[发明专利]一种利用鼓包法测量薄膜材料界面结合能的方法和系统

权利要求书

1.一种利用鼓包法测量薄膜材料界面结合能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）建立有限元模型：基于薄膜和基底的材料属性，根据基底上覆盖单个小孔的薄膜的鼓包过程，建立有限元模型；

（2）对特定孔径下的有限元模型进行模拟计算：针对某一特定孔径，以界面结合能G为输入，以界面结合能G下薄膜开裂时的临界压强P₀和挠度ω为输出，对上述有限元模型进行模拟计算，对模拟得到的数据进行拟合处理，得到特定孔径下G与P₀、ω之间的关系式

G=f₁(P₀,ω)         ①；

（3）对不同孔径r下的鼓包模型进行模拟计算：建立由多个不同孔径的有限元模型组成的鼓包模型，在不同孔径下，分别以界面结合能G为输入，以界面结合能G下薄膜开裂时的临界压强P₀和挠度ω为输出，对该鼓包模型进行模拟计算，在已知G和P₀、ω之间存在式①所示关系的基础上，对模拟得到的数据进行拟合处理，得到不同孔径下G与P₀、ω、r之间的关系式

G=f₂(P₀,ω，r)         ②；

（4）测量并计算薄膜材料界面结合能：通过试验测量孔径r的大小以及在该孔径r下薄膜开裂时的临界压强P₀和挠度ω，根据式②计算得到薄膜材料的界面结合能G的值。

2.根据权利要求1所述的一种利用鼓包法测量薄膜材料界面结合能的方法，其特征在于，步骤（1）中，薄膜和基底的材料属性各自包括其弹性模量E、屈服强度σ_s、硬化指数n和泊松比ν。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用鼓包法测量薄膜材料界面结合能的方法，其特征在于，步骤（2）中，对特定孔径下的有限元模型进行模拟计算的具体方式为：

1）设定界面结合能G的一组能量值；

2）选取任一能量值；

3）从基底的小孔向粘附其上的薄膜施加压力，测量薄膜破裂时的临界压强P₀和挠度ω；

4）选取另一能量值，返回步骤2），直至所有能量值选取完毕；

5）根据所设定的一组能量值以及与其分别对应的一组P₀和挠度ω分析G与P₀、ω之间的关系。

4.根据权利要求3所述的一种利用鼓包法测量薄膜材料界面结合能的方法，其特征在于，孔径值为2mm，薄膜材料为Ni、基底为低碳钢时，整理式①得到界面结合能的表达式

G=0.781*(P₀*ω)           ③。

5.根据权利要求3所述的一种利用鼓包法测量薄膜材料界面结合能的方法，其特征在于，步骤（3）中，对不同孔径下的有限元模型进行模拟计算的具体方式为：

1）设定孔径r的一组孔径值；

2）选取任一孔径值；

3）设定界面结合能G的一组能量值；

4）选取任一能量值；

5）从基底的小孔向粘附其上的薄膜施加压力，测量薄膜破裂时的临界压强P₀和挠度ω；

6）选取另一能量值，返回步骤4），直至所有能量值选取完毕，返回步骤2)，直至所有孔径值选取完毕；

7）根据孔径r不同孔径值下所设定的一组能量值以及与该组能量值分别对应的一组P₀和挠度ω，分析G与P₀、ω、r之间的关系。

6.根据权利要求5所述的一种利用鼓包法测量薄膜材料界面结合能的方法，其特征在于，当选取Ni或Cu为薄膜材料、低碳钢为基底材料时，整理式②，得到：

G=A*(P₀*ω)         ④，

式④中

A=a+b*r²+c*r^-2      ⑤。

7.根据权利要求6所述的一种利用鼓包法测量薄膜材料界面结合能的方法，其特征在于，当薄膜材料为Ni时，式⑤中a=7.92e^-1，b=4.99e^-3，c=-1.34e^-1。