薄膜后屈曲力學行為的有限元分析.pdf

1、薄膜/基底二元結(jié)構(gòu)和多層膜/基底結(jié)構(gòu)在信息科學與工程中占有十分重要的地位.薄膜/基底結(jié)構(gòu)通常是工作在殘余應(yīng)力場、外加應(yīng)力場、溫度場和電磁場的聯(lián)合作用中。這類薄膜的第一類破壞形式是斷裂；第二類則是屈曲、散裂；薄膜在納米尺度上的變形和損傷直接影響到器件的性能和壽命，因此，將薄膜/基底作為一個基本結(jié)構(gòu)，對其中薄膜的屈曲，屈曲擴展以及后屈曲的力學行為進行研究和模擬，具有其必要性和緊迫性，對預(yù)測微電子器件的壽命具有參考意義. 本文首先在查

2、閱了相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，總結(jié)了比較有代表性的實驗和模擬研究成果，并引用了前人學者對兩種該領(lǐng)域中常見的屈曲模型，即直線型屈曲和圓泡狀屈曲，所進行的理論分析推導(dǎo)，通過相應(yīng)的對比分析，得出一些有益的結(jié)論，為后續(xù)的模擬計算工作奠定基礎(chǔ). 本文利用有限元方法，首次采用創(chuàng)建面面接觸對的方式來耦合模擬薄膜所采用的殼單元與模擬基底所采用的實體單元在分界面處的結(jié)點，建立了合理的圓泡狀屈曲的三維有限元模型，用它來研究了在不同的加載方式，不同的薄膜厚度

3、以及不同的基底彈性模量情況下，薄膜后屈曲的力學響應(yīng).研究發(fā)現(xiàn)加載方式對屈曲部分薄膜的應(yīng)力分布影響較大，極大地影響著屈曲部分薄膜的擴展.隨著薄膜厚度和基底彈性模量的增加，屈曲部分薄膜的Von Mises應(yīng)力，法向應(yīng)力，以及沿著界面的切應(yīng)力都相應(yīng)地減小了，這使得屈曲后薄膜的擴展有減弱的趨勢，因而屈曲后的薄膜就不容易從基底上進一步擴展和剝離. 此外，本文還建立了在屈曲形成的初期一種比較典型的屈曲模式－直線型屈曲的三維模型，討論了該屈曲

4、模式在外加軸向壓縮荷載作用下，屈曲部分薄膜的應(yīng)力場分布，并從能量釋放率的角度說明了屈曲進一步擴展的行為.分析和計算表明：隨著外加荷載的增加，直線型屈曲裂紋前緣的能量釋放率會逐漸增大，由于彎曲前端的能量釋放率比直邊的大，因而屈曲會沿著彎曲的前端向前擴展；而伴隨擴展的進行，彎曲前端曲率的會慢慢增加，曲率的增加又導(dǎo)致能量釋放率慢慢減小，擴展趨勢會慢慢減弱，直到重新施加外加荷載，擴展才會進一步向前進行，這一過程較好地解釋了直線型屈曲擴展的機理.