微小結(jié)構(gòu)粘附的尺度效應(yīng)與張拉法的理論研究.pdf

1、近二十多年以來,隨著材料科學和微加工技術(shù)的進步,微/納機電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)得到了迅猛發(fā)展,這些微結(jié)構(gòu)元件基本都是0.1微米到幾微米厚,橫向尺寸大約10~500微米,系統(tǒng)內(nèi)部各個部件之間距離都在1微米左右,這些結(jié)構(gòu)元件的表面積—體積比和縱橫比都很大,使得表面粘附效應(yīng)很明顯,微元件很容易因為相鄰表面互相靠近而粘附在一起從而使得整個微系統(tǒng)失效。然而同時,表面粘附效應(yīng)也給我們帶來了許多意向不到的用途,比如微電子的封裝(Wafer bo

2、nding);最近研究還發(fā)現(xiàn),自然界的許多“攀爬高手”(如壁虎)就是充分利用腳毛與墻壁之間的Van der Waals相互作用而保持在快速爬行中緊緊地粘附在墻壁上,這一重大發(fā)現(xiàn)給微型爬行機器人的設(shè)計帶來了新的發(fā)展方向。要想有效地控制或利用微結(jié)構(gòu)之間的粘附效應(yīng),我們首先必需清楚表面粘附相互作用的機制,通常用來表征這一相互作用的就是材料表面的粘附能。實驗中用來測量表面粘附能的方法有很多種,但是薄膜,特別是生物膜的表面粘附能不容易測量,張拉法

3、就是其中最主要、最常用的一種測量薄膜粘附能的實驗方法。當然,表面粘附是一個涉及物理、化學、生物和力學等多學科的交叉科學,本文主要是從力學角度,從理論上研究微尺度表面粘附的尺度效應(yīng)和薄膜表面粘附能的測量方法——張拉法。
　　本文的主要工作可歸納為兩大部分:
　　第一部分:從接觸力學的基本理論出發(fā),分析比較了接觸理論發(fā)展過程中較常用的四類模型:Hertz模型、JKR模型、DMT模型和MD模型之間的關(guān)系,并分別應(yīng)用經(jīng)典的JKR粘附

4、接觸模型和Hertz接觸模型來討論纖維結(jié)構(gòu)納米粘附和胞吞病毒顆粒粘附中的尺度效應(yīng),以期幫助改進仿生壁虎爬行機器人粘性腳的設(shè)計,以及幫助我們設(shè)計出合理的納米顆粒載體作為藥物輸送的工具。
　　第二部分:首先應(yīng)用von Karman板殼理論推導(dǎo)出張拉法實驗中待測薄膜在試驗過程中的變形狀態(tài)方程,建立理論模型,并分別就矩形壓頭和圓形壓頭兩種實驗情形,利用上述模型導(dǎo)出薄膜表面粘附能的表達式。其次,研究了薄膜中的殘余應(yīng)力、壓頭與薄膜表面之間的滑

5、移邊界這兩個因素對實驗結(jié)果的影響,修正以往所用的粘附能表達式。并比較按照修正的表達式計算的粘附能與不考慮這兩個因素的計算值之間的差異,討論了這種差異與哪些實驗因素相關(guān)以及彼此的相關(guān)程度,如何削弱這些影響等等,并且就薄膜零抗彎剛度假設(shè)的合理性從理論和具體數(shù)值計算上進行分析和討論,為張拉法實驗提供理論支持。
　　最后,從理論上分析了殘余應(yīng)力對微機電系統(tǒng)(MEMS)中的微結(jié)構(gòu)元件的粘附失效的影響,計算發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力可以在一定程度上減少ME