梯度压电薄膜-基底结构的粘着接触力学行为及机理研究

Piezoelectric film/substrate structure is widely used in the field of MEMS (Microelectromechanical Systems) as sensors, actuators and transducers. The functionally graded piezoelectric material film-substrate structure whose electrical and mechanical parameters vary continuously has more superiors electromechanical properties. In the field of microscopic, the effect of adhesion on the contact behavior of films can not be neglected. Therefore, this project mainly studies the contact behavior and mechanism for graded piezoelectric films-substrate system by considering of the work of adhesion. The main concepts include: the model of contact with adhesion for functionally graded piezoelectric films-substrate system will be constructed; the theoretical analysis and numerical calculation are conducted to solve the adhesive contact of the films-coating system with electromechanical coupling. The effects of material property gradient on the electrical and mechanical responses of films-substrate system are investigated; by using the theoretical and experiment methods, explore the impact of gradient of material properties parameter and the piezoelectric effect on the contact behavior with adhesion and explore the mechanism of adhesive contact behavior at the surface of film. The present study will provide the theoretical basis for indentation experiment which can determine the mechanical properties of material and improving the performance of piezoelectric components for the friction and wear resistance.

压电薄膜-基底结构可被制作成传感器和驱动器而广泛应用于微电子机械系统中。以力电参数连续变化的功能梯度压电材料所制备的薄膜-基底结构将具有更加优越的力电性能。在微观领域内，表面粘着效应对于薄膜的接触力学行产生重要影响。因此，本项目旨在研究考虑粘着效应的梯度压电材料薄膜-基底结构接触行为及机理。主要内容包括：梯度压电薄膜-基底结构的粘着接触力学模型建立；针对力电耦合作用下的薄膜-基底结构粘着接触模型开展理论分析和数值计算，分析粘着效应下的力电参数梯度指数变化对结构压电响应的影响；结合理论分析和实验研究，探讨材料参数梯度变化和压电效应对粘着接触行为的影响，探索梯度压电材料表面的粘着接触机理。本项目的研究对于压痕实验测定材料力学性能、提高压电部件的抗摩擦磨损能力等提供重要的理论依据。

功能梯度压电材料薄膜-基底结构可被应用于制造传感器和驱动器而备受关注。本项目研究功能梯度压电材料薄膜-基底结构的粘附接触力学行为，分析材料参数变化对粘附接触中力学响应的影响。主要内容包括：（1）建立梯度压电薄膜-基底结构的粘附接触力学理论分析模型。利用指数函数模型、层合板模型模拟功能梯度压电薄膜，基于Maugis粘附接触理论，通过积分变换技术，得到描述梯度压电材料薄膜-基底结构的粘附接触问题的控制奇异积分方程（组）。采用数值方法得到梯度压电材料薄膜-基底结构粘附接触问题中的力电响应。（2）分析了绝缘体和导电圆柱形压头作用下的梯度压电材料薄膜-基底结构二维平面应变粘附接触问题，研究了材料梯度变化和粘附参数变化对分离力（拉脱力），压力-压痕曲线，表面应力分布，压痕-电势间以及粘附区/接触区的影响。本项目还针对三种商业可用压电材料基底开展研究，分析不同的压电基底材料对粘附接触力学行为的影响。（3）利用指数函数模型、线性分层模型以及指数分层模型，建立了功能梯度材料薄膜-基底结构在圆柱形压头和球形压头作用下的粘附接触问题分析模型。利用数值求解方法，得到了材料参数梯度变化和粘附参数变化对分离力，表面应力分布，粘附区等的影响规律。（4）基于偶应力理论，本项目研究了微纳米尺度下弹性半空间在刚性压头作用下的粘附接触力学问题，分析了特征材料长度和黏附参数对微纳米尺度下的粘附接触力学响应的影响。. 本项目研究结果表明，材料参数梯度变化对粘附接触行为具有重要的影响，可通过调节材料参数来抑制接触损伤和破坏。本项目研究成果对于压痕实验测定材料力学性能，提高设备的安全性都具有重要的意义。