薄膜的跨尺度力學(xué)行為表征是研究薄膜材料在不同尺度下力學(xué)性能和行為的重要方法，以下是相關(guān)介紹：
研究內(nèi)容
薄膜脫膠力學(xué)表征：研究薄膜界面斷裂能、穩(wěn)態(tài)斷裂能、分離強(qiáng)度等相關(guān)參量間的變化規(guī)律，通過理論和實(shí)驗(yàn)研究，揭示薄膜脫膠過程中的力學(xué)機(jī)制。薄膜撕裂試驗(yàn)力學(xué)表征：分析薄膜在撕裂過程中的力學(xué)行為，獲得薄膜界面斷裂能、穩(wěn)態(tài)斷裂能、分離強(qiáng)度、材料特征尺度等相關(guān)參量間的變化規(guī)律，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相互印證，同時(shí)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬研究。薄膜劃痕試驗(yàn)力學(xué)表征：針對(duì)薄膜劃痕試驗(yàn)，研究薄膜界面斷裂能、穩(wěn)態(tài)斷裂能、分離強(qiáng)度等相關(guān)參量間的變化規(guī)律，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，也開展MD模擬研究。承載基底上薄膜脫膠特征研究：對(duì)承載基底上的薄膜脫膠進(jìn)行嚴(yán)格理論求解，證明此情況的薄膜脫膠解答不具有穩(wěn)態(tài)脫膠解的特征。熱障涂層熱震失效及災(zāi)變機(jī)制研究：以典型硬膜-熱障涂層為例，研究其熱震失效及災(zāi)變機(jī)制，獲得熱震臨界溫度和災(zāi)變冪次規(guī)律。研究方法
實(shí)驗(yàn)方法拉伸試驗(yàn)：如天津大學(xué)葉龍教授團(tuán)隊(duì)提出的“freestanding-film assisted by smart transfer（FAST）"方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)自支撐高分子光電薄膜的拉伸性能測試，能準(zhǔn)確反映薄膜在實(shí)際應(yīng)用中的真實(shí)力學(xué)行為。原子力顯微鏡（AFM）：可用于測量薄膜的表面形貌、粗糙度、粘附力等力學(xué)性能，還能進(jìn)行納米尺度的力學(xué)測試，如納米壓痕、納米劃痕等。電子顯微鏡（SEM）：觀察薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、缺陷、裂紋等，分析薄膜在不同力學(xué)條件下微觀結(jié)構(gòu)的變化，輔助研究薄膜的力學(xué)行為。
理論方法建立宏觀粘附力學(xué)理論和微觀粘附力學(xué)理論：如北京大學(xué)戴兆賀研究員課題組針對(duì)納米薄膜粘附行為，建立了針對(duì)膜和板的宏觀粘附力學(xué)理論和微觀粘附力學(xué)理論，考慮了宏觀理論中所忽略的物質(zhì)之間長程作用力。跨尺度本構(gòu)模型：上海交通大學(xué)張文明教授團(tuán)隊(duì)與姜學(xué)松教授合作，建立了聚合物薄膜表面失穩(wěn)-動(dòng)態(tài)超分子鏈之間的跨尺度非線性本構(gòu)力學(xué)模型，厘清了光驅(qū)動(dòng)表面失穩(wěn)-薄膜應(yīng)力松弛-動(dòng)態(tài)分子的跨尺度耦合作用機(jī)制。
數(shù)值模擬方法有限元方法：通過建立薄膜的有限元模型，對(duì)薄膜在不同載荷、邊界條件下的力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測薄膜的應(yīng)力、應(yīng)變、變形等力學(xué)響應(yīng)。分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬：在微觀尺度上模擬薄膜分子的運(yùn)動(dòng)和相互作用，研究薄膜的微觀力學(xué)行為，如薄膜的斷裂、滑移等過程。
薄膜的跨尺度力學(xué)行為源于其 “尺寸效應(yīng)"“界面效應(yīng)" 和 “結(jié)構(gòu)梯度"，具體表現(xiàn)為：
納米尺度：受限于薄膜厚度（通常 1-1000nm），微觀結(jié)構(gòu)（如位錯(cuò)、晶粒）的演化被強(qiáng)烈約束（如位錯(cuò)難以穿過薄膜表面，導(dǎo)致 “尺寸強(qiáng)化"）；
微米尺度：薄膜與基底的界面作用（如粘結(jié)強(qiáng)度、應(yīng)力傳遞）顯著影響局部變形（如界面脫粘、褶皺）；
宏觀尺度：整體力學(xué)性能（如拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性、疲勞壽命）是微觀機(jī)制（如缺陷增殖、界面失效）的宏觀體現(xiàn)。
針對(duì)不同尺度的力學(xué)行為，需結(jié)合實(shí)驗(yàn)、模擬與理論分析，構(gòu)建 “從微觀到宏觀" 的完整表征體系。
核心目標(biāo)：揭示原子間相互作用、鍵斷裂 / 重構(gòu)對(duì)力學(xué)行為的影響（如彈性模量、斷裂強(qiáng)度的原子起源）。
實(shí)驗(yàn)方法：
模擬方法：
分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬：基于原子間勢函數(shù)（如金屬的 EAM 勢、聚合物的 REBO 勢），模擬拉伸、剪切過程中原子運(yùn)動(dòng)（如位錯(cuò)萌生、晶界滑移），計(jì)算原子尺度的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系；
密度泛函理論（DFT）：計(jì)算原子鍵合強(qiáng)度、彈性常數(shù)（如石墨烯的面內(nèi)彈性模量源于 C-C 鍵的強(qiáng)共價(jià)作用）。
核心目標(biāo)：量化微觀結(jié)構(gòu)（如晶粒尺寸、缺陷密度）對(duì)局部應(yīng)力 / 應(yīng)變的影響，揭示塑性變形、損傷的微觀機(jī)制。
實(shí)驗(yàn)方法：
原位透射電鏡（in-situ TEM）力學(xué)測試：在 TEM 中對(duì)納米尺度薄膜試樣（如納米帶、納米線）施加拉伸 / 壓縮載荷，實(shí)時(shí)觀察位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、晶界滑動(dòng)、裂紋萌生（如鋁薄膜中 “位錯(cuò)塞積導(dǎo)致晶界開裂"）；
微壓痕技術(shù)（如納米壓痕儀）：通過針尖壓入薄膜表面，測量載荷 - 位移曲線，計(jì)算局部硬度、彈性模量（考慮基底約束對(duì)壓痕結(jié)果的影響）；
數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）：通過微米級(jí)分辨率的光學(xué)圖像，追蹤薄膜表面的局部應(yīng)變分布（如柔性聚合物薄膜拉伸時(shí)的 “應(yīng)變集中區(qū)"）。
模擬方法：
離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)（DDD）：模擬微米尺度下的位錯(cuò)成核、運(yùn)動(dòng)與相互作用，解釋 “薄膜厚度減小導(dǎo)致強(qiáng)度提高" 的尺寸效應(yīng)（如銅薄膜厚度從 1μm 降至 100nm，強(qiáng)度提升 3 倍）；
相場模擬：描述微觀結(jié)構(gòu)（如晶粒生長、相變）與力學(xué)場的耦合（如薄膜退火過程中晶粒粗化對(duì)硬度的影響）。
核心目標(biāo)：獲取薄膜的宏觀力學(xué)參數(shù)（如拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性、疲勞極限），并關(guān)聯(lián)微觀機(jī)制。
實(shí)驗(yàn)方法：
宏觀拉伸測試：采用微型拉伸試樣（寬度 < 1mm），測量應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，獲取彈性模量、屈服強(qiáng)度、延伸率（如聚酰亞胺薄膜的延伸率可達(dá) 50%，源于分子鏈的取向與滑移）；
彎曲 / 褶皺測試：評(píng)估薄膜的柔性與抗屈曲能力（如柔性電子薄膜在反復(fù)彎曲下的疲勞行為）；
界面力學(xué)測試：通過 “剝離試驗(yàn)"“剪切試驗(yàn)" 測量薄膜與基底的粘結(jié)強(qiáng)度（如金屬薄膜與硅基底的界面脫粘會(huì)導(dǎo)致器件失效）。
理論方法：
連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型：基于胡克定律、塑性本構(gòu)關(guān)系，描述薄膜的宏觀變形（如薄膜在基底約束下的熱應(yīng)力計(jì)算）；
統(tǒng)計(jì)力學(xué)模型：將微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)（如晶粒尺寸）引入宏觀本構(gòu)方程（如霍爾 - 佩奇關(guān)系：σ=σ?+kd?1/2，其中 d 為晶粒尺寸，解釋晶粒細(xì)化對(duì)強(qiáng)度的強(qiáng)化作用）。
跨尺度表征的核心是建立 “微觀機(jī)制 - 宏觀性能" 的定量關(guān)聯(lián)，需通過多尺度耦合方法實(shí)現(xiàn)：
自下而上耦合：將原子 / 納米尺度的模擬結(jié)果（如位錯(cuò)密度、界面強(qiáng)度）作為微米 / 宏觀模型的輸入?yún)?shù)（如用 MD 計(jì)算的位錯(cuò)遷移能，修正 DDD 中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率）；
自上而下耦合：通過宏觀實(shí)驗(yàn)反推微觀參數(shù)（如用宏觀斷裂韌性測試，結(jié)合斷裂力學(xué)理論，計(jì)算裂紋的微觀塑性區(qū)尺寸）；
多尺度模擬平臺(tái)：如 “準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)方法（QC）"，在原子尺度區(qū)域采用 MD 模擬，在宏觀區(qū)域采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，通過界面耦合實(shí)現(xiàn)跨尺度計(jì)算（如模擬納米薄膜裂紋擴(kuò)展時(shí)，裂紋用原子模型，遠(yuǎn)處用連續(xù)介質(zhì)模型）。
