1、納米壓痕技術(shù)因?yàn)槠浜?jiǎn)便快捷,樣品尺寸小、精確性高等特點(diǎn),成為一種表征薄膜材料力學(xué)性能的常用方法。但是,由于壓痕響應(yīng)過(guò)程中基底效應(yīng)的影響,使得測(cè)試的結(jié)果并不能真正的反映薄膜材料的力學(xué)性能。因此,在考慮基底效應(yīng)的情況下研究薄膜材料的力學(xué)性能成為當(dāng)今材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文將膜基體系的納米壓痕加載曲線(xiàn)擬合成冪指數(shù)函數(shù)形式,通過(guò)其中的加載曲線(xiàn)指數(shù)定量地反映出基底效應(yīng)影響的大小。從而可以在考慮基底效應(yīng)的情況下,通過(guò)結(jié)合有限元模擬和納米壓痕實(shí)驗(yàn)

2、來(lái)確定橫觀(guān)各向同性壓電薄膜材料的力電耦合系數(shù)。本文的主要工作分為四個(gè)部分:
　　1.考慮基底效應(yīng)的影響,運(yùn)用有限元模擬的方法研究了各向同性彈性膜基底體系的加載曲線(xiàn)指數(shù)與材料力學(xué)參數(shù)、壓痕深度的關(guān)系。定量地將膜基體系壓痕過(guò)程中的基底效應(yīng)與加載曲線(xiàn)指數(shù)相聯(lián)系,定義了一個(gè)表征基底效應(yīng)影響的因子。通過(guò)結(jié)合納米壓痕實(shí)驗(yàn),在反向分析中利用加載曲線(xiàn)指數(shù)確定了薄膜材料的楊氏模量。
　　2.在考慮基底效應(yīng)的情況下,提出了一種確定橫觀(guān)各向同性薄

3、膜材料彈性力學(xué)參數(shù)的方法。在正向分析中,對(duì)于一般的不考慮壓電效應(yīng)的橫觀(guān)各向同性薄膜材料,通過(guò)無(wú)量綱分析和有限元模擬得到了最大加載力、加載曲線(xiàn)指數(shù)與薄膜材料彈性力學(xué)參數(shù)之間的無(wú)量綱方程。在反向分析中,通過(guò)納米壓痕實(shí)驗(yàn)得到沉積在硅基底上ZnO薄膜材料的壓痕曲線(xiàn),將實(shí)驗(yàn)壓痕曲線(xiàn)中的最大加載力和加載曲線(xiàn)指數(shù)代入正向分析過(guò)程中建立的無(wú)量綱方程,求解得到了在不考慮壓電效應(yīng)時(shí)ZnO薄膜材料的彈性力學(xué)參數(shù)。
　　3.考慮橫觀(guān)各向同性壓電薄膜材料在

4、壓痕過(guò)程中的壓電效應(yīng)和基底效應(yīng),將壓電系數(shù)和介電系數(shù)作為有限元模擬中的已知參數(shù),在正向分析中建立了考慮壓電效應(yīng)情況下的最大加載力、加載曲線(xiàn)指數(shù)與薄膜材料彈性力學(xué)參數(shù)之間的無(wú)量綱方程。在反向分析中,利用ZnO薄膜材料的納米壓痕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將加載曲線(xiàn)的最大加載力和加載曲線(xiàn)指數(shù)代入正向分析中建立的無(wú)量綱方程,求解得到考慮壓電效應(yīng)情況下的ZnO薄膜材料的彈性力學(xué)參數(shù),通過(guò)與不考慮壓電效應(yīng)時(shí)的結(jié)果相對(duì)比,發(fā)現(xiàn)考慮壓電效應(yīng)時(shí)的結(jié)果更合理。
　　

5、4.在考慮基底效應(yīng)的情況下,提出了一種確定橫觀(guān)各向同性壓電薄膜材料壓電系數(shù)的方法。在正向分析中,當(dāng)彈性剛度系數(shù)已知時(shí),通過(guò)無(wú)量綱分析和有限元模擬得到了橫觀(guān)各向同性壓電薄膜材料壓痕過(guò)程中的最大加載力、加載曲線(xiàn)指數(shù)與壓電系數(shù)之間的無(wú)量綱方程。在反向分析中,通過(guò)納米壓痕實(shí)驗(yàn)得到了沉積在硅基底上ZnO和PZT-6B薄膜材料的壓痕曲線(xiàn),將實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)中的最大加載力和加載曲線(xiàn)指數(shù)代入正向分析中建立的無(wú)量綱方程,求得了ZnO和PZT-6B薄膜材料的壓電系