薄膜力学性能解析
薄膜材料物理-薄膜的力学性质
塑性变形机制
屈服强度是描述材料抵抗塑性变形能力的物理量，当外力达到屈服强度时，材料开始发生不可逆的塑性变形。
应力-应变曲线是描述材料在受力过程中应力与应变关系的曲线，通过该曲线可以确定材料的弹性模量和屈服强度等力学性能参数。
屈服强度与应力-应变曲线
应力-应变曲线
屈服强度
塑性形变对薄膜物理性能的影响
断裂表面形貌与机理
温度对薄膜的力学性能产生影响，低温下材料脆性增大，高温下材料韧性增强。
温度
湿度
加载速率
湿度对薄膜材料的力学性能产生影响，湿度过高可能导致材料吸湿膨胀，降低力学性能。
加载速率越快，材料吸收的能量越少，断裂强度越低。
03
02
01
பைடு நூலகம்
环境因素对薄膜断裂性质的影响
05
薄膜的疲劳性质
薄膜在循环应力作用下，经过一段时间后发生断裂的现象。
屈服强度
断裂强度是描述材料在受到外力作用时发生断裂行为的应力值，对于薄膜材料，其断裂强度也是衡量其力学性能的重要参数之一。
断裂强度
薄膜的力学性能参数
02
薄膜的弹性性质
弹性模量
是指材料在受到外力作用时，单位面积上产生的正应力与应变之比，是衡量材料抵抗弹性变形能力的物理量。对于薄膜材料，其弹性模量决定了材料在受力时的刚度和变形程度。
疲劳现象
循环应力导致薄膜内部产生微裂纹，裂纹逐渐扩展导致薄膜断裂。
疲劳机理
循环应力的幅值、频率、温度、薄膜材料的性质等。
影响因素
疲劳现象与机理
疲劳寿命预测与实验验证
疲劳寿命预测
基于疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅值，预测薄膜的疲劳寿命。
实验验证
通过实验测试薄膜的疲劳寿命，与预测结果进行对比，评估预测模型的准确性。
薄膜材料的力学行为与性能优化
薄膜材料的力学行为与性能优化薄膜材料是一种在工业和科学研究中广泛应用的材料，具有独特的力学行为和性能。
力学行为是指材料在外力作用下的变形和破坏规律，而性能则是指材料在特定条件下的使用效果和可靠性。
本文将探讨薄膜材料的力学行为以及如何优化其性能。
首先，薄膜材料的力学行为与其厚度密切相关。
薄膜材料由于其厚度较小，表面积较大，因此在外力作用下更容易发生变形和破坏。
例如，金属薄膜在受到拉伸力时，由于其原子间距较大，容易出现滑移和塑性变形，导致薄膜的延展性较好。
而陶瓷薄膜则由于其原子间距较小，容易出现断裂和脆性破坏。
因此，针对不同类型的薄膜材料，需要采取不同的力学行为优化策略，以提高其力学性能。
其次，薄膜材料的力学行为还与其组织结构和晶体结构密切相关。
薄膜材料的组织结构可以通过控制制备工艺来调控，例如沉积温度、沉积速率等。
晶体结构则可以通过控制材料的成分和晶格缺陷来调控。
通过优化组织结构和晶体结构，可以改变薄膜材料的晶界强化效应、位错强化效应等，从而提高其力学性能。
例如，通过控制沉积温度和沉积速率，可以得到具有较高晶界密度和较小晶粒尺寸的薄膜材料，从而提高其抗拉强度和硬度。
此外，薄膜材料的力学行为还与其表面处理和界面结合方式密切相关。
薄膜材料的表面处理可以通过化学处理、离子注入等方法来实现。
界面结合方式可以通过选择合适的衬底材料、控制沉积工艺等来实现。
通过优化表面处理和界面结合方式，可以改善薄膜材料的界面结合强度和界面应力传递效果，从而提高其力学性能。
例如，通过在薄膜材料表面形成一层氧化膜，可以提高其抗腐蚀性能和界面结合强度。
最后，薄膜材料的性能优化还需要考虑其力学行为与其他性能指标的综合关系。
例如，薄膜材料的力学性能与其光学性能、电学性能等密切相关。
在实际应用中，需要综合考虑薄膜材料的各项性能指标，以满足特定的使用需求。
例如，在太阳能电池中，需要选择具有较高光吸收率和较好光电转换效率的薄膜材料，以提高太阳能的利用效率。
薄膜结构的动力学特性研究
薄膜结构的动力学特性研究薄膜结构是指其厚度相对于其它尺寸而言非常薄的结构，它具有独特的力学性质和动态响应特性。
对薄膜结构的动力学特性进行系统研究，不仅可以深入理解其力学行为，而且对于各种领域的应用有着重要的意义。
本文将重点讨论薄膜结构的动力学特性以及相关的研究进展。
一、薄膜结构的力学特性薄膜结构的力学特性主要包括弹性性质、塑性行为和断裂机理等方面。
由于薄膜结构的尺寸特别小，使得其受力行为呈现出与传统材料不同的特点。
例如，薄膜结构的弹性模量与厚度呈反比关系，而且由于表面固有应力等因素的影响，其弹性性质可能与材料的体相不同。
此外，薄膜结构在塑性变形过程中也有着独特的性质，尤其是当其尺寸降至纳米尺度时，其塑性行为和变形机制表现出与体相材料截然不同的行为。
二、薄膜结构的振动特性薄膜结构的振动特性是研究其动力学行为的重要方面。
由于尺寸的限制和表面效应的影响，薄膜结构的振动模式和频率常常与宏观尺寸材料不同。
通过研究薄膜结构的振动模态、频率响应和阻尼特性，可以揭示材料的力学性质和表面效应对其动力学行为的影响。
三、薄膜结构的变形行为薄膜结构的变形行为在微纳制造、应力传感器等领域具有广泛的应用。
其变形行为既受到加载方式的影响，也受到尺寸效应和材料参数等因素的制约。
通过研究薄膜结构的变形行为，可以了解其力学性能和微观结构的相互关系，从而为相关领域的设计和应用提供理论依据。
四、薄膜结构的动态响应薄膜结构在受到外界激励时，具有独特的动态响应特性。
例如，当薄膜结构受到热激励或电激励时，会出现热膨胀或压电效应导致的形状变化。
此外，薄膜结构还具有动态压电耦合效应、声子振动等特性，这些现象对于薄膜结构在能量转换、传感器等方面的应用具有重要意义。
总结：薄膜结构的动力学特性是一个复杂而富有挑战性的研究领域。
通过对其力学特性、振动特性、变形行为和动态响应的深入研究，可以为薄膜结构的设计和应用提供更加准确的理论基础。
未来的研究工作应当继续深入探索薄膜结构的动力学行为，并结合实际应用需求，不断拓展其在微纳器件、能源和传感器等领域的应用前景。
薄膜力学性能资料
th f TsTdT
(4.22)
根据Hooke’s定律，应力为
th
E
1 f
th
(4.23)
18
薄膜—基底体系中由于晶格常数失配在薄膜中产生的内 应力由Hoffman的晶界松弛模型得到
i
1
Ef
f
xa a
1
Ef
f
Lg
(4.24)
式中 a为薄膜材料为无残余应力时的晶格常数， x 为a由于
详细推导过程见流程图2。
15
表4.1 式(4.21)中对应于hg /R 的系数
16
17
图2 根据p-h 曲线确定应力－应变关系的流程图
4.2 薄膜的残余应力
一、残余应力的来源
通常认为，薄膜中的残余应力分为热应力和内应力两种 。
热应力是由于薄膜和基底材料热膨胀系数的差异引起的， 所以也称为热失配应力。热应力对应的弹性应变为
3
分类
脆性薄膜
按
脆性基底
力
学
性
质 分
脆性基底
韧性薄膜 韧性基底
4
4.1 薄膜的弹性性能
一、薄膜的弹性常数
弹性模量是材料最基本的力学性能参之一，由于 薄膜的某些本质的不同之处，其弹性模量可能完全不 同于同组分的大块材料。
5
三点弯曲
如图所示，加载和挠度的测量均在两支点中心位置，
对称压头载荷与压头深度之间的弹性解析分析，其结果
为
S dP dh
2
Er
A
(4.4)
这里，h为压头的纵向位移，S dP为d试h 验载荷曲线的薄
膜材料刚度， 是压A头的接触面积。
8
Er 为约化弹性模量
1
8 薄膜力学性能
薄膜力学性能
沈杰 复旦大学材料科学系
薄膜力学性能
附着力 薄膜厚度一般小于1微米，本身的机械强度导致其无法单独存在， 总要附着在各种基片上。 薄膜与基片之间的附着性能直接影响到薄膜的各种性能。 附着性差，薄膜无法使用。 应力 在制作过程中，薄膜结构受到工艺条件影响很大，薄膜内部因此 而产生一定的应力。 基片材料与薄膜材料之间热膨胀系数不同，也会使薄膜产生应力。 过大的内应力将使薄膜卷曲和开裂，导致失效。 硬度
复旦大学材料科学系
薄膜材料与器件
本征应力
热应力 本征应力：薄膜形成过程中由于缺陷等原因而引起的内应力。 本征应力与薄膜厚度有关。在薄膜厚度很薄时(10nm以下) ，构成薄膜 的小岛互不相连，即使相连也呈网状结构，此时的内应力较小。随着 膜厚的增加，小岛相互连接，由于小岛之间晶格排列的差异以及小孔 洞的存在，使内应力迅速增大，并出现最大值。膜厚进一步增加，并 形成连续膜时，膜中不再有小孔洞存在，此时应力减小并趋于稳定值。
复旦大学材料科学系
薄膜-基片界面
简单附着 (突变界面 )：薄膜与基片之间存在清 楚的分界面，相互作用为范德瓦尔斯力 扩散附着 (扩散界面 )：在薄膜和基片之间通过 基片加热、离子注入、离子轰击等方法实现原 子的互扩散，形成一个渐变界面，使薄膜与基 片的接触面积明显增加，附着力相应增加。 中间层附着 (复合界面 )：薄膜与基片之间形成 化合物中间层，薄膜通过中间层与基片形成牢 固的附着。 宏观效应附着： 机械锁合：基片表面的微观的凹凸、微孔 或微裂缝。在沉积薄膜时，部分原子进入 凹凸之中或微孔、微裂缝中，增加附着力。 双电层吸引：两种功函数不同的材料互相 接触时会发生电子转移，在界面两边聚集 起电荷，形成双电层，具有静电吸引能。 复旦大学材料科学系
薄膜材料的力学行为和应力分析
薄膜材料的力学行为和应力分析薄膜材料是一种在实际生活中广泛应用的材料，它具有轻薄、柔软、透明等特点，被广泛应用于电子产品、光学器件、医疗器械等领域。
薄膜材料的力学行为和应力分析对于材料的设计和应用具有重要意义。
薄膜材料的力学行为是指在外力作用下，薄膜材料发生的形变和变形。
由于薄膜材料的厚度相对较小，所以其力学行为与传统的块体材料有所不同。
首先，薄膜材料的弯曲刚度较大，即在外力作用下，薄膜材料发生弯曲变形的能力较强。
其次，薄膜材料的拉伸和压缩性能较差，容易发生撕裂和破坏。
此外，薄膜材料的表面张力也会影响其力学行为，使其在表面上形成一定的应力分布。
对于薄膜材料的力学行为进行应力分析是十分重要的。
应力分析可以帮助我们了解薄膜材料在外力作用下的变形情况，从而指导材料的设计和应用。
在薄膜材料的应力分析中，常用的方法有力学模型法和有限元分析法。
力学模型法是一种基于物理原理和假设的分析方法。
通过建立适当的力学模型，可以计算出薄膜材料在不同应力状态下的应力分布和变形情况。
常用的力学模型有薄板理论、弹性薄膜理论等。
薄板理论假设薄膜材料在平面内的应力分布均匀，可以用平面应力或平面应变假设进行分析。
弹性薄膜理论则考虑了薄膜材料的弯曲和拉伸性能，可以更精确地描述薄膜材料的力学行为。
有限元分析法是一种数值计算方法，通过将薄膜材料划分为有限个小单元，建立数学模型，并利用计算机进行模拟计算，得到薄膜材料在不同应力状态下的应力分布和变形情况。
有限元分析法可以考虑薄膜材料的非线性和非均匀性，能够更精确地模拟和分析薄膜材料的力学行为。
在实际应用中，薄膜材料的力学行为和应力分析对于材料的设计和应用具有重要意义。
例如，在电子产品中，薄膜材料常用于制作柔性电路板和触摸屏等部件。
对于这些部件的设计和制造，需要考虑薄膜材料在外力作用下的弯曲和变形情况，以确保其正常工作和可靠性。
此外，在光学器件和医疗器械中，薄膜材料的力学行为和应力分析也会影响其光学性能和使用寿命。
3-第三讲--薄膜材料物理--第二章薄膜的力学性质
⑥淀积气氛对薄膜附着力的影响 淀积初期→氧和水蒸气分压→氧化膜中间层→附着↑ 淀积初期→氧和水蒸气分压→氧化膜中间层→附着↑
第三讲 第二章 薄膜的力学性质
§2.2 附着力的测试方法 机械方法数种如下： 机械方法数种如下： 条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、 ）、引拉法 条带法（剥离法）、引拉法（直接法）、 划痕法、 推倒法、摩擦法、扭曲法、 划痕法、 推倒法、摩擦法、扭曲法、 离心法、超声法、振动法等。 离心法、超声法、振动法等。 2.2.1 条带法 三种可能： 三种可能： ①薄膜随附着带全部从基片上剥离下来； 薄膜随附着带全部从基片上剥离下来； 仅部分剥离下来； ②仅部分剥离下来； 未剥离→说明薄膜附着好→ ③未剥离→说明薄膜附着好→定性测量
第三讲 第二章 薄膜的力学性质
扩散附着—由两个固体间相互扩散或溶解而导致 ②扩散附着 由两个固体间相互扩散或溶解而导致 在薄膜和基片间形成一个渐变界面。 在薄膜和基片间形成一个渐变界面。 实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、 实现扩散方法：基片加热法、离子注入法、 离子轰击法、电场吸引法。 离子轰击法、电场吸引法。 基片加热法：加温曲线（工艺） 基片加热法：加温曲线（工艺） 离子轰击法：先在基片上淀积一层薄20 30nm） 20离子轰击法：先在基片上淀积一层薄20-30nm） 金属膜，再用高能（100KeV） 金属膜，再用高能（100KeV）氩离子对 它进行轰击 实现扩散 再镀膜 电场吸引法： 电场吸引法：在基片背面镀上导体 加电压 吸离子 溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢， 溅射镀膜比蒸发镀膜附着牢，因为溅射粒子动 扩散。 能大 扩散。
r 2 − a2
π r2P −W
•单位面积的剥离能 单位面积的剥离能: 单位面积的剥离能
E=
薄膜物理与技术-7 薄膜的物理性质--(1) 薄膜的力学性质
解决方法：基片清洗→去掉污染层（吸附层使基片 表面的化学键饱和，从而薄膜的附着力差）→提高 附着性能。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
②提高基片温度 提高温度,有利于薄膜和基片之间原子的相互扩散 →扩散附着有利于加速化学反应形成中间层 →中间层附着 须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
薄膜物理与技术
第七章 薄膜的物理性质
宋春元 材料科学与工程学院
第七章 薄膜的物理性质
概述
由于薄膜材料的不同，各种薄膜(如金属膜、 介质膜、半导体膜等)都有各自不同的性质。了解 薄膜的力学、电学、光学、热学及磁学性质， 对薄膜的应用有着十分重要的意义。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力 薄膜附着的类型
薄膜的附着可分为四种类型： （a）简单附着 （b）扩散附着 （c）通过中间层附着 （d）宏观效应附着等。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质--7.1.1 薄膜的附着力
附着的四种类型示意图(图7-1)
简单附着
第七章 薄膜的物理性质-之薄膜的力学性质
7.1.2 薄膜的内应力--内应力的成因
(相转移效应
在薄膜形成过程中发生的相转移是从气相到固相 的转移。在相转移时一般都发生体积的变化。这是形 成内应力的一个原因。 Ga膜在从液相到固相转移时体积发生膨胀，形成 的内应力是压缩应力。 Sb（锑）膜在常温下形成时为非晶态薄膜。当厚 度超过某一个临界值时便发生晶化。这时体积发生收 缩，形成的内应力为张应力。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
19
二、残余应力的测量
1. Stoney公式
在薄膜残余应力的作用下，基底会发生挠曲，这
种变形尽管很微小，但通过激光干涉仪或者表面轮廓
仪，能够测量到挠曲的曲率半径。基底挠曲的程度反
映了薄膜残余应力的大小，Stoney给出了二者之间的
3
分类
脆性薄膜
按
脆性基底
力
学
性
质 分
脆性薄膜
类
韧性基底
韧性薄膜 脆性基底
韧性薄膜 韧性基底
4
4.1 薄膜的弹性性能
一、薄膜的弹性常数
弹性模量是材料最基本的力学性能参之一，由于 薄膜的某些本质的不同之处，其弹性模量可能完全不 同于同组分的大块材料。
5
三点弯曲
如图所示，加载和挠度的测量均在两支点中心位置，
2
y
2bdy
hs 2
hs 2h f
I f y2bdy
hs 2
(4.3)
实验中测出载荷增量与中心挠度增量的关系曲线（近似 线性），求出其斜率，用(4.1)式求出薄板的抗弯刚度，若基 体弹性模量已知，则利用(4.2)式可求得薄膜的弹性模量。
7
压痕法
纳米压痕技术可用以测定薄膜的硬度、弹性模量以
及薄膜的蠕变行为等，其理论基础是Sneddon关于轴
详细推导过程见流程图2。
15
表4.1 式(4.21)中对应于hg /R 的系数
16
17
图2 根据p-h 曲线确定应力－应变关系的流程图
4.2 薄膜的残余应力
一、残余应力的来源
通常认为，薄膜中的残余应力分为热应力和内应力两种 。
热应力是由于薄膜和基底材料热膨胀系数的差异引起的， 所以也称为热失配应力。热应力对应的弹性应变为
对(4.17)式进行量纲分析，得
P
r
h
2
1
E
r r
, n,
h R
给定 h和 R，式(4.18)可化为
Pg
r
hg
2
1
Er
r
, n
无量纲函数的表达式为
(4.18) (4.19)
1
E
r r
C1
ln
3
E
r r
C2
ln
2
Er
r
C3
ln
E
r r
C4
(4.21)
式中，系数C1 ，C2 ，C3 ，C4 是与hg /R 值相关量，详见表4.1。
量和泊松比。被测试材料的硬度值定义为
H Pmax A
(4.6)
当 A、 dP和dh 确P定ma后x ，可利用式(4.4)、(4.5)和(4.6)分别
求出薄膜的弹性模量和硬度值。
9
二、薄膜的应力应变关系
1. 拉伸法
基体和薄膜的应力应变关系均满足：
s s
8Gs 1
s
s
s
Fs s
Ss
f f
th f TsTdT
(4.22)
根据Hooke’s定律，应力为
th
E
1 f
th
(4.23)
18
薄膜—基底体系中由于晶格常数失配在薄膜中产生的内 应力由Hoffman的晶界松弛模型得到
i
1
Ef
f
xa a
1
Ef
f
Lg
(4.24)
式中 a为薄膜材料为无残余应力时的晶格常数， x 为a由于
，硬化指 数y ，压痕深度n以及压头半径 。故 可表示R 为
P
P f E, v, Ei , vi , y , n, R, h
(4.15)
用约化杨氏模量 E即r
简化上式，得
亦可写为
P f Er , y , n, R, h
P f Er , r , n, R, h
(4.16) (4.17)
14
第四章 薄膜力学性能部分
1
第四章 薄膜的力学性能
4.1 薄膜的弹性性能 4.2 薄膜的残余应力 4.3 薄膜的断裂韧性 4.4 薄膜的硬度 4.5 薄膜的摩擦、磨损和磨蚀
2
定义
用物理的、化学的、或者其他方法，在 金属或非金属基体表面形成一层具有一定厚 度(小于10)m的不同于基体材料且具有一定的 强化、防护或特殊功能的覆盖层。
s f
根据(4.7)、(4.8)、(4.9)和(4.10)，得到
(4.10)
F sSs f S f
f
F
sSs
Sf
(4.11) (4.12) 11
2. 压痕法
对于大多数纯金属和合金材料来说，它们本身服从
幂指数强化模型。
E K
n
y y
(4.13)ห้องสมุดไป่ตู้
当 时y，流动应力也可表示成如下形式
对称压头载荷与压头深度之间的弹性解析分析，其结果
为
S dP dh
2
Er
A
(4.4)
这里，h为压头的纵向位移，S dP为d试h 验载荷曲线的薄
膜材料刚度， 是压A头的接触面积。
8
Er 为约化弹性模量
1
1
2 f
1i2
(4.5)
Er
Ef
Ei
其中的 E f、 E、i 、 f 分别 i为被测薄膜和压头的弹性模
两支点的跨距为 ，载L荷增量 与中心F挠度增量
的
关系为
z
hs 2
hf
z hs
2
F 48 S
L3
(4.1)
z0
S 为薄板抗弯刚度。
z hs
L
2
6
单面镀膜的膜基复合薄板的抗弯刚度 S为
S EsIs E f I f
(4.2)
式中I和s I分f 别是基体部分和薄膜部分对 轴z的惯性矩，
Is
hs
关系
f
E
1 s
t
2 s
6rt f
(4.26)
式中下标 f和 分s 别对应于薄膜和基底， 为t 厚度， 为r曲
率半径， 和 E分别是基底的弹性模量和泊松比。
20
Stoney公式广泛应用于计算薄膜的残余应力，但使用时 应明确该公式的适用范围， Stoney公式采取了如下假设
(1) t f 即t薄s 膜厚度远小于基低厚度。这一条件通常都能 被满足，实际情况下薄膜和基底厚度相差非常大。
8G f f 1 f
f
Ff f
Sf
(4.7) (4.8)
其中，F和 分S 别表示外加载荷和横截面积，下标 和 f
s 分别表示基体和薄膜的相关量。
10
基体和薄膜作为一个整体的试件在外加载荷 F作用下，分
别加载在基体和薄膜上
F Fs F f
(4.9)
在拉伸过程中，基体和薄膜没有剥落前，两者的变形一致
(2) E f 即E基s 底与薄膜的弹性模量相近。 (3) 基底材料是均质的、各向同性的、线弹性的，且基底
y
1
E
y
f
n
(4.14)
式中， 是f 超过屈服应变 的y 总的有效应变。 表示r 应力 ，定义为 时 的f 流动r 应力， 表示应变r 。
12
图1 幂指数应力－应变关系图
如何将压痕曲线与应力应变关系联系起来？
13
在压痕测试过程中，加载载荷不断增大，一旦材料发生
屈服，外载 P可视为下列独立参数的函数：材料的杨氏模 量 、E泊松比 ,压头的杨氏模量 、泊Ei松比 ， 屈i 服强度