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纳米薄膜在动态载荷下屈曲行为的实验研究

作　者: 孙衡
导　师: 王世斌
学　校: 天津大学
专　业: 固体力学
关键词: 薄膜 动载荷 动态屈曲 疲劳
分类号: O484.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 36次
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内容摘要


伴随着科技的发展,薄膜材料应用日益广泛。从家用电器到航空航天,薄膜材料的应用已经延伸到了人类社会的每一个角落。在许多仪器设备中,具有薄膜-基底结构的器件发挥着至关重要的作用,而薄膜-基底机构的失稳破坏会严重影响设备的性能和使用寿命。正因为如此,屈曲——这种薄膜材料中最常见的破坏形式近年来受到了越来越多科研工作者的关注。目前国内外对静态载荷下薄膜试件的屈曲研究,无论是理论还是实验研究都已经取得了很多可喜的成果,然而在实际生活中,具有薄膜结构的器件更多在工作在外部载荷不断变化的环境中,已有的静态载荷下屈曲问题的研究并不能完全解决动态加载下薄膜器件的屈曲问题,因而对动态载荷下薄膜屈曲行为的专门研究就有了重要的意义。在本论文中,以沉积在有机玻璃基底上的钛金属薄膜作为实验对象,对其进行动态加载并对其屈曲行为进行观察分析。实验中新引入整合了力-位移测量功能的基于PZT的动态疲劳性加载系统,实现了计算机控制下的不同频率、不同循环次数的加载并使用摄像机记录了屈曲的动态产生扩展过程,利用PZT的压电效应以及设备的自控能力,完成了对单个薄膜试件上万次的循环加载,记录了从无屈曲的薄膜表面到产生屈曲再到屈曲稳定的全过程;使用本课题组研制的冲击加载装置对薄膜试件进行冲击加载,针对不同冲击载荷、不同冲击次数等因素使用膜层厚度不同的薄膜试件进行了多组的对照试验,通过大量的试验,观察记录了冲击载荷作用下绝大多数较为典型的屈曲破坏情况,在此基础上通过分析对比,初步总结了薄膜在冲击载荷作用下屈曲破坏的规律,最后从应力波传播和能量释放率的角度分析了部分在试验中观察到的现象。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 绪论  7-13
  1.1 纳米薄膜研究背景及意义  7-8
  1.2 纳米薄膜研究的方法及国内外进展  8-11
    1.2.1 纳米薄膜的力学性能  8
    1.2.2 纳米薄膜力学问题的研究方法  8-9
    1.2.3 纳米薄膜的研究情况  9-11
  1.3 本文的主要工作  11-13
第二章 薄膜动态屈曲理论基础  13-24
  2.1 薄膜在动态载荷作用下的屈曲形式  13-17
    2.1.1 直线型屈曲  13-14
    2.1.2 电话线型屈曲  14-15
    2.1.3 圆泡形屈曲  15
    2.1.4 不同屈曲模式的相互转变  15-17
  2.2 动态屈曲的特点  17-18
  2.3 动态屈曲的判别准则  18-22
  2.4 初始缺陷的影响  22-24
第三章 实验设备的开发与研究  24-38
  3.1 膜基结构试件  24-25
  3.2 冲击力加载装置  25-27
    3.2.1 落锤冲击加载装置  25-26
    3.2.2 摆锤冲击加载装置  26-27
  3.3 薄膜试件疲劳实验设备  27-30
  3.4 图像采集系统  30-32
  3.5 传感器标研究  32-38
    3.5.1 力传感器  32-36
    3.5.2 位移传感器  36-38
第四章 薄膜试件在疲劳性加载条件下破坏的实验研究  38-50
  4.1 实验方案设计  38-41
    4.1.1 压电陶瓷快速响应特性研究  38-39
    4.1.2 加载方案  39-41
  4.2 薄膜试件疲劳加载下破坏试验观察  41-49
    4.2.1 周期性加载下膜层厚度对试件破坏影响研究  41-44
    4.2.2 加载频率及循环次数对薄膜结构破坏影响的研究  44-46
    4.2.3 疲劳加载循环次数对薄膜结构破坏情况研究  46-49
  4.3 小结  49-50
第五章 薄膜结构在动态冲击载荷下破坏的实验研究  50-70
  5.1 落锤冲击载荷下薄膜破坏情况及分析  50-61
    5.1.1 5cm高度下落锤冲击破坏试验研究  50-55
    5.1.2 30cm高度下落锤冲击破坏试验研究  55-61
  5.2 多次冲击下薄膜破坏情况及分析  61-67
    5.2.1 薄膜结构在多次大载荷冲击下的破坏  61-62
    5.2.2 多次小冲击载荷下薄膜结构破坏情况  62-67
  5.3 分析与小结  67-70
第六章 总结与展望  70-71
参考文献  71-73
发表论文和参加科研情况说明  73-74
致谢  74

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜中的力学效应
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