薄膜应力
薄膜应力理论的应用（可编辑）
薄膜应力理论的应用一、承受气体内压力壳体的薄膜应力1.经线应力σφrk? F?2r P d r2r? sinz k?12即 - 2? r P2 ?r?sin?k z k2- P R PRz 2 2 或22其中;-PPzrk R2sin8-2 薄膜应力理论的应用12 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力2.周向应力σθPP z 或?R RR R1 2 1 2?R2? 2?R1故承受内压的典型壳体的应力可以用此式代入R ,R 可以求出壳体的薄膜应力σ ,σ1 2 φθ8-2 薄膜应力理论的应用22 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力⑴球壳体的薄膜应力∵R R R , -P P1 2 zP R2P R2PR即;28-2 薄膜应力理论的应用32 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力⑵薄壁圆筒的薄膜应力∵R ∞ , R R , -P P1 2 zP R P R222R P R2? 2R? 18-2 薄膜应力理论的应用42 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力⑶圆锥壳体的薄膜应力∵R ∞ , R xtgα ,-P P1 2 z∴P R P x t gP r2?222cosRP r2? 2? 2Rcos1?8-2 薄膜应力理论的应用52 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力p Rα↑→σ↑,α不宜过大,一般α≤45 °2cos?r↑→σ↑,锥底应力最大,锥顶应力最小pRσ =2σcosθφ8-2 薄膜应力理论的应用62 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2例题图示为带封头的锥形封头。
试求出B点的薄膜应力。
解:圆筒壳体上的B点P R P DD 2R ,R?1 2242?R P D2 2? 2R 2? 1过渡段上的B点P R P D2DRr ,R241 22?R D?2? 2 2?R 2 r 18-2 薄膜应力理论的应用72 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力⑷椭球壳封头的薄膜应力椭球壳封头的形成:由1/4椭圆曲线绕一固定轴旋转一周而成2 2x y椭圆曲线的经线方程? 12 2a bb2 2y? axa2-bx b x即 y?-22 2a ya ax4b y ?-2 3a y8-2 薄膜应力理论的应用82 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力椭球壳的曲率半径: 3324 2 2 222?1? y a - x ?ab? R?14?y a b14 2 2 22a - x a - bR2b椭球壳的薄膜应力14 2 2 22P RPaxab?4R a22? 2 4 2 2 2Raxab? 18-2 薄膜应力理论的应用92 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力椭球壳的应力分布特点a.椭球壳上各点的应力不等2x0, yb ,R R a /b顶点的应力: 1 222?R P aP R P a22 2R 2b22b1赤道处的应力2xa , y0 ,R b /a , R a1 2P a2222R P a a22? 12R2 b18-2 薄膜应力理论的应用1 02 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力b.椭球壳应力与a/b有关P a如;当a/b1时,为球壳则 ;2当a/b≠1时壳体中的应力值随a/b的变化而变化8-2 薄膜应力理论的应用1 12 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力8-2 薄膜应力理论的应用1 22 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2应用焊接的圆筒压力容器,其纵向(轴向)焊缝的强度应高于横向(周向)焊缝的强度开设椭圆形人孔时,应将短轴放在轴线方向,以尽量减小纵截面强度削弱程度壳壁应力大小与δ/R成反比??δ/R的大小体现着圆筒承压能力的高低8-2 薄膜应力理论的应用1 32 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力4. 椭圆形壳体已知:p、a、b、δ,求:σ、σφθ3/22?1y'?3/ 2?4 2 2 2?Rax ab?1?y"4a b4 2 2 2ax ab?xR?2sinbp4 2 2 2 ax ab 2b4?p a4 2 2 2 ax ab 24 2 2 22b ax ab ?8-2 薄膜应力理论的应用1 42 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力椭球壳中的σ、σ是坐标(x,y)的函数φθ椭球壳上应力是连续变化的椭球壳中应力的大小及分布与a/b有关a/b1,椭球壳即为球壳,应力分布均匀a/b↑→σ↑,受力状况变差8-2 薄膜应力理论的应用1 52 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力8-2 薄膜应力理论的应用1 62 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力椭球壳中的σ、σ不相等φθσ总为正值( σ总为拉应力)φφp a a x0σ→?φ2b xaσ→min p aφ min28-2 薄膜应力理论的应用1 72 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力σ与a、b及a/b有关θ? 0x0a2xa? 0ba2? 0ba2? 0b8-2 薄膜应力理论的应用1 82 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力椭圆形封头钢板冲压成型 a/b ↑→浅易制造σ↑ a/b ↓→深制造难σ↓标准椭圆封头 a/b2 最大拉应力与最大压应力在数值上相等,等于筒体上周向应力??封头与筒体等强度8-2 薄膜应力理论的应用1 92 0 0 81 1 ? ? 2 0 0 81 2一、承受气体内压力壳体的薄膜应力例:求受气体介质压力作用的碟形封头上的应力。
pvd 膜层应力
pvd膜层应力
PVD膜层的应力受到多种因素的影响，包括沉积条件、薄膜厚度、沉积材料和衬底材料等。
以下是对这些因素的具体分析：
1.沉积条件：沉积过程中的温度、沉积速率和气氛等条件会影响薄膜的应力。
通常情况下，沉积温度越高，薄膜的应力越低。
沉积速率的增加通常会导致薄膜应力的增加。
不同的气氛（如真空、氮气等）也可能对薄膜的应力产生影响。
2.薄膜厚度：薄膜的厚度对其应力有影响。
通常情况下，薄膜厚度增加会导致应力的增加。
这是因为在沉积过程中，薄膜表面的原子或分子会产生沉积应力，而较厚的薄膜由于沉积层的累积，其内部应力会更大。
3.沉积材料：不同的沉积材料具有不同的晶格结构和热膨胀系数，从而会对薄膜的应力产生影响。
在Ti薄膜的情况下，其应力可能与Ti的晶体结构、晶粒大小以及晶格畸变等有关。
4.衬底材料：薄膜沉积在不同的衬底材料上可能会导致不同的应力。
衬底的热膨胀系数和机械性能可以影响沉积薄膜的应力。
此外，PVD涂层内应力的危害很大，生产中要掌握好内应力的大小和程度。
PVD涂层的主要用途是作为耐磨保护涂层，它需要一定的厚度和使用寿命，但涂层中的内应力限制了涂层的厚度。
如果内应力产生的单位体积弹性能超过单位面积断裂能，涂层就会脱落，所以沉积涂层的厚度是有限的。
一般来说，涂层的内应力、弹性模量和硬度是成正比的。
因此，在生产过程中，应该通过物理气相沉积工艺条件来控制涂层的应力，尤其是内应力，并在涂覆后检测涂层的内应力，使其在可接受的范围内。
薄膜应力测试方法
薄膜的残余应力一、薄膜应力分析图一、薄膜应变状态与应力薄膜沉积在基体以后，薄膜处于应变状态，若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分，可将应力分为拉应力(tensile stress)和压应力 (compressive stress)，如图一所示。
拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，薄膜因为有拉应力的作用，薄膜本身产生收缩的趋势，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度，则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。
压应力则呈相反的状况，膜表面产生外凸的现象，在压应力的作用下，薄膜有向表面扩张的趋势。
如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧卷曲，导致膜层起泡。
数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。
造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress)，其中，外应力是由外力作用施加于薄膜所引起的。
热应力是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起，此情形发生于制备薄膜時基板的温度，冷卻至室温取出而产生。
內应力则是薄膜本身与基体材料的特性引起的，主要取决于薄膜的微观结构和分子沉积缺陷等因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要，這完全控制于制备的参数与技术上，此为应力的主要成因。
二、薄膜应力测量方法测量薄膜内应力的方法大致可分为机械法、干涉法和衍射法三大类。
前两者为测量基体受应力作用后弯曲的程度，称为曲率法；后者为测量薄膜晶格常数的畸变。
（一）曲率法假设薄膜应力均匀，即可以测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值，求得实际薄膜应力的估计值，其中膜应力与基体上测量位置的半径平方值、膜厚及泊松比(Poisson's ratio) 成反比；与基体杨氏模量 (Es，Young's modulus)、基体厚度的平方及蒸鍍前后基体曲率（1/R）的相对差值成正比。
利用这些可测量得到的数值，可以求得薄膜残余应力的值。
6 薄膜应力
思考题
1. 假设气体钢瓶由于压力过大导致开裂，裂口方向如何？
圆柱形筒体上，环向薄膜应力是经向 薄膜应力的2倍，所以是环向应力导致
开裂，即裂口方向与回转轴方向一致
2. 现要在圆柱形筒体上开一个长圆孔，请问开孔方向如何选择合适？
开孔会导致开孔处纵截面和锥截面的截
面积减小，因为圆柱形筒体环向薄膜应 力较大，故开孔应使得纵截面截面积的
最大压缩应力
1)标准椭球形壳体赤道处的 环向应力σθ
4. 椭球形壳体的薄膜应力分析
椭球形壳体上一点的应力大小与该点的位置和a/b有关
对于标准椭圆形球体(a/b=2) 顶点处
pD 2 pD 2
赤道处
m
pD 2
压缩应力
m
pD 4
第六课 薄膜应力——总结
5. 圆形平板的应力分析——有力矩理论
pD 2
=
2σm经向应力
pD m 4
第六课 薄膜应力——总结
3. 球形壳体的薄膜应力分析
球形壳体上任意一点的薄膜应力： 环向应力σθ = σm经向应力
最大拉伸应力
1)圆柱形筒体的环向应力σθ 2)标准椭球形壳体顶点处的 环向应力σθ和经向应力σm
pD 4
m
pD 4
化工装备与控制
主讲教师：张冀翔
第六课 薄膜应力——总结
1. 压力容器的几何模型
回转曲面：母线、回转轴 回转薄壳：有壁厚δ/R ≤0.1，但无径向应力
两个方向：环向应力σθ、经向应力σm
两个截面：纵截面(σθ )、锥截面(σm)，截面上没有切应力
2. 圆柱形筒体的薄膜应力分析
圆柱形筒体上任意一点的薄膜应力： 环向应力σθ
cvd薄膜应力
cvd薄膜应力摘要：1.引言：介绍CVD 薄膜应力的重要性和背景2.CVD 薄膜应力的产生原因3.CVD 薄膜应力的影响4.CVD 薄膜应力的检测与控制方法5.结论：总结CVD 薄膜应力的研究现状和未来发展方向正文：一、引言化学气相沉积（CVD）是一种广泛应用于微电子、光电子和功能材料制备领域的薄膜生长技术。
然而，随着薄膜厚度的增加，CVD 薄膜应力问题日益凸显，对器件性能和可靠性产生严重影响。
本文将对CVD 薄膜应力的产生原因、影响、检测与控制方法进行探讨，以期为相关领域的研究和应用提供参考。
二、CVD 薄膜应力的产生原因CVD 薄膜应力的产生主要与薄膜生长过程中的温度、压力、气体成分等因素有关。
具体来说，薄膜应力可归因于以下几个方面：1.薄膜生长速率不均匀：在CVD 过程中，薄膜生长速率在各个方向上可能存在差异，导致内部应力产生。
2.温度梯度：薄膜生长过程中，基板和气体供应的温度差异会导致温度梯度，进而引发薄膜内部的热应力。
3.气体成分和压力：CVD 过程中，气体成分和压力的波动会影响薄膜的结构和性能，进而产生应力。
三、CVD 薄膜应力的影响CVD 薄膜应力会对器件性能和可靠性产生不利影响，具体表现在以下几个方面：1.薄膜翘曲：应力会导致薄膜产生翘曲，影响器件的尺寸稳定性和可靠性。
2.断裂和分层：应力过大时，可能导致薄膜出现断裂和分层现象，严重影响器件的使用寿命。
3.电性能下降：应力会影响薄膜的晶格结构和电子迁移率，导致器件的电性能下降。
4.光性能下降：对于光学薄膜，应力会导致其表面形貌和光学特性发生变化，进而影响光学性能。
四、CVD 薄膜应力的检测与控制方法为了确保CVD 薄膜的性能和可靠性，必须对其应力进行有效的检测和控制。
目前，常用的方法包括：1.椭圆偏振光谱法：通过测量薄膜的椭圆偏振光谱，可以获得其应力分布信息。
2.X 射线衍射法：通过分析X 射线衍射数据，可以确定薄膜的应力状态。
3.应力测量仪：利用应力测量仪可以直接测量薄膜的应力值。
薄膜应力测试方法及标准
薄膜应力测试方法及标准
嘿，朋友们！今天咱来聊聊薄膜应力测试方法及标准。
那这薄膜应力测试到底咋弄呢？一般来说，先得准备好测试样品，要确保它的平整和洁净哦。
然后把样品固定在测试装置上，这一步可得小心谨慎，千万别弄出啥差错。
接下来就是施加外力啦，慢慢增加力度，同时密切观察薄膜的变化。
在这个过程中，可得注意测量的准确性呀，稍有偏差可能结果就大不同啦！而且操作一定要规范，不然得出个不靠谱的结果，那不就白折腾啦！
说到这过程中的安全性和稳定性，那可太重要啦！就像走钢丝一样，稍有不慎就可能出问题。
测试装置必须稳稳当当的，不能有啥晃动或者故障。
而且操作人员也要严格遵守安全规定，保护好自己呀。
只有这样，才能保证测试顺利进行，不出岔子。
那薄膜应力测试都有啥应用场景和优势呢？哇，那可多了去啦！在电子行业，它能确保那些薄薄的元件正常工作。
在材料研发领域，更是能帮助科学家们找到更好的材料呢。
它的优势就是能快速准确地得到薄膜的应力情况呀，就像给薄膜做了一次全面体检，让我们对它了如指掌。
来看看实际案例吧。
之前有个公司研发新的薄膜材料，通过应力测试，发现了一些潜在的问题，及时进行了改进，最后产品大获成功。
这效果，杠杠的！这不就充分说明了薄膜应力测试的重要性嘛。
所以呀，薄膜应力测试方法及标准那可是相当重要的，能帮助我们更好地了解和利用薄膜材料，让它们发挥出最大的作用！。
薄膜应力
薄膜应力通常薄膜由它所附着的基体支承着,薄膜的结构和性能受到基体材料的重要影响。
因此薄膜与基体之间构成相互联系、相互作用的统一体，这种相互作用宏观上以两种力的形式表现出来：其一是表征薄膜与基体接触界面间结合强度的附着力；其二则是反映薄膜单位截面所承受的来自基体约束的作用力—薄膜应力。
薄膜应力在作用方向上有张应力和压应力之分。
若薄膜具有沿膜面收缩的趋势则基体对薄膜产生张应力，反之,薄膜沿膜面的膨胀趋势造成压应力[1-2]。
应该指出,薄膜和基体间附着力的存在是薄膜应力产生的前提条件,薄膜应力的存在对附着力又有重要影响[3]。
图1薄膜中压应力与张应力的示意图[4]1薄膜应力的产生及分类:薄膜中的应力受多方面因素的影响,其中薄膜沉积工艺、热处理工艺以及材料本身的机械特性是主要影响因素。
按照应力的产生根源将薄膜内的应力分为热应力和本征应力,通常所说的残余应力就是这两种应力的综合作用,是一种宏观应力[4]。
本征应力又称内应力,是在薄膜沉积生长环境中产生的(如温度、压力、气流速率等),它的成因比较复杂,目前还没有系统的理论对此进行解释,如晶格失配、杂质介入、晶格重构、相变等均会产生内应力[5]。
本征应力又可分为界面应力和生长应力。
界面应力来源于薄膜与基体在接触界面处的晶格错配或很高的缺陷密度，而生长应力则与薄膜生长过程中各种结构缺陷的运动密切相关。
本征应力与薄膜的制备方法及工艺过程密切相关，且随着薄膜和基体材料的不同而不同[6]。
热应力是由薄膜与基底之间热膨胀系数的差异引起的。
在镀膜的过程中，薄膜和基体的温度都同时升高，而在镀膜后,下降到初始温度时，由于薄膜和基体的热膨胀系数不同，便产生了内应力，一般称之为热应力，这种现象称作双金属效应[7]。
但由这种效应引起的热应力不能认为是本质的论断。
薄膜热应力指的是在变温的情况下，由于受约束的薄膜的热胀冷缩效应而引起的薄膜内应力[6]。
薄膜应力的产生机理:(1)热收缩效应的模型热收缩产生应力的模型最早是由Wilman和Murbach提出来,它是以蒸发沉积时,薄膜最上层温度会达到相当高为前提的。
圆筒的薄膜应力
圆筒的薄膜应力薄膜应力是指在材料表面上的应力分布情况。
对于圆筒形的薄膜，其应力分布与其几何形状和材料特性有关。
本文将从圆筒的几何形状、应力的定义和计算方法以及薄膜应力的应用等方面进行探讨。
一、圆筒的几何形状圆筒是指底面为圆的柱体，其形状特点是底面半径恒定，侧面为曲面。
圆筒的几何形状对于薄膜应力的分布起着重要的影响。
在圆筒的顶部和底部，应力呈现较大的集中，而在侧面则呈现较为均匀的分布。
二、应力的定义和计算方法应力是指物体单位面积上的内力。
对于圆筒的薄膜应力，我们主要关注的是径向和周向的应力分量。
径向应力是指垂直于圆筒表面的方向上的应力，而周向应力是指沿圆筒周向的应力。
计算圆筒的薄膜应力可以使用拉普拉斯方程。
该方程表达了薄膜应力与圆筒的几何形状和内外压力之间的关系。
具体计算方法如下：1. 首先，需要确定圆筒的内外压力差。
内外压力差越大，薄膜应力越大。
2. 其次，需要计算圆筒的半径和厚度。
圆筒的半径和厚度越小，薄膜应力越大。
3. 然后，利用拉普拉斯方程进行计算。
拉普拉斯方程表达式为：ΔP = σ ×(2/R)，其中ΔP为内外压力差，σ为薄膜应力，R为圆筒的半径。
根据拉普拉斯方程，我们可以计算出圆筒的薄膜应力。
三、薄膜应力的应用薄膜应力在很多领域中都有着重要的应用。
以下是一些应用案例：1. 包装材料：薄膜应力的大小与包装材料的强度和可靠性密切相关。
通过控制薄膜应力的分布和大小，可以提高包装材料的承载能力和防水性能。
2. 管道工程：在管道工程中，薄膜应力的分布对管道的稳定性和安全性有着重要的影响。
合理设计管道的几何形状和材料特性，可以降低薄膜应力对管道的影响。
3. 高分子材料：薄膜应力对高分子材料的性能有着重要的影响。
通过控制薄膜应力的分布和大小，可以改善高分子材料的力学性能和化学稳定性。
总结：圆筒的薄膜应力是指在圆筒表面上的应力分布情况。
圆筒的几何形状对于薄膜应力的分布有着重要的影响。
薄膜应力的计算可以使用拉普拉斯方程。
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薄膜应力
membrane stress 沿截面厚度均匀分布的应力成分，它等于沿所考虑截面厚度的应力平均值。
由无力矩理论求解的壳体应力均为薄膜应力，且属一次薄膜应力。
根据有力矩理论计算，不连续应力中也含有薄膜应力分量，但属二次应力。
由于薄膜应力存在于整个壁厚，一旦发生屈服就会出现整个壁厚的塑性变形。
在压力容器中，其危害性大于同等数值的弯曲应力(弯曲应力沿壁厚呈线性或非线性分布)。
——摘自《安全工程大辞典》（1995年11月化学工业出版社出版）……一次应力为平衡压力与其它机械载荷所必须的法向应力或剪应力。
一次应力分为以下三类：1．一次总体薄膜应力是影响范围遍及整个结构的一次薄膜应力。
在塑性流动过程之中一次总体薄膜应力不会重新分布，它将直接导致结构破坏。
2．一次局部薄膜应力应力水平大于一次总体薄膜应力，但影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力。
当结构局部发生塑性流动时，这类应力将重新分布。
若不加以限制，则当载荷从结构的某一高应力区传递到另一低应力区时，会产生过量塑性变形而导致破坏。
3. 一次弯曲应力平衡压力或其他机械载荷所需的沿截面厚度线性分布的弯曲应力。
二次应力为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所须的法向应力或剪应力。
二次应力的基本特征是具有自限性，即局部屈服和小量变形就可以使约束条件或变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。
只要不反复加载，二次应力不会导致结构破坏。
峰值应力由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加在一次加二次应力上的应力增量。