含湿热的耦合粘弹性本构、断裂及应用
【摘要】:
由于高聚物及其复合物材料具有重量轻,强度高等优点,已经广泛应用于各个工程领域。在微电子元件制造中,高聚物及其复合物材料通常用来作为电子元件的封装材料。而在航空、航天工业中,因为它们具有良好的粘接性,又常被用作构件间的粘接剂。由此减低结构的应力集中,降低结构的重量。然而,高聚物材料的一个显著的弱点是其对环境的敏感性,尤其是对湿、热影响敏感。因此,在高温、高湿度的环境中,高聚物的强度明显下降,威胁到结构的安全。在电子元件高温焊接中,受到湿汽侵入的元件常发生“爆米花”式的脱层断裂,严重影响了产品的合格率。这两类问题都需要对湿分扩散,高聚物结构的力学反响进行研究。
湿汽进入到高聚物材料之后,一方面导致其材料强度和耐久性下降。另一方面是纯粹的物理作用,湿汽产生膨胀变形,导致残余应力。有试验发现,高聚物中湿分、温度和应力是相互影响的。并且,高聚物通常具有粘性,其力学行为与时间相关。湿汽对材料性能的影响是可以通过试验测定的,而建立合理的模型描述含有湿、热影响的结构的耦合响应则是对由湿、热导致的破坏问题作出准确的分析和计算模拟的基础和关键。在一般的条件下,对于高聚物吸湿所引发的问题,需要考虑到热传导过程、湿分扩散过程,以及高聚物结构的力学反响。因此,需要发展耦合的本构模型对整个问题进行描述。此外,在含湿、热效应的高聚物材料中,传统的粘弹性或弹性材料的断裂判据不再适用,所以,对该问题进行研究也是十分必要的。
本文由物质守恒,能量守恒以及动量、动量矩平衡原理,采用内变量描述材料的粘性,通过引入Helmholtz自由能和Gibbs自由能,分别导出松弛和蠕变两类湿、热和应力(应变)相互耦合的线性粘弹性本构方程以及普遍的耦合热传导、耦合湿分扩散方程。并针对各向同性材料,导出含湿、热的耦合线性粘弹性本构方程,以及相应的热传导方程和耦合湿分扩散方程。
本文利用内禀断裂能的概念,定义了不含粘性耗散项的临界断裂阻力。由能量的平衡,可以推断出,剔除了粘性耗散的影响,裂纹克服材料内禀断裂能发生扩展所需要的能量完全来自于自由能。由此,作者发展了裂尖自由能释放率的概念及其积分表达式。并建立相应的断裂判据。其中,材料的断裂参数是
第 11页 西南交通大学搏士研究生学位论文
内禀断裂能。当退化到纯弹性的情形,粘性耗散消失,自由能释放率与经典的
能量释放率等价。由此,本文给出含湿、热效应的裂尖能量释放率的积分表达
式。并用简单算例验证了其路径无关性。同时,本文将自由能释放率扩展到有
多个广延量场作用下的情况,导出统一的表达式。
利用本文提出的断裂判据,通过合理简化,作者对吸湿电子元件在高温焊
接过程中发生的“爆米花”式脱层断裂进行了研究分析。目前,电子元件趋于
薄型化的发展趋势,由分析计算结果可知,为了避免过高估计裂纹缺陷中的内
部压力,直接采用饱和蒸汽压力模型是不恰当的,需要采用本文发展的一般蒸
发有限元计算模型进行分析。此外,计算结果还显示:影响“爆米花”式断裂
的主要可控因素是扩散系数D。和蒸发系数F卜其中,蒸发系数F。对裂尖能量
释放率的影响较大,因此,控制扩散系数DO和蒸发系数F。能有效地降低电子
元件发生“爆米花”式脱层断裂的可能性,尤其是控制蒸发系数F。的大小
作者还在 Roy等计算模型的基础上,修正了他们略去 Schpaery单积分粘弹
性本构模型中的两个参数的研究工作。据此,作者开发的有限元程序中,保留
了SChaPCry模型中的全部三个参数。利用该有限元程序,作者对长时间处于潮
湿环境的高聚物粘接接头中,湿分的扩散进行了计算分析。
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1 |
杨正文,杨挺青;粘弹性厚板的动力方程[J];应用数学和力学;1992年05期 |
2 |
常华峰;张恒;;二维粘弹性问题的边界单元法[J];河南科技大学学报(自然科学版);1992年02期 |
3 |
杨旭丽;浅淡红细胞膜的粘弹性质[J];中国血液流变学杂志;1995年02期 |
4 |
龙勉,吴泽志,王红兵,宋关斌,王宪航,吴云鹏;肝细胞粘弹性实验研究[J];生物物理学报;1996年01期 |
5 |
蔡坤宝,俞集辉,杨瑞芳;一个粘弹性动力学的解析解[J];重庆大学学报(自然科学版);1997年02期 |
6 |
李卓,徐秉业;粘弹性分数阶导数模型的有限元法[J];工程力学;2001年03期 |
7 |
陈建康;宋慧;;混凝土材料损伤耦合的非线性粘弹性本构关系[J];应用力学学报;2011年04期 |
8 |
李宗明,钱不凡,杨庆铭;股四头肌作等长收缩时的粘弹性分析[J];生物医学工程学杂志;1995年04期 |
9 |
黄志强;聚脂基复合材料板的粘弹性损伤本构关系[J];武汉化工学院学报;1997年03期 |
10 |
秦廷武,杨瑞芳,蒋稼欢,蔡绍皙,吴云鹏;大鼠运动力竭后生理生化因素对PWN粘弹性影响的实验研究[J];中国血液流变学杂志;1998年01期 |
11 |
刘保国,孙钧;岩体粘弹性本构模型辨识的一种方法[J];工程力学;1999年01期 |
12 |
曾衍钧,黄昆,许传青,章晶,孙广慈;扩张皮肤移植后的粘弹性特性[J];固体力学学报;2002年01期 |
13 |
刘瑶;王翔;麻开旺;蔡绍皙;;红细胞膜粘弹性的影响因素及其检测方法[J];重庆大学学报(自然科学版);2006年01期 |
14 |
范家参;包括激发和衰减的粘弹性Ⅱ型破裂过程的研究[J];应用数学和力学;1986年08期 |
15 |
吴林高,张瑞;粘弹性多孔介质渗流方程严格解的数值分析及应用[J];同济大学学报(自然科学版);1986年02期 |
16 |
杨挺青;屈绪艳;;粘弹性大挠度圆板的轴对称弯曲[J];固体力学学报;1990年04期 |
17 |
居荣初,郑建军;粘弹性基支粘弹性圆(环)形薄板的准静态弯曲[J];浙江工业大学学报;1992年01期 |
18 |
张恒,王相乾,陈建波;正交各向异性粘弹性接触应力分析[J];洛阳工学院学报;1996年02期 |
19 |
杨海天,邬瑞锋,张群;粘弹性本构模型的准静力位移识别[J];应用数学和力学;1998年03期 |
20 |
周少奇;酵母渣泥流变特性及粘弹性的测试[J];暨南大学学报(自然科学与医学版);2000年01期 |
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