[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

说明书

技术领域

本发明属于材料力学性能研究技术领域，具体涉及一种利用鼓包法测量薄膜材料界面结合能的方法和系统。

背景技术

薄膜（涂层、镀层）是用物理、化学或者其他的方法，在金属或非金属的表面所沉积的具有一定厚度的不同于基底材料性质且具有一定强化、防护或特殊功能的覆盖层，薄膜与基底材料结合在一起，形成薄膜/基底体系。薄膜材料在机械、信息和能源方面应用非常广泛，但在使用过程中，由于薄膜与基底在材料性能与尺寸等方面存在差异，如在机械或热载荷等作用下产生应力应变失配，导致材料失效。因此，薄膜材料的力学性能得到国内外的广泛关注。

在各种载荷作用下薄膜材料典型的破坏模式有薄膜起皱、薄膜剥落和薄膜开裂。薄膜起皱和薄膜剥落主要是由于薄膜/基底的界面结合性能不够好而造成的。薄膜材料的界面结合性能有两种表征方法：1）大部分材料科学家基于以危险点的应力达到临界应力为依据的经典失效判据，主要参照薄膜从基底剥落时所需要力的大小，即薄膜与基底之间的拉伸强度和剪切强度，这种方法只考虑载荷的因素；2）力学科学家认为，薄膜失效不仅与载荷有关，而且界面间存在裂纹和缺陷也是导致薄膜失效的重要原因，于是他们将载荷因素与几何因素综合考虑，提出以界面结合能表征界面结合性能。界面结合能是指薄膜从基底剥离单位面积所需要的能量，采用界面结合能表征薄膜/基底界面结合性能更加符合实际情况。

通常，薄膜界面结合能的测量方法有鼓包法和剥离法。剥离法是通过施加与薄膜和基底界面垂直的应力使薄膜从基底剥离，根据剥离所施加的应力确定界面结合能，采用该方法确定金属薄膜力学性能时存在着薄膜与基底难以分离的困难，对于脆性薄膜材料体系，剥离过程中则可能出现薄膜断裂现象，因此剥离法一般只能对薄膜材料界面结合能进行定性评价，难以精确定量测试。鼓包法的测试原理是通过从基底中的小孔向粘附在上面的薄膜施加压力从而使其从基底分离，通过从实验中所提取的数据，如界面分离时的临界压力、裂纹长度等，结合理论模型推算薄膜/基底体系的界面结合能。鼓包法测界面结合能具有操作简单、数据易得等优点。

发明名称为“High throughput mechanical property and bulge testing of materials libraries”的美国专利（申请日2001年8月24日，申请号US20010939404，公开日2003年3月6日，公开号US2003041672A1）公开了一种高效的应用鼓包法检测材料的力学性能的装置，其特点是能够简单快捷的测量薄膜材料的力学性能（如薄膜材料的应力应变、弹性模量等）且对不同薄膜均可适用，但并没有提到可以测量薄膜材料的界面结合能。

发明名称为“内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测试技术”的中国发明专利（申请日2003年10月30日，申请号200310108307.5，公开日2004年10月27日，公开号CN1540309A）公开了一种内涨鼓泡发检测金刚石涂层附着强度的测试技术，基底选用有机玻璃，通过实验结果结合板壳理论模型得到金刚石涂层的附着强度。这种测量方法不受基底形状的影响，但测量不足之处在于：1）实际应用中基体并不只是有机玻璃，研究表明，不同的薄膜/基体体系及相同薄膜材料但加工工艺不同得到的材料的界面结合能也不同；2）基于板壳理论仅得到测量涂层结合强度的理论模型，只有在特定条件下才运用板壳理论，且板壳理论中存在切平面应力为零等各种假设，因此仪器测量具有局限性且精度不够。

发明名称为“一种多功能薄膜力学性能检测装置”的中国发明专利（申请日2010年1月29日，申请号201010116899.5，公开日2010年7月28日，公开号CN101788427A）公开了一重多功能薄膜力学性能检测装置，该装置运用鼓包法测量薄膜材料在弹性变形下的界面结合能，不足之处在于，当界面结合能很大，薄膜开裂时已经发生塑性变形，此时已经超出了N.Tacher等人的理论模型，超出了仪器的测量范围且仪器操作复杂。

当利用鼓包法测量薄膜材料的界面结合能时需要结合Gent模型、Jensen模型、Wan等理论模型。但是这些理论模型中存在大量的假设，如Gent模型中假设薄膜绝对柔性（弯曲刚度为零）、Jensen模型中忽略圆孔试样基底的弹性变形的影响。因此理论模型与实际情况存在差异，最终导致结果精确度较低。同时现有专利提出的测量方法存在局限性，如材料制备复杂、仪器操作复杂、测量范围小等。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的一个目的是提供一种利用鼓包法测量薄膜材料界面结合能的方法，该方法在实际操作过程中简单易行、精确度高且应用范围广。