带有残余应力的膜/基体系力学性质同步测试理论研究

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薄膜以及薄膜/基层结构不仅被广泛的应用在许多技术领域当中,例如在机械、土木、生物工程等领域,而且在人们的日常生活中也普遍存在,如墙壁的粉刷层与墙壁、胶带纸与其粘附体和屋顶防水层与屋顶等均可视为薄膜/基层结构。对于薄膜结构的可靠度、耐久性以及稳定性的分析研究,需要对薄膜的力学性质有充分的了解。因此,对薄膜的泊松比、残余应力、杨氏弹性模量以及膜/基界面的粘附强度等力学性质的测试是非常有必要的。现有的测试理论通常不考虑薄膜残余应力的影响,并且往往需要预先已知薄膜的弹性模量(或者泊松比),进而确定出其他参量。这种分开实验是有误差的,即利用以往的实验数据(例如泊松比)对本次实验是有误差的,这一误差会带来本次实验测量的杨氏弹性模量、残余应力,以及膜/基界面粘附强度的误差。因而,在我们之前的研究中,提出了“同步测试”这一概念,并给出了不带有残余应力的膜/基体系力学性质的同步测试方法。但是,众所周知,膜/基体系的制作环境、加工方法以及制造程序等均可能使薄膜带有一定的残余应力。因此,本课题致力于带有残余应力的膜/基体系力学性质的同步测试理论研究,即将薄膜的残余应力考虑进去,并通过分析同一次实验数据,同时获得薄膜的泊松比、杨氏弹性模量、残余应力以及膜/基界面的粘附强度。  论文主要由以下七个章节组成:  第一章主要介绍了本文问题的提出及其研究意义,并详细的阐述了国内外研究现状、主要研究目标、研究内容以及主要的创新之处。  第二章介绍了本课题研究所需了解的弹性力学中薄板问题的一些基本理论。  第三章主要介绍了薄膜及膜/基体系力学性质的现有测试方法。  第四章分别给出了轴载作用下带有初始应力的周边夹紧的圆形薄膜及中心带硬芯的环形薄膜轴对称变形问题方程建立以及求解的过程,并给出了具体的数值算例。  第五章基于第四章给出的薄膜问题的完整解析解,提出了两种带有残余应力的膜/基体系力学性质的同步测试方法,这两种方法均可以通过分析同一次实验数据,同时获得薄膜的泊松比、杨氏弹性模量、残余应力以及膜/基界面的粘附强度。  第六章分析了本文方法的优越性,并将本文的测试方法与现有的测试方法进行对比。  第七章对本文的主要研究成果进行了总结,并且对接下来的研究做出了展望。本文考虑了残余应力的影响,并首次给出了可以同时确定薄膜弹性模量、残余应力、泊松比以及膜/基界面的粘附强度的同步测试方法,所给出的测量方法能够满足独立薄膜对杨氏弹性模量、泊松比、残余应力的同步测试需要,这是本文工作的主要创新之处。本文的研究对同步测试技术的改进与发展,以及进一步研发同步测试成套装置和技术具有积极的价值和意义。
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