薄膜力学性能素材
薄膜物理与技术-7薄膜的物理性质--(1)薄膜的力学性质
电镀膜的附着性能差(∵有一定数量的微孔）
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
附着力的测试方法 机械方法数种如下：
扩散附着
通过中间层附着
宏观效应附着
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
简单附着
7.1.1 薄膜的附着力
(a)简单附着： 是在薄膜和基体之间存在一个很清楚的分界面。由两个接
触面相互吸引形成的。当两个不相似或不相容的表面相互接 触时就易形成这种附着。(如真空蒸镀)
附着能 : Wfs = Ef + Es - Efs
②静电力—薄膜和基体两种材料的功函数不同， 接触后发生电子转移→界面两边积累正负 电荷 → 静电吸引
物理吸附能：0.001eV~0.1eV
③化学键力（化学吸附能0.1-0.5eV）
共价键 离子键 金属键
价电子发生了转移， 短程力，不是普遍存在。
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
须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
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
③引入中间过渡层 某种材料与一些物质间附着力大，与另一些物质的附
着力却可能很小。如：
（1）二氧化硅-玻璃→附着好；二氧化硅-KDP（磷酸二氢 钾）晶体→附着差 （2）金-玻璃→附着差；金-铂、镍、钛、铬等→附着好
方法：在基片Байду номын сангаас镀一层薄金属层（Ti、Mo、Ta、 Cr等）.然后，在其上再镀需要的薄膜，薄 金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。
第七章 薄膜的物理性质
薄膜力学性能解析
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 。
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
聚合物薄膜材料力学性能研究
聚合物薄膜材料力学性能研究聚合物薄膜是一种具有广泛应用前景的高分子材料，广泛应用于电子、光学、航空航天、医学、生物等领域。
随着科学技术的不断发展，聚合物薄膜材料力学性能研究成为研究热点。
本文将从聚合物薄膜材料的基本力学性能、材料表征及其应用等方面进行阐述。
一、聚合物薄膜材料的基本力学性能1. 力学性能聚合物薄膜材料是一种柔性的高分子材料，具有较好的弯曲性和拉伸性。
其力学性能主要包括弹性模量、屈服强度、断裂伸长率等。
以家用保鲜膜为例，该膜材料通常具有较高的强度和柔韧性，能够在拉伸和弯曲后能够恢复原状。
其弹性模量通常在1-3 GPa之间，屈服强度为20-70 MPa，断裂伸长率可达到200%-500%。
2. 摩擦学性能由于聚合物薄膜材料表面的微观结构和物理化学性质的影响，其摩擦学性能表现出丰富多样的特性。
对于摩擦学性能，主要包括摩擦系数、磨损率、界面特性、表面粗糙度等。
例如，聚四氟乙烯薄膜材料表面光滑，摩擦系数较低，磨损率小，可用于制造高精度机械部件。
而聚乙烯薄膜材料表面较粗糙，摩擦系数较高，磨损率较大，适用于汽车零件等耐磨性要求不高的领域。
二、聚合物薄膜材料的材料表征1. 形貌表征聚合物薄膜材料的形貌包括膜材料表面形貌和晶体结构形貌两个方面。
对于表面形貌，常用的表征手段主要是原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）。
对于晶体结构形貌，X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）是常用的表征方法。
2. 化学表征聚合物薄膜材料的表面物理化学性质是影响其应用性能的主要因素之一。
表面化学表征包括原子吸附光谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱等，可以用于表征材料的元素组成和化学键构成等方面的信息。
3. 动力学表征由于聚合物薄膜材料往往在外界环境下使用，因此动力学表征包括热力学性质、溶解性质、流变学性质等，也是研究其应用性能的重要方面。
热重分析（TGA）、差示扫描量热（DSC）和扫描电镜红外显微光谱（SEM-IR）等分析技术能够有效地评价聚合物薄膜的动力学性能。
薄膜特性_精品文档
1.双向拉伸聚丙烯薄膜（BOPP）双向拉伸聚丙烯薄膜是由聚丙烯颗粒经共挤形成片材后, 再经纵横两个方向的拉伸而获得的。
由于拉伸分子定向, 所以此薄膜的物理稳定性、机械强度、气密性较好, 透明度和光泽度较高, 坚韧耐磨, 是目前应用最广泛的印刷薄膜。
一般使用厚度为20～40 μm , 应用最广泛的为20 μm 。
其主要缺点是热封性差, 所以一般用做复合薄膜的外层薄膜, 如与聚乙烯薄膜复合后防潮性、透明性、强度、挺度和印刷性均较理想, 适用于盛装干燥食品。
由于双向拉伸聚丙烯薄膜的表面为非极性, 结晶度高, 表面自由能低, 因此, 其印刷性能较差, 对油墨和胶黏剂的附着力差, 在印刷和复合前需要进行表面处理。
2.低密度聚乙烯薄膜（LDPE）低密度聚乙烯薄膜一般采用吹塑和流延两种工艺制成, 流延聚乙烯薄膜的厚度均匀, 但由于价格较高, 目前很少使用。
吹塑聚乙烯薄膜是由吹塑级PE颗粒经吹塑机吹制而成的, 成本较低, 所以应用最为广泛。
低密度聚乙烯薄膜是一种半透明、有光泽、质地较柔软的薄膜, 具有优良的化学稳定性、热封性、耐水性和防潮性, 耐冷冻, 可水煮, 其主要缺点是对氧气的阻隔性较差, 常用于复合软包装材料的内层薄膜, 而且也是目前应用最广泛、用量最大的一种塑料包装薄膜, 约占塑料包装薄膜耗用量的40%以上。
由于聚乙烯分子中不含极性基团, 即其表面为非极性, 且结晶度高, 表面自由能低, 因此, 该薄膜的印刷性能较差, 对油墨和胶黏剂的附着力差, 因此, 在印刷和复合前需要进行表面处理。
3.（PET）聚酯薄膜是以聚对苯二甲酸乙二醇酯为原料, 采用挤出法制成厚片, 再经双向拉伸制成的薄膜材料。
它是一种无色透明、有光泽的薄膜, 机械性能优良, 刚性、硬度及韧性高, 耐穿刺, 耐摩擦, 耐高温和低温, 耐化学药品性、耐油性、气密性和保香性良好, 是常用的阻透性复合薄膜基材之一, 但聚酯薄膜的价格较高, 一般厚度为12 μm, 常用做蒸煮包装的外层材料, 印刷适性较好。
- 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)。
H Pmax A
(4.6)
当 A 、 dP dh 和 Pmax 确定后，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：
8G s s Fs s s s s 1 s Ss
S dP 2 Er dh A
(4.4)
这里， h 为压头的纵向位移， S dP dh为试验载荷曲线 的薄膜材料刚度， A 是压头的接触面积。
8
E r 为约化弹性模量
1 Er
1 1
f 2 i 2
(4.5)
Ef
Ei
f 、 i 分别为被测薄膜和压头的 其中的 E f 、Ei 、
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
th f T s T dT
第四章 薄膜力学性能部分1Fra bibliotek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10m )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。
P f E, v, Ei , vi , y , n, R, h
用约化杨氏模量 E r 即
(4.15) 简化上式，得
P f Er , y , n, R, h
亦可写为
(4.16)
P f Er , r , n, R, h
(4.17)
14
对(4.17)式进行量纲分析，得
E n K
y y
n
(4.13)
当 y 时，流动应力也可表示成如下形式
E y 1 f y
(4.14)
f 是超过屈服应变 y 的总的有效应变。 r 表示 式中，
r 表示应变。 应力，定义为 f r时的流动应力，
根据Hooke’s定律，应力为
E th 1 f
(4.22)
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
Ef i 1 f
xa Ef a 1 f
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Ei 、泊松比 i ， 屈 服强度 y ，硬化指数 n，压痕深度以及压头半径 R 。 故 P 可表示为
(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
s f
根据(4.7)、(4.8)、(4.9)和(4.10)，得到
(4.10)
F s Ss f S f
F s Ss f 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。
2 Er C 2 ln r
Er C3 ln 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。
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
两支点的跨距为
的关系为
， 载 荷 增 量 F 与中心挠度增量 L
h z s hf 2 h z s 2
F
48 L
3
S
(4.1)
z 0
z
S 为薄板抗弯刚度。
L
hs 2
6
单面镀膜的膜基复合薄板的抗弯刚度 S 为
S Es I s E f I f
(4.2)
式中I s和 I f 分别是基体部分和薄膜部分对 z 轴的惯性矩，
I s y bdy
hs 2
hs 2
2
If
hs 2 h f hs 2
y 2bdy
(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 关于轴对 称压头载荷与压头深度之间的弹性解析分析，其结果为
3
分 类
脆性薄膜
韧性薄膜
脆性基底
按 力 学 性 质 分 类
脆性基底
脆性薄膜 韧性基底
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，
Er h P r h 1 , n, R r
2
(4.18)
给定 h 和 R ，式(4.18)可化为
Er Pg r hg 1 , n r 无量纲函数的表达式为
2
(4.19)
Er 1 r
3 Er C1 ln r
f f
8G f f 1 f
(4.7) (4.8)
f
Ff f Sf
其中，F 和 S 分别表示外加载荷和横截面积，下标 f 和 分别表示基体和薄膜的相关量。
s
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