《鼓泡法表征韧性膜韧性基底界面结合能的理论模型》由会员分享，可在线阅读，更多相关《鼓泡法表征韧性膜韧性基底界面结合能的理论模型（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、湘潭大学 硕士学位论文 鼓泡法表征韧性膜/韧性基底界面结合能的理论模型 姓名：蒋丽梅 申请学位级别：硕士 专业：材料物理与化学 指导教师：周益春 20080515 摘 要 随着各种各样的涂层技术在表面工程和材料科学中的广泛应用， 涂层材料服 役过程中，由于涂层材料与基底材料在力学、热学等性能上的差异，导致的涂层 失效现象成为人们热点关注的问题。 前人的研究表明影响涂层材料的服役寿命的 重要内因为界面结合性能， 因此界面结合性能的表征在实际应用中具有非常重要 的意义。 本文在参考前人工作的基础上， 提出用界面结合能来表征界面结合性能， 并以建立表征界面结合能的数值经验公式为主要目标开展了一系列的
2、工作。 本文的工作主要分为三个部分： 第一部分是提出用界面结合能来表征界面结 合性能， 并建立了鼓泡法表征韧性膜/韧性基底界面结合能理论模型的基本框架； 第二部分是用ABAQUS有限元软件对鼓泡实验过程进行了模拟， 通过对双弹性材 料体系及弹塑性膜/弹性基底鼓泡过程的模拟验证了该模型及基本理论框架的正 确性。这证明我们的有限元模型将能够很好的对弹塑性膜/弹塑性基底进行模拟 分析的。第三部分则利用该模型研究了鼓泡过程中界面粘结参数、基底/薄膜的 材料性质、几何性质对临界分离压力的影响。同时在此基础上，我们得到了双韧 性材料体系下界面结合能 0 与临界分离压力间的一个初步的函数关系式。 本文首先介
3、绍了界面结合性能的研究背景和研究现状， 对目前存在的表征参 数及几种常见的测试方法进行了较为详细的叙述，阐明了我们选取本课题的依 据。接着按照如下的思路归纳出了鼓泡法表征韧性膜/韧性基底界面结合能的理 论框架： 首先用量纲分析的方法将鼓泡实验所得到的实验数据与试样的界面结合 性能参数联系起来，建立起两者之间的简单的无量纲函数的具体形式，其次用有 限元方法模拟鼓泡过程，分析得到无量纲函数的具体形式，最后根据实测的数据 如：临界分离压力，临界中心点挠度，确定出界面结合能大小。而后我们通过对 双弹性材料体系及弹塑性膜/弹性基底鼓泡过程的模拟验证了该模型及基本理论 框架的正确性。这证明我们的有限元模型
4、是能够很好的模拟韧性膜/韧性基底材 料体系的。最后我们用验证过的有限元模型对韧性膜/韧性基底体系的鼓泡实验 过程进行了参数分析，并在此基础上得到了界面结合能 0 与临界分离压力间的 一个初步的函数关系式。 关键词：鼓泡法；界面结合性能；界面结合能；量纲分析；膜/基体系 Abstract With the increasing application of surface coatings and thin-film systems, coating failure due to the mismatch of mechanical and thermal properties between
5、coating and substrate is of great importance. Previous studies have demonstrated that the most important intrinsic factor affecting the life of coating materials is the quality of interface adhesion. Therefore, characterizing of the interface adhesion quality is the key in practical application. In
6、this master thesis, a concept of the interface adhesion energy, 0 , has been proposed to characterize the quality of interface adhesion of the elastic-plastic materials system. The ultimately purpose of this work is to gain an empirical equation to evaluate the 0 . So a series of jobs are conducted
7、for this purpose here. Three main parts are contained in this master thesis. In the first part, the interface adhesion energy, 0 , has been proposed to characterize the quality of interface adhesion of the elastic-plastic materials system. A theory frame was established to extract the interface adhe
8、sion energy of elastic-plastic thin film/elastic-plastic substrate system with blister test. In the second part, a geometrically nonlinear finite element analysis of a blister test has been conducted. The blister test of elastic thin film/elastic substrate material system and elastic-plastic thin fi
9、lm/elastic substrate are both modeled. The results verified the validity of our finite element model and the theory frame we created in the first part. Thus, they have shown that our finite element model can well predict the solution for an elastic-plastic film bonded to an elastic-plastic substrate
10、. In the third part, effects on the critical pressure of various influencing parameters are studied with this finite element model. On this basis, primary dimensionless relation between critical pressure with the interface fracture energy was obtained. At the beginning of this thesis, related resear
11、ch background and research status were introduced, the existed parameters characterizing interface adhesion and experiments methods to measure it were interpreted detailedly. A theory frame was established to extract the interface adhesion energy of elastic-plastic thin film/elastic-plastic substrat
12、e system with blister test. It includes three steps: first, dimensional analysis was applied to derive the relationship between blister test and interface adhesion energy. Then the blister test was simulated by finite element method. At last, the interface adhesion energy was extracted by a combinat
13、ion of nondimensional equation and true experiment data. The second important work is the geometrically nonlinear finite element analysis of the blister tests of an elastic film bonded to an elastic substrate and an elastic-plastic film bonded to an elastic substrate. The results verified the validi
14、ty of our finite element model and the theory frame we created in the first part. Finally, a geometrically nonlinear finite element analysis of a blister test of an elastic-plastic film bonded to an elastic-plastic substrate was conducted. The primary dimensionless relation between critical pressure
15、 with the interface fracture energy was obtained. Keywords: Blister test; Quality of interface adhesion; Interface adhesion energy; Dimensional analysis; Film/substrate system 湘潭大学湘潭大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文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
16、 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 湘潭大学硕士毕业论文 鼓泡法表征韧性膜/韧性基底界面结合能的理论模型 1 第1章 绪论 1.1 薄膜/基底体系简介 薄膜的研究和开发对生产的贡献日益巨大， 其研究成果转化为生产力的速度 愈来愈快，薄膜领域中的科学研究和生产的联系变得十分紧密。薄膜的研究和开 发为微电子学、光电子学、磁电子学等新兴交叉学科的发展提供了材料基础，为 器件微型化和集成化创造了条件。高质量薄膜的生长工艺，薄膜的组成、晶体结
