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含湿热的耦合粘弹性本构、断裂及应用

王珺  
【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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