摘　要：在对纳米压痕测试基本原理及性能特点进行分析研究的基础上，针对一种典型压电双晶片开展了压痕响应测试分析，测得了不同最大压入载荷条件下的载荷-压入深度关系曲线，得到了材料的硬度与最大压入载荷间的关系。本文对分析研究压电材料及其器件的力学性能具有借鉴意义。

关键词：压电双晶片；纳米压痕；力学性能；压痕曲线；硬度

1　引　言

压痕测试技术又被称为深度敏感压痕技术，是通过检测系统拾取压头压入试验样品的压入载荷与压入深度，从而通过载荷-压深曲线测定材料的弹性模量与硬度等基本参数[1-3]。由于压痕测试技术具有测试过程简便灵活、试样制作简单、测试精度高、测试材料力学参数种类丰富等优点，近年来已发展成为材料力学性能测试的主流技术之一，广泛应用于航空航天、信息通信、光电子、纳米工程、微机电系统和纳米摩擦等领域材料微观力学性能的测试分析中[1]。

2　压痕测试基本理论方法

压痕测试中，通过仪器内置的检测单元可直接拾取压入深度h与压入载荷P。依据Oliver和Pharr等人总结提出的接触刚度-接触深度方法，通过载荷-压入深度曲线的卸载段可测定材料的硬度与弹性模量[2-5]。图1为压痕测试曲线的基本构成。

图1　压痕测试曲线的基本构成[5]

加载阶段，试件材料在压头作用下首先发生弹性变形。随着压入载荷的增加，材料逐渐发生塑性变形，使加载曲线呈现出非线性特性。卸载阶段，随着压头脱离试件表面，试件材料会发生弹性恢复。图1中，P和h分别代表压入载荷与压入深度，定义Pmax为最大压入载荷，hmax为对应最大压深，hf为残余压深，S为接触刚度[2-5]。

可采用以下函数拟合载荷-压深曲线的卸载段。

P=k(h-hf)n

(1)

式中，k和n为拟合参数。

在此基础上，定义接触刚度为曲线卸载起始点的斜率，有：

(2)

接触深度hc可表示为：

(3)

其中，ε是与压头形状相关的常量。定义Ap为压头与试件材料的接触区投影面积，有Ap=f(hc)。

可得试件材料的硬度H，可表示为：

(4)

进而可推导出试件材料的弹性模量E为：

(5)

其中，Er为折算模量，是由被测材料的弹性模量E和泊松比v以及压头材料的弹性模量Ei、压头材料的泊松比vi综合确定的。

3　压电双晶片压痕试验测试

压电材料由于其压电效应，在精密传感器、智能发电、噪声与振动控制等领域被广泛应用；又由于其具有逆压电效应特性，在精密驱动定位领域展现出良好的应用前景。本文以一种PZT压电陶瓷双晶片作为被测对象，采用压痕仪器开展了压痕响应测试分析，压头材料为单晶金刚石，以压入载荷作为控制量。

图2为最大压入载荷Pmax=200mN时，压电陶瓷双晶片材料的压痕响应曲线。通过分析压痕曲线可发现，此时压电陶瓷双晶片整体表现出较好的弹塑性特性，结合前述理论方法可得此时的接触深度为1.81μm，整体的硬度为2.49GPa。

图2　最大压入载荷200mN时压电双晶片的压痕曲线

图3为最大压入载荷Pmax=500mN时，压电陶瓷双晶片材料的压痕响应曲线。通过分析压痕曲线可发现，此时压电陶瓷双晶片整体表现出较好的塑性特性；随着压入载荷的增加，其弹性回复性显著削弱。此时的接触深度为2.73μm，双晶片整体硬度为2.73GPa。

图3　最大压入载荷500mN时压电双晶片的压痕曲线

通过一系列的压痕测试，得到不同最大压入载荷下压电陶瓷双晶片整体硬度的测试结果，如图4所示。从图4的试验结果可以发现，材料硬度随最大压入载荷的增加而呈现出波动状态，其原因主要在于压电陶瓷薄片与铍青铜材料粘结的均匀性差异，导致不同压入位置材料性能会产生一定的变化。

图4　压电双晶片硬度值与最大压入载荷的关系

4　结　论

本文对压痕测试基本原理、优点与应用领域进行了分析， 在此基础上，针对一种典型压电双晶片开展了压痕响应的测试分析，得到了不同最大压入载荷下的载荷-压入深度关系曲线。结合压痕测试基本理论，得到了压电双晶片整体的硬度，发现硬度随最大压入载荷的变化呈现出一定的波动，结合对压电双晶片整体结果的分析，认为导致这一现象的原因在于材料整体不均匀性。