压头与试件间垂直度误差对纳米压痕/刻划测试影响的研究

【摘要】近年来，纳米压痕/刻划技术在理论、仪器研发和应用等方面不断得到发展，但由于纳米压痕/刻划技术测量的尺度较小，对仪器精度和测试等因素要求都比较高，整个测试过程中不可避免的受到诸多因素影响。论文作者在前期参与纳米压痕仪器研制的过程中，发现由于加工误差、装配误差等原因，很难保证压头与试件的垂直度，而且在微纳米压痕以及刻划过程中，很多情况也会导致压头与试件的垂直误差，如压头的加工缺陷、整体机架的柔度、试件制备厚度一致性、试件材料本身分布的一致性等。本文从压头与试件的垂直度角度出发，研究这种因素对纳米压痕和刻划测试结果的影响规律。论文首先从理论的角度分别对纳米压痕和刻划的不垂直现象进行分析。结果表明，压头与试件之间的不垂直度对投影接触面积的影响很大，而且这种影响随着倾斜角度的增加的增大。因此，如果要保证投影面积误差在允许误差范围之内，则需要保证倾斜角的绝对值足够小。在纳米刻划过程中，当压头绕不同轴倾斜不同的角度时，投影接触面积的变化情况不一，有的变化特别显著而有的则几乎没有影响。建立了压头倾斜状态下压痕/刻划的空间模型，通过有限元软件Abaqus建立了纳米压痕/刻划物理分析的模型，把压头与试件的垂直度作为控制参数进行纳米压痕/刻划的有限元仿真分析。压痕仿真分析结果显示，压头与试件之间的不垂直度不但会直接影响残余轮廓的形貌，而且在一定程度上影响载荷-位移曲线的形状。在相同压深的情况下，不垂直压痕的最大载荷会比垂直压痕时的大，这种现象随着倾斜角度的增加而更加明显。同时，根据得到的载荷位移曲线计算材料的弹性模量和硬度时，得到的弹性模量和硬度都呈现一定程度的差异。刻划仿真分析结果表明，压头的倾斜会影响刻划轮廓的形状，使轮廓偏离垂直刻划时的形状。通过计算摩擦系数可以得到，与垂直刻划相比，当压头绕不同轴倾斜时，摩擦系数的变化情况也出现了明显的不同。在试验过程中，如果发生压头与试件不垂直的现象，可以通过原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）等观测残余轮廓形貌，根据函数估算倾斜的方向和角度值，进而利用方向和角度矫正投影接触面积、弹性模量以及硬度值，降低垂直度误差引起的压痕/刻划测试结果误差。
【作者】史成利；
【导师】任露泉；赵宏伟；
【作者基本信息】吉林大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】纳米压痕；纳米刻划；空间模型；垂直度；硬度；弹性模量；误差补偿；

【参考文献】
[1]单乐.贵州省新农村建设的金融支持研究[D].贵州财经大学,金融学,2013,硕士.
[2]王昕.基于社会资本视角的农村社区小型水利设施合作供给研究[D].西北农林科技大学,农业经济管理,2014,博士.
[3]韩慧霞.关于上市公司交叉持股对其盈利能力影响的研究[D].兰州大学,金融学,2013,硕士.
[4]吴珺楠.基于胜任力模型的浙江省高校文化创意人才培养研究[D].浙江工业大学,教育经济与管理,2012,硕士.
[5]周文文.Sobolev方程的两类数值解法[D].内蒙古大学,数学,2013,硕士.
[6]索南加乐,谢雯洁,沈黎明,姚永峰,田宏强.解决电压互感器二次侧故障对距离保护影响的新方法[J].电力系统自动化,2008,23:56-61.
[7]郑伟.针刺治疗单纯性肥胖症脾虚湿阻型的临床观察[D].北京中医药大学,中医内科学,2014,硕士.
[8]郑颖娜.平潭传统聚落保护与更新研究[D].华侨大学,建筑设计及其理论,2013,硕士.
[9]娄涛.电力市场辅助服务几个问题的研究[D].清华大学,电气工程,2002,硕士.
[10]刘俊.氧化石墨烯作为高分子太阳能电池的电极界面材料[A].中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第25分会：有机光伏[C].中国化学会:,2014:1.
[11]王霖.Ca~(2+)诱导损伤线粒体的结构与形态学变化研究[D].西北农林科技大学,生物物理学,2012,硕士.
[12]李亚蕾.Zn类半导体材料的超快非线性光学特性研究[D].黑龙江大学,物理电子学,2013,硕士.
[13]侯鹏.智能机器人运动控制系统及算法研究[D].北京交通大学,电路与系统,2013,硕士.
[14]王小朋.城市商业综合体开发经营风险管理研究[D].北京交通大学,2014.
[15]马雅真.青藏高原金露梅属（蔷薇科）谱系地理学研究[D].兰州大学,生态学,2013,硕士.
[16]黄江.基于Web的实时远程监控系统的研究[D].华北电力大学（河北）,计算机应用技术,2004,硕士.
[17]陈军.超高层建筑钢结构加工与安装技术研究[D].浙江工业大学,2013.
[18]李猷鑫.论恶意仲裁之撤回仲裁申请权利的滥用[D].吉林大学,法律,2014,硕士.
[19]赵宏宇.莱鲍迪苷A的结晶工艺及其结晶热力学研究[D].江南大学,制糖工程,2012,硕士.
[20]张熠飞.基于中间产品的船舶建造生产节拍研究[D].江苏科技大学,船舶与海洋结构物设计制造,2014,硕士.
[21]李瑞.红龙电影主题公园人才发展战略研究[D].吉林大学,工商管理,2014,硕士.
[22]章曼.论唐传奇的多重世界建构[D].华侨大学,中国语言文学,2013,硕士.
[23]王亚萍.礼貌原则的跨文化研究[D].广西师范大学,英语语言文学,2003,硕士.
[24]易维善.谈宽带双向传输网的建设思路(下)[J].中国传媒科技.2001(07)
[25]南京京.用三界理论解读《序曲》和《在海湾》中的贝尔[D].河北师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[26]杨卓然.基于自重式热管的LED工矿灯散热研究[D].华中科技大学,材料加工工程,2013,硕士.
[27]王晓林.聚醚醚酮超声热—形变规律及焊接工艺研究[D].哈尔滨工业大学,2007.
[28]宝银昙.煤矿安全质量标准化建设模式及其效果评价研究[D].西安科技大学,安全技术及工程,2013,硕士.
[29]毕振宇.Wistar大鼠咬合创伤模型牙周与颞下颌关节毛细血管铸型研究[D].南方医科大学,人体解剖与组织胚胎学,2014,博士.
[30]左飞.茵陈内生放线菌抗杨树褐斑病活性研究[D].江苏师范大学,植物学,2013,硕士.
[31]方威.粮仓温湿度监控系统的设计与实现[D].西安工业大学,控制工程,2014,硕士.
[32]罗洪.EPC/T总承包模式福清核电工程项目安全管理研究与实践[D].南华大学,安全工程,2012,硕士.
[33]李小花.左旋多巴胺对羟基磷灰石仿生合成及性能影响的研究[D].广东工业大学,化学工艺,2014,硕士.
[34]刘政甲.非小细胞肺癌T分期肿瘤大小与淋巴结转移关系分析[D].吉林大学,外科学,2014,硕士.
[35]郭章宝.线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作的临床分析[D].华中科技大学,神经病学,2013,硕士.
[36]汤静.改性的有序介孔碳—钴/镍复合材料的制备及载Pt后电催化性能研究[D].南京航空航天大学,物理化学,2013,硕士.
[37]冯志诚.太阳能光伏发电性能影响因素的研究[D].内蒙古工业大学,热能工程,2013,硕士.
[38]贾茹.新型人源化抗CD20单克隆抗体的表达和活性检测[D].安徽大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[39]王启辉.LPS_p对乙型肝炎表面抗原诱导小鼠抗体产生的影响[D].广西医科大学,微生物学,2004,硕士.
[40]马勤勇,聂栋栋,王申康.基于主运动轮廓线的步态表示与识别[J].自动化学报,2009,05:519-525.
[41]全勇.胆脂瘤型中耳炎的MSCT表现与临床手术对照的研究[D].中国医科大学,影像医学与核医学,2004,硕士.
[42]高铭鸿.我国公共体育设施安全问题研究[D].湖南师范大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[43]玉珍.基于主成分分析的呼包鄂地区城市化水平评价研究[D].内蒙古大学,生态学,2014,硕士.
[44]杨大磊.三元共聚合成一种体相异质结太阳能电池给体材料与器件表征[D].长春工业大学,化学工艺,2013,硕士.
[45]刘新晶.俄汉语中“智慧”观念的对比研究[D].吉林大学,俄语语言文学,2013,硕士.
[46]王斐.庄子哲学思想在现代室内设计中的应用研究[D].沈阳航空航天大学,设计艺术学,2013,硕士.
[47]袁林坡.N_2O的催化还原分解方法研究[D].北京化工大学,化学工程与技术,2013,硕士.
[48]龚建华,林珲.分布式地学虚拟环境研究[J].中国图象图形学报,2001,09:67-73.
[49]吕晶.塔河6区S88断裂带缝洞单元产能差异分析[D].成都理工大学,油气田开发工程,2013,硕士.
[50]刘兴宇.酶和药物在聚电解质微胶囊中的自发沉积与可控释放[D].浙江大学,材料学,2003,硕士.