可延展压电薄膜基底结构界面脱粘的预测与调控

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作者 周煜棠 王博 +3 位作者 张博涵 毕皓皓 黄永安 王烁道 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2024年第4期247-256,共10页

调控薄膜基底结构的表面不稳定性已被成功应用于制备可延展的新型电子设备中。然而,该类电子器件在工作中需要承受外部载荷作用,致使薄膜-基底结构界面处残余应力集中,容易诱发薄膜电子器件与基底脱粘与分层。该文将从理论分析和数值仿... 调控薄膜基底结构的表面不稳定性已被成功应用于制备可延展的新型电子设备中。然而,该类电子器件在工作中需要承受外部载荷作用,致使薄膜-基底结构界面处残余应力集中,容易诱发薄膜电子器件与基底脱粘与分层。该文将从理论分析和数值仿真角度,研究压电薄膜在柔性基底表面上的失稳特性。由于压电薄膜变形具有大位移小应变的特点,该文基于非线性Euler-Bernoulli梁理论与能量最小化原理,建立压电薄膜基底结构无屈曲、褶皱、局部屈曲及全脱层屈曲模式的理论分析模型;从能量角度定量分析了薄膜-基底结构4种模式相互演变的临界条件;通过数值仿真,验证了该文解析结的有效性,定量、定性的讨论了薄膜基底结构的材料、几何参数对4种模式演变的影响。研究结果表明:改变基底弹性模量、预应变、物理场强度和界面粘附系数能够调控压电薄膜基底结构的屈曲模式;通过调控温度变化量和电压的方式,能够实现对压电薄膜基底结构的失稳特性精细化调控。该文的研究结果将为提升薄膜基底型的电子器件的稳定性及优化设计提供理论支持。 展开更多

关键词 压电薄膜-柔性基底结构 脱粘 分层 表面失稳 临界应变

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基于辛Runge-Kutta方法的棋盘形褶皱二维薄膜-基底结构动力学特性研究

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作者 张博涵 曹善成 +2 位作者 王博 欧阳华江 徐方暖 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期186-193,共8页

基于力学屈曲原理的褶皱薄膜-基底结构已成功应用于制备可延展无机电子器件。然而,该类电子器件在应用时需要服役于复杂动态环境中,针对棋盘形褶皱薄膜结构的动力学问题鲜有研究,此问题又是该类电子器件走向实际应用需要解决的关键问题... 基于力学屈曲原理的褶皱薄膜-基底结构已成功应用于制备可延展无机电子器件。然而,该类电子器件在应用时需要服役于复杂动态环境中,针对棋盘形褶皱薄膜结构的动力学问题鲜有研究,此问题又是该类电子器件走向实际应用需要解决的关键问题之一。本文首先采用能量方法,分别计算了二维薄膜的弯曲能、膜弹性能和柔性基底中的弹性能以及薄膜动能;然后采用拉格朗日方程,推导出了该结构的振动控制方程;而该方程为非线性动力学方程,无法给出其解析解;因此,本文采用辛Runge-Kutta方法对其进行数值求解;数值结果表明,辛数值方法具有长期稳定的特性和系统结构特性,为高精度的可延展电子器件的动力学问题研究提供了优异的数值方法。 展开更多

关键词 可延展电子器件 薄膜-基底结构 辛算法 保结构

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非共面薄膜-基底结构多层封装及延展性分析 被引量：1

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作者 李正伟 陶伟明 《浙江大学学报（工学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第6期1143-1147,共5页

为减小柔性电子中非共面薄膜-基底结构因封装而导致的延展性下降,提出一种多层封装结构形式,并对其延展性进行了研究.通过对薄膜上下表面附近采用不同力学特性的聚二甲基硅氧烷(PDMS),形成层状封装结构.在将薄膜及其上下封装层简化为复... 为减小柔性电子中非共面薄膜-基底结构因封装而导致的延展性下降,提出一种多层封装结构形式,并对其延展性进行了研究.通过对薄膜上下表面附近采用不同力学特性的聚二甲基硅氧烷(PDMS),形成层状封装结构.在将薄膜及其上下封装层简化为复合梁的拉-弯组合变形问题的基础上,采用有限元法计算了上下封装层的厚度、弹性模量等相关参数对结构整体延展性的影响.计算结果表明:上封装层弹性模量减小、厚度增加有利于改善延展性;下封装层的弹性模量适度高于基本封装材料且厚度合适的情况下可较大幅度提高结构延展性,而若弹性模量过高或厚度过大则可导致延展性的大幅下降.该多层封装结构设计和分析结果对于优化柔性电子器件结构具有参考和指导意义. 展开更多

关键词 薄膜-基底结构 柔性电子 多层封装 延展性 有限元法

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柔性基底上金属薄膜的失效行为及界面能测试方法研究进展 被引量：5

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作者 薛秀丽 王世斌 +2 位作者 曾超峰 李林安 王志勇 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期50-58,共9页

沉积在柔性聚合物基底的金属薄膜复合结构同时具有聚合物和金属的优势,包括聚合物的灵活性和轻质性,以及金属的优良导电率和电磁波屏蔽等特点。柔性基底-金属薄膜系统以其高延展性、高柔性、高制作效率、良好的电学特性和生物相容性等... 沉积在柔性聚合物基底的金属薄膜复合结构同时具有聚合物和金属的优势,包括聚合物的灵活性和轻质性,以及金属的优良导电率和电磁波屏蔽等特点。柔性基底-金属薄膜系统以其高延展性、高柔性、高制作效率、良好的电学特性和生物相容性等优点而受到青睐,在微机电系统、航空航天、生物材料、柔性电子等领域有广阔的应用前景。在所有应用中,柔性基底-金属薄膜系统的性能、可靠性和耐久性都直接与薄膜和基底之间良好的界面粘附能密切相关,良好的界面粘接性能往往能提高薄膜抑制失效的能力。膜-基结构的力学性能和界面结合性能对相关器件的使用性能和服役寿命起着至关重要的作用。然而,在实际应用中,薄膜-基底复合结构承受着复杂的载荷,如拉伸、扭转、弯曲等,虽然柔性基底可以承受较大的变形,但金属薄膜则不能,这可能导致膜-基结构发生各种形式的破坏。其中三种主要的失效形式包括界面脱层、薄膜屈曲和薄膜断裂。一方面,这些破坏将严重影响薄膜的电、磁、光等物理性能,而膜-基间的界面粘附性能对薄膜失效的发生和发展起着关键作用。另一方面,针对不同的失效模式,可以充分利用其测试薄膜的力学性能和界面粘附能。近几年来,柔性基底上的单层膜、双层膜和纳米多层膜系统的失效行为和界面粘附能测试等问题引起了学者们的广泛关注。对于柔性基底上的单层薄膜体系,学者们已经针对薄膜和界面的各种失效行为和断裂机理进行了深入研究;对于多层金属薄膜体系,不同性质金属层的组合可以提高体系的附着力、耐腐蚀性或热稳定性。多层膜的尺寸效应影响机制、不同材料层间组合以及界面力学响应问题是近几年学者关注的热点。以往,对膜-基界面粘附能的研究主要针对硬基底,近几年来,学者们针对柔性基底-金属薄膜系统的界面粘附能的测试提出了新的有效方法。本文综述了柔性基底上微纳米金属薄膜的失效行为和界面破坏问题的最新研究进展,重点介绍了薄膜及界面的破坏模式、尺寸效应、多层薄膜的破坏失效等问题;特别讨论了如何利用薄膜的屈曲破坏来测量薄膜性能以及确定界面粘附能;最后,针对这一领域的研究面临的问题和前景进行展望,以期为制备新型柔性膜-基系统的材料选择和结构设计提供参考。 展开更多

关键词 柔性基底 金属薄膜 膜-基界面 失效 屈曲 断裂 界面粘附能 沉积

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双复合材料结构基底厚度对薄膜裂纹的影响 被引量：4

5

作者 王建国 刘宝良 毕贤顺 《黑龙江科技学院学报》 CAS 2007年第4期251-253,共3页

针对薄膜-基体双复合材料结构的薄膜裂纹问题,研究了薄膜材料的力学行为,进行了裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端未达到交界面情形下问题的分析。基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜-... 针对薄膜-基体双复合材料结构的薄膜裂纹问题,研究了薄膜材料的力学行为,进行了裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端未达到交界面情形下问题的分析。基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜-基底双复合材料结构的断裂机理,得到了薄膜与基底不同的弹性错配及薄膜与基底的不同的厚度比率,对薄膜裂纹应力强度因子的影响。结果表明:随着hs/hf的减小,应力强度有很大幅度的提高,当hs/hf≥10时,基底的厚度对薄膜裂纹的影响较小,可以忽略不计;当薄膜-基底结构退化为单一材料时,应力强度因数趋向于1。 展开更多

关键词 裂纹 薄膜-基底结构 应力强度因子 有限元方法

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基于柔性基底的压电能量收集器的设计 被引量：11

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作者 骆懿 梅开煌 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第8期1293-1298,共6页

以PDMS为柔性基底设计的PVDF压电薄膜新型压电能量收集器压电性能良好,柔韧性强,可适应复杂的振动环境,具有广阔的应用前景。首先设计了具有柔性基底的压电能量收集器的结构;其次,用PVDF颗粒采用静电纺丝法制备了PVDF压电薄膜;最后,实... 以PDMS为柔性基底设计的PVDF压电薄膜新型压电能量收集器压电性能良好,柔韧性强,可适应复杂的振动环境,具有广阔的应用前景。首先设计了具有柔性基底的压电能量收集器的结构;其次,用PVDF颗粒采用静电纺丝法制备了PVDF压电薄膜;最后,实验表明设计的压电能量收集器在振动频率为25 Hz,振动幅度为2 mm的激励下,开路输出峰值电压为8.38 V,输出功率密度为6.32μW/cm2;经Ansys有限元分析,发现增大激励源的振动幅度,可以提高压电能量收集器的开路输出电压和输出功率。 展开更多

关键词 振动能量收集 PVDF 压电薄膜 柔性基底

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U形互连-弹性基底组合结构延展性分析 被引量：2

7

作者 黄涛 董文涛 +2 位作者 肖琳 唐伟 黄永安 《现代制造工程》 CSCD 北大核心 2017年第4期17-21,49,共6页

可延展柔性电子器件可共形贴合在复杂曲面的弹性物体表面,在生物集成电子、共形天线等领域具有广泛应用。岛-桥结构设计提高了柔性电子器件的可拉伸能力,桥结构通常设计成U形互连结构,通过有限元计算发现,在拉伸过程中该结构呈现非常复... 可延展柔性电子器件可共形贴合在复杂曲面的弹性物体表面,在生物集成电子、共形天线等领域具有广泛应用。岛-桥结构设计提高了柔性电子器件的可拉伸能力,桥结构通常设计成U形互连结构,通过有限元计算发现,在拉伸过程中该结构呈现非常复杂的变形行为:桥结构经历纯弯、整体受拉,最后进入塑性变形阶段。桥结构的线宽和结构长跨比对结构延展性影响显著,计算结果表明:宽度减小可以提高结构拉伸能力,但是宽度过小,结构拉伸能力急剧降低;当结构宽度较大时,结构断裂前局部出现平面外屈曲;而跨度增加普遍明显地提高了结构的拉伸能力,但会使结构尺寸变大;长跨比小于1.4时,U形互连结构的延展性随长跨比的增加而增大。通过U形互连结构的变形机理研究可以优化互连结构的结构参数,提高柔性电子器件的延展性。 展开更多

关键词 屈曲 柔性电子 薄膜-基板结构 U形互连结构

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双层薄膜与弹性梯度基底三层结构表面失稳分析 被引量：2

8

作者 许超 王博 +2 位作者 毕皓皓 师岩 邓子辰 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第1期154-161,共8页

硬薄膜/软基底结构的表面失稳问题一直是柔性电子器件的难题,基于此,本文考虑了双层结构与弹性梯度基底间的界面剪切力,建立了双层薄膜/弹性梯度基底模型;利用位移协调条件,理论推导得到了双层薄膜/弹性梯度基底结构的临界应变和失稳波... 硬薄膜/软基底结构的表面失稳问题一直是柔性电子器件的难题,基于此,本文考虑了双层结构与弹性梯度基底间的界面剪切力,建立了双层薄膜/弹性梯度基底模型;利用位移协调条件,理论推导得到了双层薄膜/弹性梯度基底结构的临界应变和失稳波长的表达式并通过有限元仿真,验证了本研究解析解的有效性。在此基础上,应用此解析解进一步研究了弹性梯度基底的材料、双层薄膜结构厚度比等参数对临界应变和波长的影响。结果表明:减小器件层的厚度或者增加封装层的厚度,可以提高双层膜/弹性梯度基底结构的稳定性;当弹性梯度材料基底表面“较软”或器件层“较硬”时,器件层与基底界面的剪切力的影响较大,可以提升三层膜/基结构抵抗界面破坏的能力。本研究成果将为硬薄膜/弹性梯度基底结构的柔性电子器件的制备提供理论支撑。 展开更多

关键词 双层薄膜/弹性梯度基底结构 屈曲理论 临界应变 柔性电子

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薄膜基底结构界面裂纹应力和电场集中因子分析 被引量：1

9

作者 邱俊杰 李荣佳 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第3期1276-1282,I0026,共8页

为满足工程机械中对薄膜基底结构力学性能的精确评价,基于力电耦合有限元法对垂直于薄膜基底结构间界面裂纹问题进行分析。研究了力电载荷作用下薄膜基底结构裂纹长度、厚度对裂纹尖端附近应力场和电场的影响,并对压电界面裂纹应力集中... 为满足工程机械中对薄膜基底结构力学性能的精确评价,基于力电耦合有限元法对垂直于薄膜基底结构间界面裂纹问题进行分析。研究了力电载荷作用下薄膜基底结构裂纹长度、厚度对裂纹尖端附近应力场和电场的影响,并对压电界面裂纹应力集中因子和电场集中因子进行求解。数值算例结果表明:电场强度在裂尖附近靠近薄膜的地方电场集中明显,且薄膜内的电场强度值大于基底内的值;随着界面处裂纹长度的增大,应力分量及电场强度值越大;薄膜与基底厚度比越小,应力分量及电场强度值越大,且变化越来越明显。 展开更多

关键词 薄膜基底结构 力电耦合 压电材料 界面裂纹 集中因子

原文传递

弹性薄膜裂纹的应力强度因子分析 被引量：3

10

作者 刘宝良 阎龙海 刘彦彬 《黑龙江科技学院学报》 CAS 2005年第6期355-357,共3页

对裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端达到了交界面的情形进行分析。基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜—基底结构的断裂机理,得到了薄膜与基底的不同弹性错配及不同厚度比率对薄膜裂... 对裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端达到了交界面的情形进行分析。基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜—基底结构的断裂机理,得到了薄膜与基底的不同弹性错配及不同厚度比率对薄膜裂纹的应力强度因子的影响。结果表明:对于β=0和β=α/4的条件下,应力强度因子的幅值随着α值(-1<α<+1)的增大而减小,其误差小于5%。 展开更多

关键词 薄膜-基底结构 裂纹 应力强度因子 有限元方法

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双材料结构无弹性错配时SIF分析 被引量：1

11

作者 刘宝良 毕贤顺 孙立红 《黑龙江科技学院学报》 CAS 2006年第3期152-155,共4页

针对双材料(薄膜—基底)结构应力强度因子分析过渡到单一材料时,产生较大误差,对原有计算公式进行了修正。结果表明,对深裂纹问题,修正后的计算公式与原有的单一材料结论吻合较好。这为实验研究及理论分析提供了一定的参考。

关键词 薄膜-基底结构 裂纹 应力强度因子

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膜-基结构光热敏感凝胶膜起皱临界波长与临界应力分析 被引量：1

12

作者 颜慧贤 魏茂金 姚豪杰 《高分子通报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第5期51-58,共8页

粘附于弹性基底的光热敏感凝胶薄膜-基底结构广泛应用于微机械、生物传感器和促动器等领域。当光强或温度变化时,光热响应凝胶膜发生溶胀,由于基底的限制作用,凝胶膜中存在的压应力可能使凝胶膜发生起皱失稳。基于光热敏感凝胶溶胀大变... 粘附于弹性基底的光热敏感凝胶薄膜-基底结构广泛应用于微机械、生物传感器和促动器等领域。当光强或温度变化时,光热响应凝胶膜发生溶胀,由于基底的限制作用,凝胶膜中存在的压应力可能使凝胶膜发生起皱失稳。基于光热敏感凝胶溶胀大变形理论与冯卡门几何非线性薄板理论,本文对膜-基结构光热敏感凝胶膜起皱失稳机理进行分析,计算了不同光强、温度、溶剂化学势及刚度系数条件下凝胶膜起皱的临界波长和临界应力。结果表明:当环境的光强和温度相同时,溶剂的化学势越大,光热敏感凝胶膜起皱的临界应力越大;当溶剂的化学势相同时,环境的光强越强,温度越高,临界应力越大;在环境温度和光强相同的情况下,光热敏感凝胶膜-基底结构的刚度系数越小,起皱时的临界波长越大;在刚度系数相同的情况下,环境温度越低,光强越弱,起皱临界波长越小。 展开更多

关键词 光热敏感凝胶 薄膜-基底结构 起皱 临界波长 临界应力

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具有挠曲电效应的薄膜-有限厚度基底结构的屈曲行为研究

13

作者 王辰宇 王博 +2 位作者 张博涵 黄永安 欧阳华江 《固体力学学报》 2025年第1期15-26,共12页

本文建立了一个具有挠曲电效应薄膜-有限厚基底结构屈曲的理论模型,通过最小能量法对结构总能量进行分析,研究了挠曲电效应对薄膜-基底结构发生屈曲演化的影响,并对全局屈曲和局部起皱两种屈曲模式进行了区分.目前研究表明薄膜中挠曲电... 本文建立了一个具有挠曲电效应薄膜-有限厚基底结构屈曲的理论模型,通过最小能量法对结构总能量进行分析,研究了挠曲电效应对薄膜-基底结构发生屈曲演化的影响,并对全局屈曲和局部起皱两种屈曲模式进行了区分.目前研究表明薄膜中挠曲电效应越强,结构越细长,越倾向于发生全局屈曲.同时,结构发生失稳所需的临界应变越大,且挠曲电效应对局部起皱失稳模式的影响更突出.挠曲电效应的存在会增大结构的刚度,改善结构的可拉伸性.褶皱薄膜中挠曲电效应的可控性对材料极性的产生与控制有着重要意义.这些发现将有助于微纳尺度上机电设备的设计与应用. 展开更多

关键词 挠曲电效应 有限厚度基底 薄膜-基底结构 屈曲模式

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微电子机械系统的几个力学问题 被引量：9

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作者 余寿文 《机械强度》 EI CAS CSCD 北大核心 2001年第4期380-384,共5页

讨论微电子机械系统 (MEMS)的三个力学问题 :( 1)微系统界面区域的力学性质。 ( 2 )薄膜—基底结构界面的裂纹扩展。 ( 3)微机械的弹塑性—粘着接触力学。文中在简述了研究现状后 ,简要地报导了作者及其合作者对上述三个问题的研究结果。

关键词 微电子机械系统 办学界面 薄膜基底结构 弹塑性-粘着接触力学 裂纹扩展

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