Cristiane Martins AngeloNewton Kiyoshi FukumasuRoberto Martins de Souza

Laboratório de Fenômenos de Superfície (LFS)

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

TópicosFilmes finosFraturas em filmes finosGeometria estudadaMateriais utilizadosModelo numéricoSimulaçõesResultadosConclusões

Filmes finosCamada protetora

Melhoria de propriedades superficiais

Materiais cerâmicos

Fonte: E. Harry, A. Rouzaud, M. Ignat, P. Juliet, Thin Solid Films 332 (1998) 195-201.

Ensaio de tração Amostra

deformada até a ruptura

Carga de tração uniaxial e paralela

Fonte: http://www.matweb.com/reference/tensilestrength.asp

Fraturas em filmes finos

Fonte: M. Yanaka, Y. Tsukahara, N. Nakaso, N. Takeda, Cracking phenomena of brittle films in nanostructurecomposites analysed by a modified shear lagmodel with residual strain, Journal of MaterialsScience 33 (1998) 2111-2119.

Ocorrência de trincas primárias

No maior espaçamento entre trincas

Maiores valores de tensões trativas

Máxima tensão no ponto médio entre as duas trincas

Geração de novas trincas

Redução do espaçamento entre trincas

Geometria estudadad: distância entre trincash: altura totalL: comprimentoe: espessura do filmed/e: parâmetro característico usado na análise

Parâmetro/Caso 1 2 3 4 5 6 7 8 9

d/e 0,5 1 2 3 4 5 10 20 40e 0,0046 mmh 0,1 mml 0,38 mm

Materiais utilizadosPropriedade Substrato Filme

Módulo de Elasticidade (E) [GPa] 68,9 280,0

Coeficiente de Poisson (ν) 0,3 0,3

Tensão de Escoamento (σy) [MPa] 295,0 -

Tenacidade à fratura (kIc) [MPa] - 5,0

Substrato perfeitamente plástico

Liga de alumínio AA 6061-T6

Filme elástico-linear Típico de materiais

cerâmicos

Modelo numérico

323 e

dc

c

y

substrato

filme

y

c

c

Ic

E

EeFe

k

3

cd

c

Fonte: Hu, M.S., Evans, A.G. (1989) The cracking and decohesion of thin films on ductile substrates. Acta Metall, 37, 917-925.Latella, B.A., Triani, G., Zhang, Z., Short, K.T., Bartlett, J.R., Ignat, M. (2007) Enhanced adhesion of atomic layer deposited titania on polycarbonate substrates. Thin Solid Films, 3138-3145.

Espaçamento crítico ou de saturação ( ): espaçamento a partir do qual não se formam novas trincas entre as já existentes

Tensão crítica ( ): tensão mínima para que ocorra fratura do filme

Espaçamento crítico encontrado para o caso estudado de 10 vezes a espessura do filme

SimulaçõesABAQUS®

Aproximadamente 400.000 elementos retangulares

Refinamento da malha ao redor das trincasEstado plano de deformaçõesCondições de contorno

Carregamento uniaxial ao longo do filme e substrato, com deslocamento efetivo de 1µm

Condição de simetria vertical na base do substrato e movimento livre horizontal

 

Resultados

Figura a b c d e f g h id/e 0,5 1 2 3 4 5 10 20 40

Distribuição de tensões ao longa da linha de ação do carregamento (σ11) na região entre trincas

Tensões na superfície do filme: Compressivas : a, b, c, d,

e Trativas : f, g, h, i

Resultados Distribuição das tensões σ11

na superfície do filme para a região entre trincas

Semelhante ao encontrado na literatura para valores maiores que d/e igual a 10

Tensões compressivas nas regiões próximas às superfícies da trinca

Máximo valor de compressão ocorre para a razão d/e igual a 2

Abaixo desse valor a curva tende a zero

Resultados Gráfico dos valores

máximos da tensão σ11 em função da razão d/e

Valores acima do crítico: curva tende assintoticamente a um valor máximo, o que implica na nucleação de novas trincas

Valores abaixo do crítico: curva apresenta rápida queda das tensões σ11, de forma que não há formação de novas trincas

ConclusõesExistência de uma razão d/e a partir da qual não

ocorrem novas trincas, pois a tensão crítica não é alcançada

Espaçamento crítico ou de saturação entre trincas, no caso estudado, é de 10 vezes a espessura do filme, o que corresponde a tensão crítica de 442 MPa

Para valores abaixo desse espaçamento crítico, verifica-se uma queda acentuada da tensão máxima na superfície do filme entre as trincas

Tensões σ11 tendem a valores compressivos a partir da razão d/e inferior a 5 e a valores nulos para d/e inferior a 2

Agradecimentos

Prof. Dr. Roberto Martins de Souza

Dra. Adriana Gomez

Laboratório de Fenômenos de Superfície