【毕业学位论文】屈曲法表征薄膜韧性基底材料体系的界面结合性能

学校代码10530学号201099080065分类号TB331密级博士学位论文屈曲法表征薄膜/韧性基底材料体系的界面结合性能学位申请人朱旺指导教师周益春教授杨丽副教授学院名称材料科学与工程学院学科专业材料科学与工程研究方向薄膜涂层材料的制备与性能二一四年十二月CHARACTERIZATIONOFTHEINTERFACIALADHESIONOFTHINFILM/ELASTICPLASTICSUBSTRATESYSTEMSBYACOMPRESSIONINDUCEDBUCKLINGDELAMINATIONTESTCANDIDATEWANGZHUSUPERVISORSPROFESSORYICHUNZHOUASSOCIATEPROFESSORLIYANGCOLLEGESCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGPROGRAMPREPARATIONANDPROPERTIESOFFILMMATERIALSSPECIALIZATIONMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGDEGREEDOCTOROFENGINEERINGUNIVERSITYXIANGTANUNIVERSITYDATEDECEMBER,2014湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名日期年月日导师签名日期年月日摘要I摘要随着科学技术的不断发展，薄膜材料与器件已经广泛的应用于我们的日常生活中，例如半导体器件、磁存储器、表面涂层等。然而，在实际应用过程中，薄膜材料与器件会出现一种常见的失效形式薄膜屈曲，最终会导致界面剥离和断裂。因此，薄膜/基底材料体系界面结合的质量对薄膜材料与器件的寿命是至关重要的。如何定量表征薄膜/基底体系的界面结合性能在实际应用中具有非常重要的意义。许多研究工作者已经提出了许多表征方法来测量薄膜/基底材料体系的界面结合性能，但是都有其局限性和适用范围。因此，急需寻求一种适用范围广的薄膜/基底体系界面性能的表征方法。本论文采用屈曲的研究方法，以热障涂层TBCS和动力电源外壳用的镀镍钢带镍薄膜/低碳钢两种典型的脆性薄膜/韧性基底、韧性薄膜/韧性基底为主要研究对象，从实验研究、数值模拟计算和理论分析三个角度出发对上述两种薄膜/基底体系的界面结合性能进行了表征，探索了屈曲形貌演化与界面能量释放率和相角之间的关系。本论文取得的主要创新性研究成果如下1用屈曲法对以等离子喷涂工艺方法制备的带有界面预制缺陷的热障涂层样品进行了实验研究，探索了界面屈曲剥离与涂层表面断裂之间的竞争机制，建立了压缩载荷下热障涂层的失效机制图。我们使用NI箔片作为界面贯穿裂纹，设计制备了一种位于陶瓷层和粘接层界面之间的界面缺陷。通过用屈曲法结合声发射信号采集系统和CCD相机的实时观测系统，我们得到了如下的屈曲剥离过程的失效机制图在外加压缩载荷的作用下，涂层先出现屈曲现象，随着外加载荷的增大，在屈曲部分与基底结合尖端处出现KINK裂纹导致涂层剥落，涂层内应力得到释放，继续加大载荷，当达到界面断裂的临界条件时，涂层发生界面剥离直至整个涂层剥落；2用ABAQUS软件中内聚力模型的有限元数值计算的方法模拟了热障涂层受到单轴压缩载荷作用界面裂纹产生、扩展以及整个涂层剥离的过程，建立了表征热障涂层界面结合性能的数值模拟方法。研究表明，随着压缩应变的增加，涂层内的能量累积，当能量达到裂纹扩展所需要的临界界面结合能时，界面剥离开始。随着应变的进一步加大，界面裂纹产生并迅速扩展。最后，我们对比实验中测量的界面裂纹长度随应变的变化关系与有限元模拟的结果，发现当有限元模拟采用的界面结合能的值在100130J/M2的范围内变化时和实验结果吻合得很好；3用非线性屈曲剥离理论，结合涂层内的应力与界面裂纹长度的关系，湘潭大学博士毕业论文II得到了热障涂层界面能量释放率和混合模态相角随界面裂纹长度变化的关系，我们发现界面能量释放率随着界面裂纹长度的增加而迅速增大，最终会趋向于稳定值。发生界面剥离时临界的能量释放率为120J/M2，随着界面裂纹长度的不断增加，界面能量释放率值将趋向于稳定值150J/M2。从相角的变化关系可以看出，界面裂纹扩展过程是一个混合模态过程，界面剥离的初始时刻是一个混合型裂纹，相角为40O，I型和II型所占的比重基本相当，模态相角随着界面裂纹的扩展不断增加，从初始的40O增加到85O，扩展模式会逐渐转变为II型裂纹占主导地位，最终会趋向于纯II型剥离。并通过实验中观察到的界面剥离时界面裂纹长度和储存在涂层内应力的大小，得到了临界界面能量释放率为120J/M2，与有限元计算结果100130J/M2吻合得很好；4用屈曲法对以脉冲电沉积方法制备的镍薄膜/低碳钢材料体系进行了实验研究。我们发现，镍薄膜表面光滑平整、晶粒尺寸均匀细小，属于典型的微纳米晶薄膜，而且样品为1055MM3的长方体最适合做屈曲试验。根据初始的屈曲轮廓形貌，可以将边界缺陷的形状简化为正方形。通过对实验过程中得到的不同缺陷尺寸大小进行统计，发现缺陷尺寸基本服从正态分布，而且缺陷尺寸在400400700700M2的范围内出现的次数最多。在外加载荷的作用下，缺陷沿着边缘产生和扩展，形成类似于半硬币状的屈曲形貌，并且呈现对称分布；5用虚拟裂纹闭合法对受到单轴压缩的镍薄膜/低碳钢材料体系的屈曲产生以及演化过程进行了有限元的计算模拟，深入地研究了屈曲剥离过程中界面裂纹扩展以及能量释放率和相应相角的演化过程，建立起了屈曲形貌、界面演化与界面结合性能之间的关系。我们发现，随着外加压缩载荷的增大，界面剥离先沿着直边的方向扩展，然后再沿着直边和弧形前端的方向同时扩展，最终会形成三角形的界面剥离形貌，而且初始界面缺陷的形状对界面剥离形貌没有影响，界面剥离并不是以一种“自相似SELFSIMILAR”的方式进行扩展的，而且II型裂纹扩展模式在直边占据主导地位，而弧形前端则主要经历纯I型剥离，III型裂纹扩展模式几乎可以忽略不计；6建立了屈曲法表征镍薄膜/低碳钢基底体系界面结合性能的理论模型。首先，我们基于最小势能原理在弹性薄膜/刚性基底的基础上，建立了二维和三维的弹塑性薄膜/刚性基底体系界面结合性能的解析模型，然而依然不能适用于我们镍薄膜/低碳钢材料体系，因为上述解析模型中并没有考虑基底的变形，而用屈曲法对镍薄膜/低碳钢基底体系界面结合性能进行表征时，基底的变形对界面能量释放率的贡献是十分显著的，是不能忽略的。因此，我们借助有限元计算的方法建立了表征弹塑性薄膜/弹塑性基底体系界面结合性能能量释放率和摘要III相角的数值模型。首先，我们利用定理对屈曲剥离问题进行了量纲分析，并通过正/反推的方法构建了表征三维弹塑性薄膜/弹塑性基底体系界面结合性能的数值模型的理论框架，并利用正推过程，以最佳拟合的方式得到了数值模型的具体的无量纲化函数关系式。然后，我们利用得到的数值模型对镍薄膜/低碳钢体系的界面结合性能进行了表征，得到了镍薄膜厚度为60M时的界面能量释放率为250315J/M2，相应的相角在41O到66O的范围内变化。通过数值模型得到的界面能量释放率和相角只取决于刚要发生界面剥离时的临界屈曲挠度HA/CRD和界面裂纹半长HB/，而与界面剥离的演化过程无关。最后，我们探讨了界面剥离初始时刻的临界能量释放率和相应的相角的变化情况。发现界面能量释放率具有模态依赖性，当混合模态相角O60时，界面能量释放率对相角的模态依赖性不是特别的明显，但是当混合模态相角O60时，界面能量释放率的模态依赖性变得越来越显著。关键词屈曲；剥离；热障涂层；镍薄膜；界面结合性能；有限元方法湘潭大学博士毕业论文IVABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,THINFILMSDEPOSITEDONSUBSTRATESPLAYANIMPORTANTROLEINMANYAPPLICATIONSSUCHASSEMICONDUCTORDEVICES,MAGNETICSTORAGEMEDIA,ANDSURFACECOATINGSHOWEVER,ACOMMONFAILUREFORMINTHEIRAPPLICATIONSISBUCKLINGOFTHINFILMS,RESULTINGININTERFACIALDELAMINATIONANDFRACTURETHEQUALITYOFINTERFACIALADHESIONOFAFILM/SUBSTRATESYSTEMISESSENTIALTOTHELIFETIMEOFADEVICETHEREFORE,HOWTOQUANTITATIVELYCHARACTERIZETHEINTERFACIALADHESIONOFATHINFILMISTHEKEYINITSPRACTICALAPPLICATIONANUMBEROFMETHODSHAVEBEENAVAILABLEFORDETERMININGINTERFACIALADHESIONHOWEVER,THEREARESOMELIMITATIONSONTHESCOPEOFAPPLICATIONINTHESEMETHODSINCONSIDERATIONOFTHESEDISADVANTAGES,ITISNECESSARYTOSEEKANEWMETHODTHATCANBEAPPLIEDTOEVALUATETHEINTERFACIALADHESIONOFAFILMSUBSTRATESYSTEMINTHISPAPER,ACCORDINGTOTHETWOTYPICALRESEARCHSUBJECTSOFBRITTLEFILMONDUCTILESUBSTRATE、DUCTILEFILMONDUCTILESUBSTRATE,WESTUDIEDTHEINTERFACIALADHESIONOFTHERMALBARRIERCOATINGSTBCSANDNITHINFILMONSTEELSUBSTRATEBYACOMPRESSIONINDUCEDBUCKLINGDELAMINATIONTESTBASEDONTHETHREEASPECTSOFEXPERIMENT、FINITEELEMENTSIMULATIONANDTHEORETICALANALYSIS,THERELATIONSHIPSBETWEENTHEEVOLUTIONOFBUCKLINGMORPHOLOGYANDINTERFACIALENERGYRELEASERATEERR、PHASEANGLEWEREINVESTIGATEDTHEACHIEVEDMAINCONTENTSANDRESULTSARELISTEDASFOLLOWS1THEINTERFACIALADHESIONOFTBCSWASINVESTIGATEDBYACOMPRESSIONINDUCEDBUCKLINGDELAMINATIONTESTTHESAMPLESOFTBCSWITHARTIFICIALINTERFACEDEFECTWEREPREPAREDBYTHEAIRPLASMASPRAYINGAPSMETHODTHECOMPETITIONMECHANISMBETWEENINTERFACIALDELAMINATIONANDSURFACEFRACTUREWASSTUDIEDFURTHERMORE,THEFAILUREMECHANISMOFTBCSUNDERCOMPRESSIONWASOBTAINEDANICKELFOILWITHATHICKNESSOF40MWASPUTINTHEMIDDLEOFBONDCOATINGSASATHROUGHWIDTHINTERFACEDEFECTBECAUSEOFITSUNIQUEADVANTAGE,ANAESYSTEMWASUSEDTOCONTINUOUSLYDETECTTHEINTRINSICDAMAGECAUSEDBYMICROCRACKINGINAMATERIALUNDERVARIOUSTESTINGCONDITIONSBASEDONTHECHARACTERISTICSOFCUMULATIVEAEEVENTSANDINSITUANDREALTIMEMONITORINGOFTHECCDCAMERA,THEFAILUREMECHANISMOFBUCKLINGDELAMINATIONCANBEDIVIDEDINTOABSTRACTVTHEFOLLOWINGSTAGESTHESPECIMENWITHANINTERFACEDEFECTUNDERCOMPRESSIONFIRSTLYBUCKLESFROMSUBSTRATE,ANDTHENKINKEDCRACKSAPPEARATTHECRACKFRONTOFTHEBUCKLINGPORTIONOFCOATINGSANDLEADTOSPALLATIONWITHFURTHERINCREASINGSTRAIN,DELAMINATIONDEVELOPSANDSUDDENLYEXPANDS,WHICHLEADSTOTHECOMPLETESPALLATIONOFCOATINGS2ACOHESIVEZONEFINITEELEMENTMODELWASESTABLISHEDBYUSINGTHECOMMERCIALFINITEELEMENTANALYSISPACKAGEABAQUS610TOSIMULATETHEPROCESSOFINTERFACIALCRACKINITIATION、PROPAGATIONANDDELAMINATIONBASEDONTHEABOVEMETHOD,THEINTERFACIALADHESIONENERGIESOFTBCSWEREOBTAINEDACCORDINGTOTHESIMULATIONRESULTS,ITWASFOUNDTHATWITHTHEINCREASEOFSTRAIN,INTERFACEDAMAGEINITIATESWHENTHEDAMAGECRITERIONISSATISFIEDANDINTERFACECRACKSOCCURTHEINTERFACECRACKQUICKLYINCREASESWITHFURTHERINCREASINGTHESTRAINTHECRACKLENGTHVERSUSAPPLIEDSTRAINCURVEBASEDONFINITEELEMENTSIMULATIONSISPLOTTEDTOGETHERWITHTHATFROMEXPERIMENTSFORCOMPARISON,ITISFOUNDTHATTHEINTERFACIALADHESIONENERGYOFTBCSISINTHERANGEOF100130J/M2,WHICHFITSTHEEXPERIMENTALDATAQUITEWELL3BASEDONTHENONLINEARDELAMINATIONTHEORY,THERELATIONSHIPSBETWEENINTERFACIALERR、MIXEDMODEPHASEANGLEANDINTERFACIALCRACKLENGTHWEREOBTAINEDITWASFOUNDTHATTHEINTERFACEERRQUICKLYINCREASESWITHTHEHALFLENGTHOFTHECRACK,ANDTHENTENDSTOBESTABLEANDTHECRITICALINTERFACIALADHESIONENERGYOFDELAMINATIONISOBTAINEDAS120J/M2WITHTHEINCREASEOFTHEHALFLENGTHOFTHECRACK,THEINTERFACIALERRTENDSTOBESTABLEVALUEOF150J/M2ACCORDINGTOTHEVARIATIONOFPHASEANGLEWITHTHECRACKHALFLENGTH,THEINTERFACIALDELAMINATIONPROCESSISAMIXEDMODECRACKASDELAMINATIONBEGINS,THECRITICALLOADINGPHASEANGLEIS40O,THERELATIVEPROPORTIONOFMODEIITOMODEIISEQUALWITHTHEINCREASEOFTHEHALFLENGTHOFTHECRACK,THELOADINGPHASEANGLEVARIESFROM40OTO85O,EVENTUALLYTENDSTOBEASTABLEVALUEOF90O,WHICHIMPLIESTHATDELAMINATIONEXPERIENCESALMOSTTHEPUREMODEIIINTHEFINITEELEMENTMODEL,THEINTERFACIALADHESIONENERGIESOBTAINEDBYFINITEELEMENTSIMULATIONSAREINTHERANGEOF100130J/M2WHILEINTHENONLINEARDELAMINATIONTHEORETICALANALYSIS,THECRITICALINTERFACIALADHESIONENERGYOFDELAMINATIONIS120J/M2THEINTERFACIALADHESIONENERGYOBTAINEDBYTHEORETICALANALYSISISINGOODAGREEMENTWITHFINITEELEMENTSIMULATIONS4THEEXPERIMENTALSTUDYOFBUCKLINGOFNITHINFILMONSTEELSUBSTRATEWAS湘潭大学博士毕业论文VIINVESTIGATEDTHENITHINFILMWASPREPAREDBYTHETHEELECTRODEPOSITINGTECHNOLOGYANDITSGRAINSIZEWASINTHERANGEOFNANOTOMICROSCALEITWASFOUNDTHATTHESURFACEOFNITHINFILMISSMOOTHANDTHEGRAINSIZEISUNIFORMTHESAMPLEWITHSIZEOF1055MM3WASCHOSENFORCOMPRESSIONINDUCEDBUCKLINGDELAMINATIONTESTSACCORDINGTOTHEBUCKLINGPROFILES,THESHAPEOFANEDGEFLAWCANBESIMPLIFIEDASASQUAREBASEDONTHESTATISTICALANALYSIS,THELENGTHDISTRIBUTIONOFEDGEFLAWSISABOUTANORMALDISTRIBUTIONANDINGENERAL,THESIZEOFEDGEFLAWSISINTHERANGEOF400400TO700700M2UNDERTHEEXTERNALLOADING,THEBUCKLESINITIATEFROMEDGEFLAWSANDSURFACEMORPHOLOGIESEXHIBITSYMMETRIC,HALFPENNYSHAPES5TAKINGADVANTAGEOFAVIRTUALCRACKCLOSURETECHNIQUEVCCT,APROCESSOFBUCKLINGDRIVENDELAMINATIONWASSIMULATEDBYAFINITEELEMENTMETHODANDTHEEVOLUTIONSOFBUCKLINGMORPHOLOGIES、INTERFACIALERRSANDPHASEANGLESWEREINVESTIGATEDWEFOUNDTHATTHEINTERFACECRACKFIRSTLYPROPAGATESALONGTHESTRAIGHTSIDE,ANDTHENALONGBOTHOFTHESTRAIGHTSIDEANDCURVEDFRONTWITHTHEINCREASEOFCOMPRESSIVESTRAINTHEINTERFACECRACKBECOMESATRIANGLERATHERTHANANORIGINALSQUAREHEREITISWORTHNOTINGTHAT,BASEDONSTUDIESONSEMICIRCULARANDTRIANGULAREDGEFLAWS,THESHAPEOFANEDGEFLAWHASNOOBVIOUSINFLUENCEONTHEDELAMINATEDCONFIGURATION,ANDTHEINTERFACIALDELAMINATEDCONFIGURATIONDOESNOTGROWINASELFSIMILARWAYFURTHERMORE,THEMODEIIDELAMINATIONPLAYSADOMINANTROLEINTHEPROCESSWITHASTRAIGHTSIDEWHILSTTHECURVEDFRONTEXPERIENCESALMOSTTHEPUREMODEI,ANDTHEMODEIIIDELAMINATIONISNEGLIGIBLEINTHEBUCKLEDELAMINATIONPROCESS6THETHEORETICALMODELONCHARACTERIZATIONOFTHEINTERFACIALADHESIONOFNITHINFILMONSUBSTRATEBYACOMPRESSIONINDUCEDBUCKLINGDELAMINATIONTESTWASESTABLISHEDBASEDONTHEELASTICFILMONRIGIDSUBSTRATE,TWOANDTHREEDIMENTIONALANALYTICALMODELSOFELASTICPLASTICFILMONRIGIDSUBSTRATEWEREPROPOSEDBUTTHEABOVEMODELSARESTILLUNSUITABLEFORTHECURRENTCASEWITHAHALFPENNYBUCKLEGEOMETRYANDTHEELASTOPLASTICITYOFFILMANDSUBSTRATE,BECAUSETHEDEFORMATIONOFSUBSTRATEISNOTCONSIDEREDHOWEVER,DEFORMATIONOFSUBSTRATECANNOTBENEGLIGIBLEANDITSCONTRIBUTIONTOERRSHOULDBECONSIDEREDTHEREFORE,BASEDONFINITEELEMENTSIMULATIONS,ANUMERICALMODELWASDEVELOPEDTOEVALUATETHEINTERFACIALERRANDPHASEANGLEFIRSTLY,DIMENSIONALANALYSISWASDONEBYTHEOREMFORBUCKLINGDELAMINATIONPROBLEMAPOSITIVE/REVERSEANALYSISWASCARRIEDOUTTOESTABLISHTHETHEORETICALFRAMEOFNUMERICALMODEL,WHICHWASUSEDTOEVALUATETHEINTERFACIALADHESIONOFTHREEDIMENTIONALELASTICPLASTICTHINFILMONELASTICPLASTICSUBSTRATEBYABSTRACTVIIFITTINGTHERESULTSCOLLECTEDFROMFINITEELEMENTANALYSIS,THEEXPLICITDIMENSIONLESSFORMSWEREOBTAINEDBASEDONTHEOBTAINEDNUMERICALMODEL,ITWASFOUNDTHATTHEINTERFACIALERRSWITHFILMTHICKNESSOF60MVARYINTHERANGEOF250315J/M2ANDTHEIRCORRESPONDINGPHASEANGLESAREFROM41TO66OANDTHEINTERFACIALERRANDPHASEANGLEOBTAINEDBYTHENUMERICALMODELSWEREDEPENDENTONTHEDIMENSIONLESSCRITICALBUCKLINGAMPLITUDE,HA/CRD,ANDTHECRACKHALFLENGTH,B/H,ATTHEONSETOFBUCKLEDELAMINATIONWITHOUTCONSIDERATIONOFITSEVOLUTIONFINALLY,WEDISCUSSEDTHEVARIATIONSOFINTERFACIALERRWITHPHASEANGLEITWASFOUNDTHATTHEINTERFACIALERRHASAMODEDEPENDENCEFURTHERMORE,THEINTERFACIALERR,SHOWSAWEAKDEPENDENCEONTHEPHASEANGLEINTHERANGEOF60O,BUTTHEMODEDEPENDENCEBECOMESMORESIGNIFICANTATAHIGHERPHASEANGLE60OKEYWORDSBUCKLING；DELAMINATION；THERMALBARRIERCOATINGS；NICKELTHINFILM；INTERFACIALADHESION；FINITEELEMENTMETHOD湘潭大学博士毕业论文VIII目录目录摘要IABSTRACTIV第1章绪论111薄膜/基底体系简介112薄膜/基底体系界面结合性能表征的重要性213薄膜/基底体系界面结合性能表征的现状2131界面结合性能的表征参量2132界面结合性能的表征方法介绍514本论文的选题依据和主要的研究内容18141本论文的选题依据18142本论文的主要研究内容20第2章屈曲法表征脆性薄膜界面结合性能的实验研究2321引言2322含有预制裂纹的热障涂层试样的制备2323屈曲法测试2624屈曲法实验结果分析2625本章小结30第3章屈曲法表征脆性薄膜界面结合性能的数值模拟3131引言3132有限元方法及ABAQUS软件介绍32321有限元方法及其发展趋势32322ABAQUS有限元软件简介3633基于内聚力模型的数值模拟38331内聚力模型简介38332内聚力区域的有限元模型40333计算结果与讨论4434本章小结46第4章屈曲法表征脆性薄膜界面结合性能的理论模型4741引言4742二维弹性薄膜/刚性基底体系界面结合性能的解析模型4743结果分析与讨论49湘潭大学博士毕业论文44本章小结52第5章屈曲法表征韧性薄膜界面结合性能的实验研究5451引言5452实验样品的制备5553压缩引致屈曲剥离测试法5754实验结果分析5955本章小结62第6章屈曲法表征韧性薄膜界面结合性能的数值模拟6461引言6462虚拟裂纹闭合技术VCCT简介6563基于VCCT方法的数值模拟67631有限元模型的建立67632屈曲形貌的演化70633界面能量释放率和相角的演化7264本章小结78第7章屈曲法表征韧性薄膜界面结合性能的理论模型7971引言7972解析模型80721二维弹性薄膜/刚性基底体系界面结合性能的解析模型80722二维弹塑性薄膜/刚性基底体系界面结合性能的解析模型83723三维弹塑性薄膜/刚性基底体系界面结合性能的解析模型8473三维弹塑性薄膜/弹塑性基底体系界面结合性能的数值模型88731量纲理论88732量纲分析89733正/反推过程9174结果分析与讨论9575本章小结98第8章总结与展望10081全文总结10082工作展望103参考文献105致谢118攻读博士期间发表的学术论文和专利120第1章绪论1第1章绪论11薄膜/基底体系简介材料与人们的日常生活紧密联系在一起，在20世纪70年代，材料曾被誉为当代文明三大支柱之一1。到了80年代，新材料又发展成为新技术革命的三大重要标志之一。时至今日，薄膜材料已经发展成为材料领域一个重要的分支。随着薄膜材料的不断发展，已经广泛应用在磁电子学、光电子学、微电子学以及表面工程和界面工程等交叉学科领域，为元器件的微型化、集成化和产业化提供了良好的基础。它的基本功能是在材料中不仅起着防护作用、而且具有增强和增韧的效果，同时使得材料具备某些特定功能等等2。不同薄膜材料的组成成分及其晶体结构是截然不同的，薄膜材料的制备工艺也多种多样，各有优缺点。不同的成分或者不同的制备方法，就会表现出不同的力学性能，由此可见，可以从多个方面对薄膜材料进行研究，其应用和发展空间非常广阔。那么，什么是薄膜THINFILM呢薄膜定义为沉积在金属或非金属基底表面的一层覆盖层，它的作用是保护基底材料35。目前制备薄膜的方法有很多，如气相外延法、液相外延法、离子注入法、扩散法、氧化法、电镀法等4。与薄膜具有相同概念的词汇还有其他几个，如“膜MEMBRANE”、“涂层COATING”、“箔FOIL”、“层LAYER”等。薄膜和块体一样，也存在多种晶体结构，如非晶态、多晶态、单晶态、微晶态、纳米晶和超晶格等，但是薄膜的物理力学性能参量却与块体材料显著不同，与相同材质的块体材料相比，薄膜通常具有更高的耐腐蚀性能、断裂韧性、弹性模量和硬度等。根据薄膜用途的不同，其形状、大小以及平整度也不尽相同。但是薄膜本身的厚度都很薄，机械强度也不好，无法单独测量其力学性能。于是，将薄膜沉积在金属或非金属的表面上，借助于自身机械强度较强的基底，进而方便的测量薄膜材料的各种力学性能。由于薄膜和基底都有脆性和韧性两种材料，可以组合成四种经典的方式脆性薄膜/脆性基底体系、脆性薄膜/韧性基底体系、韧性薄膜/脆性基底体系、韧性薄膜/韧性基底体系。这四种体系在我们的日常生活中应用很广泛，铁电薄膜/硅基底是一种典型的脆性薄膜/脆性基底体系，其借助于铁电材料的在电场作用下发生电位偏移的性能，可用于制造铁电存储器；用于航空发动机涡轮叶片上的隔热防护涂层材料热障涂层THERMALBARRIERCOATINGS,TBCS，则是脆性薄膜/韧性基底体系的典型代表，TBCS的热导率低，抗腐蚀，隔热效果好，进而提高了发动机的效率；凭借金AU优良的导电性，在氧化铝湘潭大学博士毕业论文2AL2O3基底上沉积一层AU薄膜，形成了韧性薄膜/脆性基底体系；利用镍NI或锌ZN良好的抗腐蚀性能，将NI或者ZN电镀在钢基底上形成镀镍钢板或镀锌钢板，它们是韧性薄膜/脆性基底体系的典型代表。12薄膜/基底体系界面结合性能表征的重要性随着薄膜/基底技术在各种元器件的普及6,7，人们越来越关注该体系的服役寿命。于是，很多研究人员开展了对其可靠性的研究，并得到了决定整个设备及其零部件材料寿命的关键因素薄膜和基底的界面结合性能。薄膜和基底做为一个整体体系的两种不同材料，其本身的物理、化学性能各不相同，在同时受到力的、化学的、热的作用时，不免产生应力失配，进而使得涂层失效。其失效的形式主要表现为裂纹在涂层的表面或者界面萌生、扩展，甚至从基底上剥离，将直接导致工程应用中的灾难性事故。如图1中所示典型的三种失效模式A薄膜涂层出现表面裂纹；B薄膜涂层的界面开裂；C薄膜涂层在基底上的剥落。由此可见，薄膜材料和基底体系的界面结合性能是产生界面失效的“罪魁祸首8。换句话说，同等条件下界面结合程度越好，抵抗外界载荷的能力越强，薄膜材料和基底体系的服役时间越久，可靠性越好。因此，定量表征薄膜/基底体系的界面结合性能显得十分重要。图11薄膜涂层典型的三种失效模式A表面裂纹；B界面裂纹；C薄膜涂层的剥落13薄膜/基底体系界面结合性能表征的现状131界面结合性能的表征参量如何定量的表征薄膜/基底体系的界面结合性能呢首先要知道“什么是界面结合性能”。薄膜/基底体系的界面结合性能有两种方式的定义一种方式是从热动力学的观点出发，把界面上的分子或原子之间作用力的合力定义为薄膜与基底的界面结合性能，即所谓的“本征结合强度INTRINSICWORKOFADHESION”；另一种方式则是从宏观力学的观点出发，将分离薄膜和基底所需要的力或能量分第1章绪论3离的区域可以是在界面上，也可以是在界面附近的区域，即它们的“实际结合强度PRACTICALWORKOFADHESION”9,10定义为薄膜与基底的界面结合性能。“本征结合强度”是指从紧密结合在一起的材料中产生自由表面需要的能量，其定义如下10FSSFAW11式中，F和S分别表示的是薄膜和基底材料的表面能，FS为界面的能量。本征结合强度是薄膜基底材料界面的固有特性，只取决于薄膜和基底材料的结合类型以及界面的受污染程度。本征结合强度通常可以通过测量接触角来得到11,12，当测试的材料附着在基底上处于热平衡状态时，存在如下的关系COSFSFS12式中，是测试的薄膜颗粒的自由表面与基底的接触角，如图12所示。图12接触角测试示意图那么，本征结合强度可以变为如下的表达式COS1FAW13当处于热动力学平衡状态下，当薄膜在某一特定温度0T下的表面能F已知，那么在任意温度T下的表面能可以通过下式求出100F00FFTTTTTTT14通过式13和14就可以得到本征结合强度。但是该理论模型将膜基界面假设为理想状态界面，即界面上没有缺陷，界面上的原子和分子排列规则，并且断裂完全发生在膜基界面上。但是实际情况与理想状态存在很大的差距首先，现实中的膜基界面总是不可避免地存在各种缺陷，因此界面上的原子和分子不可能是完湘潭大学博士毕业论文4全规则的进行排列；其次，部分断裂区域位于基体或涂层中，因此断裂不是理想的完全发生在界面上；再次，实际情况中，即使是脆性断裂也会伴随着某种能量的耗散，要么是裂纹尖端的塑性变形，要么是摩擦等等。所以，用热动力学微观理论模型计算的断裂强度与实际的试验相差有几个数量级。在实际过程中，我们用测试方法来对薄膜/基底体系的界面结合性能进行测量时都是通过某种方法使得薄膜从基底上剥离起来，而在薄膜剥离的过程中，薄膜或者基底通常都会发生塑性变形，所以很难从测得的能量中提取出本征结合强度，因此我们通过测试得到的都是“实际结合强度”或者说界面断裂韧性FRICSFAPA,UUUWW15式中，FU和SU分别表示的是薄膜和基底在塑性变形中消耗的能量，FRICU是由于摩擦引起的能量损耗。虽然从表面上看，后面的三项是一个简单的附加项，但是实际上AFWU和ASWU是本征结合强度AW的函数13，很多情况下AFRICWU也是本征结合强度AW的函数。断裂力学的方法使用的是把应变能释放率或者裂纹驱动力作为测得的实际结合强度RG16式中，G是应变能释放率，R是裂纹扩展阻力。对于薄膜/基底体系，裂纹扩展阻力或者说界面断裂阻力定义为，它是一个与混合模态相角有关的一个量。因此，式16可以变为如下形式RAUG17式中，U是系统总的能量，A是裂纹的面积。可以看出，“实际结合强度”相比“本征结合强度”更具有工程意义。因此，当前大多学者都通过测量“实际结合强度”来评价界面结合性能。本文的工作中，采用宏观力学的观点，用“实际结合强度”来定义界面结合性能。界面结合性能的表征和评价方法有很多种，一些学者采用简单的弯曲次数的方法来表征和评价薄膜与基底的界面结合性能，还有一些学者采用临界载荷指标的方法表征和评价界面结合性能。基于大量的国内外有关研究界面结合性能的文献，我们发现对界面结合性能的表征主要包括以下两个观点141材料学家采用的是临界应力的观点来判断其失效15，这种观点主要考虑外加载荷的因素，将涂层从基底上剥离时所需要的单位面积上力的大小单位为MPA，也就是涂层和基底界面之间的拉伸强度和剪切强度；2而力学科学家则采用能量学的观点用界面断裂韧性也称能量释放率来表征和评价界面结合性能16，即薄膜从基底上剥离时所需要的单位面积能量第1章绪论5的大小单位为J/M2，这种观点综合考虑了力学因素和几何因素，认为涂层的失效不仅仅与外加载荷有关，还与涂层失效界面存在的裂纹和缺陷有很大关系。由此可见，采用界面断裂韧性作为界面结合性能的表征参量将更加全面，更符合工程的实际情况。132界面结合性能的表征方法介绍薄膜一般都比较薄甚至为纳米级厚度，传统的方法已经无法对目前的薄膜进行力学性能测试。也许一种方法可以用来测量某种特定薄膜/基底材料的界面断裂韧性，但是却不能用来测量另一种薄膜/基底材料的界面断裂韧性。于是出现了多种多样的测量方法，正如VOLINSKY等人10所述，目前有多达200多种方法用来测量薄膜/基底材料的界面结合性能，但是却找不到适合测量多种薄膜/基底材料体系的一种标准方法。而CHALKER等人17提出要同时提炼出理论模型、获得力学参量才能更加精确的测量薄膜/基底材料的界面结合性能。下面重点介绍几种常用的表征方法以及与之对应的理论模型。1321拉伸法图13垂直拉伸法示意图拉伸法1822是一种经典的、常用的测量界面结合性能的方法。拉伸法包括垂直拉伸法与横向拉伸法。垂直拉伸法18,19，是指将薄膜表面用某种粘结剂比如环氧树脂粘结在某种机械强度较好的物体上，然后在与界面垂直的方向上施加外载荷P，如图13所示。该方法表征和评价薄膜/基底材料的界面结合性能是采用单位面积上的最大拉应力，即用薄膜从基底上剥离时所对应的临界载荷CP除以界面面积A，将得到的平均拉伸强度作为界面结合强度，其表达式为湘潭大学博士毕业论文6APC18这种方法的优势体现在从临界应力的观点出发，简单、准确、直观的反映出界面结合强度，适合于对精度要求不高的测量。这种方法的局限性在于1所施加的外载荷中不能含有剪切分量；2粘结的过程中不能影响到薄膜的性能；3保证接触面积不变，并且粘结层的厚度一定要均匀。此实验中，拉力能否通过基底平面的中心线是影响实验结果可信度的关键决定因素。因此，需采用专门的装备设置，才能更好的进行粘结。必须强调的是，界面结合强度只有在小于粘结强度的情况下该方法才有实际意义。横向拉伸法2022与垂直拉伸法的加载方向不同，其施加外界载荷F的方向平行于界面方向，如图14所示。该方法采用界面剪切强度来评价界面结合性能，在界面剪切应力的作用下，使得薄膜从界面处发生剥离。ARGAWAL等人20采用正弦函数形式来近似的描述横向拉伸过程中金属薄膜/陶瓷基底界面处剪应力的分布，并得到了界面剪切强度与拉伸强度之间的关系/19其中，是薄膜的抗拉强度，是裂纹之间的最大距离。这种方法正是因为利用薄膜本身的开裂特征例如饱和裂纹密度、裂纹最大间距等进而计算剪切强度，所以非常适合于计算结合强度比较强的脆性薄膜/韧性基底体系的界面结合性能。图14横向拉伸法示意图1322剪切法剪切法2328是指在薄膜上施加一个平行于薄膜/基底界面方向的剪切力的作用，使得薄膜发生剪切剥落时单位面积上所能承受的最大剪应力剪切强度。第1章绪论7图15XU等人所用的剪切法示意图图16剪切装置示意图如图15所示，XU等人23用剪切法得到了热障涂层的界面剪切强度，他们是用划痕仪的探针作为剪切驱动力，由于探针比较细小，使得样品制备过程中薄膜的面积要非常小，因此，样品的制备比较困难。RAY等人25通过直接将基底夹持住，再用压头接触涂层横截面来实现界面剪切，得到了热障涂层粘接层和基底之间的界面剪切强度，但是这种夹持基底的方式一般都不太稳定。钟志春28在以上研究者的基础上，设计制作了一种特殊的剪切装置，该装置示意图如图16所示。首先将样品放置于装置的试样槽内并通过螺栓将其固定，然后将压头一侧与涂层横截面接触，当压头向下移动时涂层开始受剪切力作用，最终导致涂层的湘潭大学博士毕业论文8剪切剥落。剪切强度B的定义如下SFFMAXB110式中，MAXF是涂层剥落前的最大剪切力，F是摩擦力，S是剪切的面积。通过剪切过程中的载荷位移曲线来确定实验过程中的最大剪切力、摩擦力，如图17所示。剪切法适用于比较厚的薄膜，比较厚的薄膜使得接触的横截面积增加，在对样品进行剪切时便于操作，当薄膜的厚度比较小，接近于微纳米级，与压头与试样槽的间隙相当时，这种方法将不再适用。0004081216040080012001600DISPLACEMENTMMSHEARFORCEN图17剪切过程中的剪切力与位移关系曲线1323压痕法在工程实践中，压痕法2941的实验原理是在薄膜表面或基底材料的截面，通过压头来施加载荷，界面处受到剪切应力或者拉伸应力的作用，薄膜从基底上剥离。通过测量裂纹产生时的临界载荷和剥离半径大小可以评价薄膜基底系统的界面结合性能17。它可以定量、半定量或定性的测量各种薄膜/基底材料的界面结合性能，适用于脆性薄膜/脆性基底和脆性薄膜/刚性基底材料体系。它的试样制备简单，操作方便，应用十分普遍。根据压入位置的不同，压痕法通常可以分为以下三类表面压痕法、侧面压痕法、界面压痕法。如图18所示，表面压痕法指的是压头压入薄膜的表面，在压头的挤压下产生剪切的压缩应力，界面薄弱处在剪切压缩应力的作用下发生失稳现象，从基底上发生屈曲现象。DRORY等人31通过表面压痕的方法对脆性涂层/韧性基底体系的界面结合性能进行了分析，并且建立了界面扩展过程中能量释放率G的理论模型第1章绪论921211/RREHG111式中，RR、分别为表面总径向应变0RRR、环向应变0，其中，0为薄膜残余应变，R、分别表示圆锥形压头压入薄膜表面或基底表面的径向应变和环向应变。图18表面压痕法示意图表面压痕法存在以下局限性1对于脆性薄膜，当压头压入薄膜时，会使得薄膜发生断裂，这样会引起一些不确定性；2对于韧性薄膜，界面结合强度相对较高时，在压入过程中，薄膜不会与基底发生剥离；3当薄膜厚度比较薄、而压头压入薄膜的深度较大时，会导致基底的塑性变形，在理论建模时塑性变形的排除成为难点。图19侧面压痕法示意图如图19所示，SANCHEZ等人39则是利用三棱锥压头压在基底表面使得界面发生开裂，又称为侧面压痕法CROSSSECTIONINDENTATION。该方法的新颖之处在于根据侧向压力与所压入时间曲线的斜率是否发生突变来判断界面是否开裂。由于压头是压在离界面一定距离的基底上，而不是直接压入薄膜的表面，这样就可以避免薄膜直接接触载荷进而使问题简单化。该方法适合于结合强度比较弱的的湘潭大学博士毕业论文10脆性薄膜/脆性基底和结合强度比较弱的的脆性薄膜/韧性基底、韧性薄膜/脆性基底体系。SANCHEZ等人还测量了/SI/SIONSI2YX的界面