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。在薄膜形成过程中,沉积到基体上的蒸发气相原子具有较高的动能,从蒸发源产生的热辐射等使薄膜温度上升。当沉积过程结束,薄膜冷却到周围环境温度过程中,原子逐渐地变成不能移动状态。薄膜内部的原子是否能移动的临界标准是再结晶温度,在再结晶温度以下的热收缩就是产生应力的原因。

（2）相转移效应模型

在薄膜形成过程中发生从气相到固相的转移。根据蒸发薄膜材料的不同,可细分为从气相经液相到固相的转移及从气相经液相可能不经过再经过固相到别的固相的转移。在相转变时一般发生体积的变化,从而引起应力。

（3）晶格缺陷消除的模型

在薄膜中经常都含有许多晶格缺陷,其中空位和空隙等缺陷经过热退火处理,原子在表面扩散时将消除这些缺陷,可使体积发生收缩从而形成张应力性质的内应力。

（4）界面失配模型

当与基体晶格结构有较大差异的薄膜材料在这种基体上形成薄膜时,若两者之间相互作用较强,薄膜的晶格结构会变得接近基体的晶格结构于是薄膜内部产生大的畸变而形成内应力。若失配程度比较小,会产生均匀的弹性变形相反,如失配程度较大,则会产生界面位错,从而松弛薄膜中的大部分应变。这一模型一般用来解释单晶薄膜外延生长过程中应力的产生[5]。

(5)杂质效应模型

在薄膜形成过程中,环境气氛中的氧气、水蒸气、氮气等气体的存在会引起薄膜结构变化。如杂质气体原子的吸附或残留在膜中形成间隙原子,造成点阵畸变。另外还可能在薄膜内扩散、迁移甚至发生晶界氧化等化学反应。残留气体作为一种杂质在薄膜中掺人愈多则愈易形成大的压应力。另外由于晶粒间界扩散作用,即使在低温下也能产生杂质扩散从而形成压应力。

（6）原子、离子钉轧效应模型

在薄膜溅射沉积过程中,最显著的特点是存在着工作气体原子的作用,而且溅射原子的能量相对较高,在低的工组气压或负偏压条件下,一般得到处于压应力状态的薄膜,这一结论有很大的普遍性[8]。对此，Hoffman和Thormon等提出了原子钉轧效应模型[9]。由此产生的压应力一般是溅射薄膜中固有的应力。在阴极溅射过程中人射到薄膜上的溅射离子都具有一定的能量,它比真空蒸发时的能量大一个数量级。因此,在薄膜形成时可能形成空位或填隙原子等缺陷,使薄膜体积增大。另外,在溅射过程中的加速离子或加速中性原子常以很高的能量冲击薄膜。它们除了作为杂质被薄膜捕获之外,薄膜表面原子也向内部移动导致薄膜体积增大,在薄膜中形成了压应力。

2薄膜应力的测定方法：

关于薄膜应力的测量始于1877年，但首次成功测得电镀膜内应力是在1909年Stoney 利用基底的变形完成的。此后，大部分测量都采用了相类似的方法[6]。

从总体看，目前用于测量薄膜应力的方法主要有三类:基片变形法、X衍射法、拉曼光谱法[10-14]。

2.1基片变形法：

沉积在基片上的薄膜的应力会造成基片的弹性弯曲,通过测量薄膜沉积前、后基片挠度或曲率半径的变化,可以测定薄膜内的平均应力[15]。由于基片的不同,基片变形法有两种形式:悬臂梁法和圆形基片曲率变形法[3]。

（1）悬臂梁法

图2悬臂法测量应力的示意图[16]

这种方法是把矩形薄基片的一端固定并测出其初始位置,然后在薄片表面镀膜,薄膜内应力使薄片自由端产生变形,测出薄片自由端的位移,根据材料力学公式,确定内应力的方法。Berry等人对镀膜后的悬臂梁变形进行了更深入的力学分析,对悬臂梁法的Stoney公式进行修正,修正后的悬臂梁法测定薄膜应力的公式为:

式中,E s为基片的杨氏模量；v s为基片的泊松比；L为基片长度；t s为基片厚度；t f为薄膜厚度。

（2）圆形基片曲率变形法

当难以得到矩形薄基片时,可采用圆形片的试样。如果在圆片试样的一个面上蒸镀具有均匀应力的薄膜,则圆片将变成碗形。假设实验前将圆片的曲率半径看作是R0,镀膜后其曲率半径为R,当圆片的厚度t s比R充分小时,则薄膜应力的Stoney公式可表示为:

若E s,v s,t s,t f为已知,则只要测出R0和R,便可以计算出内应力的大小。在一般情况下,可假设R0为无限大,R值一般通过牛顿环干涉法求出。

2.2X射线衍射法[17-20]：

当有应力作用于晶体时,其晶格将发生畸变,晶格常数也变化；反之如测定出晶格的畸变,也就能计算出薄膜应力的大小。因此可以用X射线衍射方法测出晶格常数和衍射线宽度的变化,以此来计算薄膜应力。

图3X射线衍射法测量内应力的装置[16]

（1）单轴应力情况

设无畸变时其面间距为d0,晶格受薄膜应力作用产生畸变后面间距d,则薄膜应力σ可

表示为:

式中,E f,v f分别为薄膜的杨氏模量和泊松比。应用X射线衍射仪测定晶格常数,不仅简便,而且精度也很高。但是无论什么物质,如果膜厚不超过1000?,就很难获得清晰的衍射像。从衍射图来看,峰值位置变化的原因也与晶格缺陷有关。所以只有纯属晶格面间距变化造成的峰值位置变化才可以使用上式计算内应力[21-23]。

（2）双轴应力情况

测定晶格常数是在Bragg-Brentano或Seemann-Bohlin衍射几何条件下进行的,此时薄膜应力的计算公式为：

式中,P为应力系数；2θ为衍射角,E和υ分别为薄膜的杨氏模量及泊松比；ψ为被测晶面与薄膜表面的夹角,即倾斜角。这种方法主要问题在于当膜的厚度很薄时,参与衍射的薄膜体积很小,使得衍射强度降低,有时甚至没有衍射峰的出现,在应力测试所选用的高θ晶面,此种情况尤为严重。另外,即使在衍射强度满足测试要求的情况下,根据薄膜应力测试结果所描绘的2θ-sin2ψ曲线常常出现弯曲和振荡的现象。

2.3Raman光谱法[23-25]：

单色光束照射固体时,光子与物质分子相互碰撞会引起光的散射,其中发生非弹性散射的光束经分光后形成Raman光谱。Raman散射光谱与固体分子的振动有关,并且只有当分子的振动伴有极化率时才能与激发光相互作用,产生Raman光谱。如物体存在应力时,某些应力敏感的谱带会产生移动和变形,其中Raman峰频率偏移的改变与所受应力成正比,即:

式中,γ为被测试样和无应力标准试样对应力敏感的相同谱峰的频率差,即频移

(frequency shift,单位cm-1),k和α为应力因子。

根据Raman谱带的漂移,可判断薄膜内应力的种类和大小。Raman峰频移的改变可简单地进行以下说明:当固体受压应力作用时,分子的键长通常要缩短,依据常数和键长的关系,力常数就要增加,从而增加振动频率,谱带向高频方向移动；反之,当固体受张应力作用时,谱带向低频方向移动。

如果确定了α值,即可从Δγ算得σ。被测试样和无应力标准试样上对应力敏感的相同谱峰的频移差即为Δγ。而α的确定要进行标定实验。将一个DAC(diamond anvil cell)连接到被测试样上,通过测量固体在不同载荷下的同一Raman峰频移变化,得到Raman峰频移与应力的关系曲线。通常这一关系符合直线规律,其斜率为α。

Raman光谱法测试简单,可以很方便地用于高温原位测定。需要注意的是,目前在光谱法测定薄膜应力中,应力因子α(或k)得到的结果并不统一,从而使根据波谱位移量计算出来的应力结果不一致。因此,为了得到比较准确的应力值,应将其他薄膜应力测定方法与之相结合。

3、薄膜应力控制技术[4]

通过了解残余应力的产生根源,采取一定的措施来消除或大幅度减小薄膜结构内部的残余应力,避免可能由残余应力引起的各种失效形式。通过工艺过程中对残余应力的实时监测与控制,可以改进工艺参数,消除其中的不稳定因素。常用的薄膜的应力控制方法大致有：（1）要消除薄膜中的热应力,最根本的方法就是选用热膨胀系数相同的薄膜和基片材料。其次是让成膜温度与薄膜的测量温度或使用温度相同。薄膜的热应力可近似表示为:

其中:E f是薄膜的弹性模量,fγ为薄膜的泊松比,和分别对应薄膜和基底的热膨胀系数,T1使用温度或测量温度,T2为沉积温度。通常是温度T2高于T1,在这种情况下,若薄膜的弹性常数与温度无关,薄膜和基片的热膨胀系数不随温度发生变化、是一常数时,薄膜的热应力随温度呈线性变化[26]。

此外,热应力作为薄膜应力的一部分,受温度的影响而易于控制,这样通过热应力的变化与本征应力相互作用,调整薄膜的宏观应力,可能起到改善应力的效果。

(2)热退火处理。

薄膜中存在的各种缺陷是产生本征应力的主要原因。这些缺陷一般都是非平衡缺陷,故有自行消失的倾向。但是,要发生消失,需要外界给以活化能。在对薄膜热处理时,外界给以热能,非平衡缺陷大量消失,因此薄膜内应力显著降低。

在低温退火时,原子主要靠晶格振动而相互交换能量,处于畸变位置的一些原子,可能恢复到正常状态,因而薄膜内应力有所减小。中温退火,原子活动能力明显增大,因此一些原来被“冻结”的空位、填隙原子和位错将在膜内发生复合,或者移到表面和晶界而消失,或者组合成能量较低的缺陷组态(如位错环、空位团等)。在这种情况下,薄膜的内应力将大幅度降低。在高温下退火,原子的扩散加剧,除可以进一步消除冻结的缺陷外,还会发生各种再结晶,从而导致晶粒增大、晶界减少,使薄膜内应力再显著下降[27-32]。需要指出,上面所说的低温、中温、高温是相对于薄膜原材料的再结晶温度而言的。

Kuo shen Chen和Xin Zhang等[33]通过研究等离子增强化学气相沉积氧化物和氮化物薄膜,在热循环和退火条件下的热力行为,阐明了本征应力的产生和控制机理,提供了应力控制的解决方法,如图4所示。研究表明,综合考虑加热速率和精确控制应力松弛过程,设计新的薄膜沉积过程,以减小薄膜应力是完全可能的。

图4PECVD氧化物薄膜在退火时的应力松弛过程

（3）根据程开甲、程漱玉改进的TFD理论[34-35],薄膜本征应力大小为

，

式中(dp/dn)是薄膜材料的内压力对电子密度的微分,n

10和n

20

分别是薄膜与基底的原子表

面电子密度,对于同一种薄膜材料(dp/dn)为定值,因此薄膜应力正比于薄膜和基底的表面电子密度差。当两个不同元素的原子相接触时,原子的状态就要改变,如图5所示,图5中原子

Ⅰ的自由态表面电子密度n

10比原子Ⅱ的自由态表面电子密度n

20

要大。接触后,在满足热力

学平衡条件的同时,两个原子的体积变化到表面电子密度相等(n

00

)的状态上。Ⅰ原子的体积

膨胀(半径r

10变大到r

100

),Ⅱ原子的体积缩小(半径r

20

变小到r

200

),产生了体应变,从而产

生了内应力。

图5原子边界电子密度相等示意图

在基体上生长薄膜时,每种材料的自由态表面电子密度一般都不相等,要满足界面电子密度连续的条件,就会造成薄膜的形变,在薄膜中产生内应力。

该理论揭示了一条控制薄膜残余应力的途径,通过适当的掺杂,使基底与薄膜的表面电子密度差降低,即可减小残余应力。

图6CoSi2薄膜内应力与Si基体中C+离子注入剂量的关系

王若楠、刘继峰等[36-38]通过对CoSi2薄膜中本征应力的分析,证明了基体与薄膜的原子面电子密度差是薄膜本征应力的来源。通过离子注入和退火实验,发现薄膜中的应力随C+注入剂量的增加而减少(如图6所示),并且和理论计算的数值相吻合。

(4)通过添加亚层控制多层膜应力。

在镀制多层高反、增透或其它介质膜的过程中,膜料应力性质相同,这样就会增大整个膜层的应力,导致薄膜破裂或脱落。利用应变相消的原理,在膜层与膜层之间再沉积一层薄膜,控制工艺使膜内呈现与结构薄膜相反的应力状态,来缓解应力带来的破坏作用。当基底和薄膜的材料性质差别过大时,即界面性质不一致,其相互作用就大,这种作用力有使两种材料结构相似的作用趋势,因此薄膜内产生很大的变形,形成内应力。这种情况可先对基底进行表面处理,即添加亚层,增大表面的润湿性,对薄膜和基底的结构起到过渡作用,保持结构的连续性,从而减小应力。比如,金属膜和聚合物基底,就可以使用合适的偶联剂做亚层,减少膜与基底之间的结构应力。

(5)通过改变工艺参数控制应力。

镀膜过程中工艺参数的改变会直接影响薄膜中的最终残余应力水平,通过调整镀膜时的基底温度、工作气压、沉积速率等工艺参数可以控制薄膜中应力的大小,甚至会改变应力的性质[39-41]。在沉积薄膜时,基片温度对薄膜内应力的影响很大。这是因为温度直接影响到吸附原子在基片表面的迁移能力,从而影响薄膜的结构、成分、晶粒尺寸以及各种缺陷的的数量和分布。对于溅射镀膜,随着反应腔内溅射气压的增大,高能离子(粒子)的浓度增大,使得气体分子自由程减小,存在严重相互碰撞的散射现象,从而减小了气体分子的能量,原子喷丸效应[42]削弱,增大了沉积粒子流的倾斜分量,致使膜结构疏松,压应力越来越小,变为张应力,张应力先增大再减小,这一变化规律在溅射薄膜中具有相当的普遍性[43]。

图7溅射沉积薄膜应力与工作气压的关系

沉积速率对内应力的影响没有肯定的规律。实验中发现,有些薄膜的内应力随着沉积速率的升高而增大;而另一些薄膜则刚好相反。一般情况是沉积速率越大,晶粒平均尺寸就越小,因而内应力将增大；再者,沉积速率越大薄膜中的缺陷就越多,内应力也会增大。但是,在沉积时如果周围气体与沉积原子发生明显的化学反应,生成无序结构的薄膜,则在高沉积速率下,因为从周围气体进入的气体分子相对减少,薄膜的内应力反而较小。因此,要根据具体情况来论断沉积速率的影响。

(6)通过改进沉积技术控制应力。

在磁控溅射沉积薄膜过程中,随着射频源功率的变化,沉积原子的动能也发生改变,界面扩散层结构和膜层结构的缺陷浓度也随之变化。因此,薄膜内的残余应力就会发生改变。吕学超、汪小琳等[44]采用磁控溅射偏压镀技术在铀上镀铝膜,研究了不同偏压对镀层组织、结构及残余应力的影响。

图8铝镀层应力随偏压的变化

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多晶硅薄膜应力特性研究(1)

第20卷第6期 半　导　体　学　报 V o l.20,N o.6 1999年6月 CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S June,1999　 多晶硅薄膜应力特性研究 张国炳　郝一龙　田大宇　刘诗美　王铁松　武国英 (北京大学微电子学研究所　北京　100871) 摘要　本文报道了低压化学气相淀积(L PCVD)制备的多晶硅薄膜内应力与制备条件、退火 ,用XRD、R ED等技术测量分析了多晶硅膜的微结构组成.结果表明,L PCVD制备的多晶硅薄膜具有本征压应力,其内应力受淀积条件、微结 构组成等因素的影响.采用快速退火(R TA)可以使其压应力松弛,减小其内应力,并可使其转 变成为本征张应力,以满足在微机电系统(M E M S)制备中的要求. PACC:6220,7360F,6860 1　引言 多晶硅薄膜由于其特有的导电特性和易于实现自对准工艺的优点,在大规模集成电路(VL S I)的制备中有着广泛的应用.对多晶硅薄膜的导电特性已进行了深入的研究[1].近年来,随着集成电路的发展,特别是微机电系统(M E M S)的兴起,多晶硅膜作为M E M S中的基本结构材料,其机械特性直接影响着器件的性能和稳定性、可靠性. 在M E M S应用中要求多晶硅膜本身具有较小的张应力且膜内有小的应力梯度,如果多晶硅膜内应力过大,会使M E M S结构层形变甚至断裂,造成器件失效.所以,控制制备工艺条件,使其具有较小的张应力,成为M E M S制造工艺中的一个很关键的问题[2,3].本文对L PCVD多晶硅薄膜的应力特性进行了实验研究,主要包括:制备工艺条件、退火温度和时间、掺杂浓度和微结构组成对其应力特性的影响.实验中采用薄膜全场应力测试系统测量薄膜的应力,用X光衍射(XRD)及反射电子衍射(R ED)等技术测量分析了多晶硅膜的微结构组成. 2　实验 2.1　实验样品制备 实验样品采用在N型(100)单晶硅衬底热生长300～500nm厚的Si O2膜;再用低压化学气相淀积生长多晶硅薄膜,工艺条件为:淀积温度分别为575℃和610℃,压力30Pa,硅烷 张国炳　男,1937年出生,教授,从事半导体器件物理及VL S I和M E M S中薄膜结构特性及应用研究 郝一龙　男,1963年出生,副研究员,从事VL S I多层互连技术及M E M S器件和制备工艺研究 1998202213收到,1998208225定稿

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)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。 1、悬臂梁法 薄膜沉积在基体上，基体受到薄膜应力的作用发生弯曲。当薄膜的应力为拉应力时，基体表面成为凹面，若为压应力，基板的表面变为凸面。于是可以将一基体的一端固定，另一端悬空，形成机械式悬臂梁，如图二所示。测量原理为将激光照在自由端上的一点，并在沉积薄膜后再以相同方法测量一次，得到反射光的偏移量，进而求得薄膜的残余应力。 图二、悬臂梁法示意图 2、牛顿环法 本法是利用基体在镀膜后，薄膜产生的弯曲面与一参考平面，产生干涉条纹的牛顿环，利用测量到的牛顿环间距与条纹数，推算基体的曲率半径R，其中R 与牛顿环直径之平方差成正比，并与波长的4倍、牛頓环条纹数的差成反比，將所求得的R帶入牛顿环应力公式，可求出残余应力值 (如图三)。

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。 1、悬臂梁法 薄膜沉积在基体上，基体受到薄膜应力的作用发生弯曲。当薄膜的应力为拉应力时，基体表面成为凹面，若为压应力，基板的表面变为凸面。于是可以将一基体的一端固定，另一端悬空，形成机械式悬臂梁，如图二所示。测量原理为将激光照在自由端上的一点，并在沉积薄膜后再以相同方法测量一次，得到反射光的偏移量，进而求得薄膜的残余应力。 图二、悬臂梁法示意图 2、牛顿环法 本法是利用基体在镀膜后，薄膜产生的弯曲面与一参考平面，产生干涉条纹的牛顿环，利用测量到的牛顿环间距与条纹数，推算基体的曲率半径R，其中R 与牛顿环直径之平方差成正比，并与波长的4倍、牛頓环条纹数的差成反比，將所求得的R帶入牛顿环应力公式，可求出残余应力值 (如图三)。 图三、牛頓环法示意图 3、干涉仪相位移式应力测量法

压力容器薄膜应力理论分析

压力容器薄膜应力理论分析 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 ≤1

SiO2 薄膜热应力模拟计算

SiO2薄膜热应力模拟计算1 吴靓臻，唐吉玉 华南师范大学物电学院，广州（510006） E-mail：tangjy@https://www.sodocs.net/doc/8512053242.html, 摘要：薄膜内应力严重影响薄膜在实际中的应用。本文采用有限元模型对SiO2薄膜热应力进行模拟计算，验证了模型的准确性。同时计算了薄膜热应力的大小和分布，分别分析了不同镀膜温度、不同膜厚和不同基底厚度生长环境下热应力的大小，得到了相应的变化趋势图, 对薄膜现实生长具有一定的指导意义。 关键词：热应力，SiO2薄膜，有限元，模拟 0 引言 二氧化硅(SiO2)薄膜因其具有优越的电绝缘性，传导特性等各种性能,加之其工艺的可行性，在微电子及光学和其它领域中有着非常广泛的应用[1]。随着光通信及集成光学研究的深入，在光学薄膜中占重要地位的多层介质SiO2光学薄膜，是主要的低折射率材料，对光学技术的发展起着举足轻重的作用[2]。然而，光学薄膜中普遍存在的残余应力是影响光学器件甚至整个集成光学系统性能及可靠性的重要因素。过大的残余应力会导致薄膜产生裂痕、褶皱、脱落等各种破坏，影响薄膜的使用性能[3]。此外，光学薄膜中的残余应力还会引起其基底平面发生弯曲导致其光学仪器发生畸变，从而导致整个光学系统偏离设计指标,甚至完全不能工作。因此有必要对SiO2薄膜残余应力进行深入细致的研究。 前人的研究表明：SiO2薄膜中的最终残余应力是淬火应力和热应力共同作用的结果[4] [5] [6]，而热应力是薄膜应力中不可避免的。但是现有的热应力理论计算无法得到直观的热应力 分布规律,不利于选择最适合的生长环境；若采用实验测试，成本高且也不现实。本文利用计算机，采用有限元技术,以在BK7玻璃衬底上生长的SiO2薄膜为研究对象,利用有限元软件ANSYS对SiO2薄膜在冷却阶段产生的热应力进行计算与分析, 计算了薄膜热应力的大小和分布，分别分析了不同镀膜温度、不同膜厚和不同基底厚度生长环境下热应力的大小，得到了相应的变化趋势图。这些结果对SiO2薄膜的实际应用和薄膜应力产生机制的探讨都有一定的意义。 1 理论分析 薄膜应力的形成是一个复杂的过程。一般来说，薄膜应力起源于薄膜生长过程中的某种结构不完整性（如杂质、空位、晶粒边界、位错等）、表面能态的存在以及薄膜与基体界面间的晶格错配等。在薄膜形成后，外部环境的变化同样也可能使薄膜内应力发生变化，如热退火效应使薄膜中的原子产生重排，结构缺陷得以消除（或部分消除），或产生相变和化学反应等，从而引起应力状态的变化。 薄膜内应力可以写成： σ内＝σ热＋σ本征（1）影响热应力的物理参数有热膨胀系数、杨氏模量、泊松比、厚度、温度变化等。目前，薄膜热应力数学模型是基于传统的梁弯曲理论来计算的，假设涂层相对于基体非常薄,而且尺寸无限宽,根据Stoney方程[7]可知薄膜热应力计算公式为： 1本课题得到国家自然科学基金资助项目（项目号：10575039）的资助。

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

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

塑料薄膜性能测试方法

在塑料包装材料中，各种塑料薄膜、复合塑料薄膜具有不同地物理、机械、耐热以及卫生性能.人们根据包装地不同需要，选择合适地材料来使用.如何评价包装材料地性能呢？国内外测试方法有很多.我们应优先选择那些科学、简便、丈量误差小地方法.优先选择国际标准、国际先进组织标准，如、等和我国国家标准、行业标准，如／标准、／标准、／标准等等. 笔者在从事检验工作中，使用过一些检测方法，下面向大家简单介绍一下. 规格、外观塑料薄膜作为包装材料，它地尺寸规格要满足内装物地需要.有些薄膜地外观与货架效果紧密相连，外观有题目直接影响商品销售.而厚度又是影响机械性能、阻隔性地因素之一，需要在质量和本钱上找到最优化地指标.因此这些指标就会在每个产品标准地要求中作出规定，相应地要求检测方法一般有：.厚度测定／－《塑料薄膜和薄片厚度测定机械丈量法》该非等效采用：《塑料－薄膜和薄片－厚度测定－机械丈量法》.适用于薄膜和薄片地厚度地测定，是采用机械法丈量即接触法，丈量结果是指材料在两个丈量平面间测得地结果.丈量面对试样施加地负荷应在～之间.该方法不适用于压花材料地测试. .长度、宽度／－《塑料薄膜与片材长度和宽度地测定》非等效采用国际标准：《塑料－薄膜和薄片－长度和宽度地测定》.该标准规定了卷材和片材地长度和宽度地基准丈量方法. 塑料材料地尺寸受环境温度地影响较大，解卷时地操纵拉力也会造成材料地尺寸变化.丈量用具地精度不同，也会造成丈量结果地差异.因此在丈量中必须留意每个细节，以求丈量地结果接近真值. 标准中规定了卷材在丈量前应先将卷材以最小地拉力打开，以不超过地长度层层相叠不超过层作为被测试样，并在这种状态下保持一定地时间，待尺寸稳定后在进行丈量. .外观塑料薄膜地外观检验一般采取在自然光下目测.外观缺陷在／《塑料术语及其定义》中有所规定.缺陷地大小一般需用通用地量具，如钢板尺、游标卡尺等等进行丈量. 物理机械性能.塑料力学性能——拉伸性能塑料地拉伸性能试验包括拉伸强度、拉伸断裂应力、拉伸屈服应力、断裂伸长率等试验. 塑料拉伸性能试验地方法国家标准有几个，适用于不同地塑料拉伸性能试验. ／－《塑料拉伸性能试验方法》一般适用于热塑性、热固性材料，这些材料包括填充和纤维增强地塑料材料以及塑料制品.适用于厚度大于地材料. ／－《塑料薄膜拉伸性能试验方法》是等效采用国际标准－《塑料薄膜拉伸性能地测定》.适用于塑料薄膜和厚度小于地片材，该方法不适用于增强薄膜、微孔片材、微孔膜地拉伸性能测试. 以上两个标准中分别规定了几种不同外形地试样，和拉伸速度，可根据不同产品情况进行选择.如伸长率较大地材料，不宜采用太宽地试样；硬质材料和半硬质材料可选择较低地速度进行拉伸试验，软质材料选用较高地速度进行拉伸试验等等. .撕裂性能撕裂性能一般用来考核塑料薄膜和薄片及其它类似塑料材料抗撕裂地性能. ／－《塑料薄膜和薄片耐撕裂性能试验方法裤形撕裂法》是等效采用国际标准－：《塑料－薄膜和薄片－耐撕裂性能地测定第部分；裤形撕裂法》适用于厚度在以下软质薄膜或片材.试验方法是将长方形试样在中间预先切开一定长度地切口，像一条裤子.故名裤形撕裂法.然后在恒定地撕裂速度下，使裂纹沿切口撕裂下往所需地力.使用仪器同拉伸试验仪中地非摆锤式地试验机. ／－《塑料直角撕裂性能试验方法》适用于薄膜、薄片及其它类似地塑料材料.试验方法是将试样裁成带有直角口地试样，将试样夹在拉伸试验机地夹具上，试样地受力方法与试样方向垂直.用一定速度进行拉伸，试验结果以撕裂过程中地最大力值作为直角撕裂负荷.试样假如太薄，可采用多片试样叠合起来进行试验.但是，单片和叠合试样地结果不可比较.叠合试样不适用于泡沫塑料片. ／－《塑料薄膜和薄片耐撕裂性试验方法埃莱门多夫法》是等效采用国际标准／－《塑料薄膜和薄片耐撕裂性地测定――第二部分：埃莱门多夫法》适用于软塑料薄膜、复合薄膜、薄片，不适用于聚氯乙烯、尼龙等较硬地材料.原理是使具有规定切口地试样承受规定大小摆锤贮存地能量所产生地撕裂力，以撕裂试样所消耗地能量计算试样地耐撕裂性. .摩擦系数静摩擦系数是指两接触表面在相

相沉积薄膜应力产生机理的理论分析

物理气相沉积薄膜应力产生机理的理论分析 3 房永思1,唐　武1,翁小龙1,邓龙江1,徐可为2 (1.电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都610054;2.西安交通大学金属材料强度国家重点实验室,陕西西安710049) 摘　要:　在一维线性谐振子模型基础上,应用薛定谔方程分析了晶体中原子的概率分布;将晶体中原子的概率分布定义为原子云,解释了物理气相沉积法制备薄膜时残余应力产生的原因,建立了薄膜残余应力产生机理的理论模型。关键词:　薛定谔方程;原子云;薄膜;残余应力中图分类号:　O484.2;TB43文献标识码:A 文章编号:100129731(2006)1221959203 1　引　言 随着微电子技术的飞速发展,薄膜电子器件的应用越来越广泛,对薄膜的制备提出了越来越高的要求。而薄膜残余应力一直是导致薄膜及相关器件失效的一个十分重要的原因[1～4]。薄膜残余应力随薄膜厚度的增加而增大会引起厚膜的剥落,从而限制了薄膜的厚度;在半导体中,薄膜残余应力将影响禁带漂移;在超导体中,残余应力影响超导转化温度以及磁各向异性;薄膜残余应力还引起基体的变形,这在集成电路技术中是极为有害的。并且,应力还会导致其它一些问题的出现,如:弱化结合强度、产生晶体缺陷、破坏外延生长薄膜的完整性、在薄膜表面产生异常析出、影响铁电 薄膜电滞回线及蝶形曲线等等[5～8] 。 基于薄膜残余应力的重要性,研究薄膜残余应力是很有意义的[9～11]。目前,一般认为薄膜的应力分为外应力和内应力,而内应力又分为热应力和本征应力,本征应力又分为界面应力和生长应力,在电子薄膜器件的服役工况下,我们比较关心内应力。薄膜的内应力产生机理的研究很多,主要理论模型有:热收缩效应、相转移效应、空位的消除、表面张力(表面能)和表面层、表面张力和晶粒间界弛豫、界面失配、杂质效应、原子离子埋入效应,但是没有一种理论模型能够对应力的产生机理做出十分全面的解释。本文将从量子力学的角度通过原子云模型来解释应力的产生机理,从而促进薄膜应力产生机理的理论研究。 2　理论分析的前提假设 为了使分析简单化,本文所进行的残余应力产生 机理分析都是基于简单立方晶体结构。通过类比电子 云,假设晶体中的原子以原子云的形式存在,把处于束缚态的原子的概率分布定义为原子云,晶体的晶格常数的变化是由于原子云的变化所引起的。 在原子云假设的基础上,建立势能函数,用来求原子的概率分布的变化即原子云的变化,通过讨论原子云的变化来讨论基体以及薄膜晶格常数的变化,从而确定薄膜应力的产生机理。对于三维的薄膜和基体,在讨论其内应力的产生时,一般只需考虑其二维的势能函数即可,但是二维的势能函数建立以及计算分析也是很复杂,因此建立一维的势能函数,把一维线性谐振子模型作为要建立的势能函数,易于理论分析。 定义势能函数表达式为: U =12 m ω2x 2 其中U 为势能,m 为原子的质量,ω为常量,表示振子的固有角频率,x 为此一维坐标。其函数图形如图1,其中a 为晶体的晶格常数。 图1　一维线性谐振子势能函数图 Fig 1Potential energy equation of one 2dimensional linearity resonance model 3　分析与讨论 3.1　理论推导 根据势能函数: U = 12 m ω2x 2 其薛定谔方程为: h 2 2m ?d 2ψd x 2+E -12m ω2x 2ψ=0 令: α= m ωh ,ε=αx ,λ= 2E h ω9 591房永思等:物理气相沉积薄膜应力产生机理的理论分析 3 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2004CB619302) 收到初稿日期:2006206213收到修改稿日期:2006208222 通讯作者:唐　武 作者简介:房永思　(1982-),男,黑龙江尚志人,在读硕士,师承唐武副教授,从事功能薄膜材料研究。

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）

塑胶内应力测试方法

PC塑胶材料的内应力检测方法 1、测试辅料： 正丙醇、乙酸乙酯/甲醇（比例为1:3）、甲苯/正丙醇（比例为 1:10）、甲苯/ 正丙醇（比例是 1:3）、碳酸丙烯、测试夹具(或者负载)。 2、测试过程： 2.1 测试夹具的选择： 2.1.1因为TnP混合液存放时间过长,其成分会蒸发,性质会改变,从而导致测试结果不一，所以要选择一个可以存放正丙醇、乙酸乙酯/甲醇、甲苯/ 正丙醇、碳酸丙烯试剂的密封瓶，并且能保证试剂在密封瓶内循环流动。 2.2 测试试剂的选择： 2.2.1选择测试试剂时应满足测试程度的要求,必须符合安全要求. 2.2.2 如果PC料在使用过程中不能承受机械负载，测试试剂由正丙醇或者乙酸乙酯和甲醇以1:3的比例调制而成. 2.2.3 如果PC料在使用过程中能承受机械负载，测试液必须为1:10比例的TnP(即甲苯和正丙醇混合液).如果外荷载更大或者在临界情况下,测试液可改为1:3比例的TnP,甚至可用碳酸丙烯替代. 2.2.4 如内应力较小的情况下，可用乙酸乙酯/甲醇代替TnP测试液.比如，将乙酸乙酯/甲醇的混合比例调为1：2.5, 因为此试剂可让PC材料达到7兆帕的反应力值. 2.2.5 如果没有特殊的要求可根据“图表二”的内应力要求选择合适的试剂，试剂量要求能将测试样品完全沉浸在试剂中。 2.3 测试时间： 2.3.1 因为PC材料在注塑模表面形成一层液体薄膜.此液体薄膜不易蒸发,尤其经过更长时间的浸泡,使得产生裂纹更难被察觉.所以PC材料在碳酸丙烯试剂中浸泡时间不应超过一分钟.曝光时间越长,内应力值越小.但内应力更小,也会出现应力裂纹. 2.3.2 PC材料在其它的试剂沉浸的时间可以参考下表

透明塑料制品的残余应力测试

透明塑料制品的残余应力测试 https://www.sodocs.net/doc/8512053242.html,/newsview.aspx?sn=267 在塑料制品生产中，即使大部分工艺都被很好的控制，如果不好的生产条件和错误的摆放位置，都会导致产品有大的残余应力。生产者需要可靠的，专业的应力测试方法。 所有的医用塑料制品生产过程，包括：浇铸模具、挤压、真空和机械加工等固有的残余应力。这种应力有些时候是人为的且是必须的，例如双轴的塑料薄膜，双轴的应力用来加强塑料薄膜的机械拉伸特性。但是在其他产品中，残余（或永久）应力会是个大问题。减少使用寿命，导致产品张裂变为碎片。当塑料制品中残余应力较大时，塑料的拉伸力会变得很低，不耐高温，且容易张裂。 残余应力对产品的影响： 1、应力释放引起的畸变 应力释放引起的畸变会导致产品安装使用时发生错误，并且直接导致产品形貌变化及最终失效。在温度稍高的环境中生产塑料产品时，会带来残余应力。但是大多数医疗器械生产商并不能认识到这一点，知道他们把产品进行杀菌处理或热熔处理时才意识到。 2、张裂 产品的张裂现象是最直观的结果当残余应力很大时。当对产品进行浸泡处理时，会加大裂纹的产生速度。当塑料模具等被切割时，残余应力也会影响切割质量。表面龟裂纹也是由许多细小的肉眼难辨的微型裂缝组成的。在生产过程中，这些问下哦裂纹很难被生产者发现。但是通过化学试剂可以使裂纹显现。例如，苯乙烯被煤油浸泡后会在残余应力区域产生裂纹。正确的退火能够降低应力且阻止产生裂纹。 3、光学性能的下降 光学及塑料制品被大量用于制作透镜等光学元件，残余应力在材料中引入了双折射-一束入射光由于折射不对称被分为了两束光，会导致塑料棱镜等光学元件的聚焦不准。即使是很微小的双折射现象都会影响光学特性是产品性能下降。 4、改变产品机械的特性 具有导向性的塑料制品相比较其它退火产品拥有其独特的物理机械特性。此类产品在设计生产的过程

薄 膜 理 论

薄膜理论 在上节《化工设备机械基础》课上，我们学习了“薄膜理论”这一重要概念。所谓薄膜理论，标准的定义为：假定整个薄壳的所有横截面均没有弯矩和扭矩而只有薄膜内力的壳体分析理论。就是指我们对承受气体内压的回转壳体进行了应力分析，导出了计算回转壳体经向应力和环向应力的一般公式。这些分析和计算，都是应力沿厚度方向均匀分布为前提，这种情况只有当器壁较薄以及离两部分连接区域稍远才是正确的。这种应力与承受内压的薄膜非常相似，因此又称为“薄膜理论”。薄壁无力矩应力状态的存在，必须满足壳体是对称轴的，即几何形状、材料、载荷的对称性和连续性，同时需保证壳体应具有自由边缘。当这些条件不能全部满足时，就不能应用无力矩理论去分析发生弯曲时的应力状态。但远离局部区域的情况，如远离壳体的连接边缘、载荷变化的分界面、容器的支座以及开孔接管等处，无力矩理论仍然有效。 一、回转壳体中的几个重要的几何概念 （一）面 1、中间面：平分壳体厚度的曲面称为壳体的中间面，中间面与壳体内外表面等距离，它代表了壳体的几何特性。 2、回转曲面：由平面直线或平面曲线绕其同平面内的回转轴回转一周所形成的曲面。 3、回转壳体：由回转曲面作中间面形成的壳体称为回转壳体。 （二）线 1、母线：绕回转轴回转形成中间面的平面曲线。 2、经线：过回转轴的平面与中间面的交线。 3、法线：过中间面上的点且垂直于中间面的直线称为中间面在该点的法线（法线的延长线必与回转轴相交）。 4、纬线：以法线为母线绕回转轴回转一周所形成的圆锥法截面与中间面的交线。 5、平行圆：垂直于回转轴的平面与中间面的交线称平行圆。显然，平行圆即纬线。 （三）、半径 1、第一曲率半径：中间面上任一点M处经线的曲率半径为该点的“第一曲率半径”R1，R1=MK1。 数学公式： 3 /22 1// (1) || y R y + = 2、第二曲率半径：通过经线上一点M的法线作垂直于经线的平面与中间面相割形成的曲线MEF，此曲线在M点处的曲率半径称为该点的第二曲率半径R2。第二曲率半径的中心落在回转轴上，其长度等于法线段MK2，即R2=MK2。 二、容器壳体的几何特点 1、容器：设备的外壳

ANSYS压力容器应力分析中

ANSYS压力容器应力分析中，列表应力名称问题 1. ** MEMBRANE ** 代表PL？ 2. ** BENDING ** 代表PB？ 3. ** MEMBRANE PLUS BENDING ** 代表PL+PB？ 4. ** PEAK ** 代表F？ 5. ** TOTAL ** 代表 注： （因为JB4732中规定，判定各种应力许用极限的参数有一次总体薄膜应力强度 SⅠ（由Pm算得）； 一次局部薄膜应力强度SⅡ（由PL算得）； 一次薄膜加一次弯曲应力强度SⅢ（由PL+PB算得）； 一次加二次应力强度SⅣ(由PL+PB+Q算得)； 峰值应力强度SⅤ(由PL+PB+Q+F算得) Pm是一次总体薄膜应力， PL是一次局部薄膜应力； PB是一次弯曲应力； Q是二次应力； F是峰值应力） Pm是一次总体薄膜应力， PL是一次局部薄膜应力； PB是一次弯曲应力；

Q是二次应力； F是峰值应力） 1. ** MEMBRANE ** 代表PL 2. ** BENDING ** 代表PB？ 3. ** MEMBRANE PLUS BENDING ** 代表PL+PB？ 4. ** PEAK ** 代表F？ 5. ** TOTAL ** 代表？ ANSYS后处理应力线性化得到的结果中： ** MEMBRANE **代表薄膜应力，可能是一次总体薄膜应力也可能是一次局部薄膜应力。 ** BENDING **代表弯曲应力，可能是一次弯曲应力也可能属于二次应力。 ** MEMBRANE PLUS BENDING **根据前2者可能是一次薄膜+一次弯曲（），也可能是一次+二次应力（3 kSm） ANSYS只能把应力根据平均应力、线性化应力和非线性化应力来区分薄膜应力弯曲应力和峰应力，而不能分出总体薄膜应力和局部薄膜应力，一次应力还是二次应力。这需要你根据JB4732和ASME VIII-2的标准自己去判断** MEMBRANE **，** BENDING **，** MEMBRANE PLUS BENDING **的类别。