单晶硅与镍钛形状记忆合金的划痕损伤研究

摘要

目前，信息、生物、先进制造等高新技术领域的微型化趋势极大地促进了微机电系统的发展。然而，表面和尺寸效应导致微机电系统产生了严重的粘着、摩擦与磨损问题。单晶硅基于其优良的物理、机械性能，已经作为典型的结构材料被广泛地应用于微机电系统中。NiTi合金具有形状记忆和超弹特性，是研制微机电系统传感器和驱动器的理想材料。因此，对它们微观磨损性能的研究，一方面可以丰富相关的纳米摩擦学的基础知识，其结果也可为高可靠性和长寿命微机电系统的研制提供理论指导。 本论文采用纳米压/划痕仪和原子力显微镜，分别对单晶硅和具有形状记忆效应的镍钛(SME NiTi)合金进行了划痕损伤研究。一方面，观察了单晶硅划痕损伤随载荷变化的整个过程，对比了单晶硅(100)与单晶硅(111)划痕损伤的异同，并讨论了针尖曲率半径对单晶硅划痕损伤的影响。另一方面，观察了SME NiTi合金划痕损伤随划痕循环次数的变化过程，表征了升温到100℃后划痕损伤的恢复情况，讨论了界面摩擦力与犁沟摩擦力的变化与竞争关系，分析了NiTi合金往复划痕下的微观摩擦机理。本论文的主要结论如下： 1．随载荷的增大，单晶硅(100)的划痕损伤先后经历了凸结构形成、凸起与凹槽并存和材料去除三个阶段。在低载下进行划痕实验时，硬度与弹性模量较小的单晶硅(100)上形成的凸起较单晶硅(111)上形成的凸起显著；小曲率半径的针尖在单晶硅(100)上产生较大的凸结构。 2．单晶硅(100)的划痕损伤与其接触区的应力状态和环境气氛密切相关，表明其损伤初期凸结构的形成应当是摩擦化学与机械变形共同作用的结果。 3．随着划痕循环次数的增加，SME NiTi合金划痕损伤的深度逐渐增大并趋于稳定。SME NiTi合金在常温下进行划痕实验时，其变形主要通过孪晶界的移动方式进行。加热过程中，由于发生了马氏体向奥氏体的转变，SME NiTi合金划痕损伤得到一定的恢复。 4．随划痕循环次数的增加，SME NiTi合金划痕过程中的界面摩擦力逐渐增大并趋于稳定，而犁沟摩擦力和总摩擦力逐渐减小并趋于稳定。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪 论

1.1微机电系统概论

1.2微机电系统的摩擦磨损问题

1.3微机电系统的摩擦学研究现状

1.4微机电系统材料

1.4.1单晶硅的特点及应用

1.4.2 NiTi合金的特点及应用

1.5单晶硅和NiTi合金摩擦学研究

1.5.1单晶硅摩擦学研究现状

1.5.2 NiTi合金摩擦学研究现状

1.6研究意义及内容

1.6.1论文研究意义

1.6.2论文主要研究内容

第2章 试验材料和方法

2.1试验装置

2.1.1纳米压／划痕仪

2.1.2原子力显微镜

2.2材料选择与实验参数

2.2.1材料选择

2.2.2实验参数

2.3分析方法

2.3.1表面形貌分析

2.3.2理论分析方法

2.4原子力显微镜扫描精度的校正

第3章 单晶硅的划痕损伤研究

3.1实验材料与方法

3.1.1实验材料

3.1.2实验方法

3.2实验结果及讨论

3.2.1载荷对单晶硅划痕损伤的影响

3.2.2单晶硅(100)与单晶硅(111)的凸结构对比

3.2.3针尖曲率半径对单晶硅凸结构的影响

3.3单晶硅划痕损伤机理分析

3.4本章结论

第4章 SME NiTi合金的划痕损伤研究

4.1实验材料与方法

4.1.1实验材料

4.1.2实验方法

4.2实验结果及讨论

4.3 SME NiTi合金往复划痕下的微观摩擦机理研究

4.3.1界面摩擦力的计算

4.3.2犁沟摩擦力的计算

4.3.3界面摩擦力与犁沟摩擦力的变化与竞争

4.4本章结论

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文