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近年来,薄膜/基体结构或材料在微/纳米工程上得到了广泛的应用,研究薄膜/基体结构中薄膜与基体之间界面的力学性能近年来得到了广泛的重视。研究韧性薄膜和基体之间界面粘结性能及可靠性是此项研究工作的重点和难点问题,其主要参数是界面粘结功和界面分离强度。本文通过系统的薄膜撕裂实验研究和数值模拟并借助于人工神经网络反分析方法系统地确定出了上述重要界面参量,主要创造性工作如下:
㈠在实验研究方面:基于一台Reger2000电脑控制多功能材料试验机和一台Questar远程望远测量系统,通过硬件设计和软件开发进行功能拓展,建立可以方便实现薄膜撕裂试验的平台。开展了大量的AlEpoxyAl2O3体系薄膜撕裂实验,系统获得了稳定撕裂力随着薄膜厚度、撕裂角度以及胶层厚度等因素的变化关系。通过对试样的加工、实验操作和实验仪器精度的改进,实现微米厚度CuAl2O3体系薄膜撕裂实验。
㈡在理论分析方面:建立薄膜撕裂的有限元模型,通过将粘聚力单元嵌入到有限元网格实现撕裂过程的数值模拟。对厚度达到微米量级的CuAl2O3体系薄膜撕裂,Cu膜的本构关系采用一种应变梯度理论(CMSG理论)描述,有效刻画了其尺度效应。提出两种界面参数的确定方法。第一种方法对含粘结层界面的参数确定使用方便,该方法需要粘结层的应力-应变实验曲线。第二种方法基于神经网络反分析,该方法无需粘结层应力-应变曲线,具有普适性,既可用于含粘结层界面的参数确定,也可以用于不含粘结层界面的参数确定,如薄膜直接通过物理溅射方法沉积到基体上。