[发明专利]一种受柔性基体约束薄膜疲劳寿命的测量方法

说明书

本发明涉及一种受柔性基体约束薄膜疲劳寿命的测量方法，属于薄膜材料疲劳性能试验技术领域。该方法包括四个步骤：将柔性基体上的薄膜制备成疲劳试样、对制备的疲劳试样在一定的挠度下进行应变标定、对疲劳试样进行相同挠度下的一定周次的弯曲疲劳实验、在固定周次疲劳加载下的试样上，确定薄膜样品中最远裂纹处所对应的临界疲劳失效应变。采用本发明提出的受柔性基体约束薄膜疲劳寿命的测量方法，此实验方法基于动态弯曲悬臂梁试验，通过直接观察薄膜表面疲劳裂纹，进而简单有效地确定柔性基体上金属薄膜以及非金属薄膜的疲劳寿命，为柔性基体薄膜的疲劳性能评价提供了新的思路。

技术领域

本发明涉及薄膜材料疲劳性能试验技术领域，具体涉及一种受柔性基体约束薄膜疲劳寿命的测量方法。

背景技术

具有基体支撑的金属或非金属薄膜在微电子器件中被广泛用于互连线或电极结构。特别是近些年来，柔性电子器件的快速发展使得可变形柔性基体上薄膜的力学性能受到广泛关注。在器件反复的拉伸、弯曲或扭转等变形时，薄膜材料不可避免地会受到循环载荷作用，进一步发生疲劳损伤或者失效。而针对薄膜材料疲劳损伤的实验方法尚不完善，目前普遍采用测量试样的物理参数变化(例如试样刚度变化或电阻变化等)来确定材料的临界疲劳失效周次。这些方法具有试样制备困难、实验过程复杂等缺点，同时亦不适用于测试不导电的非金属薄膜。因此有必要发展一种针对薄膜材料的普适性的疲劳实验方法来简单有效地评价金属或非金属薄膜疲劳性能并确定其疲劳寿命。

发明内容

针对如何确定受柔性基体约束金属和非金属薄膜疲劳寿命的问题，本发明的目的在于提供一种受柔性基体约束薄膜疲劳寿命的测量方法，该方法通过反复的弯曲疲劳加载，在薄膜中引入循环拉-压应变，类比于块体材料的传统拉-压疲劳实验。同时该方法易于操作，制备试样简单，可以得到一系列不同加载周次N下的临界疲劳失效应变ε_c，即，相当于在应变幅ε_c加载时薄膜的疲劳的寿命为N周。得到的ε_c-N曲线即为薄膜疲劳应变幅-寿命曲线。这一方法对于柔性基体薄膜的疲劳性能评价提供了一种新的思路。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种受柔性基体约束薄膜疲劳寿命的测量方法，该方法包括如下步骤：

(1)将柔性基体上的薄膜制备成疲劳试样；

(2)将疲劳试样在一定挠度下进行应变标定；

(3)对疲劳试样进行相同挠度下的弯曲疲劳实验，实验在固定的周次N下终止；

(4)对于固定周次加载下的疲劳试样，确定其最远裂纹处所对应的临界疲劳失效应变。即相当于在此应变加载下，薄膜的疲劳寿命为N周。

上述步骤(1)中，疲劳试样的制备过程为：将薄膜制备于柔性基体上，得到薄膜-基体复合材料，随后将薄膜-基体复合材料裁剪成矩形疲劳试样。

上述步骤(2)中，进行应变标定的过程为：首先使用应变标定装置将一定的挠度施加于疲劳试样上，使试样弯曲变形；随后通过对试样的横截面轮廓进行图像采集并对轮廓曲线进行三次多项式拟合，得到拟合方程y(x)，其中坐标原点建于试样夹持根部，x为试样弯曲时各点距y轴的距离，y为施加的挠度。通过弹性梁理论，可理论计算出疲劳试样在弯曲时沿长度方向各点的外加应变ε；应变ε＝h/2R，其中h为薄膜-基体复合材料的总厚度，R为各点在弯曲时的曲率半径；曲率半径R可由公式获得；应变最大值出现在夹持根部，沿着疲劳试样的长度方向逐渐减小。

上述步骤(3)中，弯曲疲劳实验在悬臂梁动态弯曲疲劳装置上实施，样品一端固定，另一端采用标定的挠度加载；循环加载通过电磁驱动器以一定频率(f)往复震动实现；当循环周次达到所需周次时，实验即可终止。