MEMS涂层接触问题的有限元分析

发布时间：2017-09-08 01:25

  本文关键词：MEMS涂层接触问题的有限元分析

  更多相关文章： 涂层 粘着 分层 接触力学 有限元 硅微球轴承

【摘要】：在微机电系统(micro-electromechanical system，简称MEMS)中的接触表面镀一层减摩、耐磨和减黏的涂层有利于提高微器件的接触性能和使用寿命。然而由于受到涂层-基体材料的不匹配、涂层-基体界面的结合强度、表面粘着和循环外载等因素的影响，涂层-基体界面常常产生裂纹，并逐渐扩展而导致失效。因此本文主要研究内容包括两个方面，其一是微球轴承中微球与有涂层滚道的接触力学问题研究，其二是MEMS涂层的粘着接触分层问题研究。具体研究内容和结论如下： 首先建立了硅微球轴承中微球与镀有类金刚石(diamond-like carbon，简称DLC)涂层的硅基滚道有限元接触模型。分析了微球的材料、尺寸和DLC涂层的设计参数对微球轴承接触性能的影响。结果表明：微球轴承高速运转时，微球密度能显著地影响轴承的接触性能；选择尺寸适中、密度较小、弹性模量较小的微球以及适中的DLC弹性模量有利于提高轴承的接触性能。 其次，基于内聚力模型界面建立了微纳尺度下考虑界面分层的刚性球与涂层-基体系统弹塑性接触有限元模型。分析了最大压入深度、内聚强度、内聚能，涂层/基体弹性模量比和多次加载卸载循环对涂层-基体界面分层的影响。结果表明：增大压入深度会导致裂纹尺寸增大，增大内聚强度可以减小裂纹尺寸，增大内聚能可以阻止裂纹扩展，增大涂层弹性模量比会导致裂纹尺寸增大，多次加载卸载循环会加剧已经产生裂纹界面的损伤。 最后，基于Lennard-Jones势函数(简称LJ势)建立了微纳尺度下考虑表面粘着的刚性球与涂层-基体系统弹塑性粘着接触有限元模型。分析了最大压入深度、涂层/基体弹性模量比、涂层厚度、基体屈服强度、内聚强度、内聚能和多次加载卸载循环对涂层-基体系统接触性能的影响。在涂层与基体理想结合的情况下，结果表明：pull-off力随刚性球压入深度的增大而增大，增大涂层/基体弹性模量比和涂层厚度能减小pull-off力并增大承载能力，多次加载卸载循环极易引起界面产生较大的塑性累积；在考虑涂层-基体界面分层的情况下，引入了内聚力模型来表征界面。结果表明当界面结合强度不足时，产生pull-off力的时刻涂层-基体界面即出现裂纹，较大的内聚强度和内聚能可以减小裂纹尺寸，增大基体屈服强度使得裂纹尺寸有先减小后增大的趋势，，增大弹性模量比导致裂纹尺寸增大。在表面粘着力的作用下，卸载循环使得裂纹尖端产生二次拉伸屈服，加剧已经产生裂纹的界面的损伤。本研究将为MEMS涂层可靠性设计提供理论依据。
【关键词】：涂层 粘着 分层 接触力学 有限元 硅微球轴承
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 本文的研究背景和意义12-14
• 1.1.1 研究背景12-13
• 1.1.2 研究目的和意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-20
• 1.2.1 涂层接触力学研究现状14-15
• 1.2.2 涂层粘着接触研究现状15-19
• 1.2.3 涂层分层研究现状19-20
• 1.2.4 微球轴承研究现状20
• 1.3 本文研究内容20-22
• 第2章 微球轴承接触问题的有限元研究22-38
• 2.1 引言22
• 2.2 微球轴承模型22-24
• 2.2.1 微球轴承结构22-23
• 2.2.2 微球轴承有限元模型23-24
• 2.3 无涂层微球轴承接触问题有限元研究24-28
• 2.3.1 模型验证24-25
• 2.3.2 微球材料和尺寸对轴承接触性能的影响25-26
• 2.3.3 微球材料密度对轴承接触性能的影响26-28
• 2.4 有涂层微球轴承接触问题有限元研究28-36
• 2.4.1 模型验证28
• 2.4.2 微球材料和尺寸对滚道涂层接触性能的影响28-30
• 2.4.3 微球材料密度对侧壁涂层接触性能的影响30-33
• 2.4.4 表面摩擦对滚道涂层接触性能的影响33-36
• 2.5 本章结论36-38
• 第3章 考虑涂层-基体分层的弹塑性接触研究38-52
• 3.1 引言38
• 3.2 涂层-基体系统接触力学模型38-41
• 3.2.1 内聚力模型38-39
• 3.2.2 涂层-基体分层的接触力学模型39-41
• 3.3 结果和讨论41-51
• 3.3.1 最大压入深度对涂层-基体分层的影响42-46
• 3.3.2 内聚强度对涂层-基体分层的影响46-47
• 3.3.3 内聚能对涂层-基体分层的影响47-48
• 3.3.4 涂层/基体弹性模量比对涂层-基体分层的影响48-49
• 3.3.5 多次加载卸载循环对涂层-基体分层的影响49-51
• 3.4 本章结论51-52
• 第4章 涂层-基体系统弹塑性粘着接触研究52-72
• 4.1 引言52
• 4.2 涂层-基体系统弹塑性粘着接触模型52-55
• 4.2.1 涂层-基体系统弹塑性粘着接触物理模型52-53
• 4.2.2 涂层-基体系统弹塑性粘着接触有限元模型53-55
• 4.3 结果和讨论55-70
• 4.3.1 基体屈服强度对弹塑性粘着接触的影响56-65
• 4.3.2 涂层/基体弹性模量比对弹塑性粘着接触的影响65-67
• 4.3.3 涂层厚度对弹塑性粘着接触的影响67-68
• 4.3.4 多次加载卸载循环对弹塑性粘着接触的影响68-70
• 4.4 本章结论70-72
• 第5章 考虑涂层-基体分层的弹塑性粘着接触研究72-90
• 5.1 引言72
• 5.2 涂层-基体分层的弹塑性粘着接触模型72-74
• 5.2.1 涂层-基体分层的弹塑性粘着接触物理模型72-73
• 5.2.2 涂层-基体分层的弹塑性粘着接触有限元模型73-74
• 5.3 结果和讨论74-88
• 5.3.1 压入深度对弹塑性粘着接触分层的影响75-78
• 5.3.2 内聚强度对弹塑性粘着接触分层的影响78-81
• 5.3.3 内聚能对弹塑性粘着接触分层的影响81-82
• 5.3.4 基体屈服强度对弹塑性粘着接触分层的影响82-84
• 5.3.5 涂层/基体弹性模量比对弹塑性粘着接触分层的影响84-86
• 5.3.6 多次加载卸载循环对弹塑性粘着接触分层的影响86-88
• 5.4 本章结论88-90
• 结论与展望90-93
• 1.本文的主要工作及结论90-91
• 2.创新点91-92
• 3.研究展望92-93
• 参考文献93-100
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单100-101
• 致谢101

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 王晓力;苗大东;;基于无网格方法的涂层接触问题研究[J];北京理工大学学报;2014年09期

2 冯登泰;接触力学的发展概况[J];力学进展;1987年04期

3 本刊编辑部;;快速发展的中国洗涤剂工业[J];日用化学品科学;2009年01期

本文编号：811061