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含硅类金刚石膜的力学性能研究

作　者: 刘璨
导　师: 兰惠清
学　校: 北京交通大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 含硅类金刚石(Si-DLC)膜分子动力学(MD)模拟硅有限元力学性能
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

由于类金刚石(DLC)膜具有它独特的性质,例如：高硬度、低磨损、低摩擦、抗腐蚀性和较好的化学稳定性,在过去的二十年里,人们对它展开了大量的研究。DLC膜已经成为重要的技术材料,在许多机械领域得到运用。但是DLC膜也存在某些缺陷,无法满足工业上的一些特殊要求。因此,近年已经开始在DLC膜中掺杂金属或非金属元素的研究。目前发现：特别是加入硅能明显改善DLC膜在潮湿空气和高温下的性能,具有良好的工业应用前景。但是实验研究表明,硅的添加量对含硅DLC (Si-DLC)膜的微观结构和力学性能影响很大,而且其微观机理也不很清楚。因此,本文综合运用分子动力学模拟和有限元仿真的方法分别从微观与宏观方面来研究Si-DLC膜的硬度等力学性能。首先,我们运用熔融退火的分子动力学模拟方法构建一个密度为2.6g/cm3的Si-DLC膜,分析其体积模量。结论表明,在Si-DLC膜中,随着硅含量的增加,体积模量不断减小。接着,在膜正上方加上一个金刚石压头形成压痕模型,进行压痕过程的分子动力学模拟。结果表明,压入阶段时,在压头和膜接触前,即相对高度为正时,正压力几乎不变。之后压头压入膜中,正压力随着压头的深入,即相对高度的减小而增大。此时正压力为正值,即压头受到向上的斥力。撤回阶段时,随着压头的撤回,即相对高度的增加,斥力减小。减小到零后,正压力变为负值,即转变为引力。该引力先增大,之后逐渐减小为零。硅含量小于0.4时,正压力的最大值和压强随其增大而减小,之后略有增加。膜的硬度减小,这与Papakonstantinou等人的实验相符。而且硅的添加使压强大大减小最后,应用ABAQUS软件建立压痕的有限元模型,分析其力学行为。通过加载力与位移两种方法对Si-DLC进行了纳米压痕模拟,得到了它的硬度随硅含量从0到50%变化的曲线。两种方法的结果吻合,与分子动力学模拟的趋势相同,都显示含硅DLC膜的硬度随着硅含量的增加而减小。本论文的研究结果与实验吻合很好,因此能为Si-DLC膜的实验研究提供理论指导,将促进该薄膜在不同工业领域的应用。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
1 绪论  11-23
  1.1 DLC膜  11-13
  1.2 Si-DLC膜  13-21
    1.2.1 Si-DLC的制备  13-14
    1.2.2 Si-DLC膜的应用  14-17
      1.2.2.1 Si-DLC膜的热稳定性及应用  14-15
      1.2.2.2 Si-DLC膜的耐腐蚀性及应用  15
      1.2.2.3 油润滑条件下Si-DLC膜的低摩擦性及应用  15-16
      1.2.2.4 Si-DLC膜的扩大透明的红外区范围  16
      1.2.2.5 具有高寿命的Si-DLC膜的应用  16
      1.2.2.6 Si-DLC膜的生物适应性和力学性能及应用  16-17
    1.2.3 Si-DLC的实验研究  17-20
    1.2.4 Si-DLC的理论研究  20-21
  1.3 本课题的意义及完成的主要工作  21-22
  1.4 本章小结  22-23
2 分子动力学模拟方法  23-41
  2.1 概述  23-24
  2.2 平衡态分子动力学模拟  24-31
    2.2.1 基本方程  24-25
    2.2.2 求解方法  25-27
    2.2.3 边界条件和初值  27-29
      2.2.3.1 元胞周期性边界条件  27-28
      2.2.3.2 最小影像力  28-29
    2.2.4 能量、压力以及温度的控制  29-31
      2.2.4.1 正则(NVT)系综  30
      2.2.4.2 等温等压(NPT)系综  30-31
  2.3 熔融淬火过程的模拟  31-37
    2.3.1 模型构造描述  31-32
    2.3.2 势函数的选择  32-35
    2.3.3 加热融化(NVT)和快速退火(NPT)及成膜  35-37
  2.4 体积模量  37-39
  2.5 本章小结  39-41
3 纳米压痕  41-47
  3.1 压痕的模拟  41-42
    3.1.1 压痕模型的建立  41
    3.1.2 压头压入和撤回  41-42
  3.2 正压力随硅含量的变化  42-45
  3.3 硬度  45
  3.4 压强  45-46
  3.5 本章小结  46-47
4 有限元仿真  47-59
  4.1 弹塑性接触及有限元理论  47-52
    4.1.1 Hertz理论  47-49
    4.1.2 Von Mises屈服准则  49-50
    4.1.3 接触问题的有限元分析  50-51
    4.1.4 ABAQUS有限元软件  51-52
  4.2 建模  52-53
  4.3 结果与讨论  53-58
    4.3.1 加载力的有限元仿真结果  53-56
    4.3.2 加载位移的有限元仿真结果  56-58
  4.4 结果讨论  58
  4.5 本章小结  58-59
5 结论  59-61
  5.1 结论  59
  5.2 展望  59-61
参考文献  61-65
作者简历  65-69
学位论文数据集  69

含硅类金刚石膜的力学性能研究

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