薄膜厚度对其纳米压痕行为影响的有限元分析

摘要

本文依据纳米压痕实验原理，以纳米薄膜材料的力学性能为出发点，以其弹性模量和硬度为主要研究对象，借助有限元软件，深入研究了纳米薄膜材料的力学性能(弹性模量和硬度)与其厚度尺寸之间的关系。 简单介绍了纳米压痕技术的测试原理，并在此基础上对该种实验方法进行了分析和评价。借助这一原理，本文对薄膜的纳米压痕行为进行了有限元模拟。薄膜材料尺寸的特殊性要求必须对其进行无量纲转化，这一点至关重要。 通过模拟不同厚度薄膜的纳米压痕行为，以及对计算结果的分析，得到相关结论本文还对模拟过程中施加在薄膜上的载荷与压痕深度之间的关系进行了验证，得到与理论十分相符的结论；并对比分析了二维与三维模型对有限元模拟结果的影响。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1研究背景

1.2纳米薄膜材料概述

1.2.1纳米薄膜材料的定义及分类

1.2.2纳米薄膜材料的性能

1.3薄膜材料力学性能的研究现状

1.4本文主要内容

第2章纳米压痕技术测试原理及有限元实用程序

2.1纳米压痕技术概述

2.1.1纳米压痕系统及其特点

2.1.2纳米压痕技术理论基础

2.2纳米压痕技术测试原理

2.2.1弹性模量和硬度

2.2.2纳米压痕技术的局限性

2.3实用程序简介

2.3.1接触问题的分类

2.3.2接触问题的描述方法

2.3.3接触方式的分类

2.4本章小结

第3章二维模型的有限元模拟及分析

3.1有限元求解过程及模型的建立

3.1.1接触问题的求解过程

3.1.2有限元模型的建立

3.2强制位移加载方式的结果分析

3.2.1压头尖端曲率半径为零的情况

3.2.2压头尖端曲率半径r=100nm的情况

3.3本章小结

第4章三维模型的有限元模拟及分析

4.1强制位移加载方式的有限元模拟及分析

4.1.1压头尖端曲率半径r=10nm的情况

4.1.2圆锥形压头(r=100nm)

4.1.3三维Berkovich压头

4.2结果分析与讨论

4.2.1三维模拟结果的分析讨论

4.2.2二维与三维模拟结果的对比分析

4.3力的加载方式的结果分析

4.4本章小结

第5章能量法求解有限元问题的探讨

5.1有限元的局限性

5.2能量法及变分原理

5.2.1表面能

5.2.2薄膜的总势能

5.2.3欧拉方程

5.2.4高阶导数泛函的驻值

5.3能量法求解有限元问题的探讨

5.4本章小节

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢