凸结构的形成-低载下单晶硅表面的划痕损伤研究

利用纳米划痕仪及曲率半径3μm的球形金刚石针尖，在单晶硅（100）表面进行了不同载荷下的划痕实验。结果表明：随载荷的增加，单晶硅表面的划痕损伤先后经历了从凸起形成、凸起与凹槽并存到材料去除的变化过程。当载荷为0.5～3.0mN时，单晶硅上的划痕损伤表现为凸结构的形成，且凸起的高度和体积随载荷的增加而增大；当载荷为3～50mN时，凸起和凹槽同时出现，但损伤区域体积未见减少，损伤仍以凸结构形成为主导；当载荷大于50mN时，凹槽深度和磨损体积明显增大，划痕损伤表现为典型的材料去除。进一步的分析显示，单晶硅的划痕损伤特征与其接触区的应力状态密切相关，低载下的摩擦和剪切作用是凸结构产生的主要原因。