彈塑性薄膜材料力學(xué)性能鼓包測試模型研究.pdf

1、薄膜材料在表面工程和界面工程等相關(guān)工程應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用，然而在實(shí)際應(yīng)用中，薄膜材料經(jīng)常會因本身強(qiáng)度、剛度和界面結(jié)合強(qiáng)度等力學(xué)性能的不足造成薄膜材料的剝落、開裂等失效。對于各種薄膜元器件，薄膜的力學(xué)性能直接關(guān)系到其可靠性、穩(wěn)定性及壽命，因此，研究準(zhǔn)確表征薄膜材料力學(xué)性能的測試模型具有重要意義。鼓包法是目前少數(shù)能夠同時測量薄膜彈性模量、殘余應(yīng)力、泊松比和界面結(jié)合能等力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法之一，但是該方法現(xiàn)有的各個階段的薄膜力學(xué)性能鼓包測試

2、模型并不完善。本文首先運(yùn)用有限元方法模擬鼓膜實(shí)驗(yàn)，在分析原有鼓膜方程求取相關(guān)力學(xué)參數(shù)精度的基礎(chǔ)上修正了相應(yīng)的解析公式，然后對彈塑性膜/基體系下的鼓泡實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)分析，得到表征彈塑性薄膜材料界面結(jié)合能的經(jīng)驗(yàn)公式。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　(1)比較和歸納了現(xiàn)有的鼓包法測量薄膜力學(xué)性能的理論模型。通過分析鼓包法理論模型的推導(dǎo)過程，總結(jié)出現(xiàn)有的鼓膜理論模型和鼓泡理論模型的優(yōu)缺點(diǎn)。并對現(xiàn)有的理論模型進(jìn)行歸納，得到了能精確反映受壓薄膜響

3、應(yīng)的簡單的廣義鼓膜方程表達(dá)式。
　　(2)建立了圓形、方形和矩形窗口的鼓膜實(shí)驗(yàn)的修正測試模型。通過建立鼓膜實(shí)驗(yàn)有限元模型，研究了彈性常數(shù)和殘余應(yīng)力對鼓膜測試模型的影響。結(jié)果表明，盡管現(xiàn)有的圓形窗口鼓膜測試模型計(jì)算殘余應(yīng)力的精度令人滿意，但計(jì)算雙軸模量的精度并不高。而非圓形窗口鼓膜測試模型計(jì)算雙軸模量或平面應(yīng)變模量的精度都很高，但是求取殘余應(yīng)力的精度還需提高，材料的彈性常數(shù)和膜內(nèi)的殘余應(yīng)力對其測試模型的精度有相當(dāng)?shù)挠绊?。利用修正后?/p>

4、鼓膜測試模型能夠在很大程度上提高鼓膜實(shí)驗(yàn)測量的彈性模量與殘余應(yīng)力的精度。最后通過進(jìn)行方形窗口鼓膜實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了相應(yīng)的修正測試模型。
　　(3)建立了表征彈塑性膜/基體系下的界面結(jié)合能經(jīng)驗(yàn)公式。首先通過建立彈性膜/基體系界面結(jié)合能的有限元模型，并利用內(nèi)聚力單元模擬界面分離過程，研究了孔徑變化對鼓包界面結(jié)合能測試模型的影響，驗(yàn)證了彈性膜/基體系界面結(jié)合能測試模型的有效性。在此基礎(chǔ)上建立彈塑性膜/基體系界面結(jié)合能下的有限元模型，通過大規(guī)模