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基于硅-玻璃键合工艺的微惯性器件的材料热失配应力表征

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光学精密工程 2020年第8期28卷 1715-1724页

作者：刘梦霞秦强董显山崔健赵前程北京大学微米/纳米加工技术国家级重点实验室北京100871 工业和信息化部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室广东广州510610

基于硅-玻璃键合工艺实现敏感结构和衬底相接是微惯性器件的主流工艺方案之一。硅和玻璃热膨胀系数不同,在惯性器件环境工作温度发生变化时,硅玻璃接触表面会产生热应力,该应力严重影响器件的性能。为了测量异质材料间的热失配应力以及... 详细信息

基于硅-玻璃键合工艺实现敏感结构和衬底相接是微惯性器件的主流工艺方案之一。硅和玻璃热膨胀系数不同,在惯性器件环境工作温度发生变化时,硅玻璃接触表面会产生热应力,该应力严重影响器件的性能。为了测量异质材料间的热失配应力以及键合锚点尺寸对应力的影响,本文提出了一种以悬臂梁作为测试结构的锚点形变测量和数据处理方法,用于表征器件的工艺热失配应力。根据仿真结果将锚点设计成切块形式以减小最大应力和结构形变。测试结果表明,对于边长为600,400和200μm的锚点,悬臂梁相对锚点的平均离面位移分别为0.43,0.30和0.20 nm/℃;结果具有良好的重复性。该结果说明锚点热形变与锚点的大小直接相关,这对MEMS惯性结构以及工艺设计改进具有重要的意义。

关键词：微惯性器件热失配应力悬臂梁测量方法离面位移

2D-C/SiC复合材料热膨胀系数演化模型

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复合材料学报 2024年第4期41卷 2083-2098页

作者：郑茹悦杨成鹏贾斐西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072 西安电子科技大学机电工程学院西安710071

热膨胀系数是耐高温复合材料的重要热力学参数。针对复合材料在服役条件下存在基体开裂和界面脱粘而影响其热膨胀变形的现象,通过理论模拟和实验测试,研究了含损伤2D-C/SiC复合材料热膨胀系数随环境温度的演变行为。首先,基于Mini复合... 详细信息

热膨胀系数是耐高温复合材料的重要热力学参数。针对复合材料在服役条件下存在基体开裂和界面脱粘而影响其热膨胀变形的现象,通过理论模拟和实验测试,研究了含损伤2D-C/SiC复合材料热膨胀系数随环境温度的演变行为。首先,基于Mini复合材料模型给出了组分材料的三维热失配应力计算模型;其次,引入基体开裂和界面脱粘损伤,并考虑组分材料热膨胀性能差异、纤维的横观各向同性以及泊松效应的影响,推导了Mini复合材料轴向和径向热膨胀系数的解析表达式;再次,基于[0/90]正交层压板模型和宏观应变的一致性假设,建立了2D-C/SiC复合材料含损伤表观热膨胀系数的分析预测模型;最后,将本模型与经典Schapery模型及实验值进行对比,分析了热膨胀系数的主要影响因素。参数分析表明:基体裂纹间距、界面脱粘率、孔隙率、组分材料的弹性模量及热膨胀系数等均会影响复合材料的表观热膨胀系数,其中基体膨胀系数的影响尤为显著;验证结果表明:本模型具有合理性与正确性,其预测值与经典模型及实验曲线均吻合良好。

关键词：热膨胀系数 Mini复合材料模型 2D-C/SiC 热失配应力 Schapery模型

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2D-C/SiC复合材料的面内剪切本构模型

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航空材料学报 2024年第4期44卷 139-149页

作者：林江嵘杨成鹏贾斐西北工业大学力学与土木建筑学院西安710129 西安电子科技大学机电工程学院西安710071

为了表征2D-C/SiC复合材料的面内剪切行为,考虑基体开裂、界面脱粘、纤维桥连弯曲等损伤机制,提出宏细观两尺度下的含损伤体元模型;引入热失配应力的影响,在分别表征卸载弹性应变和残余应变的基础上,建立材料的温度相关面内剪切本构模... 详细信息

为了表征2D-C/SiC复合材料的面内剪切行为,考虑基体开裂、界面脱粘、纤维桥连弯曲等损伤机制,提出宏细观两尺度下的含损伤体元模型;引入热失配应力的影响,在分别表征卸载弹性应变和残余应变的基础上,建立材料的温度相关面内剪切本构模型。开展室温单调加载和加卸载面内剪切实验,发现残余应变和弹性应变均随剪应力的增大逐渐增大,而卸载模量随剪应力的增大持续减小。将模型用于2D-C/SiC复合材料剪切行为的模拟,结果表明:模型对于弹性应变、残余应变、卸载模量和整体应力-应变曲线的预测值均与实验数据吻合,验证了分析模型的合理性与准确性;在此基础上,给出2D-C/SiC复合材料在不同温度下的面内剪切应力-应变关系曲线,为热结构设计提供参考。

关键词： 2D-C/SiC复合材料面内剪切热失配应力高温性能损伤机理

2D-C/SiC复合材料的面内剪切本构模型

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航空材料学报 2024年

作者：林江嵘杨成鹏贾斐西北工业大学力学与土木建筑学院西安电子科技大学机电工程学院

为了表征2D-C/SiC复合材料的面内剪切行为，考虑基体开裂、界面脱粘、纤维桥连弯曲等损伤机制，提出宏细观两尺度下的含损伤体元模型；引入热失配应力的影响，在分别表征卸载弹性应变和残余应变的基础上，建立材料的温度相关面内剪切本... 详细信息

为了表征2D-C/SiC复合材料的面内剪切行为，考虑基体开裂、界面脱粘、纤维桥连弯曲等损伤机制，提出宏细观两尺度下的含损伤体元模型；引入热失配应力的影响，在分别表征卸载弹性应变和残余应变的基础上，建立材料的温度相关面内剪切本构模型。开展室温单调加载和加卸载面内剪切实验，发现残余应变和弹性应变均随剪应力的增大逐渐增大，而卸载模量随剪应力的增大持续减小。将模型用于2D-C/SiC复合材料剪切行为的模拟，结果表明：模型对于弹性应变、残余应变、卸载模量和整体应力-应变曲线的预测值均与实验数据吻合，验证了分析模型的合理性与准确性；在此基础上，给出2D-C/SiC复合材料在不同温度下的面内剪切应力-应变关系曲线，为热结构设计提供参考。

关键词： 2D-C/SiC复合材料面内剪切热失配应力高温性能损伤机理

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Ni-Mo-P/Cu薄膜的热稳定性

材料热处理学报 2015年第7期36卷 182-187页

作者：王梅玲杨志刚张弛王海高思田中国计量科学研究院北京100029 清华大学材料学院北京100084

通过自组装层法、磁控溅射依次在Si O2基底上化学镀制备了Ni-Mo-P、Cu薄膜,薄膜厚度和成分通过X射线荧光仪（XRF）测定。对Si O2/Ni-Mo-P/Cu体系进行了400-600℃的热处理,利用X射线衍射仪（XRD）对物相结构的稳定性进行了测定,利用场发... 详细信息

通过自组装层法、磁控溅射依次在Si O2基底上化学镀制备了Ni-Mo-P、Cu薄膜,薄膜厚度和成分通过X射线荧光仪（XRF）测定。对Si O2/Ni-Mo-P/Cu体系进行了400-600℃的热处理,利用X射线衍射仪（XRD）对物相结构的稳定性进行了测定,利用场发射扫描电镜（FE-SEM）和电子能谱仪（EDS）对表面形貌的稳定性进行了观察和成分分析。结果表明,在400和500℃热处理后,体系稳定性良好,但在较快的降温速率（40℃/min）条件下,Si O2/Ni-Mo-P/Cu体系在600℃热处理后失效,根据热失配应力,提出了薄膜破裂模型,Ni-Mo-P薄膜与Si O2界面断裂能为2.12 J/m^2。Cu薄膜在600℃热处理时发生团聚,Cu在Ni-Mo-P上的团聚激活能为1.15 e V,大于Cu在Si O2上的团聚激活能0.6 e V。

关键词：热稳定性热失配应力团聚断裂

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高速电弧喷涂过程涂层表面残余应力预测

表面技术 2017年第6期46卷 185-191页

作者：王敏天地科技股份有限公司北京100013

目的提出一种由连续叠加热失配应力和曲率淬火应力组成的新型涂层表面残余应力预测模型,用于预测高速电弧喷涂成形过程涂层表面残余应力值。方法基于高速电弧喷涂层逐层叠加成形基本假说,利用力和力矩平衡原理,分别建立了涂层逐层叠加... 详细信息

目的提出一种由连续叠加热失配应力和曲率淬火应力组成的新型涂层表面残余应力预测模型,用于预测高速电弧喷涂成形过程涂层表面残余应力值。方法基于高速电弧喷涂层逐层叠加成形基本假说,利用力和力矩平衡原理,分别建立了涂层逐层叠加热失配应力模型和淬火应力模型,将两模型组合后,得出喷涂过程涂层表面残余应力数值模型。结果通过与X射线衍射仪测得的不同厚度FeAlCrBSiNb涂层表面残余应力值进行比较,发现喷涂一道次时,涂层表面残余应力值为涂层形成过程中最大表面残余应力值。喷涂层厚度为500μm前后,涂层表面残余应力变化规律不同,即理论预测值与实际值随喷涂厚度的增加先减少,当喷涂厚度沉积至500μm后,理论预测值趋于有增有降的波动平稳,而实际测量值在厚度增加至1500μm后逐渐下降。结论高速电弧喷涂过程涂层表面残余应力预测模型,可以较为准确地预测涂层形成过程中表面最大残余应力值和涂层厚度小于500μm时的涂层表面残余应力值,揭示出高速电弧喷涂层实际成形过程表面残余应力的分布规律,即随着喷涂层沉积厚度的增加,残余应力先减少而后沉积至500μm后略微增大。

关键词：高速电弧喷涂热失配应力淬火应力沉积过程表面残余应力 FeAlCrBSiNb涂层

考虑层间界面失效行为的REBCO超导层合带材裂纹扩展数值研究

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考虑层间界面失效行为的REBCO超导层合带材裂纹扩展数值研究

作者：张厚源兰州大学

学位级别：硕士

第二代高温超导REBCO带材因具有高临界磁场、高临界电流密度以及液氮环境下可实现超导态等优点,在能源、交通、医疗等高新技术领域中应用广泛,成为超导技术与应用中的研究热点。然而,由于REBCO超导带材具有多层复合结构,各层材料间厚度... 详细信息

第二代高温超导REBCO带材因具有高临界磁场、高临界电流密度以及液氮环境下可实现超导态等优点,在能源、交通、医疗等高新技术领域中应用广泛,成为超导技术与应用中的研究热点。然而,由于REBCO超导带材具有多层复合结构,各层材料间厚度差异较大,且超导层自身为脆性材料,在极端工作环境下容易发生界面开裂和超导带材内部断裂破坏行为,从而导致其超导性能退化甚至发生结构失效。本文对REBCO高温超导层合带材层间剥离失效和超导层断裂问题进行了数值研究。基于双线性层间内聚力本构模型和裂纹扩展有限单元法,本文建立了考虑层间界面失效行为的裂纹扩展分析模式以及超导带材剥离和断裂有限元模型,分别研究了轴向机械拉伸、降温引起的热失配应力情形下的REBCO超导层合带材断裂特征及裂纹扩展行为。针对轴向拉伸荷载下的超导层合带材的剥离和断裂行为模拟结果表明:超导层及其相邻层间的剥离和超导层的断裂两种失效模式与行为相互影响,界面强度越大,越难产生剥离失效行为;初始缺陷较大时,超导层容易发生断裂行为;铜层厚度在一定范围内对超导带材的剥离和断裂行为影响明显等。开展了超导层合带材从室温降到77 K过程中热失配应力对超导带材界面开裂与超导层断裂行为的影响。相关研究结果表明:热失配应力对超导带材的剥离和断裂有着显著的影响,由于热失配应力作用,超导层合带材更易发生剥离和断裂渐进失效行为。本文所建模型较好地从定性上解释已有文献中的实验结果,揭示了带材层间界面失效与超导层材料断裂相互影响导致的渐进失效机理。相关定量分析结果可为REBCO超导带材的工程应用以及复杂环境下的力学失效问题提供一定的理论指导。

关键词：高温超导层合带材内聚力模型扩展有限单元法机械荷载热失配应力剥离与断裂

2205双相不锈钢急冷后金相组织中微裂纹产生机理的研究

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钢铁研究 2009年第6期37卷 25-29页

作者：王月香方轶琉刘振宇王国栋东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室辽宁沈阳110004

对2205双相不锈钢连铸坯进行了高温淬火实验,采用不同金相腐蚀方法对淬火试样金相组织进行观察,发现在其金相组织中均存在较明显的微裂纹。经分析发现,在淬火过程中因奥氏体和铁素体热膨胀系数不同而产生的热失配应力增加了试验后试样... 详细信息

对2205双相不锈钢连铸坯进行了高温淬火实验,采用不同金相腐蚀方法对淬火试样金相组织进行观察,发现在其金相组织中均存在较明显的微裂纹。经分析发现,在淬火过程中因奥氏体和铁素体热膨胀系数不同而产生的热失配应力增加了试验后试样内残余热应力,较大的残余热应力在金相腐蚀过程中诱发了微裂纹;并理论上计算了热失配应力单独作用下淬火过程中微裂纹产生的临界淬火温降,为工业生产提供了理论参考。

关键词：双相不锈钢热变形淬火裂纹热失配应力

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热障涂层材料系统热失配机理分析

热障涂层材料系统热失配机理分析