用纳米压痕法表征薄膜的应力-应变关系

湘潭大学硕士学位论文用纳米压痕法表征薄膜的应力-应变关系姓名：黄勇力申请学位级别：硕士专业：材料物理与化学指导教师：周益春20060501摘要近年来，薄膜科学愈来愈受到重视，对其力学性能的研究已成为热门领域。纳米压痕测试技术作为一种测量薄膜材料力学性能的方法，以其高度的位移分辨率、超低载荷及连续测量能力倍受青睐。本文以纳米压痕法结合量纲分析及有限元方法来测量薄膜材料的应力-应变关系。本文的工作主要分为两个部分：第一部分是建立用纳米压痕法测量薄膜应力-应变关系的理论框架；第二部分是实际测定电沉积镍镀层的应力-应变关系。本文首先介绍了本课题的研究背景和研究现状，对纳米压痕技术进行了较为详细的叙述，阐明了我们选取本课题的依据。接着按如下思路归纳出了测量脆性薄膜/韧性基底、脆性薄膜/脆性基底、韧性薄膜/脆性基底以及韧性薄膜/韧性基底四种膜/基组合材料力学性能的理论框架：首先用量纲分析的方法将纳米压痕过程与被测材料的力学性能，如弹性模量、屈服强度及应变硬化指数等联系起来，建立起两者之间简单的无量纲函数关系的结构形式，其次用有限元方法模拟压头压入材料的过程，分析得到无量纲函数的具体形式，最后根据实测的载荷-位移曲线确定所需测量的力学性能参量。本文另一主要工作是详细介绍了用纳米压痕法测量电沉积镍镀层应力-应变关系的过程。用ABAQUS有限元软件模拟了Berkovich压头压入镍镀层1000nm的压痕过程，结合量纲分析得到的无量纲函数关系式与实测的载荷-位移曲线，求得了电沉积镍镀层的屈服强度与应变硬化指数。本文还引用了马德军用纳米压痕法测量韧性薄膜/脆性基底组合材料的力学性能的工作。根据这两个实例，我们证明了该理论框架的可行性。关键词：电沉积镍镀层；纳米压痕法；量纲分析；应力-应变关系；有限元法；膜/基体系iABSTRACTRecently,moreandmoreattentionshavebeenpaidtothinfilms,andresearchofthemechanicalpropertiesofthinfilmsgetstobeahotsubject.Asamethodtoevaluatethemechanicalpropertiesofthinfilms,nanoindentationtechniqueisinthepopularityforitshighdisplacementresolution,ultralowloadandthecapabilityofcontinuousmeasurement.Inthismasterthesis,thestress-strainrelationshipsofthinfilmsweremeasuredbynanoindentationcombinedwithdimensionalanalysisandfiniteelementmethod.Twomainpartsarecontainedinthismasterthesis.Inthefirstpart,atheoryframewasestablishedtoextractthestress-strainrelationshipsofthinfilmsbynanoindentation.Inthesecondpart,thestress-strainrelationshipofelectrodepositednickelcoatingwasmeasured.Atthebeginningofthisthesis,relatedresearchbackgroundandresearchstatuswereintroduced,thennanoindentationtechnologyandthebackgroundofthismasterthesiswereinterpreteddetailedly.Atheoryframetomeasurethemechanicalpropertiesoffourkindsoffilm/substratesystems,namely,brittlefilmontoughsubstrate,brittlefilmonbrittlesubstrate,toughfilmonbrittlesubstrateandtoughfilmontoughsubstrate,wasestablished.Wecangetthemechanicalpropertiesofthinfilmswithfollowingsteps:first,dimensionalanalysiswasappliedtoderivetherelationshipbetweenindentationandmechanicalpropertiesofmaterial,suchasYoung’smodulus,yieldstrength,strainhardeningexponentetc.Then,theindentationprocesswassimulatedbyfiniteelementmethod.Atlast,themechanicalparameterswereextractedfromthetrueload-displacementcurves.Anotherimportantworkinthismasterthesisisthedetailedintroductionofextractingstress-strainrelationshipofelectrodepositednickelcoatingfromnanoindentation.ABAQUSwasusedtosimulatetheprocessthattheBerkovichindenterindentedintotheelectrodepositednickelcoatingabout1000nm,thenaccordingtotherealLoad-Depthcurvesgotinthenanoindentationexperimentsandthedimensionlessfunctions,theyieldstrengthandstrainhardeningexponentwerefiguredout.TheworkmeasuringthemechanicalpropertiesoftoughfilmonbrittlesubstratefinishedbyMaDejunwascitedinthisthesis.Thefeasibilityofthistheoryframewasprovedbybothoftheexamples.iiKeyWords:electrodepositednickelcoating,nanoindentation,dimensionalanalysis,stress-strainrelationship,finiteelementmethod,film/substratesystemiii湘潭大学硕士毕业论文用纳米压痕法表征薄膜的应力-应变关系第一章绪论1.1薄膜概述薄膜的研究和开发对生产的贡献日益巨大，其研究成果转化为生产力的速度愈来愈快，薄膜领域中的科学研究和生产的联系变得十分紧密。薄膜的研究和开发为微电子学、光电子学、磁电子学等新兴交叉学科的发展提供了材料基础，为器件微型化和集成化创造了条件。高质量薄膜的生长工艺，薄膜的组成、晶体结构，以及薄膜的物理力学性能将成为新学科的重要组成部分，使薄膜材料的发展进入更为广阔的天地。薄膜可定义为用物理的、化学的、或者其他方法，在金属或非金属基底表面形成一层具有一定厚度的不同于基底材料的性质且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层[1-2]。薄膜与块状物质一样，可以是非晶态的、多晶态的和单晶态的单质元素或化合物。目前薄膜的制备方法有很多，如气相生成法、液相生成法、氧化法、扩散法、电镀法等等。每一种制备薄膜的方法又可细分为若干种，以满足不同要求。由于薄膜材料的制备方法和形成过程完全不同于块体材料，因此薄膜的机械性质、载流子输运机构、超电导性、磁性、光学和热学性质等等均不同于块体材料。例如，薄膜材料具有相当大的缺陷密度，因此其载流子迁移率明显减小。薄膜一般都制备在基底上，因薄膜材料和基底材料的热膨胀系数不同，加热时在薄膜中产生很大的内应力，可使薄膜的超导转变温度升高。薄膜存在多种分类方式[3]。按薄膜的性质，可分为天然膜和合成膜；按薄膜的用途，可分为减磨耐磨膜、装饰膜、导电薄膜、磁性薄膜、压电薄膜等；按薄膜的力学性质，可分为脆性薄膜和韧性薄膜；按薄膜存在的几何形态，可分为自由薄膜、部分约束薄膜、完全约束薄膜等，如图1.1所示，本文的研究对象是部分约束的薄膜。各种用途的薄膜，都有固定的形状、尺寸和平整度。因膜厚一般都较小，只有微米量级或更小尺度，单凭薄膜本身的机械强度是无法满足自持要求的，故在制备薄膜时总是将它们附着在各种各样的基底上，我们称这种组合为膜/基体系。膜/基体系通常存在四种典型的组合，即脆性薄膜/韧性基底体系、脆性薄膜/脆性基底体系、韧性薄膜/脆性基底体系以及韧性薄膜/韧性基底体系。不同的膜/基组合表现出各异的性能，如Chen等[4]的实验表明：对于Al/Si体系，用纳米压痕法测得的硬度在昀初很浅的压深范围内是减小的，接着出现一段平台区，随着压痕深度的增加，硬度值变大；对于W/Si体系，昀初其硬度是增大的，随着压痕深度的增加，硬度值增大到某一峰值，随后减小。1湘潭大学硕士毕业论文用纳米压痕法表征薄膜的应力-应变关系岛或点线膜自由部分约束完全约束图1.1薄膜存在的几种几何形态在本文的工作中将会对一特定膜/基体系——覆镍深冲钢带，即镍镀层/低碳钢基底体系进行研究。覆镍深冲钢带是一类新型的电池外壳材料。国内传统二次电池和碱性一次电池钢壳的生产工艺是将低碳钢带冲压成型后，用滚镀镍的方式镀覆一层金属镍，用于防锈防蚀。由于滚镀镍过程中的清洗比较困难，深镀能力和均镀能力比较差，造成电池钢壳内孔漏镀和镀层的厚薄不均，使得电池的次品率较高，使用寿命比较低。覆镍深冲钢带则是先在低碳钢基底上镀覆一定厚度的镍，再经过一定的界面扩散处理，使电沉积镍镀层[5-9]与低碳钢基底紧密结合，是一种具有优良的延伸性和防腐能力的新型电池外壳材料。用它作为碱性一次电池，氢-镍、镉-镍二次高能电池外壳，具有直接成型，不需进行后续电镀处理，可实现连续化生产的特点。便携式通讯设备器材、笔记本电脑、文字处理机、电动工具等行业的广泛应用，促使电池行业的蓬勃发展，从而使得覆镍深冲钢带的需求量越来越大。除了覆镍深冲钢带重要的应用价值外，它本身亦是典型的韧性薄膜/韧性基底组合，对它的研究同样具有重要的学术价值。1.2纳米压痕技术1.2.1纳米压痕技术的一般概念通过压头对材料表面加载，然后测出压痕区域，以此来评价材料机械性能的技术，我们称之为压痕技术。传统的压痕方法是采用一定形状的压头在一定压力2湘潭大学硕士毕业论文用纳米压痕法表征薄膜的应力-应变关系的作用下压入被测样品，保持一段时间后卸载，然后用标尺或显微镜测出压头在材料表面留下的压痕半径或对角线长度，以此计算材料力学性能参数值，如硬度。这种测量方法直接、简单，但是分辨率较低，即使采用透射电子显微镜等高精度仪器也只能测得压深不小于10µm情况下的硬度[10]。而且此方法压痕尺度较大，不适于测试膜厚较小(2µm)的薄膜材料的性能。另外，此方法是先加载，后离线测量，这样得到的仅为材料的塑性性能。随着现代微电子材料科学的发展，试样尺寸越来越小型化，传统的压痕测试技术已经无法满足新材料的需要。此外，材料科学家们不仅要了解材料的塑性性质，而且需要掌握材料的弹性性质。近几年发展起来的纳米压痕技术有效地满足了科学家们的需要。纳米压痕技术又称深度敏感压痕技术，它是通过计算机控制载荷连续变化，并在线监测压深量，由于施加的是超低载荷，加上监测传感器具有优于1nm的位移分辨率，所以可以获得小到纳米级(0