薄膜/基体系统界面裂纹及翘曲问题研究

论文摘要

薄膜/基体系统作为一种表面工程技术近年来发展迅猛,被广泛地应用于多个领域。薄膜/基体系统属于多层材料体系,层间材料力学性能差异和界面是其重要组成特征,使其在服役过程中表现出不同于一般材料的力学特性,如薄膜的塑性变形、脱粘、翘曲、剥落、开裂等。这些都影响到结构的工作效率和寿命。随着薄膜结构器件的开发和应用,对薄膜以及薄膜/基体系统力学性能的研究显得越来越重要。围绕这一问题,本文的主要内容如下:1、首先详细研究了界面静态扩展裂纹问题。通过对裂尖场的渐近分析,确定了界面静态扩展裂纹尖端的应力和应变场的指数奇异性阶次。从基本方程出发,结合对裂尖各场合理的奇异性分析,推导出了渐近控制方程。由定解条件,采用打靶法求得了Ⅰ型和Ⅱ型裂纹裂尖的应力、应变和位移场,讨论了裂尖场随各参数变化的规律。由所得裂尖各场的渐近解,探索了局部断裂控制参量,所得结果可为建立破坏准则提供理论依据。2、其次研究了薄膜翘曲问题,并利用所得结果在线弹性断裂力学的基础上,进一步研究了翘曲引起的脱层现象。本文所作的研究,将为最终解决薄膜/基体系统界面裂纹尖端渐近场和翘曲问题提供一种有益的探索,并且对于解决工程实践中所遇到的相应的问题和建立材料的破坏准则提供理论上的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 薄膜/基体系统简介
• 1.2 MEMS结构的实例说明
• 1.3 薄膜残余应力
• 1.4 薄膜/基体系统破坏模式
• 1.5 薄膜/基体系统力学性能研究的问题
• 1.5.1 薄膜/基体系统强度理论
• 1.5.2 薄膜/基体系统界面裂纹
• 1.6 本文研究的主要内容
• 第2章 弹塑性薄膜界面的基本方程
• 2.1 弹塑性材料本构方程的建立
• 2.1.1 三类双独立参数屈服准则
• 2.1.2 用塑性位势构造塑性本构方程
• 2.2 求解问题的基本方程
• 2.3 边界处的连续条件
• 2.4 平面应变条件下求解界面裂纹的基本控制方程
• 2.5 奇异量级的确定
• 2.6 本章小结
• 第3章 弹塑性薄膜界面的应力场
• 3.1 数值计算的控制方程和边界条件
• 3.2 Ⅰ型裂纹问题
• 3.2.1 数值计算与结果分析
• 3.2.2 Ⅰ型界面裂纹尖端场断裂准则的探索
• 3.3 Ⅱ型裂纹问题
• 3.3.1 数值计算与结果分析
• 3.3.2 Ⅱ型界面裂纹尖端场断裂准则的探索
• 3.4 薄膜开裂准则的探索
• 3.5 本章小结
• 第4章 弹性/刚性膜基系统薄膜翘曲
• 4.1 弹性力学基本理论
• 4.1.1 弹性薄膜大挠度理论的基本假设
• 4.1.2 弹性薄膜大挠度理论的基本方程
• 4.2 均匀宽度条带的翘曲
• 4.3 脱层生长的驱动力
• 4.4 本章小结
• 结论
• 1.本文的主要结论
• 2.今后的展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢