单晶 Si
表
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面微观磨损机理的 SEM 研究
孙 � 蓉1, 2 ,徐 � 洮1 ,张治军2 ,刘惠文1 ,薛群基1
( 1 中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室,甘肃 兰州 73000;
2 河南大学特种功能材料重点实验室,河南 开封 475001)
� � 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No. 50172052, No. 50175105) ,中国科学院百人
计划
项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载
资助项目.
� � 在微型机电系统和计算机磁
记录
混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载
系统中, 硅材
料的应用正日益受到重视。这是由于硅材料具有硬
度高、表面光洁度好、成本低廉、易于采用集成电路
技术制造和有利于器件微小型化等特点。因此,有
关硅材料的微观摩擦学问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
的研究已成为国际摩擦
学领域的前沿课题。由于单晶 Si材料脆性较大,在
摩擦过程中往往迅速发生脆性断裂, 以前的研究多
集中于单晶 SiO2 和表面经过改性的单晶 SiO2 的摩
擦磨损过程 [ 1, 2] , 而对单晶 Si本身的摩擦磨损性能
的研究,较少见报道。本文利用 UMT�2M 微摩擦试
验机, 采用线性加载条件下的刻划方式考察了单晶
Si表面的微摩擦性能, 并结合扫描电子显微镜对单
晶Si表面摩擦轨迹的微观形貌及摩擦磨损机理进
行了
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
。
实验部分
实验用单晶 Si样品经切割后制成尺寸为 20mm
� 20mm � 3mm 的薄片,其晶面为( 100)面,显微硬度
约为 1160HV0�01。摩擦实验前单晶Si片在丙酮中超
声清洗 10min, 用热风吹干。摩擦磨损试验采用美
国产UMT�2M微摩擦试验机, 在室温和相对湿度为
20%~ 30%的空气中进行, 摩擦对偶选择顶端半径
为0�4mm的复合金刚石探头刻划, 探头行进速度为
0�1mm�s,加载速度为2g�s。经摩擦后的单晶Si样品
用 JSM�5600LV扫描电子显微镜对其表面摩擦轨迹
的微观形貌进行分析。
结果与讨论
图1所示为 UMT 输出的摩擦实验结果。其中
FZ 为法向载荷, Ff 为摩擦力, A E 为摩擦过程中的
声信号。可以看出在摩擦的开始阶段, 随着法向载
荷的逐渐增大, 摩擦力平稳增大, 声信号 A E 小且平
稳;当法向载荷达到 98g 时,摩擦力 F f 与声信号A E
突然同时增大, 标志着被测样品表面开始出现较明
显的脆性断裂。
为了确定在摩擦过程中单晶 Si表面的磨损机
理, 我们通过扫描电镜( SEM)对单晶 Si表面的摩擦
轨迹进行了分析。图 2中 a、b、c按顺序显示了摩擦
轨迹从开始到剧烈磨损不同阶段的 SEM 照片。从
照片中可以看到,在开始阶段(图 2 a) ,划痕表面较
平整,有均匀连续的塑性变形层, 摩擦轨迹边缘有少
许磨屑, 但无脆性断裂形成。随着压力的增加, 剥落
增多并出现小的脆性断裂所形成的凹坑(图 2 b) ,此
时没有出现声信号 A E 和摩擦力Ff 的明显增大。当
压力继续增大(大于98g)时,声信号 A E 和摩擦力Ff
突然变大,表面出现了大的脆性断裂(图 2 c) , 这与
图 1所示的摩擦曲线是相互对应的。为了便于观察
脆性断裂从小到大的变化过程, 我们缩小放大倍数
得到了图 2 d, 从中可以看到, 磨损的加剧、裂纹的
变大是间歇渐进的,阶段性地出现越来越大、越来越
多的裂纹。这是由于整个刻划过程类似于金属刀具
的 微切削!, 实际上是复合金刚石探头与被测表面
相互挤压而产生磨损,在每次产生较大裂纹之前会
有一个塑性变形的积累(图 2 b, 2c中可明显看到塑
性流动) ,当压力增大到一定值时, 被测表面发生较
大的脆性断裂,磨损加剧。
以上的研究结果表明:单晶 Si表面在微观的摩
擦磨损过程中脆性断裂之前存在着明显的塑性变
形, 从而为进一步用表面改性的方法提高 Si材料的
摩擦学性能提供依据。
参考文献:
[ 1 ] 徐洮,薛群基,田军. 氮离子注入 SiO2 单晶磨损机理
的 SEM研究[ J] . 摩擦学学报, 1999, 19( 2) : 289�293.
[ 2 ] Xu Tao, Lu Jingjun, Xue Qunji. Effect of ion mixing by
C+ implantation on friction and adhesion of amorphous
carbon film on SiO2[ J] . Materials Science and Engineering
A, 2000, 284: 51�55.
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电子显微学报 � J. Chin. Electr. Microsc. Soc.
� � � � 22( 6)∀516~ 517 � 2003年
图 1 � 刻划实验的摩擦曲线。
图 2� 摩擦轨迹的 SEM照片(其中 a, b, c为顺序排列摩擦轨迹从开始到剧烈磨损不同阶段的SEM 照片, Bar= 5�m, d 为摩擦
轨迹上两裂纹之间的 SEM 照片, Bar= 10�m)。
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