化学转化膜形成过程中残余应力的原位动态研究

化学转化膜由于成本低、制备方便、厚度均匀且具有特殊的物化和机械性能，而被广泛应用于再制造领域。然而，膜层中普遍存在的残余应力是其直接和间接应用过程中开裂、剥离、脱落等失效的主要原因之一，严重影响了膜层的使用范围和寿命。准确测定膜层的残余应力对控制及设计具有良好性能的膜层具有重要的工程意义和科学意义。但这类膜层由于其制备工艺的特殊性，残余应力是随化学反应动态产生和发展的，它受诸多因素的影响，其机理尚未见报道，只有通过原位监测膜层形成过程中残余应力的动态变化，揭示其规律，才能准确控制和优化膜层的质量。本项目将创新性地使用场发射环境扫描电镜和纳米力学综合测试系统，原位动态监测膜层形成过程中残余应力的变化规律，重点分析微裂纹的萌生与扩展，并运用分子动力学及有限元技术摸拟膜层的生长过程中残余应力的形成与释放机制。

化学转化膜由于成本低、制备方便、厚度均匀且具有特殊的物化和机械性能，而被广泛应用于再制造领域。然而，由于转化膜形成过程中温度、结构、成分以及能量等因素的多变性，导致残余应力的产生难以避免。膜层中普遍存在的残余应力是导致其直接和间接应用过程中开裂、剥离、脱落等失效问题的主要原因之一，严重影响了膜层的使用范围和寿命。本项目基于化学转化膜中残余应力产生过程的复杂性及多变性，系统研究了两类典型化学转化膜形成过程中残余应力的产生、发展及主要工艺因素的影响与作用机制。重点探索使用纳米力学综合测试系统，结合场发射环境扫描电镜动态研究转化膜形成过程中的结晶动力学特征和残余应力的演变规律，并运用分子动力学及有限元技术摸拟膜层生长过程中的残余应力形成与释放机制。项目按照预期研究目标实施，研究过程顺利，已经完成的研究内容有：明确了主要成膜工艺因素对转化膜结构、状态及性能的影响，为残余应力形成机制的分析提供了基础数据和理论依据；采用原位及适时取点的方法研究并揭示了转化膜制备过程中应力形成的主要诱导因素，明确了转化膜不同成膜阶段的应力特征；根据转化膜形成过程中压痕形貌的演变特点，结合对应深度信息的提取，分析并计算出转化膜生长过程中的残余应力的变化规律；利用有限元法基于ABAQUS软件平台功能模拟了化学转化膜形成过程的应力状态演变及表面开裂过程，为化学转化膜制备及应用过程中的应力控制提供了理论基础和实验依据。同时，基于上述研究成果申请国家发明专利一项，完成相关学术论文22篇，其中发表SCI和EI论文13篇、录用6篇、送审3篇。