Využití metody konečných prvků k určování napětí ve vrstvách pro optické aplikace

Abstract

Tato práce se zabývá mechanickým napětím vznikajícím v tenkých vrstvách nanášených na podložku. Nanášení probíhá při vysokých teplotách a vlivem rozdílných teplotních roztažností materiálů dochází k deformaci vzorku, a tím i ke generování napětí. První část práce obsahuje odvození Stoneyho formule pro uniaxiální a biaxiální napětí ve vrstvě. Dále byly vypracovány analytické výpočty normálového napětí ve vrstvě pro zjednodušený případ prutu a smykového napětí na rozhraní vrstev. Hlavní část práce tvoří řešení problému pomocí MKP modelování. Protože reálné teplotní průběhy při nanášení vrstvy nebyly známé, bylo jako vstup použito fiktivní teplotní zatížení. Pro vzorky potom byly hledány takové hodnoty teplotní roztažnosti vrstvy, aby při daném teplotním zatížení výsledný průhyb odpovídal experimentálním datům. V práci byly vytvořeny tři typy modelů, a to model prutového tělesa, axisymetrický model a objemový model. Axisymetrický model sloužil pro výpočet vzorků tvořících kruhové izolinie při deformaci a objemový model pro vzorky tvořící eliptické izolinie. Výsledkem MKP výpočtů byla normálová napětí v nanesených vrstvách, pro které byly za pomoci regresní analýzy vytvořeny odpovídající vztahy.This thesis is concerned with the mechanical stress generated in thin layers applied on a substrate. The application takes place at high temperatures and due to different coefficients of thermal expansion of materials, the sample is deformed, and thereby the stress is generated. The first part of the thesis includes the derivation of the Stoney formula for uniaxial and biaxial stress in a layer. Besides, analytical calculations of the normal stress in the layer for the simplified link model, and shear stress on the layer interface were evaluated. The main part of the work consists of solving the problem using FEM modeling. Because the actual temperature behavior during the application was not known, a fictitious temperature load was used as an input. For the samples, the coefficients of thermal expansion of the layer were then searched so that the thermal load resulting deflection corresponds to the experimental data. Three types of models were created, namely the link body model, the axisymmetric model, and the solid model. The axisymmetric model was used for the calculation of samples forming circular isolines during deformation and a volume model for samples forming elliptical isolines. The result of the FEM calculations was the normal stress in the applied layers, for which corresponding relationships were created using regression analysis.