低維材料力電性能測試理論和表征方法研究

《低維材料力電性能測試理論和表征方法研究》是依託鄭州大學，由趙明皞擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：低維材料力電性能測試理論和表征方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙明皞
• 依託單位：鄭州大學

項目摘要

考慮基體變形和基體質量特性的影響，研究建立兩類低維材料力電性能的測試理論和方法：1）新的納米線（管）動靜態微納橋測試理論和方法；2）新的納米薄膜鼓泡實驗理論和方法。基於非局部理論，建立考慮材料內稟尺度的實驗理論閥連滲白，給出適用於微納觀多尺度的實驗方法；根據接觸力學JKR理論請跨姜，建立考慮低維材料和實驗壓頭之間黏附性能的彈塑性實驗理論模型；融入電學性能，給協櫃疊拳出低維鐵電材料力電性能的實驗理論模型；研究相應的反演方法，實現力電性能的實驗測試；在理論研究的基礎上，開發通用的低維材料動靜態彈塑性實驗力學分析和實驗數據處理軟體；開展實驗測試研究，驗證實驗理論體系、實驗方法和取得的理論成果。最終給出完善的低維材料性能的動靜態微納橋、鼓泡等彎曲實驗方法理論體系和系統的表征方法。該項目研究對力學等相關學科的發展具有重要的理論意義，對微/納力電系統（MEMS/NEMS）等相關行業的發展具有重要的套用價值。

結題摘要

材料的力、電等性能直接影響著微/納電子機械系統的耐久性和可靠性，但低維材料的尺度給實驗測試帶來很大困難。本項目研究給出了三類測試方法，同時研究了界面、熱對低維材料的影響，具體取得了以下成果： 1) 考慮材料的力電耦合特性和內稟尺度參數，研究低維壓電材料彎曲測試方法，給出考慮基體變形的壓電懸臂樑法和微納橋法理論模型的解析解。同時考慮基體變形和材料內稟尺度下，微橋大撓度彎曲的解析解，利用實驗數據擬合，求得矽基體上的氮化矽的楊氏模量、殘祖芝笑余應力和尺度參數。為壓電材料的彎曲測試提供正確的理論依據。 2) 研究理想彈塑性多層薄膜壓痕試驗方法中載荷-壓入深度關係，給出考慮殘餘應力影響的多層薄膜的壓痕應力表達式。給出梯度薄膜壓痕方法測試彈性模量的表征理論和方法，針對不同壓頭的梯度薄膜壓痕實驗編制了測試系統。為薄膜材料的彈性模量、殘餘應力、界面斷裂韌度等力學參數測試提供了壓痕實驗方定簽寒法。 3) 研究給出力-電耦合載荷下介電/壓電材料的雙懸臂樑模型，給出能量釋放率解析解，研究裂紋面感生靜電力對裂紋擴展的影響。將雙梁模型看作薄壁結構，利用邊界元方法研究，編制了Mathematic軟體，對薄壁結構重新進行邊界元數值模擬，同時將靜電力融入到邊界元程式中，提供了低維壓電材料雙懸臂樑模型的邊界元軟體和數值分析方法。 4) 針對薄膜/基體、雙懸臂樑等模型中的界面裂紋，考慮溫度的影響，建立了邊界積分-微分方程，運用邊界積分方程方法，研究了界面裂紋的震盪奇異喇糊體性和強度因子。將Delta函式用Gaussian分布函式表示，消除裂紋尖端的振盪奇異性，得到不同形狀單元的廣義不連續位移基本解，編微店制邊界元程式，研究界面、溫度對低維材料斷裂的影響。 5) 分析石英晶體平板厚度振動的二維標量微分方程（S-T方程）的變分形式，研究不同類型石英晶體諧振器、濾波器的厚度振動特性，為低維材料石英晶體諧振器、濾波器的生產和加工提供理論依據。