柔性基底-金属薄膜结构界面损伤行为分析

作     者：刘永旭 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李兆霞

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：柔性电子 柔性基底-金属薄膜结构 界面损伤 界面应力传递 内聚力模型 

摘      要：柔性基底-金属薄膜结构是柔性电子领域中最基本的结构形式,其通常承担着金属导线及金属电极的作用,在承受外部载荷作用时,金属薄膜与柔性基底的非协调变形将会引起柔性基底-金属薄膜结构的界面脱粘,这是引起柔性电子器件损伤失效的主要原因。为了避免出现因界面损伤失效而导致的柔性电子器件整体失效,提高柔性基底-金属薄膜结构服役期间的可靠性的需要。本文将从理论与数值模拟两个层面对柔性基底-金属薄膜结构的界面损伤行为展开研究。理论方面,建立柔性基底-金属薄膜结构的界面应力传递模型,揭示薄膜与基底间的应力传递机理;基于内聚力理论,建立可用于界面损伤分析的柔性基底-金属薄膜结构界面解析模型。数值模拟方面,通过内聚力单元构建柔性基底-金属薄膜结构的有限元数值模型,利用所建立的数值模型对结构界面损伤失效行为进行分析,探究影响柔性基底-金属薄膜结构的因素。本文的主要工作和研究成果如下:1.基于剪切滞后理论,建立了考虑结构厚度影响的柔性基底-金属薄膜结构界面应力传递模型。所建立的模型适用于承受单轴拉伸载荷作用下的柔性基底-金属薄膜结构服役初期和界面损伤可忽略不计的情况,通过该模型可获得基底、薄膜及界面的应力应变场,进而可得到界面应力传递机理:在单轴拉伸载荷作用下,金属薄膜中的应力通过界面从柔性基底中传递而来,并且界面主要是以界面切应力的形式将柔性基底中的应力传递到金属薄膜中,界面切应力在结构载荷作用位置达到最大值,在靠近结构对称轴处为零,而薄膜中的正应力在载荷作用位置为零,在靠近对称轴处增大到最大值。基于该模型可对结构尺寸参数与弹性参数对应力传递的影响进行分析,从而可以为柔性基底-金属薄膜结构制备过程中对薄膜、基底的厚度和弹性参数合理调配提供一种理论分析手段。2.将解析法与双线性内聚力模型相结合,建立了柔性基底-金属薄膜结构内聚力界面解析模型。所建立的模型在柔性基底-金属薄膜结构承受单轴拉伸载荷作用时从弹性变形阶段到结构界面脱粘失效的整个过程都有着良好的适用性,利用该模型可得到在不同界面受力状态下柔性基底、金属薄膜以及界面的应力应变场。结果表明,柔性基底-金属薄膜结构的界面边缘处首先发生损伤失效,接着向界面内部进行扩展。该模型可揭示结构尺寸参数、力学参数及内聚力参数对柔性基底-金属薄膜结构损伤演化过程的影响,可为有限元数值模拟提供理论依据,避免内聚力参数的盲目选择。3.通过构建内聚力模型单元,建立了柔性基底-金属薄膜结构的有限元数值模型。该模型可对在不同服役载荷作用下的柔性基底-金属薄膜结构的力学响应进行分析,结果表明,对于界面附近的内聚力单元,拉伸载荷对界面脱粘的影响大于弯曲载荷。通过将有限元模型得到的计算结果与理论模型得到的计算结果对比,发现二者具有较好的一致性。4.利用柔性基底-金属薄膜结构的有限元数值模型研究了影响柔性基底-金属薄膜结构界面损伤的因素。结果表明,柔性基底-金属薄膜结构的材料属性、结构尺寸与内聚力参数会影响界面中损伤范围的大小。其中,金属薄膜与柔性基底弹性模量的增加均会使界面损伤的范围增大;柔性基底厚度与金属薄膜厚度的比值的增加会使界面中发生损伤的范围减小;界面损伤起始位移的增加会使界面中发生损伤的范围减小;而界面脱粘失效位移与界面剪切强度的增加,均会使界面中发生损伤的范围增大。在进行柔性基底-金属薄膜结构设计时,可以采用提高界面粘结强度、增大柔性基底厚度、降低薄膜和基底的弹性模量等方法提高柔性基底-金属薄膜结构的可靠性。