薄膜屈曲力学分析.pptVIP

第1页，共18页，星期日，2025年，2月5日参考文献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.Moona,d,*,J.-W.Chungb,K.-R.Leeb,K.H.Oha,R.Wangc,A.G.Evans，Anexperimentalstudyoftheinfluenceofimperfectionsonthebucklingofcompressedthinfilms，ActaMaterialia50(2002)1219–1227第2页，共18页，星期日，2025年，2月5日屈曲：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：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）。名词解释第3页，共18页，星期日，2025年，2月5日电话线型屈曲圆形屈曲直线型褶皱典型屈曲模式屈曲模式第4页，共18页，星期日，2025年，2月5日屈曲模式直线型屈曲圆形屈曲电话线型屈曲第5页，共18页，星期日，2025年，2月5日1.薄膜材料的重要利用价值和涂层技术的广泛应用2.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和寿命。薄膜屈曲研究的意义第6页，共18页，星期日，2025年，2月5日薄膜屈曲的研究方法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，共18页，星期日，2025年，2月5日薄膜屈曲的力学分析基本定理：如果引致能量释放率（inducedenergyreleaserate）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。直线型褶皱的扩展模型尽管屈曲直线边缘的能量释放率超过弯曲的扩展前沿，但是直线型边缘的韧性也显著超过了扩展前沿，第8页，共18页，星期日，2025年，2月5日1.直线型薄膜屈曲JWHutchinson首先提出褶皱的横截面展现出余弦曲线的形状：对应屈曲膜层离面最高点屈曲阈值应力第9页，共18页，星期日，2025年，2月5日1.直线型薄膜屈曲扩展前沿裂纹形式以I型裂纹（张开型openingmode）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为II型（滑移型，slidingshearmode）为主；剪切型裂纹（scissoringshearmode）对界面韧性的影响与I型和II型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局部韧性增加（称为韧性的模态依赖,mode-dependenttoughness），因此阻止褶皱脱层的横向扩张第10页，共18页，星期日，2025年，2月5日1.直线型薄膜屈曲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。膜层的完全脱层：取决于模态依赖、初始应力和外部载荷柔性基底，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，因此脱层宽度也会受到限制。第11页，共18页，星期日，2025年，2月5日2.电话线型屈曲1.连续的直边屈曲单元组成电话线型屈曲的模型（JWHutchinson）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90度扇型屈曲（MWMoonAFM测量）3.基于有限元模型，代入内部应力后计算的屈曲高度结果与测量值相符合，从而证明了模型2的有效性。（ALee）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ALee第12页，共18页，星期日，2025年，2月5日2.圆泡型屈曲1.随着残余应力的增加屈曲形状会突变为叶