[发明专利]定量表征薄膜材料界面结合性能的屈曲测试方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种定量表征薄膜材料界面结合性能的屈曲测试方法及装置，属于实验力学和材料力学性能表征技术领域。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，薄膜/基底体系在表面改性和材料科学中广泛应用，薄膜材料在使用的过程中，由于与基底材料在微观结构等方面存在着差异，因而在机械载荷、热载荷等各种复杂环境下会表现出应力、应变的失配，最终会导致薄膜涂层材料的失效。工程应用中，薄膜/基底体系典型的失效模式为：薄膜或涂层从基底上剥落。薄膜/基底体系界面结合的是否良好很大程度上决定着这种材料的服役寿命，因此界面结合性能的表征对材料的实际应用具有非常重要的意义。

薄膜/基底材料的界面结合性能的表征是研究薄膜界面失效机制和预防其失效的基础，它涉及材料、力学、物理等交叉学科，薄膜失效问题的复杂性，失效现象的多样性以及难以预测性，使得薄膜界面结合性能的表征成为了公认的疑难问题。国际著名学者Evans、Hutchinson、Nix等在此领域做出了杰出贡献，在国内，国家也资助了多个国家自然科学基金项目开展与薄膜界面相关的研究工作，但到目前为止，薄膜的结合性能的表征仍处于理论和实验探索阶段。薄膜基底体系界面结合性能的定量表征是众多研究者和使用者一致追求的目标，但由于薄膜种类和薄膜技术的多样性，追求单一的表征参量和表征方法的努力至今尚无成功的迹象。在一些国家标准中，甚至不得不推荐用简单的弯曲次数判定薄膜与基底结合的牢固程度。这不仅让工程师们无所适从，也令研究者们感到汗颜。

目前表征薄膜/基底材料界面结合性能的方法多达200余种，如拉伸法、划痕法、剥离法、压痕法、鼓包法等等，但是还没有一种标准的表征方法适合于各种薄膜/基底材料体系。拉伸法适用于弱界面的脆/韧、脆/脆体系，只有在界面结合强度小于粘结强度时才有意义。压痕法适用于脆性薄膜/刚性基底、脆性薄膜/脆性基底材料体系，理论上的一些机制、界面结合强度的表征以及各种因素对临界载荷的影响等，这些问题如果不能很好解决，压痕法的应用就会受到限制。剥离法适用于脆性薄膜和韧性薄膜，虽然直观易行，但很难提取界面裂纹扩展能量。鼓包法虽然能够定量的测量薄膜的界面结合性能，但是它的制样比较困难，加大了实验的难度。亟待一种表征方法来定量表征薄膜-基底体系的界面结合性能。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种定量表征薄膜材料界面结合性能的屈曲测试方法及装置。

一种定量表征薄膜材料界面结合性能的屈曲测试方法，其具体步骤如下：

a.制备镀覆待测涂镀层试样，将试样未镀覆的面用砂纸打磨至镜面光滑；

b.将制备好的镀覆待测涂镀层的试样夹持在万能材料试验机上，并将CCD相机对准待测试样的横截面，调节CCD相机的位置和焦距，使待测试样在CCD相机视场的中间成清晰的图像；

c.对试样进行轴向的单轴压缩，万能材料试验机实时记录试样的应力应变数值，同时通过CCD相机对加载过程中试样的横截面进行同步的实时观测，实时记录屈曲过程中的临界应力、挠度以及裂纹长度的剥离特征；

d.建立涂镀层-基底应力应变历史与剥离特征之间的关系来表征涂镀层-基底的界面结合性能；涂镀层屈曲时界面的能量释放率G可由下式计算得到：