覆膜基底与微悬臂梁间粗糙面重复冲击接触－分离的动态接触特性分析

The repeated contact characteristic of the covered substrate directly affect the reliability work of many micromechanical components.In this project, the digital characterization and reconstruction of the rough surface is realized by combining the numerical simulation and experiment. And the relationship between adhesive contact and rough contact is established by using multi-scalar techniques, such as domain decomposition method and the coupling method between molecular dynamics and the finite element. Then the repeated impact-contact and separation model for the rough surfaces between a micro-cantilever and a covered substrate is established. This tribo-dynamic model allows the analysis of the asperity interaction, time-variant rough surface and the elasto-plastic deformation of material, and considers the effect of adhesion. The distribution of the real contact region and size, stress and strain of thin film, adhesive region after every time of contact and separation is analyzed dynamically. And the relationship among the compressive yield strength, elastic unloading stiffness, energy dissipation, the impact-contact velocity and adhesion during the multiple impact-contact process is analyzed. The variation of the structual parameters of rough surface and the influence of the surface roughness on the adhesion force during repeated impact-contact and seperation process are summeried. These achievements are expected to play an important role in the design of micro-cantilever and thin flim, and are of significance to developing advanced theory and technology of improving the work reliability of the similar products as the micromechanical switch.

覆膜表面的重复接触特性直接影响着诸多微机械器件的工作可靠性。本项目首先采用数值仿真和实验测量结合手段，实现粗糙表面数字化表征及重构；并利用分子动力学和有限元法相耦合、区域分解法等多尺度法将纳米粘着与粗糙表面接触联系起来，结合连续介质理论建立微悬臂梁和覆膜基底间粗糙面重复冲击接触－分离模型，充分考虑微凸体间相互作用、接触粗糙表面的时变性、弹塑性变形、以及分子粘着等影响。动态分析在每次接触－分离后实际接触区域及大小、薄膜应力、应变、粘着区域等的分布规律；研究多次冲击接触过程中压缩屈服强度、弹性卸载刚度和能量耗散与冲击接触速度、粘着等的关系，总结重复冲击接触分离过程中接触面的表面轮廓结构参数变化规律及不同粗糙度对粘着力的影响；探讨微梁弹性刚度、振动特性、冲击速度、反弹力及薄膜厚度等对粘着的影响。研究结果将对微梁结构和薄膜的设计，以及提高微机械开关等类似产品的工作可靠性具有重要的理论意义和应用价值

表面接触特性决定着许多机器和系统的工作特性，特别是可靠性和安全性，一直是国内外研究学者的研究热点。接触特性依赖于接触表面之间的微观弹塑性变形，即与接触表面的微观形貌密切相关。微悬臂梁在与覆膜基底粗糙面间不断接触－分离过程中，在黏着力作用、材料弹塑性变形等影响等下，实际接触微凸体都会发生变化，这使得每一次接触后形成的实际接触面积、尺寸、接触点数量和分布，以及接触压力、应力都将发生变化，特别的，当梁末端与基底碰撞时，所产生的冲击力可以比静态接触力大好几倍，且微悬臂梁的弹性恢复力使得微梁末端在稳定接触之前，会从基底实际接触点处反弹一次或多次，这都影响着产品的可靠性。项目首先研究了不同形状刚性粗糙峰对基体冲击接触/分离中基底材料发生的位错、黏着等；后通过实测工程表面粗糙度，采用W-M函数实现表面形貌数字化表征，并利用第三代小波变换中的双树复小波变换分析所获得的三维表面粗糙度；在考虑微凸体间相互作用、黏着、材料弹塑性变形、微悬臂梁弹性恢复力以及实际接触构件等影响基础上，动态模拟微悬臂梁/覆膜基底粗糙面间单次/多次冲击接触-分离。发现：压头即将与基体接触时，因黏附力影响会发生“突跳”黏着接触现象；分离时因黏附力的影响，基体部分原子被黏附于压头底表面上。微悬臂梁与基底粗糙面间的每一次加卸载过程实际都是一个复杂的多次弹塑性接触-分离的过程，且存在多个冲击区段，每个冲击区还包含了较多次的次生冲击情况，接触力与梁末端弯曲位移关系呈复杂非线性关系；随驱动次数的增加，粗糙表面接触逐渐趋于稳定，发生次级接触-分离的次数减少；分离时，接触区域的最大等效应力值位于接触微凸体的边缘处；在循环压电驱动过程中，随微梁与底座的不断接触-分离，接触力与接触面积也不断变化，接触微凸体表层以及距表层一定深度处的一定区域承受着拉、压应力的循环作用，这极易造成材料的疲劳破坏；而且，不同加载速率对各变量的影响比加载力的影响要大。研究分析了薄膜及其界面层的应力及损伤规律，发现薄膜/基底所受的应力基本由薄膜承担,界面层损伤规律表现为明显的阶梯型，且其突变点受冲击力影响。研究结果将对微梁结构和薄膜的设计，以及提高微机械开关等类似产品的工作可靠性具有一定的理论意义和应用价值。