正交各向异性材料中夹杂的演化及夹杂对材料蠕变速率的影响

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由于复合材料在各领域的广泛应用,不仅需要研究其宏观性能,更需要研究其细观的损伤破坏规律。互连薄膜导线芯片封装电路中,二氧化硅绝缘基体和芯片组成的封装电路可视为一种复合材料结构,其宏观力学性质为正交各向异性材料。各种复合材料结构在成型和加工过程中间经常会呈现各种各样的缺陷,其中夹杂是典型的缺陷之一。另外对于一些陶瓷材料通过颗粒或夹杂可以改良材料的宏观力学性能。各种复合材料结构在研究中经常视为正交各向异性材料来处理,因此研究正交各向异性材料中夹杂的演化及夹杂体对蠕变特性的影响,对含缺陷的正交各向异性材料性能评价有着重要的理论参考意义和实际工程应用价值。本文首先建立了梯度载荷下正交各向异性材料中夹杂演化的力学模型,然后基于Lekhnitskii理论均布载荷下正交各向异性材料中夹杂界面应力的控制方程,解出应力表达式,再通过等效叠加的方式得到梯度载荷下应力的表达式,进而给出正交各向异性材料中夹杂迁移速率的解析解。算例结果表明,存在一个x - x0(x为椭圆圆心在整体坐标系中的坐标),可以使迁移速率为0;当x - x0时,x越小,迁移速率为负且越大;当x - x0时,x越大,迁移速率为正且越大。同时,β(基体与夹杂的弹性模量之比)越小,迁移速率变化的越快。随着椭圆形状参数m的变化,m越大时,速率的变化越快。其次,把含夹杂的正交各向异性材料设为具有周期性夹杂的微观结构,取其一个基本单元的横断模型,根据界面扩散理论和质量守恒定律,给出夹杂顶点的蠕变速率的表达式。算例结果表明,无论β>1或β> 1时,蠕变速率Z都随f v(夹杂与基体的体积比)的增大而增大。当β> 1时,蠕变速率Z为正值,随f v的增大而正方向的速率越大;当β> 1时,蠕变速率Z为负值,随f v的增大而负方向的速率越大。β值越接近1,即夹杂和基体材料弹性常数越接近,蠕变速率Z越小。研究结果给出不同的关键参数对正交各向异性材料中夹杂演化和夹杂体对蠕变特性的影响规律,对研究各类含有夹杂的正交各向异性材料的微观力学性能和宏观力学性能提供一定的理论参考依据和工程应用价值。
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