基于激光劃痕法測量膜基結(jié)合強(qiáng)度的模擬分析.pdf

1、膜基界面結(jié)合強(qiáng)度是表征薄膜質(zhì)量的重要指標(biāo)，是薄膜技術(shù)研究與應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。紅外激光準(zhǔn)靜態(tài)劃痕法是一種非接觸測量硬質(zhì)薄膜基體界面結(jié)合強(qiáng)度的新型檢驗(yàn)方法。其原理是利用長脈沖激光準(zhǔn)靜態(tài)加載涂層試樣的薄膜表面，引起薄膜與基體的脫粘和薄膜破壞，同時(shí)工件相對于激光做進(jìn)給運(yùn)動，用膜基界面破壞時(shí)的激光參數(shù)結(jié)合檢測參數(shù)和膜基材料的物性參數(shù)來表征界面的結(jié)合強(qiáng)度。
　　 論文首先分析了激光劃痕試驗(yàn)法表征薄膜涂層界面結(jié)合強(qiáng)度的原理、方法與過程。根據(jù)加

2、載激光的工藝參數(shù)以及薄膜、基體的材料特性，基于傅立葉熱傳導(dǎo)方程，建立了薄膜與基體的有限元模型，得到膜基系統(tǒng)中溫度場和應(yīng)力場的計(jì)算公式。對固定激光源和移動激光源準(zhǔn)靜態(tài)加載薄膜表面后形成的溫度場，分別進(jìn)行了有限元模擬，獲得膜基系統(tǒng)中溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系以及薄膜界面結(jié)合處的熱量化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上根據(jù)薄膜和基體的熱膨脹性能，準(zhǔn)靜態(tài)條件下的熱彈性本構(gòu)方程、應(yīng)變位移關(guān)系以及應(yīng)力平衡關(guān)系，進(jìn)行薄膜和基體的應(yīng)力場模擬，獲得了膜基系統(tǒng)的應(yīng)力場隨時(shí)間的變化

3、關(guān)系以及關(guān)鍵點(diǎn)處的溫度、應(yīng)力曲線。
　　 根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)及彈塑性斷裂理論，利用ANSYS有限元分析軟件，選取膜基結(jié)合晃面處應(yīng)力較大的危險(xiǎn)點(diǎn)作為裂尖單元，進(jìn)行其強(qiáng)度因子及J積分的分析計(jì)算。結(jié)果表明：在激光加載過程中，薄膜和基體中的溫度場隨著時(shí)間的增加而增加，并在薄膜和基體之間產(chǎn)生溫差。在膜基系統(tǒng)產(chǎn)生的應(yīng)力場中薄膜上表面為壓應(yīng)力，膜基界面結(jié)合處產(chǎn)生的應(yīng)力較大。隨著激光能量密度的增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子增加，薄膜厚度增加時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子也