纳米-微米中间层对膜基系统表界面破坏的影响机制研究
批准号:
11602083
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
20.0 万元
负责人:
薛秀丽
依托单位:
学科分类:
实验固体力学
结题年份:
2019
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
任中俊、赵玉萍、颜世军、张绮龙、吕海龙
中文摘要
中间层作为薄膜和基底的过渡层,能有效提高微纳米膜/基系统的界面性能,在微电子、传感、表面工程等众多领域有广阔的应用前景。然而,相比传统单层薄膜-软基底系统的研究,人们对含中间层薄膜-软基系统的表、界面力学性能的研究却很少,中间层对界面力学性能的厚度跨尺度效应影响机制尚不清楚。本项目将对软基底上的中间层-薄膜复合结构在外力作用下的表面失稳模式、界面断裂及演化行为进行测试和分析。针对纳米级和微米级不同尺度的中间层厚度,研究其对薄膜/软基系统的表面失效模式、应力传递和界面断裂行为的影响机制。结合力学理论和仿真模拟表征其和传统单层膜基结构的本证异同以及损伤临界参数与中间层薄膜厚度、强度、粘附能和载荷比例的内在关系。这些问题的解决,将为含微纳米尺度中间层膜/基系统元器件的设计和发展提供科学依据,并贡献于光学、微流体系统、生物医学、表面工程等领域。
英文摘要
As a transition layer between the film and substrate, the interlayer can effectively improve the interfacial properties of micro-nano film/substrate system, which has been shown to have many fascinating potential applications in microelectronics, sensing devices as well as surface engineering. Nevertheless, in contrast to the enormous studies on interface mechanical integrity of monolayer-soft substrate, much less has been done to understand effect of interlayer on the deformation and interfacial damage of film/soft substrate, as well as its thickness size effect. Besides, mechanism of size effect on surface and interface failure is still unclear. In this program, instability mode and interface damage evolution of thin film-interlayer composite on soft substrates will be analyzed under external load. In view of different thickness of nano and micro scale interlayers, we will study the effect mechanism on surface failure mode, stress transfer and interface failure behavior of film/soft substrate system. Meanwhile, by mechanics theory and numerical simulation methods, the intrinsic differences and similarities as well as the critical parameters of damage between the interlayer and monolayer structure, will be characterized, to obtain the intrinsic relationship between thickness, strength, adhesion energy of the structure. Solution of the questions will offer scientific basis for the design and development of the interlayer components, also contribute to fields of optics, microfluidic, biomedicine, surface engineering and so on.
微纳米金属多层薄膜/柔性基底系统具有很多独特的物理、化学性能,近年来在柔性电子、能源、生物医学、航空航天等领域有广泛的应用前景,但是目前关于中间层薄膜的对膜/基整体结构的界面力学性能的影响的研究较少,而这些力学性能对结构的应用具有重要影响。本项目运用磁控溅射技术在聚酰亚胺基底上沉积了不同材料组合、多种厚度组合的双层薄膜,采用基于激光共聚焦显微镜下的微尺度拉伸设备对试样单轴拉伸,实时观测表面裂纹和屈曲演化损伤过程,通过原子力显微镜、扫描电子显微镜等技术对试样表面进行表征,建立含内聚力区的有限元模型模拟分析薄膜和界面的断裂损伤演化过程,详细研究了中间层对薄膜/基底结构断裂损伤和界面粘接的尺寸效应影响机制,阐明了含中间层的薄膜/基底结构的表界面破坏模式和失效机理,并且借助三维屈曲形貌和界面粘接模型计算得到薄膜/基底的界面粘附能。研究结果表明:(1)中间层的厚度不同,会影响覆盖层薄膜的断裂模式。脆性中间层薄膜越薄,对韧性覆盖层的断裂影响越小,相反,脆性中间层越厚,韧性覆盖层的断裂模式越趋向脆性断裂模式;(2)脆性薄膜的裂纹会引起韧性层薄膜的应力集中,从而引起其颈缩和断裂。即,双层薄膜的断裂过程分为两级裂纹:一级裂纹起始于脆性层薄膜,进一步拉伸,进而引发韧性层二级裂纹;(3)在相同的加载应变下,随着中间层膜厚度增大,薄膜的平均裂纹密度减小,平均裂纹间距增大。中间层厚度越大,屈曲宽度和高度越大;(4)中间层的厚度对薄膜/基底的界面粘附能影响不大。这些研究,将为含微纳米尺度中间层膜/基系统元器件的设计和发展提供科学依据,并且对于提高柔性基底上双层及多层微纳米薄膜的使用寿命,进而拓展其应用范围,具有重要的理论和实际意义。
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Solvent-induced surface instability of thin metal films on a polymer substrate
聚合物基底上金属薄膜的溶剂诱导表面不稳定性
DOI:
10.1002/sia.6356
发表时间:
2018
期刊:
Surface and Interface Analysis
影响因子:
1.7
作者:
[Xue Xiuli, Wang Shibin, Zeng Chaofeng, Li Linan, Li Chuanwei]
通讯作者:
Li Chuanwei
DOI:
--
发表时间:
2019
期刊:
材料导报
影响因子:
--
作者:
[薛秀丽, 王世斌, 曾超峰, 李林安, 王志勇]
通讯作者:
王志勇
DOI:
--
发表时间:
2019
期刊:
材料导报
影响因子:
--
作者:
[薛秀丽, 曾超峰, 王世斌, 李林安, 王志勇]
通讯作者:
王志勇
DOI:
--
发表时间:
2018-08
期刊:
材料导报
影响因子:
--
作者:
[薛秀丽, 曾超峰, 王世斌, 何巍]
通讯作者:
何巍
复杂地下水系连通下地基流砂机制与地面沉陷防控关键技术、管道施工扰动变形防控关键技术研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2025
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负责人:薛秀丽
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依托单位:
国内基金
海外基金