摘要
作为第三代半导体材料，单晶SiC晶体以其导热率高、硬度大、耐高温、稳定性强和抗辐射等优异性能在精密元器件中的应用日趋广泛。因单晶SiC属于典型的硬脆材料,其加工过程中易产生脆性破碎、裂纹等表面/亚表面损伤，严重影响元器件的使役性能及寿命。基于此，为获得纳米级的表面光洁度以及无损伤的亚表面，本文在数值仿真的基础上，开展了单晶SiC纳米压痕/划痕实验研究，探究了其纳米力学性能及纳米压入、刻划过程中的材料去除与裂纹扩展机制。论文的主要内容如下: （1)开展了单晶SiC纳米压入与刻划过程的数值仿真，探究了压头种类、压头尖端曲率半径和加工深度对材料去除过程的影响。结果表明:随压入深度增加，材料从塑性变形转化脆性去除，材料亚表面陆续出现了横向裂纹和中位裂纹;玻氏压头曲率半径越小,压入过程中材料所受损伤越低;在相同压入参数下，维氏压头造成的脆性断裂损伤最小,而玻氏压头最大;随着刻划深度的增加，材料脆性损伤和应变能会随之增大;当压头尖端曲率半径小于加工深度时，曲率半径对刻划过程的影响较小。 （2)通过纳米压痕试验研究了 4H-SiC和6H-SiC两种单晶SiC材料的纳米力学性能。结果表明:4H-SiC（硅面）和6H-SiC（硅面）的弹性模量平均值分别约为730.1 GPa和592.9 GPa,纳米硬度平均值分别约为53.4 GPa和55.1GPa;并且两种材料都表现出明显的尺寸效应;6H-SiC弹性回复率大于4H-SiC;通过载荷-位移曲线分析表明，4H-SiC塑性变形特性更好。 （3）通过纳米单次、双次刻划试验，分析了单晶SiC刻划过程中材料去除特征以及裂纹扩展规律结果表明:随刻划深度增加，亚表面相继出现中位裂纹、横向裂纹以及表面径向裂纹，该结果验证了仿真模型;6H-SiC（硅面）材料的脆塑转变临界值即塑性去除区域大于4H-SiC（硅面），硅面优于碳面;压头棱朝前刻划的材料塑性去除区域最长且已刻划表面质量最好压头面正朝前刻划方式最差;加载速率的大小对刻划深度影响很小，但脆塑转变临界深度值随加载速率的增大而减小;双划痕过程中通过两种裂纹相互作用形式实现材料去除，分别为双划痕亚表面的横向裂纹相互作用以及亚表面横向裂纹与径向裂纹的相互作用，双划痕之间的相互作用加剧了材料的脆性断裂损伤及去除。
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