بخشی از مقاله
چکیده
لایه نازک پوششی است با ضخامت بسیار کم که بر روی بستر نشانده می شود. لایه های نازک در صنایع مختلف مانند الکترونیک، پوشش دهی، آیینه های نوری، سیستم های الکترومکانیکی در ابعاد میکرو و نانو و... کاربردهای فراوانی را در سال های اخیر نوید داده اند. بررسی رفتار مکانیکی این سیستم ها از اهمیت فراوانی در کارکرد صحیح سیستم برخوردار است. در این پژوهش، روشی برای برآورد رفتار مکانیکی سیستم لایه نازک- بستر ارائه می شود. در این روش، رفتار کلی سیستم تحت بارهای مکانیکی اعمالی توسط بستر به عنوان محیط غالب تخمین زده می شود و سپس توسط اثرات لایه اصلاح می گردد.
.1 مقدمه
لایه نازک پوششی است با ضخامت بسیار کم که بر روی بستر نشانده می شود تا خواص و ویژگی های جدید مکانیکی، نوری، الکتریکی، مغناطیسی، حرارتی، سایشی، شیمیایی و... به سیستم بیافزاید. این لایه در علوم و صنایع مختلف کاربردهای فراوانی را در سال های اخیر نوید داده اند. به عنوان مثال، کاربرد تکنولوژی لایه نازک در مدارهای منطقی در صنعت الکترونیک با بهبود سطح اتصال مواد با خواص الکتریکی متفاوت و کاربرد مواد نازک با کیفیت بالا و قابلیت اطمینان مورد قبول، باعث رشد سریع تکنولوژی لایه و دستیابی به موفقیت های با ارزشی گردیده است و حوزه میکرو الکترونیک را با دگرگونی روبرو ساخته است.
از طرف دیگر، استفاده از پوشش های سطحی برای حفاظت سیستم ها در محیط های مختلف مانند توربین های گازی با لایه نشانی سطح پره توربین با مواد با پایداری زیاد شیمیایی و مقاوم در برابر تغییرات دمایی زیاد و رسانایی حرارتی کم سبب افزایش بازدهی توربین و افزایش عمر مفید آن می شود. کاربرد لایه های نازک در موتورهای احتراق داخلی، دیسک های سخت ذخیره اطلاعات در کامپیوتر و ترمیم مفاصل در علوم پزشکی از دیگر مثال های استفاده از لایه نازک به منظور افزایش مقاومت سطحی سیستم در مقابل سایش و افزایش عمر مفید قطعات با استفاده از پوشش سطوح می باشد.
لایه های نازک قسمت های مهمی از سیستم های میکروالکتریکی- مکانیکی را که به عنوان عملگرها یا سنسورها مورد استفاده قرار می گیرند تشکیل می دهند. به عنوان مثال لایه نازک پیزو الکتریک که روی غشاء سیلیکونی نشانده می شود می تواند به صورت الکتریکی خیز غشا را که به علت فشار اعمالی روی سطح آن ایجاد می شود شناسایی نماید. وسایلی که براساس تکنولوژی لایه نازک عمل می کنند، مانند میکروفون ها، نشانگرهای فشار خون، آینه های مورد استفاده در سیستم های نوری و پروبهای تشخیص دهنده میزان رسیدگی صنایع کشاورزی می باشند
کاربرد سیستم های لایه نازک به طور گسترده در علوم مختلف و صنعت مانند تکنولوژی نیمه هادی [3]، خطوط لوله تحت فشار [4]، شکلدهی ورق [5]، سازههای فوق سبک فضایی [6]، سازههای غشایی [7]، فضاپیماهای بادبانی خورشیدی [8]، سازههای الکترونیک انعطافپذیر [9]، پیری پوست و بهبود زخم [10]، ورقهای گرافیتی نانومتری [11]، مبدلهای الاستومری [12]، سنجش خواص مواد [13] مورد اشاره قرار گرفته است.
هر چند می توان تعداد زیادی از تکنولوژی های مرتبط در زمینه لایه های نازک را نام برد، اما بررسی اجمالی موارد فوق بیانگر آن است که لایه های نازک در این موارد به عنوان سازه هایی حامل بارهای مکانیکی به کار نرفته اند. هر چند تنش های درونی که در حین فرآیند ساخت به طور معمول در لایه نازک اعمال می شوند، به مقدار کافی دارای مقادیر بزرگی می باشند که باعث تغییر شکل های مکانیکی، صدمه یا شکست سیستم شوند. توجه به صدماتی که در اثر تنش های درونی به لایه و یا سیستم وارد می شود و موجب شکست یا تغییر خواص الکتریکی و نوری آنها و عملکرد نامناسب و عدم کارایی سیستم می گردد، بررسی اثرات مکانیکی لایه های نازک را در مرکز توجه محققین قرار داده است
تنش موجود در لایه بر خواص،کارآیی، عمر مفیدلایه و قابلیت اطمینان در استفاده از آن نقش اساسی دارد. لایه نازک به منظور انتقال بار مکانیکی مورد توجه قرار نمی گیرد، اما توجه به نقش تنش در تخریب لایه و جدایش آن از بستر و یا ایجاد عیوب مکانیکی در لایه بسیار حائز اهمیت می باشد. از طرفی تنش های وارده برلایه موجب تغییر رفتار لایه می گردند و این تغییر رفتار سبب می شود سیستم کارآیی خود را از دست داده و بی مصرف گردد. بررسی میدان تنش و جابجایی در لایه با حل سه بعدی میدان الاستیسیته به علت تشکیل لایه های مرزی تحت بارگذاری های مختلف فرآیندی بسیار سخت، پیچیده و زمانبر است و لذا تلاش برای معرفی روش های کم هزینه تر در برآورد رفتار مکانیکی سیستم، هدف این پژوهش می باشد.
وجود تنش های درونی در لایه نشانده شده روی بستر و تاثیر چنین تنش هایی در تورق و ایجاد ترک در سیستم در اوایل قرن نوزدهم مورد توجه قرار گرفت. استونی در 1909 مشاهده کرد که لایه فلزی نشانده شده روی بستر ضخیم در غیاب بارهای خارجی تحت حالتی از کشش یا فشار قرار می گیرد، چنانکه سعی در تغییر شکل بستر و خم کردن آن خواهد داشت. او تحلیل ساده ای به منظور یافتن ارتباط بین تنش لایه و خمش بستر ارائه کرد. مفاهیم اولیه ای که استونی در انجام تحلیل خود در مورد لایه های نازک به کار برد، به عنوان اصول اساسی تحلیل تنش لایه در سالیان بعد توسط محققین قلمداد گردید
بررسی تنش سطحی در لایه های نازک بطور گسترده مورد توجه محققین قرار گرفته است و رابطه استونی [1] سنگ بنای این تحلیل به شمار می رود که بر اساس اندازه گیری انحنای بستر عمل می کند.[16-14] فرض های اساسی تحلیل استونی شامل در نظر گرفتن تغییر شکل های کوچک و انحنای یکسان سیستم می باشد. برای سیستم هایی با خیز بزرگ یا لایه های ضخیم نشانده شده روی بستر، رابطه استونی با نتایج آزمایشگاهی مطابقت نخواهد داشت.[18-17] کلین [17] و فریوند [18] رابطه جایگزینی بجای رابطه استونی ارائه دادند که اثرات نسبت مدول یانگ و ضخامت لایه به بستر را نیز دربر می گرفت. فرض دیگری که در تحلیل استونی به چشم می خورد، اعمال نیروی سطح اتصال لایه و بستر بصورت ممان اعمالی در سطح انتهایی بستر می باشد.
سادر [19] نتیجه گیری می کند که کاربرد تنش دیفرانسیلی گسترده سطحی در محل اتصال لایه به بستر معادل بارگذاری ممان در لبه آزاد می باشد. گودین و دیگران [20] با اندازه گیری خیز تیرچه تحت بار متمرکز عرضی و ممان انتهایی به محاسبه تنش سطحی پرداختند.
.2روش تحلیل
توزیع تنش در سیستم لایه نازک با حل معادلات الاستیسیته و ارضای شرایط مرزی به دست میآید. هرچند حل دقیق الاستیسیته برای چنین سیستمهایی که شامل چند لایه با ابعاد و جنسهای مختلف و با شرایط اتصال پیچیده در سطح تماس میباشند، بسیار سخت و یا غیرممکن است. بدین منظور و برای یافتن توزیع تنش در سیستم می توان به یک ویژگی مهم اشاره کرد که فرآیند حل را بسیار ساده و کم هزینه میسازد. در سیستمهای لایه- بستر، ضخامت لایه بسیار کمتر از ضخامت بستر میباشد.
این مشخصه سیستم را مجبور میسازد که از رفتار بستر به عنوان محیط غالب تبعیت نماید. به عبارت دیگر، در سیستمهای لایه نازک به علت ناچیزبودن ضخامت لایه در مقابل بستر، رفتار کلی سیستم توسط بستر تعیین میگردد و لایه نازک مجبور به پیروی از این رفتار میگردد. هرچند در اثر مقاومت لایه در مقابل چنین تغییر شکلی، انتظار میرود که انحرافاتی از این رفتار مشاهده گردد که با تصحیحات لازمه قابل محاسبه و پیش بینی میباشد. این روش که براساس غالب بودن بستر بر رفتار کلی سیستم پایه ریزی شده است، نیاز به حل دستگاه کوپله معادلات دیفرانسیل جزئی را بین اجزای مختلف سیستم برطرف میسازد و به عنوان روش محیط غالب معرفی میگردد .
در این روش لایه و بستر از یکدیگر جدا می گردند و پاسخ آنها به بارگذاری اعمالی روی هر یک به صورت جداگانه محاسبه می شود. در صورتیکه میدان جابجایی این دو محیط در سطح اتصال متفاوت باشد، نیروهای واکنشی در سطح اتصال محاسبه میشوند و به علت اصل تعادل، بر دو محیط لایه و بستر به طور مساوی اعمال میگردند. به منظور یافتن این نیروها از فرض محیط غالب استفاده می شود. به عبارت دیگر، لایه نازک مجبور می گردد تا از تغییر شکل بستر تبعیت کند. بنابراین نیروهای سطح تماس و رفتار سیستم با روش محیط غالب بدست می آیند. مراحل مورد استفاده در روش محیط غالب به صورت زیر مشابه شکل - 1 - تفکیک میشوند:
- 1 جداسازی لایه از بستر: با صرف نظر از نیروهای واکنشی در سطح تماس دو ماده، لایه از بستر به صورت مجازی جدا می گردد.
- 2 یافتن حل الاستیسیته برای لایه و بستر به صورت جداگانه و تحت بار اعمالی بر هر یک: در این قسمت میتوان از تئوریهایی مانند تئوری تیرها، تئوری پوستهها و ورقها ، تئوری غشایی و شرایط سادهکنندهای همچون تئوریهای دوبعدی تنش یا کرنش صفحهای برای یافتن پاسخ تحلیلی استفاده نمود.
- 3 اعمال فرض محیط غالب: در این مرحله، اختلاف جابجایی u در سطوح اتصال بین لایه و بستر که در مرحله قبل محاسبه شده است به لایه اعمال میشود تا جابجایی آن را منطبق بر جابجایی بستر نماید. بنابراین بار معادل اعمالی روی لایه برای مطابق ساختن جابجایی لایه با بستر قابل محاسبه خواهد بود. این بار معادل همان اثرات برهم کنشی بین لایه و بستر میباشد که در مرحله اول از آنها صرفنظر گردید، اما در این مرحله باتوجه به فرض محیط غالب بدست میآیند.
- 4 تصحیح میدان جابجایی و تنش دو محیط: با اعمال نیروهای برهم کنشی بین لایه و بستر محاسبه شده در مرحله - 3 - در لایه و بستر و تکرار فرآیند تصحیح، می توان به پاسخهای دقیقتری دست یافت.
روش محیط غالب فرایندی برای یافتن نیروهای سطح تماس لایه و بستر پیشنهاد می کند. این روش برای هندسه های مختلف و بارگذاری های گوناگون روی سیستم لایه نازک- بستر قابل کاربرد میباشد. از طرفی در صورتیکه چندین لایه نازک بر روی یک بستر نشانده شوند، فرض محیط غالب بودن بستر تحلیل مسئله را بسیار آسانتر از حل معادلات الاستیسیته و یافتن عکس العمل های مجهول در سطوح اتصال می نماید
