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

1、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，表征电沉积臻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。实验原理i.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

2、/涂层体系的界面强度的原理r>纳米压痕技术表征薄牍/涂层体系的应力应变关系的尿理IndenterCoatingSubstratelOOuni压头.薄膜与基底几何形状组合图102ABAQUS建模轴对称模拟纳米压痕技术表征薄牍/涂层体系的应力应变关系的尿理网格划分=二二-7节点轴对称线性减缩积分tTTTif; 1atoc+4i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Substratetil亠 u u-卜卜 I4-H-llllll-l I I I I I I III III IrmrrLL Z I I 个- -4|II 4-|-lI4rttELt s壬Ipffrr-亠

3、亠厶亠-4 +; 厶 一二一二一 一二一 一一一丄T. 一 一 一"T- FFR TTI.Mm rr tf4ILrrrr r r-r网格划分示意图纳米压痕技术表征薄牍/涂层体系的应力应变关系的尿理输入的材料参数材料应力应变关系遵循皐强化规律:Es o- = R£n电沉积镖镀层与低碳钢基底的力学性能参数材料杨氏模量(GPa)泊松比屈服强度(MPa)应变硬化指数电沉积鎳镀层502500.310020000105低碳钢基底2100.275000.1纳米压痕技术表征薄牍/涂层体系的应力应变关系的尿理压入过程数值模拟349e03801e04.703e-03.238e-03.377e-

4、02.830e-02.28ie-02.735e-02.lSSe-02.6412-02.094e02.547e02.000e02Step： Step丄 Frame: 0hua.ncfl :三i0 丄 000 三i odbABAQUS/STANDARD Vere：ion 召6丄Wed Apr 23 19:35:57 GMStep-Inc-r era ent0.0000: Step Time =Primary Vai: Ur U2Deformed Vc.r: U Defornta.Scle Factor: +1.000e + 00纳米压痕技术表征薄牍/涂层体系的应力应变关系的尿理压入过程数值模拟的结

5、果模拟的电沉积镖镀层的载荷-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 米划 痕技术表征薄牍/涂层体系的界面强度的尿理Kriese等人提出适于估算脆性膜/脆裡基底之间界面强度的理论模型:2EfEfGb；（i；）+（+严中严）_（“為一孕（I".仝力2Gt实验用材料为PZT压电薄膜，几何和性能参数如下表:h(nm)Ef(GPa)Gf(GPa)6 (MPa)350120.950.3046.5224.99纳 米划 痕技术表征薄牍/涂层体系的界面强度的尿理Fncfloncoernaem

6、 50012010080卩0=Pj/Pnjuu pN,max (mN)N,crit(mN)Vi(jmP)am)Bo m)TH *4A(i (pi?)a(°)G(J/m2)40030060吟爭！纳米压痕技术表征薄膜/涂层体系的界面强度的尿理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:吟爭！纳米压痕技术表征薄膜/涂层体系的界面强度的尿理吟爭！纳米压痕技术表征薄膜/涂层体系的界面强度的尿理Ph % cos co+ 2屈Mh % sin q丄Ph% sin + 2y3MhV2Lg

7、= q+s16cosh2 718COS纳米压痕技术表征薄牍/涂层体系的界面强度的尿理纳米压痕技术表征薄牍/涂层体系的界面强度的尿理对比分析样品厚度(nm)最大载荷(mN)2Interfacial fracture area (pm )匚径能量释放率(J/m2)1. 设备：纳米压痕仪2. 样品：电沉积镖镀层试样、PZT压电薄膜试样3. 丙酮清洗剂卖脸步骤与方出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. 分组选择在辣镀层上压入不同的深度进行压痕实验和ABAQUS模拟，分析得到电沉积镖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，

8、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。注意：样品前低后高、左低右高样品间隔大于传感器尺寸扫描器 控制器传感器 控制器YV7 控制器光纤灯防震器3光镜控制器打开软件,进行HPattern和Air Indent校准oCurve Fit Plotc:Program FilcsTriboScanDataair.hy$刍 EDIT §Eh *tup AncIcB tklpESF vs. Displacement1-1- Jd 、 ；* .z - . w T: ' : ； ' i-. /. 世:：r .1 fI b V / d #. z $ r-：»

9、; 、 :4 D-i591100015002000DisplaNo85Cursor Position 3 290r_;DisplacementOffsetUnloading7/ start 劭 spcofcations of Tribo.THboSec *1Force (|1N)|。和Displacement (nm) | 2097*11Displacemenl (|im)(4)选择位置，设定载荷、时间参数，进行压痕实验。5-5-5 trapozoid.ldf98H5-9500900085008000750070006500H0U0(!) Peo-J3500300025002000150010

10、005000-12Segment #/保载6tTime (secoN=l)3495-3250300027502500225020001750150012501000750500250-6-r0160I Linear Segment Time (dhconds)Begin Force (jiN) :ofoo# toEnd Force (pN)# of Data Pointe ：10?420406080100120Displacement (iun)140(5)实验完毕，拷贝数据，关闭仪器，最后关闭电脑。54扫扌田器 控制器传感器 控制器XYZ 控制器光纤灯防震器光镜控制器纳耒压痕测试的注总事项1 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。2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。3. 注意开关机顺序。4 实验过程中严格遵照软件提示操作。ABAQU S楼拟压痕过程a.建立几何模型