激光辐照处理下铜薄膜疲劳损伤愈合与寿命预测研究

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多晶铜薄膜材料在MEMS(micro-electro-mechanical system)元器件中得到了广泛应用,由于铜薄膜在使用过程中经常承受循环载荷作用而发生破坏,疲劳强度已成为制约MEMS器件长期服役可靠性的因素之一。如何提高服役中MEMS元器件的疲劳性能已成为国内外学者研究的重点。本文采用激光辐照处理方式,试图提出一种能有效愈合MEMS零部件疲劳损伤的方法,为提高服役中MEMS构件的疲劳性能提供参考依据。  第一,利用激光辐照处理方法对铜薄膜的疲劳损伤进行愈合。通过研究激光辐照对铜薄膜试件表面划痕和微裂纹的影响,发现了强化现象和愈合现象。对愈合后试件的应变变化进行了分析,发现试件的弹性应变不变,而塑性应变则得到了明显降低。铜薄膜试件的应变集中系数在激光处理前后保持一致。提出损伤愈合的判定准则,对损伤愈合效果进行判定,并利用试验数据验证了准则的正确性。  第二,对激光辐照处理铜薄膜的温度场进行了模拟,表明愈合效果较优的温度为1750摄氏度左右。对多次损伤愈合结果进行了分析,结果表明多次损伤愈合可以最大程度地提高试件的累积使用寿命,当应力为130MPa,预制损伤量为2倍原始寿命时,效果较好,累积寿命可达到原始寿命的11.4倍。  第三,提出局部应力转换法,对激光辐照愈合后铜薄膜的剩余疲劳寿命进行预测,预测结果能够较好地符合试验寿命。  第四,采用C#语言编程方法,开发了一套激光辐照愈合系统,包括损伤愈合判定准则和寿命预测。测试结果显示开发的系统是可接受的。
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