纳米薄膜/涂层力学行为研究

纳米薄膜/涂层的力学行为主要涉及表面应力、弹性模量、硬度、界面结合强度、屈服强度、断裂强度、残余应力、弯曲刚度以及疲劳、开裂失效等。纳米薄膜/涂层的表面和界面应力是引起涂层/薄膜内残余应力的重要原因，同时也是表面重构、界面混合、偏析以及自组织等过程的驱动力^[109-111]。纳米薄膜/涂层的硬度、弹性模量及界面结合强度是纳米薄膜/涂层的最基本的力学参数，不仅在带有薄膜/涂层的器件/构件的设计中会用到，而且也是屈服强度、断裂韧性、表面应力和残余应力测量与评定的基础。鉴于纳米表面工程发展的需要，对纳米薄膜/涂层力学行为的研究显得十分重要。

纳米薄膜/涂层的力学性质可以通过试验观测、数值模拟和理论计算分析得到。因纳米力学理论尚缺乏学科的系统性，目前对纳米薄膜/涂层力学行为的研究主要是通过试验观测和数值模拟。因此，试验观测和数值计算方法在纳米薄膜/涂层力学中占有重要地位。常用的纳米薄膜/涂层力学试验方法主要有纳米压痕和划痕方法^[112]；常用的纳米薄膜/涂层力学数值计算方法主要有分子动力学方法、蒙特卡罗方法、混合法（如分子动力学方法与有限元结合的方法）和元胞自动机方法^[113]等等。

对于微纳米尺度下薄膜/涂层的力学行为的研究，纳米压痕和划痕接触试验比较方便和有效。如压入测试能提供硬度和模量等，划入测试能提供诸如断裂起始的失效机理和区分韧性和脆性断裂方式等的定量信息。纳米压痕和划痕技术不仅能提供丰富的近表面弹塑性变形信息，更是评价微纳米涂层/薄膜力学和摩擦性能的有效手段。运用纳米压痕和划痕技术可进行的具体实验对象包括：

1）纳米薄膜/涂层黏结强度、纳米材料临界负荷。

2）纳米压痕和划痕测试中的力学现象。

3）纳米薄膜/涂层的纳米材料特征。(www.xing528.com)

4）纳米薄膜/涂层工艺优化。

5）纳米摩擦磨损。

6）结合扫描探针显微镜进行纳米材料表面轮廓表征。

纳米压、划痕技术由于具有无损、可以在很小的局部范围测试材料的力学性能等优点，近10年来在材料的微观力学性能研究方面得到了广泛的应用，但纳米压、划痕技术还存在着不可忽视的问题，如在纳米尺度上如何对微硬度或纳米硬度进行定义，薄膜/基体组合体系中基体对薄膜力学性能的影响，材料表面及浅表层物理性能的影响，材料硬度及压痕的影响，以及复合材料的纳米压、划痕力学问题等。

计算机模拟是纳米薄膜/涂层力学研究的另一个有力工具。计算机模拟是独立于理论分析和实验研究的第三种手段，是沟通理论和实验的桥梁。有关分子动力学方法、蒙特卡罗方法、混合法（如分子动力学与有限元结合的方法）的基本原理将在第8章进行详细介绍。这里，仅以颗粒增强复合材料力学行为模拟为例，指出存在的问题及今后的研究方向。目前国内外对颗粒增强金属基复合材料微观力学行为有限元模拟的研究比较多，但对其宏观模拟研究的报道很少。细观尺度模拟能够较细致地描述复合材料的微观几何结构，从而能够很好地模拟复合材料的微观力学行为，但该方法无法描述整体工件的宏观力学行为和无法满足工程应用的需要。颗粒增强金属基复合材料中颗粒的存在对复合材料的变形行为有着重要的影响，因此对该材料本构关系的表达和变形行为的模拟要比一般金属合金复杂得多。构造出能够真实反映所模拟材料的本构关系，将复合材料中增强颗粒对基体的作用通过复合材料变形过程中的本构方程表示出来，再进行工件加工变形的宏观模拟，并探求微观几何结构和宏观力学行为之间的关系，将是今后亟须研究的主要问题。