激光热应力法评估薄膜蠕变性能的研究和有限元模拟

论文摘要

在分析了薄膜结合强度的定义及其目前评估方法的基础上,提出了用激光热应力法评估薄膜蠕变性能的方法。其原理是用激光加载到试样的薄膜表面,薄膜与基体在热载荷作用下,产生热应力,通过应力的变化来评估薄膜的蠕变性能及界面层裂与断裂情况,实现表征薄膜强度及界面结合强度的目的。本文从材料的蠕变原理出发,就激光诱导下所形成的高温蠕变机理进行了理论研究,并进行了有限元模拟,着重从以下几个方面进行了深入的研究。分析了目前用于评估薄膜蠕变性能的方法、原理、评估过程以及它们的不足之处,并国内外对薄膜结合强度评估的研究趁势,提出用激光热应力法评估薄膜蠕变性能的新方法。从材料的蠕变原理出发,对薄膜在激光热载荷作用下的蠕变过程进行了理论研究,建立薄膜和基体及其界面的热-力学响应性能参数方程;提出了判据薄膜层裂与断裂的方法,从数学模型中可以定量地反映薄膜在热载荷作用下,薄膜及其与基体结合强度的变化过程。考虑热传导、热辐射、热对流以及材料的高度非线性,基于ANSYS平台,选择薄膜材料（Ti,Al）N和基体材料WC—6%Co及适宜的有限元模型,在对不同能量密度及不同的脉冲时间单脉冲激光诱导下和移动激光源加载薄膜表面后形成的温度场,分别进行了有限元模拟,获得膜基系统中温度随时间的变化关系以及薄膜界面结合处的热量化规律。在此基础上根据薄膜和基体的热膨胀性能建立的热弹性本构方程、应变位移关系以及应力平衡关系,进行薄膜和基体的应力场模拟,获得了膜基系统的应力场随时间的变化关系以及关键点处的温度、应力曲线,模拟结果与现有的实验结果相吻合。由此可以定量地发现薄膜的蠕变过程,并且可以通过曲线的突变信息,判据断裂和层裂的发生位置和时刻。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 薄膜结合强度及其评估方法
• 1.1.1 薄膜制备方法与过程
• 1.1.2 薄膜结合强度
• 1.1.3 薄膜结合强度的测量方法
• 1.2 薄膜蠕变性能及评估方法
• 1.2.1 蠕变法原理
• 1.2.2 评估方法
• 1.2.3 现有薄膜评估方法存在的问题
• 1.2.4 激光热应力法研究意义
• 1.3 本课题研究内容
• 第二章 激光热应力作用下薄膜性能的蠕变分析
• 2.1 蠕变基本理论
• 2.2 薄膜的温度场
• 2.3 蠕变分析
• 2.3.1 应变率
• 2.3.2 应力
• 2.3.3 应力与应变关系
• 2.3.4 应力释放时间
• 2.3.5 流动阻力
• 2.3.6 临界温度测定
• 2.4 变温条件下模量的转换
• 2.4.1 变温与恒温下模量转换
• 2.4.2 松弛模量与蠕变模量的转换
• 2.5 本章小节
• 第三章 蠕变分析的有限元模拟及热分析理论
• 3.1 激光诱导下的蠕变特性及软件选用
• 3.1.1 有限元法及软件介绍
• 3.1.2 有限元模拟中蠕变分析模型的特点
• 3.2 ANSYS中热分析模块的理论基础
• 3.2.1 热分析基本常识
• 3.2.2 边界条件与初始条件
• 3.2.3 相变问题
• 3.3 激光诱导热源的实现
• 3.3.1 固定加载方式
• 3.3.2 移动加载方式
• 3.4 蠕变临界分析
• 3.4.1 层裂
• 3.4.2 断裂
• 3.5 本章小结
• 第四章 薄膜蠕变有限元模拟及结果分析
• 4.1 有限元模型描述
• 4.2 有限元模拟过程
• 4.2.1 前处理
• 4.2.2 加载计算
• 4.2.3 后处理
• 4.3 脉冲激光作用下的温度和应力分布
• 4.3.1 激光诱导下的温度分布
• 4.3.2 激光诱导下的应力分布
• 4.4 移动热源诱导下的有限元模拟及结果分析
• 4.4.1 有限元模型的建立
• 4.4.2 模拟条件
• 4.4.3 温度场分析
• 4.4.4 应力场分析
• 4.5 实验佐证
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 尚待解决的问题与前景展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文