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MEMS微尺度有序增强复合材料的制备及力学性能表征

作　者: 张振杰
导　师: 赵小林；汪红
学　校: 上海交通大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: MEMS ANSYS 有序增强复合材料微尺度微加工
分类号: TB33
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着科技和生产的需要，MEMS(Micro Electro-MechanicalSystems)技术得到进一步的发展，MEMS中微器件应用的环境越来越复杂，新形势MEMS微器件对其制备材料提出了新的要求。但是无论是传统的MEMS硅材料，还是近几年兴起的非硅MEMS材料都无法同时满足新要求，为顺应MEMS技术的发展和MEMS微器件的制备和应用，有必要探索和研发不同于已有的MEMS材料的材料。相比于上述材料，性能具有可设计性的复合材料为解决MEMS结构材料面临的新问题提供了可能性。基于复合材料学已成熟的理论和现有实验条件，针对MEMS微器件对其结构材料提出的新要求，我们提出复合材料的解决方案，选择综合力学性能良好的电镀镍丝作为复合材料的增强体，物化性能稳定的电泳聚合物丙烯酸聚氨酯作为复合材料的基体；ANSYS仿真的结果表明三明治型、填充型和包裹型三种不同复合模型中包裹型复合材料模型中基体的包裹能够有效地缓解增强体上的应力集中，相同条件下，能够承受更大的应力；电镀镍丝增强体的整体构型对复合材料性能的影响要大于增强体体积含量和尺寸对复合材料性能的影响。以仿真结果为依据，设计了四种不同增强体形状的包裹型复合材料，通过典型的微加工工艺制备整体形状为有序网状的电镀镍丝增强体,采用电泳技术实现电泳聚合物丙烯酸聚氨酯基体与电镀镍丝增强体包裹型复合目的;最终得到纤维包裹型、六边形包裹型、圆形包裹型和四边形包裹性四种复合材料。DMA准静态微拉伸结果表明,经过包裹型复合材料的性能都有不同地提高,电泳聚合物基体材料的平均抗拉强度(σb)、应变(ε)和杨氏模量(E)分别只有51.63MPa、4.024%和1.528GPa;而纤维包裹型复合材料的σb、ε和E分别为125.04MPa、4.257%和5.991GPa,三项参数分别是复合前的2.42倍、1.06倍和3.9倍;六边形包裹型复合材料的σb、ε和E分别为125.6MPa、3.791%和6.035GPa,在应变下降了0.233%代价下,其他两项参数分别是复合前的2.45倍和3.95倍;圆形包裹型复合材料σb、ε和E分别为151.7MPa、3.242%和5.289GPa,在应变下降了0.728%代价下,其他两项参数分别是复合前的2.94倍和3.46倍;四边形包裹型复合材料σb、ε和E分别为284.4MPa、3.518%和6.838GPa,形变下降了0.506%代价下,其他两项参数分别是复合前的4.5倍和3.48倍。应力-应变曲线(σ-ε)和SEM电镜照片的观察表明,这类包裹型复合材料断裂都会经历电泳聚合物基体先断裂,随后电镀镍丝增强体发生不同程度的应力集中,发生不同程度的塑性变形后断裂,最终导致复合材料断裂失效。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-20
  1.1 MEMS 简介  10-13
    1.1.1 MEMS 的概念和特征  10-11
    1.1.2 MEMS 的主要加工技术  11-12
    1.1.3 MEMS 的典型应用  12
    1.1.4 MEMS 发展前景  12-13
  1.2 MEMS 结构材料  13-15
    1.2.1 传统的MEMS 结构材料  14
    1.2.2 新型的MEMS 结构材料  14-15
  1.3 复合材料  15-16
  1.4 本课题研究的主要意义和内容  16-18
    1.4.1 研究意义  16-17
    1.4.2 研究内容  17-18
  1.5 本章小结  18
  参考文献  18-20
第二章微尺寸有序复合材料拉伸试样的设计与仿真  20-37
  2.1 微尺寸有序复合材料的设计  20-23
    2.1.1 组分材料  20-21
    2.1.2 复合材料的界面结合  21-23
  2.2 微尺寸有序复合材料拉伸试样模型  23-26
    2.2.1 三明治型模型  24
    2.2.2 填充型模型  24-25
    2.2.3 包裹型模型  25-26
  2.3 微尺寸有序复合材料的拉伸仿真  26-35
    2.2.1 不同复合模型仿真  27-28
    2.2.2 增强体的仿真  28-35
  2.4 本章小结  35
  参考文献  35-37
第三章微结构有序复合材料拉伸试样的制备工艺  37-49
  3.1 增强体制备的基本工艺  37-39
    3.1.1 光刻  37-38
    3.1.2 溅射  38-39
    3.1.3 电镀  39
  3.2 基体电泳的工艺研究  39-44
    3.2.1 电泳沉积的基本原理  40-42
    3.2.2 工艺条件对电泳聚合物性能的影响  42-44
  3.3 微结构有序复合材料试样制备工艺  44-47
    3.3.1 电泳聚合物材料拉伸试样的设计  44
    3.3.2 电泳聚合物材料拉伸试样的制备工艺  44-45
    3.3.3 复合材料拉伸试样的制备工艺  45-46
    3.3.4 四种复合材料拉伸试样  46-47
  3.4 本章小结  47-49
第四章微尺寸有序复合材料的性能表征  49-59
  4.1 电泳聚合物的力学性能  49-51
  4.2 三明治包裹型复合材料性能表征  51-53
  4.3 六边形包裹型复合材料性能表征  53-55
  4.4 圆形包裹型复合材料性能表征  55-56
  4.5 四边形包裹型复合材料性能表征  56-58
  4.6 本章小结  58-59
第五章总结与展望  59-62
  5.1 主要研究内容和结论  59-60
  5.2 主要创新点  60
  5.3 展望与下一步研究设想  60-62
致谢  62-63
攻读学位期间发表的学术论文和专利  63-66
附件  66

MEMS微尺度有序增强复合材料的制备及力学性能表征

内容摘要

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