薄膜材料鼓包裝置的研制及力學(xué)性能表征.pdf

1、隨著微納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,薄膜材料被廣泛應(yīng)用于表面工程和界面工程等相關(guān)工程實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中,如金屬材料表面的抗腐蝕薄膜、刀具表面的耐磨金剛石涂層、以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的熱障涂層等。然而,薄膜材料在加工成器件以及使用過(guò)程中,由于受到各種機(jī)械及熱載荷的作用使其產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變失配,導(dǎo)致薄膜材料的剝落、開(kāi)裂等失效行為。對(duì)薄膜力學(xué)性能的準(zhǔn)確表征是設(shè)計(jì)、改善和提高薄膜材料與器件壽命與可靠性的關(guān)鍵。顯然,傳統(tǒng)的大塊材料研究方法與手段已經(jīng)不適用于微納米

2、級(jí)薄膜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。因此,發(fā)展表征薄膜力學(xué)性能的方法與實(shí)驗(yàn)裝置并得到薄膜的關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)是很有必要的。本文研制了薄膜材料高精度全場(chǎng)測(cè)量鼓包裝置,并將其應(yīng)用于薄膜材料力學(xué)性能的表征中。主要內(nèi)容如下:
　　1.調(diào)研了現(xiàn)有鼓包法表征薄膜力學(xué)性能的方法與裝置,提出薄膜材料鼓包表征技術(shù)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)現(xiàn)有薄膜力學(xué)性能鼓包表征的理論模型、試樣制備以及實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行研究,總結(jié)出現(xiàn)有方法及裝置存在的問(wèn)題與不足。提出薄膜材料鼓包表征時(shí)全場(chǎng)位移的精確測(cè)

3、量以及相應(yīng)裝置的研制、小撓度下屈服強(qiáng)度的表征方法和彈塑性薄膜材料界面結(jié)合性能的表征模型等是薄膜材料鼓包表征技術(shù)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　2.將數(shù)字散斑相關(guān)法應(yīng)用在鼓包法中,實(shí)現(xiàn)了薄膜鼓包變形的高精度全場(chǎng)測(cè)量,并基于這一方法研制了薄膜力學(xué)性能鼓包裝置。首先介紹數(shù)字散斑相關(guān)法測(cè)量薄膜全場(chǎng)位移的原理。然后用遠(yuǎn)心鏡頭取代數(shù)字散斑相關(guān)法測(cè)量光路中的普通鏡頭,克服了傳統(tǒng)光路的視差問(wèn)題。這個(gè)裝置克服了現(xiàn)有裝置測(cè)量精度低、操作復(fù)雜以及實(shí)驗(yàn)時(shí)容易受外

4、部環(huán)境干擾而中斷的缺點(diǎn),不僅測(cè)量精度高,可以提供薄膜變形的全場(chǎng)信息,而且操作簡(jiǎn)單,對(duì)環(huán)境要求低。
　　3.提出小撓度下薄膜屈服強(qiáng)度的鼓包法表征方法,彌補(bǔ)了現(xiàn)有模型只能適用薄膜球冠狀大變形條件的不足。研究鎳膜小撓度變形下壓力與撓度的關(guān)系,由此得到鎳膜的彈性模量。并通過(guò)與拉伸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了裝置的可靠性。然后,從薄膜的小撓度變形理論出發(fā),根據(jù)鎳膜受壓變形時(shí)的位移場(chǎng)得到薄膜的應(yīng)力場(chǎng),從鎳膜小撓度變形范圍內(nèi)撓度-壓力曲線(xiàn)上偏離線(xiàn)性關(guān)

5、系的臨界點(diǎn)求得鎳膜的屈服強(qiáng)度。
　　4.區(qū)別于常見(jiàn)的圓形薄膜窗口膜基界面結(jié)合能研究,對(duì)方形薄膜窗口的界面結(jié)合性能進(jìn)行了表征。對(duì)于某些特殊的膜基材料,如硅基薄膜材料,在制樣時(shí)由于硅刻蝕的各向異性,只能制備出方形或長(zhǎng)方形的薄膜窗口。本文以聚丙烯薄膜/鋼膜基材料為研究對(duì)象,在鋼基底上加工出方形孔,觀察聚丙烯薄膜受壓變形直到從基底剝離的過(guò)程。通過(guò)分析其變形以及剝離形貌,發(fā)現(xiàn)聚丙烯薄膜首先從窗口邊緣的中點(diǎn)開(kāi)始剝離并擴(kuò)展到窗口的邊角。這一實(shí)驗(yàn)

6、現(xiàn)象應(yīng)用薄膜大撓度理論給予了證明。
　　5.基于梁的彎曲理論和塑性流動(dòng)法則,建立了彈塑性膜/剛性基底體系界面結(jié)合能模型。以鎳/鋼這種雙韌性膜基材料為研究對(duì)象,對(duì)其界面結(jié)合能進(jìn)行表征。針對(duì)這種特定的膜基材料體系,探索了其鼓包樣品的制備方法,對(duì)其受均布?jí)毫椥宰冃螘r(shí)的界面結(jié)合性能進(jìn)行研究。采用集中加載法研究了鎳膜的彈塑性剝離,提出表征彈塑性薄膜膜基結(jié)合能的模型,彌補(bǔ)了現(xiàn)有鼓包模型只能應(yīng)用于薄膜彈性變形的不足。
　　總之,論文較系