金属薄膜流变力学性能研究

论文摘要

近年来,薄膜科学愈来愈受到重视,对其力学性能的研究已成为热门领域。但在加载条件下薄膜材料的力学性能与块体材料力学性能之间有很大的区别,因此,研究薄膜材料在不同加载条件下的力学性能十分必要。纳米压痕测试技术作为一种测量薄膜材料力学性能的方法,以其高精度的位移分辨率、超低载荷及连续测量能力倍受青睐。构造本构方程的方法有元件模型理论、积分方程理论、屈服面理论等,本文采用的是元件模型理论。元件模型包括弹性体、塑性体和粘性体三个常用的模型。本文应用流变力学的基本理论与研究方法结合纳米压痕法来探讨金属薄膜材料的流变力学性能。本文以电沉积镍薄膜材料为实验对象,主要工作包括薄膜材料本构关系的理论分析及力学性能的实验研究,利用纳米压入技术对金属薄膜材料在室温下的流变力学性能进行了研究。在对薄膜一般力学性能研究的基础上,对电沉积镍薄膜的流变力学性能进行相关的实验。通过对不同载荷水平下的蠕变实验所得到的蠕变曲线结果的分析,选择了改进的Burgers流变模型来拟合流变实验曲线,并给出了该组合模型的最优参数,作出了其理论曲线,该理论曲线与实验曲线比较吻合。推导出材料积分型蠕变本构方程和微分型应力应变本构关系,计算出材料的蠕变积分核函数,进而通过Laplace变换求出松弛核函数。测试了电沉积镍薄膜在不同位移条件下的松弛行为,并对其进行比较,发现在同一时间下的松弛率大致相同。对蠕变试验和松弛试验的等价性进行了讨论,通过所做的不同加载条件下的蠕变实验曲线转换得到了应力松弛曲线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 薄膜概述
• 1.1.1 薄膜的定义及分类
• 1.1.2 薄膜材料的性能
• 1.2 流变学简介
• 1.2.1 流变学基本概念
• 1.2.2 流变力学研究内容
• 1.2.3 流变学的研究方法
• 1.3 薄膜的流变力学性能研究现状
• 1.4 本文的研究目的和内容
• 2 实验方法与手段
• 2.1 纳米压痕技术
• 2.1.1 纳米压痕技术概述
• 2.1.2 纳米压痕法测量薄膜流变力学性能
• 2.2 实验的准备
• 2.2.1 试样的制备
• 2.2.2 薄膜厚度的测量
• 2.2.3 实验设备
• 3 薄膜流变力学性能实验
• 3.1 标准蠕变全过程曲线及其力学性能分析
• 3.2 电沉积镍薄膜的蠕变实验
• 3.3 电沉积镍薄膜的松弛实验
• 4 实验结果分析
• 4.1 蠕变实验的流变模型理论分析
• 4.1.1 Kelvin（或Voigt）模型
• 4.1.2 Maxwell模型
• 4.1.3 Bingham模型
• 4.1.4 其他多元组合模型
• 4.2 电沉积镍镀层的蠕变律
• 4.2.1 电沉积镍镀层的蠕变积分型和微分型本构方程的实验确定
• 4.2.2 电沉积镍镀层积分核函数的实验确定
• 4.3 蠕变实验与松弛实验的等价性讨论
• 总结与展望
• 参考文献
• 附录（攻读学位期间的主要学术成果）
• 致谢