纳米薄膜在冲击载荷下屈曲的实验研究及有限元分析

论文摘要

固态薄膜现已应用于多种工程系统,并适合于实现多种功能,例如在传感器的设计和微电子机械系统中,薄膜材料是必不可少的部分;在传动零件中,薄膜材料作为表面涂层可以有效地防止零件的磨损和摩擦。随着越来越多的领域中都会用到薄膜技术,国内外学者对于沉积膜层的脱层与屈曲问题也日益关注,但目前的研究多集中在薄膜结构在静态力下的屈曲问题,动态屈曲问题则相对较少,因此本文的主要工作是研究在轴向冲击力下,有机玻璃基底上相同厚度各种薄膜的屈曲问题,这一工作对其寿命的预测具有重要的意义。在本论文中,为了实时观测到薄膜结构的表面形貌在冲击力下的变化,采用单筒视频显微镜和高速CCD对其进行实时拍摄,得到了钛膜、铜膜、钛/镍多层膜在脉冲载荷下的屈曲形貌,并发现了随着应力的释放,部分屈曲也会相应的释放;在相同冲击力下对钛膜、铝膜、铜膜、钛/镍多层膜进行重复加载实验,利用位移传感器和压电式力传感器测量了冲击端部的力-位移曲线,对比了不同薄膜在相同冲击力下的屈曲过程以及相同薄膜在循环加载下的屈曲扩展过程。实验结果表明薄膜的屈曲行为和薄膜材料、冲击强度以及载荷持续时间都有着密切的关系。论文的最后,利用ANSYS模拟了柔性基底上沉积钛膜的结构在轴向静态力以及冲击力作用下的屈曲扩展过程,主要利用非线性弹簧单元模拟了界面法向粘附力,得到了屈曲区域节点的法向力-位移曲线,为三维薄膜结构屈曲问题的模拟提供了初步的理论资料。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 薄膜屈曲的研究背景和意义
• 1.2 纳米薄膜屈曲的国内外研究进展
• 1.2.1 简介
• 1.2.2 基底的柔性对薄膜屈曲的影响
• 1.2.3 残余应力对薄膜屈曲的影响
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 矩形薄板的非线性动力屈曲研究
• 2.1 动态屈曲的特点及屈曲准则
• 2.1.1 动态屈曲的特点
• 2.1.2 动态屈曲的判别准则
• 2.2 初屈曲矩形薄板的非线性动力屈曲研究
• 第三章 实验装置的设计与研发
• 3.1 试件的制备
• 3.2 高速摄像系统的实验装置
• 3.2.1 实时拍摄装置
• 3.2.2 同步启动装置
• 3.3 位移传感器
• 3.4 压电式力传感器
• 3.5 小结
• 第四章 冲击载荷下动态屈曲的实验研究
• 4.1 落锤冲击载荷作用下屈曲图像的实时采集及分析
• 4.1.1 厚度为500nm 的钛膜在冲击载荷下的屈曲分析
• 4.1.2 厚度为500nm 的铝膜在冲击载荷下的屈曲分析
• 4.1.3 厚度为500nm 的钛/镍多层膜在冲击载荷下的屈曲分析
• 4.2 摆锤冲击载荷作用下屈曲图像的实时采集及分析
• 4.2.1 厚度为500nm 的铜膜在冲击载荷下的屈曲分析
• 4.2.2 厚度为500nm 的钛膜在冲击载荷下的屈曲分析
• 4.2.3 厚度为500nm 的钛/镍多层膜在冲击载荷下的屈曲分析
• 4.3 小结
• 第五章 薄膜-基底结构在静态力及冲击力下的有限元分析
• 5.1 薄膜-基底结构三维有限元模型的建立
• 5.1.1 界面粘附力的模拟
• 5.1.2 薄膜-基底结构有限元模型的建立
• 5.2 薄膜-基底结构在轴向压力作用下的有限元分析
• 5.3 薄膜-基底结构在冲击载荷下的有限元分析
• 5.4 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