薄膜涂層材料中彈性波的傳播與涂層特性的超聲波反演.pdf

1、隨著材料科學(xué)的迅速發(fā)展,表面具有各種特殊性能的薄膜涂層材料在工程中得到廣泛應(yīng)用.薄膜材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)和質(zhì)量檢測中,涂層材料特性可作為選材標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)指標(biāo),測定涂層特性有很大的工程實(shí)用價(jià)值:另一方面,薄膜涂層形成過程中萌生的各種界面缺陷是導(dǎo)致涂層材料的動(dòng)、靜態(tài)破壞的主要原因,準(zhǔn)確識別界面缺陷是進(jìn)行薄膜材料壽命評估和失效分析的基礎(chǔ).因此,作為超聲波測定涂層特性和識別界面缺陷的理論基礎(chǔ),薄膜涂層材料中彈性波傳播問題的研究具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值.

2、 本論文的研究工作分為兩大部分:(1)研究界面完全結(jié)合的薄膜涂層材料中廣義Rayleigh波的傳播,著重分析薄膜涂層密度及彈性常數(shù)等對頻散特性的影響;基于廣義Rayleigh波的相速度頻散方程,研究超聲波測定涂層特性的反演算法.(2)研究薄膜涂層材料中界面Griffith裂紋和幣形裂紋對彈性波的散射,分析界面裂紋尺寸、涂層材料性質(zhì)和波頻率對散射波場的應(yīng)力和位移的影響. 在本論文的第一部分工作中,研究了薄膜涂層材料性質(zhì)對廣

3、義Rayleigh波頻散特性的影響.研究表明廣義Rayleigh波在快覆層結(jié)構(gòu)和慢覆層結(jié)構(gòu)中傳播特性完全不同,并且得到了一些非常有實(shí)際意義的結(jié)論:橫波速度小于基體橫波速度的涂層(慢層)減緩廣義Rayleigh波的傳播;而快層加速波的傳播.密度大于基體密度的涂層(密質(zhì)涂層)有減緩波傳播的趨勢;輕質(zhì)涂層則加快波的傳播.此外,針對不同的涂層厚度、密度和彈性常數(shù)等情況,給出了廣義Rayleigh波的相速度、群速度以及波場位移和應(yīng)力的精確解,為涂

4、層特性的超聲反演提供了理論依據(jù). 其次,基于涂層結(jié)構(gòu)中表面波的頻散方程,引入涂層厚度、材料常數(shù)和表面波頻率等作為變量的目標(biāo)函數(shù),提出了一種從表面波相速度頻散數(shù)據(jù)反向計(jì)算涂層厚度和材料常數(shù)的方法.通過大量的數(shù)值算例詳細(xì)分析了不同材料組合情況下涂層厚度和材料常數(shù)的反演過程.此外,提出采用相速度頻散數(shù)據(jù)的多階模態(tài)進(jìn)行反演的方法,解決了涂層特性反演過程中存在的多值性問題.在第二部分研究工作中,首先研究了薄膜涂層材料中界面 Griffit

5、h 裂紋對彈性波散射的問題.結(jié)合積分變換、漸近分析和圍道積分技術(shù),推導(dǎo)了散射波場的應(yīng)力和位移的理論計(jì)算公式.在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,更深入地研究了材料組合、裂紋尺寸和薄膜厚度等因素對散射波場的影響,詳細(xì)分析了界面裂紋對縱波和橫波的散射,給出了動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋張開位移的精確解.揭示了動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋張開位移與裂紋尺寸、材料組合和入射波頻率的內(nèi)在聯(lián)系.本文的分析方法和理論公式適用于界面Griffith裂紋對各種類型的彈性波散射問題.

6、 其次,研究了薄膜涂層結(jié)構(gòu)中幣形界面裂紋對彈性波的散射,推導(dǎo)了散射波場的應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度因子以及波場位移的計(jì)算公式.著重分析了不同材料組合、裂紋尺寸和入射波頻率等情況下,動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋張開位移的精確解.另外,為驗(yàn)證理論推導(dǎo)所提出的有限元分析方法,可以作為一種數(shù)值分析方法拓展到研究三維界面裂紋彈性波散射的非對稱問題. 本文對上述問題研究所取得的成果,有助于進(jìn)一步分析薄膜涂層材料的動(dòng)態(tài)破壞機(jī)理:有助于深入研究涂層特性和界面