納米壓痕劃痕技術(shù)在表征薄膜涂層體系力學(xué)性能中應(yīng)用課件

納米壓痕/劃痕技術(shù)在表征薄膜/涂層體系力學(xué)性能中的應(yīng)用

主講教師：黃勇力納米壓痕/劃痕技術(shù)在表征薄膜/涂層體系力學(xué)性能中的應(yīng)用主講實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解納米壓痕法測試材料力學(xué)性能的基本原理。2．學(xué)習(xí)用納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理和過程。3．學(xué)習(xí)用納米劃痕/壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的界面強(qiáng)度的原理和過程。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解納米壓痕法測試材料力學(xué)性能的基本原理。結(jié)合納米壓痕實(shí)驗(yàn)與ABAQUS有限元分析，表征電沉積鎳鍍層材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；用納米劃痕技術(shù)表征PZT壓電薄膜的界面強(qiáng)度；用納米壓痕技術(shù)表征PZT壓電薄膜的界面強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)合納米壓痕實(shí)驗(yàn)與ABAQUS有限元分析，表征電沉積鎳鍍層材實(shí)驗(yàn)原理1．納米壓痕法測試材料力學(xué)性能的基本原理2．納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理3.納米劃痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的界面強(qiáng)度的原理4.納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的界面強(qiáng)度的原理實(shí)驗(yàn)原理1．納米壓痕法測試材料力學(xué)性能的基本原理壓痕示意圖通常情況下，壓痕過程包括兩個(gè)步驟，即所謂的加載過程與卸載過程。納米壓痕法測試材料力學(xué)性能的基本原理

PUnloadingLoading載荷-位移曲線h硬度:

楊氏模量:

Oliver-Pharr方法：壓痕示意圖通常情況下，壓痕過程包括兩個(gè)步驟，即所謂的2um100um100um70.3°IndenterCoatingSubstrate123壓頭、薄膜與基底幾何形狀組合圖圓錐壓頭軸對稱模擬納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理ABAQUS建模2um100um100um70.3°IndenterCoaSubstrateCoating網(wǎng)格劃分示意圖網(wǎng)格劃分四節(jié)點(diǎn)軸對稱線性減縮積分單元(CAX4R)在壓頭附近采用密網(wǎng)格，遠(yuǎn)離壓頭逐漸使用稀疏網(wǎng)格納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理SubstrateCoating網(wǎng)格劃分示意圖網(wǎng)格劃分四節(jié)點(diǎn)材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系遵循冪強(qiáng)化規(guī)律：輸入的材料參數(shù)電沉積鎳鍍層與低碳鋼基底的力學(xué)性能參數(shù)材料楊氏模量(GPa)泊松比屈服強(qiáng)度(MPa)應(yīng)變硬化指數(shù)電沉積鎳鍍層50~2500.3100~20000.1~0.5低碳鋼基底2100.275000.1納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系遵循冪強(qiáng)化規(guī)律：輸入的電沉積鎳鍍層與低碳鋼壓入過程數(shù)值模擬納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理壓入過程數(shù)值模擬納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)壓入過程數(shù)值模擬的結(jié)果模擬的電沉積鎳鍍層的載荷-位移曲線與實(shí)驗(yàn)測得的載荷-位移曲線比較，修正輸入?yún)?shù)值，直至模擬得到的載荷-位移曲線與實(shí)驗(yàn)測得的載荷-位移曲線重合，參數(shù)值即為薄膜真實(shí)的力學(xué)性能參數(shù)值。納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理壓入過程數(shù)值模擬的結(jié)果模擬的電沉積鎳鍍層的載荷-位移曲線納米劃痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

界面強(qiáng)度的原理Kriese等人提出適于估算脆性膜/脆性基底之間界面強(qiáng)度的理論模型：實(shí)驗(yàn)用材料為PZT壓電薄膜

，幾何和性能參數(shù)如下表：h(nm)(GPa)(GPa)(MPa)350120.950.3046.5224.99納米劃痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

界面強(qiáng)度的原理Kriese采用圓錐形金剛石壓頭，在連續(xù)增加的載荷下劃入PZT薄膜。在最大載荷為100mN的范圍內(nèi)，金剛石壓頭橫向劃過的長度為700μm。納米劃痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

界面強(qiáng)度的原理（a）（b）(c)(d)劃痕過程中(a)劃痕距離-摩擦系數(shù)曲線(b)劃痕距離-載荷曲線.劃痕距離-劃痕深度曲線(c)試件A;(d)試件B.掃描電鏡記錄的PZT薄膜的剝落：(a)劃痕的全貌；(b)劃痕A的端部；(c)劃痕B的端部.(a)(b)(c)μ0=PT/PNPN,max(mN)PN,crit(mN)VI(μm3)a(μm)B0(μm)Ad(μm2)α(o)G(J/m2)采用圓錐形金剛石壓頭，在連續(xù)增加的載荷下劃入P納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

界面強(qiáng)度的原理Zheng將壓電系數(shù)和介電系數(shù)通過本構(gòu)方程轉(zhuǎn)換成等效彈性系數(shù)，并運(yùn)用復(fù)合梁理論分析、推導(dǎo)出界面裂紋擴(kuò)展的能量釋放率以及I型、II型應(yīng)力強(qiáng)度因子的解析表達(dá)式：納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

界面強(qiáng)度的原理PZT薄膜試件的壓痕載荷-深度曲線三維掃描圖納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

界面強(qiáng)度的原理樣品厚度(nm)最大載荷(mN)殘余印痕半徑(nm)斷裂區(qū)域面積(m2)剝離區(qū)域半徑(nm)能量釋放率(J/m2)

對比分析PZT薄膜試件的壓痕載荷-深度曲線三維掃描圖納米壓痕技術(shù)表征實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1．設(shè)備：納米壓痕儀2．樣品：電沉積鎳鍍層試樣、PZT壓電薄膜試樣3．丙酮清洗劑實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1．設(shè)備：納米壓痕儀實(shí)驗(yàn)步驟與方法1．納米壓痕實(shí)驗(yàn)原理講解；2．ABAQUS軟件模擬壓痕過程講解和演示；3．分組選擇在鎳鍍層上壓入不同的深度進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)和ABAQUS模擬，分析得到電沉積鎳鍍層的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；4.在PZT薄膜上進(jìn)行系列的壓痕/劃痕測試，根據(jù)給出的公式，分析得到PZT薄膜的界面強(qiáng)度，并對不同的測試模型進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)步驟與方法1．納米壓痕實(shí)驗(yàn)原理講解；⑴打開玻璃小窗，擱置樣品樣品臺注意：樣品前低后高、左低右高樣品間隔大于傳感器尺寸傳感器⑴打開玻璃小窗，擱置樣品樣品臺注意：傳感器(2)開啟電腦，打開儀器。防震器1光纖燈2光鏡控制器3XYZ控制器4傳感器控制器5掃描器控制器6(2)開啟電腦，打開儀器。防震器1光纖燈2光鏡3XYZ4傳(3)打開軟件，進(jìn)行H-Pattern和AirIndent校準(zhǔn)。光學(xué)顯微鏡視場力-時(shí)間曲線H-PatternMarkAirIndent(3)打開軟件，進(jìn)行H-Pattern和AirInden(4)選擇位置，設(shè)定載荷、時(shí)間參數(shù)，進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)。加載保載卸載時(shí)間最大載荷4000uN(4)選擇位置，設(shè)定載荷、時(shí)間參數(shù)，進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)。加載保載(5)實(shí)驗(yàn)完畢，拷貝數(shù)據(jù)，關(guān)閉儀器，最后關(guān)閉電腦。防震器6光纖燈5光鏡控制器4XYZ控制器3傳感器控制器2掃描器控制器1(5)實(shí)驗(yàn)完畢，拷貝數(shù)據(jù)，關(guān)閉儀器，最后關(guān)閉電腦。防震器6光納米壓痕測試的注意事項(xiàng)

進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室必須換鞋，在實(shí)驗(yàn)室保持安靜，實(shí)驗(yàn)過程中不能碰觸儀器。放置樣品時(shí)遵循前低后高、左低右高的原則，樣品間隔要大于傳感器的尺寸。注意開關(guān)機(jī)順序。實(shí)驗(yàn)過程中嚴(yán)格遵照軟件提示操作。納米壓痕測試的注意事項(xiàng)

進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室必須換鞋，在實(shí)驗(yàn)室保持安靜ABAQUS模擬壓痕過程

a.建立幾何模型b.輸入?yún)?shù)c.劃分網(wǎng)格

d.提交文件進(jìn)行計(jì)算e.用圖形讀出計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行后處理ABAQUS模擬壓痕過程

a.建立幾何模型實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)后每個(gè)人必須書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括：1.目的、內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)的基本原理；2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號及有關(guān)參數(shù)，試樣材質(zhì)及幾何尺寸；3.實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果及其分析；4.給出結(jié)論；5.實(shí)驗(yàn)體會；6.寫明報(bào)告人班次、姓名及書寫報(bào)告的日期。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)后每個(gè)人必須書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容謝謝大家！謝謝大家！納米壓痕/劃痕技術(shù)在表征薄膜/涂層體系力學(xué)性能中的應(yīng)用

主講教師：黃勇力納米壓痕/劃痕技術(shù)在表征薄膜/涂層體系力學(xué)性能中的應(yīng)用主講實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解納米壓痕法測試材料力學(xué)性能的基本原理。2．學(xué)習(xí)用納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理和過程。3．學(xué)習(xí)用納米劃痕/壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的界面強(qiáng)度的原理和過程。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解納米壓痕法測試材料力學(xué)性能的基本原理。結(jié)合納米壓痕實(shí)驗(yàn)與ABAQUS有限元分析，表征電沉積鎳鍍層材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；用納米劃痕技術(shù)表征PZT壓電薄膜的界面強(qiáng)度；用納米壓痕技術(shù)表征PZT壓電薄膜的界面強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)合納米壓痕實(shí)驗(yàn)與ABAQUS有限元分析，表征電沉積鎳鍍層材實(shí)驗(yàn)原理1．納米壓痕法測試材料力學(xué)性能的基本原理2．納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理3.納米劃痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的界面強(qiáng)度的原理4.納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的界面強(qiáng)度的原理實(shí)驗(yàn)原理1．納米壓痕法測試材料力學(xué)性能的基本原理壓痕示意圖通常情況下，壓痕過程包括兩個(gè)步驟，即所謂的加載過程與卸載過程。納米壓痕法測試材料力學(xué)性能的基本原理

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楊氏模量:

Oliver-Pharr方法：壓痕示意圖通常情況下，壓痕過程包括兩個(gè)步驟，即所謂的2um100um100um70.3°IndenterCoatingSubstrate123壓頭、薄膜與基底幾何形狀組合圖圓錐壓頭軸對稱模擬納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理ABAQUS建模2um100um100um70.3°IndenterCoaSubstrateCoating網(wǎng)格劃分示意圖網(wǎng)格劃分四節(jié)點(diǎn)軸對稱線性減縮積分單元(CAX4R)在壓頭附近采用密網(wǎng)格，遠(yuǎn)離壓頭逐漸使用稀疏網(wǎng)格納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理SubstrateCoating網(wǎng)格劃分示意圖網(wǎng)格劃分四節(jié)點(diǎn)材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系遵循冪強(qiáng)化規(guī)律：輸入的材料參數(shù)電沉積鎳鍍層與低碳鋼基底的力學(xué)性能參數(shù)材料楊氏模量(GPa)泊松比屈服強(qiáng)度(MPa)應(yīng)變硬化指數(shù)電沉積鎳鍍層50~2500.3100~20000.1~0.5低碳鋼基底2100.275000.1納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系遵循冪強(qiáng)化規(guī)律：輸入的電沉積鎳鍍層與低碳鋼壓入過程數(shù)值模擬納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理壓入過程數(shù)值模擬納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)壓入過程數(shù)值模擬的結(jié)果模擬的電沉積鎳鍍層的載荷-位移曲線與實(shí)驗(yàn)測得的載荷-位移曲線比較，修正輸入?yún)?shù)值，直至模擬得到的載荷-位移曲線與實(shí)驗(yàn)測得的載荷-位移曲線重合，參數(shù)值即為薄膜真實(shí)的力學(xué)性能參數(shù)值。納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的原理壓入過程數(shù)值模擬的結(jié)果模擬的電沉積鎳鍍層的載荷-位移曲線納米劃痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

界面強(qiáng)度的原理Kriese等人提出適于估算脆性膜/脆性基底之間界面強(qiáng)度的理論模型：實(shí)驗(yàn)用材料為PZT壓電薄膜

，幾何和性能參數(shù)如下表：h(nm)(GPa)(GPa)(MPa)350120.950.3046.5224.99納米劃痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

界面強(qiáng)度的原理Kriese采用圓錐形金剛石壓頭，在連續(xù)增加的載荷下劃入PZT薄膜。在最大載荷為100mN的范圍內(nèi)，金剛石壓頭橫向劃過的長度為700μm。納米劃痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

界面強(qiáng)度的原理（a）（b）(c)(d)劃痕過程中(a)劃痕距離-摩擦系數(shù)曲線(b)劃痕距離-載荷曲線.劃痕距離-劃痕深度曲線(c)試件A;(d)試件B.掃描電鏡記錄的PZT薄膜的剝落：(a)劃痕的全貌；(b)劃痕A的端部；(c)劃痕B的端部.(a)(b)(c)μ0=PT/PNPN,max(mN)PN,crit(mN)VI(μm3)a(μm)B0(μm)Ad(μm2)α(o)G(J/m2)采用圓錐形金剛石壓頭，在連續(xù)增加的載荷下劃入P納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

界面強(qiáng)度的原理Zheng將壓電系數(shù)和介電系數(shù)通過本構(gòu)方程轉(zhuǎn)換成等效彈性系數(shù)，并運(yùn)用復(fù)合梁理論分析、推導(dǎo)出界面裂紋擴(kuò)展的能量釋放率以及I型、II型應(yīng)力強(qiáng)度因子的解析表達(dá)式：納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

界面強(qiáng)度的原理PZT薄膜試件的壓痕載荷-深度曲線三維掃描圖納米壓痕技術(shù)表征薄膜/涂層體系的

界面強(qiáng)度的原理樣品厚度(nm)最大載荷(mN)殘余印痕半徑(nm)斷裂區(qū)域面積(m2)剝離區(qū)域半徑(nm)能量釋放率(J/m2)

對比分析PZT薄膜試件的壓痕載荷-深度曲線三維掃描圖納米壓痕技術(shù)表征實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1．設(shè)備：納米壓痕儀2．樣品：電沉積鎳鍍層試樣、PZT壓電薄膜試樣3．丙酮清洗劑實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1．設(shè)備：納米壓痕儀實(shí)驗(yàn)步驟與方法1．納米壓痕實(shí)驗(yàn)原理講解；2．ABAQUS軟件模擬壓痕過程講解和演示；3．分組選擇在鎳鍍層上壓入不同的深度進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)和ABAQUS模擬，分析得到電沉積鎳鍍層的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；4.在PZT薄膜上進(jìn)行系列的壓痕/劃痕測試，根據(jù)給出的公式，分析得到PZT薄膜的界面強(qiáng)度，并對不同的測試模型進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)步驟與方法1．納米壓痕實(shí)驗(yàn)原理講解；⑴打開玻璃小窗，擱置樣品樣品臺注意：樣品前低后高、左低右高樣品間隔大于傳感器尺寸傳感器⑴打開玻璃小窗，擱置樣品樣品臺注意：傳感器(2)開啟電腦，打開儀器。防震器1光纖燈2光鏡控制器3XYZ控制器4傳感器控制器5掃描器控制器6(2)開啟電腦，打開儀器。防震器1光纖燈2光鏡3XYZ4傳(3)打開軟件，進(jìn)行H-Pattern和AirIndent校準(zhǔn)。光學(xué)顯微