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纳米尺度薄膜屈曲的实验研究

作　者: 房予铮
导　师: 王世斌
学　校: 天津大学
专　业: 固体力学
关键词: 薄膜屈曲 界面缺陷 数字图像相关方法(DICM) 对中加载装置
分类号: O484.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 96次
引　用: 2次
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内容摘要


本研究致力于对厚度分别为150nm的薄膜材料进行力学性能测试和表征研究。近些年来随着膜层材料的广泛应用,国外学者对于沉积膜层脱层及屈曲问题日益关注,主要是因为脱层与屈曲是微纳米机电系统器件的主要破坏形式,这一研究对于其寿命预测具有重要意义。本文主要讨论沉积在有机玻璃基底上的钛薄膜,在残余应力和外加轴向载荷的共同作用下的屈曲过程。使用一台光学显微镜观测膜层表面在应力作用下的形貌及其变化。为了模拟膜层在工况下受载荷形成屈曲变形,在试验中对试件施加外部单轴压缩载荷。在载荷作用过程中,试件的刚体移动是不可避免的。本文提出了一种数字相关方法,计算所谓“亚临界”界面缺陷区域在载荷过程中的移动作为试件刚体位移,从而得以在载荷后的图像中抵消观察视场整体移动的影响,把屈曲变形信息从观测图像中提取出来。应用这种分析方法,本文分析了两种典型屈曲模式:直线型褶皱和圆形泡。对于前者的分析结果与公认的JW Hutchinson模型相符合,对于后者的分析得到了创新性的结果。这一成功证明了“亚临界”缺陷可以用于标记基底材料在载荷过程中的整体位移的理论分析。本文这种方法可以应用于其他屈曲分析。此外,经过简化的算法也有望实现观测视场位置的实时调整,以实现对于某处屈曲过程的追踪。为了从机制上消除观测视场的整体位移,作者所在的研究组设计开发了一种新型双压电晶体棒驱动的对称加载装置。从设计上,左右夹具滑块端面的载荷位移量相同,就能保证试件变形的严格对称性,这时观测视场的位移最小。本文的第三部分致力于对于新加载装置进行实验验证,同样使用数字图像相关方法测量夹具滑块的边缘在载荷过程中的位移。实验结果表明:不同的预紧力下,加载装置的滑块端面位移量不同,因此选择适当大小的预紧力对对称性能至关重要。本文对加载装置存在的问题进行了分析解释,并提出了相应的修改意见。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 纳米尺度薄膜屈曲研究意义及全文内容介绍  8-12
  1.1 研究的意义  8-10
  1.2 本文的主要工作  10-12
第二章 薄膜屈曲的研究进展  12-22
  2.1 屈曲通用的概念及其力学意义  12-13
  2.2 研究的手段（光学显微镜与原子力显微镜的比较）  13
  2.3 对典型屈曲模式的力学分析  13-16
    2.3.1 直线型褶皱  13-15
    2.3.2 电话线型屈曲  15-16
    2.3.3 圆泡型屈曲  16
  2.4 原始缺陷的影响  16-17
  2.5 屈曲模式的相互转变  17-20
    2.5.1 由直线型向电话线型屈曲转变的后屈曲过程  18
    2.5.2 由电话线型向直线型屈曲转变  18-20
    2.5.3 由直线型向泡状屈曲转变  20
  2.6 柔性基底的分析  20-22
第三章 薄膜表面屈曲研究的数字图像分析方法  22-41
  3.1 实验设备和试件  22-25
    3.1.1 实验设备  22-23
    3.1.2 实验所用加载装置  23
    3.1.3 实验试件及镀膜工艺  23-24
    3.1.4 显微镜下尺寸的标定  24-25
  3.2 实验结果  25-28
    3.2.1 实验现象  25-27
      3.2.1.1 直线型褶皱  25-26
      3.2.1.2 圆泡型屈曲  26
      3.2.1.3 后屈曲  26-27
    3.2.2 实验中需要克服的问题  27-28
  3.3 相关计算的原理  28-33
    3.3.1 亚临界缺陷的作用  28-29
    3.3.2 缺陷位移的计量  29-33
  3.4 边缘检测：一种滤波与阈值相结合的方法  33-36
  3.5 处理结果  36-39
    3.5.1 直线型褶皱的分析  36-38
    3.5.2 圆形泡的分析结果  38-39
  3.6 分析与结论  39-41
第四章 对中加载装置实验  41-55
  4.1 测量的意义  42-43
  4.2 压电效应的原理及压电传感器  43-46
    4.2.1 压电晶体的原理  43-44
    4.2.2 迟滞和蠕变特性  44
    4.2.3 压电传感器  44-46
  4.3 位移的测量  46-51
    4.1.1 基本原理  46-47
    4.1.2 夹具端面的测量结果  47-50
    4.1.3 分析受载荷试件  50-51
  4.4 对实验结果的分析  51-53
    4.4.1 夹具边缘位移误差  51-52
    4.4.2 传感器引起的误差  52-53
  4.5 结论  53-55
第五章：总结与展望  55-56
参考文献  56-60
发表论文和科研情况说明  60-61
致谢  61

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜中的力学效应
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