涂層復(fù)合材料力學(xué)性能研究及界面強(qiáng)度有限元分析.pdf_第1頁(yè)
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1、在原有材料上涂上一種新的材料或復(fù)合材料涂層,可以大大改進(jìn)基體材料的表面性能甚至具有基體材料所不具備的新功能。涂層可以提高基體材料的使用性能和壽命。由于納米材料在力、電、聲、光、熱和磁等方面具有許多特性,納米材料的出現(xiàn)對(duì)涂層的發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇,將使復(fù)合涂層的功能特性得到大幅度提升。隨著涂層技術(shù)的廣泛應(yīng)用,人們對(duì)涂層應(yīng)用的可靠性和使用壽命提出越來(lái)越高的要求,而涂層與基體的結(jié)合性能在很大程度上決定了涂層應(yīng)用的可靠性和使用壽命,是發(fā)揮涂

2、層作用的基本條件,也是涂層制造過(guò)程中普遍關(guān)心的問(wèn)題,因此,無(wú)論是作為電子電路用涂層、裝飾性涂層、保護(hù)性涂層,還是工業(yè)上的耐磨涂層,足夠強(qiáng)的界面結(jié)合力是保證涂層經(jīng)久耐用的重要因素。界面的損傷會(huì)導(dǎo)致涂層體系的過(guò)早破壞。目前使用最廣泛的一種測(cè)量涂層/基體結(jié)合強(qiáng)度的方法是劃痕法。劃痕試驗(yàn)中涂層/基體系統(tǒng)的應(yīng)力分布是用于控制涂層/基體系統(tǒng)的行為和破壞形式的重要參數(shù)之一。然而,復(fù)雜的加載條件、壓頭與涂層的摩擦、涂層和基體的非線性彈塑性行為等等的存在

3、,很難讓數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)得到的涂層中和涂層/基體界面上的應(yīng)力分布一致。目前還沒(méi)有充分正確的理論模型來(lái)預(yù)測(cè)移動(dòng)壓頭在涂層材料中所產(chǎn)生的應(yīng)力。只能通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)分析非線性模型劃痕試驗(yàn)中的應(yīng)力分布。涂層的內(nèi)應(yīng)力也是決定涂層的穩(wěn)定性和使用壽命并影響其性能的重要因素,而且內(nèi)應(yīng)力也會(huì)限制膜的制備厚度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),殘余內(nèi)應(yīng)力主要是由于沉積過(guò)程中材料發(fā)生相變引起的。目前,對(duì)于涂層相變的研究還不夠成熟,且沒(méi)有一種比較明確的方法可以從宏觀上來(lái)清楚的描述相變的體

4、積變化。
   本文對(duì)單一的軟涂層、硬涂層以及汽車(chē)多層涂層,在考慮涂層/基體界面破壞、涂層和基體的損傷情況下,分別進(jìn)行了劃痕試驗(yàn)的數(shù)值模擬;采用PCVD方法,在Si基體上沉積DLC薄膜,并定義相變系數(shù)α研究相變引起的材料變形,并將有限元模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比;對(duì)有、無(wú)納米涂層的樹(shù)脂基復(fù)合材料的表面性能進(jìn)行納米劃痕試驗(yàn),以討論納米顆粒材料對(duì)提高復(fù)合材料表面性能的貢獻(xiàn),并對(duì)汽車(chē)涂層進(jìn)行納米改性實(shí)驗(yàn),以討論納米顆粒材料對(duì)于汽車(chē)油

5、漆改性后的力學(xué)性能。取得了以下主要成果:⑴用拉伸試驗(yàn)方法得到汽車(chē)油漆涂層的彈性模量和極限強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù)的第一手原始資料。在考慮涂層/基體界面破壞、涂層和基體的損傷情況下,分別對(duì)單一涂層的軟涂層、硬涂層以及汽車(chē)多層涂層進(jìn)行了劃痕試驗(yàn)的數(shù)值模擬。獲得了涂層/界面結(jié)合強(qiáng)度、損傷的發(fā)生發(fā)展和涂層失效方式等重要參數(shù)。將有限元模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,臨界載荷與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。⑵采用PCVD方法,在Si基體上沉積DLC薄膜,定義相變系數(shù)α

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