本文關(guān)鍵詞：MEMS涂層接觸問(wèn)題的有限元分析

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【摘要】：在微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electromechanical system，簡(jiǎn)稱MEMS)中的接觸表面鍍一層減摩、耐磨和減黏的涂層有利于提高微器件的接觸性能和使用壽命。然而由于受到涂層-基體材料的不匹配、涂層-基體界面的結(jié)合強(qiáng)度、表面粘著和循環(huán)外載等因素的影響，涂層-基體界面常常產(chǎn)生裂紋，并逐漸擴(kuò)展而導(dǎo)致失效。因此本文主要研究?jī)?nèi)容包括兩個(gè)方面，其一是微球軸承中微球與有涂層滾道的接觸力學(xué)問(wèn)題研究，其二是MEMS涂層的粘著接觸分層問(wèn)題研究。具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下： 首先建立了硅微球軸承中微球與鍍有類金剛石(diamond-like carbon，簡(jiǎn)稱DLC)涂層的硅基滾道有限元接觸模型。分析了微球的材料、尺寸和DLC涂層的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)微球軸承接觸性能的影響。結(jié)果表明：微球軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，微球密度能顯著地影響軸承的接觸性能；選擇尺寸適中、密度較小、彈性模量較小的微球以及適中的DLC彈性模量有利于提高軸承的接觸性能。 其次，基于內(nèi)聚力模型界面建立了微納尺度下考慮界面分層的剛性球與涂層-基體系統(tǒng)彈塑性接觸有限元模型。分析了最大壓入深度、內(nèi)聚強(qiáng)度、內(nèi)聚能，涂層/基體彈性模量比和多次加載卸載循環(huán)對(duì)涂層-基體界面分層的影響。結(jié)果表明：增大壓入深度會(huì)導(dǎo)致裂紋尺寸增大，增大內(nèi)聚強(qiáng)度可以減小裂紋尺寸，增大內(nèi)聚能可以阻止裂紋擴(kuò)展，增大涂層彈性模量比會(huì)導(dǎo)致裂紋尺寸增大，多次加載卸載循環(huán)會(huì)加劇已經(jīng)產(chǎn)生裂紋界面的損傷。 最后，基于Lennard-Jones勢(shì)函數(shù)(簡(jiǎn)稱LJ勢(shì))建立了微納尺度下考慮表面粘著的剛性球與涂層-基體系統(tǒng)彈塑性粘著接觸有限元模型。分析了最大壓入深度、涂層/基體彈性模量比、涂層厚度、基體屈服強(qiáng)度、內(nèi)聚強(qiáng)度、內(nèi)聚能和多次加載卸載循環(huán)對(duì)涂層-基體系統(tǒng)接觸性能的影響。在涂層與基體理想結(jié)合的情況下，結(jié)果表明：pull-off力隨剛性球壓入深度的增大而增大，增大涂層/基體彈性模量比和涂層厚度能減小pull-off力并增大承載能力，多次加載卸載循環(huán)極易引起界面產(chǎn)生較大的塑性累積；在考慮涂層-基體界面分層的情況下，引入了內(nèi)聚力模型來(lái)表征界面。結(jié)果表明當(dāng)界面結(jié)合強(qiáng)度不足時(shí)，產(chǎn)生pull-off力的時(shí)刻涂層-基體界面即出現(xiàn)裂紋，較大的內(nèi)聚強(qiáng)度和內(nèi)聚能可以減小裂紋尺寸，增大基體屈服強(qiáng)度使得裂紋尺寸有先減小后增大的趨勢(shì)，，增大彈性模量比導(dǎo)致裂紋尺寸增大。在表面粘著力的作用下，卸載循環(huán)使得裂紋尖端產(chǎn)生二次拉伸屈服，加劇已經(jīng)產(chǎn)生裂紋的界面的損傷。本研究將為MEMS涂層可靠性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：涂層 粘著 分層 接觸力學(xué) 有限元 硅微球軸承
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG174.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-22
• 1.1 本文的研究背景和意義12-14
• 1.1.1 研究背景12-13
• 1.1.2 研究目的和意義13-14
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-20
• 1.2.1 涂層接觸力學(xué)研究現(xiàn)狀14-15
• 1.2.2 涂層粘著接觸研究現(xiàn)狀15-19
• 1.2.3 涂層分層研究現(xiàn)狀19-20
• 1.2.4 微球軸承研究現(xiàn)狀20
• 1.3 本文研究?jī)?nèi)容20-22
• 第2章 微球軸承接觸問(wèn)題的有限元研究22-38
• 2.1 引言22
• 2.2 微球軸承模型22-24
• 2.2.1 微球軸承結(jié)構(gòu)22-23
• 2.2.2 微球軸承有限元模型23-24
• 2.3 無(wú)涂層微球軸承接觸問(wèn)題有限元研究24-28
• 2.3.1 模型驗(yàn)證24-25
• 2.3.2 微球材料和尺寸對(duì)軸承接觸性能的影響25-26
• 2.3.3 微球材料密度對(duì)軸承接觸性能的影響26-28
• 2.4 有涂層微球軸承接觸問(wèn)題有限元研究28-36
• 2.4.1 模型驗(yàn)證28
• 2.4.2 微球材料和尺寸對(duì)滾道涂層接觸性能的影響28-30
• 2.4.3 微球材料密度對(duì)側(cè)壁涂層接觸性能的影響30-33
• 2.4.4 表面摩擦對(duì)滾道涂層接觸性能的影響33-36
• 2.5 本章結(jié)論36-38
• 第3章 考慮涂層-基體分層的彈塑性接觸研究38-52
• 3.1 引言38
• 3.2 涂層-基體系統(tǒng)接觸力學(xué)模型38-41
• 3.2.1 內(nèi)聚力模型38-39
• 3.2.2 涂層-基體分層的接觸力學(xué)模型39-41
• 3.3 結(jié)果和討論41-51
• 3.3.1 最大壓入深度對(duì)涂層-基體分層的影響42-46
• 3.3.2 內(nèi)聚強(qiáng)度對(duì)涂層-基體分層的影響46-47
• 3.3.3 內(nèi)聚能對(duì)涂層-基體分層的影響47-48
• 3.3.4 涂層/基體彈性模量比對(duì)涂層-基體分層的影響48-49
• 3.3.5 多次加載卸載循環(huán)對(duì)涂層-基體分層的影響49-51
• 3.4 本章結(jié)論51-52
• 第4章 涂層-基體系統(tǒng)彈塑性粘著接觸研究52-72
• 4.1 引言52
• 4.2 涂層-基體系統(tǒng)彈塑性粘著接觸模型52-55
• 4.2.1 涂層-基體系統(tǒng)彈塑性粘著接觸物理模型52-53
• 4.2.2 涂層-基體系統(tǒng)彈塑性粘著接觸有限元模型53-55
• 4.3 結(jié)果和討論55-70
• 4.3.1 基體屈服強(qiáng)度對(duì)彈塑性粘著接觸的影響56-65
• 4.3.2 涂層/基體彈性模量比對(duì)彈塑性粘著接觸的影響65-67
• 4.3.3 涂層厚度對(duì)彈塑性粘著接觸的影響67-68
• 4.3.4 多次加載卸載循環(huán)對(duì)彈塑性粘著接觸的影響68-70
• 4.4 本章結(jié)論70-72
• 第5章 考慮涂層-基體分層的彈塑性粘著接觸研究72-90
• 5.1 引言72
• 5.2 涂層-基體分層的彈塑性粘著接觸模型72-74
• 5.2.1 涂層-基體分層的彈塑性粘著接觸物理模型72-73
• 5.2.2 涂層-基體分層的彈塑性粘著接觸有限元模型73-74
• 5.3 結(jié)果和討論74-88
• 5.3.1 壓入深度對(duì)彈塑性粘著接觸分層的影響75-78
• 5.3.2 內(nèi)聚強(qiáng)度對(duì)彈塑性粘著接觸分層的影響78-81
• 5.3.3 內(nèi)聚能對(duì)彈塑性粘著接觸分層的影響81-82
• 5.3.4 基體屈服強(qiáng)度對(duì)彈塑性粘著接觸分層的影響82-84
• 5.3.5 涂層/基體彈性模量比對(duì)彈塑性粘著接觸分層的影響84-86
• 5.3.6 多次加載卸載循環(huán)對(duì)彈塑性粘著接觸分層的影響86-88
• 5.4 本章結(jié)論88-90
• 結(jié)論與展望90-93
• 1.本文的主要工作及結(jié)論90-91
• 2.創(chuàng)新點(diǎn)91-92
• 3.研究展望92-93
• 參考文獻(xiàn)93-100
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單100-101
• 致謝101

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 王曉力;苗大東;;基于無(wú)網(wǎng)格方法的涂層接觸問(wèn)題研究[J];北京理工大學(xué)學(xué)報(bào);2014年09期

2 馮登泰;接觸力學(xué)的發(fā)展概況[J];力學(xué)進(jìn)展;1987年04期

3 本刊編輯部;;快速發(fā)展的中國(guó)洗滌劑工業(yè)[J];日用化學(xué)品科學(xué);2009年01期

本文編號(hào)：811061