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可延展压电薄膜基底结构界面脱粘的预测与调控
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作者 周煜棠 王博 +3 位作者 张博涵 毕皓皓 黄永安 王烁道 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2024年第4期247-256,共10页
调控薄膜基底结构的表面不稳定性已被成功应用于制备可延展的新型电子设备中。然而,该类电子器件在工作中需要承受外部载荷作用,致使薄膜-基底结构界面处残余应力集中,容易诱发薄膜电子器件与基底脱粘与分层。该文将从理论分析和数值仿... 调控薄膜基底结构的表面不稳定性已被成功应用于制备可延展的新型电子设备中。然而,该类电子器件在工作中需要承受外部载荷作用,致使薄膜-基底结构界面处残余应力集中,容易诱发薄膜电子器件与基底脱粘与分层。该文将从理论分析和数值仿真角度,研究压电薄膜在柔性基底表面上的失稳特性。由于压电薄膜变形具有大位移小应变的特点,该文基于非线性Euler-Bernoulli梁理论与能量最小化原理,建立压电薄膜基底结构无屈曲、褶皱、局部屈曲及全脱层屈曲模式的理论分析模型;从能量角度定量分析了薄膜-基底结构4种模式相互演变的临界条件;通过数值仿真,验证了该文解析结的有效性,定量、定性的讨论了薄膜基底结构的材料、几何参数对4种模式演变的影响。研究结果表明:改变基底弹性模量、预应变、物理场强度和界面粘附系数能够调控压电薄膜基底结构的屈曲模式;通过调控温度变化量和电压的方式,能够实现对压电薄膜基底结构的失稳特性精细化调控。该文的研究结果将为提升薄膜基底型的电子器件的稳定性及优化设计提供理论支持。 展开更多
关键词 压电薄膜-柔性结构 脱粘 分层 表面失稳 临界应变
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薄膜基底结构界面裂纹应力和电场集中因子分析 被引量:1
2
作者 邱俊杰 李荣佳 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第3期1276-1282,I0026,共8页
为满足工程机械中对薄膜基底结构力学性能的精确评价,基于力电耦合有限元法对垂直于薄膜基底结构间界面裂纹问题进行分析。研究了力电载荷作用下薄膜基底结构裂纹长度、厚度对裂纹尖端附近应力场和电场的影响,并对压电界面裂纹应力集中... 为满足工程机械中对薄膜基底结构力学性能的精确评价,基于力电耦合有限元法对垂直于薄膜基底结构间界面裂纹问题进行分析。研究了力电载荷作用下薄膜基底结构裂纹长度、厚度对裂纹尖端附近应力场和电场的影响,并对压电界面裂纹应力集中因子和电场集中因子进行求解。数值算例结果表明:电场强度在裂尖附近靠近薄膜的地方电场集中明显,且薄膜内的电场强度值大于基底内的值;随着界面处裂纹长度的增大,应力分量及电场强度值越大;薄膜与基底厚度比越小,应力分量及电场强度值越大,且变化越来越明显。 展开更多
关键词 薄膜基底结构 力电耦合 压电材料 界面裂纹 集中因子
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基于辛Runge-Kutta方法的棋盘形褶皱二维薄膜-基底结构动力学特性研究
3
作者 张博涵 曹善成 +2 位作者 王博 欧阳华江 徐方暖 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期186-193,共8页
基于力学屈曲原理的褶皱薄膜-基底结构已成功应用于制备可延展无机电子器件。然而,该类电子器件在应用时需要服役于复杂动态环境中,针对棋盘形褶皱薄膜结构的动力学问题鲜有研究,此问题又是该类电子器件走向实际应用需要解决的关键问题... 基于力学屈曲原理的褶皱薄膜-基底结构已成功应用于制备可延展无机电子器件。然而,该类电子器件在应用时需要服役于复杂动态环境中,针对棋盘形褶皱薄膜结构的动力学问题鲜有研究,此问题又是该类电子器件走向实际应用需要解决的关键问题之一。本文首先采用能量方法,分别计算了二维薄膜的弯曲能、膜弹性能和柔性基底中的弹性能以及薄膜动能;然后采用拉格朗日方程,推导出了该结构的振动控制方程;而该方程为非线性动力学方程,无法给出其解析解;因此,本文采用辛Runge-Kutta方法对其进行数值求解;数值结果表明,辛数值方法具有长期稳定的特性和系统结构特性,为高精度的可延展电子器件的动力学问题研究提供了优异的数值方法。 展开更多
关键词 可延展电子器件 薄膜-结构 辛算法 结构
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双层薄膜与弹性梯度基底三层结构表面失稳分析 被引量:1
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作者 许超 王博 +2 位作者 毕皓皓 师岩 邓子辰 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第1期154-161,共8页
硬薄膜/软基底结构的表面失稳问题一直是柔性电子器件的难题,基于此,本文考虑了双层结构与弹性梯度基底间的界面剪切力,建立了双层薄膜/弹性梯度基底模型;利用位移协调条件,理论推导得到了双层薄膜/弹性梯度基底结构的临界应变和失稳波... 硬薄膜/软基底结构的表面失稳问题一直是柔性电子器件的难题,基于此,本文考虑了双层结构与弹性梯度基底间的界面剪切力,建立了双层薄膜/弹性梯度基底模型;利用位移协调条件,理论推导得到了双层薄膜/弹性梯度基底结构的临界应变和失稳波长的表达式并通过有限元仿真,验证了本研究解析解的有效性。在此基础上,应用此解析解进一步研究了弹性梯度基底的材料、双层薄膜结构厚度比等参数对临界应变和波长的影响。结果表明:减小器件层的厚度或者增加封装层的厚度,可以提高双层膜/弹性梯度基底结构的稳定性;当弹性梯度材料基底表面“较软”或器件层“较硬”时,器件层与基底界面的剪切力的影响较大,可以提升三层膜/基结构抵抗界面破坏的能力。本研究成果将为硬薄膜/弹性梯度基底结构的柔性电子器件的制备提供理论支撑。 展开更多
关键词 双层薄膜/弹性梯度结构 屈曲理论 临界应变 柔性电子
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双复合材料结构基底厚度对薄膜裂纹的影响 被引量:4
5
作者 王建国 刘宝良 毕贤顺 《黑龙江科技学院学报》 CAS 2007年第4期251-253,共3页
针对薄膜-基体双复合材料结构的薄膜裂纹问题,研究了薄膜材料的力学行为,进行了裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端未达到交界面情形下问题的分析。基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜-... 针对薄膜-基体双复合材料结构的薄膜裂纹问题,研究了薄膜材料的力学行为,进行了裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端未达到交界面情形下问题的分析。基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜-基底双复合材料结构的断裂机理,得到了薄膜与基底不同的弹性错配及薄膜与基底的不同的厚度比率,对薄膜裂纹应力强度因子的影响。结果表明:随着hs/hf的减小,应力强度有很大幅度的提高,当hs/hf≥10时,基底的厚度对薄膜裂纹的影响较小,可以忽略不计;当薄膜-基底结构退化为单一材料时,应力强度因数趋向于1。 展开更多
关键词 裂纹 薄膜-结构 应力强度因子 有限元方法
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弹性薄膜—基底结构界面裂纹的能量释放率
6
作者 孙立红 刘宝良 《黑龙江科技学院学报》 CAS 2010年第3期230-232,共3页
为研究弹性薄膜与基底交界面的薄膜裂纹问题,基于Beuth理论,将薄膜—基底结构的三维模型简化为平面应变模型,利用有限元分析程序计算薄膜裂纹断裂能量释放率Gs,并分析薄膜与基底的弹性错配及厚度比率对Gs的影响。结果表明:β=α/4时,Gs... 为研究弹性薄膜与基底交界面的薄膜裂纹问题,基于Beuth理论,将薄膜—基底结构的三维模型简化为平面应变模型,利用有限元分析程序计算薄膜裂纹断裂能量释放率Gs,并分析薄膜与基底的弹性错配及厚度比率对Gs的影响。结果表明:β=α/4时,Gs的幅值随着α(-1<α<1)的增大而增大。当α为负值时,Gs具有稳定性;反之,Gs具有不稳定性。Gs随着薄膜厚度的增加而增加,当hs/hf>2时,其变化较小。该研究为工程实践提供了理论参考。 展开更多
关键词 薄膜结构 裂纹 能量释放率 有限元方法
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表面热源作用下的薄膜/基底结构的应力分析 被引量:1
7
作者 王明庆 《科技信息》 2013年第18期488-489,共2页
在固体力学领域,薄膜/基体结构的应力分析是一个经典的问题,有很多研究者对薄膜/基体结构的失配应力、曲率以及它们之间的关系进行了详尽的分析。本文给出了薄膜/基底结构在非均匀局部表面热载荷作用下的温度和应力分布的基本解,并得到... 在固体力学领域,薄膜/基体结构的应力分析是一个经典的问题,有很多研究者对薄膜/基体结构的失配应力、曲率以及它们之间的关系进行了详尽的分析。本文给出了薄膜/基底结构在非均匀局部表面热载荷作用下的温度和应力分布的基本解,并得到了广义Stoney公式来描述薄膜/基底结构在非均匀温度下的应力和曲率之间的关系。 展开更多
关键词 薄膜/结构 失配应力 非均匀热载荷 Stoney公式
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超弹性薄膜与可压缩基底双层结构表面失稳分析 被引量:6
8
作者 黄春阳 唐山 彭向和 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2017年第4期758-762,共5页
当上层超弹性硬质薄膜和下层可膨胀基底构成的双层结构受压时,薄膜的自由表面可通过形成褶皱降低系统能量.研究表明,上下两层的模量比不同时,上层弹性硬质薄膜将表现出不同的表面失稳模式.本文提出了一种新颖的方法可有效抑制双层软材... 当上层超弹性硬质薄膜和下层可膨胀基底构成的双层结构受压时,薄膜的自由表面可通过形成褶皱降低系统能量.研究表明,上下两层的模量比不同时,上层弹性硬质薄膜将表现出不同的表面失稳模式.本文提出了一种新颖的方法可有效抑制双层软材料的表面失稳,即改变基底材料的泊松比,这种方法同时适用于不具有应变硬化的软材料.首先基于Neo-Hookean模型发展了小变形条件下双层结构表面失稳的理论模型,通过半解析的方法得到了表面失稳的临界应变;然后通过有限元计算与模拟,进一步验证了负泊松比基底可延缓表面失稳.结果表明:(1)当双层结构基底泊松比为正且趋于0.5(不可压缩)时,双层结构在较小的压缩应变下出现表面失稳;(2)当基底的泊松比为负且趋于-1时,可被压缩至46%而不出现表面失稳,即可膨胀基底能有效抑制薄膜的表面失稳.本文发展的方法及主要结果可为延展性电子器件的设计提供指导. 展开更多
关键词 薄膜--结构 表面失稳 负泊松比 可延展性电子
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非共面薄膜-基底结构多层封装及延展性分析 被引量:1
9
作者 李正伟 陶伟明 《浙江大学学报(工学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第6期1143-1147,共5页
为减小柔性电子中非共面薄膜-基底结构因封装而导致的延展性下降,提出一种多层封装结构形式,并对其延展性进行了研究.通过对薄膜上下表面附近采用不同力学特性的聚二甲基硅氧烷(PDMS),形成层状封装结构.在将薄膜及其上下封装层简化为复... 为减小柔性电子中非共面薄膜-基底结构因封装而导致的延展性下降,提出一种多层封装结构形式,并对其延展性进行了研究.通过对薄膜上下表面附近采用不同力学特性的聚二甲基硅氧烷(PDMS),形成层状封装结构.在将薄膜及其上下封装层简化为复合梁的拉-弯组合变形问题的基础上,采用有限元法计算了上下封装层的厚度、弹性模量等相关参数对结构整体延展性的影响.计算结果表明:上封装层弹性模量减小、厚度增加有利于改善延展性;下封装层的弹性模量适度高于基本封装材料且厚度合适的情况下可较大幅度提高结构延展性,而若弹性模量过高或厚度过大则可导致延展性的大幅下降.该多层封装结构设计和分析结果对于优化柔性电子器件结构具有参考和指导意义. 展开更多
关键词 薄膜-结构 柔性电子 多层封装 延展性 有限元法
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有限尺寸硬薄膜/软基底的屈曲分析 被引量:1
10
作者 黄杰雄 国凤林 《力学季刊》 CSCD 北大核心 2017年第2期251-260,共10页
附着在柔软基体之上的硬薄膜,在受轴向压缩超过临界值时会发生屈曲,在表面产生褶皱.根据Kirchhoff-Love板理论和最小势能原理,分析了有限尺寸薄膜/无限大基底结构的几何尺寸及材料常数对屈曲行为的影响.结果表明临界屈曲应变随薄膜泊松... 附着在柔软基体之上的硬薄膜,在受轴向压缩超过临界值时会发生屈曲,在表面产生褶皱.根据Kirchhoff-Love板理论和最小势能原理,分析了有限尺寸薄膜/无限大基底结构的几何尺寸及材料常数对屈曲行为的影响.结果表明临界屈曲应变随薄膜泊松比或薄膜宽度的增大而增大;当薄膜长度较小时,临界屈曲应变随薄膜长度的改变而呈现振荡式变化,而当薄膜长度较大时,临界屈曲应变趋于定值.同时,薄膜泊松比的增大会导致褶皱幅值略微减小,但不改变幅值与波长之比;薄膜宽度的增加会使得褶皱幅值在沿宽度方向变化更明显;当外加应变较小时,褶皱幅值随弹性常数比的增大而增大,当外加应变较大时,褶皱幅值受弹性常数比的影响变得微弱. 展开更多
关键词 有限尺寸 薄膜基底结构 屈曲 褶皱
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内嵌弹性区和结合力模型在薄膜/基底界面断裂中的应用 被引量:1
11
作者 李然 余寿文 《复合材料学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2002年第3期98-104,共7页
薄膜 /基底结构是微电子学和材料科学中广泛应用的典型结构。由于加工工艺中材料力学、热学性能失配等原因导致的薄膜中出现的残余应力 ,是界面裂纹的萌生和扩展的重要原因。采用三参数 (Γ0 ,σ/ σy,t)的修正的断裂过程区结合力模... 薄膜 /基底结构是微电子学和材料科学中广泛应用的典型结构。由于加工工艺中材料力学、热学性能失配等原因导致的薄膜中出现的残余应力 ,是界面裂纹的萌生和扩展的重要原因。采用三参数 (Γ0 ,σ/ σy,t)的修正的断裂过程区结合力模型 ,讨论了在塑性氛围下裂尖解理断裂的过程 ,裂尖应力分布 ,裂尖形貌和表征裂纹尖端断裂过程区特征参数对断裂过程的影响 ,并应用到均质金属薄膜 展开更多
关键词 内嵌弹性区 结合力模型 薄膜/结构 界面继裂 材料科学 复合材料 残余应力
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各向异性硬质薄膜/柔软基底系统的表面屈曲分析
12
作者 陈智轩 国凤林 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第10期276-285,共10页
目的研究有限尺寸矩形正交各向异性薄膜/基底系统在单向压缩下的表面屈曲。方法采用Kirchhoff-Love薄板理论和von Kármán板理论分析了临界应变和后屈曲形貌演化,考察了材料的各向异性性质及薄膜的几何参数对表面屈曲行为的影... 目的研究有限尺寸矩形正交各向异性薄膜/基底系统在单向压缩下的表面屈曲。方法采用Kirchhoff-Love薄板理论和von Kármán板理论分析了临界应变和后屈曲形貌演化,考察了材料的各向异性性质及薄膜的几何参数对表面屈曲行为的影响。结果一般来说,薄膜/基底系统的初始屈曲总是对应于多个波峰,在薄膜长度相同的条件下,薄膜宽度的改变可以影响波峰的数目。在薄膜的各向异性性质特别强烈的时候,薄膜/基底结构表现出一些显著的特点。其中之一是在外加应变超过临界应变之后,边缘幅值随着薄膜宽度的增大而增大,而中心幅值则急剧减小。结论中心和边缘幅值的差距越来越大,最终导致薄膜后屈曲形貌幅值在宽度方向上的巨大差异,并预示随着外加应变的逐渐增大,宽度方向可能演变出其他的屈曲模式。 展开更多
关键词 薄膜/结构 表面屈曲 正交各向异性薄膜 临界屈曲应变 屈曲形貌
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曲率测量技术在微机电系统薄膜残余应力测量中的应用 被引量:7
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作者 虞益挺 苑伟政 乔大勇 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第3期78-81,共4页
在比较曲率测量技术常用的Stoney公式及其修正式的基础上,利用有限元分析方法,建立薄膜/基底结构的有限元模型,给出一种薄膜残余应力的等效施加方法,从两个方面详细分析并对比这两个公式在微机电系统(Micro electromechanical systems,M... 在比较曲率测量技术常用的Stoney公式及其修正式的基础上,利用有限元分析方法,建立薄膜/基底结构的有限元模型,给出一种薄膜残余应力的等效施加方法,从两个方面详细分析并对比这两个公式在微机电系统(Micro electromechanical systems,MEMS)薄膜残余应力测量中的检测精度。仿真及分析结果表明,修正后的Stoney公式在很大程度上提高薄膜残余应力的测量精度,使曲率测量技术的适用范围得到较大扩展。但是当薄膜厚度接近于基底厚度或结构处于大变形状态下,修正式的计算精度也将受到较大影响,此时可以采用有限元分析方法来获得临界状态值,以提高残余应力的检测精度。同时,通过有限元分析,证实曲率测量技术应用中存在的另一个问题,即曲率的空间分布不均匀性现象。 展开更多
关键词 曲率测量技术 微机电系统 薄膜残余应力 薄膜/结构 有限元分析
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弹性薄膜裂纹的应力强度因子分析 被引量:3
14
作者 刘宝良 阎龙海 刘彦彬 《黑龙江科技学院学报》 CAS 2005年第6期355-357,共3页
对裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端达到了交界面的情形进行分析。基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜—基底结构的断裂机理,得到了薄膜与基底的不同弹性错配及不同厚度比率对薄膜裂... 对裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端达到了交界面的情形进行分析。基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜—基底结构的断裂机理,得到了薄膜与基底的不同弹性错配及不同厚度比率对薄膜裂纹的应力强度因子的影响。结果表明:对于β=0和β=α/4的条件下,应力强度因子的幅值随着α值(-1<α<+1)的增大而减小,其误差小于5%。 展开更多
关键词 薄膜-结构 裂纹 应力强度因子 有限元方法
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双材料结构无弹性错配时SIF分析 被引量:1
15
作者 刘宝良 毕贤顺 孙立红 《黑龙江科技学院学报》 CAS 2006年第3期152-155,共4页
针对双材料(薄膜—基底)结构应力强度因子分析过渡到单一材料时,产生较大误差,对原有计算公式进行了修正。结果表明,对深裂纹问题,修正后的计算公式与原有的单一材料结论吻合较好。这为实验研究及理论分析提供了一定的参考。
关键词 薄膜-结构 裂纹 应力强度因子
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微电子机械系统的几个力学问题 被引量:9
16
作者 余寿文 《机械强度》 EI CAS CSCD 北大核心 2001年第4期380-384,共5页
讨论微电子机械系统 (MEMS)的三个力学问题 :( 1)微系统界面区域的力学性质。 ( 2 )薄膜—基底结构界面的裂纹扩展。 ( 3)微机械的弹塑性—粘着接触力学。文中在简述了研究现状后 ,简要地报导了作者及其合作者对上述三个问题的研究结果。
关键词 微电子机械系统 办学界面 薄膜基底结构 弹塑性-粘着接触力学 裂纹扩展
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膜-基结构光热敏感凝胶膜起皱临界波长与临界应力分析 被引量:1
17
作者 颜慧贤 魏茂金 姚豪杰 《高分子通报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第5期51-58,共8页
粘附于弹性基底的光热敏感凝胶薄膜-基底结构广泛应用于微机械、生物传感器和促动器等领域。当光强或温度变化时,光热响应凝胶膜发生溶胀,由于基底的限制作用,凝胶膜中存在的压应力可能使凝胶膜发生起皱失稳。基于光热敏感凝胶溶胀大变... 粘附于弹性基底的光热敏感凝胶薄膜-基底结构广泛应用于微机械、生物传感器和促动器等领域。当光强或温度变化时,光热响应凝胶膜发生溶胀,由于基底的限制作用,凝胶膜中存在的压应力可能使凝胶膜发生起皱失稳。基于光热敏感凝胶溶胀大变形理论与冯卡门几何非线性薄板理论,本文对膜-基结构光热敏感凝胶膜起皱失稳机理进行分析,计算了不同光强、温度、溶剂化学势及刚度系数条件下凝胶膜起皱的临界波长和临界应力。结果表明:当环境的光强和温度相同时,溶剂的化学势越大,光热敏感凝胶膜起皱的临界应力越大;当溶剂的化学势相同时,环境的光强越强,温度越高,临界应力越大;在环境温度和光强相同的情况下,光热敏感凝胶膜-基底结构的刚度系数越小,起皱时的临界波长越大;在刚度系数相同的情况下,环境温度越低,光强越弱,起皱临界波长越小。 展开更多
关键词 光热敏感凝胶 薄膜-结构 起皱 临界波长 临界应力
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Microstructures and magnetic properties of [SiO_2/FePt]_5/Ag thin films 被引量:2
18
作者 范九萍 许小红 +2 位作者 江凤仙 田宝强 武海顺 《Journal of Central South University of Technology》 EI 2008年第1期11-14,共4页
[SiO2/FePt]5/Ag thin films were deposited by RF magnetron sputtering on the glass substrates and post annealing at 550 ℃ for 30 min in vacuum. Vibrating sample magnetometer and X-ray diffraction analyser were applied... [SiO2/FePt]5/Ag thin films were deposited by RF magnetron sputtering on the glass substrates and post annealing at 550 ℃ for 30 min in vacuum. Vibrating sample magnetometer and X-ray diffraction analyser were applied to study the magnetic properties and microstructures of the films. The results show that without Ag underlayer [SiO2/FePt]5 films deposited onto the glass are FCC disordered; with the addition of Ag underlayer [SiO]FePt]5/Ag films are changed into L10 and (111) mixed texture. The variation of the SiO2 nonmagnetic layer thickness in [SiO2/FePt]5/Ag films indicates that SiO2-doping plays an important role in improving the order parameter and the perpendicular magnetic anisotropy, and reducing the grain size and intergrain interactions. By controlling SiO2 thickness the highly perpendicular magnetic anisotropy can be obtained in the [SiO2 (0.6 nm)/FePt (3 nm)]5/Ag (50 nm) films and highly (001)-oriented films can be obtained in the [SiO2 (2 nm)/FePt (3 nm)]5/Ag (50 nm) films. 展开更多
关键词 [SiO2/FePt]5 multilayer films SiO2-doping Ag underlayer (001) orientation
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