[发明专利]一种基于纳米压入测试技术的超薄膜疲劳失效预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料测试技术研究领域，具体的涉及一种基于纳米压入测试技术的超薄膜疲劳失效预测方法。

背景技术

薄膜-基底结构的力学性能与常规器件有着很大的不同，往往会由于受到动态载荷，特别是冲击性的载荷和疲劳性的载荷的作用，而出现屈曲和散裂、断裂，甚至是脱黏与脱层。而且研究发现，薄膜在服役的过程所造成的破坏不只是由于产生了较大幅值的变形，更多是因为薄膜在非弹性变形的范围内，受到往复载荷的作用，能量不断损耗，薄膜与基底之间的力学性能存在差异，导致应力集中和微观变形，由此长时间的反复作用，薄膜就会出现疲劳破坏。

由于薄膜试样的尺寸较小，一般应用于块体材料的常规疲劳试验方法和测量精度，不足以满足其试验要求。常规疲劳拉伸方法是一种常用的单向循环加载法，这种方法试件的制造工艺相对简单，定量性差，其次是只适用于无基体依托的薄膜结构，对于基体-薄膜结构无法进行准确的测量。现阶段用于薄膜疲劳测试较多的方法是悬臂梁动态弯曲法，这种方法相对简单，易于实现。但是由前面的分析可以发现，悬臂梁法试验过程中材料的变形部位多为非均匀变形，其塑性变形区内的应力-应变关系也较为复杂，使得定量计算变得很困难。

纳米级动态载荷测试技术是一种新兴的循环测试技术。与现有的试验方法相比，不仅可以实现分相测试，且模拟的薄膜试验条件可以更接近实际服役环境。更为重要的是，它可以实现多种功能模块的原位定点检测，这就为动态载荷法测试薄膜的疲劳性能提供了技术上的可行性。

当前，已有的报道中采用纳米压痕测试疲劳的研究相对较少，测试技术大致分为两种，一种是基于连续刚度测试技术的纳米压痕法，还有一种是纳米冲击测试技术。

连续刚度测试法(Continuous stiffness measurement，CSM)的基本原理是测试时针尖上施加一个较小的预加载荷，同时施加另一小的振荡载荷，样品放置不动。试验的过程中对连续刚度的变化情况进行观测，因为疲劳损伤的累积会造成试样刚度的下降，进而分析其疲劳特性。CSM法以低周疲劳测试为主，测得的动态信息较多，包括刚度、硬度、弹性模量等，可计算冲击失效功，精度较高。美国俄亥俄州大学的LI等，利用连续刚度法测量了DLC薄膜、石英玻璃、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)以及含金属颗粒磁带的接触刚度与压痕深度之间的关系、疲劳失效情况。

纳米冲击测试技术是一种在动态加载条件下研究薄膜材料性能的微探针测试方法，主要目的是研发用于更加真实模拟薄膜实际服役环境的可量化技术。可进行低周疲劳和高周疲劳两种测试，其中低周疲劳可以测得的信息与CSM测试技术相同，而高周疲劳测试可测得的动态信息较少，只有深度等信息，且精度较低。这部分研究主要是英国的伯明翰大学的BEN在做，他利用纳米冲击测法在相同的试验条件下对比考察了硅片与脆性材料-融凝石英材料的抗冲击性能。

这两种技术都是将已有的纳米压痕仪进行改造和自主编写软件得以实现薄膜疲劳性能测试，具有局限性和专用性。

发明内容

为了解决改造纳米压痕仪和进行繁杂的软件编写等局限性和专用性问题，本发明利用现有的纳米压痕仪所配备的NanoDMA组件实现了薄膜材料的疲劳寿命测试，无需设备改进，具有普适性。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种基于纳米压入测试技术的超薄膜疲劳失效预测方法。现有的纳米压痕仪所配备的NanoDMA(DMA)组件是为了得到材料在不同频率和载荷下的存储模量、损失模量和相位角。

该NanoDMA测试原理如下：

NanoDMA测试原理如图1所示，测试可以得到材料在不同频率和载荷下的存储模量、损失模量和相位角。

存储模量：

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损失模量：