压头曲率半径对单晶硅径向纳动损伤的影响

纳米摩擦学是研究在纳米尺度下的摩擦行为、磨损和润滑机理的学科，随着微机电系统（MEMS）的发展，其在纳米尺度上的摩擦学问题已经成为了实用化进程中的主要障碍。纳米摩擦学中的“纳动”概念是由我国学者率先提出的，用以描述MEMS接触界面间往复运动幅值在纳米量级的特殊摩擦运动方式。纳动与传统的微动不同，主要表现在接触模式、摩擦力变化、摩擦系数大小和损伤模式等方面。纳动损伤可能具有更强的隐蔽性，其运行规律和损伤机制可能表现出独有的特点。 在压头曲率半径对单晶硅径向纳动损伤影响的研究中，研究者利用纳米压痕仪实验研究了不同曲率半径的金刚石压头在单晶硅表面的径向纳动运行行为和损伤特征。金刚石压头在单晶硅表面产生的径向纳动，其行为受到压头的尖端曲率半径和等效曲率半径的影响。研究指出，与尖端名义曲率半径相比，压头在一定压入深度下的等效曲率半径对材料的纳动损伤有决定性影响。 压头的尖端曲率半径是指压头的实际几何形状，而等效曲率半径则是在压入过程中，由于材料弹塑性形变，压头实际与样品接触面的有效曲率半径。尽管Berkovich压头尖端曲率半径仅为150nm，但在高载下其等效曲率半径更大，因此产生的纳动损伤比2μm球形压头轻微。这说明压头的形状和压入行为对纳动损伤的影响更为显著。 实验还显示，在纳动循环初期，不同压头导致的单晶硅表面接触刚度升高和加工硬化现象是不同的。2μm球形压头和Berkovich压头在硅表面的接触刚度升高较快，显示出明显的加工硬化现象；而20μm球形压头则基本不引起硅的加工硬化。 研究结果对理解单晶硅在纳动条件下的损伤机制有重要意义，也对优化MEMS设备中相关材料的使用提供了参考。例如，通过调整压头形状，可以有效控制纳动过程中产生的损伤。研究还表明，CrNx薄膜能够提高40Cr基体的抗压能力、增大接触刚度、降低残余压痕深度并减少能量耗散，从而改善径向纳动的损伤机理。 本文的研究得到了国家自然科学基金和高等学校博士学科点专项科研基金的资助，其成果对纳动理论的发展和完善，以及对相关技术领域的应用具有积极的推动作用。通过深入研究不同压头曲率半径对单晶硅径向纳动损伤的影响，可以在MEMS设计和制造过程中采取相应的优化措施，减少或避免不必要的损伤，提高设备的性能和可靠性。