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柔性电子薄膜材料在使用过程中往往受到拉伸、反复弯曲和折叠等变形的作用而失效,因此,研究柔性基板上各种薄膜材料的形变、断裂以及疲劳行为对于提高柔性电子薄膜及器件的可靠性具有重要的应用意义。由于薄膜材料的厚度及晶粒尺寸往往在亚微米甚至纳米量级,其力学性能的评价及相关尺寸效应的研究具有重要的理论意义。本论文工作选取了制备在柔性基板上的Al掺杂氧化锌(AZO)薄膜和亚微米-纳米厚度Au薄膜作为研究对象,系统地研究了两种薄膜材料的强度、疲劳与断裂性能,重点考察了柔性基体上脆性AZO薄膜的临界开裂应变、Au薄膜的塑性变形及疲劳行为的尺寸效应。
采用简支梁弯曲实验确定了AZO薄膜的正向和反向弯曲的临界开裂应变分别为0.50％和1.38％。当外加的弯曲应变达到一定值时,AZO薄膜的裂纹间距和裂纹密度均趋于饱和。正向弯曲时的饱和裂纹间距小于反向弯曲时的饱和裂纹间距。不同的断裂机制导致AZO薄膜正向弯曲的断裂能远小于反向弯曲时的断裂能。正向弯曲时薄膜受拉,形成细且直的通道裂纹而发生直接断裂；而反向弯曲时薄膜受压,促使其先脱粘后形成较宽锯齿状的通道裂纹而发生断裂,从而消耗了多余的断裂能量。
拉伸和悬臂梁动态弯曲疲劳实验分别得到了AZO薄膜的拉伸应力-应变曲线和临界应变幅-名义疲劳寿命关系,获得AZO薄膜条件屈服强度和断裂强度。拉伸和疲劳均导致AZO薄膜表面形成锯齿状通道裂纹,并且薄膜沿着裂纹方向发生脱粘。
10～500nm厚的Au薄膜的拉伸实验结果表明,Au薄膜的屈服强度随着薄膜厚度的减小而增加。拉伸变形的亚微米厚Au薄膜的表面形成局部薄化损伤区和短裂纹。随着薄膜厚度减小到纳米尺度,Au薄膜表面出现无局部薄化损伤的短裂纹。沿晶断裂是亚微米至纳米厚度Au薄膜的主要失效方式。
采用应变幅递增方法,通过悬臂梁动态弯曲疲劳实验获得了50～500nm厚的Au薄膜的临界应变幅-名义疲劳寿命关系。发现了随着Au薄膜厚度从500nm减小到50nm以及晶粒尺寸的减小,薄膜的疲劳寿命增加、疲劳强度升高的尺寸效应。微观观察表明,在50～500nm厚的Au薄膜中均出现了疲劳挤出/侵入损伤现象,薄膜表面出现类滑移痕迹；相同循环周次下,薄膜挤出/侵入的大小随着薄膜厚度的降低显著减小。