纳米金属薄膜拉伸变形分叉的实验研究和数值分析

摘要

柔性电子产品中大量使用薄膜组件和薄膜连接导线,在使用过程会受到反复的拉伸、卷曲和折叠。将薄膜和基底作为一个基本结构,研究薄膜在拉伸载荷下的变形分叉和失效机理,对提高薄膜器件的稳定性和使用寿命具有重要意义。
　　在本文中,根据实验要求开发了一套适合薄膜/基底结构在光学显微镜下原位观察的拉伸加载装置,此装置主要由三部分组成:反向螺纹对中加载框架、柔顺铰链加载及力传感部件和位移传感器。柔顺铰链加载及传感部件采用椭圆柔顺铰连接,能够消除普通铰链连接和螺纹传递连接所形成的空行程,并与力传感器做成一体的整体式框架结构。该装置具有结构紧凑,简单,制作成本低,操作方便等特点,能够解决难夹持,原位实时观察,施加载荷增量和应变小等难题,与应变仪和计算机连接使用,经实验验证,此加载装置能够满足纳米金属薄膜拉伸变形分叉实验的需要,力加载精度高。
　　本文采用磁控溅射技术在PET基底上溅射不同厚度的纳米铜膜和纳米铝膜,在光学显微镜下原位观察纳米金属薄膜在拉伸载荷下的变形分叉响应和损伤过程。研究表明:薄膜/基底结构在拉伸过程中薄膜经历了均匀变形、微裂纹形成扩展和微裂纹饱和三个阶段。临界应变与薄膜尺寸和材料相关,随着膜厚的增加,临界应变值是先增大后减小,有明显的尺度效应,表明薄膜存在着最佳厚度尺寸,纳米铜膜的最佳厚度大约在500nm左右。在相同条件下,纳米铜膜的临界应变比纳米铝膜的小。微裂纹饱和后,裂纹间距与薄膜厚度成线性关系。根据分叉后微裂纹间距与界面强度关系,分析表明纳米铜膜和纳米铝膜的界面强度与膜厚度有关,界面强度与临界应变的变化规律一致;根据薄膜/基底和单一基底力—位移拉伸曲线与薄膜杨氏模量的关系,分析了纳米铜膜和纳米铝膜的杨氏模量,形成致密薄膜后,其杨氏模量与膜厚度无关,与对应的块体材料杨氏模量相比,纳米铜膜的杨氏模量与块体材料的值差不多,为114.6GPa,若考虑粘接界面的影响,这与按照构造和单晶弹性常数计算的模量值120GPa很接近,而纳米铝膜的杨氏模量比块体材料的值小近一半,为28.5GPa;另外,经过纳米铜膜实验发现:在相同的界面条件下,PET基底的力学性能对薄膜的临界应变和裂纹扩展速度有影响,塑性硬化率小的基底上薄膜裂纹向界面扩展的速度快。
　　本文基于幂硬化材料,用有限元对粘接在基底上薄膜的拉伸分叉行为进行二维数值模拟,通过对材料硬化关系的匹配模拟,发现薄膜拉伸变形分叉存在三种模式:均匀变形、单一颈缩和多个颈缩。完好粘接下材料硬化关系匹配决定分叉模式,只有弱硬化薄膜粘接在强硬化基底上,并且薄膜的应力比基底大时,才能形成多个颈缩的变形模式。膜基之间界面刚度变化能够使变形分叉模式发生改变,随着界面刚度的增加,薄膜由均匀变形模式转变成多个颈缩的变形模式,再转变成单一颈缩的变形模式。缺陷周围的其他缺陷位置决定颈缩的间距、颈缩个数和临界应变值,周围次缺陷离中心缺陷越近,颈缩的间距越小,颈缩个数越多,薄膜的断裂应变越小。颈缩是周期的,次缺陷使薄膜形成二次颈缩,被认为这是裂纹之间形成新的裂纹的一个重要原因。颈缩的位置是各个缺陷引起的颈缩波长扰动的叠加。

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第一章 绪论

1.1纳米薄膜力学性能研究的背景及意义

1.2 薄膜的制备和界面强度测量方法

1.3 薄膜拉伸分叉行为的国内外研究进展

1.4 本论文的工作内容

第二章 薄膜拉伸的分叉理论

2.1 金属材料在拉伸载荷下的变形理论

2.2 薄膜/基底结构拉伸变形分叉分析介绍

2.3 裂纹密度与界面强度的关系

2.4 本章小结

第三章 薄膜/基底结构拉伸加载装置的研制

3.1 反向螺纹对中加载框架

3.2 柔顺铰链加载及力传感部件

3.3 位移传感器

3.4 本章小结

第四章 纳米金属薄膜拉伸分叉的实验研究

4.1 试件制作

4.2 实验方案选择

4.3 纳米铜膜的拉伸分叉实验研究

4.4 纳米铝膜拉伸分叉实验研究

4.5 本章小结

第五章 薄膜拉伸分叉的有限元分析

5.1 模型建立

5.2 数值模拟结果

5.3 拉伸变形分叉模拟结果分析

5.4 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