硅基底多层薄膜结构材料残余应力的微拉曼测试与分析

针对MEMS器件制备中两种典型的硅基底多层薄膜结构的残余应力问题,本文提出了利用微拉曼光谱技术测量其残余应力的方法,分析并给出了硅基底多层薄膜结构中的残余应力分布规律。实验结果表明,在硅基底和薄膜内存在较大的工艺残余应力,残余应力在基底内靠近薄膜两侧部分呈非线性变化,在基底内主要呈线性变化,并引起基底整体翘曲。基于实验结果分析,提出了硅基底多层薄膜结构的分层结构模型。本文工作表明微拉曼光谱技术是测量与研究硅基底多层薄膜结构残余应力的一种有力手段。     

用于光谱力学分析的显微拉曼外光路子系统

显微拉曼光谱法是一种无损非接触的微尺度实验力学技术。本文设计研制了可用于空间任意几何和偏振构型下力学测量的显微拉曼外光路子系统,用以开展复杂载荷环境下应力/应变的原位、在线测量。该外光路子系统采用观察光路与信号光路同轴设计,并基于笼式光机组件搭建光路。为标定、验证系统的性能与可靠性,本文采用所研制的外光路系统开展了Kevlar 29纤维的拉伸实验和单晶硅的围压实验。实验结果表明,将外光路子系统用于光谱力学测量能够给出与商用系统性能一致的测量结果、精度及可靠性,并能够用于获取商用系统无法给出的几何与偏振构型下的光谱信息,从而实现复杂环境、载荷、应力状态下的光谱力学精细测量。     

粘接双材料界面微区力学行为的细观实验分析

本文将显微光栅与显微测距技术结构起来，实现了物体表面位移场的细观测量，应用这一方法，本文定量地测量了高分子粘接结构界面及周围区域的变形的应变，实验发现界面两侧存在着一个影响区，在影响区内材料的力学性质发生了变化，本文在实验结果的基础上讨论和分析了这一变化并对界面的力学模型进行了讨论。     

粘接双材料界面微区内力学行为的细观实验分析

本文将显微光栅与显微测距技术结合起来，实现了物体表面位移场的细观测量。应用这一方法，本文定量地测量了高分子粘接结构界面及周围区域的变形和应变，实验发现界面两侧存在着一个影响区，在影响区内材料的力学性质发生了变化。本文在实验结果的基础上讨论和分析了这一变化并对界面的力学模型进行了讨论。     

测量界面软铬层力学性质的纳米压入法

为了测量双层铬的界面软铬层力学性质,提出了化学腐蚀基体法,通过溶解掉基体制备没有基体支撑的自由铬层,将在横截面内线状显示的界面转化为界面表面(铬层与基体相连接的面),避免了横截面不能显示界面表面的缺点。对界面表面进行纳米压入实验和借助于表征薄膜力学性质的表面压入能量法,测得了描述界面软铬层力学性质的弹性模量和压入弹、塑性功等参数。     

《实验力学》第3卷(1988)分类索引

综述实验力学发展前景1,1现代技术中的高级实验力学3,乳7恶劣环境中应变测量的国内外发展综述4,329电阻应变计测盘技术全息千涉术散斑计盆焦散线法声洲坦光弹塑性法有杆抽油泵井下抽油示功图计算机诊断系统2,97非稳态热应力测试及屈服后应力峰值的确定2,130动静态应变测量的采集系统2,173用双电流源的应变测量差值法原理及其联机2,177用数理统计方法评定电田应变计灵敏系数的精度等级4,349夹层全息千论法的残余应力测试1,24用夹层全息干涉法研究物体应变2,190微机计算机对全息位移与应变分析的冲击4,338激光散斑位移测量的可测范围研究1,68…     

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本文对界面力学若干问题的部分实验成果作一综述,主要集中于以下４个问题;（１）界面层的变形与界面力学模型;（２）异质材料界面端部的应力集中与应力奇异性;（３）界面应力缓释与功能梯度材料;（４）沿界面与垂直界面裂纹的断裂力学问题．并对今后界面力学实验研究的发展前景进行了讨论．     

纳米压痕残余应力场拉曼光谱实验研究

本文采用纳米压入仪在晶向为〈111〉和〈100〉的两种单晶硅片表面压入1000nm,卸载后得到深度约为550~570nm的压痕。使用共聚焦显微拉曼光谱仪对压痕周边区域进行测量,采用场扫描成像技术得到了压痕周边拉曼频移、半高宽、峰强等拉曼信息,通过分析由频移求得残余应力场的分布。在实验的基础上讨论了残余应力场的分布,以及晶向对应力场分布的影响,近似给出了压痕边缘最大压应力与微裂纹尖端最大拉应力。对其他拉曼信息的分析表明,半高宽和峰强信息与材料晶格结构的变化相关,在一定程度上也可以反映残余应力的作用。     

双金属层状板中软界面层对裂纹扩展的影响

采用带软界面层的双金属层状板，分析了裂纹垂直于界面扩展过程中的力学行为。带单边裂纹的钢／铝层板的弯曲疲劳实验表明，裂尖接近软铝界面层时裂纹扩展速率da／dN变化很大；裂纹扩展到达界面层时发生偏折。利用有限元软件分析了裂纹尖端前沿应力和应变的变化规律，计算结果表明：软铝界面层出现较大塑性应变，增加了裂纹扩展阻力，并使裂纹扩展力△K减小，导致了da／dN降低．而软界面层中的T应力增高，造成裂纹偏折现象。     

纳米压痕法测磁控溅射铝薄膜屈服应力

为了在考虑残余应力下测量出磁控溅射铝薄膜的屈服应力,提出了一种实验测量方法,通过曲率测试法和球形压头纳米压痕法测出磁控溅射铝薄膜的屈服应力．建立球形压痕力学模型,并用ANSYS对球形压痕进行力学有限元仿真,利用直流磁控溅射技术在硅基上淀积一层1 μm厚的铝薄膜,首先通过曲率测试法测量膜内等双轴残余应力,再利用最小二乘曲线拟合法从薄膜/基底系统的球形压头纳米压痕实验数据中提取出铝薄膜的屈服应力,测得磁控溅射铝薄膜的屈服应力为371 MPa．该方法也可以用来研究其他材料的薄膜和小体积材料的力学特性．     

用显微云纹干涉法研究SiC/Ti-15-3界面热残余应力场

SiC/Ti-15-3复合材料基体与增强体之间的热膨胀系数存在显著差异。在复合材料制造过程中经高温冷却后,在基体与增强体的界面会产生热残余应力场。此残余应力场对复合材料的力学性能会产生重要的影响。本文运用纤维推出法推出部分SiC纤维后,采用显微云纹干涉法在细观尺度研究了上述界面处的热残余应力,得到了分辨率较高的云纹图,并由此计算出了孔边处的残余应力。用有限元软件对界面热残余应力进行了数值模拟分析。实验结果表明,显微云纹干涉法可以用来测量直径为0.1 mm左右的纤维界面附近的残余应力场,在此尺度下,使用显微云纹干涉法比用电子束云纹法更方便。     

含界面相复合材料热残余应力分析

本文分析了含有界面相纤维增强复合材料热残余应力的空间分布。针对材料实际微结构几何特点,建立含有界面相的三维三相单丝模型,用均匀和梯度函数描述界面相模量随空间变化规律,由轴对称体弹性力学理论得到单丝热残余应力分布,结果表明梯度界面降低了残余应力。通过碳纤维电阻法测出T300/环氧树脂单丝体系固化后的纤维轴向应变,与梯度界面的分析结果基本一致。用叠加方法得到密排六方结构代表性体积元(RVE)中纤维间相互偶合的应力场,同时应用有限元法分析RVE中纤维间的残余应力分布,两者结果相互验证。     

碳纳米管应变传感器的性能分析：实验偏振模式的影响机制

碳纳米管作为一种拉曼力学传感介质具有优异的力学性质及共振、偏振拉曼特性。将碳纳米管散布在基体材料中,即可实现局部应力/应变的测量。受到光学衍射极限的限制,常规的远场拉曼光谱得到的是一定区域内众多碳管的平均散射信息。本文综合考虑了采样点内各方向碳管的影响,并对碳管散射的共振状态、碳管的分布状态、拉曼系统的偏振构型及偏振方向等实验因素对碳纳米管应变传感器性能的影响进行了深入分析,采用分峰和重构的方法定量地给出了不同实验模式下采样点内的拉曼信息组成以及各种实验模式的测量精度。分析和对比表明,采用双偏振构型且偏振方向沿荷载施加方向时的测量精度最高,即最优的实验模式。     

异质材料粘接界面强度——三维应力奇异性影响

通过实验并结合有限元分析研究了三维应力奇异性对异质材料粘接接头界面强度的影响.有限元分析结果表明:如果对三维双材料结构的棱边进行圆弧倒角,使相应的界面端线变成光滑连续曲线,则原界面端点附近的三维应力奇异性会退化为界面端线附近的二维应力奇异性,进而降低应力奇异性程度.设计了一系列有圆弧倒角与无圆弧倒角的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/铝(AL)和聚碳酸酯(PC)/铝(AL)双材料试样并进行了四点弯曲实验.实验结果表明:界面尺寸对试样失效载荷无明显影响;与未圆弧倒角的试样相比,有圆弧倒角试样的失效载荷明显得到提高.这一结果证明三维应力奇异性对粘接界面强度有明显影响.     

竹材层合板弯曲破坏机理的实验研究

竹材层合板是为了满足一定的使用要求，由多层单向板按同一方向整齐排列、胶合、加热固化处理而成的复合结构体。由于竹材层合板的各向异性和非均匀性，它的力学行为十分复杂，特别是弯曲时不仅各个单层产生损伤破坏，而且伴随着层间胶接层的开裂。本文对竹材层合板的弯曲破坏特征进行实验研究；一系列包含变形信息的数字散斑图像被记录；采用数字散斑相关技术(DSCM)提取了三点弯曲变形过程中的面内位移场信息，分析了不同变形阶段的位移场；给出了不同弯曲变形阶段试件的应变场分布和应变集中现象；分析了中性轴在胶层开裂、层内纤维撕裂等复杂应力情况下的演化过程及规律。最终一些宏微观破坏机制被分析，例如基体开裂，界面损伤与撕裂，界面与裂纹作用等。这些研究结果将为竹材层合板的破坏机理等力学行为的研究和工程应用开发提供实验依据。     

宽γ辐照剂量范围内硅泡沫本构模型研究

基于实验和理论建模研究了白炭黑增强硅泡沫材料在γ辐照剂量范围为0~1000kGy作用后的单轴压缩力学行为。实验结果表明辐照导致硅泡沫出现明显硬化现象,初始杨氏模量和固定应变下应力幅值均随γ辐照剂量近似线性增加。辐照后硅泡沫泡孔结构完整,硅橡胶基体中高分子交联反应占主导,且交联密度随辐照剂量线性增大。基于实验分析结果,实现了Ogden Hyperfoam超弹本构模型参数与辐照剂量的关联。结果表明初始剪切模量参数与辐照剂量成线性关系,硬化指数和泊松比参数与辐照剂量无关。基于应力应变实验数据拟合得到模型参数,并与未参与拟合的实验数据对比,验证了模型的准确性,表明该模型能够表征宽辐照剂量范围内硅泡沫的压缩力学行为。     

宽γ辐照剂量范围内硅泡沫本构模型研究

基于实验和理论建模研究了白炭黑增强硅泡沫材料在γ辐照剂量范围为0~1000kGy作用后的单轴压缩力学行为。实验结果表明辐照导致硅泡沫出现明显硬化现象，初始杨氏模量和固定应变下应力幅值均随γ辐照剂量近似线性增加。辐照后硅泡沫泡孔结构完整，硅橡胶基体中高分子交联反应占主导，且交联密度随辐照剂量线性增大。基于实验分析结果，实现了Ogden Hyperfoam超弹本构模型参数与辐照剂量的关联。结果表明初始剪切模量参数与辐照剂量成线性关系，硬化指数和泊松比参数与辐照剂量无关。基于应力应变实验数据拟合得到模型参数，并与未参与拟合的实验数据对比，验证了模型的准确性，表明该模型能够表征宽辐照剂量范围内硅泡沫的压缩力学行为。     

应用干涉云纹测量工艺应力分布

本文就冷胀孔周残余应力分布的测量技术和干涉螺接孔周干涉应力分布的测量技术进行了实验研究。沿着径向将试件切割,以释放欲测的应力,同时用干涉云纹技术测量由于释放应力而引起的附加应变场。文中还就残余应力在循环载荷作用下的松弛问题进行了实验研究。提供了典型的实验结果,讨论了引起实验误差的主要原因。     

极端环境下连续碳纤维增韧的陶瓷基复合材料的力学行为

连续纤维增韧的碳化硅复合材料(以下简称C/SiC),作为超高速飞行器热结构使用时,有可能在高温环境下受到高速撞击的作用,因此,掌握其在极端环境(高温、高应变率)下的力学性能是进行结构安全设计的基础。本文采用具有高温实验能力的分离式Hopkinson杆,在293~1273K温度范围内进行了动态压缩力学性能测试,研究了环境温度和加载速率对材料力学性能的影响。结果表明:C/SiC复合材料的高温压缩力学性能主要受应力氧化损伤和残余应力的共同影响。实验温度低于873K时,应力氧化损伤的影响很小,而由于增强纤维和基体界面残余应力的释放使界面结合强度增大,复合材料的压缩强度随温度的升高而增大;当实验温度高于873K时,应力氧化损伤加剧,其对压缩强度的削弱超过残余应力释放对强度的贡献,材料的压缩强度随温度的升高逐渐降低。由于应力氧化损伤受应变率的影响很大,当温度由873K升高至1273K时,高应变率下压缩强度降低的程度要比应变率为0.0001/s时低得多。     

含预制单裂隙石膏裂纹孕育与能量演化的应变率效应研究

基于高速相机和MTS万能试验机对含预制裂纹石膏样品进行了单轴压缩应变率效应试验研究,在应变率10~(-5)/s～10~(-3)/s之间选取6种应变率进行单轴压缩试验,对应力应变曲线、裂纹扩展路径、起裂应力、起裂角、弹性模量、峰值强度等与裂纹扩展相关的信息进行了应变率效应分析,并基于岩石材料破坏能量演化原理对其进行解释。试验表明:应变率在10~(-5)/s～2×10~(-4)/s范围时,石膏样品应力应变曲线台阶式上升或回落,波动较多,翼型裂纹发展充分,起裂应力、弹性模量、峰值强度等相差不大,裂纹起裂角82°左右,验证了最小应变能密度因子理论;应变率在5×10~(-4)/s、 10~(-3)/s时,石膏样品应力应变曲线峰前斜率较大,峰后跌落快,表现出岩石类材料典型的脆性特征,起裂应力、弹性模量、峰值强度等力学参数明显增大,起裂角为105°,此时应变能密度因子理论不再适用。