固体薄膜拉伸分叉行为的研究进展

薄膜材料被广泛应用到各个领域.柔性电子产品中大量使用薄膜组件和薄膜连接导线,在使用过程中会受到反复的拉伸、卷曲和折叠.薄膜在拉伸过程中发生的断裂及界面破坏是制约薄膜组件性能和广泛应用的重要因素,其元件和结构稳定性决定了产品的质量和使用寿命,因此,研究固体薄膜在拉伸载荷下的变形和断裂失效至关重要.本文着重从理论、实验和数值模拟三方面综述了国内外对薄膜拉伸分叉行为的研究情况,并提出薄膜基底结构在拉伸载荷下尚需解决的力学问题.     

基底上薄膜结构的非线性屈曲力学进展

基底上薄膜结构中的过大残余压应力常常通过屈曲不稳定性诱发薄膜结构和功能的失效。屈曲不稳定性、演化与斑图形成是近年来非线性力学研究的热点。此类屈曲不稳定性受薄膜-基底的力学性质以及界面相互作用影响,进而呈现出复杂的屈曲模式如褶皱、翘曲和折痕等。论文简要综述褶皱、翘曲和折痕等屈曲模式的形成机制、影响因素和后屈曲形貌相关方面的进展。褶皱部分,重点介绍了褶皱的形成、多级褶皱结构、局域化的褶皱、各向异性褶皱和曲面上的褶皱。翘曲部分,介绍了翘曲结构包括一维翘曲结构、“电话线”屈曲泡,网络状屈曲泡等的形成与生长过程,并讨论了曲面几何、界面滑移、开裂等因素的影响。折痕及其它复杂屈曲模式部分,介绍了折痕、叠痕及隆起失稳的形成机制与临界条件.     

固体力学与材料科学交缘的几个新课题

固体力学与材料科学的交缘是当今力学学科发展的一种新趋势．先进材料的研制与发展,引发了固体力学家对丰富多采的材料的微结构变形与损伤过程进行定量力学描述的浓厚兴趣．本文综述了下列三个固体力学与材料科学交缘的新课题:①微电子材料与组件力学;②材料强韧化力学,③多相介质的界面力学．并对这一交缘学科的发展趋势进行了简要的评介与展望．      

磁场力及膜曲率对磁敏感薄膜-基底界面黏附性能的影响与调控

界面黏附和脱黏的可调控在攀爬装置、黏附开关、机械抓手等方面具有重要的应用需求. 针对磁敏感薄膜-基底界面, 开展了薄膜初始曲率及外加磁场对界面黏附性能影响机制的研究. 首先实验制备了具有初始曲率的磁敏感薄膜, 分别开展了具有初始曲率的磁敏感薄膜-基底界面撕脱实验及理论研究, 研究了薄膜初始曲率、弯曲刚度和外加磁场强度对界面黏附性能的影响规律. 实验和理论结果一致表明: 具有初始曲率的磁敏感薄膜-基底界面黏附力随薄膜初始曲率的增大而减小, 而外加磁场能够有效提高界面黏附力;相比于初始零曲率薄膜-基底界面稳态撕脱力与薄膜弯曲刚度无关, 薄膜弯曲刚度减弱了具有初始曲率薄膜-基底界面的稳态撕脱力. 进一步从能量角度分析了界面等效黏附性能, 揭示了薄膜弯曲能、磁场势能、界面黏附能的相互竞争机制. 最后, 基于本文的实验及理论结果, 提出了一种磁场和薄膜初始曲率协同调控的简易机械抓手, 可连续实现物体的拾取、搬运和释放功能. 本文结果不仅有助于理解多场调控的界面可逆黏附机制, 对界面黏附可控的功能器件设计亦提供了一种新方法.      

高温超导带材超导涂层局部脱黏后的电磁力学行为分析

高温超导带材因其高载流z能力、低交流损耗等优点, 在超导领域得到了广泛的关注, 然而在带材的应用中出现的力学问题严重阻碍了其应用. 基于此, 本文分析了受外部磁场激励YBCO高温超导带材在超导层局部脱黏后的电磁力学响应. 基于超导临界态Bean模型和弹性力学平面应变方法, 给出了超导薄膜内正应力与基底界面处切应力相关联的控制方程, 基于数值方法研究了超导薄膜内的正应力及基底界面处的切应力随外部磁场的变化规律. 结果显示: 在脱黏区域附近, 超导薄膜内的正应力和基底$\!-\!$薄膜界面处的切应力急剧增大, 该正应力及切应力极易引起超导层的进一步脱黏. 同时, 剪切应力在结构边缘处出现极值. 基底材料的属性, 特别是杨氏模量对结构内的应力影响显著, 在软基底材料结构中, 超导薄膜内将出现较大的正应力, 而基底材料较硬时, 在基底$\!-\!$薄膜界面处将出现较大的剪切应力, 这些因素均会引起超导涂层结构的力学及电学性能的退化. 本文研究可望为超导带材的加工制备及脱黏的处理提供一定的理论指引.      

环氧改性的单晶硅表面聚合物薄膜的摩擦学特性研究

以3-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷（GPMS）作为连接层,在单晶硅基底表面制备2,5-呋喃二酮与1-十八烯的共聚物（PMAO）聚合物薄膜.采用傅立叶变换红外光谱仪及原子力显微镜表征薄膜的结构,分别从微观和宏观摩擦学角度考察薄膜的摩擦磨损性能.结果表明：PMAO聚合物通过环氧硅烷分子与基底之间形成化学吸附,GPMS增强了聚合物/无机界面间的粘附性和稳定性;与空白基底相比,聚合物薄膜具有低摩擦系数和优异的抗磨性能,可以作为低载荷下硅基材料的抗磨减摩防护层.     

双层薄膜与弹性梯度基底三层结构表面失稳分析

硬薄膜/软基底结构的表面失稳问题一直是柔性电子器件的难题,基于此,本文考虑了双层结构与弹性梯度基底间的界面剪切力,建立了双层薄膜/弹性梯度基底模型;利用位移协调条件,理论推导得到了双层薄膜/弹性梯度基底结构的临界应变和失稳波长的表达式并通过有限元仿真,验证了本研究解析解的有效性。在此基础上,应用此解析解进一步研究了弹性梯度基底的材料、双层薄膜结构厚度比等参数对临界应变和波长的影响。结果表明：减小器件层的厚度或者增加封装层的厚度,可以提高双层膜/弹性梯度基底结构的稳定性;当弹性梯度材料基底表面“较软”或器件层“较硬”时,器件层与基底界面的剪切力的影响较大,可以提升三层膜/基结构抵抗界面破坏的能力。本研究成果将为硬薄膜/弹性梯度基底结构的柔性电子器件的制备提供理论支撑。     

纤维增强复合材料界面的力学行为

研究材料的界面和表面的力学行为与破坏机理,是当代材料科学、力学、物理学的前沿课题之一,而复合材料界面问题更有其自身的特殊性和复杂性。本文结合笔者的研究工作重点讨论了纤维复合材料界面力学的共性问题,阐述了复合材料界面的性质、复合材料界面的力学模型和理论、界面力学表征的实验研究、界面损伤破坏机理、界面对复合材料力学性能的影响等5个方面。     

薄膜/基板层合材料几个力学问题的研究进展

本文阐述了近年薄膜／基板层合材料在力学性能、破坏模式、残余应力等几个问题的研究进展并对薄膜／基板层合材料的表面增强与表面损伤问题作了初步探讨     

固体薄膜/液体膜/基底层状结构中液体膜/基底界面不平整性对结构稳定性影响

考虑液体层较薄的情况下液体膜/基底间界面不平整对结构的稳定性,特别是固体薄膜稳定时的褶皱变形产生的影响。用一扰动函数模拟液体膜/基底间界面的不平整,计算固体膜受力变形前后结构能量的变化,进而分析其稳定性。取两个扰动函数的特例,具体分析了液体膜/基底间界面不平整对结构能量变化以及对结构平衡态的影响。结果表明,平衡时固体膜褶皱变形与原来假设液体膜/基底间界面为理想平整面所得的结果有很大不同。     

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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．     

含曲线型膜基界面的高分子基金属薄膜延展性能

柔性电子中联接电子元器件的互联金属导线多以附着在高分子基底上的薄膜形式存在。由于此类膜基体系在服役过程中需要承受相对较大的变形,如何改进高分子基金属薄膜的延展性能成为制约柔性电子技术发展的关键问题之一。以往的研究通过对高分子基底进行酸碱腐蚀、喷砂等表面糙化处理,虽然可以有效提高膜基结合性能,但却很少考虑基底表面糙化处理对提高膜基体系延展性能的影响。本文首先实验研究了在含糙化表面的聚酰亚胺基底上附着Cu膜的延展性能,结果表明,提高基底表面粗糙度能够显著降低Cu膜在拉伸条件下的裂纹密度。由于膜基体系表面裂纹的扩展与薄膜表面拉伸正应力分布相关,后者将直接影响薄膜的延展性,采用有限元方法模拟计算了基底表面糙化处理后,金属薄膜在拉伸状态下的应力分布。在计算模型中,膜基界面被处理成正弦曲线形式的理想化界面,并考虑了金属薄膜的外表面为平直状和曲线状两种情况。结果显示,曲线型界面可显著改变后一种情况下金属薄膜在拉伸状态下的表面正应力分布,从而达到抑制金属表面裂纹的扩展以及降低裂纹密度的作用。最后,采用内聚力模型模拟膜基界面,研究了在拉伸条件下曲线型界面的损伤分布情况。结果表明,相对于平直界面,曲线型界面不易发生如界面损伤和界面裂纹扩展的破坏,而且振幅波长比越大的曲线型界面越不容易发生破坏。     

基体偏压对反应磁控溅射ZrN/α-SiNx纳米多层薄膜结构及性能的影响

采用中频磁控溅射技术在3种偏压条件下(0、-80、-300V)于AISI 440C钢及单晶Si(100)基体表面制备了ZrN/α-SiNx纳米多层薄膜.通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析表征了各纳米多层薄膜微观组织结构,并通过纳米压入仪与真空球-盘摩擦试验机分别测试了各薄膜力学及真空摩擦学性能.重点研究了基体偏压对ZrN/α-SiNx纳米多层薄膜微观组织结构,进而对其力学及摩擦学性能的影响机制.结果表明:较低的基体偏压会导致纳米多层薄膜中ZrN层差的结晶状态,而较高的基体偏压则易于引起ZrN层与SiNx层层间界面的交混.上述两种薄膜组织及结构的变化均不利于该纳米多层薄膜力学及摩擦学性能的改善.在适宜的偏压条件下(-80 V),ZrN/d-SiNx薄膜呈现出具备良好层间界面的晶体/非晶体纳米多层结构,与其他偏压条件制备的纳米多层薄膜相比,该薄膜表现出更好的力学及摩擦学性能.     

力-热耦合作用下钛膜的破坏行为实验研究

金属薄膜/聚合物基底(尤其是温度敏感型的聚合物)结构在外力和加热影响下的力学性能变化直接影响到器件的功能和使用寿命。通过光学显微镜原位观察钛膜/有机玻璃基底结构在力-热(20~44℃)耦合作用下的薄膜表、界面响应。在外部轴向压力作用下,薄膜会发生垂直于加载方向的屈曲。保持试件的加载端边界位移不变,对其进行加热,薄膜会出现垂直于屈曲方向的横向裂纹。通过分析发现薄膜产生横向裂纹的原因为:力-热耦合作用促使聚合物基底在非加载端方向的拉应变增大。在不同长度的薄膜裂纹段上,较长裂纹段中心部位上受到基底传递的拉应力较大,产生再次断裂的可能性较高。     

薄膜材料微观力学行为的有限元分析

采用有限元法对材料表面改性层和薄膜材料在显微压入过程中的力学行为进行了计算机模拟。从所得的载荷与压入深度的关系曲线、压痕周围应力、应变场的大小和形状分布曲线等为依据，对在超显微硬度测试中基底材料及界面层的影响进行了详细的讨论，并得出：为排除基底材料的影响，通常规定压入深度（Ｄ）不得超过膜厚（ｔ）的１０～２０％的规则并不适用于所有薄膜系统。测试时，允许的Ｄ／ｔ的临界比值将随薄膜系统不同而异。对软膜硬基底系统而言，由于压头下的塑性应变区更多的是沿膜层的横向扩展，故Ｄｃ／ｔ允许大于上述规定值，而对硬膜软基底系统而言，则由于压头下的塑性应变区很容易扩展到基底材料中去，其Ｄｃ／ｔ值将小于上述规定值。     

考虑膜厚影响薄膜磁致伸缩系数、泊松比和杨氏模量的同时测量

基于经典层合板理论,建立了一个能同时测量薄膜-基底系统中薄膜的磁致伸缩系数、杨氏模量和泊松比的板模型.以前的研究计算薄膜磁致伸缩系数时,大多假设薄膜的弹性属性与相应的块材一致,由此导致的磁致伸缩系数计算是不准确的.在目前大多数方法中仅仅在使用一个单一的弹性各向同性基底中能够避免这个问题.该文模型在各向异性基底下同样适用,并且不要求薄膜的厚度远远小于基底厚度,因此也能够用来计算磁致伸缩应变和设计微电机械系统和生物微电机械系统.对已有的铁基非晶薄膜的实验数据,在不同磁场强度下,磁致伸缩系数的计算结果与已有模型进行了比较,它们之间的差异得到了解释.同时,还可以得到薄膜的弹性常数.     

基于辛Runge-Kutta方法的棋盘形褶皱二维薄膜-基底结构动力学特性研究

基于力学屈曲原理的褶皱薄膜-基底结构已成功应用于制备可延展无机电子器件。然而,该类电子器件在应用时需要服役于复杂动态环境中,针对棋盘形褶皱薄膜结构的动力学问题鲜有研究,此问题又是该类电子器件走向实际应用需要解决的关键问题之一。本文首先采用能量方法,分别计算了二维薄膜的弯曲能、膜弹性能和柔性基底中的弹性能以及薄膜动能;然后采用拉格朗日方程,推导出了该结构的振动控制方程;而该方程为非线性动力学方程,无法给出其解析解;因此,本文采用辛Runge-Kutta方法对其进行数值求解;数值结果表明,辛数值方法具有长期稳定的特性和系统结构特性,为高精度的可延展电子器件的动力学问题研究提供了优异的数值方法。     

溅射沉积WS2／Ag纳米复合薄膜在不同环境中的摩擦磨损性能研究

利用直流磁控溅射方法在钛合金基底上制备W S2/Ag纳米复合薄膜,采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及能谱仪对复合薄膜的表面形貌和组织结构进行分析,用球-盘式摩擦磨损试验机对复合薄膜在真空和潮湿空气环境中的摩擦磨损性能进行研究.结果表明:溅射沉积制备的W S2/Ag复合薄膜为非晶态结构,弥散分布于W S2基体中的晶态纳米Ag相提高了薄膜与基底的界面结合强度;与纯W S2薄膜相比,W S2/Ag纳米复合薄膜虽然在不同环境中的摩擦系数有所增加,但其在潮湿空气中的耐磨性能(磨损寿命)具有较大幅度的提高,且摩擦状态更稳定.     

可变形电子元件的非线性动力屈曲行为分析

基于薄膜/基底模型,分析可变形电子元件结构的动力屈曲问题。用小变形平面应变理论描述基 底,用Kirchhoff平板理论描述薄膜。定义Lagrange函数,包括薄膜应变能和动能,以及基底对薄膜所作的 功。利用Euler-Lagrange方程导出薄膜的动力屈曲控制方程。计算线性荷载下薄膜的动力响应,并利用B-R 准则确定临界屈曲荷载。动力屈曲的临界荷载较静力屈曲的大,波幅响应围绕静力屈曲的响应振荡。     

金属材料延性对其薄膜-柔性基底结构延展性的影响

自由金属薄膜轴向拉伸时的极限伸长率一般约为1%～2%,而沉积在具有一定厚度和刚度的柔性基底上的金属薄膜伸长率可能大大增加,因此此类复合结构在柔性电子器件中有较好的应用前景。采用有限元法对不同延性的薄膜-基底结构拉伸变形至其颈缩断裂过程进行了模拟,研究材料延性对其薄膜-基底延展性的影响。将内聚力模型运用到金属薄膜的断裂研究中,通过改变内聚力模型参数来模拟具有不同延性的金属薄膜。计算结果表明,脆性膜-基结构的延展性与相应的自由金属薄膜相当,而当材料延性较好时,柔性基底能起到抑制颈缩的发展,从而使膜-基结构的整体延展性得到大幅度增加,说明薄膜材料本身的延性对薄膜-基底结构的延展性具有很大影响。