薄膜杨氏弹性模量及泊松比的测试理论研究

论文摘要

薄膜在许多先进技术中有着广泛的应用。电子和生物材料的飞速发展,需要对许多超薄膜给出精细的力学表征,以便对薄层结构的力学行为有一个更好的理解,从而确保结构的可靠性、结构稳定性以及耐久性等。因此,各种试验技术,被广泛用来测试薄膜的力学特性。然而,这些技术目前还不同程度地存在着一些尚未完善的地方,它们影响着对薄层结构力学性能的正确评价,迫切需要解决其中的一些关键科技问题。因此,进一步的研究工作是有意义的。本文巧妙地利用周边夹紧的圆薄膜在均布荷载作用下的精确解析解,提出了一种薄膜杨氏弹性模量及泊松比的几何测试方法,该方法可同时确定独立薄膜或者包衣薄膜的杨氏弹性模量和泊松比,具有简单、可靠、不涉及基层效应等优点。此外,针对现有包衣薄膜杨氏弹性模量及泊松比测试技术中的加载控制问题,本课题给出了一套静压鼓泡试验加载控制装置新技术方案。利用该加载装置,不仅可以实现包衣薄膜材料的鼓泡试验,而且还可以实现独立薄膜材料的膨胀试验。论文主要有六个章节和一般性结论组成:第一章简要介绍了本课题的主要研究内容,现有薄膜杨氏弹性模量和泊松比测试技术的国内外研究现状以及这些测试技术的特点,本文的特色、创新之处和几何测试技术的应用价值。第二章主要介绍了本文所提的薄膜杨氏弹性模量和泊松比的几何测试法所用到的基本理论,以及压痕法、弯曲法所用到的基本理论。第三章主要详细介绍弯曲法、压痕法、鼓泡法、X射线衍射和激光曲率结合法的基本力学模型,公式推导过程,以及一些学者利用这些测量公式所测得的一些薄膜的杨氏弹性模量值,并分析了这些方法的优缺点。第四章主要研究了鼓泡试验技术国内外研究现状,提出了薄膜杨氏弹性模量和泊松比的几何测试方法,并研制出了一种新的试验加载装置,设计出了试验测试系统。该加载装置不仅可以实现独立薄膜的膨胀试验,而且还可以实现无残余应力包衣薄膜的鼓泡试验,并给出了测试流程。第五章主要给出了几何测量法的优点,并与现有测试技术做了比较。第六章给出了本文的主要结论与研究展望。本文工作对薄膜力学表征研究具有一定的理论意义。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究的必要性
• 1.2 研究的目标
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 弯曲法
• 1.4.2 压痕法
• 1.4.3 膨胀法
• 1.4.4 X 射线衍射（XRD）和激光曲率结合法
• 1.4.5 表面波法
• 1.4.6 微拉伸法
• 1.5 各种评价方法的主要特点
• 1.5.1 弯曲法
• 1.5.2 压痕法
• 1.5.3 膨胀法
• 1.5.4 X 射线衍射（XRD）和激光曲率结合法
• 1.5.5 表面波法
• 1.5.6 微拉伸法
• 1.6 本课题的特色及创新之处
• 1.7 应用价值
• 2 基本理论
• 2.1 冯●卡门圆薄板大挠度理论
• 2.1.1 几何方程
• 2.1.2 平衡方程
• 2.1.3 协调方程
• 2.2 赫兹接触理论
• 2.2.1 几何关系
• 2.2.2 基本假定
• 2.2.3 两弹性球体间的接触
• 2.2.4 一般接触情形的接触面方程
• 2.3 梁的平面弯曲变形
• 2.4 本章小结
• 3 薄膜杨氏弹性模量及泊松比的常用测试理论及其实践
• 3.1 弯曲法
• 3.1.1 三点弯曲法
• 3.1.2 悬臂梁法
• 3.1.3 四点弯曲法
• 3.1.4 小结
• 3.2 压痕法
• 3.2.1 压痕法的试验原理和方法
• 3.2.2 薄膜弹性模量的测量
• 3.2.3 Shuangbiao Liu 压痕试验模型
• 3.2.4 压痕法和声学结合测量
• 3.2.5 小结
• 3.3 膨胀法
• 3.3.1 试验原理
• 3.3.2 Beams 方程
• 3.3.3 最小能量法解
• 3.3.4 Vlassak 解
• 3.3.5 无残余应力情况
• 3.3.6 有残余应力情况
• 3.3.7 一般情况
• 3.3.8 考虑弯曲刚度的影响
• 3.3.9 矩形薄膜
• 3.3.10 通用的薄膜膨胀方程
• 3.3.11 复合薄膜泊松比和弹性模量的测量
• 3.3.12 试验步骤及装置
• 3.3.13 小结
• 3.4 X 射线衍射（XRD）和激光曲率方法结合法
• 3.4.1 理论基础
• 3.4.2 XRD 法测六个应变分量
• 3.4.3 XRD 法测残余应力
• 3.4.4 薄膜杨氏模量和泊松比的测量
• 3.4.5 小结
• 3.5 本章小结
• 4 薄膜杨氏弹性模量和泊松比的几何测试理论
• 4.1 概述
• 4.2 鼓泡试验技术国内外研究现状
• 4.2.1 流体静压鼓泡试验技术的现状
• 4.2.2 轴载鼓泡试验技术的现状
• 4.3 周边夹紧的圆薄膜变形问题的国内外研究现状
• 4.4 进一步研究的必要性
• 4.5 流体静压鼓泡加载装置新技术方案
• 4.6 薄膜方程及其解
• 4.7 薄膜杨氏弹性模量及泊松比的测试理论
• 4.8 测试系统设计
• 4.8.1 设计理念
• 4.8.2 加压系统设计
• 4.8.3 测量系统设计
• 4.8.4 信号采集系统设计
• 4.8.5 薄膜夹具设计
• 4.8.6 连接器件设计
• 4.8.7 系统整合
• 4.9 薄膜杨氏弹性模量及泊松比的几何测试
• 4.9.1 独立薄膜
• 4.9.2 包衣薄膜
• 4.10 本章小结
• 5 与现有测试技术的比较
• 5.1 几何测试方法的优点
• 5.2 与现有测试技术的比较
• 5.2.1 与弯曲法比较
• 5.2.2 与压痕法比较
• 5.2.3 与膨胀法比较
• 5.2.4 与X 射线衍射（XRD）和激光曲率结合法比较
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1
• A. 学术论文
• B. 发明专利
• C. 参加的科研项目
• 附录 2
• A. 已获权的发明专利
• B. 已申请的发明专利
• C. 学术论文