划痕法表征薄膜材料界面结合性能论文

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1、学校代码10530学号200510030853分类号TB331密级硕士学位论文划痕法表征薄膜材料界面结合性能学位申请人彭冰川指导教师周益春教授学院名称材料与光电物理学院学科专业材料物理与化学研究方向薄膜材料的制备与性能二OO九年五月二十五日ScratchtestforcharacteringtheinterfaceadhesionofthethinfilmmaterialsCandidatePengBingchuanSupervisorProfessorZhouYichunCollegeFacultyofMaterials&OptoelectronicsandPhysicsProgram

2、MaterialPhysicsandChemistrySpecializationPreparationandpropertiesofcoatingmaterialsDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateMay2009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

3、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：年月日摘要随着科学技术的发展，薄膜/基底复合材料（简称膜/基材料）在许多工程领域得到广泛应用，由于薄膜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日益成为人们关注的热点。薄膜与基底的良好结合是薄膜得以发挥

4、其作用的基本条件。膜/基结合性能的好坏是评价薄膜质量最关键的指标，是保证薄膜满足机械、物理和化学等使用性能的基本前提。因此，薄膜材料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，建立了一种新的分析薄膜界面应力应变响应的有限元力学模型，模拟了划痕实验过程中的运动情况。通过先施加一定的法向力，使压头与薄膜接触，再同时施加法向力和切向力，使压头对薄膜产生一个向右运动的作用，从而使实验和有限元模拟很好的结合起来。本文也通过划痕实验的方法，研究了纳米尺度下硅基钕掺杂钛酸铋膜(BNT)的力学性能，并得到了300nmBNT膜的临界载荷为2.21mN。另一方面，通过有限元

5、软件ABAQUS的应用，建立了三维划痕法的模型。通过计算，得出了在外载条件下，该材料体系的应力分布场。并进一步模拟了划痕实验的表面形貌。由于影响划痕实验结果的参数有很多，就其本质的因素来说，不同的材料体系对结果有着很大的影响，因此对材料的本构关系进行研究是必要的。通过研究发现，可把各种不同的材料组合归结为以下四种：弹性薄膜/弹性基底，弹性薄膜/韧性基底，韧性薄膜/弹性基底和韧性薄膜/韧性基底。通过选取适当的参数，分别建立了以上四种体系的有限元模型，并对划痕模型进行了分析。对于薄膜涂层材料来说，破坏常发生于界面上的应力集中处。破坏发生后，该处将产生界面裂纹，于是问题演变成了一个包含界面裂纹

6、的问题。本文最后通过预制裂纹，即在模型中引入界面假想裂纹的方法，来对其进行评价。将前人的模型推广，试图建立薄膜材料界面的起裂准则，用以作为评价材料界面结合性能的准则。最终，通过理论计32算与数值模拟，结合实验结果，得出BNT薄膜的界面结合能为0.353×10J/m。关键词：划痕法；界面结合性能；有限元模拟；膜/基体系；预制裂纹IIIAbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,Film-substratematerialsareusedwidelyinmanyprojectfields.Coatingfailureduetothemis

7、matchofmechanicalandthermalpropertiesbetweencoatingandsubstrateisofgreatimportance.Goodcohesionbetweenfilmandsubstratematerialistheessentialconditiontoexploittheadvantagesoffilms.Adhesionstrengthbetweenfilmandsubstrate