欧美在线观看视频网站,亚洲熟妇色自偷自拍另类,啪啪伊人网,中文字幕第13亚洲另类,中文成人久久久久影院免费观看 ,精品人妻人人做人人爽,亚洲a视频

一種多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置的制作方法

文檔序號(hào):5868324閱讀:253來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:一種多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于光測(cè)力學(xué)和材料性能檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域,特指一種基于數(shù)字散斑相關(guān)法測(cè)
量變形的多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)
薄膜科學(xué)與技術(shù)是微電子、信息、傳感器、光學(xué)、太陽(yáng)能利用等技術(shù)的基礎(chǔ),它已廣 泛地滲透到當(dāng)代科技的各個(gè)領(lǐng)域。為了適應(yīng)高強(qiáng)度、耐磨、耐高溫、耐腐蝕等不同工業(yè)應(yīng)用 要求,通常采用表面鍍膜等各種表面處理技術(shù)對(duì)材料表面進(jìn)行加工,使其適用各種復(fù)雜的 工作環(huán)境。薄膜技術(shù)也是微電子器件和微電光器件的基礎(chǔ),近來(lái)薄膜技術(shù)更促進(jìn)了微電子 機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的興起和發(fā)展。 隨著薄膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們已意識(shí)到薄膜材料的力學(xué)性能研究對(duì)于薄膜材料 的生產(chǎn)和正常使用具有非常重要的意義。薄膜的力學(xué)性能主要涉及到薄膜的彈性模量、屈 服強(qiáng)度、殘余應(yīng)力和界面結(jié)合強(qiáng)度等。薄膜的彈性模量不僅在薄膜器件的設(shè)計(jì)中會(huì)用到,而 且也是屈服強(qiáng)度、斷裂韌性和殘余應(yīng)力測(cè)量與評(píng)定的基礎(chǔ);薄膜在制備過(guò)程中由于薄膜與 基體的熱脹系數(shù)和物理特性的不同而引起的膜內(nèi)殘余應(yīng)力,并可能導(dǎo)致薄膜的起皺、開(kāi)裂, 甚至膜基分離;膜基界面結(jié)合性能是決定薄膜元器件使用壽命的重要因素。因此,薄膜的力 學(xué)性能是薄膜器件設(shè)計(jì)的依據(jù),是當(dāng)今薄膜研究的重要課題之一。 由于薄膜材料的力學(xué)性能與具有相同化學(xué)成分的大體積材料的力學(xué)性能有較大 差異,各種傳統(tǒng)的力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)與裝置也不能直接用于薄膜材料的測(cè)試,如何正確評(píng) 價(jià)和表征薄膜的力學(xué)性能是一個(gè)有待進(jìn)一步研究的熱門(mén)話題。 目前人們提出的薄膜力學(xué)測(cè)試技術(shù)主要有壓痕法、單軸拉伸法、移層法和鼓泡法等。 壓痕法是把壓頭壓入材料中,通過(guò)連續(xù)記錄加載與卸載期間載荷與壓入深度的變 化,結(jié)合相應(yīng)的理論模型得到力學(xué)性能,是目前在薄膜力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)中較為廣泛應(yīng)用 的一種測(cè)試技術(shù)。壓痕法能測(cè)量薄膜的彈性模量、硬度以及薄膜的蠕變行為等。
單軸拉伸法的測(cè)量原理與傳統(tǒng)的塊狀材料的單軸拉伸法相似,可以直接獲得薄膜 的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。 移層法作為一種新興起的殘余應(yīng)力的表征手段,是利用部分破壞的方法,將薄膜 內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力釋放出來(lái),再通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到薄膜破壞前后的曲率變化,代入模型 中計(jì)算得到殘余應(yīng)力值。 鼓泡法是通過(guò)對(duì)薄膜試樣加壓,試樣在壓力的作用下發(fā)生變形,根據(jù)壓力和對(duì)應(yīng) 的中心點(diǎn)高度可以得到殘余應(yīng)力、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,當(dāng)壓力增大到使薄膜從基底剝離時(shí),所消 耗的能量都用在了界面分離上,可以使與結(jié)合性能無(wú)關(guān)的能量損耗降到最低,從而準(zhǔn)確表 征膜基體系的界面結(jié)合性能。 在這些已有的測(cè)試方法中,移層法由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工制造方法容易,并且建模方 法相對(duì)比較成熟,是常用的殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)之一;鼓泡法物理思想簡(jiǎn)單,是一種既能確定薄膜的彈性模量、殘余應(yīng)力、同時(shí)又能確定界面結(jié)合能的重要實(shí)驗(yàn)方法,因而得到了廣泛的 應(yīng)用。 在應(yīng)用鼓泡法進(jìn)行測(cè)量時(shí),加載裝置的設(shè)計(jì)和薄膜的變形測(cè)量是非常重要的因 素,加載方式和載荷大小影響適用范圍,而如果薄膜變形測(cè)量不準(zhǔn)確,得到的力學(xué)參數(shù)相應(yīng) 也就不可信。目前國(guó)內(nèi)外已公開(kāi)的基于鼓泡法的測(cè)試技術(shù)和裝置有
中國(guó)專利CN1540309A、 CN1540310A公開(kāi)了一種用內(nèi)漲鼓泡法檢測(cè)金剛石涂層附 著強(qiáng)度的測(cè)試技術(shù)和測(cè)量裝置,測(cè)量裝置主要包括測(cè)量基座,He-Ne激光干涉測(cè)量系統(tǒng),壓 力進(jìn)給系統(tǒng)和壓力測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量基座用立方體有機(jī)玻璃塊制成,采用"嵌入式"連接壓力 測(cè)量系統(tǒng),采用0FV-3000光纖激光振動(dòng)儀作為He-Ne激光干涉測(cè)量系統(tǒng),采用注射泵作為 壓力進(jìn)給系統(tǒng)加壓機(jī)構(gòu),采用卸荷閥對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)帕斯卡定律及板殼理論推 導(dǎo)出內(nèi)漲鼓泡法測(cè)量涂層附著強(qiáng)度的理論模型,由此測(cè)定金剛石涂層的附著強(qiáng)度,這種測(cè) 量方法不受基體形狀及附著強(qiáng)度大小的限制,可以方便地用于復(fù)雜形狀基體金剛石涂層的 附著強(qiáng)度測(cè)量。但裝置的不足之處在于l.由于裝置采用有機(jī)玻璃作為測(cè)量基座,而且樣品 是通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘接在樣品支架上,可承受壓力非常有限;2.薄膜變形撓度測(cè)量采用的是 He-Ne激光干涉測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量精度高,但對(duì)于環(huán)境的要求十分苛刻,測(cè)量時(shí)微弱的噪聲和 振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果有非常大的影響。 中國(guó)專利CN2613756Y公開(kāi)了一種薄膜力學(xué)性能測(cè)試鼓泡儀,包括試樣臺(tái)、試樣 夾、加壓泵和壓力傳感器,通過(guò)與計(jì)算機(jī)相連的壓力傳感器和激光位移傳感器得到薄膜的 壓力和變形撓度,具有操作方便,靈活的特點(diǎn),但其不足之處在于1.由于所采用的壓力傳 感器最大測(cè)量極限只有l(wèi)MPa,壓力范圍十分有限;2.裝置采用加壓泵加載,加載時(shí)速度難 以控制,不能實(shí)現(xiàn)均勻加載;3.薄膜中心的撓度由紅外激光位移傳感器測(cè)量,其分辨率僅 為2 ii m,而且只能測(cè)量單點(diǎn), 一旦薄膜中心點(diǎn)定位不準(zhǔn),將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大誤差。
中國(guó)專利CN101520385A公開(kāi)了一種微機(jī)電系統(tǒng)薄膜材料力學(xué)性能與可靠性測(cè)量 方法和相應(yīng)的測(cè)試裝置,向具有懸浮膜片的薄膜測(cè)試結(jié)構(gòu)施加壓力,通過(guò)位于待測(cè)懸浮膜 片正上方的位移傳感器測(cè)量薄膜變形撓度,通過(guò)測(cè)量壓力_撓度變化曲線,根據(jù)理論計(jì)算 得到被測(cè)薄膜材料的楊氏模量,殘余應(yīng)力,斷裂強(qiáng)度等力學(xué)性能和可靠性相關(guān)參數(shù)。其不 足之處在于1.由于采用粘接的方法將樣品粘接在樣品臺(tái)上,粘接劑的抗拉強(qiáng)度有限,可 以應(yīng)用的加載范圍也相應(yīng)受到限制;2.裝置采用的是位移傳感器測(cè)量薄膜變形,由于位移 傳感器只能測(cè)量單點(diǎn)變形撓度,裝置采用移動(dòng)樣品的方法讓位移傳感器測(cè)量薄膜變形的輪 廓,這樣操作的缺點(diǎn)在于一方面有薄膜中心點(diǎn)定位的問(wèn)題,如果沒(méi)有準(zhǔn)確地定位在薄膜中 心點(diǎn),測(cè)量結(jié)果必定有很大誤差,另一方面,通過(guò)移動(dòng)樣品來(lái)得到樣品的變形輪廓也會(huì)使得 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜,在移動(dòng)樣品的過(guò)程中容易引入誤差。 美國(guó)專利US6772642B2公開(kāi)了一種高效的應(yīng)用鼓泡法檢測(cè)材料力學(xué)性能的裝置,
它最大的特點(diǎn)在于可以同時(shí)對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行加載,樣品臺(tái)由多個(gè)管道組成,管道由受壓不
變形的硬質(zhì)材料制成,樣品放置在樣品臺(tái)上,通過(guò)管道向樣品加壓,薄膜變形由位移傳感器
測(cè)得,可以高效地對(duì)相同或不同的膜材料進(jìn)行測(cè)量,這種裝置由于采用的是位移傳感器,也
存在樣品中心點(diǎn)定位困難的問(wèn)題,如果定位不準(zhǔn)確,結(jié)果誤差就會(huì)很大。 除了以上測(cè)試方法和裝置,對(duì)于薄膜變形撓度的測(cè)量,還有文獻(xiàn)提出用LVDT(直
線位移傳感器)、柵線投影法等方法。LVDT(直線位移傳感器)只能測(cè)量單點(diǎn)位移,如果位移傳感器沒(méi)有定位在中心點(diǎn)的上方,將極大的影響測(cè)量結(jié)果。柵線投影法雖然可以測(cè)量全 場(chǎng)位移,但由于采用傅里葉變換方法得到的結(jié)果與計(jì)算窗口有關(guān),而這個(gè)計(jì)算窗口的選擇 大多是憑借經(jīng)驗(yàn),不同的計(jì)算窗口 ,使得結(jié)果有很大出入,嚴(yán)重影響結(jié)果的穩(wěn)定性。
移層法是通過(guò)測(cè)量薄膜破壞前后的曲率變化來(lái)求得薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力,其關(guān)鍵在 于變形曲率測(cè)量,如果測(cè)量精度不高,必然影響殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確度。目前已有的目前國(guó)內(nèi)外 已公開(kāi)的基于移層法測(cè)試殘余應(yīng)力的技術(shù)和裝置有 中國(guó)專利CN101046371A公開(kāi)了一種基于顯微干涉和有限差分的微/納懸臂梁的 曲率測(cè)量方法,應(yīng)用相移顯微干涉法來(lái)測(cè)量微/納懸臂梁的表面彎曲數(shù)據(jù),用有限差分法 解析出被測(cè)微/納懸臂梁的彎曲量,從而計(jì)算出最佳曲率匹配值。 中國(guó)專利CN101051018A公開(kāi)了一種薄膜殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)構(gòu)及其制作和測(cè)試方 法。用腐蝕液腐蝕犧牲層,測(cè)試平板得到應(yīng)力釋放而發(fā)生屈曲,用顯微鏡、CCD攝像儀和電 腦顯示屏對(duì)釋放過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)督,記錄平板發(fā)生臨界屈曲時(shí)的自由端懸置長(zhǎng)度,利用有 限元仿真方法,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析,求得測(cè)試平板中殘余應(yīng)力。 中國(guó)專利CN201163222Y公開(kāi)了一種硬質(zhì)薄膜殘余應(yīng)力測(cè)試儀,采用He-Ne激光器 產(chǎn)生入射光速,依次經(jīng)由半透鏡的透射及試片表面的反射到達(dá)光感器,通過(guò)對(duì)光程的增大 對(duì)測(cè)量試片的曲率半徑進(jìn)行放大。測(cè)量半透鏡中心線與試片表面及硅光電池運(yùn)動(dòng)路線的距 離,從而求出試片的曲率半徑。利用化學(xué)或電化學(xué)方法將沉積在試片上的薄膜剝除,求出剝 除前后試片的曲率半徑,根據(jù)相關(guān)理論模型,求出薄膜的殘余應(yīng)力。 普通的移層法是將整個(gè)鍍層移去預(yù)定厚度,使得剩余部分產(chǎn)生彎曲,從而測(cè)量膜
內(nèi)平均殘余應(yīng)力,但由于是將整個(gè)鍍層移去,移去面積大,操作比較復(fù)雜。 考慮到現(xiàn)有測(cè)試裝置和方法的不足,我們發(fā)明了一種多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝
置,它采用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)測(cè)量薄膜變形,結(jié)合鼓泡法和改良移層法這兩種力學(xué)測(cè)試技
術(shù)對(duì)薄膜進(jìn)行原位、在線檢測(cè),可以得到殘余應(yīng)力、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,界面結(jié)合能等多個(gè)薄
膜力學(xué)性能參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置,利用該裝置可以方便、
快捷而且準(zhǔn)確地對(duì)薄膜與涂層的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量。 為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案為 —種多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置,其特征在于,包括放置薄膜樣品的樣品臺(tái)、用 于向薄膜樣品施加壓力的加載機(jī)構(gòu)、用于檢測(cè)薄膜樣品壓力和變形的測(cè)量機(jī)構(gòu)以及計(jì)算 機(jī); 所述的加載機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、活塞和油腔;所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞;所述的 油腔一側(cè)與活塞連接,另一側(cè)與薄膜樣品連接;所述加載機(jī)構(gòu)安裝于所述樣品臺(tái)的下方;
所述的樣品臺(tái)是加工有內(nèi)螺紋的鋼制圓環(huán); 所述的測(cè)量機(jī)構(gòu)包括數(shù)據(jù)處理卡、安裝于油腔內(nèi)的壓力傳感器、安裝于薄膜樣品 上方的用于檢測(cè)薄膜變形的光學(xué)散斑檢測(cè)裝置,所述的壓力傳感器和光學(xué)散斑檢測(cè)裝置與 數(shù)據(jù)處理卡連接,所述數(shù)據(jù)處理卡與所述的計(jì)算機(jī)連接。 所述的光學(xué)散斑檢測(cè)裝置包括光源、制斑部件、遠(yuǎn)心鏡頭和CCD攝像頭;所述的
5CCD攝像頭與所述的數(shù)據(jù)處理卡連接;所述的光源、制斑部件、遠(yuǎn)心鏡頭依次連接處于發(fā)送
光路中,所述的遠(yuǎn)心鏡頭和CCD攝像頭處于接收光路中。 所述的樣品臺(tái)具有X、Y和Z三個(gè)方向的位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。 本發(fā)明與已有技術(shù)相比,具有以下優(yōu)點(diǎn) 1.變形測(cè)量精度高。變形測(cè)量部分采用采用0.5倍大口徑遠(yuǎn)心鏡頭,結(jié)合數(shù)字散 斑相關(guān)方法,測(cè)量精度可達(dá)0. 4 m,與激光干涉測(cè)量精度相當(dāng)。相比較激光干涉測(cè)量系統(tǒng)光 路復(fù)雜,對(duì)環(huán)境的防塵、防振、防噪等要求高,數(shù)字散斑相關(guān)方法具有光路相對(duì)簡(jiǎn)單、測(cè)量視 場(chǎng)可以調(diào)節(jié)、不需要光學(xué)干涉條紋處理、可適用的測(cè)試對(duì)象范圍廣、對(duì)測(cè)量環(huán)境無(wú)特別要求 等突出的優(yōu)點(diǎn)。 2.該發(fā)明的加載部分采用步進(jìn)電機(jī)加載,計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集壓力數(shù)據(jù),比已有裝置 的人工加壓和讀數(shù)更具備科學(xué)性,避免了人工加載時(shí)導(dǎo)致的加載速度不均勻,人工讀數(shù)滯 后等不利因素,同時(shí),區(qū)別于一般裝置用膠將樣品粘接在樣品臺(tái),本發(fā)明采用鋼蓋片將樣品 擰緊固定在樣品臺(tái)上,整個(gè)加載裝置采用高強(qiáng)度鋼板制成,加載壓力范圍最大可到lOMPa, 能滿足大多數(shù)薄膜的加載壓力要求。 3.相對(duì)于已有的大部分裝置由于采用位移傳感器測(cè)量薄膜的變形撓度,只能測(cè)量 單點(diǎn)位移,本發(fā)明可以得到薄膜變形的全場(chǎng)位移,進(jìn)而了解薄膜整體變形的形貌,使得對(duì)薄 膜變形的認(rèn)識(shí)更加直觀。 4.相對(duì)于普通移層法將整個(gè)鍍層移去以測(cè)量殘余應(yīng)力,本發(fā)明對(duì)移層法進(jìn)行了改 良,采用移去部分鍍層的實(shí)驗(yàn)方法,操作簡(jiǎn)單,同時(shí)對(duì)已有模型進(jìn)行雙等軸應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)化, 大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。 5.相對(duì)于已有裝置僅適用一種測(cè)試技術(shù),功能單一,本發(fā)明結(jié)合鼓泡法和改良移 層法這兩個(gè)薄膜力學(xué)測(cè)試方法,獲得殘余應(yīng)力、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、界面結(jié)合能等多個(gè)薄膜力 學(xué)性能參數(shù)。 6.由于本裝置測(cè)量變形具有較高的精度,除了可以應(yīng)用于薄膜力學(xué)性能測(cè)量,還 可以應(yīng)用于其他微小變形的測(cè)量。


圖1為多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖; 圖2為鼓泡法薄膜變形過(guò)程示意圖;(a :鼓脹階段b :剝離階段) 圖3為多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置示意圖; 圖4為加載部分剖面圖; 圖5為實(shí)驗(yàn)散斑圖; 圖6為ESPI禾P DSCM結(jié)果對(duì)比圖 圖7為薄膜變形全場(chǎng)位移圖; 圖8為薄膜變形等高圖; 圖9為薄膜變形的壓力_撓度關(guān)系圖; 圖10為薄膜變形的應(yīng)力_應(yīng)變關(guān)系圖; 圖11為薄膜變形的壓力_時(shí)間圖; 圖12為薄膜的移層法坐標(biāo)示意6
圖13為電池外殼鍍層的腐蝕厚度-殘余應(yīng)力關(guān)系圖。
附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明如下 1.光源2.制斑部件3.遠(yuǎn)心鏡頭4.CCD攝像頭5.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)6.薄膜樣 品7.支架8.樣品臺(tái)9.油腔10.步進(jìn)電機(jī)11.活塞12.壓力傳感器13.位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 14.彈簧,15.基底,16腐蝕區(qū)域。
實(shí)施例1 : 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置的原理,具體結(jié)構(gòu)及 表征方法作詳細(xì)的說(shuō)明。 利用鼓泡法進(jìn)行薄膜力學(xué)性能測(cè)量時(shí),在圖1中將薄膜樣品6固定在樣品臺(tái)8上, 樣品6是將涂覆有薄膜的基底用腐蝕或刻蝕等方法,去除一個(gè)圓形或方形區(qū)域,形成的一 個(gè)薄膜窗口。樣品臺(tái)8、活塞11、壓力傳感器12與油腔9相連。油腔內(nèi)為液壓機(jī)油,步進(jìn)電 機(jī)IO驅(qū)動(dòng)活塞11,向薄膜樣品施加均布的壓力,薄膜樣品在壓力的作用下發(fā)生鼓脹,當(dāng)壓 力達(dá)到一定值時(shí)薄膜和基底發(fā)生剝離。加壓過(guò)程中的壓力由壓力傳感器12實(shí)時(shí)采集,對(duì)應(yīng) 的薄膜變形由光學(xué)散斑測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得。薄膜變形的測(cè)量原理是由光源l發(fā)出白光,通過(guò)光 纖進(jìn)入制斑部件2(制斑部件是涂有散斑的光學(xué)玻璃),當(dāng)光線通過(guò)光學(xué)玻璃后就形成了散 斑圖,通過(guò)遠(yuǎn)心鏡頭3投射到薄膜樣品的表面,經(jīng)過(guò)薄膜樣品表面形貌調(diào)制后的散斑圖經(jīng) 遠(yuǎn)心鏡頭3由CCD攝像頭4接收,采集到的散斑圖送給計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5進(jìn)行數(shù)字散 斑相關(guān)方法的計(jì)算與分析,得到薄膜變形的三維形貌。 加壓時(shí)薄膜的變形過(guò)程如圖2所示,分為兩個(gè)階段,第一階段薄膜向外鼓脹,發(fā) 生拱起,如圖2a所示,a為薄膜樣品半徑,P為薄膜樣品所受壓力,"。為薄膜中心點(diǎn)撓度。 A. Shirani (1998)指出,在大撓度線彈性變形條件下,中心點(diǎn)撓度和壓力與應(yīng)力_應(yīng)變的關(guān)
2饑2
系為《二
'0
3<32 (1)
根據(jù)式(1)和(2),得
i:E,擬合直線在y軸上cr = - m 式中P為壓力,"。為中心點(diǎn)撓度,t為薄膜厚度,a為孔徑。
到相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,再進(jìn)行線性擬合,可以得到薄膜的彈性?!?的截距即為薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力0。,而當(dāng)壓力P達(dá)到一定值時(shí),薄膜變形不再是線彈性階段, 開(kāi)始偏移擬合直線的點(diǎn)即為彈性極限oe。 在第二階段,隨著壓力的繼續(xù)增加,薄膜與基底發(fā)生剝離,如圖2b所示,當(dāng)壓力增 加AP后,a+Aa為剝離半徑,"。+A "。為對(duì)應(yīng)的薄膜中心點(diǎn)撓度。在這個(gè)階段,由薄膜與 基底分離時(shí)的臨界壓力P。與臨界中心點(diǎn)撓度"。。,根據(jù)理論模型提取獲得薄膜與基底的界 面結(jié)合能。若薄膜剝離時(shí)處于彈性變形狀態(tài),界面結(jié)合能的表達(dá)式為
G = CPC w 0c (3) 其中G為界面結(jié)合能,P。為臨界壓力,"。。為臨界中心點(diǎn)撓度,C在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可 以看成為一個(gè)常量,N. Tacher, A. N. Gent, L. Figiel等人給出薄膜處于小撓度變形時(shí),取C =0. 5 ;薄膜處于大撓度變形時(shí),取C = 0. 649。
圖4為加載部分剖面圖,8為樣品臺(tái),放入樣品并用蓋片固定,步進(jìn)電機(jī)10驅(qū)動(dòng)活 塞11加壓,在油腔內(nèi)安有彈簧14,起到緩沖壓力的作用。13為具有X、Y、Z三個(gè)方向位置調(diào) 節(jié)功能的位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),可以調(diào)節(jié)樣品的位置。
圖5為散斑投射到樣品表面形成的實(shí)驗(yàn)散斑圖。 圖6為ESPI和DSCM結(jié)果對(duì)比圖。為了驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)精度,將本測(cè)量裝置所用到 的數(shù)字散斑相關(guān)方法(DSCM)的測(cè)量結(jié)果與電子散斑干涉(ESPI)結(jié)果進(jìn)行比較,如圖6所 示。選擇電子散斑干涉法(ESPI)作為測(cè)量參照是因?yàn)殡娮由吒缮娣?ESPI)的測(cè)量精度 很高,分辨率能高達(dá)激光的半波長(zhǎng),它的測(cè)量結(jié)果具有較高的精確度。從圖中可以看出,電 子散斑干涉結(jié)果與數(shù)字散斑相關(guān)方法結(jié)果吻合程度非常高,說(shuō)明本裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是準(zhǔn)確 可信的。 圖7和圖8為測(cè)量得到的薄膜變形全場(chǎng)位移圖和等高圖,從圖中可以看出薄膜變 形的三維形貌。 應(yīng)用鼓泡法測(cè)量薄膜力學(xué)性能的工作過(guò)程是 1.將薄膜樣品6放置在樣品臺(tái)8上,用鋼蓋片將樣品擰緊固定,通過(guò)位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 13調(diào)節(jié)樣品位置,使之位于光學(xué)鏡頭視場(chǎng)的中心,而且散斑成像清晰。 2.步進(jìn)電機(jī)10驅(qū)動(dòng)活塞11,向薄膜樣品施加均布的壓力,薄膜樣品在壓力的作用 下發(fā)生鼓脹。 3.加壓過(guò)程中的壓力由壓力傳感器12實(shí)時(shí)采集,對(duì)應(yīng)的薄膜變形撓度由數(shù)字散 斑相關(guān)方法測(cè)得,從而得到薄膜壓力(P)-中心點(diǎn)撓度("。)曲線。 4.在薄膜變形的第一階段,即薄膜試樣只是在壓力的作用下鼓脹而并未與基底剝 離,根據(jù)式(1)和(2),得到相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線,在滿足彈性大撓度變形條件下,線性擬合 數(shù)據(jù)點(diǎn),得到薄膜的彈性模量E,殘余應(yīng)力0。和彈性極限oe。 圖9為厚度為18ym的鎳薄膜壓力(P)-中心點(diǎn)撓度("。)關(guān)系圖,相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng) 變曲線如圖IO所示。在線彈性大撓度變形條件下,線性擬合數(shù)據(jù)點(diǎn),得到鎳薄膜的彈性模 量E為208. 7GPa,薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力o 。為175. 73MPa,彈性極限o e為415. 18MPa。
5.繼續(xù)增大壓力,薄膜在壓力的作用下從基底剝離。要注意的是,為了能準(zhǔn)確測(cè) 量膜/基體系的界面結(jié)合能,必須保證薄膜是從基底剝離而不是破裂。圖11為不銹鋼基底 上電沉積厚度為50 ii m的鎳薄膜所對(duì)應(yīng)的壓力_時(shí)間關(guān)系。若薄膜剝離時(shí)處于彈性變形狀 態(tài),從圖11中可以看出,A點(diǎn)為臨界剝離點(diǎn),根據(jù)式(3)計(jì)算出鎳/不銹鋼體系界面結(jié)合能 為5. 42J/m2。 除了采用鼓泡法測(cè)量薄膜的力學(xué)性能,本裝置還可以采用改良移層法測(cè)量殘余應(yīng) 力。樣品形貌如圖12所示,整個(gè)樣品的厚度為H,鍍層厚度為h,移去層的厚度為l。以樣 品的中性面為參考面,建立坐標(biāo)系,將樣品左端固定,腐蝕區(qū)域長(zhǎng)為L(zhǎng)0,距固定端長(zhǎng)為L(zhǎng)l, 距自由端長(zhǎng)為L(zhǎng)2,在實(shí)驗(yàn)中,L0設(shè)定為3mm, Ll取40mm, L2取52mm,腐蝕區(qū)域及其右側(cè)自由 端為研究對(duì)象。將腐蝕區(qū)域移去后,由于膜內(nèi)殘余應(yīng)力的作用,樣品的自由端將發(fā)生彎曲變 形,用數(shù)字散斑相關(guān)方法記錄變形曲率。在建立理論模型時(shí),為了簡(jiǎn)化研究體系,假設(shè)鍍層 內(nèi)存在的應(yīng)力狀態(tài)為雙等軸平面應(yīng)力狀態(tài)(ox = oy, 0^。),x軸方向和y軸方向應(yīng)力應(yīng) 變關(guān)系都可以寫(xiě)為一樣的形式<formula>formula see original document page 9</formula>
氏模量
式中、,ey為x, y軸方向的應(yīng)變,ox, Oy為x, y軸方向的應(yīng)力,E為材料的楊 u為泊松比。
用應(yīng)變來(lái)表示應(yīng)力,可以得到, 0) = :1-&
1-v (5) 由于移去層與剩余塊體相比要小得多,因此我們可以認(rèn)為在剩余塊體上應(yīng)變是線 性變化的,即 ex(z) = ex0+Rz (6) 式中、。是中平面(z = 0)處的應(yīng)變,R是懸臂梁的曲率,因此,懸臂梁中的合力 與合力矩就可以用應(yīng)力對(duì)z軸的積分來(lái)求得。由于膜和基底有著不同的材料參數(shù)(楊氏模 量E和泊松比u ),因此,在積分的過(guò)程中,膜和基底的參數(shù)要分開(kāi)來(lái)進(jìn)行求解,用下標(biāo)s表 示基底的材料參數(shù),下標(biāo)c表示膜的材料參數(shù),即




<formula>formula see original document page 9</formula>將式(5)和(6)代入(7)與(8)中可得
(8)<formula>formula see original document page 9</formula>(9)
式(9)中的系數(shù)An,A^,A^,A22分別為 4<formula>formula see original document page 9</formula>,'
(13) 作用在剩余塊體上的合力和合力矩與移去層之間有一個(gè)作用與反作用的關(guān)系,因 此,由鍍層薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力得到的合力與合力矩的方程為
<formula>formula see original document page 9</formula>
(14) 合并式(9)和(14),便可以得到,<formula>formula see original document page 10</formula>
從式(15)中可以看出,對(duì)于一種特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)材料,膜和基底的楊氏模量和泊松比 都是確定的,實(shí)驗(yàn)樣品的整個(gè)厚度H與膜厚h是可以測(cè)量得到的,移去層的厚度1我們可 以通過(guò)測(cè)量腐蝕后的殘余厚度來(lái)得到。因此,左側(cè)的系數(shù)矩陣為常系數(shù)矩陣。在線性方程 組中,未知的參量只有、。,C和c^三個(gè),只要通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段得到其中的任何一個(gè)未知量的 值,都可以利用上面的線性方程求解得到余下的兩個(gè)變量的值。
應(yīng)用改良移層法測(cè)量薄膜殘余應(yīng)力的具體工作過(guò)程是 1.將樣品預(yù)留出3mm的腐蝕槽,腐蝕槽以外的區(qū)域均勻抹上環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)層,防 止腐蝕槽以外的區(qū)域被腐蝕液腐蝕; 2.用支架將樣品一端固定在樣品臺(tái)上,一端懸空,形成懸臂梁結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)樣品的位 置,使觀測(cè)區(qū)域位于光學(xué)鏡頭視場(chǎng)的中心,而且散斑成像清晰;
3.記錄腐蝕變形前的樣品散斑圖像; 4.向腐蝕槽滴加15%的稀硝酸溶液進(jìn)行腐蝕,腐蝕10分鐘左右后,用蒸餾水清洗
半分鐘,再等待懸臂梁靜置半分鐘后,采集腐蝕變形后的樣品散斑圖像; 5.用數(shù)字散斑相關(guān)法對(duì)變形前后的兩幅散斑圖進(jìn)行處理,得到觀測(cè)區(qū)域腐蝕前后
位移變化。 6.用電位測(cè)厚儀測(cè)量樣品的原始膜厚和移去層之后的殘余膜厚,兩者相減得到移 去層的厚度。 7.把得到的數(shù)據(jù)代入公式(15),計(jì)算得到殘余應(yīng)力值。 圖13為電池外殼鍍層的腐蝕厚度-殘余應(yīng)力關(guān)系圖,從圖中可以看出隨著腐蝕厚 度的增加,即沿著鍍層表面往基底方向,鍍層內(nèi)的殘余應(yīng)力逐漸減少。 由于本裝置測(cè)量變形具有較高的精度,除了用于薄膜力學(xué)性能測(cè)量,還可以應(yīng)用 于其他微小變形測(cè)量,具有較大的適用范圍。
10
權(quán)利要求
一種多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置,其特征在于,包括放置薄膜樣品的樣品臺(tái)、用于向薄膜樣品施加壓力的加載機(jī)構(gòu)、用于檢測(cè)薄膜樣品壓力和變形的測(cè)量機(jī)構(gòu)以及計(jì)算機(jī);所述的加載機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、活塞和油腔;所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞;所述的油腔一側(cè)與活塞連接,另一側(cè)與薄膜樣品連接;所述加載機(jī)構(gòu)安裝于所述樣品臺(tái)的下方;所述的樣品臺(tái)是加工有內(nèi)螺紋的鋼制圓環(huán);所述的測(cè)量機(jī)構(gòu)包括數(shù)據(jù)處理卡、安裝于油腔內(nèi)的壓力傳感器、安裝于薄膜樣品上方的用于檢測(cè)薄膜變形的光學(xué)散斑檢測(cè)裝置,所述的壓力傳感器和光學(xué)散斑檢測(cè)裝置與數(shù)據(jù)處理卡連接,所述數(shù)據(jù)處理卡與所述的計(jì)算機(jī)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置,其特征在于,所述的光 學(xué)散斑檢測(cè)裝置包括光源、制斑部件、遠(yuǎn)心鏡頭和CCD攝像頭;所述的CCD攝像頭與所述的 數(shù)據(jù)處理卡連接;所述的光源、制斑部件、遠(yuǎn)心鏡頭依次連接處于發(fā)送光路中,所述的遠(yuǎn)心 鏡頭和CCD攝像頭處于接收光路中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置,其特征在于,所述的樣 品臺(tái)具有X、 Y和Z三個(gè)方向的位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置,該裝置包括樣品臺(tái)、用于向薄膜樣品施加壓力的加載機(jī)構(gòu)、用于檢測(cè)薄膜樣品所受壓力和變形的測(cè)量機(jī)構(gòu)以及計(jì)算機(jī)。本裝置采用數(shù)字散斑相關(guān)方法測(cè)量薄膜變形,結(jié)合鼓泡法和改良移層法這兩種力學(xué)測(cè)試方法,可以方便、快捷而且精確地測(cè)量壓力-變形曲線或者腐蝕厚度-變形曲線,根據(jù)相應(yīng)理論模型提取獲得薄膜與涂層的力學(xué)性能,適用于各種彈塑性體系的工具膜,裝飾膜,高分子膜及其他類(lèi)型薄膜力學(xué)性能的測(cè)定。
文檔編號(hào)G01B11/16GK101788427SQ201010116899
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者周益春, 王子菡 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)
網(wǎng)友詢問(wèn)留言 已有0條留言
  • 還沒(méi)有人留言評(píng)論。精彩留言會(huì)獲得點(diǎn)贊!
1
克拉玛依市| 秦安县| 神木县| 宣化县| 芮城县| 江源县| 舒兰市| 宿迁市| 长沙县| 临夏市| 呼玛县| 泸西县| 资阳市| 宁明县| 资源县| 木兰县| 建宁县| 碌曲县| 安徽省| 武胜县| 突泉县| 攀枝花市| 沂南县| 河池市| 邵武市| 昌平区| 永安市| 四川省| 河西区| 九台市| 博野县| 合川市| 南康市| 乌苏市| 定州市| 遂溪县| 桐城市| 郁南县| 西峡县| 双牌县| 镇安县|