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薄膜应力测定研究现状

薄膜应力测定研究现状3张　文　曹兴进摘要　简介薄膜应力的产生原因,根据薄膜应力测定方法研究的现状,对一些主要测定方法的基本原理及各自的特点进行了综述。

关键词:薄膜　应力　测定　原理中图分类号:T H16　文献标识码:A　文章编号:1671—3133(2005)04—0127—04Curren t st a tus of research on m ea surem en t of the stress i n th i n f il mZhang W en,Cao X i n gji nAbstract　The cause of the stress in thin fil m is intr oduced si m p ly.And the p ri m ary theories and characteristics of s o me i m por2 tant measurement methods of stress in thin fil m s were su mmarized according t o the current status of the i m p r ovement of the meth2 ods.Key words:Th i n f il m　Stress　M ea sure m en t　Theory 薄膜通常由它附着的基体支承,薄膜与基体之间构成了相互联系,相互作用的统一体。

这种相互作用宏观上以两种力的形式表现出来:表征薄膜与基体接触界面间结合强度的附着力和反映薄膜单位截面所承受的来自解体约束的作用力—薄膜应力(通常是指内应力)。

薄膜应力是由薄膜本身的微观结构所决定的,而不是由外力加负载所引起的,在作用方向上有张应力和压应力之分。

应该指出,薄膜和基体间附着力的存在是薄膜应力产生的前提条件,薄膜应力的存在对附着力又有重要影响。

薄膜应力的产生原因很复杂,但通常可依据薄膜应力产生的根源,可以归结为以下两个方面:其一是由于薄膜和基体的热膨胀不同引起的;其二是归为薄膜生长过程中的非平衡性或薄膜特有的微观结构引起的。

薄膜应力分析及一些测量结果

文章编号:1005—5630(2001)5 6—0084—08薄膜应力分析及一些测量结果Ξ范瑞瑛,范正修(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800) 摘要:论述了薄膜应力在强激光薄膜应用中的重要性,分析了应力的形成原因及沉积参数、老化条件的关系,给出了应力的简单测试方法及部分结果。

关键词:热应力;形变;沉积;老化中图分类号:O 48415 文献标识码:AStress ana lysis of th i n f il m s and so m e testi ng resultsFA N R u i 2y ing ,FA N Z heng 2x iu(Shanghai In stitu te of Op tics and F ine M echan ics ,Ch inese A cadem y of Sciences ,Shanghai 201800,Ch ina ) Abstract :T he seri ou s influence of stress on h igh pow er laser th in fil m s w as discu ssed in th is p ap er .T he o riginati on of stress and the co rrelati on betw een stress and depo siti on p aram eters and aging conditi on s w ere analyzed .A si m p le stress testing m ethod and som e testing resu lts w ere p resen ted in the con tex t .Key words :therm al stress ;defo rm ati on ;depo siti on ;aging1　薄膜应力研究的重要性薄膜应力在薄膜应用中是一个不容忽视的问题。

薄膜应力测试方法

薄膜的残余应力一、薄膜应力分析图一、薄膜应变状态与应力薄膜沉积在基体以后，薄膜处于应变状态，若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分，可将应力分为拉应力(tensile stress)和压应力 (compressive stress)，如图一所示。

拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，薄膜因为有拉应力的作用，薄膜本身产生收缩的趋势，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度，则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。

压应力则呈相反的状况，膜表面产生外凸的现象，在压应力的作用下，薄膜有向表面扩张的趋势。

如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧卷曲，导致膜层起泡。

数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。

造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress)，其中，外应力是由外力作用施加于薄膜所引起的。

热应力是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起，此情形发生于制备薄膜時基板的温度，冷卻至室温取出而产生。

內应力则是薄膜本身与基体材料的特性引起的，主要取决于薄膜的微观结构和分子沉积缺陷等因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要，這完全控制于制备的参数与技术上，此为应力的主要成因。

二、薄膜应力测量方法测量薄膜内应力的方法大致可分为机械法、干涉法和衍射法三大类。

前两者为测量基体受应力作用后弯曲的程度，称为曲率法；后者为测量薄膜晶格常数的畸变。

（一）曲率法假设薄膜应力均匀，即可以测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值，求得实际薄膜应力的估计值，其中膜应力与基体上测量位置的半径平方值、膜厚及泊松比(Poisson's ratio) 成反比；与基体杨氏模量 (Es，Young's modulus)、基体厚度的平方及蒸鍍前后基体曲率（1/R）的相对差值成正比。

利用这些可测量得到的数值，可以求得薄膜残余应力的值。

薄膜力学中的应力分析

薄膜力学中的应力分析薄膜力学是研究薄膜如何受到压力和应力作用的学科，广泛应用于微电子器件、纳米材料制备等领域。

在薄膜力学中，应力分析是一项关键任务，它能够帮助我们理解薄膜的变形和失效行为，为薄膜材料的设计和应用提供重要参考。

一、应力与应变的基本概念在讨论应力分析之前，我们首先需要了解应力与应变的基本概念。

应力是单位面积内的力的作用，通常表示为σ；而应变则是物体在受到应力作用下的变形程度，通常表示为ε。

应力和应变之间存在线性关系，即胡克定律：σ= Eε，其中E为杨氏模量，是材料的一种力学性质。

二、薄膜的应力分布薄膜在受到力的作用下会产生应力分布，而应力的大小和分布规律对薄膜的性能和稳定性有重要影响。

薄膜中的应力分布主要有三种情况：一是等应力分布，即薄膜中各点的应力大小相等；二是线性应力分布，即薄膜中的应力沿某一方向呈线性分布；三是非线性应力分布，即薄膜中的应力随着位置的变化而变化。

三、平面应力与平面应变在薄膜力学中，经常会研究平面应力和平面应变的情况。

平面应力是指只存在于薄膜的一个面内的应力，适用于薄膜边缘自由的情况。

平面应变是指薄膜在受到应力作用下，只发生在一个平面内的应变。

对于平面应力和平面应变的分析，可以采用两个方向的应力与应变分量来描述和计算。

四、常见的应力分析方法在薄膜力学中，常用的应力分析方法有很多，下面介绍几种常见的方法。

1. 基于梁理论的方法：梁理论认为薄膜在受到应力作用下，可以近似看成在各个截面上为梁的模型。

该方法通常基于材料的物理性质和几何形状，通过求解梁方程得到应力分布。

2. 基于薄膜理论的方法：薄膜理论假设薄膜较薄，且沿厚度方向应力分布均匀。

在此基础上，可以建立弹性方程组，并求解得到应力和应变的分布情况。

3. 有限元分析方法：有限元分析是一种非常常用的数值计算方法，可以用来模拟和分析复杂结构的应力分布。

通过将薄膜划分为一系列小的元素，利用数值方法求解得到应力和应变。

五、应力分析的应用薄膜力学中的应力分析在很多领域都有广泛的应用。

薄膜应力测试方法

薄膜的残余应力测试一、薄膜应力分析图一、薄膜应变状态与应力薄膜沉积在基体以后,薄膜处于应变状态,若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分,可将应力分为拉应力(tensile stress)与压应力 (compressive stress),如图一所示。

拉应力就是当膜受力向外伸张,基板向内压缩、膜表面下凹,薄膜因为有拉应力的作用,薄膜本身产生收缩的趋势,如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度,则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。

压应力则呈相反的状况,膜表面产生外凸的现象,在压应力的作用下,薄膜有向表面扩张的趋势。

如果压应力到极限时,则会使薄膜向基板内侧卷曲,导致膜层起泡。

数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。

造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress),其中,外应力就是由外力作用施加于薄膜所引起的。

热应力就是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起,此情形发生于制备薄膜時基板的温度,冷卻至室温取出而产生。

內应力则就是薄膜本身与基体材料的特性引起的,主要取决于薄膜的微观结构与分子沉积缺陷等因素,所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要,這完全控制于制备的参数与技术上,此为应力的主要成因。

二、薄膜应力测量方法测量薄膜内应力的方法大致可分为机械法、干涉法与衍射法三大类。

前两者为测量基体受应力作用后弯曲的程度,称为曲率法;后者为测量薄膜晶格常数的畸变。

（一）曲率法假设薄膜应力均匀,即可以测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值,求得实际薄膜应力的估计值,其中膜应力与基体上测量位置的半径平方值、膜厚及泊松比(Poisson's ratio) 成反比;与基体杨氏模量 (Es,Young's modulus)、基体厚度的平方及蒸鍍前后基体曲率(1/R)的相对差值成正比。

利用这些可测量得到的数值,可以求得薄膜残余应力的值。

薄膜应力测试方法及标准

薄膜应力测试方法及标准
嘿，朋友们！今天咱来聊聊薄膜应力测试方法及标准。

那这薄膜应力测试到底咋弄呢？一般来说，先得准备好测试样品，要确保它的平整和洁净哦。

然后把样品固定在测试装置上，这一步可得小心谨慎，千万别弄出啥差错。

接下来就是施加外力啦，慢慢增加力度，同时密切观察薄膜的变化。

在这个过程中，可得注意测量的准确性呀，稍有偏差可能结果就大不同啦！而且操作一定要规范，不然得出个不靠谱的结果，那不就白折腾啦！
说到这过程中的安全性和稳定性，那可太重要啦！就像走钢丝一样，稍有不慎就可能出问题。

测试装置必须稳稳当当的，不能有啥晃动或者故障。

而且操作人员也要严格遵守安全规定，保护好自己呀。

只有这样，才能保证测试顺利进行，不出岔子。

那薄膜应力测试都有啥应用场景和优势呢？哇，那可多了去啦！在电子行业，它能确保那些薄薄的元件正常工作。

在材料研发领域，更是能帮助科学家们找到更好的材料呢。

它的优势就是能快速准确地得到薄膜的应力情况呀，就像给薄膜做了一次全面体检，让我们对它了如指掌。

来看看实际案例吧。

之前有个公司研发新的薄膜材料，通过应力测试，发现了一些潜在的问题，及时进行了改进，最后产品大获成功。

这效果，杠杠的！这不就充分说明了薄膜应力测试的重要性嘛。

所以呀，薄膜应力测试方法及标准那可是相当重要的，能帮助我们更好地了解和利用薄膜材料，让它们发挥出最大的作用！。

薄膜应力

薄膜应力通常薄膜由它所附着的基体支承着,薄膜的结构和性能受到基体材料的重要影响。

因此薄膜与基体之间构成相互联系、相互作用的统一体，这种相互作用宏观上以两种力的形式表现出来：其一是表征薄膜与基体接触界面间结合强度的附着力；其二则是反映薄膜单位截面所承受的来自基体约束的作用力—薄膜应力。

薄膜应力在作用方向上有张应力和压应力之分。

若薄膜具有沿膜面收缩的趋势则基体对薄膜产生张应力，反之,薄膜沿膜面的膨胀趋势造成压应力[1-2]。

应该指出,薄膜和基体间附着力的存在是薄膜应力产生的前提条件,薄膜应力的存在对附着力又有重要影响[3]。

图1薄膜中压应力与张应力的示意图[4]1薄膜应力的产生及分类:薄膜中的应力受多方面因素的影响,其中薄膜沉积工艺、热处理工艺以及材料本身的机械特性是主要影响因素。

按照应力的产生根源将薄膜内的应力分为热应力和本征应力,通常所说的残余应力就是这两种应力的综合作用,是一种宏观应力[4]。

本征应力又称内应力,是在薄膜沉积生长环境中产生的(如温度、压力、气流速率等),它的成因比较复杂,目前还没有系统的理论对此进行解释,如晶格失配、杂质介入、晶格重构、相变等均会产生内应力[5]。

本征应力又可分为界面应力和生长应力。

界面应力来源于薄膜与基体在接触界面处的晶格错配或很高的缺陷密度，而生长应力则与薄膜生长过程中各种结构缺陷的运动密切相关。

本征应力与薄膜的制备方法及工艺过程密切相关，且随着薄膜和基体材料的不同而不同[6]。

热应力是由薄膜与基底之间热膨胀系数的差异引起的。

在镀膜的过程中，薄膜和基体的温度都同时升高，而在镀膜后,下降到初始温度时，由于薄膜和基体的热膨胀系数不同，便产生了内应力，一般称之为热应力，这种现象称作双金属效应[7]。

但由这种效应引起的热应力不能认为是本质的论断。

薄膜热应力指的是在变温的情况下，由于受约束的薄膜的热胀冷缩效应而引起的薄膜内应力[6]。

薄膜应力的产生机理:(1)热收缩效应的模型热收缩产生应力的模型最早是由Wilman和Murbach提出来,它是以蒸发沉积时,薄膜最上层温度会达到相当高为前提的。

薄膜压应力张应力

薄膜压应力张应力
【原创版】
目录
1.薄膜压应力张应力的定义和概念
2.薄膜压应力张应力的产生原因
3.薄膜压应力张应力的应用领域
4.薄膜压应力张应力的测量方法
5.薄膜压应力张应力的影响因素
正文
薄膜压应力张应力是指薄膜材料在受到外力作用下，内部产生的一种应力状态。

其中，压应力是指薄膜在受到垂直于表面的外力作用下，薄膜内部产生的一种压力；张应力是指薄膜在受到平行于表面的外力作用下，薄膜内部产生的一种拉力。

薄膜压应力张应力的产生原因主要有两个方面：一是薄膜材料本身的性质，如材料的弹性模量、泊松比等；二是外力作用，包括温度变化、应变、拉伸等。

这些因素共同影响着薄膜内部的应力分布。

薄膜压应力张应力广泛应用于各种领域，如航空航天、汽车制造、电子工业等。

在这些领域中，薄膜的压应力张应力对于提高材料的强度、刚度和耐磨性等方面具有重要意义。

测量薄膜压应力张应力的方法有多种，如光弹应力测量法、电阻应变片测量法、X 射线衍射法等。

这些方法各有优缺点，需要根据实际情况选择合适的测量方法。

影响薄膜压应力张应力的因素主要有：材料性质、应力状态、外力作用、温度等。

了解这些影响因素有助于更好地控制薄膜的应力状态，提高其使用性能。

总之，薄膜压应力张应力作为一种重要的力学现象，在理论研究和实际应用中都具有很高的价值。

压力容器中的薄膜应力、弯曲应力和二次应力

薄膜理论与有矩理论概念：
计算壳壁应力有如下理论：
（1）无矩理论，即薄膜理论。
假定壳壁如同薄膜一样，只承受拉应力和压应力，完全不能承受弯矩和弯曲应力。壳壁内的应力即为薄膜应力。
压力容器中的薄膜应力、弯曲应力
11
和二次应力
（2）有矩理论。壳壁内存在除拉应力或压应力外，还存在弯曲应力。
在工程实际中，理想的薄壁壳体是不存在的，因为即使壳壁很薄，壳体中还会或多或少地存在一些弯曲应力，所以无矩理论有其近似性和局限性。由于弯曲应力一般很小，如略去不计，其误差仍在工程计算的允许范围内，而计算方法大大简化，所以工程计算中常采用无矩理论。
N dNsin 0
Rd l psin 0i
Ril p 0 sind Ril p(cos sin)
2Ril• pDi l• p
Ril p 0 sind Ril p(coscos0)
2Ril pDi l p
结论:由作用于任一曲面上介质压力产生的合力等于
介质压力与该曲面沿合力方向所得投影面积的乘积,
压力容器中的薄膜应力、弯曲应力
12
和二次应力
三几种常见回转壳体上的薄膜应力
（一）圆筒形壳体上的薄膜应力
1 环向薄膜应力
作用在筒体纵截面上的
的合力T：
T2l 压力容器中的薄膜应力、弯曲应力和二次应力
13
介质内压力p作用于
半个筒体所产生的
合力N为:
N0 dNsin 0 Rid l p•sin
结论：
（1）内压圆筒筒壁上各点的薄膜应力相同，就某一点，该点环向薄膜应力是径向薄膜应力的二倍。
（2）
p 2
D
m
p 4
D

薄膜压应力张应力

薄膜压应力张应力
摘要：
1.薄膜压应力张应力的定义
2.薄膜压应力张应力的产生原因
3.薄膜压应力张应力的应用
4.薄膜压应力张应力的测量方法
5.薄膜压应力张应力的影响因素
正文：
薄膜压应力张应力是指薄膜材料在受到外力作用下，产生的内部应力状态。

其中，压应力是指薄膜在受到垂直于表面的外力时，产生的内部应力；张应力是指薄膜在受到平行于表面的外力时，产生的内部应力。

薄膜压应力张应力的产生原因主要有两点：一是薄膜材料本身的性质，如材料的粘弹性、强度等；二是外力作用，包括拉伸、压缩等。

薄膜压应力张应力在实际应用中具有重要意义。

例如，在制造过程中，合理的压应力张应力控制可以提高薄膜的稳定性和耐用性。

此外，在材料科学研究中，研究薄膜压应力张应力有助于深入了解材料的力学性能和结构特性。

测量薄膜压应力张应力的方法有多种，如光弹应力测量法、激光测距法、X 射线衍射法等。

这些方法各有优缺点，需要根据实际需求和测量条件选择合适的方法。

影响薄膜压应力张应力的因素有很多，包括薄膜材料的种类、厚度、制备工艺、外力作用方式等。

为了获得理想的压应力张应力状态，需要在制备和加工过程中对这些因素进行严格控制。

总之，薄膜压应力张应力是研究薄膜材料力学性能的重要课题。

薄膜应力测试方法

薄膜应力测试方法(总4页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除薄膜的残余应力测试一、薄膜应力分析图一、薄膜应变状态与应力薄膜沉积在基体以后，薄膜处于应变状态，若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分，可将应力分为拉应力(tensile stress)和压应力 (compressive stress)，如图一所示。

拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，薄膜因为有拉应力的作用，薄膜本身产生收缩的趋势，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度，则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。

压应力则呈相反的状况，膜表面产生外凸的现象，在压应力的作用下，薄膜有向表面扩张的趋势。

如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧卷曲，导致膜层起泡。

数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。

造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress)，其中，外应力是由外力作用施加于薄膜所引起的。

热应力是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起，此情形发生于制备薄膜時基板的温度，冷卻至室温取出而产生。

內应力则是薄膜本身与基体材料的特性引起的，主要取决于薄膜的微观结构和分子沉积缺陷等因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要，這完全控制于制备的参数与技术上，此为应力的主要成因。

二、薄膜应力测量方法测量薄膜内应力的方法大致可分为机械法、干涉法和衍射法三大类。

前两者为测量基体受应力作用后弯曲的程度，称为曲率法；后者为测量薄膜晶格常数的畸变。

（一）曲率法假设薄膜应力均匀，即可以测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值，求得实际薄膜应力的估计值，其中膜应力与基体上测量位置的半径平方值、膜厚及泊松比 (Poisson's ratio) 成反比；与基体杨氏模量 (Es，Young's modulus)、基体厚度的平方及蒸鍍前后基体曲率（1/R）的相对差值成正比。

薄膜应力概念

薄膜应力
membrane stress 沿截面厚度均匀分布的应力成分，它等于沿所考虑截面厚度的应力平均值。

由无力矩理论求解的壳体应力均为薄膜应力，且属一次薄膜应力。

根据有力矩理论计算，不连续应力中也含有薄膜应力分量，但属二次应力。

由于薄膜应力存在于整个壁厚，一旦发生屈服就会出现整个壁厚的塑性变形。

在压力容器中，其危害性大于同等数值的弯曲应力(弯曲应力沿壁厚呈线性或非线性分布)。

——摘自《安全工程大辞典》（1995年11月化学工业出版社出版）……
一次应力为平衡压力与其它机械载荷所必须的法向应力或剪应力。

一次应力分为以下三类： 1．一次总体薄膜应力是影响范围遍及整个结构的一次薄膜应力（primary membrane stress）。

在塑性流动过程之中一次总体薄膜应力不会重新分布，它将直接导致结构破坏。

2．一次局部薄膜应力应力水平大于一次总体薄膜应力，但影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力。

当结构局部发生塑性流动时，这类应力将重新分布。

若不加以限制，则当载荷从结构的某一高应力区传递到另一低应力区时，会产生过量塑性变形而导致破坏。

3. 一次弯曲应力平衡压力或其他机械载荷所需的沿截面厚度线性分布的弯曲应力。

二次应力为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所须的法向应力或剪应力。

二次应力的基本特征是具有自限性，即局部屈服和小量变形就可以使约束条件或变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。

只要不反复加载，二次应力不会导致结构破坏。

峰值应力由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加在一次加二次应力上的应力增量。

薄膜应力计算公式

薄膜应力计算公式薄膜应力计算公式是表征薄膜材料内部应力分布的关键公式之一。

薄膜应力计算公式的推导综合考虑了材料本身力学性质、膜厚、晶格缺陷等多种因素，才得以建立起完整的数学模型，从而给人们提供了计算薄膜应力的有效方法。

首先，我们来回顾一下薄膜应力的基本概念。

薄膜是指在一种基材上面涂上一层很薄的材料，厚度一般都在几纳米到几微米之间，具有很多独特的性质和应用价值。

薄膜材料的内部应力分布是影响其性能和寿命的重要因素之一。

所谓薄膜应力（Stress in Thin Film）就是指由于各种因素导致薄膜内部产生的拉伸或压缩力，其量纲为Mpa或N/m2。

对于薄膜材料的内部应力分布，一般采用求解薄膜应力计算公式的方法来确定。

常见的薄膜应力计算公式有以下几种：1. 偏差法（Stoney Formula）：偏差法是一种最为常见的薄膜应力计算方法，通常用于薄膜在基材上平行平铺的情况下。

其计算公式如下：σ = E(1-ν)ΔT(1+ν)(1-2ν) / 2(1-ν)t其中，E为薄膜材料的弹性模量，ν为泊松比，ΔT为膜材料与基材材料之间的温度差，t为膜厚。

2. 力学平衡法：力学平衡法适用于考虑悬臂式薄膜或复合材料薄膜等非平铺情况下的薄膜应力计算。

其计算公式如下：σ = E1t1^2(h1+h2)/2h2^2 - E2t2/h2其中，E1和E2分别是上下两层膜材料的弹性模量，t1和t2分别是上下两层膜材料的厚度，h1和h2分别是上下两层膜材料的高度。

3. 光致反射法（Optical Reflection Method）：光致反射法是一种基于光学原理实现的薄膜应力计算方法，对于有一定透明性和反射率的薄膜材料适用。

其计算公式如下：ΔR/R = (2σt/λ)sin2θ其中，ΔR/R是膜面上反射度的变化量，λ是光的波长，θ是光线入射角度。

通过以上三种薄膜应力计算方法，可以得出薄膜材料内部应力的数值大小和分布情况，并为日后进一步研究薄膜性能和应用提供有效参考。

薄膜应力

薄膜应力通常薄膜由它所附着的基体支承着,薄膜的结构和性能受到基体材料的重要影响。

因此薄膜与基体之间构成相互联系、相互作用的统一体，这种相互作用宏观上以两种力的形式表现出来：其一是表征薄膜与基体接触界面间结合强度的附着力；其二则是反映薄膜单位截面所承受的来自基体约束的作用力—薄膜应力。

薄膜应力在作用方向上有张应力和压应力之分。

若薄膜具有沿膜面收缩的趋势则基体对薄膜产生张应力，反之,薄膜沿膜面的膨胀趋势造成压应力[1-2]。

应该指出,薄膜和基体间附着力的存在是薄膜应力产生的前提条件,薄膜应力的存在对附着力又有重要影响[3]。

图1薄膜中压应力与张应力的示意图[4]1薄膜应力的产生及分类:薄膜中的应力受多方面因素的影响,其中薄膜沉积工艺、热处理工艺以及材料本身的机械特性是主要影响因素。

按照应力的产生根源将薄膜内的应力分为热应力和本征应力,通常所说的残余应力就是这两种应力的综合作用,是一种宏观应力[4]。

本征应力又称内应力,是在薄膜沉积生长环境中产生的(如温度、压力、气流速率等),它的成因比较复杂,目前还没有系统的理论对此进行解释,如晶格失配、杂质介入、晶格重构、相变等均会产生内应力[5]。

本征应力又可分为界面应力和生长应力。

界面应力来源于薄膜与基体在接触界面处的晶格错配或很高的缺陷密度，而生长应力则与薄膜生长过程中各种结构缺陷的运动密切相关。

本征应力与薄膜的制备方法及工艺过程密切相关，且随着薄膜和基体材料的不同而不同[6]。

热应力是由薄膜与基底之间热膨胀系数的差异引起的。

在镀膜的过程中，薄膜和基体的温度都同时升高，而在镀膜后,下降到初始温度时，由于薄膜和基体的热膨胀系数不同，便产生了内应力，一般称之为热应力，这种现象称作双金属效应[7]。

但由这种效应引起的热应力不能认为是本质的论断。

薄膜热应力指的是在变温的情况下，由于受约束的薄膜的热胀冷缩效应而引起的薄膜内应力[6]。

薄膜应力的产生机理:(1)热收缩效应的模型热收缩产生应力的模型最早是由Wilman和Murbach提出来,它是以蒸发沉积时,薄膜最上层温度会达到相当高为前提的。

薄膜力学的应力分布分析

薄膜力学的应力分布分析薄膜力学是关于薄膜在外力作用下变形和应力分布的研究。

在不同应用领域中，如电子设备、太阳能电池、光学涂层等，对薄膜力学的应力分布进行准确的分析至关重要。

本文将探讨薄膜力学的应力分布分析。

一、薄膜应力的类型薄膜力学中，应力可以分为两类：内应力和外应力。

内应力指的是薄膜内部由于热膨胀、晶格失配等原因引起的应力。

外应力则是来自于外界的作用力，例如机械载荷或热膨胀。

薄膜中的应力分布会在内应力和外应力的共同作用下形成。

二、应力分布模型在薄膜力学中，一般采用应力分布模型来描述薄膜中应力的变化情况。

其中最常用的模型是平面应力模型和薄膜弯曲模型。

1. 平面应力模型平面应力模型假设薄膜在平面内的形变很小，可以忽略薄膜的弯曲。

在这种情况下，应力只在薄膜平面内分布。

通过平面应力模型，可以得到应力分布在薄膜表面上的等高线图。

等高线的密集程度表示应力的大小。

2. 薄膜弯曲模型薄膜弯曲模型考虑了薄膜的弯曲效应。

薄膜在外力作用下会发生弯曲，产生弯曲应力。

通过薄膜弯曲模型，可以计算出薄膜中的曲率和应力的分布情况。

弯曲应力在薄膜中的分布是非均匀的，通常在薄膜的边缘处应力较大。

三、应力分布分析方法对于薄膜力学的应力分布分析，有多种方法可以采用。

下面介绍几种常用的方法。

1. 解析方法解析方法是通过建立薄膜力学的数学模型，应用弹性力学理论进行求解。

这种方法可以得到精确的应力分布解析解，但通常限制于简单几何形状和边界条件。

当薄膜的几何形状复杂或边界条件不规则时，解析方法的应用会变得困难。

2. 数值模拟方法数值模拟方法是通过数值计算的方式来模拟薄膜力学的应力分布。

其中最常用的方法是有限元法。

有限元法将薄膜划分为许多小单元，通过求解每个单元的力学方程，得到全域的应力分布。

数值模拟方法可以应用于各种复杂几何形状和边界条件，但需要计算机软件的支持，计算量较大。

3. 实验方法实验方法是通过实验手段来测量薄膜力学的应力分布。

常见的实验方法包括压痕法、晶体衬底法等。

薄膜应力的产生机制

一、再结晶机制当薄膜材料的迁移率大，自扩散能力足够强时，在薄膜沉积的过程中或薄膜沉积停止后，会发生再结晶过程。

该过程使得薄膜中缺陷密度减小，晶粒尺寸增大，薄膜致密化，从而导致拉伸应力的产生。

二、晶界弛豫机制当两个小岛（或微晶）之间的距离接近到某一个临界值以内时，就会自动合并到一起，形成具有较低能量的晶界，同时小岛相互接触部分发生了应变。

小岛合并形成晶界的过程也就是能量从小岛的两个表面的表面能转化为晶界能和小岛的应变能的过程。

因此拉伸应力的大小与小岛的半径，表面能和界面能的大学以及岛和衬底的接触角密切相关。

当微晶合并后，晶界处空洞的收缩，以及晶粒的长大同样会导致拉伸应力的产生。

三、毛细应力机制由于毛细作用的原因，衬底上的薄膜粒子的晶格发生收缩，晶格常数变小。

当衬底上的粒子比较小时，这种变化可以依靠粒子在衬底表面的滑移得以弛豫。

当粒子数增多，并且粒子长大，它们之间相互接触时，粒子在衬底表面的滑移变得困难甚至不可能，导致薄膜出现张应力。

随着小岛的长大，表面张力的作用减弱，小岛或微晶的晶格常数增大，但实际上由于衬底对薄膜的束缚作用，晶格常数不能增大，薄膜内部产生压应力，导致压应力的产生。

四、杂质原子的作用在薄膜沉积过程中，衬底中的原子或其它杂质原子（特别是氧原子）会进入薄膜内部，由于杂质原子的尺寸效应及其与薄膜中原子的相互作用导致压应力的产生。

五、晶格扩张机制通常当某种材料形成的粒子很小时，由于表面张力的作用，该粒子的晶格常数小于体材料的晶格常数，随着粒子的长大，粒子的晶格常数逐渐增大，直到达到材料的晶格常数为止。

但是对于薄膜，由于受衬底的束缚，即使薄膜的厚度增加，薄膜材料的晶格常数也小于体材料的晶格常数，从而导致薄膜中压应力的产生。

（学习的目的是增长知识，提高能力，相信一分耕耘一分收获，努力就一定可以获得应有的回报）（学习的目的是增长知识，提高能力，相信一分耕耘一分收获，努力就一定可以获得应有的回报）。

薄膜应力概念

薄膜应力概念嘿，朋友！咱今天来聊聊薄膜应力这个有点神秘但其实也不难懂的概念。

你知道吗？薄膜应力就好像是给物体穿上了一层“紧身衣”。

这层“紧身衣”的力量可不简单，它会对物体产生各种影响。

比如说，你想想一个气球，当你把它吹起来的时候，气球表面是不是有一种紧绷的感觉？这就有点像薄膜应力在起作用。

薄膜应力就像是气球表面那股让它保持形状，又限制它过度膨胀的力量。

再拿一张纸来打比方。

当你把纸弄湿，然后让它自然晾干，这张纸可能会变得皱巴巴的。

这也是因为在纸张表面形成了一种不均匀的薄膜应力，就好像有一群小调皮在拉扯着纸张，让它没法保持原来平整的样子。

薄膜应力在很多领域都有着重要的作用呢。

在工程领域，像那些大型的压力容器、管道，薄膜应力可就得好好研究。

不然，一旦这应力出了问题，那后果可不堪设想！就好比建房子，如果地基没打好，房子能牢固吗？薄膜应力没处理好，这些设备就可能出现裂缝、泄漏，甚至发生危险的事故。

在材料科学中，研究薄膜应力能帮助我们开发出性能更优秀的材料。

比如说，让金属材料更耐磨、更耐腐蚀，这可都离不开对薄膜应力的深入了解。

你可能会问，那薄膜应力到底是怎么产生的呢？这就好比两个人在拔河，两边的力量不均衡，就产生了一种拉扯的效果。

薄膜应力的产生，往往是因为物体表面受到不均匀的力，或者是因为温度的变化、材料的相变等等。

而且，薄膜应力还分拉应力和压应力呢。

拉应力就像是在使劲儿把东西拉长，压应力则像是在用力把东西压扁。

这两种应力的作用可大不相同。

总之，薄膜应力虽然听起来有点专业和复杂，但其实只要我们多去观察、多去思考，就能发现它在我们的生活和工作中无处不在。

了解它、掌握它，就能让我们更好地利用材料，设计出更安全、更可靠的产品。

你说是不是这个理儿？所以啊，别小看这薄膜应力，它可是个隐藏在各种物体背后的重要角色，对我们的生活有着大大的影响！。

薄膜应力课件

薄膜应⼒课件第9章压⼒容器中的薄膜应⼒本章重点内容及对学⽣的要求：（1）压⼒容器的定义、结构与分类；（2）理解回转薄壳相关的⼏何概念、第⼀、⼆主曲率半径、平⾏圆半径等基本概念。

（3）掌握回转壳体薄膜应⼒的特点及计算公式。

第⼀节压⼒容器概述1、容器的结构如图1所⽰，容器⼀般是由筒体（壳体）、封头（端盖）、法兰、⽀座、接管及⼈孔（⼿孔）视镜等组成，统称为化⼯设备通⽤零部件。

图1 容器的结构⽰意图2、压⼒容器的分类压⼒容器的使⽤范围⼴、数量多、⼯作条件复杂，发⽣事故的危害性程度各不相同。

压⼒容器的分类也有很多种，⼀般是按照压⼒、壁厚、形状或者在⽣产中的作⽤等进⾏分类。

本节主要介绍以下⼏种：○1按照在⽣产⼯艺中的作⽤反应容器（R ）：主要⽤来完成介质的物理、化学反应，利⽤制药中的搅拌反应器，化肥⼚中氨合成塔，。

换热容器（E ）：⽤于完成介质的热量交换的压⼒容器，例如换热器、蒸发器和加热器。

分离压⼒容器（S ）：完成介质流体压⼒缓冲和⽓体净化分离的压⼒容器，例如分离器、⼲燥塔、过滤器等；储存压⼒容器（C ，球罐代号为B ）：⽤于储存和盛装⽓体、液体或者液化⽓等介质，如液氨储罐、液化⽯油⽓储罐等。

○2按照压⼒分外压容器：容器内的压⼒⼩于外界的压⼒，当容器的内压⼒⼩于⼀个绝对⼤⽓压时，称之为真空容器。

内压容器：容器内的压⼒⼤于外界的压⼒。

低压容器（L ）： MPa P MPa 6.11.0<≤；中压容器（M ）：M P a P M P a 1016.0<≤⾼压容器（H ）：M P a P M P a 10010<≤超⾼压容器（U ）：P M P a ≤10○3《压⼒容器安全监察规程》⼀类容器：有下列情况之⼀的A ⾮易燃或⽆毒介质的低压容器；B 易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器；⼆类容器：有下列情况之⼀的A 剧毒介质的低压容器；B 易燃或者有毒介质的低压反应容器和储运容器；C 中压容器；D 内径⼩于1m 的低压废热锅炉三类容器：有下列情况之⼀的A ⾼压、超⾼压容器；B 剧毒介质，且最⾼⼯作压⼒与容积的乘积MPa L V P W ?≥?200C 易燃或者有毒介质且MPa L V P W ?≥?500的中压反应容器；或者M P a L V P W ?≥?500的中压储运容器；D 中压废热锅炉或内径⼤于1m 的低压废热锅炉。