基于渐进均匀化方法的典型非均质材料力学特性研究

发布时间：2020-06-29 11:57

【摘要】：随着电子封装技术的迅速发展,新的封装材料不断涌现,以复合材料、多孔介质和叠层材料为代表的非均质材料凭借其优良的综合性能在电子封装领域获得了广泛的运用。非均质材料在宏观层次可以等效为均匀连续的物质,而在微观尺度又展现出非均质的特征。非均质材料研究的重要课题就是建立材料宏微观尺度之间的联系、探索材料微观结构与宏观等效特性的关联、分析宏微观特性之间的转换关系。对非均质材料的多尺度问题进行深入研究可以让研究者了解材料宏观特性的微观本质,可以根据材料微观结构特征预测宏观等效特性,更为重要的是,研究者能够对材料的微观结构进行设计和优化以获取理想的材料特性。这对于提高封装结构可靠性、改进生产工艺、促进产品性能的提升具有重要的指导意义。本文基于渐进均匀化的思想,采用多尺度的研究方法对电子封装中典型非均质材料的力学特性进行了研究。建立了典型非均质材料的几何模型,分析了非均质材料宏观等效特性和局部应力场的主要表达形式,探讨了材料微观结构特征与宏观等效力学特性之间的关联。结合电子封装中非均质材料的特点,构建了非均质材料多尺度问题的分析框架,并运用多尺度渐进均匀化方法研究了三类典型非均质材料的力学特性。首先,将多尺度渐进均匀化方法应用于颗粒复合材料中,采用随机次序填充算法建立了颗粒复合材料的代表性体积元模型,利用多尺度渐进均匀化方法研究了大功率LED封装中硅胶荧光粉颗粒复合材料微观结构特征与宏观等效力学特性的关联。采用实验测试、理论预测和计算仿真的方法综合分析了荧光粉颗粒含量、颗粒尺寸大小和颗粒空间分布等特征对硅胶荧光粉复合材料宏观等效特性的影响。结合界面内聚力模型,探索了颗粒复合材料损伤失效的机理。分析结果表明,荧光粉颗粒含量的增加会导致复合材料等效弹性模量的上升,荧光粉颗粒密集处会产生局部的应力集中,颗粒复合材料的损伤失效将在高应力区域萌生和扩展。其次,将多尺度渐进均匀化方法应用于多孔介质中,采用数字图像处理的方法建立了多孔介质的代表性体积元模型,利用多尺度渐进均匀化方法研究了功率电子封装中多孔银介质微观形貌与宏观等效力学特性的关联。采用实验测试、理论预测和计算仿真的方法综合分析了多孔介质相对密度、微观形貌与载荷路径对材料宏观等效特性的影响。结合银材料的弹塑性本构关系,初步分析了多孔银介质在大变形条件下的响应特征。分析结果表明,多孔介质相对密度的增加会导致材料等效弹性模量的提高,同时会使得材料整体的剪切强度上升。最后,将多尺度渐进均匀化方法应用于叠层材料中,根据材料微观结构尺寸和空间排布特点建立了柔性太阳能电池封装中叠层材料的代表性体积元模型,利用多尺度渐进均匀化方法研究了叠层材料的微观结构特征与宏观等效力学特性之间的关联。采用实验测试、理论预测和计算仿真的方法综合分析了叠层材料微观结构尺寸和组分材料特性对等效力学特性的影响。结合不同温度下的材料特性数据,研究了常温、75℃和125℃的环境温度下叠层材料的等效力学特性和失效机理。分析结果表明,电极材料和层间的界面是柔性太阳能电池封装中的薄弱环节,在高温条件下叠层材料承受机械载荷的能力大大降低。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN04

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