薄膜涂層材料中彈性波的傳播與涂層特性的超聲波反演.pdf

1、隨著材料科學的迅速發(fā)展,表面具有各種特殊性能的薄膜涂層材料在工程中得到廣泛應用.薄膜材料產(chǎn)品設(shè)計和質(zhì)量檢測中,涂層材料特性可作為選材標準和評價指標,測定涂層特性有很大的工程實用價值:另一方面,薄膜涂層形成過程中萌生的各種界面缺陷是導致涂層材料的動、靜態(tài)破壞的主要原因,準確識別界面缺陷是進行薄膜材料壽命評估和失效分析的基礎(chǔ).因此,作為超聲波測定涂層特性和識別界面缺陷的理論基礎(chǔ),薄膜涂層材料中彈性波傳播問題的研究具有十分重要的工程應用價值.

2、 本論文的研究工作分為兩大部分:(1)研究界面完全結(jié)合的薄膜涂層材料中廣義Rayleigh波的傳播,著重分析薄膜涂層密度及彈性常數(shù)等對頻散特性的影響;基于廣義Rayleigh波的相速度頻散方程,研究超聲波測定涂層特性的反演算法.(2)研究薄膜涂層材料中界面Griffith裂紋和幣形裂紋對彈性波的散射,分析界面裂紋尺寸、涂層材料性質(zhì)和波頻率對散射波場的應力和位移的影響. 在本論文的第一部分工作中,研究了薄膜涂層材料性質(zhì)對廣

3、義Rayleigh波頻散特性的影響.研究表明廣義Rayleigh波在快覆層結(jié)構(gòu)和慢覆層結(jié)構(gòu)中傳播特性完全不同,并且得到了一些非常有實際意義的結(jié)論:橫波速度小于基體橫波速度的涂層(慢層)減緩廣義Rayleigh波的傳播;而快層加速波的傳播.密度大于基體密度的涂層(密質(zhì)涂層)有減緩波傳播的趨勢;輕質(zhì)涂層則加快波的傳播.此外,針對不同的涂層厚度、密度和彈性常數(shù)等情況,給出了廣義Rayleigh波的相速度、群速度以及波場位移和應力的精確解,為涂

4、層特性的超聲反演提供了理論依據(jù). 其次,基于涂層結(jié)構(gòu)中表面波的頻散方程,引入涂層厚度、材料常數(shù)和表面波頻率等作為變量的目標函數(shù),提出了一種從表面波相速度頻散數(shù)據(jù)反向計算涂層厚度和材料常數(shù)的方法.通過大量的數(shù)值算例詳細分析了不同材料組合情況下涂層厚度和材料常數(shù)的反演過程.此外,提出采用相速度頻散數(shù)據(jù)的多階模態(tài)進行反演的方法,解決了涂層特性反演過程中存在的多值性問題.在第二部分研究工作中,首先研究了薄膜涂層材料中界面 Griffit

5、h 裂紋對彈性波散射的問題.結(jié)合積分變換、漸近分析和圍道積分技術(shù),推導了散射波場的應力和位移的理論計算公式.在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,更深入地研究了材料組合、裂紋尺寸和薄膜厚度等因素對散射波場的影響,詳細分析了界面裂紋對縱波和橫波的散射,給出了動應力強度因子和裂紋張開位移的精確解.揭示了動應力強度因子、裂紋張開位移與裂紋尺寸、材料組合和入射波頻率的內(nèi)在聯(lián)系.本文的分析方法和理論公式適用于界面Griffith裂紋對各種類型的彈性波散射問題.

6、 其次,研究了薄膜涂層結(jié)構(gòu)中幣形界面裂紋對彈性波的散射,推導了散射波場的應力、動應力強度因子以及波場位移的計算公式.著重分析了不同材料組合、裂紋尺寸和入射波頻率等情況下,動應力強度因子和裂紋張開位移的精確解.另外,為驗證理論推導所提出的有限元分析方法,可以作為一種數(shù)值分析方法拓展到研究三維界面裂紋彈性波散射的非對稱問題. 本文對上述問題研究所取得的成果,有助于進一步分析薄膜涂層材料的動態(tài)破壞機理:有助于深入研究涂層特性和界面