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纳米尺度薄膜力—热耦合载荷下屈曲的实验研究

纳米尺度薄膜力—热耦合载荷下屈曲的实验研究

引用

作者：任小川天津大学

学位级别：硕士

本研究致力于对厚度为150nm的薄膜材料在力载荷与热载荷下的机械性能测试和表征研究。近些年来,随着膜层材料的广泛应用,国外学者对于沉积膜层脱层及屈曲问题日益关注,主要是因为脱层与屈曲是微纳米机电系统器件的主要破坏形式,这一研... 详细信息

本研究致力于对厚度为150nm的薄膜材料在力载荷与热载荷下的机械性能测试和表征研究。近些年来,随着膜层材料的广泛应用,国外学者对于沉积膜层脱层及屈曲问题日益关注,主要是因为脱层与屈曲是微纳米机电系统器件的主要破坏形式,这一研究对于其寿命预测具有重要意义。在微纳米机电系统中,基底薄膜模型系统应用越来越多。而在薄膜基底模型系统应用中,模型除了会受到一定的外部力载荷外,通常此系统会产生热量,从而使得此二元系统同时受到热载荷的作用。本文主要研究和分析讨论沉积在有机玻璃基底上的钛薄膜,在残余应力和外加轴向载荷以及热载荷的共同作用下的屈曲过程。使用一台光学显微镜观测膜层表面在应力、热载荷作用下的形貌及其变化。为了模拟膜层在复合工况下形成屈曲变形,在试验中对试件施加外部单轴压缩载荷与热载荷。本文中的力载荷通过具有自锁功能的对中加载装置施加,而热载荷是通过电热薄膜进行施加。本文仅对于基底薄膜模型系统在力-热载荷作用下的力学性能进行了分析。由于薄膜基底模型系统在微纳米机电系统器件中往往是进行预固定,所以其在室温条件时往往受到一定的外部力载荷,其在工作时产生热量,使得此薄膜基底系统又受到热载荷的影响。在本试验中,应用热电偶对基底薄膜温度进行了测量,热载荷的施加模拟了微机电系统中的工作温度范围,使得研究具有实际的应用价值。对于薄膜基底系统在微机电系统中应用时,对其预施加的力载荷不同,则基底薄膜在工作时产生热量温度升高时,其薄膜表面的屈曲尺寸及数量都有所不同,而本文中介绍的试验,对于薄膜基底在不同外部力载荷下温度升高时的屈曲进行了研究,定性地得到薄膜基底力-热载荷下工作时的优化条件。本文对薄膜-基底系统中的传热问题进行了有限元数值分析,得到了系统稳态和瞬态温度传热结果,并与试验值进行了比较。

关键词：薄膜屈曲电热薄膜热电偶对中加载装置纳米尺度

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纳米尺度薄膜屈曲的实验研究

纳米尺度薄膜屈曲的实验研究

引用

作者：房予铮天津大学

学位级别：硕士

本研究致力于对厚度分别为150nm的薄膜材料进行力学性能测试和表征研究。近些年来随着膜层材料的广泛应用,国外学者对于沉积膜层脱层及屈曲问题日益关注,主要是因为脱层与屈曲是微纳米机电系统器件的主要破坏形式,这一研究对于其寿命预... 详细信息

本研究致力于对厚度分别为150nm的薄膜材料进行力学性能测试和表征研究。近些年来随着膜层材料的广泛应用,国外学者对于沉积膜层脱层及屈曲问题日益关注,主要是因为脱层与屈曲是微纳米机电系统器件的主要破坏形式,这一研究对于其寿命预测具有重要意义。本文主要讨论沉积在有机玻璃基底上的钛薄膜,在残余应力和外加轴向载荷的共同作用下的屈曲过程。使用一台光学显微镜观测膜层表面在应力作用下的形貌及其变化。为了模拟膜层在工况下受载荷形成屈曲变形,在试验中对试件施加外部单轴压缩载荷。在载荷作用过程中,试件的刚体移动是不可避免的。本文提出了一种数字相关方法,计算所谓“亚临界”界面缺陷区域在载荷过程中的移动作为试件刚体位移,从而得以在载荷后的图像中抵消观察视场整体移动的影响,把屈曲变形信息从观测图像中提取出来。应用这种分析方法,本文分析了两种典型屈曲模式:直线型褶皱和圆形泡。对于前者的分析结果与公认的JW Hutchinson模型相符合,对于后者的分析得到了创新性的结果。这一成功证明了“亚临界”缺陷可以用于标记基底材料在载荷过程中的整体位移的理论分析。本文这种方法可以应用于其他屈曲分析。此外,经过简化的算法也有望实现观测视场位置的实时调整,以实现对于某处屈曲过程的追踪。为了从机制上消除观测视场的整体位移,作者所在的研究组设计开发了一种新型双压电晶体棒驱动的对称加载装置。从设计上,左右夹具滑块端面的载荷位移量相同,就能保证试件变形的严格对称性,这时观测视场的位移最小。本文的第三部分致力于对于新加载装置进行实验验证,同样使用数字图像相关方法测量夹具滑块的边缘在载荷过程中的位移。实验结果表明:不同的预紧力下,加载装置的滑块端面位移量不同,因此选择适当大小的预紧力对对称性能至关重要。本文对加载装置存在的问题进行了分析解释,并提出了相应的修改意见。

关键词：薄膜屈曲界面缺陷数字图像相关方法(DICM) 对中加载装置

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