纳米压痕划痕技术在表征薄膜涂层体系力学性能中的应用.ppt

纳米压痕 划痕技术在表征薄膜 涂层体系力学性能中的应用 主讲教师 黄勇力 实验目的 1 了解纳米压痕法测试材料力学性能的基本原理 2 学习用纳米压痕技术表征薄膜 涂层体系的应力应变关系的原理和过程 3 学习用纳米划痕 压痕技术表征薄膜 涂层体系的界面强度的原理和过程 结合纳米压痕实验与ABAQUS有限元分析 表征电沉积镍镀层材料的应力应变关系 用纳米划痕技术表征PZT压电薄膜的界面强度 用纳米压痕技术表征PZT压电薄膜的界面强度 实验内容 实验原理 1 纳米压痕法测试材料力学性能的基本原理2 纳米压痕技术表征薄膜 涂层体系的应力应变关系的原理3 纳米划痕技术表征薄膜 涂层体系的界面强度的原理4 纳米压痕技术表征薄膜 涂层体系的界面强度的原理 压痕示意图 通常情况下 压痕过程包括两个步骤 即所谓的加载过程与卸载过程 纳米压痕法测试材料力学性能的基本原理 Oliver Pharr方法 圆锥压头轴对称模拟 纳米压痕技术表征薄膜 涂层体系的应力应变关系的原理 ABAQUS建模 网格划分 四节点轴对称线性减缩积分单元 CAX4R 在压头附近采用密网格 远离压头逐渐使用稀疏网格 纳米压痕技术表征薄膜 涂层体系的应力应变关系的原理 材料应力应变关系遵循幂强化规律 输入的材料参数 电沉积镍镀层与低碳钢基底的力学性能参数 纳米压痕技术表征薄膜 涂层体系的应力应变关系的原理 压入过程数值模拟 纳米压痕技术表征薄膜 涂层体系的应力应变关系的原理 压入过程数值模拟的结果 模拟的电沉积镍镀层的载荷 位移曲线 与实验测得的载荷 位移曲线比较 修正输入参数值 直至模拟得到的载荷 位移曲线与实验测得的载荷 位移曲线重合 参数值即为薄膜真实的力学性能参数值 纳米压痕技术表征薄膜 涂层体系的应力应变关系的原理 纳米划痕技术表征薄膜 涂层体系的界面强度的原理 Kriese等人提出适于估算脆性膜 脆性基底之间界面强度的理论模型 实验用材料为PZT压电薄膜 几何和性能参数如下表 采用圆锥形金刚石压头 在连续增加的载荷下划入PZT薄膜 在最大载荷为100mN的范围内 金刚石压头横向划过的长度为700 m 纳米划痕技术表征薄膜 涂层体系的界面强度的原理 纳米压痕技术表征薄膜 涂层体系的界面强度的原理 Zheng将压电系数和介电系数通过本构方程转换成等效弹性系数 并运用复合梁理论分析 推导出界面裂纹扩展的能量释放率以及I型 II型应力强度因子的解析表达式 三维扫描图 纳米压痕技术表征薄膜 涂层体系的界面强度的原理 对比分析 实验设备及材料 1 设备 纳米压痕仪2 样品 电沉积镍镀层试样 PZT压电薄膜试样3 丙酮清洗剂 实验步骤与方法 1 纳米压痕实验原理讲解 2 ABAQUS软件模拟压痕过程讲解和演示 3 分组选择在镍镀层上压入不同的深度进行压痕实验和ABAQUS模拟 分析得到电沉积镍镀层的应力应变关系 4 在PZT薄膜上进行系列的压痕 划痕测试 根据给出的公式 分析得到PZT薄膜的界面强度 并对不同的测试模型进行比较 打开玻璃小窗 搁置样品 样品台 注意 样品前低后高 左低右高样品间隔大于传感器尺寸 传感器 2 开启电脑 打开仪器 3 打开软件 进行H Pattern和AirIndent校准 光学显微镜视场 力 时间曲线 H Pattern Mark 4 选择位置 设定载荷 时间参数 进行压痕实验 5 实验完毕 拷贝数据 关闭仪器 最后关闭电脑 纳米压痕测试的注意事项 进入实验室必须换鞋 在实验室保持安静 实验过程中不能碰触仪器 放置样品时遵循前低后高 左低右高的原则 样品间隔要大于传感器的尺寸 注意开关机顺序 实验过程中严格遵照软件提示操作 ABAQUS模拟压痕过程 a 建立几何模型b 输入参数c 划分网格d 提交文件进行计算e 用图形读出计算结果并进行后处理 实验报告要求 实验后每个人必须书写实验报告 报告内容包括 1 目的 内容和实