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1、薄膜屈曲力学分析第1页，本讲稿共18页参考文献参考文献1.张 敏，纳米薄膜屈曲的国内外研究进展，天津大学仁爱学院，20092.肖毅，纳米薄膜屈曲三维形貌技术测量技术研究、天津大学机械工程学院、20063.房予铮、纳米尺度薄膜屈曲的实验研究、天津大学机械工程学院，20064.M.-W.Moon a,d,*,J.-W.Chung b,K.-R.Lee b,K.H.Oh a,R.Wang c,A.G.Evans，An experimental study of the influence of imperfections on the buckling of compressed thin film
2、s，Acta Materialia 50(2002)12191227第2页，本讲稿共18页屈曲：屈曲：力学名词(buckling)。结构的一种失效。表现为当结构受到很高、但小于他所能承受的极限压应力的应力时，会失效。这种失效常归结于弹性不稳定性。薄膜屈曲薄膜屈曲：是指材料受到压缩载荷导致的一种破坏模式，特征表现为垂直于载荷方向上大幅度的离面位移。又称为泡（blister）、脱层（delamination）、褶皱（wrinkle）。第3页，本讲稿共18页电话线型屈曲电话线型屈曲 圆形屈曲圆形屈曲 直线型褶皱直线型褶皱 屈曲模式第4页，本讲稿共18页屈曲模式屈曲模式 直线型屈曲直线型屈曲 圆形圆形
3、 屈曲屈曲 电话线型屈曲电话线型屈曲第5页，本讲稿共18页1.薄膜材料的重要利用价值和涂层技术的广泛薄膜材料的重要利用价值和涂层技术的广泛 应用应用2.薄膜中均存在残余应力薄膜中均存在残余应力 薄膜/基底结构通常是工作在残余应力和外加应力的联合作用下，破坏形式断裂和屈曲、散裂。3.薄膜在纳米尺度上的变形和损伤直接影响到器件的性能薄膜在纳米尺度上的变形和损伤直接影响到器件的性能和寿命。和寿命。薄膜屈曲研究的意义薄膜屈曲研究的意义第6页，本讲稿共18页由于薄膜的厚度极薄，只能采用特殊的实验技巧来测定薄膜的性质，其中主要的方法有划痕法、压入法和接触疲劳法，第7页，本讲稿共18页薄膜屈曲的力学分析薄膜
4、屈曲的力学分析 基本定理：基本定理：如果引致能量释放率（induced energy release rate）超过界面韧性（toughness），那么屈曲就会扩展，反之屈曲就呈稳定状态。1.直线型褶皱直线型褶皱 公认的扩展模型：稳态扩展条件下，褶皱沿着弯曲的椭圆型公认的扩展模型：稳态扩展条件下，褶皱沿着弯曲的椭圆型前端扩展，而其后形成的直线型边缘并不扩展。前端扩展，而其后形成的直线型边缘并不扩展。直线型褶皱的扩展模型直线型褶皱的扩展模型尽管屈曲直线边缘的能量释放率尽管屈曲直线边缘的能量释放率超过弯曲的扩展前沿，但是直线超过弯曲的扩展前沿，但是直线型边缘的韧性也显著超过了扩展型边缘的韧性也显著
5、超过了扩展前沿，前沿，第8页，本讲稿共18页JW Hutchinson首先提出褶皱的横截面展现出余弦曲线的形首先提出褶皱的横截面展现出余弦曲线的形状：状：对应屈曲膜层离面最高点对应屈曲膜层离面最高点屈曲阈值应力屈曲阈值应力第9页，本讲稿共18页 扩展前沿裂纹形式以扩展前沿裂纹形式以I I型裂纹（张开型型裂纹（张开型 opening mode opening mode）为）为主；直线边缘只要屈曲扩展达到一定宽度后其断裂形式就转主；直线边缘只要屈曲扩展达到一定宽度后其断裂形式就转为为IIII型（滑移型，型（滑移型，sliding shear modesliding shear mode）为主；剪切
6、型裂纹）为主；剪切型裂纹（scissoring shear modescissoring shear mode）对界面韧性的影响与）对界面韧性的影响与I I型和型和IIII型型相比基本可以忽略不计相比基本可以忽略不计 刚性基底上膜层褶皱直线边缘的能量释放率随褶皱的横向刚性基底上膜层褶皱直线边缘的能量释放率随褶皱的横向扩展而上升，但是扩展过程中尖端扩展而上升，但是扩展过程中尖端II型裂纹成分的增长导致型裂纹成分的增长导致局部韧性增加（称为韧性的模态依赖局部韧性增加（称为韧性的模态依赖,mode-dependent toughness），因此阻止褶皱脱层的横向扩张），因此阻止褶皱脱层的横向扩张第1
7、0页，本讲稿共18页模态依赖的内部机制：随着滑移型裂纹取代张开型裂纹，模态依赖的内部机制：随着滑移型裂纹取代张开型裂纹，裂纹表面闭合导致的界面摩擦力上升。裂纹表面闭合导致的界面摩擦力上升。膜层的完全脱层：取决于模态依赖、初始应力和外部膜层的完全脱层：取决于模态依赖、初始应力和外部载荷载荷柔性基底，裂纹模态的变化效果就不那么显著。但因柔性基底，裂纹模态的变化效果就不那么显著。但因为裂纹能量释放率最终会随着宽度的扩展而下降，因为裂纹能量释放率最终会随着宽度的扩展而下降，因此脱层宽度也会受到限制。此脱层宽度也会受到限制。第11页，本讲稿共18页1.连续的直边屈曲单元组成电话线型屈曲的模型（连续的直边
8、屈曲单元组成电话线型屈曲的模型（JW Hutchinson）2.具有形态的单元对称性，为一系列反向连接的中心固定的具有形态的单元对称性，为一系列反向连接的中心固定的90度扇型屈曲（度扇型屈曲（MW Moon AFM测量）测量）3.基于有限元模型，代入内部基于有限元模型，代入内部应力后计算的屈曲高度结果与应力后计算的屈曲高度结果与测量值相符合，从而证明了模测量值相符合，从而证明了模型型2的有效性。（的有效性。（A Lee）电话线型屈曲的扇型单图1-7裂纹的尺寸与模态调整能量释放元结构，来自A Lee第12页，本讲稿共18页1.随着残余应力的增加屈曲形状会突变为叶状随着残余应力的增加屈曲形状会突变
9、为叶状2.某些圆形屈曲在表面叠加有细小的直线型褶皱某些圆形屈曲在表面叠加有细小的直线型褶皱3.离面高度与屈曲半径之比离面高度与屈曲半径之比W/R保持在保持在0.12左右左右4.裂纹模式由一型转变成二型为主裂纹模式由一型转变成二型为主圆泡型屈曲，箭头处为其缺陷（MW Moon）第13页，本讲稿共18页外加载荷外加载荷屈曲模式的观测第14页，本讲稿共18页1.JW hutchinson1.JW hutchinson给出了三类屈曲能量释放率和临界分叉力给出了三类屈曲能量释放率和临界分叉力的解析式。的解析式。在一定假设下，利用有限元数值分析确定裂纹扩展前在一定假设下，利用有限元数值分析确定裂纹扩展前沿
10、的形状及断裂力学参数。沿的形状及断裂力学参数。当基底材料呈弹性全塑形行为时，利用有限元数值分当基底材料呈弹性全塑形行为时，利用有限元数值分析模拟了薄膜在拉伸载荷下的应变硬化及断裂过程析模拟了薄膜在拉伸载荷下的应变硬化及断裂过程2.R.Huang2.R.Huang针对覆盖玻璃层针对覆盖玻璃层SiSi基上的基上的SiGeSiGe膜，用线性扰膜，用线性扰动分析法确定了粘性层上弹性膜受压的临界波数和失稳模动分析法确定了粘性层上弹性膜受压的临界波数和失稳模式的增长率。式的增长率。薄膜屈曲研究进展 第15页，本讲稿共18页3.M.W.Moon 等等AFM)观察了研究了沉积在玻璃基上的观察了研究了沉积在玻璃
11、基上的DLC 膜承受压缩时薄膜缺陷对膜的剥离、屈曲产生和扩展的作用，膜承受压缩时薄膜缺陷对膜的剥离、屈曲产生和扩展的作用，与基底结构的相对尺寸和力学性能有关。与基底结构的相对尺寸和力学性能有关。4.C Coupeau 等利用等利用AFM 和高精度和高精度PZT 技术，获得了技术，获得了Ni,Cu,Au,Fe 等薄膜材料（厚度为等薄膜材料（厚度为240-600nm）在不同基底）在不同基底上受压时的屈曲模式。上受压时的屈曲模式。5.压缩应力下膜基结构的损坏的研究目前也开始从实验观压缩应力下膜基结构的损坏的研究目前也开始从实验观察向理论分析和数值仿真分析深入，并且有的科学家已经察向理论分析和数值仿真
12、分析深入，并且有的科学家已经把研究的目光由静态力学性能转向了一些与时间有关的动把研究的目光由静态力学性能转向了一些与时间有关的动态力学性能研究，如蠕变、疲劳等。态力学性能研究，如蠕变、疲劳等。6.开始利用冲击加载测量多层膜结构的一些静力参数。开始利用冲击加载测量多层膜结构的一些静力参数。薄膜屈曲研究进展 第16页，本讲稿共18页8.天津大学实验力学研究室李林安教授的课题组研究了沉天津大学实验力学研究室李林安教授的课题组研究了沉积在有机玻璃基底上的钛膜、铝膜、铜膜和钛积在有机玻璃基底上的钛膜、铝膜、铜膜和钛/镍多层膜镍多层膜在冲击载荷下的屈曲过程，并实现了实时采集和原位观察，在冲击载荷下的屈曲过程，并实现了实时采集和原位观察，对研究薄膜屈曲问题提供了可靠的实验数据，对研究薄膜屈曲问题提供了可靠的实验数据，9.利用利用ANSYS 模拟了柔性基底三维模型在轴向压缩力及冲模拟了柔性基底三维模型在轴向压缩力及冲击力下的屈曲扩展，为今后的计算提供了理论基础。击力下的屈曲扩展，为今后的计算提供了理论基础。薄膜屈曲研究进展 第17页，本讲稿共18页Thanks for joiningThanks for joiningSee you next time第18页，本讲稿共18页