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MEMS微尺度有序增强复合材料的制备及力学性能表征

张振杰  
【摘要】:随着科技和生产的需要,MEMS(Micro Electro-MechanicalSystems)技术得到进一步的发展,MEMS中微器件应用的环境越来越复杂,新形势MEMS微器件对其制备材料提出了新的要求。但是无论是传统的MEMS硅材料,还是近几年兴起的非硅MEMS材料都无法同时满足新要求,为顺应MEMS技术的发展和MEMS微器件的制备和应用,有必要探索和研发不同于已有的MEMS材料的材料。 相比于上述材料,性能具有可设计性的复合材料为解决MEMS结构材料面临的新问题提供了可能性。基于复合材料学已成熟的理论和现有实验条件,针对MEMS微器件对其结构材料提出的新要求,我们提出复合材料的解决方案,选择综合力学性能良好的电镀镍丝作为复合材料的增强体,物化性能稳定的电泳聚合物丙烯酸聚氨酯作为复合材料的基体;ANSYS仿真的结果表明三明治型、填充型和包裹型三种不同复合模型中包裹型复合材料模型中基体的包裹能够有效地缓解增强体上的应力集中,相同条件下,能够承受更大的应力;电镀镍丝增强体的整体构型对复合材料性能的影响要大于增强体体积含量和尺寸对复合材料性能的影响。 以仿真结果为依据,设计了四种不同增强体形状的包裹型复合材料,通过典型的微加工工艺制备整体形状为有序网状的电镀镍丝增强体,采用电泳技术实现电泳聚合物丙烯酸聚氨酯基体与电镀镍丝增强体包裹型复合目的;最终得到纤维包裹型、六边形包裹型、圆形包裹型和四边形包裹性四种复合材料。 DMA准静态微拉伸结果表明,经过包裹型复合材料的性能都有不同地提高,电泳聚合物基体材料的平均抗拉强度(σb)、应变(ε)和杨氏模量(E)分别只有51.63MPa、4.024%和1.528GPa;而纤维包裹型复合材料的σb、ε和E分别为125.04MPa、4.257%和5.991GPa,三项参数分别是复合前的2.42倍、1.06倍和3.9倍;六边形包裹型复合材料的σb、ε和E分别为125.6MPa、3.791%和6.035GPa,在应变下降了0.233%代价下,其他两项参数分别是复合前的2.45倍和3.95倍;圆形包裹型复合材料σb、ε和E分别为151.7MPa、3.242%和5.289GPa,在应变下降了0.728%代价下,其他两项参数分别是复合前的2.94倍和3.46倍;四边形包裹型复合材料σb、ε和E分别为284.4MPa、3.518%和6.838GPa,形变下降了0.506%代价下,其他两项参数分别是复合前的4.5倍和3.48倍。应力-应变曲线(σ-ε)和SEM电镜照片的观察表明,这类包裹型复合材料断裂都会经历电泳聚合物基体先断裂,随后电镀镍丝增强体发生不同程度的应力集中,发生不同程度的塑性变形后断裂,最终导致复合材料断裂失效。


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