基于數(shù)字散斑的柔性薄膜界面結合強度研究(編輯修改稿)
2025-07-21 15:52 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 描述的實驗模型近似，因此根據(jù)實驗原理部分所提到的計算公式，選擇這部分中心位置的數(shù)據(jù)進行計算。 μm最接近的離面三維形貌圖，如圖5(a)所示。此時的壓強為89 kPa， μm。由于沒有了硬質(zhì)薄膜的束縛，離面高度平面圖像形狀，如圖5(b)所示，和加壓孔的形狀基本一致。（a） （b）是俯視平面圖圖5 樣品A0的計算結果Fig. 5 the result image of sample A0將圖4(b)中白色方框區(qū)域中心處的數(shù)據(jù)和圖4(d)中白色方框區(qū)域?qū)恢玫臄?shù)據(jù)比較，結果如圖6(a)所示，從圖中我們可以看到，在剪切破壞前后，樣品有明顯的高度變化，剪切面被破壞后產(chǎn)生的離面位移被記錄后通過系統(tǒng)軟件計算得到， mm，與實驗前測量的一致。圖6(b)是樣品A2剪切破壞前后離面高度變化曲線，剪切破壞前最大加載壓強為182 kPa， μm，剪切破壞后加載壓強下降為169 kPa， μm， mm，與實驗前測得的一致。（a）樣品A1（b）樣品A2圖6 剪切破壞前后離面高度變化Fig. 6 the height variation in center position before Shear failure and after Shear failure (a) sample A1 (b) sample A2根據(jù)實驗原理中給出的公式，A組和B組實驗界面剪切強度計算結果如表2所示。 kPa之間，另外從A組實驗和B組實驗還可以分別看出變剪切面長度和變加壓區(qū)域L對實驗結果影響不大。表2 實驗結果Table 2 result of the experiment樣品編號加壓面寬度 L /mm界面剪切強度 /kPa A1A2B1B2B3B4B52 數(shù)值分析實驗模型的應變分布采用有限元方法對實驗原理部分提到的模型進行了模擬，以說明在剪切面破壞前后硬質(zhì)薄膜對柔軟基底變形的影響。本文采用有限元分析軟件Abaqus ，該軟件是國際上最先進的有限元計算分析軟件之一，具有強大的計算和模擬性能[14]。根據(jù)實驗原理中膜厚要遠小于通油孔徑的原則，建立兩個有限元模型如圖7所示，在柔軟基底的中間部分施加2500kPa壓強使其拱起變形。數(shù)值模擬一（如圖7(a)所示）在數(shù)值模擬二（如圖7(b)所示） mm厚的硬質(zhì)薄膜，在柔性基底和硬質(zhì)薄膜之間的界面采用虛擬閉合裂紋技術（VCCT）分析裂紋擴展[15]，斷裂法則采用power law，指數(shù)均設為1，參考應變能釋放率GⅠ=1，GⅡ=1，GⅢ=1。（a）為柔性層狀復合薄膜（b）為柔性層狀復合薄膜的基底薄膜圖7 有限元模型尺寸示意圖 the size of finite element model 模型中，根據(jù)PVDF材料和Cu材料的彈性模量和泊松比[1618]，選定了柔軟基底和硬質(zhì)薄膜的彈性模量和泊松比，如表3所示?？紤]到是平面應變狀態(tài)，所選單元類型為四節(jié)點四邊形平面應變減縮積分單元（CPE4R單元）進行應力應變分析，分析結果如圖8所示。表3 有限元模型材料屬性Table 3 material properties of finite element model材料E/GPaν柔軟基體 GPa硬質(zhì)薄膜114 GPa mm時的水平方向的真實應變(LE11)計算結果，此時對應壓強分別為1275 kPa和275 kPa，如圖8(a)和圖8(b)所示。從圖中可以看出模擬一和模擬二的最大真實應變均在加壓面的根部。模擬一和模擬二相比由于硬質(zhì)薄膜的阻礙作用，變形相同的最大離面高度需要更大的壓強，并且使柔軟基底的水平拉伸變形區(qū)域縮小，并集中于加壓區(qū)域的邊緣，進而使這些位于加壓區(qū)域邊緣的網(wǎng)格的水平方向變形程度相對增大，當壓強達到一定值時，由于硬質(zhì)薄膜和柔軟基體的變形程度非常不一致，在兩種材料結合面處發(fā)生剪切破壞。（a）數(shù)值模擬一（b）數(shù)值模擬二圖8 真實應變分布圖 the distribution of true strain圖9(a)到圖9(c)是圖8(a)中黑色方框區(qū)域隨加載壓強增大，真實應變變化的局部放大圖。從圖中可以看出隨著壓強的增大，位于剪切面處的柔性基底在水平方向的真實應變也慢慢增大。當壓強為1775 kPa時硬質(zhì)薄膜和柔性基底之間未分開，當壓強升高為1800 kPa時硬質(zhì)薄膜和柔性基底的第一個結合點分開，壓強為2425 kPa時第三個結合點分開，并產(chǎn)生較大的離面位移，通過探測離面位移的變化便可確定剪切面的長度和范圍。（a）1775 kPa（b）1800 kPa（c）2425 kPa圖9 界面剪切破壞前后真實應變變化 the variation of true strain before interfacial Shear failure and after interfacial Shear failure3 結論（1）本文針對柔性層狀復合薄膜界面剪切強度測量的需求，利用數(shù)字散斑這種非接觸測量方法進行了研究，并采用有限元軟件Abaqus對實驗模型的應變分布進行了數(shù)值模擬。實驗結果表明：本文所提到的方法可以有效地測量柔性層狀復合薄膜界面間的剪切強度。（2）通過改變剪切面的長度和加壓區(qū)域的寬度， kPa之間。（3）有限元分析表明：由于硬質(zhì)薄膜的作用，限制了柔軟基底的
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