| 脆性薄膜/韧性基底的失配失效机制及对锂电池极板失效的应用 |
| 英文题名 | Mismatch failure mechanism in brittle film/ductile matrix system and its application for electrode failure in LIBs
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| 张敏
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| 导师 | 魏悦广
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| 2014
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| 学位授予单位 | 中国科学院研究生院
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 硕士
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| 学位专业 | 固体力学
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| 摘要 | 薄膜/基底体系不论是作为结构体系还是保护涂层，都在航空航天以及能源工程领域获得广泛的应用。例如，锂离子电池中目前应用最为广泛的薄膜式电极、纳微电子机械系统中的高度集成电路中的薄膜体系、高温发动机叶片的涂层等。上述脆性薄膜/韧性基底体系在机械和热等外界载荷作用下，将会因变形失配而导致脆性薄膜的断裂或界面的分离，最终导致系统的总体失效。目前对脆性薄膜/韧性基底的破坏模式的机理的研究，无论在理论还是在数值模拟方面都尚不完善，此方面的工作既有重要的理论意义，又有广泛的应用需求。本论文针对脆性薄膜/韧性基底体系的破坏机制及其在锂离子电池负极极板失效的应用这一课题开展了系统的研究工作，取得的主要研究成果如下： 首先，将内聚力模型引入模拟脆性薄膜/韧性基底体系中薄膜和界面的断裂过程。在脆性薄膜和薄膜与基底之间的界面都引入了数量巨大的内聚力单元，即用纳米级别的微小结构单元来模拟微米尺度的薄膜断裂行为，同时利用内聚力模型本身存在的弱化特征来表征体系失效的全过程特别是弱化过程。 其次，通过量纲分析得到锂离子电池极板（硅薄膜/铜基底体系）中可能对硅膜碎裂模式产生影响的因素，结合数值计算结果，明确给出了薄膜碎裂和界面分层两种破坏模式的竞争机制，并从应力和能量的角度给出了深入细致的分析。发现这一竞争机制与薄膜厚度紧密相关，较薄的膜主要为拉伸主导的强度断裂，而厚的膜则主要为剪切主导的界面脱粘，由此得到了平均裂纹间距随薄膜厚度的变化规律。所得到的理论及模拟结果与他人给出的实验结果相吻合。 另外，本论文又针对薄膜横向裂纹饱和以后形成的岛状块体发生界面层裂的问题开展了系统的研究，推导出了断裂的块状薄膜段内的精确解析应力分布关系式。通过关联能量释放率和表面能，获得了使界面脱粘不再继续发展的临界断裂块体尺寸的更精确的表达式及临界尺寸判据，进而讨论了体系各个参量对这一临界尺寸的影响。界面脱粘终止意味着电极还能够继续使用，这对未来电极的设计和优化，具有重要参考价值。 |
| 索取号 | 31120
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48959
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| 专题 | 非线性力学国家重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
张敏. 脆性薄膜/韧性基底的失配失效机制及对锂电池极板失效的应用[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.
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