基于全场位移测量的薄膜材料力学性能测试系统研制

薄膜材料在机械、信息和能源等领域具有广泛的应用，其界面结合能和应力应变关系对薄膜材料及器件的设计、加工与使用具有重要的影响。通过一套实验设备把不同薄膜材料体系的这两个力学性能测试出来具有重要意义。在众多薄膜材料力学性能测试方法中鼓包法既能确定薄膜材料的界面结合能，又能确定其应力应变关系。目前制约这种方法在薄膜材料力学性能测试中广泛应用的主要问题一是鼓包过程的位移测量方式与精度，二是不同薄膜材料体系的鼓包法测量模型有待完善。.在已开展薄膜材料力学性能理论与实验研究的基础上，本项目拟开展薄膜材料界面结合能和应力应变关系的测试系统研制，主要包括：(1) 基于数字散斑相关法高精度全场位移测量装置和鼓包加载与测试装置研制，(2) 不同薄膜体系界面结合能和应力应变关系鼓包法测试模型，(3) 测试系统的集成和自动化，(4) 测试参数对测试结果的影响及系统标定。本项目将为薄膜材料的研究与应用提供实验设备。

薄膜材料的界面结合能与应力应变关系对薄膜材料及器件的设计、加工与使用具有重要的意义。鼓包法既能确定薄膜材料的界面结合能，又能确定其应力应变关系，但鼓包过程的位移测量方式与精度以及不同薄膜材料体系的鼓包法测量模型有待完善。本项目研制了基于全场位移测量的薄膜材料力学性能测试系统，主要研究内容为：(1) 基于数字散斑相关法高精度全场位移测量装置和鼓包加载与测试装置研制，(2) 不同薄膜体系界面结合能和应力应变关系鼓包法测试模型，(3) 测试系统的集成和自动化，(4) 测试参数对测试结果的影响及系统标定。本项目取得的主要研究成果如下：.(1) 研制了“XTU-1型薄膜材料力学性能鼓包测量仪”。仪器由样品台、加载机构、检测薄膜样品所受压力和变形的测量机构以及控制计算机和测试软件组成。仪器采用基于大口径远心镜头的数字散斑相关方法测量薄膜的鼓包变形，其鼓包位移分辨率为0.25微米，测量范围为5毫米，散斑图像分辨率为1628x1236；仪器的最大鼓包载荷为10兆帕。仪器进行了系统集成，鼓包的加载和鼓包形貌的测试由计算机根据预先设定参数自动控制完成测试。研制的仪器达到项目申报书中提出的技术指标，其中鼓包位移测试分辨率高于项目申报书提出的技术指标(0.5微米)。.(2) 在测试模型方面，本项目提出了通过参数识别法测试弹塑性薄膜界面结合能的方法，首先通过模拟不同界面结合能下的鼓包过程并得到薄膜开裂时的鼓包临界压强和鼓包临界挠度，对模拟结果进行参数识别处理得到薄膜界面结合能、鼓包临界压强和鼓包临界挠度之间的具体关系，从而得到薄膜材料界面结合能的表达式。在实际应用中，通过界面结合能表达式和仪器测试数据即可计算出薄膜材料的界面结合能。另外，还提出了柔性薄膜界面结合强度的鼓包法测试模型方法。.(3) 本项目在仪器研制过程中申请发明专利3项目，其中1项授权，发表学术论文10篇，其中SCI论文8篇，培养已毕业博士研究生1名，已毕业硕士研究生4名，在读硕士研究生2名。研制仪器先后为西安交通大学和湘潭大学的相关科研项目提供测试服务，同时为本校材料科学与工程本科专业开设专业实验两届60余人次。.本项目将仪器软硬件和测试模型相结合进行研究，研制了可测试弹塑性薄膜材料界面结合能和应力-应变关系的实验设备。仪器实现了系统集成与操作的计算机控制，可为薄膜材料的研究与教学服务，对薄膜材料的发展具有重要的促进作用。