纳米压痕测试技术在复合材料中的应用研究

纳米压痕技术广泛应用于微纳米尺度材料原位力学性能的测试,介绍了近些年来纳米压痕技术在复合材料各组分、界面性能、残余应力等表征方面的应用,在此基础上提出了纳米压痕技术在复合材料应用中存在的问题,并结合今后研究方向展望了其发展趋势和应用前景。     

纳米压痕技术在工程材料研究中的应用

纳米压痕技术具有高灵敏度、操作简单等优点,可以在微纳尺度上获得块体材料、薄膜以及涂层等的多种力学性能参数。尤其随着材料基因组技术的推广,其将成为应用越来越广泛的力学性能表征方法。本研究介绍了纳米压痕技术的Oliver-Pharr方法原理,以及其在载荷-位移、硬度、弹性模量、断裂韧度、蠕变性能、残余应力、纤维界面性能表征方面的应用。在使用过程中仍存在一些问题需要注意和进一步研究:纳米压痕技术获得的力学性能参量需要考虑其测试模型的适用性;材料表面加工过程需要很高的技术及一致性,以最大减小甚至消除材料表面状态及物理特征对测试结果准确性和重复性的影响;由于测试位置较难精确定位,标准压头外形尺寸存在偏差以及设备本身的热漂移,纳米压痕测试重复性差。     

纳米压痕技术在材料力学测试中的应用

近年来,材料纳米级力学测试日益引起广大研究者的重视。纳米压痕仪凭借极高的载荷和位移分辨率,广泛应用于材料表面的微纳米级力学性能的测试,包括硬度、弹性模量、塑性应变、薄膜界面结合强度以及材料疲劳特性等。综述了几种纳米压痕和纳米冲击技术测试材料力学性能的方法和原理,介绍了纳米压痕技术在材料力学性能测试方面的若干先进应用实例及其测试机理,以及原子力显微镜和扫描探针显微镜在力学测试方面的原理和应用。最后,提出了纳米压痕仪存在的若干问题,并对纳米压痕技术的发展进行了展望,认为纳米压痕技术结合有限元模拟建立材料疲劳断裂模型,是纳米压痕在力学测试方面发展的必然趋势。     

基于分子动力学模拟的纳米压痕技术研究进展

纳米压痕技术是一门在微观尺度上测量材料力学性能的新兴技术,分子动力学模拟则可对抛光、超声振动、激光加工等工艺过程进行仿真,在研究加工过程中材料受微观粒子挤压、划擦及冲击等而变化的力学性能机理方面具有显著优势,故总结了分子动力学模拟和纳米压痕技术的基本原理,对采用分子动力学模拟研究纳米压痕技术的现状进行了综述。两种先进技术的有机结合,将极大地促进材料在微观尺度下的研究进程。     

用纳米压痕法表征钨纳米晶须的力学性能

通过化学气相沉积方法合成截面为六边形的单晶钨纳米晶须,利用纳米压痕仪和原子力显微镜对硅基底上的钨纳米晶须的力学性能进行表征。纳米压痕测试结果表明,钨纳米晶须的硬度为(6.2±1.7) GPa,弹性模量为(225±20) GPa。对比研究结果表明,钨纳米晶须的硬度与钨微米晶须的硬度相当,但比块体钨单晶高35%。这种硬度的增高是由于具有完好晶体结构的钨晶须在压痕测试中不会出现块体钨单晶中的位错崩。钨纳米晶须的弹性模量相当于钨微米晶须的80%,主要是由于纳米晶须的尺寸效应和测量过程中的基底效应所致。     

基体对氮化钛膜的微力学和摩擦性能的影响

采用等离子电弧沉积法分别在GT35和40CrNiMo钢上沉积厚约为0．5μm的TiN膜。为了检测成膜质量，在较宽的载荷范围内分别使用显微硬度、纳米压痕和纳米划痕技术表征钢基材和TiN／基材的微力学和摩擦性能。同TiN／40CrNiMo相比，TiN／GT35的硬度高和固体润滑效果显著，GT35是较为理想的基体材料。对这种亚微米厚的膜，纳米压痕技术和纳米划痕技术能提供丰富的近表面的弹塑性变形、断裂和摩擦等的信息。     

热浸铝钢等离子体电解氧化陶瓷层的微观力学特性

采用纳米压入方法表征了热浸镀铝钢表面由Al2O3层、Al层和FeAl层组成的复合涂层的纳米硬度、弹性模量及断裂韧性等微观力学性能,采用扫描电镜(SEM)观察了纳米压痕形貌,并分析了孔洞对陶瓷层的纳米压入行为和压痕裂纹扩展的影响.结果表明:等离子体电解氧化(PEO)陶瓷层中包含许多微米和亚微米尺度的细小孔洞,陶瓷层弹性模量约为226.4 Gpa,纳米硬度约为19.6 Gpa.当纳米压入深度为250 nm时,所测得陶瓷层的力学参数分散性较大.与FeAl层比较,PEO陶瓷层具有较高的裂纹扩展阻力. FeAl层纳米压痕顶端产生了沿直线扩展的径向裂纹;而陶瓷层纳米压痕中除径向裂纹外出现了侧边裂纹.     

纳米压痕有缺陷单晶硅的分子动力学分析

为了研究单晶硅中纳米裂纹对加工过程的影响,建立了单晶硅纳米压痕的分子动力学模型。在该研究中,分析了不同压痕速度对单晶硅中纳米裂纹演化的影响。对纳米压痕工艺、温度变化、势能变化、加载力、裂纹扩展、配位数等进行了深入的研究。研究结果表明,工件中的纳米裂纹在加载过程中有愈合的趋势;压头加载速度越大,工件纳米压痕区温度越高,势能越大,但加载速度对载荷变化趋势的影响不大;另外,纳米裂纹会使工件中Bct5-Si与Si-II的量显著下降。该研究为包含缺陷的单晶硅半导体的实际加工提供了理论指导。     

纳米压痕技术及其在薄膜/涂层体系中的应用

综述了纳米压痕技术的发展历程及其在薄膜领域的应用。介绍了当前实验室条件下主要采用的电磁驱动式纳米压痕仪的构造和工作过程。为了保证测试结果的准确性,要在合适的温度、湿度下进行压入实验,借助保载来消除一些可以避免的误差。阐述了压头的分类和选择原则,玻氏压头相比于维氏压头具有更小的中心线与棱面夹角,避免了尖端横刃对于压入结果准确性的影响,因此最常用的压头为玻氏压头;表征断裂韧性最合适的压头为立方角压头;表征微机电系统的弯曲采用楔形压头。总结了通过最大载荷和压入面积得到涂层力学参量的分析流程。归纳了将纳米压痕法应用于表征薄膜涂层的硬度和弹性模量、室温下蠕变性能、断裂韧性、残余应力、塑性性能等力学量的研究,如表征硬度和弹性模量的Oliver-Pharr法的应用,识别蠕变柔量的Lee-Radok模型的应用,分析断裂韧性的Lawn-Evans-Marshall模型的应用。在涂层制备过程中,制备参数的改变可以使得涂层具有不同的力学性能,涂层厚度远小于表面尺寸,硬度和弹性模量仍然存在各向异性,非晶态结构涂层具有更高的硬度和弹性模量。采用碳纳米管强化可以提高涂层的断裂韧性,涂层内存在适量的残余应力数值和合...     

TA15钛合金中纳米压痕附近残余应力-应变场及几何必须位错密度的分布

结合纳米压痕及高分辨电子背散射衍射技术(EBSD)测定了TA15钛合金中α及β相的弹性模量和纳米硬度,揭示了纳米压痕附近应力-应变场及几何必须位错(GND)密度的非均匀分布情况.利用高分辨EBSD测试过程中同步保存的背散射电子衍射花样,并基于cross-correlation的处理方法,计算得出了纳米压痕附近区域的残余弹性应力-应变场分布.结合应变梯度场理论,计算分析了纳米压痕附近区域的几何必须位错密度分布,进而对合金的微观塑性变形机制进行了讨论与分析.结果表明,α相的弹性模量及纳米硬度分别为129.05 GPa和6.44GPa,而β相的相应值为109.80 GPa和4.29 GPa.纳米压痕附近区域的残余Mises应力呈现明显的非均匀分布并受到相邻较软β相的显著影响.压痕附近的低残余应力区域伴随有显著较高的<α>形和柱面型几何必须位错密度分布.