含硅类金石膜硬度的有限元仿真.docVIP

含硅类金刚石膜硬度的有限元模拟 刘璨，兰惠清 （北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044） 摘要：。 关键字：含硅类金刚石膜；inite element simulation on the hardness of Si-containing diamond-like carbon films Liu Can, Lan Huiqing （School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China） Abstract: Indentation simulations of Si-containing diamond-like carbon films are carried out by finite element simulation software Abaqus. Two methods (load and displacement respectively) are used to get the results of the hardness with the Si content ranging from 0 to 50%. The results of the two methods fit each other very well, both of which show that the hardness decreases with the increasing Si. It is in agreement with experiments. Keywords: Si-containing diamond-like carbon (Si-DLC); Hardness; Finite element simulation; Indentation 引言 类金刚石（DLC）薄膜是一种新型的硬质润滑功能薄膜材料，具有sp2和sp3电子轨道杂化的碳原子空间网络结构既具有石墨的润滑作用又有接近金刚石的硬度，并且通过调配sp2和sp3结构的比例可以获得不同性能的膜[1]。Lee等用苯和稀释的硅烷混合物作为反应气体，硅含量小于5%时硬度残余应力和弹性随着硅含量的增加而增加性能出现饱和17%后，略有减小。Papakonstantinou等 通过等离子增强化学蒸气沉积生成在Al2O3-TiC衬底上含硅量高达20.2 %的DLC膜，发现硅的添加，硬度减小。Si-DLC膜用压痕法测其硬度，得出了同Papakonstantinou等Wu等，采用热电子激发等离子体的方法进行沉积，添加硅几乎不影响DLC膜硬度和模量。 MSC/NASTRAN软件讨论了摩擦、滑动机制、试件模型的大小对计算结果的影响，重点研究了压头尖端曲率半径对纳米压痕实验数据的影响。张健[7]用Ansys三维有限元模型计算了纳米压头压入过程中Ti-DLC膜的应力分布和变形过程。Youn和Kang[8]用Abaqus软件模拟了非晶硅和7740玻璃的纳米压痕过程，预测了不同压头尖端半径与半锥角条件下的压痕行为。岳珠峰[9]等对单相半无限大材料和薄膜/基体的两相材料系统的平头压痕蠕变损伤响应进行了有限元模拟。刘扬[10]用Ansys和Abaqus软件分别模拟了圆柱和圆锥压头作用下聚酰亚胺变形行为的仿真研究。任德斌[11]等人通过有限元法对Sneddon方程及其修正，提出了一个更为精确的修正系数的经验公式。针对Si-DLC膜，刘翊等人[12]用有限元仿真进行了摩擦性能的研究，但到目前为止，还未见应用有限元方法对于Si-DLC膜硬度的文献。 为了能够解决硅含量对DLC膜硬度影响不统一的问题，作者尝试采用Abaqus软件建立了硅衬底上Si-DLC膜的纳米压痕过程的3D轴对称模型，通过加载力与位移两种方法得到的结果进行比较，研究硅含量与薄膜硬度之间的关系。 有限元模型的建立 Abaqus软件是功能强大的通用有限元软件，其解决问题的范围包括从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。在国内现在主要使用的是Ansys软件，但在处理接触问题时，Abaqus有着更快的计算速度，更完整的曲线范围，且更容易收敛，适用于材料的弹塑性本构方程及流变模型建立，所以在国外已经更多地使用Abaqus来处理接触问题。 在Abaqus CAE的部件模块中建立压头和测试样的实体模型，由于压头材料的硬度和弹性模量远远大于样，故将压头建立为刚体模型，样建立为3D轴对称可变形模型。为了更好地模拟所用的Berkovich压头，模型中采用与Berkovich压头相同的半锥角为65.3o的圆锥模型 在特性模块中定义试样的材料属性，如表1所示，Si-DLC膜的