的d l c 膜的微观摩擦力学性能研究，为指导微机电系 统的设计及应用奠定良好的理论基础。 关键词：s i d l c 膜，微观摩擦，弹塑性接触，摩擦热，有限元 i i 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o di su s e dt os t u d yt h ep r o p e r t i e so ff r i c t i o no ft h e s i d l cf i l m si nt h ep a p e r a tt h es a l n et i m e ，t h ep r o p e r t i e so fe l a s t i c p l a s t i cc o n t a c ti s a n a l y z e da sw e l la sd i s t r i b u t i n gr u l eo ff r i c t i o nh e a tf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o na ss i l i c o nm e m sd e v i c e sb e f o r ea n da f t e rc o a t e ds i d l cf i l m s f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n ds p e c i f i cp r o c e s so ft w ot e c h n i q u e s w h i c hc o u l dm a n u f a c t u r es i - d l cf i l m sa tt h es a l n et i m e ：e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c ep l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n a n dp l a s m ae n h a n c e d u n b a l a n c e dm a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h ep r e p a r e ds a m p l e sm a k e s t h es i d l cf i l mk n o w na sa m o r p h o u sf i l m t h ea f mi su s e dt om a k es t u d yo nt h e s u r f a c e p r o p e r t i e s w i t hn e g a t i v es u b s t r a t eb i a sv o l t a g ei n c r e a s i n g , t h es u r f a c e r o u g h n e s sd e c r e a s e s w h e nt h eb i a ss p u t t e r i n gi sa r o u n d4 0 0 v , t h e r ei sas m o o t h s u r f a c em o r p h o l o g ya n dal i t t l ea d h e s i o nf o r c e s e c o n d l y , m i c r o n - l e v e la f mo fb a l lp r o b ei su s e dt od ot h ef r i c t i o nt e s to n s i - d l cf i l m s t h ee f f e c to fp l u sl o a da n ds c a nr a t eo nt h ef r i c t i o n a lp r o p e r t i e so ff i l m h a v eb e e ns t u d i e di nt h em i c r o m e t e rs c a l e c o n s i d e r e dt h ei m p a c to fa d h e s i o n ，t h e a m e n d m e n ta m o n t o nf o r m u l ai s p r o p o s e df o r f r i c t i o nm i c r o c h a r a c t e r i z a t i o no f l o w l o a dc o n t a c t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n ds u r f a c ea s p e r i t y h a sb e e na n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o no ff i l ms u r f a c ea s p e r i t y , ae q u i v a l e n t c o n t a c tm o d e lo fb a l lp r o b ea n df i l ms u r f a c ea s p e r i t yi se s t a b l i s h e di nm i c r o m e t e r s c a l ea n dg e t st h ef u n c t i o ne x p r e s s i o nfo ，) o ff r i c t i o no nt h el o a dp a r a m e t e r so ) a n dm o r p h o l o g yp a r a m e t e r s ) ，w h i c hs h o w st h a tc o n t a c tw i t ha s p e r i t yd e n s i t yp e r u n i ta r e ap l a y sad o m i n a n tr o l eo nt h es i z eo ft h ef r i c t i o n t h ec o n t a c tm o d e l s u c c e s s f u l l ye x p l a i n st h ep h e n o m e n o no ff r i c t i o nt e s t i no r d e rt o s t u d yt h ep r o p e r t i e so ff r i c t i o no ft h es i d l cf i l m ，t h ef r i c t i o n a l e x p e r i m e n t si sd o n ew i t ht i pp r o b e ，b a l lp r o b ea n d f l a tp r o b e t h em e c h a n i s mo ft h i n f i l ma d h e s i o na n df r i c t i o nu n d e rc o n t a c t so fd i f f e r e n ts c a l e sh a v eb e e ns t u d i e d ，i nt h e l i g h to ft h ec o n t a c tm o d e lw h i c hi sb u i l to fp r o b e sa n dm e m b r a n es u r f a c ea s p e r i t gt h e f o r m u l af o rs u r f a c ea d h e s i o na n dc o n t a c t i n ga r e aa r ed e r i v e dw h i c hi si n d i c a t e dt o i i i 江苏大学硕士学位论文 p l a yal e a d i n gr o l ei nt h em i c r o - c o n t a c t t h em i c r o f r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft i n yp r o b e a n df i l ms u r f a c ed e p e n d so nt h es l o p eo ft h es u r f a c ea s p e r i t yb u tt h eh e i g h to fa s p e r i t y ； c o n t a c ta s p e r i t yd e n s i t y p e ru n i ta r e ad e c i d e so nt h eb a l lp r o b ef r i c t i o no ff i l ms u r f a c e ； w h e nt h ef l a tp r o b es l i d ei nt h ef i l ms u r f a c e ，t h ef _ f i c t i o nd e p e n d so nt h ea p p l i e dl o a d a n ds u r f a c em o r p h o l o g yo fm i c r o - s i z ee f f e c to nt h ef r i c t i o ni sn e g l i g i b l e f i n a l l y , t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo f e l a s t i c p l a s t i cc o n t a c ta n dd i s t r i b u t i o no ff r i c t i o nh e a to fs i l i c o nm e m sd e v i c e s b e f o r ea n da f t e rc o a t e ds i - d l cf i l m s t h em o d e l i n gp r o c e s so ft h ee l a s t i c p l a s t i c c o n t a c ta n df r i c t i o nt h e r m a la n a l y s i si sb u i l tb ya n s y s l o 0w h i c hc o n s i d e r e dt h e f a c t o r so fe s t a b l i s h i n gt h eg e o m e t r i cm o d e lo fe l a s t i c - p l a s t i cc o n t a c ta n df r i c t i o nh e a t i tm a i n l ya n a l y z e st h el a wb e t w e e nt h ep a r a m e t e r sa n dc o n t a c tp r o p e r t i e sa n dt h e d i s t r i b u t i n g r u l eo ff r i c t i o nh e a ta n dt h e r m a l c o u p l i n g s t r e s sa te l a s t i ca n d e l a s t i c p l a s t i cs t a g e s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：a f t e rt h em e m sb e i n gc o a t e dw i t ha l a y e ro fs i - d l cf i l m ，i t sr e s i s t a n c et oe x t e r n a ld e f o r m a t i o na n da b r a s i o nr e s i s t a n c e a t eg r e a t l yi m p r o v e d ，w h i l et h et h e r m a lc o u p l i n gs t r e s sc a u s e db yf r i c t i o nh e a t r e d u c e sg r e a t l y t h i sp a p e rh a sl a i dag o o dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rs t u d y i n gm i c r o f r i c t i o np r o p e r t i e s o fd l cf i l m sa n dg u i d i n gt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h em e m s k e yw o r d s ：s i d l cf i l m ，m i c r o f r i c t i o n ，p l a s t i cc o n t a c t ，f r i c t i o nh e a t ，f i n i t ee l e m e n t i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：彳飞蚓 2 。1 。年乡月7 日 指导教师签名：讫兽 2 0 1 0 年莎月7 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2 0 1 0 年易月 刮钏 江苏大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 本课题的研究背景与意义 当今社会在能源节约、环境、经济以及安全等方面都在强调机械设备中控制 摩擦磨损的重要性。摩擦磨损是能源消耗的主要原因之一，据估计，世界上工业 部门生产的能源约有1 3 。1 2 消耗于各种形式的摩擦磨损及热损耗上【1 1 。对机械 设备的摩擦和磨损的任何减小，都将是一笔不小的节约，特别是在现代高科技发 展下生产的精密机械，任何一点的节约都会给国家经济带来巨大的效益【2 1 。伴随 纳米科技的发展，表面镀膜p l i 程成为有效控制摩擦磨损研究的热点。 类金刚石碳( d i a m o n d l i k ec a r b o n ，简称d l c ) 膜【4 】是一种硬度、光学、电 学、化学和摩擦学特性类似于金刚石的非晶碳膜【5 】，它具有高硬度、良好的减摩 性1 6 】6 、高的化学稳定性、可观的场发射效应、红外透明性等一系列优异的性能【7 矧。 因此被大量应用于微机电系统( m e m s ) 和高密度信息存储介质保护性薄膜d et 9 1 。 然而，研究发现，巨大的内应力及较差的结合力是类金刚石碳膜的两大缺陷，很 大程度上制约了其发展【1 叭1 1 。类金刚石碳膜的内应力达1 0 9 p a ，这不仅降低了薄 膜与基体之间的结合强度，造成薄膜使用过程中的失效，也限制了薄膜的沉积厚 度【1 2 1 。实验证明，通过掺杂可以有效的减低薄膜中的内应力，增强薄膜韧性， 提高薄膜的使用寿命【1 3 d 4 】。目前用于掺杂的主要元素有s i 、b 、n 、c r 、t i 、a g 、 c u 等【1 5 _ 8 1 。特别是向d l c 膜中添加硅元素，可以使薄膜中的s p 3 碳结构更稳定、 对环境相对湿度的依赖程度减弱、减小内应力、增强薄膜和金属基体的结合力， 提高了薄膜的热稳定性和光学带隙【1 9 1 。掺杂d l c 膜可以被大量的应用于各种高 密度信息存储介质保护性薄膜和微机电系统( m e m s ) 的研制【刎。而在m e m s 和信息存储的实际应用中，出现更多的则是完全不同于宏观的微米纳米尺度的摩 擦、磨损现象【2 1 】。另外由于尺寸效应的突现，薄膜的微观形貌等因素对整个系 统也产生了较明显的影响。因此为了使d l c 膜能够顺利的在这些领域应用和发 展，其微观摩擦学、微观力学性能的研究就变得十分重要了。 因此，本课题采用试验方法研究了s i d l c 膜的微观摩擦力学性能，同时从 江苏大学硕士学位论文 数值模拟的角度进一步分析了硅材料微机电器件表面镀s i d l c 膜前后，弹性阶 段和弹塑性阶段，摩擦系数、外加载荷等各参数与接触性能之间的规律和摩擦热 的分布规律。以上研究为s i d l c 膜应用于各种高密度信息存储介质和微机电系 统( m e m s ) 的保护性膜，指导微机电系统的设计及应用奠定良好的理论基础。 1 2 类金刚石膜国内外研究现状及热点 d l c 膜是一种硬度、光学、电学、化学和摩擦学特性类似于金刚石的非晶碳 膜，它具有高硬度、良好的减摩性、高的化学稳定性、可观的场发射效应、红外 透明性等一系列优异的性能。因此被广泛应用于光学、医学、电子器件、m e m s 和磁存储技术等方面。自七十年代实现了类金刚石膜的人工合成以来，对类金刚 石的制备和研究一直都在进行中，并且取得不少有意义的研究成果。 类金刚石膜的合成、制备方法有物理气相沉积和化学气相沉积两大类【勿。 随着现代沉积技术的发展，已经成功地开发出多种制备类金刚石碳膜的新技术和 新方法。d l c 的制备方法很多，采用射频c v d 、磁控溅射、激光淀积( p l d ) 、 离子束溅射、真空磁过滤电弧离子镀、微波等离子体c v d 、e c r ( 电子回旋共 振) c v d 等等都可以制各d l c 2 3 - 2 8 。d l c 薄膜应用始于2 0 世纪8 0 年代中期，从 2 0 世纪9 0 年代起，各种应用以滑动部件为中心拓展开来。2 0 世纪9 0 年代后半期以 后，d l c 技术在实用层面上进展显著，随着d l c 材料本身的种类和所适用基底的 种类增加，用途也在向滑动部件以外的领域拓展，情况引人注目。由于i t 产业、 生命科学的蓬勃兴起，对材料性能的要求就越来越苛刻。基于类金刚石膜的优越 性能，如何将它更好的应用于实际生产以适应发展是一个迫切需要解决的问题。 有关类金刚石薄膜的应用热点目前主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 在特定应用背景下如何进一步提高类金刚石膜的性能。 类金刚石碳薄膜具有一系列优异的性能：高硬度、良好的减摩性、高的化学 稳定性、可观的场发射效应、红外透明性等。而薄膜制备的方式、工艺参数、掺 杂元素的改变，将导致薄膜的性能具有很大差异，且对类金刚石膜的性能要求也 随不同应用场所要求而改变。例如硬盘保护膜【2 9 j ，要求类金刚石薄膜具有高硬 度、良好的减摩性、高的化学稳定性。类金刚石碳膜存在巨大的内应力及较差的 结合力两大缺陷，制约了类金刚石膜在这方面的应用，因此如何将特定的应用背 2 江苏大学硕士学位论文 景与类金刚石膜结合起来显得十分重要。因需要进一步深入研究新的沉积工艺和 应用机理，解决类金刚石膜应用所存在的缺陷，制备更优异性能的薄膜，以满足 应用要求。 ( 2 ) 如何提高薄膜沉积速率和实现大面积沉积以降低类金刚石膜制备成本。 相比金刚石膜的制备来说，类金刚石膜的制备成本是比较低的，然而要使性 能良好的类金刚石膜能更为广泛地应用于材料改性过程，依然有许多工作要进 行。比较突出的是近年来一些低气压高密度等离子体源逐渐应用于类金刚石膜制 备过程，如h e l i c o n 、e c r 和i c p 等【舡3 2 1 。利用这些等离子体源能够获得高密度、 大面积的等离子体，促进沉积基团的活性和数量的提高。在提高薄膜沉积速率和 面积的同时获得性能良好的类金刚石膜是目前研究方向之一。 ( 3 ) 进一步拓展类金刚石膜应用范围。 微电子的应用：应用于各种高密度信息存储介质保护性薄膜和微机电系统 ( m e m s ) 的研制。光学上的应用【3 3 】：基于类金刚石膜的可见光吸收、红外透过 性能、良好的光学透过性和适于在低温沉积的特点，应用于锗光学镜片上和硅太 阳能电池上的减反射膜、塑料和聚碳酸脂等低熔点材料组成的光学透镜表面抗磨 损保护层和发光材料。医学上的应用【3 4 】：碳的不同形式己被用到生物医学领域， 人工心脏瓣膜保护膜、人工关节承受面的抗磨层和镀碳的纤维做的片状薄假体 等。军事上的应用【3 5 】：应用于热像仪等光学系统，用作军用电子仪器的特殊绝 缘，散热衬底等。 ( 4 ) 类金刚石膜的纳米摩擦学、纳米力学性能的研究。 由于具备的极高的硬度、极低的摩擦系数以及极强的抗磨性能，类金刚石膜 可以被大量的应用于各种高密度信息存储介质保护性薄膜和微机电系统( m e m s ) 的研制。而在m e m s 和信息存储的实际应用中，出现更多的则是完全不同于宏观 的微米纳米尺度的摩擦、磨损现象。另外由于尺寸效应的突现，薄膜的微观形貌 等因素对整个系统也产生了较明显的影响。因此为了使d l c 膜能够顺利的在这些 领域应用和发艇，其纳米摩擦学、纳米力学性能的研究就变得十分重要了。因此 已经有相当数量的学者将目光从d l c 膜的宏观性能研究转向了d l c 膜的纳米摩擦 学、纳米力学性能的研究。 ( 5 ) 微米纳米接触摩擦的建模及模拟分析。 3 江苏大学硕士学位论文 采用试验的方法研究d l c 薄膜的微观力学性能，存在许多自身的局限性， 如：对试验条件要求高，依赖于试验数据，不能随意的改变实验条件，不能进行 图文并茂的优化分析等。随着计算机硬件和软件的飞速发展，出现了许多优秀的 模拟软件，这正好弥补了真实试验的缺陷。接触模拟可以真实的反映和预测力学 行为，实现控制参数优化选择，有越来越多的学者致力于研究接触摩擦的建模和 模拟。 与国外研究进展相比，国内在类金刚石膜制备的机理与应用研究方面尤其是 微观、纳观性能的研究还是有比较大的差距，尤其在实际应用方面国内还鲜见比 较成功的产业化应用，很多还仅仅停留在实验水平上，即便有推广应用前景也缺 少资金的支持。 1 3 微观摩擦学简述 两个相互接触的表面发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触表面间产 生的阻止相对运动或相对运动趋势的现象称为摩擦。摩擦产生的机理【3 6 】主要有： ( 1 ) 相互作用产生形变；( 2 ) 物体微观凸凹表面产生相互机械啮合；( 3 ) 产生分子 粘结现象。然而不同接触条件下，摩擦产生的机理不同。同时，也要认识到只有 在很少的情况下会在接触表面出现单纯的一种机理。通常，由于复杂的接触形状 ( 例如粗糙度、磨屑) ，或是表面材料的不均匀性，或是在加载和滑动条件下的 变化，基本的摩擦磨损机理会通过复杂的方式联系起来【3 7 1 。 纳米摩擦学或称微观摩擦学是在纳米尺度上研究摩擦界面上的行为、变化、 损伤及其控制【3 8 】。摩擦学就其性质而言属于表面科学范畴，摩擦过程中材料表 面所表现的宏观特性与其微观结构密切相关。纳米摩擦学研究提供了一种新的思 维方式，即从分子、原子尺度上揭示摩擦磨损和润滑机理，建立材料微观结构与 宏观特性之间的构性关系。 微观摩擦学与宏观摩擦学有着很大的区别，宏观摩擦学通常晕根据材料表面 的体相性质在摩擦界面上的反应来表征其摩擦磨损行为，并应用连续介质力学包 括断裂和疲劳理论来作为分析的基础【3 9 1 。而微观摩擦学则是有原子、分子结构 出发，考察纳米尺度的表面和界面分子层摩擦学行为，其理论基础是表面物理和 表面化学。随着精密机械和高科技设备的发展，特别是纳米科学技术所推动的新 4 江苏大学硕士学位论文 兴学科，例如纳米电子学，纳米生物学和微型机械的发展，都要求开展纳米摩擦 学研究。这是由于在上述领域所用的机械设备中，摩擦副间隙或润滑膜厚度通常 处于纳米范围。此时宏观摩擦学已不再适用，它们的摩擦磨损与润滑性能必须从 界面上原子、分子的相互作用来进行考察【彻。总之，纳米摩擦学的发展有着重 要的理论意义和应用前景。显然，如果将宏观研究和微观研究相互结合，必将促 进摩擦学更加完善。 1 4 弹塑性接触及有限元理论 1 4 1h e r t z 理论 h e r t z 研究了两个相互接触的物体在施加载荷后在接触面上产生的局部压强 分布以及由此引起的应力和变形。 h e r t z 理论【4 1 】的基本假设： 1 、接触系统由两个相互接触的物体组成，它们间不发生刚体运动。 2 、载荷垂直于接触表面，也就是说，接触表面完全光滑，不计接触物体之 间的摩擦力。 3 、接触物体的变形是小变形，接触点可以预先确定，接触或分离只在两物 体可能接触的相应点进行； 4 、接触区域为椭圆，表面压力符合半椭圆分布。 当两曲面接触并压紧时，压力n 垂直接触面作用，在初始接触点的附近，材 料发生局部的变形，靠近接触形成一个小的椭圆性平面，椭圆形接触面上各点单 位压力大小与材料的变形量有关，接触区域为椭圆，表面压力符合半椭圆分布。 经典的h e r t z 理论是接触问题解析解的基础，为了将它和数值解作比较，现将经 典的赫兹理论以两个最具代表性的球体接触为例，如图2 - 1 所示：两球的半径分 别为r l 、r 2 ，当没有加压时，两球体仅在p 点接触，是为无应力的初始接触状 态，离公共法线距离为1 r 的p 1 及p 2 点距公共切面的距离分别为l 1 和k 。当受载 后，设接触点附近出现一个边界为圆形的接触区域，并设两点之间的接触变形量 为。 5 江苏大学硕士学位论文 图2 - 1 两个球体的接触 根据此接触模型，单位接触应力的峰值0m 舡计算公式为： 吒：型，( _ 一坐 x - 盟- i - - 2 一) z ( 1 1 ) 2 瓦可芴面丽广 u 1 ， 其中：n 是法向外载荷；u 为泊松比；e 为杨氏弹性模量；o 为接触区载荷分布 函数；。眦x 为单位接触应力的峰值；岛：堕兰坌o ：1 , 2 ，3 ) 。 知道了压力分布函数o ，于是可以按照无限弹性半空间体的理论去求解应 力，这样两个典型球体在正压力下的接触问题就得以解决。对于任意形状的弹性 体相接触的情况，经过类似的分析，也可以求得相应的参数。一般来说，接触区 域为椭圆。设长轴的半径为a ，短轴的半径为b ，当b a 趋向于无穷大时，就得 到两个圆柱体相接触的情况，这是接触面成为宽度为2 b 的长条，接触压力在宽 度上按半椭圆形分布，如果令p 为单位长度上的接触力，则有接触区宽度b 和最 大压力om 积分别为： b = o m x2 痴2 3 矽 6 ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 江苏大学硕士学位论文 仁等【半他b0 4 0 7 ) + 警e 他b 0 柏7 ) 】 ( 1 4 ) 万e 、7 ， 、“ 显然，当已经接触模型材料的泊松比l i 和杨氏弹性模量e ，即可以对接触问 题进行求解。 h e r t z 弹性接触理论可以解决工程上一些简单的实际问题，但是，由于其只 能处理表面外形光滑连续的情况，并且两物体之间不应存在摩擦，导致其应用的 范围领域受到极大限制，经典的解析方法已无法胜任。因此，工程中大量存在的 属于非h e r t z 接触问题需要借助于计算机进行数值求解【4 2 】。 1 4 2v o nm i s e s 屈服准则 一般金属材料都会发生塑性变形，从弹性状态进入塑性状态称为屈服，其临 界应力称为屈服应力。在计算中，必须根据材料的应力状态判断材料是否进入塑 性状态，进行相应的计算。但是材料一般处于复杂应力状态下，某一点的应力状 态是由六个应力分量确定的，不能简单的以某一个应力分量的数值与屈服应力比 较判断材料是否进入塑性状态。因此，要建立起一套科学的判断材料进入塑性变 形的判据。引入以应力或应变分量为坐标的应力空间或应变空间，在此空间内每 一点都代表一个应力状态或一个应变状态。在应力空间或应变空间内，代表相同 应力状态或应变状态的点可以构成应力曲面或应变曲面，而材料进入屈服的应力 曲面或应变曲面称为屈服曲面。屈服曲面在平行于等斜面又通过空间中坐标原点 的平面上的投影曲线称为屈服轨迹。因此只要确定屈服轨迹的形状和范围，即可 判断材料是否屈服。根据定义的屈服轨迹形状的不同，主要有以下两种屈服判据： ( 1 ) t r e s c a 屈服判据；( 2 ) v o nm i s e s 屈服判据【4 3 1 。相比之下，对韧性材料v o n m i s e s 屈服判据与实验结果更加符合，本文采用此判据。 v o nm i s e s 屈服判据的屈服判据是一个圆。如上所述，可以从应力和应变两 条途径判断材料是否屈服。本章从应力角度研究，其数学表示为 ( q c r 2 ) 2 + ( c r 2 一吒) 2 + ( c r 3 一q ) 2 = 8 k 2 ( 1 5 ) 其中：k = 吒2 ，吒是材料屈服应力。q ，吒和巳为材料的主应力。式( 1 - 5 ) 可以写成应力偏量不边量j 的形式 ，= 三叮 (1-6) 引进等效应力可将式( 1 5 ) 改写为 7 江苏大学硕士学位论文 吒：粤瓜f i 可i i 万i i 霸磊瓦i 丽：吼( 1 - 7 ) 式( 1 - 7 ) 中吒为材料等效应力。q 。，屹，q ：，巳。为材料的六个 应力分量。 对平面应力问题 吒= 。1 22 2 ( 1 8 ) 吒=l 一q l 吃2 ( 1 。8 ) 对平面应变问题 巳= x ( 1 - j u + z 2 ) ( 0 - 1 1 2 + 盯2 2 2 ) 一( 1 + 2 , a - 2 2 2 ) q l d 2 2 + 3 0 1 2 2 ( 1 - 9 ) 式( 1 9 ) 中u 为材料泊松比。 1 4 3 接触问题的有限元分析 接触问题是一种高度非线性行为，需要交大的计算资源，故理解问题的特性 以及建立合理的接触模型，非常之重要。在处理和计算中存在两个较大的难点： 一、在求解问题之前，接触区域是未知的，不清楚表面之间是接触还是分离，并 且还可能是突然变化的，载荷、材料、边界条件和其他等因素影响接触特性。二、 大多数的接触问题需要考虑摩擦，摩擦效应可能是混乱的，它们都是非线性的， 摩擦使问题的收敛性变得困难。除了上面两个难点外，许多接触问题还必须涉及 到多物理场影响，如接触区域的热传导、电流等，更增加了求解的难度i 卅。 接触问题一般分为两种基本类型：刚体一柔体的接触，半柔体一柔体的接触。 在刚体一柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，与它接触的变形 体相比，有大得多的刚度。一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题 可以假定为刚体一柔体的接触。一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时， 可以假定为刚体一柔体的接触，许多金属成型问题规为此类接触【4 5 1 。 接触问题的有限元分析基本步骤【4 5 】如下： 1 建立模型，并划分网格 2 识别接触对 3 定义刚性目标面 4 定义柔性接触面 8 江苏大学硕士学位论文 5 设置单元关键字和实常数 6 定义控制刚性目标面的运动 7 给定必须的边界 8 定义求解选项和载荷步 9 求解接触问题，查看结果。 1 5 本课题研究的主要内容及论文结构 伴随纳米科技的发展，表面镀膜工程成为有效控制摩擦磨损研究的热点。硅 掺杂类金刚石( s i d l c ) 膜凭借其优良的性能，可以被大量的应用于各种高密度 信息存储介质保护性薄膜和微机电系统( m e m s ) 的研制。而在这些实际应用中， 出现了许多完全不同于宏观世界的微米纳米级摩擦磨损及摩擦热现象。因此，本 文采用试验方法研究s i - d l c 膜的微观摩擦力学性能，同时从数值模拟的角度进 一步分析弹性阶段和弹塑性阶段，摩擦系数、外加载荷等各参数与接触性能之间 的规律和摩擦热的分布规律。 1 首先采用微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积和等离子体增强 非平衡磁控溅射两种工艺同步进行的方法制备硅掺杂类金刚石膜。 2 接着采用尖头探针、球头探针和平头探针对s i - d l c 膜进行摩擦实验。分 析薄膜的表面形貌与粘附力的相关规律；探讨不同接触尺度下，薄膜表面粘附力 及摩擦产生的机理，并用所建物理模型和相关数学表达式，推导出不同尺度接触 问题中参数对薄膜表面的摩擦力学性能影响； 3 最后用有限元数值方法模拟硅材料微机电器件表面镀s i - d l c 膜前后，其 弹塑性接触及摩擦热分布的性能，分析弹性阶段和弹塑性阶段，摩擦系数、外加 载荷等各参数与接触性能之间的规律，摩擦热及热耦合应力的分布规律。 本文各章内容安排如下： 第一章：绪论。首先阐述本课题的研究背景和意义，然后分析了类金刚石膜 国内外研究现状及热点，纳米摩擦的概述，接着阐述了接触弹塑性理论以及接触 有限元方法，最后在此基础上进行本课题的主要内容及各章结构安排。 第二章：主要详细介绍薄膜制备的仪器、基本原理和微波电子回旋共振等离 子体增强化学气相沉积和等离子体增强非平衡磁控溅射两种工艺同时进行制备 9 江苏大学硕士学位论文 工艺硅掺杂d l c 膜的过程，对薄膜样品进行表征，采用原子力显微镜( a f m ) 对 其表面性能进行了探讨和研究，最后采用纳米压痕仪测量样品的硬度值。 第三章：研究了硅掺杂类金刚石薄膜在微米级别的a f m 球头探针作用下的摩 擦性能。分析了薄膜的表面性能，提出了适用于微观低载荷接触摩擦力表征的修 正a m o n t o n 公式。建立了微米尺度下球头探针与薄膜表面粗糙峰的等效接触模 型，并推导出了摩擦力f 关于载荷参数( p ) 和形貌参数( 巾) 的函数表达式f ( p ，巾) 。 第四章：为了进步一研究s i - d l c 膜的摩擦力学性能，采用a f m 尖头探针、 球头探针和平头探针对s i _ d l c 膜进行了摩擦实验。探讨了不同接触尺度对表面 粘附力的影响；接着研究了薄膜表面在三种不同类别探针接触摩擦作用下，其摩 擦产生的机理。 第五章：用有限元数值方法模拟了微机电器件表面镀s i - d l c 膜前后，其弹 塑性接触及摩擦热分布的性能。具体介绍了弹塑性接触和摩擦热分析的建模过 程，弹塑性接触和摩擦热几何模型建立考虑的因素，主要分析了弹性阶段和弹塑 性阶段各参数与接触性能之间的规律，摩擦热及热耦合应力的分布规律。 第六章：对本文的研究内容进行了总结，阐述本文研究工作的价值及今后需 要进一步深入研究的工作。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章s i d l c 膜的制备及表征 类金刚石薄膜( d l c ) 的合成、制备方法有物理气相沉积和化学气相沉积两 大类。随着现代沉积技术的发展，已经成功地开发出多种制备类金刚石碳膜的新 技术和新方法。采用射频c v d 、磁控溅射、激光淀积( p l d ) 、离子束溅射、真空 磁过滤电弧离子镀、微波等离子体c v d 、e c r ( 电子回旋共振) c v d 等等都可以 制备d l c 膜。不同方法所制备的薄膜，它们性能也是各有千秋。其中的e c r c v d 技术由于等离子密度高、无电极、高活性等优点在微机电系统( m e m s ) 和高密 度磁存储保护性d l c 膜的制备以及等离子体镀膜、刻蚀、表面清洗等诸多领域获 得了广泛的应用【矧。 d l c 膜应用于微机电系统( m e m s ) 和高密度信息存储介质保护性薄膜时， 具有大内应力及较差的结合力两大缺陷。为了有效的降低薄膜中的内应力，增强 薄膜韧性，故向d l c 膜中掺杂硅元素。研究发现硅掺杂可以使薄膜中的s p 3 碳结 构更稳定、对环境相对湿度的依赖程度减弱、减小内应力、增强薄膜和金属基体 的结合力，提高了薄膜的热稳定性和光学带隙。 本章采用微波电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积和等离子体增强非 平衡磁控溅射两种工艺同步进行的方法制备了硅掺杂类金刚石薄膜，并详细介绍 了薄膜制备的仪器、基本原理、基本工艺，并使用光谱型椭偏仪、透射电镜和 r a m a n 光谱对相关样品的厚度、成份和分子结构进行了表征。并采用了原子力显 微镜( a f m ) 对所制各样品的表面性能进行了探讨和研究，最后采用纳米压痕 仪测量了样品的硬度值。 2 2 薄膜的制备工艺 2 2 1 实验设备 薄膜制备使用了一种新型的系统双放电腔微波e c r 等离子体全方位注 江苏大学硕士学位论文 入装置( p s i i ) ，该系统由大连理工大学三束实验室研制，同时应用了电子回旋 共振和全方位离子注入技术，实现了在低工作气压下得到较高的等离子体密度， 该设备如图2 - 1 所示，其工作气压可以维持在l o 。2 以下，等离子体密度可达 1 0 1 1 c m 3 。 之 翻2 - ip s i i 系统外貌 微波e c r 全方位离子注入系统抽真空部分由机械泵和分子泵组成，本底气压 可以抽到1 0 4p a ，本实验一般为3 0 x1 0 0p a 。等离子体源离子注入设备的等 离子产生是根据电子回旋共振原理设计的，主真空室为圆柱形腔体，两个e c r 谐 振腔相对地分别安簧在主真空室的两侧。微波系统是由频率为24 5 g h z 的微波 发生器、环形器、双向耦合器、三销钉调配器以及波导管所组成。如果线圈通有 电流时能够产生8 7 5 g 的磁场，并且此时微波频率和电子在磁场中的回旋频率相 等，便可以产生电子回旋共振进而产生等离子体。通过计算和实验得出当线圈电 流为1 0 0 i 1 0 a ，微波功率为8 0 0 w 时等离子放电明亮且比较稳定，因此本实验 采用( 1 0 0 a 、8 0 0 w ) 这两个数值。载物台能够转动，并可以通冷却水。调节样 品台的直流负偏压的大小来控制等离子体的能量和离子流密度。另外，励磁线圈 的电流方向相反，通过调节电流，可以调整两个e c r 共振面的位置，两个磁场线 圈所产生的磁场，在真空室相互叠加，形成会切场和磁镜场磁场位型。实验表明 会切场磁场位型可以有效的约束扩散到载物台的e c r 等离子体，这样通过调节加 在基片上的偏压，就可以改变到达薄膜生长界面的离子能量m 。通过实验证明e c r 等离子体的密度高于射频和微波等离子体，尤其是在低工作气压区。该设备工作 江苏大学硕士学位论文 特点为- 低温成膜，对基体影响很小；能用多种方法成膜，能在大面积，复杂形 状工件上成膜；薄膜有较高的膜基结合力。 2 2 2 基体及前处理方法 实验时，基片处理使用抛光后的s i ( 1 0 0 ) 作为基体。未处理前，基体上有不 同程度的污染，如果没有得到处理，在沉积了薄膜以后，这些微小的污染会影响 薄膜的透光率、折射率等性能，而且也不美观。前期处理措施如下：先用纯丙酮 洗去基体上的油污，再用去离子水清洗，然后放在酒精中用超声波进行震荡洗涤， 去除基体表面的浮尘等杂质，洗涤完立即用电吹风吹干，以免留下水迹，处理完 的基体应该立即放入真空室。 基片经过清洗干燥后放入沉积室中的载物台上，载物台的高度调到适当位置； 关上真空室，打开机械泵预抽，当真空计