压电驱动型微纳米压痕测试装置的设计与试验研究.pdf

学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 3年 6月 黄虎等 压 电驱动 型微 纳米 压痕测试 装置的设计与试验研究 5 式中 F和 h是压入载荷及对应 的压入深度 和 m 是拟合得到 的参数 臃是残余压入深度 如图 6所 示 通过拟合图 5修正 曲线卸载部分 8 0 的数据得 到熔融石英 卸载部分压入载荷与压入 深度 近似关 系为 F 2 1 1 0 3 9 h 一0 3 0 2 4 压 入 深度 h a l lx m 图 6 熔融石英部分卸载曲线拟合结果 根据 Ol i v e r P h a r r相关理论 l 计算得到该熔 融石英的硬度为 l 0 1 3 GP a 弹性模量为 7 1 7 7 G P a 与标准值 硬度 9 2 5 0 9 2 5 GP a 弹性模量 7 2 3 6 GP a 接近 说明了本文设计 的测试装置和提 出的机架柔度测量方法 的可行性 2 3 单晶硅压痕试验分析 利用本测试装置对单 晶硅 片 1 0 0 晶面进行 了 压痕测试 图 7是单 晶硅片 1 0 0 晶面在最大压入载 荷 4 9 6 0 mN 时获得的压入载荷与压入深度关系 曲 线 对应于 4 9 6 0 mN的最大压入载荷 压入深度为 0 4 6 6 l a m 当压入载荷卸载至 1 8 mN左右时 单晶 硅出现了典型的 p o p o u t现象 该现象与金刚石压 头作用于单晶硅表面微小区域引起局部高压导致单 晶硅相变有关 压入深度 h a l p m 图 7 单 晶硅 片 1 0 0 晶面压痕 曲线 如图 8所示 根据式 3 拟合得到了单晶硅片 1 O O 晶面卸 载部 分压 入 载荷 与 压入 深度 近 似关 系为 F 4 9 3 8 0 4 h 一0 1 9 0 5 根据 O l i v e r P h a r r相关理 论 计 算得到单 晶 硅 片 1 0 0 晶面 的硬度为 l 6 2 9 GP a 弹 性模 量为 1 81 6 3 GPa Z 柱 一 出 压入深度 h a ta m 图8 单晶硅片 1 0 0 晶面部分卸载曲线拟合结果 2 4 误差分析与讨论 从图 5 8可以看出 研制的微纳米压痕测试 装置可以定量 的开展材料的压痕试验 然而从计算 得到 的材料硬度值 可以看 出计算 结果存在些许误 差 可能的原因有 以下几点 压入深度采取了非 直接测量的方式 导致机架柔度值偏大 而大的机 架柔度值在实际测量中很难精准标定 目 前 位 移传感器的标定依赖于生产厂家 而安装过程导致 的不垂直等因素引起 了位移传感器测量误差 目 前采用的位移传感器量程为 0 5 mm 而压痕测试 一 般压入深度小于 5 Ix m 如此小 比例的位移使用导 致采集卡采集的电压变化范围较小 易引起测量数 据波动并引入测量误差 力传感器的标定精度 目 前也依赖于砝码 的精度 在进行小载荷压痕测试时 由于标定引起的误差也难 以避免 但是相对于压入 深度测量误差来说压入载荷引起的测量误差相对较 小 加工及装配过程导致压头轴线与试件表面不 垂直也是引起测试误差 的原因之一 从图 4 a 和图 8可以看出 由于 目前采用的位移 传感器精度不足 在加卸载 曲线 出现 了一定的波动 另一方面 由于 目前试验条件有限 测试装置未做 恒温隔振处理 这两方面是限制整个测试装置位移 检测精度 的重要原因 与国外商业化微纳米压痕测 试仪器相 比 以上两方面也是限制本测试装置开展 微小载荷 2 0 mN 以下 压痕测试的主要原因 下一 步通过精选高精度非接触式位移传感器 优选位移 检测方案有望进一步提高测试装置的位移检测精度 和材料参数测试精度 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 6 机械工程学报 第 4 9卷第 l 2期 3 结论 1 集成压 电叠堆和柔性铰链 自主设计开发了 一 种微纳米压痕测试装置 利用试验方法测试得到 了该装置关键部件 z向精密运动单元的输 出特 性 测试结果表明该装置可以实现小至 0 0 5 g m大 至 3 0 m 的线性位移输 出 在无隔振和未做恒温处 理的试验环境 位移传感器示数波动小于 1 0 n m 2 提 出了一种新的机架柔度测试方法 利用 该方法得到研 制 的测试装 置 的机架 柔度值为 4 8 n m mN 熔融石英材料压痕试验结果验证 了测试装 置和机架柔度获取方法的可行性 3 对测试装置进行 了校准 利用校准后 的测 试装置对单晶硅片 1 0 0 晶面进行 了压痕试验 对应 于最大 压入载荷 4 9 6 0 mN 当压入载 荷卸载 至 1 8 mN 时观测到典型的 p o p o u t 现象 说明测试装 置对于材料结构的细微变化有较高的分析能力 根 据 O l iv e r P h a r r相关理论 计算得到单晶硅片 1 0 0 晶面在最大压入载荷为 4 9 6 0 mN时的硬度为 l 6 2 9 G P a 弹性模量为 1 8 1 6 3 G P a 4 测试装置可定量开展材料 的压痕试验 但 测试精度仍有进一步提升的空间 通过精选高精度 非接触式位移传感器 优选位移检测方案 搭建温 控和隔振系统 有望进一步提高测试装置的位移检 测精度和材料参数测试精度 参考文献 1 WI L L I AM G WI L L I AM M Na n o me ch a n ics A n e w p i ct u r e o f p l a s t ici t y J Na t u r e Ma t e ri a l s 2 0 0 5 4 5 7 7 5 7 8 2 R OB E R T F C P r o b in g t h e n ano s ca l e J S ci e n ce 2 0 1 0 3 2 8 1 8 3 1 8 4 3 Y AO Ha i min D AO Min g I MHO L T T e t a 1 P r o t e ct io n me ch a n i s ms o f t h e i r o n p l a t e d a l T l l o r o f a d e e p s e a h y d r o t h e r ma l v e n t g a s t r o p o d J P NAS 2 0 1 0 1 0 7 3 9 8 7 9 9 2 4 G O NG J in l o n g L I P OMI D J DE NG J ia n g d o n g e t a 1 Micr o an d n a n o p a t t e r n in g o f i n o r g an ic a n d p o l y me r ic s u b s t r a t e s b y in d e n t a t io n l i t h o g r a p h y J Na n o L e t t e r s 2 0 1 0 1 0 7 2 7 0 2 2 7 0 8 5 蒋庄德 王海容 微机械力学性能测试仪 J 河南机电 高等专科学校学报 2 0 0 6 1 4 1 1 4 J I ANG Z h u a n g d e WANG Ha ir o n g De v e l o p me n t o f a l l i n s t r u me n t f o r t e s t i n g the me ch anica l p r o p e r t ie s o f mi cr o co mp o n e n t s J J o u r n a l o f He ma n Me ch a n i ca l a n d E l e ct r ica l E n g i n e e rin g C o l l e g e 2 0 0 6 1 4 1 1 4 6 刘东旭 张泰华 郇勇 宏观深度测量压入仪器的研制 J 力学学报 2 0 0 7 3 9 3 3 5 0 3 5 5 LI U Do n g x u Z HANG T a ih u a HUAN Yo n g De v e l o p me n t o f ma cr o d e p th s e n s i n g in d e n t a t io n in s t r u me n t a t io n J C h i n e s e J o u r n a l o f T h e r o e t i ca l and Ap p l ie d Me ch a n i cs 2 0 0 7 3 9 3 3 5 0 3 5 5 7 H U AN G H u Z HA O Ho n g we i MI J ie e t a 1 A n o v e l a n d co mp a ct n a n o in d e n tat io n d e v ice f o r in s it u n a n o in d e n t a t io n t e s t s in s id e the s ca n n in g e l e ct r o n mi cr o s co p e J Al P A d v a n ce s 2 0 1 2 2 0 1 2 1 0 4 1 0 1 2 1 0 4 1 0 8 黎明 温诗铸 纳米压痕技术理论基础 J 机械工程学 报 2 0 0 3 3 9 3 1 4 2 1 4 5 LI Min g WEN S h i z h u T h e o r e t i ca l me tho d s o n n ano i n d e n t a t i o n J C h i n e s e J o u r n a l o f Me ch ani ca l E n g i n e e rin g 2 0 0 3 3 9 3 1 4 2 1 4 5 9 拓雷锋 闰志杰 严峻 等 Z r 5 5 A 1 1 0 C u 3 o Ni 5非晶合金 压痕塑性变形有 限元模拟 J 机械工程学报 2 0 1 0 4 6 2 0 8 0 8 5 T UO L e if e n g Y A N Z h i j ie Y A N J u n e t a 1 F i nit e e l e me n t s imu l mio n o n t h e v i ck e r s i n d e n t a t i o n d e f o r ma t io n o f Z r 5 5 Al l o C u 3 o Ni 5 a mo r p h o u s a l l o y J J o u r n a l o f Me ch ani ca l E n g i n e e rin g 2 0 1 0 4 6 2 0 8 0 8 5 1 0 石广丰 史国权 徐志伟 等 中阶梯光栅铝膜的大压 深纳米压痕试验 J 机械工程学报 2 0 1 2 4 8 2 0 3 9 4 4 S HI Gu a n g f e n g S HI Gu o q u a n XU Z h iwe i e t a 1 La r g e d e p th n an o in d e n t a t io n e x p e r ime n t o f e ch e l l e gra t i ng a l u min u m J J o u r n a l o f Me ch a n i ca l E n g i n e e r i n g 2 0 1 2 4 8 2 0 3 9 4 4 1 1 MI NO R A M S Y ED A S A S H A N Z h iw e i e t a 1 A n e w v ie w o f t h e o n s e t o f p l a s t icit y d u r in g t h e n a n o in d e n t a t io n o f a l um in u m J Na t u r e Ma t e ri a l s 2 0 0 6 5 6 9 7 7 0 2 1 2 K I E N ER D HOS E MA NN MAL O Y S e t a 1 I n s i t u n a n o co m p r e s s io n t e s t i n g o f ir r a d ia t e d C u J Na t u r e M a t e ri a l s 2 0 1 1 1 0 6 0 8 6 1 3 1 3 P R E VOS T T P J I N G u ang De MOY A M A e t a 1 Dy n a mi c me ch an i ca l r e s p o n s e o f b r a i n t is s u e i n i n d e n ta t i o n i n v i v o i n s i t u a n d i n v i tr o J A ct a Bio ma t e r ia l ia 2 01 1 7 4 0 9 0 41 0 1 1 4 B E R NI C K K B P RE VO S T T P S U RE S H S e t a 1 B io me ch a n ics o f s i n g l e co r t ica l n e u r o n s J Act a Bio ma t e r i a l i a 2 01 1 7 1 21 0 1 21 9 1 5 T RE NK L E J C P AC K AR D C E S C H UH C A H o t n a n o i nd e n ta t i o n i n i ne r t e n v i r o n me n t s J Re v ie w o f 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 3年 6月 黄虎等 压电驱动型微纳米压痕测试装置的设计与试验研究 7 S c ie n t ifi c I n s t r u me n t s 2 0 1 0 8 1 0 7 3 9 01 1 0 7 3 9 01 1 3 1 6 S C HU H C A MAS O N J K L U ND A C Qu a n t it a t i v e in s ig h t in t o d is l o c a t io n n u c l e a t io n f r o m h ig h t e mp e r a t u r e n a n o i n d e n t a t i o n e x p e ri me n t s J Na t u r e Ma t e ria l s 2 0 0 5 4 8 6 1 7 6 2 1 1 7 F I S C HE R C R I P P S A C Na n o i n d e n t a t i o n M N e w Yo r k S p ri n g e r Ve r l a g 2 0 0 4 1 8 DO E R NE RM F NI XW D Ame t h o df o r in t e r p r e t i n gt h e d a ta f r o m d e p th s e n s in g i n d e n t a t i o n i n s t r u me nts J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s R e s e a r c h 1 9 8 6 1 4 6 0 1 6 0 9 1 9 OL I VE R W C P H AR R G M An im p r o v e d t e c h n iq u e f o r d e t e r min in g h a r d n e s s a n d e l a s t ic mo d u l u s u s i n g l o a d and d i s p l a c e me n t s e n s in g i n d e n ta t io n me a s u r e me n t s J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s R e s e arc h 1 9 9 2 7 6 1 5 6 4 1 5 8 3 2 0 N UR OT P S U N Y o n g I mp r o v e d me tho d t o d e t e rm i n e the h ard n e s s a n d e l a s t ic mo d u l i u s i n g n a n o i n d e n t a t io n J K MI T L S c ie n c e J o u r n a l 2 0 0 5 5 2 4