[发明专利]一种包衣薄膜与基层之间粘附力的静压鼓泡测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用鼓泡试验(blister tests)法研究包衣薄膜(coating films)与基层(substrates)之间的界面粘附强度(adhesion energy)的方法，尤其涉及一种采用流体静压加载的鼓泡试验法测量包衣薄膜与基层之间粘附力的方法。

背景技术

薄膜技术已广泛应用于许多领域，如保护性涂层、装饰性涂层以及微电子行业和光电行业中的薄膜器件。对于保护性涂层或者装饰性涂层，即包衣薄膜-基层结构，膜-基系统的可靠性、稳定性、寿命等需要对薄层结构的力学行为有一个更好的了解。采用剥皮试验(peel tests)法、或者鼓泡试验(blister tests)法研究膜-基系统的界面粘附强度(adhesion energy)，是目前国际上较为流行的做法。然而剥皮法通常难于精确地力学建模及求解，因此具有轴对称特征的鼓泡试验法被更多地寄予了关注。

鼓泡试验(blister tests)的基本原理如图1所示。准备一块包衣薄膜-基层结构的试件，采用钻或化学蚀刻的办法，在膜-基系统的基层(图1中“2”)上开一个小孔，小孔贯穿基层直至包衣薄膜-基层结构的接触界面，这样就制作成了一块试验所需要的“待检测样品”。通过基层上的小孔对粘附在基层上的包衣薄膜(图1中“1”)施加荷载，使包衣薄膜与基层分离，从而形成一个鼓泡。逐步增加所施荷载，包衣薄膜将缓慢与基层分离，鼓泡将会由小变大。控制所施荷载的大小，则可以获得一个半径适当的鼓泡，如图1所示。因此，这样一个加载构造，可以等效为一个周边夹紧的圆薄膜的轴对称变形问题的力学模型。所施加的使包衣薄膜与基层分离的荷载，可以是流体静压(hydrostatic pressure)，例如气体或液体；也可以是集中荷载(concentrated load)，例如通过一个轴(shaft)加载。前者形成静压鼓泡试验(pressurized blister tests)，如图1a所示；后者称之为轴载鼓泡试验(shaft-loaded blister tests)，如图1b所示。

历史上，从静压鼓泡试验到轴载鼓泡试验，经历了这样一个缘由：通过膜-基系统基层上的小孔，对粘附在基层上的包衣薄膜施加荷载，由于流体静压通常只能按照某一个确定值施加，例如1牛顿每平方米，或者2兆帕。但是包衣薄膜与基层之间的粘附力存在一个极限值(临界值)。对研究中的膜-基系统，事先并不知道这个极限值的大致范围，因此一旦所施加的流体静压荷载大于这个临界值，则会造成包衣薄膜与基层之间的分层失控！从而造成精心制作的试验样品的破坏，试验失败！此外，无论是气体还是液体，一旦接触到包衣薄膜，则有可能产生所采用的气体或液体，与包衣薄膜或者膜-基界面的粘接材料(胶)之间的溶解、潮湿等问题，从而改变了薄层结构的力学性质，影响着研究结果的正确性，这也是以往采用流体静压加载方法的不如意之处。而轴载鼓泡法解决了以上这些问题，故而得以倡导。

然而对于测量包衣薄膜与基层之间的粘附力而言，轴载鼓泡试验法也存在着令人不满意之处。所要测量的包衣薄膜与基层之间的粘附力，是指包衣薄膜脱离基层时，垂直于基层方向上的极限粘附力(临界粘附力)，此时所施加的外力与临界粘附力之间达到了一个静力平衡，即分层停止发展，此时的外力即为临界粘附力。因此，采用轴式加载(集中力加载)，需要一套精密的加载控制装置，既要精确测量外力，同时又要控制好包衣薄膜与基层之间不继续分层，这是采用轴式加载方法测量包衣薄膜与基层之间粘附力的不如意之处。