含任意裂纹薄膜基底系统的界面脱层与屈曲动力学模拟

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薄膜基底结构在各个领域都有着广泛的应用。由于薄膜与基底间的各种失配,薄膜中往往存在较大的残余应力;最常见的破坏模式中,残余拉应力导致薄膜开裂,而残余压应力经常导致薄膜起皱或翘曲。薄膜开裂的同时往往伴随着其他的失效行为,如界面脱层或屈曲等。研究薄膜裂纹与其他失效模式耦合作用的机理具有重要意义。本文通过一个统一的理论模型与模拟,研究含裂纹薄膜的界面脱层及屈曲动力学行为,主要工作如下。  我们通过集成等效本征应变方法处理裂纹薄膜弹性,格林函数方法处理基底变形,内聚区方法模拟界面,在能量最小化的框架下发展金兹堡-朗道动力学模拟含裂纹薄膜脱层动力学过程。通过模拟不同厚度和裂纹分布下薄膜的脱层过程,揭示了薄膜厚度与裂纹分布对脱层过程的影响,并探究载荷各向异性对薄膜脱层行为的影响。通过模拟各种形状岛结构的脱层过程,给出形状影响岛脱层行为的机理。  我们研究了薄膜裂纹附近出现局部起皱的现象。通过实验观察脆性和韧性聚合物自由薄膜裂纹附近的形貌,发现只有韧性聚合物薄膜裂纹附近出现屈曲。对前面的理论模型进行拓展,考虑系统的面外位移,薄膜的裂纹扩展和塑性变形。模拟结果表明塑性区的塑性应变导致了各向异性压应力,从而导致了裂尖的局部屈曲形貌。衬底上薄膜裂纹尖端塑性区尺寸与薄膜厚度之间的反比关系进一步解释了局部屈曲尺寸与薄膜厚度之间的反比关系。
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