納米金屬薄膜拉伸變形分叉的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值分析.pdf

1、柔性電子產(chǎn)品中大量使用薄膜組件和薄膜連接導(dǎo)線,在使用過(guò)程會(huì)受到反復(fù)的拉伸、卷曲和折疊。將薄膜和基底作為一個(gè)基本結(jié)構(gòu),研究薄膜在拉伸載荷下的變形分叉和失效機(jī)理,對(duì)提高薄膜器件的穩(wěn)定性和使用壽命具有重要意義。
　　在本文中,根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求開(kāi)發(fā)了一套適合薄膜/基底結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡下原位觀察的拉伸加載裝置,此裝置主要由三部分組成:反向螺紋對(duì)中加載框架、柔順鉸鏈加載及力傳感部件和位移傳感器。柔順鉸鏈加載及傳感部件采用橢圓柔順鉸連接,能夠消除普

2、通鉸鏈連接和螺紋傳遞連接所形成的空行程,并與力傳感器做成一體的整體式框架結(jié)構(gòu)。該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊,簡(jiǎn)單,制作成本低,操作方便等特點(diǎn),能夠解決難夾持,原位實(shí)時(shí)觀察,施加載荷增量和應(yīng)變小等難題,與應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)連接使用,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,此加載裝置能夠滿足納米金屬薄膜拉伸變形分叉實(shí)驗(yàn)的需要,力加載精度高。
　　本文采用磁控濺射技術(shù)在PET基底上濺射不同厚度的納米銅膜和納米鋁膜,在光學(xué)顯微鏡下原位觀察納米金屬薄膜在拉伸載荷下的變形分叉響應(yīng)和損

3、傷過(guò)程。研究表明:薄膜/基底結(jié)構(gòu)在拉伸過(guò)程中薄膜經(jīng)歷了均勻變形、微裂紋形成擴(kuò)展和微裂紋飽和三個(gè)階段。臨界應(yīng)變與薄膜尺寸和材料相關(guān),隨著膜厚的增加,臨界應(yīng)變值是先增大后減小,有明顯的尺度效應(yīng),表明薄膜存在著最佳厚度尺寸,納米銅膜的最佳厚度大約在500nm左右。在相同條件下,納米銅膜的臨界應(yīng)變比納米鋁膜的小。微裂紋飽和后,裂紋間距與薄膜厚度成線性關(guān)系。根據(jù)分叉后微裂紋間距與界面強(qiáng)度關(guān)系,分析表明納米銅膜和納米鋁膜的界面強(qiáng)度與膜厚度有關(guān),界面

4、強(qiáng)度與臨界應(yīng)變的變化規(guī)律一致;根據(jù)薄膜/基底和單一基底力—位移拉伸曲線與薄膜楊氏模量的關(guān)系,分析了納米銅膜和納米鋁膜的楊氏模量,形成致密薄膜后,其楊氏模量與膜厚度無(wú)關(guān),與對(duì)應(yīng)的塊體材料楊氏模量相比,納米銅膜的楊氏模量與塊體材料的值差不多,為114.6GPa,若考慮粘接界面的影響,這與按照構(gòu)造和單晶彈性常數(shù)計(jì)算的模量值120GPa很接近,而納米鋁膜的楊氏模量比塊體材料的值小近一半,為28.5GPa;另外,經(jīng)過(guò)納米銅膜實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在相同的界面

5、條件下,PET基底的力學(xué)性能對(duì)薄膜的臨界應(yīng)變和裂紋擴(kuò)展速度有影響,塑性硬化率小的基底上薄膜裂紋向界面擴(kuò)展的速度快。
　　本文基于冪硬化材料,用有限元對(duì)粘接在基底上薄膜的拉伸分叉行為進(jìn)行二維數(shù)值模擬,通過(guò)對(duì)材料硬化關(guān)系的匹配模擬,發(fā)現(xiàn)薄膜拉伸變形分叉存在三種模式:均勻變形、單一頸縮和多個(gè)頸縮。完好粘接下材料硬化關(guān)系匹配決定分叉模式,只有弱硬化薄膜粘接在強(qiáng)硬化基底上,并且薄膜的應(yīng)力比基底大時(shí),才能形成多個(gè)頸縮的變形模式。膜基之間界面剛