恒定大载荷划痕试验下紫铜的三维形貌及划痕硬度分析

采用圆锥形压头对紫铜进行划痕试验,并通过三维表面形貌仪获取划痕的三维形貌,研究正压力的变化对划痕沟槽所产生的影响. 结果表明:正压力的增大,使得划痕宽度和深度均线性增加,当正压力较大时,位错墙的形成使划痕深度出现周期性的波动,同时压头划刻过程伴有划痕两侧和前端的材料堆积现象,前端堆积高度和厚度、两侧堆积高度和宽度随着正压力的增加而线性增大. 通过“切削与塑性比”说明了压头对紫铜的刻划存在微犁耕和微切削两种变形机制,并且微切削机制在划刻过程中占主导地位. 磨损率随着载荷增加而线性增大,但划痕硬度不随载荷的变化而改变,约为0.77 GPa.      

高载下单晶铜和单晶硅的径向纳动与损伤行为研究

采用纳米压痕仪研究了单晶铜和单晶硅径向纳动的运行特点和损伤过程.结果表明:径向纳动的残余压痕深度随循环次数增加急剧减小,而纳动循环中载荷-位移曲线在闭合前表现为1个迟滞环;试样在首次径向纳动循环中耗散的能量最大,其后逐渐减小并趋于稳定;材料的接触刚度和弹性模量在最初几次纳动循环中增加较快,随后变化趋于平缓;尽管2种材料的压痕投影面积均随纳动循环次数增加而增大,但由于损伤机制不同,使其径向纳动损伤显示出各自不同特点,其中单晶铜主要表现为压痕边缘的皱褶堆积,而单晶硅表现为塑性区边界裂纹的萌生与扩展.     

EFFECT OF TWO-DIMENSIONAL MICROPILLAR ARRAYED TOPOGRAPHY ON SPREADING OF INSOLUBLE SURFACTANT-LADEN DROPLET

针对二维微柱阵列壁面上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度演化模型,采用数值计算方法得到了液滴的铺展特征及相关参数的影响. 研究表明：活性剂液滴在微柱阵列壁面上铺展时,在壁面凸起处衍生出隆起结构,壁面凹槽处衍生出凹陷结构,随时间持续,隆起和凹陷均向两侧移动,且数量不断增加. 活性剂液膜流经凸起时,隆起高度呈驼峰形变化. 增大预置液膜厚度或活性剂初始浓度,铺展区域隆起和凹陷数量增多,液滴铺展速度加快. 增加凹槽深度或减小斜度会使毛细力作用增强,液膜破断可能性加大;增大凹槽宽度可加速活性剂液滴的铺展,加剧液膜表面波动幅度.     

微波烧结氮化硅基复合陶瓷刀具材料摩擦特性研究

采用微波烧结技术制备了一种氮化硅基复合陶瓷刀具材料,研究了其与三种不同属性的硬质材料(氮化硅、硬质合金和GCr15轴承钢)在不同载荷下对摩时的摩擦特性与磨损机理.研究结果表明:当与氮化硅对摩时,磨损率最大且磨损率随载荷增大急速升高,磨损主要以脆性剥落形式存在;当与硬质合金对摩时,摩擦系数最小,随载荷增加磨损机理由磨粒磨损转变为磨粒磨损与疲劳磨损共同作用.当与轴承钢对摩时,磨损率最小,因在摩擦过程中在磨痕表面形成金属黏着,其磨损率随载荷的增大而减小.与商业的氮化硅陶瓷刀具材料相比,微波烧结氮化硅陶瓷刀具材料摩擦系数略有降低,磨损率降低了14.17%～59.49%.     

用于ICF的三种典型光学玻璃的AFM纳米划痕行为研究

本文作者通过原子力显微镜,以球形金刚石针尖作为对摩副,在大气环境下对磷酸盐激光玻璃、K9光学玻璃、熔融石英玻璃三种用于ICF系统的典型光学玻璃的纳米划痕行为进行了定量研究.结果表明:随着载荷的增加,三种玻璃的摩擦系数均表现为先保持恒定再剧烈上升的变化趋势.这是由于随着载荷的增加,摩擦机理由界面摩擦主导逐步转变为犁沟摩擦和界面摩擦共同主导所致.在相同的法向载荷作用下,磷酸盐玻璃的摩擦系数最高,K9光学玻璃次之,熔融石英玻璃的摩擦系数最小,这与三种玻璃的机械性能以及它们的表面亲水性密切相关.在相同的载荷下,磷酸盐玻璃和K9玻璃的划痕损伤表现为材料凹陷和堆积并存,而熔融石英玻璃的划痕损伤仅表现为划痕区域明显的凹陷变形.在所有载荷下,熔融石英玻璃的划痕残余深度均略高于磷酸盐玻璃;K9玻璃在低载时的划痕深度在三种玻璃中最大,中载时居中,而高载时最小.不同载荷下玻璃表层的机械性能、塑性流动方式以及其致密化程度都将对最终的划痕残余深度产生影响.     

二维微柱阵列壁面对活性剂液滴铺展的影响

针对二维微柱阵列壁面上含不溶性活性剂液滴的铺展过程,采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度演化模型,采用数值计算方法得到了液滴的铺展特征及相关参数的影响. 研究表明:活性剂液滴在微柱阵列壁面上铺展时,在壁面凸起处衍生出隆起结构,壁面凹槽处衍生出凹陷结构,随时间持续,隆起和凹陷均向两侧移动,且数量不断增加. 活性剂液膜流经凸起时,隆起高度呈驼峰形变化. 增大预置液膜厚度或活性剂初始浓度,铺展区域隆起和凹陷数量增多,液滴铺展速度加快. 增加凹槽深度或减小斜度会使毛细力作用增强,液膜破断可能性加大;增大凹槽宽度可加速活性剂液滴的铺展,加剧液膜表面波动幅度.      

单晶硅高速磨削亚表层损伤机制的分子动力学仿真研究

运用分子动力学仿真模拟高速磨削下单颗金刚石磨粒切削单晶硅的过程,通过分析切屑、相变、位错运动并结合工件表面积的演变规律研究磨削速度对亚表层损伤和磨削表面完整性的影响.仿真结果显示:磨削速度的增大会加剧磨粒前端材料的堆积,超过200 m/s后增加不再明显.而加工区域的平均温度通过原子之间的挤压和摩擦会不断增大.在磨削温度、磨削力以及粘附效应的相互作用下,摩擦系数先增大后减小.晶格的变形、晶格重构和非晶相变导致切屑形成过程中的磨削力剧烈波动.研究结果表明:在加工脆性材料单晶硅过程中,随着磨削速度的升高亚表层损伤厚度先减小后增大.当磨削速度低于150 m/s时,随着磨削速度的升高,磨粒下方的原子晶格重新排列的时间缩短,非晶结构的产生减少,亚表层损伤厚度减小.当磨削速度超过150 m/s时,加工区域中的高温成为主导因素促进位错的成核、运动致使亚表层损伤厚度增大.     

利用维氏和玻氏压头表征半导体材料断裂韧性

压痕法是测量材料断裂韧性 ($K_{\rm IC})$ 的常用方法之一, 如何根据不同的材料、不同的压头选择适合的公式, 是当前面临的一大问题. 因此,在不同载荷下对单晶硅 (111) 和碳化硅 (4H-SiC, 0001面) 这两种半导体材料进行了维氏微米硬度和玻氏纳米压痕实验, 对实验产生的裂纹长度$c$进行了统计分析, 并采用13个压痕公式计算材料的$K_{\rm IC}$, 开展了微米划痕实验, 验证压痕法评估半导体材料$K_{\rm IC}$的适用性. 研究结果表明: 为了消除维氏压痕实验产生的$c$的固有离散性, 需要多次测量取平均值; 裂纹长度与压痕尺寸的比值随压痕载荷的增大而增大; 材料的裂纹类型与载荷相关且低载荷下表现为巴氏裂纹, 高载荷下表现为中位裂纹; 与微米划痕实验得到的单晶硅和碳化硅材料的$K_{\rm IC}$平均值 (分别为0.96 MPa,$\cdot$,$\sqrt{\rm m}$和2.89 MPa,$\cdot$,$\sqrt{\rm m}$) 相比, 在同一压头下无法从13个公式中获得同时适用于单晶硅和碳化硅材料的压痕公式,但在同一材料下可以获得同时适用于维氏和玻氏压头的$K_{\rm IC}$计算公式; 基于中位裂纹系统发展而来的压痕公式更适合用于评估半导体材料的$K_{\rm IC}$, 且维氏压头下的$K_{\rm IC}$与玻氏压头下$K_{\rm IC}$的关系不是理论上的1.073倍, 应为1.13$\pm 压痕法是测量材料断裂韧性(K_(IC))的常用方法之一,如何根据不同的材料、不同的压头选择适合的公式,是当前面临的一大问题.因此,在不同载荷下对单晶硅(111)和碳化硅(4H-Si C, 0001面)这两种半导体材料进行了维氏微米硬度和玻氏纳米压痕实验,对实验产生的裂纹长度c进行了统计分析,并采用13个压痕公式计算材料的K_(IC),开展了微米划痕实验,验证压痕法评估半导体材料K_(IC)的适用性.研究结果表明:为了消除维氏压痕实验产生的c的固有离散性,需要多次测量取平均值;裂纹长度与压痕尺寸的比值随压痕载荷的增大而增大;材料的裂纹类型与载荷相关且低载荷下表现为巴氏裂纹,高载荷下表现为中位裂纹;与微米划痕实验得到的单晶硅和碳化硅材料的K_(IC)平均值(分别为0.96 MPa·m~(1/2)和2.89 MPa·m~(1/2))相比,在同一压头下无法从13个公式中获得同时适用于单晶硅和碳化硅材料的压痕公式,但在同一材料下可以获得同时适用于维氏和玻氏压头的K_(IC)计算公式;基于中位裂纹系统发展而来的压痕公式更适合用于评估半导体材料的K_(IC),且维氏压头下的K_(IC)与玻氏压头下K_(IC)的关系不是理论上的1.073倍,应为1.13±0.01.     

相结构对氮化钛硼薄膜摩擦磨损性能的影响

采用直流非平衡磁控溅射系统在单晶硅片表面制备TiBxNy薄膜,采用X射线衍射仪和X射线光电子能谱议测定TiBxNy薄膜的相结构和成分,采用销-盘式摩擦磨损试验机研究TiBxNy薄膜的滑动干摩擦磨损性能,并采用光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪表征薄膜的磨痕表面结构及其化学特征.研究表明:TiBxNy薄膜的相结构与N含量有关,在TiB0.65薄膜中加入N能够促使纳米晶TiN的形成;薄膜的摩擦系数和磨损率与其相结构有关,随着薄膜中TiN的体积分数增加,摩擦系数增大,磨损率降低;当薄膜中N含量约为37at.%时,TiN的体积分数和摩擦系数最高,磨损率最低;增加N含量促使h-BN相形成,且h-BN相的体积分数随N含量的增加而增大,h-BN相的形成降低了摩擦系数,增加了磨损率;在摩擦过程中磨屑发生氧化而生成钛的氧化物TiO、Ti2O3、TiO2以及少量硼(B)的氧化物.     

含纳米粒子溶液对单晶硅表面的冲蚀磨损损伤实验研究

利用高分辨透射电子显微镜和原子力显微镜观察了含纳米颗粒溶液冲蚀硅片表面损伤行为,考察了纳米颗粒碰撞单晶硅片所导致的微观物理损伤.结果表明:冲蚀30 s后,在高分辨透射电子显微镜下可见硅片表面呈现方向性损伤,并可观察到大量非均匀的晶格缺陷;当冲蚀10 min时,硅片表面出现微观划痕和凹坑,在划痕一端可见原子堆积,亚表面可观察到镶嵌晶粒的非晶损伤层;继续延长冲蚀时间将加剧其表面损伤.     

基底纹理对镍/铜纳米双层膜刮擦行为影响的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟研究纳米尺度下的镍/铜双层膜的表面刮擦响应. 考虑基底铜膜材料的不同表面纹理,建立分子动力学模拟模型,分析了纳米双层膜不同基底纹理下的刮擦响应,并且对比了两种典型基底纹理下不同刮头半径、不同刮擦深度对纳米双层膜刮擦响应的影响. 研究结果发现:不同的基底纹理下,位错缺陷程度的不同会导致刮头前方的切屑体积不同,存在切屑体积最大的基底纹理;针对两种典型基底纹理,在刮擦深度或刮头半径一定时,刮擦力随刮头半径或刮擦深度的增加而增大;当刮擦深度或刮头半径超过临界值时,表面具有特定齿槽纹理的基底具有一定的减摩作用.      

利用球形压头研究聚碳酸酯的微米划痕性能

采用100Cr6球形压头系统研究了法向载荷、划痕速度和划痕次数对聚碳酸酯划痕性能的影响. 结果表明:在单次和第15次划痕中,法向载荷增加时,摩擦系数和压入深度增加;划痕速度增加时,摩擦系数先增加后减小,压入深度减小;法向载荷增加或划痕速度减小时,残余深度增加,弹性恢复率减小. 对于多程单向滑动磨损,随着划痕次数增加,划痕宽度线性增加,划痕硬度线性减小;摩擦系数、压入深度和残余深度均呈增加趋势,但增长的速率逐渐降低,一定次数后达到稳定;压入深度和残余深度达到稳定时的划痕次数随法向载荷的增加而减小. 第15次划痕中,随着法向载荷增加,划痕宽度增加,残余划痕硬度和几何划痕硬度变化趋势相反;划痕宽度随划痕速度的增加而减小,划痕硬度随划痕速度的增加而增加,最后均趋于稳定.      

微加工中原子力显微镜金刚石针尖的磨损研究

考察了用原子力显微镜对单晶硅进行微加工时金刚石针尖的磨损行为 ,对针尖的磨损率、磨损机理以及针尖磨损对微加工过程的影响进行了实验研究和理论分析 .结合对单晶硅所进行的摩擦磨损试验 ,应用计算模型得出针尖的磨损率为 1.7× 10 - 1 0 m m3/(N·m) ;通过对针尖磨损特征的原子力显微镜观察 ,结合金刚石针尖上应力集中的有限元计算及单位切削力计算 ,推测其磨损机制主要为化学磨损     

Mechanics of mixed-mode ductile material removal with a conical tool and the size dependence of the specific energy

The mechanics of material removal during a single-grit rotating scratch has been investigated both analytically and experimentally. The models for cutting, plowing and mixed modes of material removal are analyzed based on the pressure and the frictional resistance. The mixed-mode model takes into account the contribution of built-up edge (BUE) ahead of the tool. To validate the model, single-grit rotating scratch experiments were conducted with a conical diamond tool on pure titanium. It was noticed that the adhesion between the tool and the deformed material, and the hardening properties of material play active roles in the scratching process and provide a driving force to the formation of the BUE. The overall frictional coefficient was found to oscillate strongly on both ends of the scratch but increases steadily over the central span of the scratch length. It is shown that the mixed-mode model captures the salient features of material removal and the size dependence of specific energy during the formation of a rotating scratch. The size dependence of specific energy may be attributed to the size effect of the yield pressure in titanium.     

石墨烯在金刚石基体表面的纳米摩擦学行为研究

采用热化学气相沉积法(Thermal Chemical Vapor Deposition,TCVD)和机械剥离法分别制备了单层和少层石墨烯并转移至MPCVD制备的多晶金刚石基体表面,利用原子力显微镜研究了大气环境下石墨烯在金刚石基体上的纳米摩擦和磨损性能. 研究结果表明:单层和少层石墨烯在金刚石基体上具有良好的减摩作用,摩擦系数分别为0.03和0.014. 然而,由于石墨烯和金刚石表面之间的物理吸附作用较弱,其摩擦力会略高于SiO₂/Si基体表面石墨烯的摩擦力. 随扫描速度升高,金刚石表面的单层与少层石墨烯的摩擦力的变化可以分为自然对数正比上升,基本保持不变以及黏性阻尼增加三个阶段. 在磨损试验中,TCVD法制备和转移石墨烯的过程中产生的缺陷和污染物降低了单层石墨烯的耐磨性能,而机械剥离的少层石墨烯因为无缺陷的石墨烯晶体结构在金刚石基体上展现了优异的耐磨特性. 本研究可为以金刚石为基体的石墨烯固体润滑剂使用提供理论基础.      

Influence of Surface Scratches on the Flexure Strength of Soda-Lime Silicate and Borosilicate Glass

Borosilicate (BS) and soda-lime silicate (SLS) glasses are being considered for use as the strike-face in transparent armor systems. This effort examined the effect of surface scratches generated with 1, 5, 10, and 30 N scratching loads on the equibiaxial flexure strength of both glasses including versions of each that had been thermally-tempered. At lower scratch loads there is more lateral cracking associated with the scratches in the BS while the scratches in the SLS predominantly exhibit plastic deformation. At the highest scratch load the damage is dominated by chips and lateral cracking within and along the scratch length. The tempered versions of the SLS appear to have less lateral cracking than the tempered version of the BS glass. In all instances the flexure strength decreases significantly when a 1 N scratch is introduced on the tin surface but when the scratch load increases any additional strength loss is minimal.     

等离子体沉积碳氟聚合物薄膜的纳米摩擦性能研究

利用原子力显微镜研究了感应等离子体刻蚀加工过程中单晶硅表面形成的不同厚度的碳氟聚合物薄膜的纳米摩擦特性，并针对几种不同的摩擦模式探讨了原子力显微镜探针在不同厚度的碳氟聚合物薄膜表面的摩擦行为．结果表明，同硅基体相比，聚合物薄膜的摩擦力信号明显较弱，薄膜的纳米摩擦特性同其厚度密切相关；碳氟聚合物薄膜在同Si3N4针尖接触过程中可向针尖表面转移，从而对针尖起修饰作用，以减轻微观摩擦磨损．     

纳尺度下类金刚石(DLC)薄膜摩擦性能研究

类金刚石薄膜(DLC)作为保护涂层在磁存储系统和微/纳米机电系统(M/NEMS)等方面的应用十分广泛,但其在实际应用中存在着摩擦副的设计问题,本文中采用物理气相沉积(PVD)技术以金属Cr作为过渡层在硅基底上制备类金刚石薄膜,利用原子力显微镜,对类金刚石薄膜的表面特性进行表征,并研究针尖的力学性能对类金刚石薄膜摩擦学性能的影响.结果表明纳尺度下硅针尖和氮化硅针尖测得的摩擦力与法向载荷之间均呈线性关系,这说明针尖材料对类金刚石薄膜的摩擦性能没有影响.Si针尖的SEM图像表明:高载荷下,Si/DLC摩擦副的摩擦系数增加是由于Si针尖的磨损;而类金刚石薄膜的AFM图像表明:Si3N4/DLC摩擦副的摩擦系数增加是由于类金刚石薄膜表面的粗糙峰在高载条件下发生了塑性变形,DMT理论计算验证了我们的实验结果.因此,本研究对于类金刚石薄膜在实际应用中摩擦副的设计具有指导意义.     

The effect of crack wake characteristics on fatigue crack closure: Part I—a crack wake removal study

In this first paper of a two-paper series the effect of successive crack wake removal on the closure load level and the load-CMOD behavior is studied using the Rigid-Insert Crack Closure Model (RICC). This study indicates that under the conditions that closure starts at the crack tip (e.g., a uniform K-increasing crack wake) a gradual crack wake removal up to distances very close to the tip, does not have any effect on the closure load level, while the load-CMOD behavior may change significantly. However, a continuous decrease may occur in the contact load level as a result of a gradual removal of a K-decreasing crack wake. The predicted behaviors are experimentally verified for two different alloys.