弹塑性薄膜材料力学性能鼓包测试模型研究

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1、学校代码10530学号201110081254分类号TB331密级公开硕士学位论文弹塑性薄膜材料力学性能鼓包测试模型研究学位申请人杨林指导教师龙士国教授学院名称材料与光电物理学院学科专业材料科学与工程研究方向高性能金属材料的制备与加工二零一四年六月万方数据Studyofthebulge/blistertestmodelindeterminingthemechanicalpropertiesofelastic-plasticfilmmaterialsCandidateLinYangSupervisorPro

2、fessorShiguoLongCollegeFacultyofMaterials,OptoelectronicsandPhysicsProgramMaterialsScienceandEngineeringSpecializationPreparationandPropertiesofMetallicmaterialsDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateMay2014万方数据湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文

3、是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影

4、印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日万方数据摘要薄膜材料在表面工程和界面工程等相关工程应用领域有着广泛地应用，然而在实际应用中，薄膜材料经常会因本身强度、刚度和界面结合强度等力学性能的不足造成薄膜材料的剥落、开裂等失效。对于各种薄膜元器件，薄膜的力学性能直接关系到其可靠性、稳定性及寿命，因此，研究准确表征薄膜材料力学性能的测试模型具有重要意义。鼓包法是目前少数能够同时测量薄膜弹性模量、残余应力、泊松比和界面结合能等力学参数的实验

5、方法之一，但是该方法现有的各个阶段的薄膜力学性能鼓包测试模型并不完善。本文首先运用有限元方法模拟鼓膜实验，在分析原有鼓膜方程求取相关力学参数精度的基础上修正了相应的解析公式，然后对弹塑性膜/基体系下的鼓泡实验进行参数分析，得到表征弹塑性薄膜材料界面结合能的经验公式。主要研究内容及结果如下：(1)比较和归纳了现有的鼓包法测量薄膜力学性能的理论模型。通过分析鼓包法理论模型的推导过程，总结出现有的鼓膜理论模型和鼓泡理论模型的优缺点。并对现有的理论模型进行归纳，得到了能精确反映受压薄膜响应的简单的广义鼓膜方程表达

6、式。(2)建立了圆形、方形和矩形窗口的鼓膜实验的修正测试模型。通过建立鼓膜实验有限元模型，研究了弹性常数和残余应力对鼓膜测试模型的影响。结果表明，尽管现有的圆形窗口鼓膜测试模型计算残余应力的精度令人满意，但计算双轴模量的精度并不高。而非圆形窗口鼓膜测试模型计算双轴模量或平面应变模量的精度都很高，但是求取残余应力的精度还需提高，材料的弹性常数和膜内的残余应力对其测试模型的精度有相当的影响。利用修正后的鼓膜测试模型能够在很大程度上提高鼓膜实验测量的弹性模量与残余应力的精度。最后通过进行方形窗口鼓膜实验，验证了

7、相应的修正测试模型。(3)建立了表征弹塑性膜/基体系下的界面结合能经验公式。首先通过建立弹性膜/基体系界面结合能的有限元模型，并利用内聚力单元模拟界面分离过程，研究了孔径变化对鼓包界面结合能测试模型的影响，验证了弹性膜/基体系界面结合能测试模型的有效性。在此基础上建立弹塑性膜/基体系界面结合能下的有限元模型，通过大规模计算模拟和数据分析得到了弹塑性膜/基体系下的界面结合能经验公式，该公式具有形式简单，参量测量方便等优点。本论文通过研究表征弹塑性薄膜材料力学性能的鼓包测试模型，分析了原有鼓膜测试模型的精度，

8、同时建立了表征弹塑性薄膜材料界面结合能的鼓泡测试模型。该研究成果在一定程度上改善了鼓包法这种技术的精度与可靠性，并为探索表征弹塑性膜/基体系界面结合能起了一定的指导作用。关键词：鼓包法；力学性能；弹塑性；测试模型；有限元模拟I万方数据AbstractThinfilmshavebeenincreasinglyutilizedinavastrangeoftechnologicallyimportantapplications.Ho