鼓包法表征弹塑性膜/基体系界面结合性能的理论模型

摘要

随着科学技术的发展,薄膜以其独特的特征和行为广泛地被应用于表面工程和界面工程等相关工程实际应用领域中。由于薄膜材料在使用过程中需要承受力载荷、电载荷等多种载荷的作用,而导致薄膜材料产生失效。因此,薄膜材料的失效成为学术界和工程界广泛关注的热点之一。工程实际中,薄膜/基底体系主要失效模式为薄膜在基底上的剥落,即界面剥离。研究表明,界面结合性能是影响界面剥离的主要因素,因此定量表征薄膜/基底间的界面结合性能在实际应用中具有非常重要的意义。本文从数值模拟和解析两个角度,建立了弹塑性薄膜/基底体系的界面结合能的理论模型,得出界面结合性能的数值经验公式和解析公式。
　　鼓包法是常用的能够定量测量出界面结合性能的实验方法之一。本文也采用鼓包法对薄膜/基底体系的界面结合性能进行了研究。本文首先介绍了薄膜/基底体系界面性能的研究背景和研究现状,对几种常见的表征方法进行了简单的评述,阐明了本文的选题依据。接着利用Π定理,对弹塑性薄膜/刚性基底体系的鼓包问题进行了无量纲分析,得到了鼓包实验数据和界面结合性能参数之间的无量纲方程,同时利用ABAQUS有限元软件对鼓包实验过程进行了模拟,通过正推过程得到了无量纲函数的具体形式,并且通过计算聚酰亚胺(PMDA-ODA)薄膜/铝(Al)基底界面结合能对反分析进行了验证,其结果发现:反分析过程得出的结果与实验结果符合很好,也证明了数值模型与反推过程的有效性。然后采用了一种新型鼓包法,通过简化物理模型,基于塑性流动法则和梁的弯曲理论,建立了一维的楔形梁的弹塑性薄膜/刚性基底体系界面结合性能的解析模型,计算了镍薄膜/低碳钢基底体系的界面结合能,发现理论结果和有限元计算的结果吻合很好,验证了解析模型的正确性。最后考虑基底的影响,建立了弹性膜材料/任意基底体系界面结合能的解析模型,得到了界面结合能的范围。本文将对未来薄膜结构性能设计和薄膜体系界面失效研究有一定的参考价值。

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第1章 绪论

1.1 薄膜/基底体系界面结合性能表征的重要性

1.2 界面结合性能的表征现状

1.3 本文的选题依据及主要内容

第2章 鼓包法表征弹塑性薄膜/刚性基底界面结合能的数值模型

2.1 引言

2.2 鼓包法表征弹塑性薄膜/刚性基底界面结合能的理论框架

2.3 鼓包过程的有限元模拟

2.4 聚酰亚胺(PMDA-ODA)薄膜/铝(Al)基底界面结合能

2.5 小结

第3章 鼓包法表征弹塑性薄膜/刚性基底界面结合能的解析模型

3.1 引言

3.2 模型

3.3 镍薄膜/低碳钢基底界面结合能

3.4 小结

第4章 鼓包法表征弹性薄膜/任意基底界面结合能的解析模型

4.1 引言

4.2 模型

4.3 结果与讨论

4.4 小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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