微小結(jié)構(gòu)粘附的尺度效應(yīng)與張拉法的理論研究.pdf

1、近二十多年以來,隨著材料科學(xué)和微加工技術(shù)的進(jìn)步,微/納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)得到了迅猛發(fā)展,這些微結(jié)構(gòu)元件基本都是0.1微米到幾微米厚,橫向尺寸大約10~500微米,系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)部件之間距離都在1微米左右,這些結(jié)構(gòu)元件的表面積—體積比和縱橫比都很大,使得表面粘附效應(yīng)很明顯,微元件很容易因?yàn)橄噜彵砻婊ハ嗫拷掣皆谝黄饛亩沟谜麄€(gè)微系統(tǒng)失效。然而同時(shí),表面粘附效應(yīng)也給我們帶來了許多意向不到的用途,比如微電子的封裝(Wafer bo

2、nding);最近研究還發(fā)現(xiàn),自然界的許多“攀爬高手”(如壁虎)就是充分利用腳毛與墻壁之間的Van der Waals相互作用而保持在快速爬行中緊緊地粘附在墻壁上,這一重大發(fā)現(xiàn)給微型爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)帶來了新的發(fā)展方向。要想有效地控制或利用微結(jié)構(gòu)之間的粘附效應(yīng),我們首先必需清楚表面粘附相互作用的機(jī)制,通常用來表征這一相互作用的就是材料表面的粘附能。實(shí)驗(yàn)中用來測量表面粘附能的方法有很多種,但是薄膜,特別是生物膜的表面粘附能不容易測量,張拉法

3、就是其中最主要、最常用的一種測量薄膜粘附能的實(shí)驗(yàn)方法。當(dāng)然,表面粘附是一個(gè)涉及物理、化學(xué)、生物和力學(xué)等多學(xué)科的交叉科學(xué),本文主要是從力學(xué)角度,從理論上研究微尺度表面粘附的尺度效應(yīng)和薄膜表面粘附能的測量方法——張拉法。
　　本文的主要工作可歸納為兩大部分:
　　第一部分:從接觸力學(xué)的基本理論出發(fā),分析比較了接觸理論發(fā)展過程中較常用的四類模型:Hertz模型、JKR模型、DMT模型和MD模型之間的關(guān)系,并分別應(yīng)用經(jīng)典的JKR粘附

4、接觸模型和Hertz接觸模型來討論纖維結(jié)構(gòu)納米粘附和胞吞病毒顆粒粘附中的尺度效應(yīng),以期幫助改進(jìn)仿生壁虎爬行機(jī)器人粘性腳的設(shè)計(jì),以及幫助我們?cè)O(shè)計(jì)出合理的納米顆粒載體作為藥物輸送的工具。
　　第二部分:首先應(yīng)用von Karman板殼理論推導(dǎo)出張拉法實(shí)驗(yàn)中待測薄膜在試驗(yàn)過程中的變形狀態(tài)方程,建立理論模型,并分別就矩形壓頭和圓形壓頭兩種實(shí)驗(yàn)情形,利用上述模型導(dǎo)出薄膜表面粘附能的表達(dá)式。其次,研究了薄膜中的殘余應(yīng)力、壓頭與薄膜表面之間的滑

5、移邊界這兩個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,修正以往所用的粘附能表達(dá)式。并比較按照修正的表達(dá)式計(jì)算的粘附能與不考慮這兩個(gè)因素的計(jì)算值之間的差異,討論了這種差異與哪些實(shí)驗(yàn)因素相關(guān)以及彼此的相關(guān)程度,如何削弱這些影響等等,并且就薄膜零抗彎剛度假設(shè)的合理性從理論和具體數(shù)值計(jì)算上進(jìn)行分析和討論,為張拉法實(shí)驗(yàn)提供理論支持。
　　最后,從理論上分析了殘余應(yīng)力對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中的微結(jié)構(gòu)元件的粘附失效的影響,計(jì)算發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力可以在一定程度上減少M(fèi)E