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A closed-form analytical variational approach to thermally induced thin-film delamination

Rheinschmidt, Florian ; Felger, Julian ; Rosendahl, Philipp Laurens (2025)
A closed-form analytical variational approach to thermally induced thin-film delamination.
In: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2024, 238 (14)
doi: 10.26083/tuprints-00027847
Artikel, Zweitveröffentlichung, Verlagsversion

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Kurzbeschreibung (Abstract)

Thin polymeric films applied on stiff substrates are prone to delamination upon thermal loading. Different thermal expansion coefficients and different elastic properties can cause localized stress concentrations in the interface between applied layer and substrate. The present work proposes a variational approach to compute residual stresses and strains within the film. Using finite element calculations, it is shown that the presented closed-form analytical solution provides accurate interfacial stresses. Employing a critical distances failure criterion, these stresses are used to predict thermally induced crack nucleation. The proposed model is validated using experimental data of thermally loaded epoxy–glass specimens. It is in good agreement with the test data and provides predictions for thin-film delamination.

Typ des Eintrags: Artikel
Erschienen: 2025
Autor(en): Rheinschmidt, Florian ; Felger, Julian ; Rosendahl, Philipp Laurens
Art des Eintrags: Zweitveröffentlichung
Titel: A closed-form analytical variational approach to thermally induced thin-film delamination
Sprache: Englisch
Publikationsjahr: 18 Februar 2025
Ort: Darmstadt
Publikationsdatum der Erstveröffentlichung: Juli 2024
Ort der Erstveröffentlichung: London
Verlag: SAGE Publications
Titel der Zeitschrift, Zeitung oder Schriftenreihe: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science
Jahrgang/Volume einer Zeitschrift: 238
(Heft-)Nummer: 14
DOI: 10.26083/tuprints-00027847
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27847
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Herkunft: Zweitveröffentlichung DeepGreen
Kurzbeschreibung (Abstract):

Thin polymeric films applied on stiff substrates are prone to delamination upon thermal loading. Different thermal expansion coefficients and different elastic properties can cause localized stress concentrations in the interface between applied layer and substrate. The present work proposes a variational approach to compute residual stresses and strains within the film. Using finite element calculations, it is shown that the presented closed-form analytical solution provides accurate interfacial stresses. Employing a critical distances failure criterion, these stresses are used to predict thermally induced crack nucleation. The proposed model is validated using experimental data of thermally loaded epoxy–glass specimens. It is in good agreement with the test data and provides predictions for thin-film delamination.

Freie Schlagworte: Thin films, stress concentrations, thermomechanical, analytical modelling
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-278478
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 624 Ingenieurbau und Umwelttechnik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institut für Statik und Konstruktion
Hinterlegungsdatum: 30 Sep 2024 12:24
Letzte Änderung: 01 Okt 2024 08:51
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