Cr Al雙層納米地膜的力學(xué)性能測(cè)試及其仿真綜合(1)

Cr Al雙層納米地膜的力學(xué)性能測(cè)試及其仿真綜合(1)
　　 采納納米壓痕儀測(cè)量Cr/Al雙層納米地膜的力學(xué)性能，聯(lián)合無限元仿真的目的對(duì)壓痕測(cè)試?yán)^續(xù)模仿。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)出了雙層膜的彈性模量值和硬度值隨著壓深h的相反而體現(xiàn)出定然的變遷法則，以及得出了濺射時(shí)因?yàn)楹四芰Ｗ拥霓Z擊而構(gòu)成的界面層的薄厚及其力學(xué)性能特色。無限元仿真是對(duì)納米壓痕試驗(yàn)的補(bǔ)充，找到了應(yīng)力重要集中在壓頭左近的海域，況且發(fā)現(xiàn)了最大應(yīng)力重要集中在雙層膜的上層Al膜中，旋片式真空泵而非下層膜Cr膜中。
　　 納米地膜存在許多獨(dú)特的性能，如存在巨電導(dǎo)、巨磁電阻效應(yīng)、巨霍爾效應(yīng)、可見光發(fā)射等。該署非凡的性能使其可用做氣體催化資料、過濾器資料、高密度磁紀(jì)錄資料、光敏資料等，從而使得納米地膜失去了寬泛的利用。雙層膜因?yàn)樵跇?gòu)造上與單層膜存在較大的差距，使其具備單層膜難以達(dá)成的性能，如雙層膜不僅可以普及硬度和附著磨損性能，還可以改善涂層的韌性、抗裂紋擴(kuò)大威力和熱穩(wěn)固性等性能。
　　 固然雙層膜存在如此多的性能，力學(xué)性能仍是其根本性能，眼前關(guān)于雙層膜力學(xué)性能上面的鉆研重要是對(duì)準(zhǔn)膜與襯底間聯(lián)合性能的鉆研，重要的鉆研目的是經(jīng)過運(yùn)用納米壓痕設(shè)施對(duì)地膜樣品繼續(xù)力學(xué)性能測(cè)試，然而眼前關(guān)于雙層膜中膜與膜之間界面的鉆研絕對(duì)較少。所以膜與膜之間所構(gòu)成的界面存在簡(jiǎn)單的組織構(gòu)造和力學(xué)性能。納米壓痕儀以其較高的載荷和位移辯白率（別離優(yōu)于1nN和0.0002nm）以及對(duì)樣品相近于無害檢測(cè)等長(zhǎng)處，故被寬泛的用來納米地膜的力學(xué)性能測(cè)試，能夠失去納米地膜的彈性模量、硬度、蠕變特點(diǎn)、疲勞特點(diǎn)和粘附等性能。固然雙層膜中各組成膜以及膜與膜間所構(gòu)成的界面層薄厚均在納米單位級(jí)，但因?yàn)榧{米壓痕儀是經(jīng)過極細(xì)的金剛石探針與被測(cè)資料點(diǎn)接觸，故可壓入表層資料，穿過界面層，直至襯底，這就使得它鉆研雙層膜的界面性能變成可能。
　　 利用無限元仿真目的模仿納米壓痕試驗(yàn)，能夠失去每一載荷步下資料對(duì)壓頭的作用反力、壓痕形貌、應(yīng)急場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、以及卸載后資料彈性復(fù)原變形等信息。更重要的是，羅茨泵無限元模仿能夠相近得出地膜的塑性性能，這是納米壓痕試驗(yàn)很難測(cè)出的。因而，無限元模仿和試驗(yàn)相聯(lián)合，能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)為難實(shí)現(xiàn)的鉆研，使得關(guān)于納米地膜的力學(xué)性能測(cè)試技能更趨于欠缺。1、樣品制備及其力學(xué)性能測(cè)試1.1、樣品制備
　　 利用磁控濺射步驟濺射Cr/Al雙層納米地膜，為了使得地膜與襯底更好的聯(lián)合，將硬度較低的Al地膜濺射在上層。襯底為CAT.NO.7101載玻片，大小是15mm×15mm×1.2mm。濺射時(shí)Al靶材、Cr靶材純度均為99.99%，氬氣純度為99.999%，Al靶材和Cr靶材的濺射功率別離為100W、200W，濺射工夫別離為60min、30min。1.2、納米壓痕測(cè)試
　　 為了肅清襯底對(duì)測(cè)試的莫須有，準(zhǔn)則上測(cè)試時(shí)壓痕深淺不得勝于整個(gè)膜厚的1/10。此次納米壓痕測(cè)試所運(yùn)用的是美國(guó)安捷倫高科技無限公司生產(chǎn)的納米壓痕儀，儀器型號(hào)為NanoIndenterXP。對(duì)應(yīng)相反最大壓深所測(cè)得的納米壓痕試驗(yàn)的后果如圖1所示。圖2是最大壓深hmax為500nm時(shí)所測(cè)得的彈性模量值E隨著壓深h的變遷而變遷的曲線，為了保障數(shù)據(jù)的正確性，縮小誤差，一共測(cè)試了9個(gè)點(diǎn)。圖3是最大壓深hmax為500nm時(shí)所測(cè)得的硬度值H隨著壓深h的變遷而變遷的曲線，同樣測(cè)試了9個(gè)點(diǎn)。對(duì)Cr/Al雙層納米地膜所測(cè)得的彈性模量值E和硬度值H的9組均勻值別離為74.392GPa和5.894GPa。從圖2中能夠看出，當(dāng)對(duì)Cr/Al雙層納米地膜測(cè)試其彈性模量值時(shí)，在一結(jié)束時(shí)并未涌現(xiàn)納米壓痕尺寸效應(yīng)。況且當(dāng)壓深h值達(dá)成約350nm時(shí)，彈性模量值由先前的顛簸狀態(tài)進(jìn)入增大的趨向。能夠注明，此時(shí)，壓頭進(jìn)入Cr膜與Al膜構(gòu)成的界面層，并逐步進(jìn)入上層的Al膜。界面的構(gòu)成是因?yàn)榇趴貫R射時(shí)核能粒子的轟擊作用使得界面處產(chǎn)生了界面放散。當(dāng)壓深h為400nm以及更大的時(shí)機(jī)，壓頭徹底進(jìn)入了上層的Al地膜，所測(cè)得的彈性模量值相反存在增大的趨向，注明界面處的力學(xué)性能很簡(jiǎn)單，并非膜與膜之間容易的過渡。從圖3中亦可以發(fā)現(xiàn)，在壓深h為350nm時(shí)，硬度值涌現(xiàn)了上升的趨向，起因就是因?yàn)榇藭r(shí)壓頭進(jìn)入了界面層，這與彈性模量值變遷趨向是統(tǒng)一的。當(dāng)壓深h為400nm及更大的時(shí)機(jī)，壓頭徹底進(jìn)入了Al地膜，因?yàn)樯蠈覣l膜的硬度值要小于下層Cr地膜的硬度值，故在曲線中涌現(xiàn)了上升的趨向。涌現(xiàn)上升的趨向的起因還可能是因?yàn)橛楷F(xiàn)了納米壓痕尺寸效應(yīng)的莫須有，產(chǎn)生尺寸效應(yīng)的起因是多少何束縛制約了位錯(cuò)的靜止。經(jīng)過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的綜合可知，下層Cr膜的薄厚大概在350nm，在Cr膜與Al膜之間會(huì)構(gòu)成厚約50nm的過渡界面，即當(dāng)壓深約為400nm左右時(shí)壓頭才通過界面層進(jìn)入上層的Al膜中。
　　 圖1相反最大壓深hmax下測(cè)得的Cr/Al雙層納米地膜壓深h—壓力p曲線
　　 圖2最大壓深為500nm時(shí)所測(cè)得的Cr/Al雙層納米地膜壓深h—彈性模量E曲線（測(cè)試9點(diǎn)）
　　 圖3最大壓深為500nm時(shí)所測(cè)得的Cr/Al雙層納米地膜壓深h—硬度值H曲線（9點(diǎn)）2、無限元仿真
　　 因?yàn)榉抡鏁r(shí)輸出的參數(shù)均來自納米壓痕測(cè)試時(shí)測(cè)出的參數(shù)，因而說仿真在定然水平上是實(shí)在的。2.1、模子的構(gòu)建
　　 依據(jù)圣維南原理以及理論仿真時(shí)比照發(fā)現(xiàn)，那末模子的尺寸是最大壓深15倍之上的時(shí)機(jī)，邊界的莫須有即可疏忽不計(jì)。構(gòu)建的模子如圖4所示，共兩層膜，因?yàn)镃r膜和Al膜組成的界面的組織構(gòu)造和力學(xué)性質(zhì)比擬簡(jiǎn)單，因而在建模的時(shí)機(jī)能夠作如圖4所示的簡(jiǎn)化解決。模子下面的三角為剛性壓頭，納米壓痕測(cè)試時(shí)所用的壓頭為Berkovich壓頭，這種壓頭的面積因變量與圓扇形的Vickers壓頭相反，為了簡(jiǎn)化模子，往復(fù)式真空泵故建模時(shí)氣用Vickers壓頭，壓頭的圓錐角為140.6℃。壓頭上面網(wǎng)格劃分較細(xì)的是Cr膜，薄厚為350nm，上層Al膜薄厚為5000nm。
圖4Cr/Al雙層納米地膜仿真模子圖