[发明专利]一种用于测量薄膜力学特性的鼓泡方法

摘要

本发明利用扫描电子显微镜的真空工作环境以及其高分辨率显微特性，提出了一种测量薄膜力学特性的鼓泡方法。将层合中空试样置于扫描电子显微镜中使得层合材料的薄膜变形形成鼓泡后，利用薄膜的散斑图像，通过DIC算法求得薄膜表面的面内位移场，并利用该面内位移场求得鼓泡的面内应变和薄膜表面的离面高度，进而求得薄膜的双轴模量和初始残余应力。本发明克服了传统鼓泡法加载装置复杂且成本昂贵的问题，仅通过一次加载即可同时测量双轴模量和残余应力。

主权项

一种用于测量薄膜力学特性的鼓泡方法，包括以下步骤：a.在具有圆形通孔的基底的上表面制备金属薄膜，并在该薄膜的上表面制备散斑图，在基底的下表面涂覆环氧胶，金属薄膜和环氧胶分别覆盖基底的上表面和下表面，使得通孔成为密闭腔体，并且金属薄膜、基底、环氧胶三者固定地结合在一起形成层合中空试样；b.将该层合中空试样置于扫描电子显微镜试样台上，开启扫描电子显微镜的低真空模式，调节扫描电子显微镜的工作距离和放大倍数以得到层合中空试样上表面的清晰图像，拍摄此时层合中空试样上表面的中心区域的扫描电子显微镜图像，拍摄的视场范围为基底的圆形通孔的直径的1/10～1/3；c.开启扫描电子显微镜的高真空模式，保持此时扫描电子显微镜的工作距离和放大倍数与步骤b中相同，待层合中空试样表面产生鼓泡且鼓泡形状不再发生改变后，拍摄此时层合中空试样的中心区域的扫描电子显微镜图像，拍摄的视场范围与步骤b中的视场范围相同；d.利用数字图像相关算法对步骤b和步骤c中得到的两幅图像进行相关计算，求出薄膜的面内应变ε；e.保持扫描电子显微镜的高真空模式和工作距离不变，将扫描电子显微镜的放大倍数调整为步骤b中的1/3～1/8并重新对焦，以得到清晰扫描电子显微镜图像并拍摄此时的图像，拍摄的视场范围为基底的圆形通孔的直径的1.5～4倍；f.将扫描电子显微镜的试样台倾斜角度α，倾斜后对试样台做必要的三维位置调整，使得层合中空试样在倾斜后依然处于视场内并保持扫描电子显微镜的放大倍数和工作距离与步骤e中相同并拍摄此时的图像，拍摄的视场范围与步骤e中相同；g.利用数字图像相关算法对步骤e和f中所拍摄的两幅图像进行数字图像相关计算，求出该薄膜在倾斜试样台前、后其在水平面上垂直于试样台转轴方向的投影的位移变化量△y，并求得薄膜的离面高度ω0，进而求得薄膜的双轴模量M和残余应力σ0；其中，可利用下述公式求得薄膜的双轴模量M和残余应力σ0，其中，a为基底的圆形通孔的半径，P为1个大气压的压强，h为薄膜的厚度。