开题报告-高温微纳米压痕仪器的设计.doc

吉 林 大 学机械科学与工程学院本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目： 高温微纳米压痕 学生姓名：学 号：41110531班 级：411105专 业：机械工程及自动化 指导教师：一、选题背景及其意义纳米压痕技术及传统材料力学性能测试方法的比较纳米压痕技术（英：Nanoindentation），也称深度敏感压痕技术（英：Depth-Sensing Indentation, DSI)，是最简单的测试材料力学性质的方法之一，可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质，如载荷-位移曲线、弹性模量 (Elastic Modulus)、硬度(Hardness)、断裂韧性(Fracture Toughness)、应变硬化效应(Strain Hardening Effect)、粘弹性(Viscoelastic)或蠕变(Creep)行为等。在传统的测试方法中，薄膜硬度可以通过微型维氏或者努普硬度压头进行测量；薄膜模量则是通过拉伸实验法，鼓胀测量法或者超声波测速发进行测量。不足之处是装置复杂，参数较多，精度较差，效率较低。纳米压痕方法具有操作方便，样品制备简单，测量和定分辨能力高，测试内容丰富等特点，通过连续记录载荷和压入深度两种参数以分析材料种种力学性能。例如：利用纳米压痕方法可以测量出材料的载荷与位移曲线，反映出压头压入过程中材料是否发生了固态相变；利用纳米压痕方法分析材料微区力学性能；研究材料中晶体学缺陷的存在形式和变化规律；探索晶体学缺陷自身发生变化后在位移载荷曲线上的反应等。材料晶体学缺陷的变化也也会影响材料的力学性能，硬度的变化可以通过维氏硬度等方法测量，然而尺度较小的材料中晶体学缺陷的变化可以通过纳米压痕给予检测。二、国内外相关研究现状微米压痕微米压入测试仪适用于硬质薄膜、软质薄膜和块体材料的测量。它为您提供精准与高重复性的材料硬度和弹性模量测试结果。微米压入测试仪可以用于测量块状材料，PVD、CVD硬质薄膜和陶瓷薄膜等材料的性质。瑞士CSM仪器公司三十年来致力于为全球材料、物理、机械工作者提供先进、精准、全面的材料机械性质测试仪器、分析咨询以及测试服务。我们的主要产品包括：测量材料硬度和弹性模量的纳米级、微米级仪器化压入测试仪（纳米压痕仪, 显微压痕仪）；界定膜基结合强度、薄膜抗划擦能力的纳米级、微米级、大载荷划痕测试仪；包括真空、高温以及线性往复运动等选项的摩擦磨损测试仪、纳米摩擦仪 ；最简便易用的膜厚测试仪；用于三维成像表征材料表面形貌的原子力显微镜和白光共聚焦显微镜。主要特点：特点：集成CCD光学显微镜系统、力反馈系统、操作软件包、符合 ISO 和 ASTM标准选件：共焦显微镜、控温设备 (-20 - 450C)、高分辨率CCD光学显微镜纳米压痕仪: 纳米压痕仪主要用于微纳米尺度薄膜材料的硬度与杨氏模量测试，测试结果通过力与压入深度的曲线计算得出，无需通过显微镜观察压痕面积。纳米压痕仪主要用于测量纳米尺度的硬度与弹性模量，可以用于研究或测试薄膜等纳米材料的接触刚度、蠕变、弹性功、塑性功、断裂韧性、应力-应变曲线、疲劳、存储模量及损耗模量等特性。可适用于有机或无机、软质或硬质材料的检测分析，包括PVD、CVD、PECVD薄膜，感光薄膜，彩绘釉漆，光学薄膜，微电子镀膜，保护性薄膜，装饰性薄膜等等。基体可以为软质或硬质材料，包括金属、合金、半导体、玻璃、矿物和有机材料等。技术特点1、完全符合ISO14577、ASTME2546。2、光学显微镜自动观察3、独特的热漂移控制技术4、可硬度、刚度、弹性模量、断裂刚度、失效点、应力应变、蠕变性能等力学数据。5、适时测量载荷大小6、采用独立的载荷加载系统与高分辨率的电容深度传感器7、快速的压电陶瓷驱动的载荷反馈系统 8、双标准校正：熔融石英与蓝宝石主要特点：特点：独特的参比环设计-实时消除大部分热漂移、带有反馈系统的载荷加载系统、灵活的试样夹具可夹持各种尺寸试样（无需用胶粘结试样）、高质量金相显微镜观测系统、计算机软件包，自动进行数据获取、储存、分析等、丰富、灵活的扩展空间选件包括：其它力学测试模块（如微纳米划痕、超纳米压痕等）、真空及环境(温度、湿度）控制、原子力显微镜成像系统、环境隔离罩高温纳米压痕仪优点:采用主动参比技术，极大降低了热漂移；独特的材料设计，无热膨胀；两套独立的载荷位移传感器；采用热量反射屏蔽罩设计及压痕测量水循环冷却系统；高的框架刚度 (大于 108N/m）；集成真空腔，允许测试样品的真空度可达到5 x 10-7mbar。技术参数：HT-UNHT超纳米压痕仪可选择两种不同范围的加热平台。UNHT超纳米压痕仪载荷范围 最大100 mN载荷分辨率 0.001uN加载速率 最大10000 mN/min保载时间 无限制最大位移 100um位移分辨率 0.0003 nm加热速度: 0.1C/min 到 90C/min 温度稳定性 : 小于0.1C 样品尺寸: 25 mm圆盘 样品尺寸: 25 mm x 50 mm创新点：其中UNHT超纳米压痕仪采用ZeroDur玻璃材料制作的测试头和主动表面参比技术降低热漂移，高温下又采用热量反射屏蔽罩设计及压痕测量水循环冷却系统，热漂移为0.16nm/s，针对样品和针尖在高温下易氧化的特点纳米压痕探针:分成三棱锥圆锥球形和平底三种夹角：60度，90度，142.35度曲率半径：根据要求分为小于150nm，小于100nm，小于10um，大于10umAFM探针纳米压痕实现高密度信息存储的方法，本发明涉及一种高密度信息存储的方法。它克服了现有技术只能写进信息而不能擦除的缺陷。本发明通过下述步骤实现：一、制得苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯（SEBS）嵌段共聚物薄膜，并使该薄膜的相分离形态为球形结构；二、利用AFM扫描探针在薄膜表面进行敲击以形成纳米压痕，以实现高密度信息存储中的“写进”过程；三、对该薄膜进行加热处理，薄膜表面的纳米压痕回复，实现存储信息的“擦除”。本发明制备了一种特殊功能膜，使得AFM探针在敲击模式下可以利用针尖与薄膜间的敲击力在薄膜表面制备纳米压痕，并且此压痕可以通过高温处理来擦除。处理温度越高，压痕消失速度越快。流动池架和高温支架400C温度控制平台提供给TI系列用户和100/200C 温度控制平台同样的简易操作，但可以获得温度从室温到400 C，400C 温度控制平台是液体制冷，使用电阻式加热元素，400C 温度控制平台也使用TriboTC 软件带可调的PID增益调整温度设置。真空平台有几个特殊设计的真空样品台用于TI 系列仪器。真空样品台设计安全支撑大的、平的样品消除磁性样品支架的干扰，大的真空平台可以容纳整个晶片或disc (TI系列TriboIndenter系统达到 300mm)并很容易测试。用于TISeries TriboIndenter仪器的小真空样品台设计容纳样品从几mm到 150mm，真空样品台用于TI系列Ubi仪器设计检测四五个平的和光滑底面的小样品 (达到1cm)。真空样品台最大的好处就是不需要粘贴样品到钢(或磁)样品盘，只要底面是光滑的，可以保持较好的真空度。真空样品台设计可以快速和容易地替换TI系列标准样品台，通用于很多的样品。标准的真空样品台可能配备一个可选的外接泵 (Hysitron生产)或通过标准快速连接管路连接到室内真空管路。真空台特点：1、快速和安全地装载几乎任意尺寸的光滑样品2、完全覆盖的真空腔提供安全的样品装载选项给各种不同尺寸的晶片和许多其它样品3、精确的机械加工面确保一定的真空压力被保持4、非磁性不锈钢组件消除磁性样品装载干扰和机械夹样品装载麻烦5、安静和强大的模块化真空台提供任何应用的真空压力6、检测面积根据仪器选件和样品台类型而不同技术参数设计：载荷分辨率、标准测试最大载荷、高载荷测试最大载荷、Z方向的唯一分辨率、最大压入深度、XY Table唯一分辨率、行程范围显微镜发达倍数 video screen /objective造型设计：图中所示为：线圈磁力系统，支撑弹簧，电容测量计，硬度计压头探针，试验样品载物台，横向运动台，载物暗箱存在的问题及今后的发展方向(1)纳米硬度的定义 目前纳米压痕技术所采用的硬度定义是沿袭传统经典弹塑性力学中的硬度定义，是载荷与残余变形面积的比值，是一个平均概念。硬度的大小与采用的压头几何形状直接相关，对压人过程中的尺度效应无法表征。如何在纳米尺度上对微硬度或纳米硬度进行定义，使得实际测得的材料硬度值真正能够反映出材料的内在特性，建立材料微观组织结构与宏观力学性能之间的联系是人们正在追求的目标。(2)薄膜基体组合体采中基体对薄膜力学性能的影响问题薄膜目前已在微构件、电子信息产品和其它机械产品中广泛使用，与产品的工作性能和使用寿命密切相关。因此，薄膜力学性能的研究受到广泛关注。由于构件尺寸的不断减小和薄膜力学性能的不断提高，薄膜厚度急剧减小，最小可小至十几纳米甚至几纳米。因此，要了解薄膜的力学性能必须排除基体对它的影响。反过来，也可以利用基体的影响设计薄膜基体组合体系，使它们具有最佳的组合力学性能。发展有效的理论计算方法是当务之急。此外，薄膜与基体之间的界面效应对薄膜力学性能的影响也是今后的研究重点。(3)材料表面及浅表层物理性能的影响物体表面有着十分复杂的特性，如表面化学反应膜、表面加工硬化、表面粗糙度、表面力等均会影响纳米压痕试验的准确性和重复性，尤其当压人深度很小时(如小于20nm)，试验结果有很大的不确定性。如何避免这些因素的影响，在试样表面制备技术方面提出了很高的要求。(4)材料硬度及压痕的影响 不同硬度的材料在受压时会在压头周围产生堆积现象或沉陷现象，从而影响压头实际的压人深度，使得实际计算的硬度值发生偏差。如何消除材料在压痕试验中堆积和沉陷现象产生的影响并准确确定实际的压人深度，需要在材料的塑性变形机理方面做进一步的探讨。三、设计内容和要求乔圣皓毕业设计题目及其要求内容：高温微纳米压痕英文名称：indentation温度要求：1600摄氏度属于整机设计，调查文献来源及资料查找：美国海思创HYSITRON、安捷伦、美国NANOVEA公司传感器要求分辨率1/1000压入力分为纳米微米两组压头，最大载荷10n，最小压入力10mn，量程10n四、应该注意的问题以及面临的挑战展望和存在问题展望：纳米压痕是从原子量级到微米级研究材料各种性能的重要途径，发展潜力广泛。问题：1.当前研究较少，并没有完整的力学模型 2.尚未发现滑移受阻是孪生主导的变形机制。 3.变温测试平台尚未完善。五、拟定采用的设计方案方案：在掌握传统仪器基本结构的基础之上，用CAD、CATIA等绘图设计软件在设计、计算、参考之后进行设计，设计中并不考虑到编程，压头等采用标准件以及标准尺寸。目标：设计出结构合理的高温微纳米压痕仪器，满足温度等设计要求，尤其注意是材料的选择以及结构的设计，使其能够应用于工程实际之中。六、 进度安排 14/10/01-15/03/13 译文 熟悉题目 收集资料 15/03/15-15/03/25 确定总体方案 15/03/26-15/04/30 确定各部分参数并绘制三维、二维装配图 15/05/01-15/05/30 绘制主要零部件图 15/05/31-15/06/10 撰写说明书 15/06/11- 准备答辩 答辩七、参考文献1 谢存毅, 纳米压痕技术在材料科学中的应用,实验技术30卷(2001年)7期2 黎明 温诗铸，纳米压痕技术及其应用, (2002)171437033 黎明 温诗铸，纳米压痕技术理论基础，机械工程学报，2003年3月4 谭孟曦, 利用纳米压痕加载曲线计算硬度与压入深度关系及弹性模量，金属学报，2005年10月5 黎业生, 纳米压痕仪测Cu50Zr43Ti7非晶合金硬度弹性模量, 稀有金属材料与工程, 2009年1月6 刘扬,陈定方,基于纳米压痕技术和有限元仿真的力学性分析, 武汉理工大学学报,2003 年10 月7 黄伟 赵宝史 洪刚 李亚峰, 用纳米压痕测定钨合金材料的微观本构关系,兵工学报,2006年3月8 刘硕，压痕蠕变实验的力学模型与蠕变