单晶硅纳米力学性能的测试(3)

单晶硅纳米力学性能的测试

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　　　　　光学　精密工程　　　　　

第17卷　

加,试样开始发生延性变形、甚至脆性断裂;加载曲线呈非线性,而卸载曲线反映被测物体的弹性恢复情况。通过分析加载2卸载曲线可以得到材料的硬度和弹性模量等参数,采用纳米压痕技术可以测试材料试件的蠕变、断裂韧性、疲劳等特性。此外,纳米压痕技术还被用于测试薄膜力学性能、MEMS/NEMS微构件的弯曲刚度等特性。近年来,纳米压痕测试技术已经成为测试材料试件纳米力学性能的一种主流技术。就微纳米切削加工而言,借助纳米压痕技术可以从纳米尺度探求被测材料试件的力学特性,进而探索这类材料的可加工性,提高加工精度和刀具使用寿命。

纳米压痕测试技术目前已较为成熟,美国MTS和Hysitron、日本Elionix、瑞士CSEM、澳

图2　Vickers型单晶金刚石压头形状

Fig.2　IndentershapeofVickerssinglecrystaldiamond

除了金刚石,纳米压头的另外一种可选的材料是蓝宝石(Sapphire),虽然蓝宝石没有金刚石硬,,,目前国际[14]此外,目前商业化的纳米压2卸载方式。图3为较为常用的压痕测试中压头施加给试件的加载力大小(或运动位移)的时间历程曲线

。

大利亚ASI等公司均有商业化纳米压痕仪产品。图1为日本Elionix公司出品的EN2米压痕仪外观

。

图1　Elionix公司的ENT21100型纳米压痕仪

Fig.1　ENT21100NanoindentationTesterofElionix

图3　压痕加载2卸载中压头的位移

Fig.3　Indenterdisplacementinloading2unloadingof

indentation

在进行纳米压痕试验测试中,压头的材料、形状和精密运动对压痕测试效果影响很大。自然界中无杂质的单晶金刚石(Diamond)材料具有十分优异的性能,如高硬度、热传导特性、稳定的化学特性等,使其成为目前相对其它材料而言纳米压头的首选材料;单晶金刚石纳米压头的形状与原子级晶体取向密切相关,参照图2,压头的轴向(O2O′)通常与其[100]晶向一致。但由于单晶金

3　纳米压痕过程的基本理论

　　在纳米压痕实验测试中,由于压头与试件间的接触力通常为mN级以下,机械系统各环节变形量十分微小,压头压入试件的深度可直接通过精密测微装置测得(或经过简单换算得到),这里用h表示压头的压入深度;压痕过程中施加到试件接触表面的载荷P可以通过微型力传感器拾

刚石的晶体各向异性强烈,导致难以用来加工具有圆形特征的纳米压头

。