二维十次准晶薄膜在热错配下的界面行为分析

【作者】 党华阳； 赵明皞； 范翠英； 卢春生；

【机构】 郑州大学； 科廷大学；

【摘要】 准晶材料是一类具有长程有序的原子排列和旋转对称性的特殊材料,其有独特的准周期结构赋予了其优异的物理化学性能,如低导热率、低表面能、高耐磨、抗氧化以及良好的热稳定性。作为一种功能薄膜材料,准晶在航空发动机、太阳能、光学传感等领域展现出重要的工程应用价值。然而,在制造和工程应用中,准晶薄膜不可避免会受温度变化的影响。由于准晶薄膜与基体材料在热学性能上存在差异,热错配会导致薄膜力学性能的变化,甚至引发结构失效。因此,研究准晶薄膜在热错配条件下的力学性能及失效机制具有重要意义。本文以二维十次准晶薄膜为研究对象,引入粘接层,并基于膜理论假设,建立了以界面剪切声子场应力为基本未知量的积分微分方程。通过切比雪夫多项式进行数值求解,得到了薄膜内应力的解析表达式。同时,讨论了去除粘接层的退化情况,并以应力强度因子作为断裂参量进行分析。研究深入探讨了粘接层厚度、弹性模量,双薄膜相互作用,材料常数及薄膜尺寸等因素对界面力学行为的影响规律,并得到以下重要结论:(1)粘接层的软化效应:粘接层作为一种软化介质,能够显著降低界面应力的值和集中程度。此外,更厚且更软的粘接层会进一步增强这种软化效果;(2)长厚比与材料错配的影响:准晶薄膜长厚比增大会导致应力水平升高,而通过合理选择材料错配可以有效限制薄膜内的应力水平;(3)相邻薄膜的相互作用:相邻薄膜之间的相互作用效应显著,且这种作用会随着薄膜间距离的缩短而增强。然而,粘接层的存在能够显著减弱这种相互作用效应,使其趋近于单膜问题的力学行为。这些研究结果为准晶薄膜的设计与优化提供了理论依据,对提升其在工程应用中的可靠性和性能具有重要意义。更多还原