CN102393328B - 一种测量硬薄膜与软基底界面断裂韧性方法 - Google Patents

Abstract

一种测量硬薄膜与软基底界面断裂韧性方法，属于工程材料、结构形变及力学实验设备技术领域。该方法利用软基底受压发生向上偏转的屈曲，此时基底的上表面受到拉应力的作用，使得硬薄膜与软基底界面发生脱粘或滑移失效，求得界面失效的临界能量释放率，根据格里菲斯能量准则，将界面失效时的临界能量释放率作为断裂韧性。该方法特别适用于硬薄膜与软基底结构，操作简单、方便。

Description

一种测量硬薄膜与软基底界面断裂韧性方法

技术领域

本发明涉及一种测量硬薄膜与软基底界面断裂韧性的方法，属于工程材料、结构形变及力学实验设备技术领域。

背景技术

柔性电子可以避免传统电子产品硬、脆的特点，近来受到了学术界和工业界的广泛关注，其中无机柔性电子（硬薄膜-软基底结构）兼具无机半导体优良的电化学性能和塑性基底优良的柔韧性能，更是关注的重点。对于柔性电子结构，在使用过程中不可避免的需要承受反复的拉伸、弯曲等变形。此时，电子器件与基底界面可能出现脱粘、滑移等现象，而且这种界面的失效往往先于材料本身的破坏，因此有必要研究柔性电子结构的界面性能和破坏机理。

目前，有一些测量界面断裂韧性的标准实验方法。双悬臂梁（DCB）实验和端部载荷劈裂（ENF）实验分别适用于纯Ⅰ型裂纹和纯Ⅱ型裂纹，三点弯实验、四点弯实验一般用来测量均匀金属材料的混合型断裂韧性，Brazil-nut用来进行脆性材料的混合型断裂实验。然而，对于无机柔性电子，一般具有硬薄膜-软基底结构。传统的测试方法将导致软基底很大的变形，相应的非线性行为大大降低了测试的精度。因此，亟待开发测量无机柔性电子界面断裂韧性的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量硬薄膜与软基底界面断裂韧性的方法，对柔性电子结构设计具有指导意义，避免柔性结构因变形过渡而失效。该方法特别适用于硬薄膜-软基底的结构，操作简单、方便。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种测量硬薄膜与软基底界面断裂韧性的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将贴有硬薄膜的软基底水平放置在平板上，固定软基底的A端，同时允许B端在水平方向的移动，记录软基底的原长L；

2）对软基底的B端施加水平方向的压力，使软基底发生向上偏转的屈曲，并实时观察硬薄膜与软基底的界面直至界面脱粘或者滑移现象出现为止，记录此时软基底在水平方向的压缩量dL；

根据格里菲斯能量准则，断裂韧性可以由能量释放率表征，利用下列公式求得硬薄膜与软基底的界面出现脱粘失效和滑移失效的临界能量释放率分别为：

其中，

为软基底单位厚度所受的轴力，

为软基底中心处的挠度，h_f和h_s分别为硬薄膜和软基底的厚度，E′_f和E′_s分别为硬薄膜和软基底的平面应变模量，下标“f”和“s”分别表示硬薄膜和软基底，η＝h_f/h_s，t＝E′_f/E′_s，∑＝Δ₂/Δ₃， ${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{\mathrm{t\η}(1+\mathrm{\η})}{1+\mathrm{t\η}},$ ${\mathrm{\Δ}}_2=\mathrm{\η}[{\mathrm{\η}}^2+\frac{3}{{(1+\mathrm{t\η})}^2}],$ ${\mathrm{\Δ}}_3=1+3{\left(\frac{\mathrm{t\η}}{1+\mathrm{t\η}}\right)}^2.$

本发明与现有技术相比，具有以下的优点和突出性效果：通过位移加载实时观察薄膜与基底界面的失效，并测量硬薄膜-软基底的界面断裂韧性，操作简单、方便。

附图说明

图1是本发明操作的示意图。

图中：（a）为贴有硬薄膜的软基底加载前的状态；（b）为对贴有硬薄膜的软基底施加水平方向压力的示意图；（c）为硬薄膜与软基底界面的滑移失效；（d）为硬薄膜与软基底的脱粘失效。

图2是一种可以实现本发明方法的装置结构示意图。

图中：1-支座、2-滑移块、3-圆头螺栓、4-硬薄膜、5-软基底。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明提供的测量柔性电子器件界面断裂韧性的方法，该方法包括如下步骤：

1）.将贴有硬薄膜的软基底水平放置在平板上，固定软基底的A端，同时允许B端在水平方向的移动（如图1（a）所示），记录软基底5的原长L；

2）.对软基底的B端施加水平方向的压力，使软基底发生向上偏转的屈曲（图1（b）所示），此时软基底的上表面受到拉应力的作用，使得硬薄膜与软基底界面有发生脱粘或滑移的趋势。继续施加压力，并实时观察硬薄膜与软基底的界面直至脱粘或者滑移现象出现为止。记录此时软基底在水平方向的压缩量dL，如图1所示。基于复合梁理论并忽略薄膜对屈曲形貌的影响，因此软基底失稳后的形状可以由正弦函数w＝w₀sin(πx/L)表示，其中w₀为软基底中心处的挠度，

$w_0=\frac{2}{\mathrm{\π}}L\sqrt{\frac{\mathrm{dL}}{L}-\frac{{\mathrm{\π}}^2{h}_s^2}{{3L}^2}}$

式中，h_s为软基底的厚度。

若薄膜-软基底界面发生脱粘，则在发生脱粘的部分，界面上应力自由，薄膜、软基底的应力场分别表示为，

${\mathrm{\σ}}_x^f=0,$ ${\mathrm{\σ}}_y^f=0,$ ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}^f=0$

${\mathrm{\σ}}_x^s=-\frac{N}{h_s}\±z_s\frac{M}{I_y^s},$ ${\mathrm{\σ}}_y^s={\mathrm{\ν\σ}}_x^s,$ ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}^s=0$

其中，

M＝Nw₀分别为软基底单位厚度所受的轴力和弯矩，η＝h_f/h_s，t＝E′_f/E′_s，h_f为薄膜的厚度，E′_f和E′_s分别为薄膜和软基底的平面应变模量，上标“f”和“s”分别为表示硬薄膜和软基底，z_s表示距软基底中性轴的距离，弯矩产生的正应力为拉应力时公式取正号，为压应力时公式取负号。

若薄膜-软基底界面发生滑移，则在发生滑移的部分，界面上应力自由，薄膜、软基底的应力场分别表示为，

${\mathrm{\σ}}_x^f=\±z_f\frac{t}{1+{\mathrm{t\η}}^3}\frac{M}{I_y^s},$ ${\mathrm{\σ}}_y^f={\mathrm{\ν\σ}}_x^f,$ ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}^f=0$

${\mathrm{\σ}}_x^s=-\frac{N}{h_s}\±z_s\frac{1}{1+{\mathrm{t\η}}^3}\frac{M}{I_y^s},$ ${\mathrm{\σ}}_y^s={\mathrm{\ν\σ}}_x^s,$ ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}^s=0$

z_s和z_f分别表示距软基底和硬薄膜中性轴的距离，弯矩产生的正应力为拉应力时公式取正号，为压应力时公式取负号。

对于硬薄膜-软基底界面发生脱粘和滑移两种情况，未失效部分硬薄膜-软基底界面保持完好粘结，界面上应力和位移连续，硬薄膜、软基底的应力场分别表示为

${\mathrm{\σ}}_x^f={\mathrm{t\σ}}_x^s,$ ${\mathrm{\σ}}_y^f={\mathrm{\ν\σ}}_x^f,$ ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}^f=0$

${\mathrm{\σ}}_x^s=-\frac{1}{1+\mathrm{t\η}}\frac{N}{h_s}\±z\frac{1}{1+\mathrm{t\Σ}}\frac{M^{\′}}{I_y^{\mathrm{su}}},$ ${\mathrm{\σ}}_y^s={\mathrm{\ν\σ}}_x^s,$ ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}^s=0$

其中， $M^{\′}=M+N(\mathrm{\δ}-\frac{1}{2})h_s,$ $I_y^{\mathrm{su}}={\mathrm{\Δ}}_3{I}_y^s,$ $\mathrm{\δ}=\frac{1}{2}+\frac{{\mathrm{\Δ}}_1}{2},$ ∑＝Δ₂/Δ₃， ${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{\mathrm{t\η}(1+\mathrm{\η})}{1+\mathrm{t\η}},$ ${\mathrm{\Δ}}_2=\mathrm{\η}[{\mathrm{\η}}^2+\frac{3}{{(1+\mathrm{t\η})}^2}],$ ${\mathrm{\Δ}}_3=1+3{\left(\frac{\mathrm{t\η}}{1+\mathrm{t\η}}\right)}^2,$ z表示距硬薄膜与软基底复合梁中性轴的距离。弯矩产生的正应力为拉应力时公式取正号，为压应力时公式取负号。

根据应力场求得势能，进而根据格里菲斯能量准则，断裂韧性可以由能量释放率表征，利用下列公式求得硬薄膜与软基底的界面出现脱粘失效和滑移失效的临界能量释放率分别为：

上面所述的发明方法可以通过如图2所示的装置实现，该装置包括支座1、滑移块2和圆头螺栓3，其中支座1由一水平底座和未开孔挡板和开孔挡板组成，两挡板固定在水平底座上。滑移块2可以在底座上沿水平方向滑动；圆头螺栓3穿过支座开孔侧板中心的螺纹孔推动滑移块2运动。操作时，将贴有硬薄膜的软基底水平放置在水平底座上，将软基底5的A端固定在支座1的未开孔挡板上，B端固定在滑移块2上，旋转圆头螺栓3，使滑移块2在水平底座上沿水平方向滑动，软基底的B端则受到水平方向的压力。

Claims (1)

1.一种测量硬薄膜与软基底界面断裂韧性的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将贴有硬薄膜的软基底水平放置在平板上，固定软基底的A端，同时允许B端在水平方向的移动，使软基底的A端和B端相对平板不能发生转动，记录软基底的原长L；

2）对软基底的B端施加水平方向的压力，使软基底发生向上偏转的屈曲，并实时观察硬薄膜与软基底的界面直至界面脱粘或者滑移现象出现为止，记录此时软基底在水平方向的压缩量dL；

根据格里菲斯能量准则，断裂韧性由能量释放率表征，利用下列公式求得硬薄膜与软基底的界面出现脱粘失效和滑移失效的临界能量释放率分别为：

其中，

为软基底单位厚度所受的轴力，为软基底中心处的挠度，h_f和h_s分别为硬薄膜和软基底的厚度，E′_f和E′_s分别为硬薄膜和软基底的平面应变模量，下标“f”和“s”分别表示硬薄膜和软基底，η＝h_f/h_s，t＝E′_f/E′_s，∑＝Δ₂/Δ₃， ${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{\mathrm{t\η}(1+\mathrm{\η})}{1+\mathrm{t\η}},$ ${\mathrm{\Δ}}_2=\mathrm{\η}[{\mathrm{\η}}^2+\frac{3}{{(1+\mathrm{t\η})}^2}],$ ${\mathrm{\Δ}}_3=1+3{\left(\frac{\mathrm{t\η}}{1+\mathrm{t\η}}\right)}^2.$

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