خواص مكانيكي لايه ها

تركيب عمومي (طرح عمومي)

رفتار مكانيكي لايه ها از دو ديدگاه اصلي داراي اهميت است. در اصل،‌ مطالعه و فهميدن چنين رفتارهايي مي‎تواند منجر به درك بهتر ما از خواص تودة مواد شود. در عمل كار رضايت بخش بسياري از قطعات لايه اي به شكل و ترتيب قرار گرفتن لايه هاي پايدار- كه مي‎توانند در برابر تاثيرات محيط زيست تاب بياورند- بستگي بحراني دارد.

مانند خيلي از خواص ديگر لايه ها، خواص مكانيكي لايه ها هم به چند تايگي معمولي فاكتورهاي وابسته در آماده سازي آنها بستگي دارد. به دليل مشكلات تجربي و محدوديت هاي موجود در آزمايشها، اكثريت كار انجام شده روي خواص مكانيكي روي لايه هاي چند بلوري انجام گرفته و اين به خاطر ساختار مختلط بيشتر لايه ها است. مطالعاتي دربارة برآراستي لايه ها انجام شده، اما طبيعت اندازه گيري دقيق،‌ كه مستلزم استخراج اطلاعات خواص مكانيكي است،‌ و عدم قطعيت مشكلاتي را در اين مطالعات ايجاد مي‌كند.

بيشتر مطالعات انجام شده دربارة لايه هاي فلزي بوده اند و به مواد دي الكتريك كه در قطعات الكتريكي و اپتيكي گوناگون اهميت دارند نيز توجه شده است. اندازه گيري ها شامل فشار (تنش) و كرنش، خزش، رفتار قالب پذيري و نرمي، قدرت شكست و در پايين ترين سطح و كمترين حد شامل سختي مي‎شوند. مدلهاي تئوري گوناگوني پيشنهاد شده اند كه اگرچه در اين مرحله حتي در جزئيات با تجربه توافق دارند ولي آنها را در نظر نمي گيريم. با وجود اين، يك اصول عمومي وجود دارند كه به عنوان راهنما براي كارهاي بعدي بكار گرفته مي‎شوند.

وقتي لايه ها با تبخير گرمايي، يا با تجربه بخار روي يك بستر گرمايي، شكل مي گيرند، آنگاه اگر ضريب انبساط لايه ها و بستر گرمايي يكسان باشد وقتي سيستم تا دماي اتاق سرد مي شود، يك فشار گرمايي ايجاد شده و پيشرفت مي‌كند. اين اثر- كه در بسياري از موارد اتفاق مي افتد- خودش را به شكل جداسازي لايه ها از سطح به وضوح نشان مي‎دهد. در حقيقت هنگامي كه بستر گرمايي در دماي اتاق است، فشار گرمايي ذخيره شده در لايه هاي رسوبي رابا هيچ وسيله اي نمي توان آشكار كرد. دمايي كه لايه ها در آن شكل مي گيرند، از آنجايي كه مفهوم بد تعريفي است، ممكن است با دماي بستر گرمايي تفاوت داشته باشد. مخصوصا وقتي كه اتمهاي چگاليده با يك سرعت بالاي گرمايي وارد مي‎شوند: اثر «دما»ي لايه هاي چگاليده به عاملهاي تعادل كه گرماي مادة چگال را كنترل مي‌كنند بستگي دارد و اين عاملها معمولاً به سختي قابل تشخيص هستند. قستمي از دماي سطح بستر گرمايي توسط تابشهاي دريافت شده از منبع تعيين مي‎شود و قسمتي از آن را گرماي نهاني كه توسط لايه هاي چگاليده داده شده تعيين مي‌كند. وقتي ضخامت لايه هاي فلزي افزايش پيدا مي كند، كسر بزرگي از انرژي گرمايي كه از بستر گرمايي تابش مي كند ممكن است بازتابيده شود. بعلاوه وقتي ثابتهاي اپتيكي لايه هاي بسيار نازك با ضخامت به سرعت (و اغلب با رفتاري بسيار پيچيده) تغيير مي‌كنند اين اثر به دشواري قابل تشخيص است. قبل از بحث كردن دربارة جزئيات اين اثر،‌ مي‎پردازيم به روشهاي تجربي اي كه براي مطالعه خواص مكانيكي لايه هاي نازك به كار مي روند.

2-5) تكنيك هاي تجربي

الف) اندازه گيري تنش و كرنش

اندازه گيري تنش (فشار) در لايه ها معمولاً با تكنيك باريكه- خمش انجام مي‎شود. تكنيكي كه در آن لايه ها روي يك باريكة مستطيلي نازك ته نشين شده و رسوب مي‌كنند. در اندازه گيري انحرافهاي كوچكي كه در تداخل سنجي،‌ ظرفيت و نظم و ترتيب الكترومكانيكي به كار گرفته شده رخ مي‎دهد هر تغييري مي‎تواند در روشها ايجاد شود. در بيشتر موارد حل عمومي براي خمش باريكة مركب از دو ماده با خواص الاستيكي متفاوت، تا وقتي كه ضخامت لايه در برابر ضخامت باريكه كم است، مورد نياز نمي باشد.

اگر لايه ها به طور ثابتي مقيد به بستر گرمايي باشند و اگر شارش نرم و قالب پذيري در سطح مياني به وجود نيايد آنگاه براي ضخامت باريكه (d) ، مدول يانگ (Y)، نسبت پواسون () و فشار (S) در ضخامت لايه (t) داريم:

(1-5)               

وقتي كه  شعاع انحناي فشار باريكة اوليه،‌ مستقيم فرض شود.

اندازه گيري مستقيم كرنش با متد بارگيري مستقيم عليرغم مشكلات زيادي كه وابسته به زياد شدن لايه ها است، بكار مي رود. طرح يكي از سيستمهايي كه استفاده مي‎شود در شكل (1-5) نشان داده شده است (اين طرح در اصل براي مطالعات تاره ها طراحي شده بود ولي بعدها براي كار لايه ها تعديل شد).

سيم لوله/ آهنربا فشار مشخصي را به لايه ها مي رساند و كشيدگي لايه به وسيله ترانسفورماتور ديفرانسيلي گزارش مي‎شود. در موارد ديگر،‌ براي اندازه گيري كشيدگي هاي بسيار كوچك مشاهده شده از روشهاي اپتيكي استفاده مي‎شود در حاليكه روشهاي معمولي از نوع بالا براي لايه هاي تقريباً ضخيم تر- در محدودة ضخامت 1/0 ميكرومتر- بكار گرفته مي شوند، و اين به دليل مشكلات شديد بررسي و مطالعه نمونه هاي نازك تر است. يك تناوب در روش بارگيري خطي اين است كه ببينيم كدام لايه ها در انتهاي يك سيلندر زياد شده است و توسط فشار ديفرانسيلي يك برآمدگي ايجاد كرده است. فريزهاي تداخلي شكل گرفته شده بين لايه و سطح مرجع يك روش حساس را براي اندازه گيري پس زدن ايجاد مي‌كند. در يك تقريب ناقص ممكن است فرض شود كه لايه ها به صورت يك كلاهك كروي تغيير شكل پيدا مي‌كند. اگر a شعاع لايه، T0 كشش لايه با تفاضل فشار صفر و  شعاع انحنا براي فشار P استفاده شدهباشد آنگاه: