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。     

纳米薄膜屈曲模式的实验研究

薄膜/基底系统在信息科学以及微电子机械系统中有着十分重要的地位.薄膜中常会有压或拉的残余应力,因此薄膜/基底结构通常是工作在残余应力以及外加应力的联合作用下.根据结构的功用不同,其载荷方式也有不同,从而也导致了不同的破坏模式.压缩载荷下的脱粘屈曲是薄膜基底结构主要的破坏形式之一.本文使用磁控溅射镀膜技术,制作了压缩薄膜...     

基底材料和残余预张应力对低密度聚乙烯(LDPE)薄膜抗刮擦性能影响的实验研究

采用自主研制的刮擦实验仪器,对低密度聚乙烯(LDPE)薄膜进行线性增加法向荷载的刮擦实验,研究基底材料和残余预张应力对LDPE薄膜抗刮擦性能的影响。通过在刮擦过程中发生初始粘滑(stick-slip)和穿刺(puncture)等典型破坏时的临界法向荷载来表征LDPE薄膜刮擦性能。结果表明:1)软质基底可以延缓薄膜在刮擦作用下破坏的发生,LDPE薄膜在软基底(橡胶)上刮擦时的临界荷载大于其在硬基底(铝合金)上的临界荷载,而且基底粗糙度的增加会导致LDPE薄膜的抗刮擦性能下降;2)残余预张应力方向与刮擦方向平行时,薄膜抗刮擦性能随残余应力的增大而上升,而当两者方向相互垂直时,薄膜抗刮擦性能随残余应力的增大而下降。本文的实验研究对LDPE薄膜在包装、医疗手术等应用领域有良好的指导意义。     

圆形脱层的轴对称屈曲及扩展分析

利用高阶摄动结合打靶法，分析了固支圆板在均匀径向力作用下的轴对称屈曲和过屈曲，所得结果与文（６）的ＦＥＭ结构吻合得很好，应用于薄膜－基底结构，研究了受压薄膜脱层的屈曲、扩展问题，得到了在一定的残余压应力作用下，脱层屈曲的临界尺寸Ｒｃ和扩展尺寸Ｒｇ。     

微尺度金属薄膜屈曲稳定性的实验研究

微尺度金属薄膜的脱粘和屈曲严重影响着膜基结构的性能和使用寿命。本文对微尺度的金属铜薄膜在残余应力和外部压力共同作用下的脱粘屈曲和后屈曲模式进行了研究,用自行设计的单轴对称加载装置进行压力加载,用一台光学显微镜观察薄膜表面的屈曲形貌。在外力作用下薄膜会出现垂直于加载方向的直线型屈曲,但在外力卸载过程中该屈曲并不稳定,会演化成电话线型屈曲,完全卸载后形成泡状屈曲。再次加载后,恢复到直线型屈曲。研究表明:直线型屈曲的不稳定现象主要与薄膜的残余应力、基底的泊松比以及薄膜沿纵向与横向的应力比有关。     

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.     

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l 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±89 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.     

柔性膜基结构的应力光学系数测量研究

柔性膜基结构具有轻质化、可折叠、便携等优点，在微机电和柔性电子等前沿领域有广阔的应用前景。相比于传统的刚性结构，柔性膜基结构在制备和随后服役的过程中更容易产生内应力，造成元器件稳定的降低，因此膜基结构的应力测量具有非常重要的意义。本文基于光弹性原理，设计搭建了圆偏振光场下的光弹性实验光路，分别测得了基底和膜基结构在不同应力下的光弹性图像。根据光弹性图像随应力的周期性亮暗变化规律，对图像亮度与所受应力大小进行三角函数拟合，通过拟合结果和所建立的图像亮度与主应力模型对聚酰亚胺基底和金属铜薄膜的应力光学系数进行计算，结果证明了金属铜薄膜具有应力光学效应以及通过透射的方法测量纳米级金属薄膜应力光学系数的可行性。     

工艺过程对固体氧化物燃料电池材料力学性能的影响

固体氧化物燃料电池在生产过程中采用不同的加工手段,加工过程会产生一定的损伤,同时材料烧结过程产生比较大的残余应力,这些因素都会影响电池的使用寿命和完整性.本文通过实验测试,研究了不同加工过程对材料性能的影响,其中包括直接冲剪,激光切割以及切割后研磨等方法,并测试了这些加工手段对应的试件的强度.结果显示,直接冲剪法造成性能的分散性比较大,激光切割的性能较好,而研磨加工法对材料的性能影响最小;受残余应力或各层有效应力的作用,单层阳极材料的强度要高于双层电池结构材料的强度;利用弯曲法测试了半电池结构中的残余应力和不同薄膜对应的厚度残余应力,测试的结果和热弹性力学计算结果进行了对比.由于在高温时阳极材料有应力松弛现象,计算得出的残余应力高于实验测试结果.     

残余应力对压力容器破坏模式的影响分析

破前漏(简称LBB)是压力容器、核电站设备结构设计与评价中的一个重要准则.表面裂纹准静态扩展的几何形貌变化规律的预测是破前漏(LBB)评判十分重要的课题之一.本文对特定焊接残余应力场加载作用下,含三维表面裂纹的压力容器模型,用有限元软件(ABAQUS)进行了表面裂纹准静态扩展模拟计算,得到在此残余应力场作用下应力强度因子沿裂纹前缘的分布规律.结合外载引起的应力强度因子,就可以判别裂纹的扩展形貌,从而判断结构是否满足LBB要求.     

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.     

多层膜结构热应力计算

多层保护膜结构在光学窗口等领域有广泛应用,其中膜层中的热应力对系统的功能和可靠性有重要影响. 推导了条形多层薄膜结构系统中应力应变的计算方法,并针对薄膜厚度远小于基底厚度的薄膜结构计算进行了相应的简化,得到了其一阶近似以及零阶近似应力的计算公式. 采用此公式对ZnS-Y2O3-SiO2 双层膜系红外窗口系统进行了求解分析. 计算结果显示,热应力在两层薄膜上的相对误差分别为1.54% 和0.09%,零阶近似可以很好地满足计算精度要求.     

基于多因素的焊接结构疲劳裂纹扩展速率分析

以Donahue等提出的疲劳裂纹扩展速率计算模型为基础,通过引入形状系数、张开比和残余应力等参数,建立了适用于焊接结构的疲劳裂纹扩展速率计算模型,分析了多种因素对焊接结构疲劳裂纹扩展速率的影响规律。结果表明,焊板厚度和焊缝余高的变化均会对焊接结构疲劳裂纹的扩展速率产生影响,在对焊接结构表面形状进行设计时应保有一定的焊缝余高;有效应力比的增大会降低焊接结构疲劳裂纹的扩展速率,且裂纹深度的变化不会改变有效应力比对焊接结构疲劳裂纹扩展速率的影响;残余应力的增大会提高焊接结构疲劳裂纹的扩展速率,且残余应力对疲劳裂纹扩展速率的促进作用随着裂纹深度的增加而增大,在对焊接结构的疲劳性能进行设计时须考虑残余应力对结构性能的影响。     

薄膜非线性撕裂三种弯曲模型的解答及讨论

针对薄膜非线性撕裂的弯曲模型,引入了3种表征薄膜撕裂过程的双参数准则.这3种表征分别为:(1)界面断裂韧度和分离应力; (2)界面断裂韧度和薄膜的裂尖转角; (3)界面断裂韧度和薄膜在裂尖的临界Mises等效应变.从3种双参数准则入手,分析并给出了针对上述各准则的薄膜非线性撕裂问题的解答.通过分析和比较,建立弯曲模型解答与严格平面应变弹塑性分析解答之间的关联.     

三维斜置半圆形表面裂纹扩展数值模拟

以裂纹前沿局部坐标中主法平面内的最大周向拉应力作为控制参数,对第一主应力拉应力裂纹扩展准则进行了补充和修正.修正后的拉应力裂纹扩展准则称为最大周向拉应力裂纹扩展准则.它不仅可以有效地确定裂纹扩展方位、扩展方向和扩展条件,而且可以有效地确定裂纹扩展步长.根据修正的裂纹扩展准则,给出了三维裂纹曲面的数学描述方式,可以有效地模拟扩展曲面的弯折和扭曲.     

纳米金刚石薄膜结构相变及摩擦性能的研究

论文用第一性原理分子动力学模拟研究了纳米金刚石薄膜的结构相变和表面重构,以及金刚石薄膜(110)表面不同方向上表面形态和抛光残余的本质.研究发现,纳米金刚石的表面碳团簇通过断开(111)面的σ键,形成具有碳六元环结构的石墨碎片;内部原子sp3杂化向sp2杂化转化的发生是从(111)面上成对C原子向石墨相转化时形成π键的过程中获得了能量,驱动石墨的转变由表层向心部逐渐进行.转变过程中存在一种洋葱状富勒烯和金刚石结构共存的过渡相—Bucky-diamond,表面悬空键的消除和表层的富勒烯外壳最大限度地降低了表面能和系统总能量,Bucky-Diamond结构稳定存在.sp2杂化碳的缓冲作用对薄膜中残余应力有较大的影响.     

基于弹性理论的残余应力反演和变形计算

毛坯在制造过程中,材料力学性能的非均匀性导致其内部产生残余应力.残余应力会造成结构破坏,在工件的切削去除过程中,残余应力会逐渐释放并引起变形.采用有限元的“生死单元”技术模拟材料的切削去除过程,并转化为残余应力的释放,基于板壳理论、小变形理论、弹性理论和叠加原理,将径向基函数插值法与几何方程、物理方程相结合,开发出一种新的解析方法,反演残余应力场并计算变形.结果表明解析方法的理论解与有限元解高度吻合,能够用于判断残余应力分布并计算残余应力弹性释放引起的变形.     

缺口根部和裂纹尖端残余应力的X射线法测定

X射线法用于缺口根部和裂纹尖端等徽区的残余应力测试的先决条件是解决缩小光束直径、提高衍射束的强度和准确设置试样等技术问题.在X射线衍射仪上借助于自行设计制造的限束对光装置和侧倾对中附件,成功地测定了缺口根部半径为1mm的喷丸残余应力场和板形试样压-压周期载荷下裂纹尖端的残余拉应力场.     

含梯度渐变残余应力的弹性半无限体的广义Rayleigh波

研究含梯度残余应力的弹性半无限体的平面应变型表面波,即广义Rayleigh波。将该结构等效为含梯度初应力的弹性覆盖层和无初应力的弹性基底构成的半无限体结构。求得覆盖层中位移函数的幂级数解与均质基底位移函数的解析解,并代入边界条件,得到频散方程。针对拉、压残余应力,分别讨论了其随厚度方向均匀分布、线性变化和指数变化情况下广义Rayleigh波的一阶模态频散特性。数值结果表明:随着拉应力增大,广义Rayleigh波波速会增加,反之,压应力的增大会导致波速的降低;残余应力均匀分布时波速的改变量较大,线性变化次之;当残余应力按照指数函数变化时,梯度参数越趋近于零,其结果越趋近于线性变化情况,随着梯度参数的减小,波速改变量也随之减小。当使用广义Rayleigh波频散特性实现残余应力无损检测时,如果采用与实际梯度渐变残余应力不符的均匀残余应力模型将会低估表面残余应力。本文所得结论可为利用广义Rayleigh波实现梯度残余应力无损检测提供理论基础。     

Si过渡层类金刚石薄膜界面优化及其性能研究

本文中利用等离子体化学气相沉积法,制备了具有Si过渡层的DLC薄膜.利用俄歇深度分析的方法,研究了Si过渡层沉积条件如电压、气压和气源对Si过渡层的影响;利用薄膜应力分布测试仪和划痕仪,研究了不同沉积条件下制备的Si过渡层对类金刚石薄膜内应力和附着力特性的影响;利用摩擦磨损仪,分析比较了薄膜的摩擦性能.研究表明:DLC薄膜与基底之间形成(Fe+Si+O混合层)/Si/(Si+C混合层)过渡层.过渡层制备过程中,气压、电压和Ar/Si H4比例升高,会导致过渡层中Si层厚度的减小.这种过渡层在一定范围内提高了DLC薄膜与基体之间的结合力,缓解了因薄膜与基底间不匹配而产生的应力.在大气环境下,优化的DLC薄膜与GCr 15钢对偶的摩擦系数及磨损率可低至0.02和8.2×10-14m3/(N·m).