检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：秦文彬东北大学

学位级别：硕士

金属纳米薄膜被广泛应用于微电子机械系统(MEMS)中。铜纳米薄膜由于具有导电性好、散热好、抗电迁移能力强、熔点高等优良特性,正成为MEMS构件中的重要互连材料,在铜纳米薄膜中引入铜孪晶界,可以显著提高铜纳米薄膜的综合性能。但是,在... 详细信息

金属纳米薄膜被广泛应用于微电子机械系统(MEMS)中。铜纳米薄膜由于具有导电性好、散热好、抗电迁移能力强、熔点高等优良特性,正成为MEMS构件中的重要互连材料,在铜纳米薄膜中引入铜孪晶界,可以显著提高铜纳米薄膜的综合性能。但是,在纳米量级时,由于小尺寸效应,纳米薄膜将会表现出完全不同于宏观条件下的特殊力学特性。因此,深入研究铜纳米薄膜的力学性能对于提高MEMS构件的性能就显得十分重要。本文首先采用准连续介质法模拟了单晶铜的纳米压痕初始塑性变形过程,计算中选用了不同厚度的铜纳米薄膜,并分析其载荷-位移曲线、应变能-位移曲线以及微观变形机理等;其次采用该方法模拟了孪晶铜的剪切变形过程,并分析其加载力-应变曲线以及微观结构图。研究工作取得如下结果:在纳米压痕过程中,除了弹性阶段,载荷还会出现数次突降情况,这是由于位错发射形核引起的;在不考虑边界条件对模拟结果的影响下,当材料尺寸相对比压头尺寸很大时,薄膜厚度对变形过程有显著影响,但在所模拟的体系尺寸范围内,薄膜厚度对材料的纳米硬度影响不大。在孪晶剪切变形过程中,除了有晶体弹性性质的单调上升阶段之外,还有产生晶界及附近区域结构变化的非弹性性质的下降阶段;晶体原子堆垛取向与剪切方向呈锐角时,原子迁移更易发生。

关键词：铜纳米压痕剪切变形准连续介质法计算模拟

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纳米切削单晶铜的准连续介质法模拟

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吉林大学学报（工学版） 2013年第2期43卷 352-357页

作者：赵宏伟郭文朝张霖王晓军吉林大学机械科学与工程学院长春130022

采用准连续介质多尺度方法模拟了单晶铜的纳米切削过程。分别采用原子位置图和应力分布图对纳米切削过程中局部变形进行描述,得出了模型的切削力-切削距离的响应曲线。从微观角度分析了单晶铜纳米切削过程中材料变形、材料去除机理及内... 详细信息

采用准连续介质多尺度方法模拟了单晶铜的纳米切削过程。分别采用原子位置图和应力分布图对纳米切削过程中局部变形进行描述,得出了模型的切削力-切削距离的响应曲线。从微观角度分析了单晶铜纳米切削过程中材料变形、材料去除机理及内部损伤情况。根据模拟结果,对切削过程中位错形核、演化过程、湮灭消失、切屑及加工表面的形成过程进行了深入的分析。从位错演化的角度解释了切削力与应变能曲线的峰谷变化。提出了纳米切削过程中材料受到刀具的挤压作用而导致位错形核。得出了在纳米切削过程中塑性材料的去除是基于位错运动演化的结论。

关键词：应用力学单晶铜纳米切削准连续介质法切削力应变能位错演化

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粗糙表面对纳米接触的影响:准连续介质法模拟

粗糙表面对纳米接触的影响:准连续介质法模拟

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中国力学大会——2013

作者：江五贵王正微徐霜南昌航空大学航空制造工程学院

采用准连续介质多尺度法研究了镍楔形压头与粗糙表面单晶铜基体之间的纳米接触过程,研究了两个多粗糙峰接触过程。

关键词：纳米接触粗糙表面准连续介质法

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考虑压头尺寸效应的铝薄膜纳米压痕多尺度模拟

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现代信息科技 2018年第10期2卷 1-5,8页

作者：陶冶王梓杰丁春园合肥工业大学材料科学与工程学院安徽合肥230009

采用多尺度准连续介质法分别模拟六种不同压头宽度下,铝薄膜纳米压痕初始塑性变形过程。在弹性变形阶段,矩形压头的宽度越大,对应载荷-位移曲线的斜率越大,此时铝薄膜加载越困难。随着矩形压头宽度的不断增加,铝薄膜发生塑性变形所需的... 详细信息

采用多尺度准连续介质法分别模拟六种不同压头宽度下,铝薄膜纳米压痕初始塑性变形过程。在弹性变形阶段,矩形压头的宽度越大,对应载荷-位移曲线的斜率越大,此时铝薄膜加载越困难。随着矩形压头宽度的不断增加,铝薄膜发生塑性变形所需的临界载荷越大,铝薄膜的纳米硬度呈现不断减小的趋势,铝薄膜呈现出明显的尺寸效应。铝薄膜中位错在压头两端正下方远离表面的地方形核,形成的全位错会迅速分解为两个Shockley分位错,压头宽度越大,分位错之间的距离越大。

关键词：准连续介质法纳米压痕尺寸效应

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纳米压痕过程的多尺度准连续介质法研究

纳米压痕过程的多尺度准连续介质法研究

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作者：黎军顽复旦大学

学位级别：博士

纳米材料由于其特殊的力学性能引起了人们的广泛关注,例如高的强度、硬度、耐磨性、延展性以及低温超塑性等。纳米材料之所以表现出这些特殊的性能与材料内部结构和变形机制密切相关。纳米压痕技术是一种相对简单有效地评估薄膜材料力... 详细信息

纳米材料由于其特殊的力学性能引起了人们的广泛关注,例如高的强度、硬度、耐磨性、延展性以及低温超塑性等。纳米材料之所以表现出这些特殊的性能与材料内部结构和变形机制密切相关。纳米压痕技术是一种相对简单有效地评估薄膜材料力学性能的方法,通过纳米压痕实验不仅可以获得材料的相关性能参量,而且能够反映材料弹塑性转变的机制,揭示微观组织结构与宏观力学性能的关系。然而,纳米压痕是一个复杂的接触问题,进行纳米压痕试验时受到诸多因素的影响,例如材料表面粗糙度,衬底效应,晶界效应,压头几何形状,晶格各项异性和压痕尺寸效应等,即便是在相同的设备和试验条件下纳米压痕试验过程的重复性也不能得到保证,因此需要采用多尺度方法对纳米压痕过程进行模拟。为了深入研究纳米压痕过程中材料的微观破坏过程和弹塑性转变的机制,本文采用多尺度准连续介质法(Quasicontinuum method, QC)对薄膜材料纳米压痕过程进行模拟,探讨材料初始表面缺陷、晶格各向异性、压头尺寸、层间界面以及界面结构对纳米压痕过程的影响,本文的主要研究内容如下： (1)初始表面缺陷对纳米压痕过程的影响。研究了初始缺陷对纳米压痕过程中位错形核与发射、Peierls应力以及位错发射临界载荷的影响。研究表明,在整个纳米压痕过程中出现了多次位错形核与发射现象,初始缺陷对第1和第3对位错的形核与发射影响较小,而对第2对位错的形核与发射具有明显地推迟作用,并伴随有裂纹扩展现象；由于初始缺陷引起薄膜材料内部严重的晶格畸变,导致系统应变能和位错运动Peierls应力增加；裂纹扩展前,发射第2对位错需要的临界载荷增加,裂纹失稳后,位错发射需要的临界载荷下降。多尺度模拟获得的纳米硬度和位错Peierls应力与实验结果吻合。 (2)晶格各向异性和压头尺寸效应对纳米压痕过程的影响。研究了晶格各项异性和压头尺寸对纳米压痕过程中纳米硬度,压头接触应力分布,位错形核临界载荷以及系统应变能的影响。研究表明,不同晶面纳米压痕过程中呈现出完全不同的位错现象,纳米压痕获得的载荷-位移曲线呈现出的不连续性与这些不同的位错活动密切相关；沿有利于开动滑移系的晶体取向,由于在该晶体取向下具有较多的滑移方向,易激活滑移系产生滑移,因此获得的纳米硬度值,压头法向和切向接触应力,位错形核临界载荷以及系统应变能较小；沿不利于开动滑移系的晶体取向,由于在该晶体取向下无明显的滑移方向,难激活滑移系产生滑移,因此获得的纳米硬度值,压头法向和切向接触应力,位错形核临界载荷以及系统应变能较大；模拟结果与实验结果以及Rice-Thomson (R-T)位错模型计算结果吻合。 (3)层间界面对纳米压痕过程的影响。从数值仿真和理论研究两方面揭示了Cu/Ag双层薄膜纳米压痕过程中界面对双层薄膜的强化或弱化效应的本质。研究表明,纳米压痕过程中层间界面不仅对Cu/Ag双层薄膜具有强化效应,而且还具有弱化效应。对于界面的强化效应,它主要是由滑动位错在传输过程中所受的阻力控制(例如,映像力,晶格阻力以及滑动位错与失配位错之间的相互排斥力)；滑动位错在传输过程中所受的阻力越大,界面对Cu/Ag双层薄膜的强化效果越好；对于界面的弱化效应,它主要是由于界面上失配位错形核及运动引起的严重应力集中和局部失配应变所致。然而,在Cu/Ag双层薄膜纳米压痕过程中,与界面对双层薄膜的弱化效应相比,界面对双层薄膜的强化效应占主导地位,主要表现为界面的强化作用。模拟结果与实验结果以及位错理论模型预测一致。 (4)界面结构对纳米压痕过程的影响。详细分析了不同界面结构对Cu-Ag双层薄膜纳米压痕过程中滑动位错形核与发射、纳米硬度以及系统应变能的影响。研究表明,界面对上层薄膜内滑动位错的形核与发射具有明显的推迟作用；Cu-Ag双层薄膜系统的力学性能主要取决于其上层薄膜的力学性能；界面结构对滑动位错形核与发射临界压深和临界载荷以及系统纳米硬度具有显著影响,界面对双层薄膜系统具有软化效应,呈现出反Hall-Petch关系；不同的界面结构引起双层薄膜系统中呈现复杂的位错活动状态,导致系统应变能呈现显著变化。尤其是滑动位错与界面发生相互作用时,系统应变能将出现一次大幅度的跳跃。

关键词：多尺度准连续介质法纳米压痕各向异性尺寸效应失配位错

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球形压头与单晶铝材料纳米接触过程的多尺度分析

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物理学报 2013年第18期62卷 79-86页

作者：杨晓京方聪聪昆明理工大学机电工程学院昆明650500 昆明理工大学现代农业工程学院昆明650500

采用准连续介质多尺度理论及排斥力场函数,建立了刚性球形压头与单晶铝材料表面纳米接触与脱离过程的跨尺度分析模型,得到载荷-位移响应曲线、原子变化状态图及位移云纹图.研究了接触与脱离过程中单晶铝材料微观变形时原子的排列情况以... 详细信息

采用准连续介质多尺度理论及排斥力场函数,建立了刚性球形压头与单晶铝材料表面纳米接触与脱离过程的跨尺度分析模型,得到载荷-位移响应曲线、原子变化状态图及位移云纹图.研究了接触与脱离过程中单晶铝材料微观变形时原子的排列情况以及压头形状对位错的形核和发射产生的影响.从微观角度分析了接触变形机理.结果表明,随着接触深度的增加,球形压头下部两侧的原子受力方向不断变化,使得载荷-位移响应曲线出现不同于方形压头的阶梯状.由于压头形状的影响,压头两侧的密排原子面实现部分滑移形成了肖克利不完全位错.脱离过程中,原子紧贴压头向上移动,实现部分弹性恢复,残余位移为0.3 nm,非常接近单晶铝单位位错的伯格斯矢量的模0.285 nm.

关键词：准连续介质法球形压头单晶铝材料位错

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薄膜材料断裂韧度的准连续介质法预测

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失效分析与预防 2008年第4期3卷 18-22页

作者：赵晟江五贵程莹南昌航空大学材料科学与工程学院南昌330063 清华大学工程力学系北京100084

本文通过二维准连续介质法模拟三角型压头在纳米压痕试验中测量铝薄膜材料断裂韧度的过程,得到了相应的载荷-位移曲线,计算出了铝薄膜在纳米尺度下的断裂韧度(KIC)和相关的力学性能参数。数值结果显示:单晶铝薄膜材料在纳米尺度下的断... 详细信息

本文通过二维准连续介质法模拟三角型压头在纳米压痕试验中测量铝薄膜材料断裂韧度的过程,得到了相应的载荷-位移曲线,计算出了铝薄膜在纳米尺度下的断裂韧度(KIC)和相关的力学性能参数。数值结果显示:单晶铝薄膜材料在纳米尺度下的断裂韧度(KIC)为0.216MPa.m1/2,预测值与相关试验结果较吻合,从而表明使用准连续介质法预测纳米尺度下薄膜材料的断裂韧度是可行的。在研究中发现:对应于载荷-位移曲线的急剧下降区域,相应的位移云纹图中有明显的压痕变形集中现象,表明此处是径向裂纹发生的准确位置。计算结果证明,这种载荷-位移曲线和位移云纹图相结合的方法是计算薄膜材料径向裂纹的有效方法。

关键词：准连续介质法纳米压痕断裂韧性

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基于准连续介质力学的单晶铜纳米级切削过程仿真研究

基于准连续介质力学的单晶铜纳米级切削过程仿真研究

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作者：郭文朝吉林大学

学位级别：硕士

随着超精密和纳米切削加工技术的发展，通过单点金刚石车削、金刚石砂轮磨削和AFM刻划等方式可以实现工件材料纳米量级的切屑去除，但受到表面效应、小尺度效应等的影响，切削过程中的切屑去除与加工表面形成机理都与传统加工有着明显... 详细信息

随着超精密和纳米切削加工技术的发展，通过单点金刚石车削、金刚石砂轮磨削和AFM刻划等方式可以实现工件材料纳米量级的切屑去除，但受到表面效应、小尺度效应等的影响，切削过程中的切屑去除与加工表面形成机理都与传统加工有着明显的差异，所以采用传统的宏观连续介质力学方法，如有限元理论来解释纳米切削机理会造成显著的误差，而近年来迅速发展的分子动力学方法受限于计算机硬件条件的限制，模型尺寸常限于数纳米至数十纳米之内，所以就有必要进行“跨原子/连续介质”的多尺度分析，实现计算精度与计算效率的兼顾。准连续介质法是一种发展时间较长、影响较大的“跨原子/连续介质”多尺度分析方法，在材料变形与破坏的多尺度数值模拟方面展现了广阔的应用前景。本文将采用准连续介质法，对单晶铜纳米切削过程进行仿真研究。本文首先详述了多尺度仿真的发展及应用现状，并将准连续介质法与有限元、分子动力学方法进行了比较，然后通过研究准连续介质法的基本原理和建模技术，建立了单晶铜纳米切削过程的“跨原子/连续介质”多尺度仿真模型。其次，通过建立的多尺度仿真模型，研究了单晶铜的切屑去除与加工表面形成机理，分析了加工过程中的内应力分布变化及位错演化机理，揭示了切削力及应变能演化对位错运动的本质依赖。然后研究了刀具前角、后角和刃口半径这三个刀具轮廓参数以及切削厚度和工件晶向参数对单晶铜纳米级切削过程的影响。研究了不同切削参数对纳米切削加工过程的影响。分析了不同刀具轮廓参数下材料受力状态、变形方式的异同以及不同刀具轮廓参数对切削力、应变能的影响。

关键词：多尺度仿真准连续介质法纳米切削单晶铜位错

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基于表面凹型缺陷的纳米压痕多尺度研究

基于表面凹型缺陷的纳米压痕多尺度研究

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作者：张忠立复旦大学

学位级别：硕士

随着微电子技术和微系统的发展,材料在纳米尺度下的力学特性引起了人们的极大关注。对微电子、微机械加工等方面的研究表明,当材料尺寸减少到纳米尺度时,材料的力学性能和力学行为往往表现出与宏观条件下完全不同的特性,例如超高的强度... 详细信息

随着微电子技术和微系统的发展,材料在纳米尺度下的力学特性引起了人们的极大关注。对微电子、微机械加工等方面的研究表明,当材料尺寸减少到纳米尺度时,材料的力学性能和力学行为往往表现出与宏观条件下完全不同的特性,例如超高的强度、硬度、延展性、耐磨性以及低温超塑性等。因此,对纳米材料的力学性能进行深入探究具有重要而现实的意义。由于传统的建立在连续介质理论基础上的分析方法不再适用于微观尺度下材料变形的研究,纳米压痕技术作为一种相对简单有效地评估薄膜材料力学性能的方法,被广大科研工作者所采用,近年来在理论或实验上的研究也取得不少进展。然而纳米压痕试验受到诸多因素的影响,例如材料表面粗糙度、衬底效应、晶界效应、压头几何形状、晶格各项异性等,而且分子动力学等微观尺度的方法由于自由度过多导致计算量太大,无法在普通的计算机上实现较大模型的模拟。于是结合连续介质尺度和原子尺度的多尺度方法,利用计算机数值模拟将纳米压痕的研究推向了一个新的广阔领域。准连续介质方法(Quasi-continuum Method, QC)是多尺度方法的一种,它耦合了连续介质尺度和原子尺度,在变形梯度变化比较小的区域采用有限元方法进行粗化描述,而在缺陷密度较高、变形梯度变化较剧烈的区域用分子动力学来描述。这样就可以在不失精确的情况下减少问题的自由度和计算量,以实现较大尺寸试件的原子尺度模拟。鉴于表面凹型缺陷的重要研究意义,本文采用准连续介质(QC)方法对带有表面凹型缺陷的薄膜材料进行纳米压痕数值模拟,探讨材料表面初始凹型缺陷对纳米压痕过程的影响,深入研究纳米压痕过程中材料的微观破坏过程和弹塑性转变机制,本文的主要研究内容如下： (1)基于表面凹型缺陷的位错形核延迟效应的多尺度模拟。文中计算了表面凹型缺陷与压头相邻边界之间的八种不同距离,并与无缺陷情况进行对比。研究表明,表面凹型缺陷能引起[110]全位错的发射,并对下一次的位错形核将造成2%-22%程度的延迟效果。这种全位错的形核与发射取决于加载表面处的第一大和第二大应变集中区的应变竞争机制。此外,这种表面凹型缺陷引起的位错延迟效应的影响临界距离为三倍的压头接触半径,这和相关的实验结果非常一致。 (2)表面凹型缺陷的距离效应对纳米硬度的影响。本文模拟了在单晶铝的纳米压痕中,薄膜材料表面凹型缺陷的距离效应对纳米硬度的影响。计算了表面凹型缺陷与压头相邻边界之间多种不同的距离。结果表明,随着表面凹型缺陷与压头之间的距离增大,薄膜材料的纳米硬度以波浪式的形式增大,并携带以三个原子为周期的变化规律。这个周期规律和面心金属在{111}密排面上的三种堆垛方式密切相关。当表面凹型缺陷与压头相邻边界之间的距离大于16个原子间距时,凹型缺陷对薄膜材料的纳米硬度就几乎不产生影响。此外,本文还计及表面凹型缺陷,修正了金属铝薄膜材料发射第一对位错的临界载荷的理论公式,这个对带有表面缺陷的纳米硬度的研究具有重要的指导作用。 (3)本文利用QC多尺度方法探究了纳米压痕过程中,表面凹型缺陷对薄膜材料屈服载荷的尺寸效应。计算了表面凹型缺陷的多种不同的宽度和深度,并提出了尺寸系数,用以表征缺陷尺寸对薄膜材料屈服载荷的影响。结果表明,随着表面凹型缺陷的宽度增加,薄膜材料的屈服载荷在初期变化非常缓慢,直到其尺寸系数增大约为一个单位的时候,屈服载荷突然大幅度下降,继而又非常缓慢下降,当其尺寸系数增大约为两个单位的时候,其屈服载荷与对应的台阶模型所得的屈服载荷值非常接近；随着表面凹型缺陷的深度增加,薄膜材料的屈服载荷在初期变化非常缓慢,直到其尺寸系数增大约为半个单位的时候,屈服载荷突然大幅度下降,继而又非常缓慢下降,当其尺寸系数增大约为一个单位的时候,其屈服载荷与对应的台阶模型所得的屈服载荷值非常接近；薄膜材料屈服载荷的变化规律由Peierls应力证明其合理性,并与相应实验值符合。另外,表面凹型缺陷的深度因素对薄膜材料的屈服载荷的影响更大。本文的研究结果对纳米材料的实际应用具有一定的指导意义。

关键词：多尺度准连续介质法纳米压痕表面凹型缺陷延迟效应纳米硬度尺寸效应

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MEMS纳米接触的多尺度分析

MEMS纳米接触的多尺度分析

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作者：王正微南昌航空大学

学位级别：硕士

微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是将电子和机械部件集成在一起的一种微型集成设备或系统，能够在纳观尺度下单独执行或同时执行驱动、感知和控制等功能。与传统机械系统不同，表面效应在MEMS中占主导地位，粘... 详细信息

微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是将电子和机械部件集成在一起的一种微型集成设备或系统，能够在纳观尺度下单独执行或同时执行驱动、感知和控制等功能。与传统机械系统不同，表面效应在MEMS中占主导地位，粘着和摩擦是决定MEMS性能和可靠性的重要因素。粘着是MEMS中的一种主要的失效形式，也是造成MEMS低合格率的主要原因。粘着接触问题的研究对MEMS的设计与使用具有重要的意义，本文采用准连续介质(QC)法研究了镍压头与单晶铜基体之间的纳米粘着接触问题。首先，基于QC法建立了光滑表面接触模型，研究了接触过程中的微观变形机制。接触过程中接触边缘附近的基体出现了“挤出”现象。接触过程中，压头下方的铜基体内部形成的“面角位错”阻碍了铜基体内部位错的运动，弹性变形在整个接触过程中占主导地位。对接触载荷、接触半径-位移曲线和接触区域应力分布进行了详细的分析。此外，简要回顾了Hertz、Johnson-Kendall-Roberts (JKR)和Maugis-Dugdale(M-D)经典接触理论，并验证了这些经典理论在纳米接触问题中的适用性。综合分析表明， M-D理论能够较准确的描述纳米接触过程中接触半径与接触载荷之间的关系。由M-D理论获得的应力分布曲线与由QC法得到的曲线基本吻合。由于粘着效应的存在，在压头下方与铜基体非局部区域的相邻部分出现了一个较小的不规则的拉应力区。其次，采用QC法模拟分析了单粗糙峰接触过程的微观变形机制，接触模型中粗糙峰与压头的尺寸在一个量级上。研究了载荷-位移响应曲线和接触面积-载荷响应曲线。载荷-位移响应曲线存在大载荷突降和小载荷突降，它们对应两种不同变形机制。发生小载荷突降时基体内部形成新的位错，而大载荷突降发生时基体内部原先形成的位错被破坏，同时出现大量的原子迁移。对比分析表明，单粗糙峰有效削弱了压头与基体之间的粘着效应。由M-D理论得到的接触面积-载荷曲线与相应的QC曲线之间存在较大的差异，这是因为在接触过程中单粗糙峰发生了较大的塑性变形且存在大量的原子迁移，而M-D理论没有考虑这些因素，这意味着M-D理论不能用于描述单粗糙峰接触问题。最后，基于QC法，建立了压头初始位置在中间粗糙峰正上方（=0）和压头初始位置在左侧两粗糙峰之间的波谷正上方（=-L）的两个具有不同压头初始位置的多粗糙峰接触模型。模拟结果显示，这两个接触模型在接触过程中的微观变形机制不同。=0接触模型中基体的变形主要为孪晶变形，而=-L接触模型基体内部在接触过程中形成了许多间隔分布的“面角位错”，抑制了孪晶变形的发生。此外，在接触过程中这两个接触模型的基体变形都是不对称的。基于QC模拟结果，研究了光滑表面接触模型、=0接触模型和=-L接触模型的纳米硬度-位移响应曲线。最后，采用Oliver-Pharr方法估算了这三个模型在位移最大处基体的纳米硬度，并将估算结果与QC模拟结果进行了对比。结果表明，对于光滑表面接触模型，采用Oliver-Pharr方法估算基体的纳米硬度比QC结果要高30%左右。而对于多粗糙峰接触模型，Oliver-Pharr方法能较好的估算基体的纳米硬度，只有约5%的误差。同时，无论采用何种计算方法，=-L接触模型的基体硬度比=0接触模型中基体的硬度要高20%左右。

关键词： MEMS 纳米接触粗糙表面接触准连续介质法接触力学

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