含过渡层软基薄膜结构的应力传递及裂纹演化研究

摘要

软聚合物基底薄膜材料具有柔性高、延展性好、制造成本低并且生产效率高等特点，被广泛应用于薄膜晶体管，柔性电子元件，生物医学等领域。近年来，含过渡层软基薄膜凭借其优越的性能，逐渐替代了传统的单层薄膜材料。过渡层能改变应力应变在膜基结构中的传递过程，从而改善膜基结构的力学性能，影响其在复杂载荷环境中的开裂及裂纹演化过程，进而影响材料的寿命。因此，对这种结构的应力传递机制研究以及裂纹演化研究具有重要意义。本文围绕此问题展开了三方面的研究： 第一，建立了一套求解膜基结构应力传递的解析解法。从力平衡法入手，给出了单层以及多层膜基结构在拉伸载荷下的完整的应力场，应变场以及位移场的表达式。结合有限元分析，发现结构的层间切应力以及内部正应力在结构边缘会有较大的梯度。此外，膜基材料弹性参数以及结构尺寸参数均是影响结构应力传递的因素。 第二，为了更好地对软基薄膜材料在复杂拉伸载荷下的力学行为进行观测，本文以共聚焦显微镜为基础，设计开发了一台应用于软基薄膜材料原位观测的微型双轴拉伸设备。此设备采用了新型的转动加载与转动夹持的结构，极大地缩小了自身尺寸与重量，克服了传统的平动加载设备的诸多缺点。同时又能与共聚焦显微镜相匹配，满足各种严苛条件下的观测需求。标准实验结果显示，设备能很好地实现等比加载以及不等比加载等工况。 第三，在高倍光学显微镜下，通过观察含过渡层软基薄膜在双轴拉伸载荷下的裂纹演化行为，研究了不同厚度以及不同材料过渡层对上层薄膜的裂纹形貌以及裂纹演化的影响。结果显示过渡层在膜基结构中不仅仅是传递力和变形的媒介，更会影响结构整体的开裂损伤的特性。 通过以上研究，本文阐明了膜基结构的应力传递机制，并且在一定程度上揭示了过渡层在膜基结构中的作用。

目录

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 膜基结构应力传递研究进展

1.3 双轴拉伸设备研究进展

1.4 膜基结构开裂损伤的实验研究进展

1.5 本文主要工作

第二章 拉伸载荷下膜基结构应力传递机制

2.1 本章概述

2.2 膜基结构的层间剪滞理论

2.3 膜基结构的应力传递模型

2.4 单层膜基结构应力分析

2.5 多层膜基结构应力分析

2.6 本章小结

第三章 膜基结构应力传递的有限元分析

3.1 本章概述

3.2 有限元建模

3.3 有限元结果分析

3.4 结论与分析

3.4.1 膜基长度对应力分布的影响

3.4.2 与剪滞理论的对比

3.4.3 优势与不足

3.5 本章小结

第四章 微型原位双轴拉伸设备的设计开发

4.1 本章概述

4.2 微型原位双轴拉伸设备

4.2.1 设备应用环境及整体结构

4.2.2 驱动系统

4.2.3 传动系统

4.2.4 夹持系统

4.2.5 控制系统

4.2.6 接口预留

4.3 标准试件设计

4.4 标准实验

4.4.1 实验原理及方法

4.4.2 实验结果

4.5 本章小结

第五章 双轴拉伸载荷下含过渡层膜基结构裂纹演化研究

5.1 本章概述

5.2 实验过程

5.3 单层膜在双轴拉伸载荷下的裂纹演化

5.4 过渡层材料对薄膜在双轴拉伸载荷下裂纹演化的影响

5.5 过渡层厚度对薄膜在双轴拉伸载荷下裂纹演化的影响

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢