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二次纳米划痕对单晶锗表面形貌及亚表面缺陷的影响

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机械科学与技术 2023年

作者：张高赞杨晓京李宗睿李云龙崔杰昆明理工大学机电工程学院

为阐明在超精密研磨加工中由初始刮擦引起的亚表面损伤对后续加工的影响，采用分子动力学方法建立了二次划痕单晶锗的损伤模型，对二次纳米划痕单晶锗的表面形貌和亚表面损伤进行了研究，分析了第一次划痕深度不同时对于二次划痕过程中... 详细信息

为阐明在超精密研磨加工中由初始刮擦引起的亚表面损伤对后续加工的影响，采用分子动力学方法建立了二次划痕单晶锗的损伤模型，对二次纳米划痕单晶锗的表面形貌和亚表面损伤进行了研究，分析了第一次划痕深度不同时对于二次划痕过程中的最大损伤宽度、Von Mises应力、划痕力、温度和亚表面损伤厚度的影响，并通过二次纳米划痕实验适当验证了仿真分析的结论。仿真结果表明：随着第一次划痕深度的增加，单晶锗二次划痕的最大损伤宽度从13.9nm降到9.9nm，切向力从0.12μN降到0.09μN，亚表面损伤厚度从4.34nm降到2.68nm，法向力从0.11μN增加到0.18μN，Von Mises应力没有明显变化，温度有明显的降低；通过多次纳米划痕实验验证了分子动力学仿真结果，并发现单晶锗二次划痕的脆塑转变深度和临界载荷随第一次划痕载荷的增加而降低。为实现单晶锗低损伤研磨加工机制提供理论依据和技术支持。

关键词：超精密研磨分子动力学单晶锗亚表面损伤纳米划痕实验

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切削速度对单晶锗脆塑转变的影响

宇航材料工艺 2018年第4期48卷 80-84页

作者：杨晓京刘浩赵彪刘宁昆明理工大学机电工程学院昆明650500

采用纳米压痕仪对单晶锗(100)(110)(111)晶面进行了纳米划痕实验,分析不同划痕速度对单晶锗不同晶面脆塑转变临界状态变化规律的影响,采用原子力显微镜对样品表面进行扫描观测。结果表明:划痕速度增加,单晶锗产生塑性去除的区域增大;但... 详细信息

采用纳米压痕仪对单晶锗(100)(110)(111)晶面进行了纳米划痕实验,分析不同划痕速度对单晶锗不同晶面脆塑转变临界状态变化规律的影响,采用原子力显微镜对样品表面进行扫描观测。结果表明:划痕速度增加,单晶锗产生塑性去除的区域增大;但划痕速度过大,就会降低单晶锗产生塑性去除的区域。预测了在超精密切削加工中切削速度对单晶锗发生脆塑转变时的临界状态的影响规律,为实际超精密切削加工单晶锗零件提供数据支持。

关键词：单晶锗纳米划痕实验脆塑转变划痕速度临界状态

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单晶锗纳米尺度二次划痕特性

有色金属工程 2023年第11期13卷 32-40页

作者：张高赞杨晓京李宗睿李云龙崔杰昆明理工大学机电工程学院昆明650500

现有的单一划痕法磨削机理研究不能反映多个磨粒随机分布所引起的多次划痕之间的相互作用,为了阐明单晶锗磨削过程中多次划痕相互作用对材料去除机理的影响,采用Cube压头对单晶锗进行了不同刻划力的多次刻痕实验。结合Cube压头的几何形... 详细信息

现有的单一划痕法磨削机理研究不能反映多个磨粒随机分布所引起的多次划痕之间的相互作用,为了阐明单晶锗磨削过程中多次划痕相互作用对材料去除机理的影响,采用Cube压头对单晶锗进行了不同刻划力的多次刻痕实验。结合Cube压头的几何形状与刻划表面的弹性回复,建立了划痕硬度模型,并对二次刻划中的划痕深度、应力场、弹性回复率、划痕硬度和摩擦特性进行分析,研究第一次刻划时载荷变化对于后续刻划的影响。结果表明:随着第一次刻划载荷的增大,二次刻划时单晶锗的脆塑转变的临界载荷、临界深度、弹性回复率和划痕硬度均在减少,幂函数对于切向力、法向力与刻划深度的拟合准确度降低;最大主应力增加,导致裂纹不断扩展,最终造成材料发生脆性断裂。

关键词：单晶锗纳米划痕实验弹性回复划痕硬度磨削力学

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超精密切削单晶锗的裂纹萌生与扩展行为研究

超精密切削单晶锗的裂纹萌生与扩展行为研究

作者：马一鸣昆明理工大学

学位级别：硕士

单晶锗是极其重要的半导体材料,在红外、航空天测控、核探测等领域都有广泛而重要的应用。但其本身具有硬度高、易碎,及其容易产生裂纹或脆断等不利于加工的特点。因此对单晶锗材料在超精密切削加工时裂纹的产生及扩展规律进行深入研究... 详细信息

单晶锗是极其重要的半导体材料,在红外、航空天测控、核探测等领域都有广泛而重要的应用。但其本身具有硬度高、易碎,及其容易产生裂纹或脆断等不利于加工的特点。因此对单晶锗材料在超精密切削加工时裂纹的产生及扩展规律进行深入研究,进而抑制裂纹的产生及扩展行为,在提高表面质量和产品性能上具有重要的意义。论文选题来源于国家自然科学基金项目:“晶体锗红外光学硬脆材料微纳米尺度塑性切削力学机理研究（项目号:51765027）”。论文研究首先采用分子动力学仿真方法,模拟了不同切削深度、不同刀尖刃口半径和不同刀具前角下单晶锗的切削过程,提出突出变形区域,计算了该区域附近的应力变化,并分析了在切削过程中裂纹萌生的原因以及影响因素。另外同样采用分子动力学仿真方法,模拟了单晶锗材料预制裂纹在不同晶面、不同温度、不同预制裂纹长度以及同一晶面上的不同朝向受拉扩展的过程,计算了裂纹失稳开裂时的裂尖应力及裂纹扩展速度,分析了裂纹扩展的规律以及对裂纹扩展所产生影响的因素。结果表明,当切削深度达到一定时,出现突出变形区,且在该区域的原子间距变大,区域体积膨胀,与切削方向垂直的竖直方向上,应力状态表现为拉伸应力,在此作用之下,突出变形区附近的材料将产生微小裂纹,从而形成裂纹萌生区。在其他切削条件不变的情况下,适当增大刀尖刃口半径和刀具的负前角均有助于在切削过程中抑制突出变形区的产生、减小竖直方向拉应力的数值,从而抑制微裂纹的萌生。不同晶面和同晶面上的不同取向裂纹的扩展能力不同,（111）晶面上裂纹失稳扩展的裂尖应力更大,而裂纹在（110）晶面上扩展速度更快。随着温度的升高,裂纹开裂应力逐渐减小,裂纹扩展速度随之增大。预制裂纹长度的增长会降低裂纹的开裂应力,并提高裂纹的扩展速度。文章最后进行纳米压痕和纳米划痕实验,以及在扫描电子显微镜下观察材料压痕处与划痕处的表面微观形貌,通过改变加载载荷,分析了材料不同取向裂纹的产生及扩展情况;通过以刻划过程类比超精密切削过程的方法,分析了在刻划过程中,材料的脆塑转变过程以及不同刻划方向的裂纹产生和扩展情况。从实验层面表现了单晶锗材料明显的各向异性以及裂纹扩展的取向效应,并验证了仿真研究所得规律的正确性。以仿真和实验相结合的研究手段分析了单晶锗在超精密切削加工中裂纹的产生原因以及扩展行为。

关键词：单晶锗分子动力学裂纹扩展纳米压痕实验纳米划痕实验

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晶体锗超精密切削加工机理及损伤行为研究

晶体锗超精密切削加工机理及损伤行为研究

作者：余证昆明理工大学

学位级别：硕士

随着科学技术的不断发展,晶体锗在航空航天、军事装备、新能源等高科技领域应用日益广泛,这些领域的快速发展对材料的加工精度和表面质量提出了更高的要求。然而,晶体锗的高脆性、高硬度等性质使得其加工质量难以保证。而超精密切削技... 详细信息

随着科学技术的不断发展,晶体锗在航空航天、军事装备、新能源等高科技领域应用日益广泛,这些领域的快速发展对材料的加工精度和表面质量提出了更高的要求。然而,晶体锗的高脆性、高硬度等性质使得其加工质量难以保证。而超精密切削技术可以实现材料在纳米尺度下去除,并且能够使工件的加工精度和表面质量达到纳米量级,可以满足高新技术领域对晶体锗材料的加工需求。但是,当加工尺度达到纳米量级时材料去除会存在尺寸效应,导致基于连续介质力学的宏观切削理论不再适用于超精密切削,因此探究晶体锗的超精密切削机理成为重要的研究课题。目前,国内外学者普遍采用分子动力学方法开展超精密切削机理的相关研究,但研究对象大部分为无缺陷的单晶材料,对多晶材料研究相对较少,并且缺乏对材料因素和表面/亚表面损伤行为的研究。因此,针对上述存在的问题,本文使用分子动力学方法和纳米划痕实验研究了多种组织结构的晶体锗（单晶锗、多晶锗）的超精密切削加工机理和损伤行为,具体研究内容如下:首先,简述了分子动力学仿真理论和分析方法,并详细介绍晶体锗材料模型的构造方法;从内应力和势能角度分析了晶体锗内部结构特性,同时采用纳米压痕法研究了晶体锗力学性质。结果表明:多晶锗的应力和势能分布规律较单晶锗复杂;且力学性质受材料内部微结构的影响,与单晶锗相比具有显著差异。其次,采用分子动力学方法对单晶锗和多晶锗开展超精密切削仿真,对比分析材料去除及表面形成过程、缺陷分布及演变、切削力和应力与温度;同时探究了晶粒尺寸、晶界结构和表面非晶层厚度对晶体锗切削加工的影响。结果表明:单晶锗与多晶锗的切削加工机理存在较大差异,晶体微结构与表层材料缺陷对切削力、缺陷演变机制影响明显。然后,分别开展了不同切削深度、切削速度和刀具圆弧半径下的多晶锗切削仿真,详细分析了不同加工条件下工件材料亚表面缺陷分布及演变、表面粗糙度和应力分布。结果表明:增大切削深度和圆弧半径使亚表面缺陷数量和扩展深度增加,并使应力升高,表面粗糙度增大;而改变切削速度对亚表面缺陷数量影响较小,适当增大切削速度可以降低亚表面损伤深度,但会使表面粗糙度增加。最后,进行了多晶锗单划痕实验和单晶锗双划痕实验,分析了划痕形貌、划痕深度、刻划力和弹性回复率等,并建立双划痕应力场模型;同时开展相应的分子动力学仿真,根据实验结果定性的验证仿真工作。

关键词：晶体锗分子动力学仿真超精密切削机理损伤行为纳米划痕实验

过渡金属Cr、W与Al配对界面构造的机械特性研究

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过渡金属Cr、W与Al配对界面构造的机械特性研究

作者：尚帅华江苏大学

学位级别：硕士

随着社会经济、科学技术的发展与进步,人们对信息量的需求越来越大,信息的大容量存储和高速度传输问题迫在眉睫。这势必要求电子元器件及系统设备快速升级,即朝着轻、薄、短、小、低功耗、多功能、高可靠性方向发展,正如超大规模集成电... 详细信息

随着社会经济、科学技术的发展与进步,人们对信息量的需求越来越大,信息的大容量存储和高速度传输问题迫在眉睫。这势必要求电子元器件及系统设备快速升级,即朝着轻、薄、短、小、低功耗、多功能、高可靠性方向发展,正如超大规模集成电路的出现。这预示着更多的金属薄膜及多层膜材料应用于微电子元器件中。如Al-Cr薄膜材料用于a-Si TFT的双层电极及极紫外波段滤光片;W-Al材料用于薄膜体声波谐振器(FBAR)布拉格反射层,元件间连线,扩散障碍层等。由于膜-基体系微构造的机械特性是薄膜质量的首要指标和发挥其性能的基本条件,在很大程度上决定了薄膜及器件的可靠性和使用寿命。因此,研究双层金属薄膜界面构造机械特性是很有必要的。本文采用磁控溅射法制备了过渡金属Cr、W材料与Al配对的双层薄膜样品Al-Cr、W-Al和Al-W,研究内容分别如下:1.测试双层金属薄膜材料在微尺度下的机械性能。在样品Al-Cr和W-Al表面上选择合适的压痕位置,利用纳米压痕仪对多个点进行不同深度的测试,获得Al、W薄膜的弹性模量、硬度及随着压痕深度变化的关系曲线。2.建立有限元模型并仿真计算。利用ANSYS软件建立压头对样品加卸载接触过程的轴对称模型,并施加位移函数进行计算。得到样品Al-Cr和W-Al的载荷-位移曲线,与实验数据对比;对样品W-Al模型中应力应变的分布进行研究,得到其分布云图。3.施加热载荷。采用高低温综合试验箱对样品W-Al和Al-W施加热载荷,温度范围为-40-120℃,循环周期为120分钟,在最值温度处均保持恒温15分钟,共加载5个周期。4.测试样品的界面结合强度。采用纳米划痕仪分别测试经过热循环和未经过热循环的样品W-Al和Al-W的界面结合力,并对比分析,发现热循环载荷对界面结合强度有增强作用。通过对划擦痕迹的观测,进一步验证了划痕实验中界面结构破坏的一般过程。综上所述,本文采用了实验测试结合有限元仿真的方法分析了双层金属薄膜样品的机械力学特性,分析的结果可以有效的促进薄膜界面结构力学及物理机制方面的研究,同时也对微电子元件界面结构的优化设计、工程应用以及技术推广有一定的积极作用。

关键词：磁控溅射双层金属薄膜有限元仿真纳米压痕实验热循环加载纳米划痕实验