数字散斑相关法用于热应力测试的研究

摘要

热应力和它引起的强度、刚度问题，关系到航空、航天、核能反应堆工程、微/纳机械系统(MEMS，NEMS)等领域的设备和构件是否能安全稳定使用，因此分析材料工作中产生的热应力很有必要。温差电致冷器由于其小型化、无噪声、无振动等优点广泛应用于国防、工业和科学研究各领域，其工作时产生的热应力具有代表性，包含了外部约束、相互变形约束、内部各区域之间变形的约束三种情况。研究温差电致冷器工作中产生的热应力很有意义，研究结果可以为标定温差电致冷器的长期工作温度提供数据支持。 热应力的计算依赖于材料的物性参数，其中最重要的就是材料的热膨胀系数，而传统热应力测试方法又受到各种限制，因此本文将测试和计算方法结合起来，利用新兴全场位移测量法-数字散斑相关法对实验条件要求较低，可以适用于微变形到大变形测量的特点，对单级温差电致冷器半导体组件的热膨胀系数进行测定，进而用有限元法计算其工作中产生的热应力。在测定之前，本文对数字散斑相关法的四种搜索算法-牛顿迭代法、改进的最速下降法、单区域搜索法、改进的变尺度法进行了精度和可靠性比较，使用热膨胀系数已知的铝件进行实验，用Olympus显微镜分别采集铝件升温前、后的图片，经图像处理后选用四种搜索算法分别对两幅图像进行相关计算，当数字散斑相关程序选用改进的变尺度法作为搜索算法时的结果与铝件热膨胀系数吻合，为研究微细观材料的热应力提供了一种可行、有效的测试方法。 在此基础上，分别测试出单级温差电致冷器半导体组件中P、N型元件x、y方向不同温度时的热膨胀系数，接着利用有限元方法模拟计算单级温差电致冷器不同工况时的热应力分布，最后得到的结果显示P、N型元件与焊料在冷端连接处应力、应变最大，破坏最容易从这里开始，这与致冷器实际损坏情况是相符的。 为了实现变温条件下的微/纳米尺度原位扫描，本文在本原CSPM-930扫描探针显微镜的STM的基础上研制了变温样品台，使用单级温差电致冷器的热端为样品加热，可以在样品升温到100℃的情况下进行原位扫描，使我们能够看到材料表面形貌随温度变化的图像，以便进一步研究材料的热力学性质。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 前言

1.1热应力的基本概念及国内外研究现状

1.2热应力分析方法

1.2.1研究热应力分析方法的重要意义

1.2.2热应力分析的方法

1.3本文的研究工作

第二章 数字散斑相关方法用于热膨胀系数测定的研究

2.1引言

2.2数字图像系统原理

2.2.1图像信号的采集

2.2.2灰度图

2.2.3图像模板匹配

2.3数字散斑相关法的基本原理

2.4搜索算法

2.4.1改进的最速下降法

2.4.2改进的变尺度法

2.4.3单区域搜索法

2.4.4一种圆形窗口与矩特征相结合的新型相关法

2.4.5运用C++对数字散斑程序的开发

2.5热膨胀系数测试实验搜索算法的选择

2.5.1搜索算法精度比较

2.5.2子区大小选择

2.5.3计算结果

2.6本章小结

第三章 单级温差电致冷器及其半导体组件热膨胀系数测定

3.1塞贝克效应

3.2珀尔帖效应

3.3半导体温差电致冷组件

3.3.1概述

3.3.2温差电致冷的优越性

3.3.3单级温差电致冷器

3.4热膨胀系数测定

3.4.1单级温差电致冷器的选择和P、N型元件显微图像

3.4.2P型元件26-39℃热膨胀系数测定

3.4.3P型元件其它温度下热膨胀系数测定

3.5显微镜冷却系统

3.6本章小结

第四章 单级温差电致冷器组件的热应力数学模型和有限元计算

4.1热弹性理论基本方程

4.2温度场数学模型的建立

4.2.1温度场概况

4.2.2热传递的基本方式

4.2.3初始条件和边界条件

4.2.4温度场有限元公式推导

4.3耦合热弹性问题

4.4模拟半导体组件工况时的有限元计算

4.5本章小结

第五章 基于CSPM-930中STM的变温样品台的制作和应用

5.1样品温度升高对隧道电流的影响

5.2对CSPM-930中STM的改装

5.3实验

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢