论文题目: 数字散斑相关方法及微/纳米尺度热力学测试研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 固体力学
作者: 王静
导师: 李鸿琦
关键词: 数字散斑相关方法,圆形窗口,矩特征,半导体电热膜,金属间化合物,热膨胀系数,变温样品台
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文对实验力学中的新技术——数字散斑相关方法进行了系统研究,提出了圆形窗口与矩特征序列相结合的数字散斑相关方法。因圆形窗口与矩特征序列均具有平移和旋转不变性,并且矩特征序列与所属图像能够满足一一对应的关系,因此该方法用矩特征序列作为图像相关性比较的依据。该方法克服了多数相关理论和搜索方式都具有的不适合于大转角变形测量的缺点,在样品既有平动又有较大转角的转动的情况下也能够精确地测定样品的位移与变形。本文详细地分析了该方法的可靠性、算法稳定性及图像的灰度分布、图像中用于计算的表面纹理或斑点尺寸大小和搜索子区的选择等对相关计算精度的影响。在此基础上,本文应用该方法测定了远红外陶瓷基底及附着在其上的半导体电热膜的热膨胀系数,得到了陶瓷基底及电热膜的热膨胀系数随温度变化的曲线,并测定了Sn-Ag金属间化合物的热膨胀系数。和其它测定热胀系数的方法相比较,数字散斑相关方法可以测定薄膜材料、微观尺度材料在不同温度区间的热胀系数。为了实现变温条件下的微、纳米尺度原位观测,本文在本原CSPM-930扫描探针显微镜的STM的基础上研制了变温样品台,可以在样品升温到110oC的情况下进行原位扫描。并讨论了扫描隧道显微镜(STM)中热样品和探针之间的传热方式,从微尺度传热学的角度出发,用Boltzmann理论来描述热流通过空气层由被测样品表面传输到探针针尖的热传导问题,当时间尺度在弛豫时间量级而长度远大于局域热力学平衡下的特征尺寸时,其热传导问题可以用双曲型热传导方程来表达。样品温度升高对隧道电流的影响也被作为专题详加讨论,得到在一定温度范围内,隧道电流随温度增加的变化趋势,分析了探针上的热量传递方式并得到了探针上温度分布的解析解。焊料中的锡与铜、银、金等金属所产生的金属间化合物对作为电子组件的金属的热疲劳性能能够产生重大影响。本文通过涂覆锡银无铅焊料的银箔在-80oC～75oC的交变温度环境下的低周疲劳断裂实验,从力学和材料两个方面分析了覆锡银箔在Ag3Sn金属间化合物的影响下的疲劳断裂机理,认为:一方面,焊料与银箔的交界面上的Ag3Sn金属间化合物提高了焊料与银箔之间的润湿性能并最终保证了焊料与银箔较高强度的机械连接;另一方面,由于Ag3Sn是高强度的脆性材料,与锡、银存在着机械性能与热性能的不匹配,在Ag3Sn与锡、银的界面上出现了应力集中现象,易萌生疲劳裂纹,随着热载荷循环周次的增加,多条疲劳裂纹与Ag3Sn中的微孔相互连接并最终导致覆锡银箔的断裂。根据对焊料与银箔间裂纹扩展所进行的有限元模拟解释了Sn-Ag金属间化合物对Ag基体力学性能的影响以及由此所导致的疲劳断裂机理。本文采用弹塑性非线性有限元模型模拟了覆锡银箔在力与温度同时循环作用下的变化过程,得到每次循环后的应力应变分布情况,验证了以上推理的正确性,并得到了局部应力集中系数随载荷循环次数的变化规律。
论文目录:
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 微、纳米尺度力学测试技术的发展
1.2 选题的意义
1.3 本文的主要工作
第二章 一种圆形窗口与矩特征相结合的新型高效数字散斑相关方法
2.1 概述
2.2 计算原理
2.3 位移和应变的计算
2.4 图像采集系统与图像
2.5 圆形窗口与矩特征相结合的数字散斑相关法的缺陷及相应改进措施..
2.6 相关法软件的编制
2.7 本章总结
第三章 数字散斑相关测量方法的精度分析和实验研究
3.1 概述
3.2 算法可靠性及相关计算精度的影响因素
3.3 相关算法引起的系统误差
3.4 图像采集系统噪声对相关计算精度的影响
3.5 相关算法的灵敏度
3.6 实验验证
3.7 本章总结
第四章 基于扫描隧道显微镜的变温样品台的制作及应用
4.1 概述
4.2 实现变温扫描的显微镜和样品台
4.3 实现变温扫描的扫描隧道显微镜中样品与探针间的传热方式及温度对隧道电流的影响
4.4 基于CSPM-930中STM的变温样品台
4.5 本章总结
第五章 带有半导体电热膜的远红外陶瓷热胀系数的测定
5.1 概述
5.2 沉积半导体电热膜的远红外陶瓷的制备
5.3 陶瓷热膨胀行为的微观力学理论
5.4 陶瓷材料物性参数的实验测定及热应力和残余应力的计算
5.5 本章总结
第六章 锡银金属间化合物疲劳性能的实验研究与数值模拟
6.1 问题的提出
6.2 实验和计算过程
6.3 A93 Sn型金属间化合物
6.4 热循环中疲劳裂纹扩展的有限元模拟
6.5 结果分析
6.6 A93 Sn 热膨胀系数的测定
6.7 本章总结
第七章 总结与展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的成果
致谢
发布时间: 2007-07-10
参考文献
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