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基于表面張力的超薄薄膜力學(xué)性能表征方法研究
來源:邵碧琪 瀏覽 579 次 發(fā)布時間:2022-11-29
【摘要】:薄膜材料被廣泛應(yīng)用于制備柔性顯示、太陽能電池、柔性傳感器等器件,了解薄膜材料的力學(xué)性能,如彈性模量、屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等,對器件設(shè)計和性能優(yōu)化具有極其重要的意義。目前,測試薄膜力學(xué)性能主要是通過拉伸薄膜或通過原子力探針、納米壓痕儀等對薄膜進(jìn)行按壓,然而上述方法用于研究超薄薄膜整體的力學(xué)性能具有一定的局限性。超薄薄膜往往難以自支撐,而在基底上進(jìn)行測試引起的誤差較大;按壓的方式僅僅局限在很小的測量區(qū)域,難以反映出超薄薄膜整體的力學(xué)性能。
基于以上原因,有待提出新的研究方法來測量薄膜的力學(xué)性能。水的表面張力高達(dá)72 m N/m,在室溫下水的粘度僅為0.89m Pa?s。因此,密度較低的物體在水面上不僅能保持漂浮的狀態(tài),還可以進(jìn)行幾乎無摩擦的滑動。研究表明,超薄膜材料能在水的表面張力作用下發(fā)生拉伸、彎曲或失穩(wěn)起皺。因此,可以通過在水面上對薄膜材料進(jìn)行拉伸的方法,來測量薄膜材料的力學(xué)性能。本文研究了一種基于液體表面張力的薄膜力學(xué)性能表征方法,重點研究了微米級厚度的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)圓環(huán)薄膜的彈性模量,證明了該方法的可行性。
我們讓PDMS圓環(huán)薄膜自由漂浮在水面上,在圓環(huán)中心處滴加表面活性劑,降低圓環(huán)內(nèi)液面的表面張力,使得PDMS圓環(huán)薄膜的內(nèi)外邊界因表面張力差而發(fā)生受拉變形。針對這種方法,本文研究了影響PDMS圓環(huán)薄膜的受拉變形的主要因素(PDMS的配比、薄膜厚度、表面活性劑的面濃度),總結(jié)了變形量隨時間變化的規(guī)律。結(jié)合圓環(huán)所受液面表面張力的測量結(jié)果,進(jìn)一步討論了圓環(huán)受拉變形過程。最后基于實驗中測量得到的變形量和表面張力的數(shù)據(jù),使用超彈性材料的本構(gòu)方程計算出PDMS的彈性模量。
本論文研究的是一種新穎的力學(xué)性能表征方法,利用液體表面張力的變化使漂浮在液面的固體薄膜發(fā)生拉伸變形。使用水面作為支撐基底,避免了普通拉伸測試中固體基底對測試結(jié)果的影響。該方法實驗操作簡單,且無需大型精密儀器的輔助,具有測量各類薄膜材料力學(xué)性能的潛力。同時該方法便于完整轉(zhuǎn)移難以自支撐的薄膜材料,為大尺寸柔性器件制備提供了新的方法和思路。因此,基于液體表面張力的薄膜力學(xué)性能表征方法具有廣泛的應(yīng)用價值和重要的研究意義。