基于数字散斑法的柔性薄膜力学性能测试研究

摘要

柔性薄膜材料在生物医学和电子工程等领域有着广泛地应用，然而在实际应用中，柔性薄膜材料经常会因本身界面结合强度、抗拉强度等力学性能不足，造成薄膜的断裂和剥离等失效现象。由于柔性薄膜材料的力学性能好坏直接关系到元件的可靠性、稳定性及寿命，因此，为了提升柔性薄膜材料元器件的使用性能而研究柔性薄膜材料的力学性能有着重要的意义。鼓包法是可以测量柔性薄膜材料弹性模量和界面结合强度等力学参数的实验方法。数字散斑的优点在于可以不和测量物体接触就可以测出物体的变形，具有精度高，并可以给出视野范围内的全场变形等优点。本文将数字散斑方法和鼓包法结合起来，研究了萘钠处理剂对 PVDF柔性薄膜材料弹性模量的影响，以及硬质薄膜/柔性基底结构的界面剪切强度。主要研究内容及结果如下：
　　(1)采用数字散斑方法研究了萘钠处理剂对PVDF薄膜力学性能的影响。在鼓包测量仪上，安装固定好实验薄膜，利用步进电机驱动油压缸将油压施加在样品薄膜上使其发生鼓包变形，利用数字散斑技术记录下变形过程，根据相关公式计算出PVDF薄膜的弹性模量分布在2.27～2.61 GPa之间，实验结果表明萘钠处理剂对PVDF薄膜的弹性模量并无显著影响。
　　(2)采用数字散斑方法对铜/聚偏氟乙烯（PVDF）基底柔性层状复合薄膜的界面剪切强度进行了研究。首先将PVDF薄膜粘结在有中心孔的钢制基座上并完全覆盖中心通油孔，之后将制作好的铜薄膜采用环氧树脂慢干胶粘结在PVDF薄膜表面，最后将制成的实验样品安放在鼓包测量仪上进行实验。在PVDF基底上施加均匀油压直到层状结构界面发生破坏。用这种方法，计算出的剪切强度稳定分布在40.9-53.2 kPa之间。
　　(3)采用Abaqus有限元软件建立了二维条件下的硬质薄膜/柔性基底结构的有限元模型，分析了模型中应变分布和发生破坏时界面处应变变化。计算结果表明，由于硬质薄膜的阻碍作用，使柔软基底的水平拉伸变形区域缩小，并集中于加压区域的边缘。柔性薄膜在剪切面位置发生了压缩变形，正是这种压缩变形和硬质薄膜剪切面处的拉伸变形相互作用，使得当压强升高为1800 kPa时剪切面发生破坏，并产生较大的离面位移。
　　本论文利用数字散斑技术对柔性薄膜材料的力学性能进行了研究。实验结果表明数字散斑技术可以有效地测量PVDF薄膜材料的弹性模量和铜/聚偏氟乙烯（PVDF）基底柔性层状复合薄膜的界面剪切强度。

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第1章 绪论

1.1 柔性薄膜材料简介

1.2 材料的力学性能及表征方法

1.3 数字散斑相关法

1.4 本文的选题依据与主要研究内容

第2章 萘钠处理剂对PVDF薄膜力学性能影响的研究

2.1 引言

2.2 鼓包测量仪测量原理及结构组成

2.3 萘钠处理剂简介

2.4 实验过程

2.5 实验结果与讨论

2.6 本章小结

第3章 硬质薄膜/柔性基底结构界面剪切强度实验研究

3.1 引言

3.2 实验模型界面剪切强度公式的推导

3.3 实验过程

3.4 实验结果与讨论

3.5 本章小结

第4章 硬质薄膜/柔性基底结构界面剪切强度数值模拟

4.1 引言

4.2 Abaqus简介

4.3 虚拟裂纹闭合法介绍

4.4 硬质薄膜/柔性基底结构的有限元模型

4.5 计算结果分析

4.6本章小结

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

个人简历与在校期间发表的学术论文与研究成果