微构件力学特性的多尺度仿真及实验研究

摘要

微机电系统（MEMS）和纳机电系统（NEMS）是基于纳米科技发展起来的新兴前沿技术。在微米量级和纳米量级时，微构件的设计理论和传统机械设计理论有着本质的不同，材料的力学特性、缺陷、弹性模量、载荷特性和失效机理等都将发生质的变化。传统机械设计理论是在经典连续介质力学基础上建立起来，将不再适用于微构件的设计问题当中，必须从微观的角度去研究微构件的力学特性。因此，本文采用多尺度仿真方法，建立微构件的压痕和拉伸模型，进而研究微构件的强度、刚度和硬度等力学性能。
　　本文首先简要介绍了多尺度仿真方法的国内外发展状况，重点介绍了多尺度方法中准连续介质法的基本原理。其次，利用准连续介质法对单晶铜薄膜的纳米压痕进行模拟，研究了单晶铜在纳米压痕过程中的微观破坏过程和变形机制；分析比较了位错发射临界载荷的工件尺寸效应和压头尺寸效应；根据获得的不同压入深度时的载荷－压深曲线，预测薄膜材料的纳米硬度和弹性模量，硬度具有明显的尺寸效应，弹性模量无明显尺寸效应。同时，利用准连续介质法对单晶铜纳米杆拉伸过程进行了模拟，得到了拉伸过程的载荷－位移曲线，分析了理想纳米杆拉伸和带缺陷纳米杆拉伸过程的变形机制，并得出单晶铜纳米杆的屈服强度。屈服强度具有显著的尺寸效应，工件尺寸越小，屈服强度越大。带缺陷单晶铜纳米杆的屈服强度要小于理想纳米杆的屈服强度。
　　最后，使用纳米压痕仪对单晶铜薄膜进行纳米压痕实验，测量单晶铜薄膜的弹性模量和硬度，发现硬度具有明显的尺寸效应，弹性模量没有明显的尺寸效应，证实了本文建立的多尺度仿真模型的有效性。

目录

微构件力学特性的多尺度仿真及实验研究

RESEARCH ON MECHANICAL PROPERTIES OF MICROSTRUCTURE BY MULTISCALE SIMULATION AND EXPERIMENT

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 多尺度仿真方法的国内外研究发展状况

1.3 本课题研究内容

第2章 多尺度仿真方法的基本原理及软件实现

2.1 引言

2.2 多尺度准连续介质法的基本原理

2.3 多尺度仿真的程序实现

2.4 本章小结

第3章 单晶铜纳米压痕的多尺度仿真

3.1 引言

3.2 单晶铜纳米压痕初始塑性变形过程模拟

3.3 单晶铜纳米压痕的尺寸效应

3.4 单晶铜纳米硬度和弹性模量的预测

3.5 本章小结

第4章 单晶铜拉伸过程的多尺度仿真

4.1 引言

4.2 理想纳米杆拉伸的多尺度仿真

4.3 单晶铜带缺陷纳米杆拉伸的多尺度仿真

4.4 本章小结

第5章 纳米压痕的实验研究

5.1 引言

5.2 纳米压痕基本原理

5.3 实验方法

5.4 结果和讨论

5.5 本章小结

结论

参考文献

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致谢