1。介绍gydF4y2Ba
最近,涂层正变得越来越重要。采取了各种功能性涂层提高衬底的表面性质,如氧化物涂层已应用于聚合物基质和陶瓷涂层已应用于金属基板(gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba
6gydF4y2Ba ]。这些涂料的力学性能决定一生很重要。然而,传统技术不能测量薄涂料层的力学性能。因此,nanoindentation已经被采用,这是一个有效的技术来确定薄涂层的机械性能。这种测量的特点在纳米操作——submicroscale和记录压痕力和渗透,从试样的力学性能(如杨氏模量、硬度、应力松弛)可以deconvoluted [gydF4y2Ba
7gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba
9gydF4y2Ba ]。gydF4y2Ba
这个测试已经广泛研究近年来;越来越多的关注已经从测量单一材料的力学性能决定涂层/基体系统的机械性能,后者一个在经济上总是相对的。在涂层/基体系统中,与压痕深度的增加,基体变形开始发挥重要作用的压痕响应涂料(gydF4y2Ba
7gydF4y2Ba ]。因此,本研究主要探讨如何衬底变形期间可能会影响涂层的缩进响应nanoindentation测试。gydF4y2Ba
2。方法gydF4y2Ba
2.1。有限元模型gydF4y2Ba
基板变形包括弹性和塑性变形,而变形在压痕要复杂得多。因此,有限元分析已经成为一个主要的技术来模拟硬涂层在软聚合物的反应缩进的球技巧。本研究调查的影响nanoindentation反应底物,通过改变聚合物的参数,如弹性模量和粘弹性。gydF4y2Ba
经典的赫兹接触模型被用来确定gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0gydF4y2Ba
或gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
∞gydF4y2Ba
。为nanoindentation loading-holding协议,力与位移之间的关系增加一段是由(gydF4y2Ba
10gydF4y2Ba ]gydF4y2Ba
(1)gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
/gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
δgydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
/gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
力,gydF4y2Ba
δgydF4y2Ba
位移,gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
杨氏模量,gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
是有效半径,gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
泊松比。gydF4y2Ba
在应力松弛时期,力-位移关系是由(gydF4y2Ba
10gydF4y2Ba ]gydF4y2Ba
(2)gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
/gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
δgydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
/gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
kgydF4y2Ba
经验值gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
τgydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
是时间,gydF4y2Ba
kgydF4y2Ba
是有关常数,gydF4y2Ba
τgydF4y2Ba
rgydF4y2Ba
是时间常数。gydF4y2Ba
6.10有限元分析已经使用有限元分析软件。由于硬度计压头的对称性质和涂层/基体系统,建立了二维轴对称模型代替三维模型。在这种情况下,弹塑性变形响应从这两个模型是相同的(gydF4y2Ba
11gydF4y2Ba ),前者模型给出了计算效率。图gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba 显示有限元网格的详细信息:(a)涂层/基体系统的概述和(b)涂层的放大细节元素下面的小费。CAX4R元素类型,这是一个4-node双线性轴对称四边形与减少集成。总共有9822个元素采用涂层/基体系统模型。更好的元素安排下硬度计压头提供更准确的模拟结果。镀层和基体之间的界面可以动态复杂如保税,比如生物细胞活性材料(gydF4y2Ba
12gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba
14gydF4y2Ba ]。在这项研究中,重点是硬涂层的力学性能在柔软的聚合物。因此,它被认为是完美的结合。一个完全固定边界条件应用于复合模型的底部。一个轴对称边界条件应用于硬度计压头和系统的对称轴。gydF4y2Ba
图1gydF4y2Ba
有限元网格球面提示缩进硬涂层衬底。(一)涂层/基体系统的概述。(b)扩大涂层元素球形提示下面的细节。gydF4y2Ba
在模型中,球面半径为150gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba 使用m。玻璃是采用硬涂层,厚度固定到10gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba m。这种玻璃70 GPa的杨氏模量。聚合物作为材料使用的基质,杨氏模量的变化从0.7绩点到7的GPa。为了获得更精确的结果,泊松比的玻璃和聚合物固定0.3开始,之后gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
(玻璃)改为0.25gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
(聚合物)改为0.5告诉泊松比的影响。对于粘弹性材料,一个不合适的加载速率将大大影响的力学响应。它可能导致低估了接触刚度甚至负接触刚度在装卸nanoindentation测试。尽量减少这样的影响,采用最大负载的持有期。如图gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba ,最大的渗透5gydF4y2Ba
μgydF4y2Ba 采用m ramping-holding程序(增加周期是1 s,持有期是10 s)。减少摩擦和边界模拟,它是假定硬度计压头和样品表面之间的接触被认为是无摩擦的,宽度和高度的涂层/基体系统相比足够大的压痕深度,和材料是各向同性和均匀。gydF4y2Ba
图2gydF4y2Ba
Ramping-holding-unloading过程。gydF4y2Ba
2.2。粘弹性模型gydF4y2Ba
对于粘弹性材料,如细胞,赫兹接触模型不能直接采用,这可能会导致高估的杨氏模量。粘弹性模型通常用于调查材料的杨氏模量(gydF4y2Ba
15gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba
16gydF4y2Ba ]。在模拟,普龙尼系列模型被用来描述涂层/基体的粘弹性行为系统。归一化松弛模量(gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
)是由(gydF4y2Ba
10gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba
17gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba
18gydF4y2Ba ]gydF4y2Ba
(3)gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
∞gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
∑gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
经验值gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
τgydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
∞gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
∑gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
∞gydF4y2Ba
是归一化平衡系数,gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
是有关的常数,gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
是时间,gydF4y2Ba
τgydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
是时间常数。在这项研究中,gydF4y2Ba
τgydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
是固定的0.1秒,gydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
被认为是1。因此,杨氏模量是由gydF4y2Ba
(4)gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
∞gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0gydF4y2Ba
瞬时弹性模量。gydF4y2Ba
因此,方程所示的力-位移关系gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba )和(gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba 基于时间)可以重新安排。在应力松弛期间,gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
≤gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
≤gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
方程(gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba )可以写成gydF4y2Ba
(5)gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
δgydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
/gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
∞gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
τgydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
经验值gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
τgydF4y2Ba
经验值gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
τgydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
。gydF4y2Ba
而在加载期间,当gydF4y2Ba
0gydF4y2Ba
≤gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
≤gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
方程(gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba 可以相应地写成)gydF4y2Ba
(6)gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
δgydF4y2Ba
3gydF4y2Ba
/gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
∞gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
τgydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
经验值gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
tgydF4y2Ba
τgydF4y2Ba
。gydF4y2Ba
2.3。拟合模块gydF4y2Ba
后得到的数据gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
(复合)的相对半径和接触,gydF4y2Ba
xgydF4y2Ba
克利福德提出的方程、Seah用于适合它们之间的关系,这是由(gydF4y2Ba
19gydF4y2Ba - - - - - -gydF4y2Ba
21gydF4y2Ba ]gydF4y2Ba
(7)gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
xgydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
xgydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
问gydF4y2Ba
xgydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
(8)gydF4y2Ba
xgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
RgydF4y2Ba
δgydF4y2Ba
hgydF4y2Ba
厚度gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
(9)gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
。gydF4y2Ba
已经采用商业软件MATLAB进行曲线拟合过程中,通过使用最小均方的方法。事实上,它是发现,结果从方程(gydF4y2Ba
7gydF4y2Ba )显示高水平的不确定性,如gydF4y2Ba
问gydF4y2Ba
在一定范围内改变。为了避免这种不确定性,方程(gydF4y2Ba
7gydF4y2Ba )被修改为gydF4y2Ba
(10)gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
xgydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
xgydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
问gydF4y2Ba
xgydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
。gydF4y2Ba
与方程(gydF4y2Ba
7gydF4y2Ba ),这个给了高稳定性的优点和初始边界条件(即会议。,当gydF4y2Ba
xgydF4y2Ba
接近为0,gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
/gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
cgydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
年代gydF4y2Ba
∗gydF4y2Ba
应该是0)。这反映了物理洞察力,当压痕深度足够小,只有将测量涂层的弹性模量。gydF4y2Ba
4所示。讨论gydF4y2Ba
4.1。复合材料的杨氏模量gydF4y2Ba
如数据所示gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba 和gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba ,固定掉,当衬底的杨氏模量增加从1.4绩点到7 GPa,杨氏模量比例将迅速减少1和杨氏模量的复合将接近杨氏模量的底物当普及率上升从0.5毫米到5毫米。gydF4y2Ba
另一方面,比较了数据如图gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba 和gydF4y2Ba
11gydF4y2Ba ,杨氏模量复合减少当复合泊松比从0.3增加到0.38。增加的渗透,gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
(底物)或gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
(复合),影响聚合物的越来越多导致缩进的回应。gydF4y2Ba
4.2。拟合参数gydF4y2Ba
涂料(gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0.3gydF4y2Ba
)/衬底(gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0.3gydF4y2Ba
)系统,只有gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
杨氏模量的增加而提高底物,和gydF4y2Ba
问gydF4y2Ba
和gydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
几乎没有受到影响。因此,似乎gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
是由gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
(基质),当gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
(涂层)=gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
(基质)。gydF4y2Ba
涂料(gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0.25gydF4y2Ba
)/衬底(gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0.5gydF4y2Ba
)系统,gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
和gydF4y2Ba
问gydF4y2Ba
都受到gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
(底物)和gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
(复合)。确切地说,gydF4y2Ba
PgydF4y2Ba
随杨氏模量的增加底物。和gydF4y2Ba
ngydF4y2Ba
只是受gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
(基质)的变化无关gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
(复合)。gydF4y2Ba
4.3。能量损失gydF4y2Ba
比较数据gydF4y2Ba
8gydF4y2Ba 和gydF4y2Ba
13gydF4y2Ba 从这些不同的系统,数据几乎是相同的。一个可能的解释是,复合材料的泊松比不会影响系统的能量损失。此外,能量损失主要是由gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
(基质),尽管它也受到渗透和衬底的杨氏模量。能量损失将高于95%gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0.9gydF4y2Ba
但当不到5%gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
我gydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0.1gydF4y2Ba
。另一方面,能量损失也表明趋势的变化和残余应力的大小。gydF4y2Ba
5。总结gydF4y2Ba
在这项研究中,缩进硬涂层的反应(gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0.3gydF4y2Ba
不同的基质(9日)gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
0.3gydF4y2Ba
)模拟和分析首先,现在大部分工作集中在应力松弛。通过计算杨氏模量的比值,杨氏模量的复合取得每个穿透深度。然后,之间的关系gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
(复合)和渗透在不同基质已经计算拟合曲线。gydF4y2Ba
此外,能量损失的数据已经证明调查如何受到基质的影响。通过改变gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
(涂料)和gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
(底物)0.25和0.5,分别从泊松比的影响也被研究。gydF4y2Ba
直到现在,从影响gydF4y2Ba
EgydF4y2Ba
(底物),gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba我gydF4y2Ba
(底物)、渗透和讨论了泊松比在持有期,可以用来预测的缩进响应组合与不同的基质。然而,泊松比的复合尚未制定。因此,作为一个未来的工作,需要更多的调查gydF4y2Ba
vgydF4y2Ba
(复合)和nanoindentation反应增加。gydF4y2Ba