基于纳米压痕技术与有限元法的粘弹性材料力学特性研究

摘要

粘弹性材料在微电子、纳米技术以及微机电系统领域具有广泛的应用前景，如利用粘弹性材料制作的微纳结构和微型器件。使得粘弹性材料的微观力学特性研究显的尤为重要。本文结合纳米压痕技术和有限元法，对粘弹性材料的力学特性以及接触形貌对压痕试验的影响机理进行了研究。利用有限元分析软件模拟粘弹性材料的纳米压痕实测过程，并分析了针尖曲率半径、表面粗糙度在压痕测量中的影响。
　　 首先，利用纳米硬度计在聚氯乙烯表面进行压痕实验，得到材料的弹性模量、硬度等力学量；利用有限元软件ANSYS并结合相关文献和实验数据进行仿真，再现了纳米压痕实验的过程，得到位移形变等效图、应力等效图、载荷-位移曲线以及硬度值；对实验数据和仿真数据进行了比对，数据的符合度较好，得出了利用有限元数值模拟技术研究粘弹性材料纳米压痕测量方法的可行性结论。
　　 其次，针对不同尖端曲率半径的圆锥形压头，建立四种带有不同尖端曲率半径R的压头和样品表面接触模型。采用2-D轴对称有限元模型模拟纳米压痕测量过程。结果显示，在粘弹性材料纳米压痕实验中，硬度测量值随压入深度的减小而增大，随尖端曲率半径的增加而增大，并且随着压入深度的减小，测量结果受压头尖端曲率半径的影响更加明显。
　　 最后，引入压头表征尺寸概念，针对表征尺寸与表面粗糙度参数在同一数量级以及表征尺寸远小于表面粗糙度参数这两种情况，分别建立3-D有限元模型。仿真结果表明，接触零点在峰顶时的硬度测量值会偏小，接触零点在谷底时的硬度测量值会偏大，并且硬度测量值的偏差随粗糙度间距和轮廓最大高度的增加而增大。