Si-DLC膜微觀摩擦性能及彈塑性接觸有限元分析.pdf

1、本文采用試驗方法研究了硅摻雜類金剛石(Si-DLC)膜的微觀摩擦力學(xué)性能，同時從數(shù)值模擬的角度進(jìn)一步分析了硅材料微機電器件表面鍍Si-DLC膜前后，其彈塑性接觸性能和摩擦熱分布的規(guī)律。
　　 首先，介紹了微波電子回旋共振等離子體增強化學(xué)氣相沉積和等離子體增強非平衡磁控濺射兩種工藝綜合制備Si-DLC膜的原理和具體工藝。所制樣品表征結(jié)果表明Si-DLC膜是非晶膜。采用原子力顯微鏡(AFM)分析了膜表面形貌和濺射偏壓的關(guān)系，隨著基底

2、負(fù)偏壓的增加，薄膜的表面粗糙度值逐漸減小，濺射偏壓為400V左右時，薄膜表面形貌平滑，且表面粘附力值小。
　　 其次，采用微米級別的AFM球頭探針對Si-DLC膜進(jìn)行了摩擦實驗。研究了微米尺度下，外加載荷和掃描速率對薄膜摩擦性能的影響?？紤]粘附的影響，提出了適用于微觀低載荷接觸摩擦力表征的修正Amonton公式。分析了摩擦系數(shù)與表面形貌粗糙峰之間的關(guān)系，根據(jù)薄膜表面粗糙峰的分布，建立了微米尺度下球頭探針與薄膜表面粗糙峰的等效接觸

3、模型，并推導(dǎo)了摩擦力關(guān)于載荷和形貌參數(shù)的函數(shù)表達(dá)式，表明單位面積接觸粗糙峰密度對摩擦力大小起著主導(dǎo)作用。所建接觸模型成功解釋了摩擦實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。
　　 接著，采用尖頭探針、球頭探針和平頭探針對Si-DLC膜進(jìn)行了摩擦實驗，進(jìn)一步研究了薄膜的摩擦力學(xué)性能。探討了不同接觸尺度下，薄膜表面粘附力及摩擦產(chǎn)生的機理。建立了不同探針與膜表面粗糙峰的接觸模型，推導(dǎo)了表面粘附力與接觸面積的關(guān)系表達(dá)式，表明在微觀接觸中，接觸面積的大小對粘附

4、力起著主導(dǎo)作用。尖頭探針與薄膜表面的微觀摩擦系數(shù)取決于表面粗糙峰的斜率，與粗糙峰的高度相關(guān)不大；球頭探針與薄膜表面的摩擦力主要取決于單位面積接觸粗糙峰密度；平頭探針與薄膜表面的摩擦力取決于外加載荷大小，表面形貌的微觀尺寸效應(yīng)可忽略。
　　 最后，用有限元數(shù)值方法模擬了硅材料微機電器件表面鍍Si-DLC膜前后，其彈塑性接觸及摩擦熱分布的性能。用ansys10.0建立了彈塑性接觸和摩擦熱分析的有限元幾何模型，分析了彈性階段和彈塑性階