新型鼓包仪设计研制及力热作用下薄膜力学性能研究

摘要

随着微纳米技术、微电子技术和微电子机械系统(MEMS)等许多新兴技术的迅速发展，薄膜材料在众多高新技术和传统工业领域获得了越来越广泛的应用。在实际工作过程中，薄膜材料通常是在多种载荷复合加载的复杂条件下服役的。然而，就当前状况而言，学术界和工程界对复杂载荷条件下薄膜材料的变形损伤与破坏机理缺乏深入研究，进而影响到对材料的服役性能评估和寿命预测。此外，高低温、电场、磁场等特殊物理场也会对材料性能带来影响，尤其高温环境下，薄膜材料的的力学行为会发生明显变化。因此，针对特殊物理场开展复杂载荷条件下材料的力学性能测试技术研究显得十分必要。本文根据薄膜材料的工作环境，开发了力热载荷自动控制系统。在原有鼓包仪的基础上进行升级改造，设计和组装了一台力热联合作用下新型多功能鼓包测试平台，为力热作用下服役的薄膜材料力学性能的表征提供了便利。该研究成果为薄膜元件应力分析、失效分析、寿命预测提供可靠的依据，具有非常重要的意义。具体工作内容如下：
　　(1)薄膜力学性能的测试方法有很多，不同之处主要体现在加载手段跟测量手段上。本文首先对力热作用下国内外拉伸、鼓包、压痕等装置进行了分析比较，然后研究了各种测试装置的加热部分，设计了能够产生均匀温度场的加热环境箱以及与之配套使用温度控制系统，并对该装置进行了调试。
　　(2)推导了力热作用下鼓包测试方程。根据材料中任一点的应力张量、温度增量所满足的动力学平衡方程，结合传统常温鼓包模型，对薄膜不同变形阶段进行了力热作用下薄膜鼓包方程的推导。
　　(3)利用自主研制的鼓包实验设备，以两种常见的金属薄膜镍膜和聚合物薄膜PI膜为研究对象，对薄膜材料的力学性能进行研究，在不同工作温度下对样品进行鼓包实验，结合力热鼓包模型，得到了薄膜材料在不同温度下的弹性模量值，并分析了其弹性模量随温度变化的原因。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 薄膜材料简介

1.2 力热作用下薄膜材料力学性能研究的意义

1.3 力热作用下材料力学性能测试装置研究进展

1.4 本文的选题依据与主要研究内容

第2章 新型鼓包仪设计研制

2.1 新型鼓包测试装置设计

2.2 热载荷加载装置

2.3 温度自动控制系统

2.4 新型鼓包仪的调试

2.5 新型鼓包仪的整体组成

2.6 本章小结

第3章 力热作用下鼓包方程推导

3.1 传统鼓包模型

3.2 力热作用下鼓包方程推导

3.3 本章小结

第4章 力热作用下薄膜力学性能鼓包测试研究

4.1 力热作用下镍膜弹性模量表征与分析

4.2 力热作用下聚酰亚胺(PI)膜弹性模量表征与分析

4.3 本章总结

第5章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

附录：个人简历、在校期间发表的学术论文与研究成果