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系統識別號 U0002-0407200708491800
中文論文名稱 應力引發聚二甲基矽氧烷微波紋成型及機制
英文論文名稱 Formation and Mechanisms for Stress Induced Micropatterns of Polydimethysiloxane
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 林金龍
研究生英文姓名 Daniel Lin
電子信箱 beloveddp@gmail.com
學號 694340273
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-05-21
論文頁數 82頁
口試委員 指導教授-林清彬
委員-劉文欽
委員-張子欽
中文關鍵字 挫曲  聚二甲基矽氧烷  類差排運動  彈性體  微波紋  類網狀波紋  三腳波紋 
英文關鍵字 Ripple  Tensile stress  net-like patterns  Elastomer  Buckle  star light patterns  PDMS  movement of dislocation-like 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 為了更進一步了解彈性體與鍍金層間因楊氏係數不同所引發微波紋成型機制,本實驗將金濺鍍於彈性體PDMS上後隨及覆蓋第三層彈性體PDMS加熱後,釋放所殘留的應力,並透過第三層PDMS厚度的改變來控制所施加應力,當所施加應力超過臨界應力(τcpg)時,波紋開始轉向。此外,改變第三層薄膜材料為聚醋酸乙烯樹脂,透過剝離的機械應力製造鍍金層破裂面,釋放殘留應力後破裂面受推擠,成功製造出類金字塔微波紋。類差排運動機制及微波紋間應力的相互干擾乃藉由對具漣漪波紋的單層PDMS鍍金薄膜施加不同角度拉伸應力得著印證,當78°<θ°≤101°時,兩方向應力相互重疊,因挫曲形成之波峰與波谷相互消長,形成類網狀波紋,波紋運動皆以網格點為基本單位,且並無類差排運動的跡象。當0°<θ°≤77°及102°<θ°≤180°時,漣漪波紋因收縮應力方向改變而開始產生類差排運動,隨著拉伸應力的增加波紋會發生兩次以上的暫穩態(波紋大規模具週期性),最後形成漣漪波紋,此過程中所形成的人字形波紋之夾角比78°<θ°≤101°時還小。由此運動的觀測可知,類差排因收縮應力方向改變而開始運動形成Y差排。
英文摘要 This paper describes a novel method to the formation of micro-patterns induced by the stretched PDMS thin film with a sputtered gold layer. The Young’s Module and coefficient of heat expansion of PDMS differed from those of Au so that the instability of stress induced the buckling on the surface of elastomer. In this thesis, the pyramid-like patterns, movement of dislocation-like, and net-like patterns are discovered by changing the method of applying force. Coating a third layer of PDMS with different thickness supplied the contracting stress and found out the contribution of stress in the third layer. The third layer was also replaced by polyvinyl acetate adhesive for it is ablated easily. After that, the fracture surfaces were shown and pyramid-like patterns appeared with the fracture surfaces shoved by the released the stress. Apparently, the degree of second axial force we applied on PDMS influences the movement of patterns very much. As 78°<θ°≤101°, the net-like patterns appeared owing to the overlaps of biaxial compressive forces, and none of movement of dislocation-like existed. Besides, the movement of net-like patterns was based on the unit of grid points. As 0°<θ°≤77°and 102°<θ°≤180°, the change of contracting force resulted in the movement of dislocation-like. There were more than two times of temporary stable states during the stress increased. The reason for the formation of Y dislocation was also confirmed.
論文目次 總目錄
總目錄 I
圖目錄 III
壹、 導論 1
1-1前言 1
1-2 文獻回顧 2
1-2.1 漣漪形成基本原理 2
1-2.1.1 彈性觀點 2
1-2.1.2 黏彈性觀點 3
1-2.1.3 界面粗糙度的影響 4
1-2.2 後處理引發之波紋 6
1-2.2.1 熱處理壓縮應力的影響 6
1-2.2.2 雙軸應力引發人字形波紋分析 7
1-3 研究動機與論文架構 8
1-3.1 研究動機與目的 8
1-3.2 論文架構 8
貳、實驗設計 17
2-1 實驗材料與設備 17
2-1.1 實驗材料 17
2-1.2 實驗設備 17
2-2 三明治(PDMS/AU/PDMS)薄膜製作基本流程 18
2-2.1 第一層PDMS薄膜預備 18
2-2.2 濺鍍第二層鍍金薄膜 18
2-2.3 第三層PDMS薄膜製作 18
2-3 實驗參數 18
2-4 結構形態觀察 20
參、結果與討論 22
3-1 應力分析 22
3-1.1膜厚的影響 22
3-1.1.1 改變第三層薄膜厚度 22
3-1.1.2 三層薄膜應力公式 23
3-1.1.3 立人字形波紋 24
3-1.3 表面形態 24
3-1.3.1自發性與外加壓縮應力作用引發之人字形波紋 24
3-1.3.2 三腳波紋 24
3-1.3.3 拉伸角度與波紋形成關係 25
3-1.3.3.1 無類差排運動引發類網狀波紋機制 26
3-1.3.3.2 引發類差排運動機制 27
3-2漣漪結構缺陷形成機制 27
3-2.1類差排形成機制 27
3-2.2亮暗波紋 28
3-2.3裂紋產生的原因 29
肆、結論 78
伍、參考文獻 79



圖目錄
圖3- 1 第三層厚度較第一層薄的彈性體,在受熱固化時所提供的壓縮應力形成大面積的漣漪波紋。 31
圖3- 2第三層PDMS較第一層厚時,形成(a)人字形; 及(b)(c)不規則的波紋。 32
圖3- 3 第三層PDMS熱固化產生的熱收縮應力,以微觀而言,每個點承受均向性收縮力的示意圖。 33
圖3- 4 第三層PDMS固化收縮,在x方向的合力超過 時,且第一層PDMS的y方向壓縮合力並沒有釋放,兩雙軸向應力形成人字形波紋。 34
圖3- 5 當第一層預拉伸應力被釋放後,但第三層PDMS開始產生反作用力,轉向與未轉向交錯且比例相當。 35
圖3- 6 邊緣(靠近治具固定薄膜處)的區域,因固定薄膜處殘留應力大於試片中間區域,所以釋放預拉伸應力後所產生的壓縮應力也較大,因此漣漪轉向的比例較多。 36
圖3- 7 (a)立人字形與人字形波紋形成的方向不同,可觀察出圓弧形的頂點; (b)及(c)為Pro/E模擬此波紋上視圖及立體圖。 37
圖3- 8 第三層材料(聚醋酸乙烯樹脂)移除後,第一層PDMS表面型態之SEM照片。 38
圖3- 9 第三層材料(聚醋酸乙烯樹脂)移除後,第一層PDMS表面型態之SEM照片。 39
圖3- 10 第三層聚醋酸乙烯樹脂移除後,第一層PDMS之OM照片。 40
圖3- 11 單層PDMS鍍金受雙軸向壓縮應力之SEM 41
圖3- 12 第三層的聚醋酸乙烯樹脂表面型態之SEM照片。 42
圖3- 13 (a)人字形波紋; (b)兩尖點被剪切與鄰近的人字形波紋相互交錯; (c)因人字形波紋尖點處附著力較強,使得垂直於桌面的正向應力,將尖點向上拉伸而出現第三腳之示意圖。 43
圖3- 14垂直於桌面的正向應力使人字形波紋波峰挫曲形成銳角。 44
圖3- 15 破裂面受推擠形成三腳波紋尖點。 45
圖3- 16 (a)加壓前,及加壓中之波紋型態,箭頭為加壓前及加壓中之界線; (b) 移除壓力中;(c) 移除壓力後。 46
圖3- 17(a)由治具取下釋放殘留應力,挫曲排向即為漣漪結構; (b)當再度拉伸試片至波紋完全轉向後其波紋方向。 47
圖3- 18 網格狀波紋機制示意圖。 48
圖3- 19(a)(b) 類網狀波紋AFM照片。 49
圖3- 20 類網狀波紋OM照片。 50
圖3- 21類網狀波紋局部區域開始形成第二方向漣漪。 51
圖3- 22 類網狀波紋無類差排運動形成機制示意圖。 53
圖3- 23 類網狀波紋無類差排運動人字形波紋OM連續圖片。 54
圖3- 24 類網狀波紋變化無人字形波紋OM連續圖片。 56
圖3- 25 類差排運動OM連續圖片。 58
圖3- 26 類差排運動形成機制。 59
圖3- 27 (a)類差排運動影片截圖第一次暫穩態; (b)波紋因拉伸量增加,類差排又開始運動; (c)為波紋逐漸向逼近 ,逐漸逼近第二次暫穩態。 60
圖3- 28 接近65度時開始拉伸後,已可觀察出第一方向漣漪波峰已被第二方向漣漪波谷影響,類差排運動以格點為基本單位運動。 62
圖3- 29 當應力無法繼續供應漣漪繼續成長時,漣漪便停在某一個點上,類差排因此形成。 63
圖3- 30類差排運動的原則是會循序逼近拉伸合力方向,類差排運動的方向可以是由A至B亦或是由B至A發生。 64
圖3- 31 應力梯度逐漸縮小而停止成長的漣漪形成的類差排處。 65
圖3- 32 停止成長的漣漪移動形成Y差排。 66
圖3- 33 兩張相同部位圖片,當第二光源改變投射的角度時,出現具有亮光的波紋,因彎曲處與周圍波紋高度不同所致。 67
圖3- 34使用OM拍攝時由試片下方加入第二個光源,其角度示意圖。 68
圖3- 35 (a) 缺陷點所形成的亮點如箭頭所示; (b) 缺陷點的連線形成暗紋。 69
圖3- 36 PDMS塗佈在壓克力上,第二光源無法觀測到亮暗紋,顯示最底層的壓克力與PDMS的吸附作用提供了阻止缺陷間連線的應力。 70
圖3- 37第三層PDMS薄膜平放在壓克力板上時,吸附在壓克力板上的部份漣漪消失(圖右),底層殘留空氣沒有和壓克力板貼合的部位出現漣漪(圖左)。 71
圖3- 38 平貼在壓克力板上,PDMS底層濺鍍到金所產生的微結構。 72
圖3- 39 (a)拉伸超過金的臨界破斷應力,鍍金薄膜無法負荷而破斷。(b)壓力釋放後裂紋和漣漪方向平行(此圖修改自【26】)。 73
圖3- 40 壓力釋放時,側向產生拉伸應力,裂紋和漣漪方向垂直【26】。 74
圖3- 41 將試片拿起時,試片彎曲形成之壓縮應力引發側向拉伸應力使得裂紋發生。 75
圖3- 42 材料拉伸時,產生與漣漪垂直的裂縫。 76
圖3- 43 鍍金層破裂時釋放掉收縮應力,使得臨近裂紋的漣漪無法轉向,而離裂紋較遠的漣漪沒有受到此力場的影響所以與裂紋平行。 77

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