一种同时预测薄膜-基底系统界面强度和界面韧性的方法

技术领域

本发明涉及表面与界面力学技术领域，具体涉及一种同时预测薄膜-基底系统界面强度和界面韧性的方法。

背景技术

薄膜-基底系统在实际工程和现代工业中随处可见，例如微电子领域、轨道交通中的智能蒙皮、先进功能涂层等。薄膜-基底系统的界面力学性能往往影响着整体结构、器件或装备的服役性能。即使在自然界，膜/基模型也常被用来揭示壁虎等一类生物的黏附爬行机理。表征界面力学性能的两个基本物理量为界面强度和界面韧性。因此，如何有效预测薄膜-基底系统的界面强度和界面韧性一直是工业界和科学界普遍关注的科学问题。

目前已有多种测量薄膜-基底结构界面力学性能的实验方法，其中，撕脱法(peel-test)由于简单易于操作成为广泛采用的一种方法。理论方面，Kendall模型为表征薄膜撕脱性能的经典模型。Kendall模型建立了薄膜在稳态撕脱阶段施加的撕脱力与撕脱角度、薄膜拉伸应变能及界面韧性(黏附能)的定量关系。特别地，当薄膜在90度撕脱时，撕脱力在数值上约等于界面韧性。因此，Kendall模型提供了一种直接测量界面韧性的方法。然而，Kendall模型并未涉及界面强度的信息。因此，提出一种同时定量预测界面强度和界面韧性的有效方法具有重要的科学意义和实际应用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种同时预测薄膜-基底系统界面强度和界面韧性的方法，能够同时、定量预测薄膜-基底系统的界面强度和界面韧性。

本发明的技术方案为：一种同时预测薄膜-基底系统界面强度和界面韧性的方法，包括以下步骤：

步骤一：建立薄膜与基底之间界面应力和界面分离位移之间的关系；

步骤二：根据步骤一中界面应力和界面分离位移之间的关系，利用薄膜在90度下的撕脱实验，建立薄膜的最大撕脱力与界面强度和界面韧性之间的关系；

步骤三：根据步骤二中薄膜的最大撕脱力与界面强度和界面韧性之间的关系，以及薄膜在90度撕脱角下，薄膜达到稳态阶段的撕脱力数值上等于界面韧性，同时得到界面强度和界面韧性。

优选地，所述步骤一中，界面应力与界面分离位移的关系为：T＝f(δ)；

其中，T为界面应力，δ为界面分离位移。

优选地，对于常应力模型，界面应力与界面分离位移的关系为：

其中，

优选地，对于线弹性模型，界面应力与界面分离位移的关系为：

其中，

优选地，对于双线性模型，界面应力与界面分离位移的关系为：

其中，

优选地，对于线性-常应力模型，界面应力与界面分离位移的关系为：

其中，

优选地，对于应力梯形分布模型，界面应力与界面分离位移的关系为：

其中，

优选地，所述步骤二中，将薄膜变形近似认为是小变形，并且薄膜被看做为梁模型；引入直角坐标系(x,y)，且坐标原点设置在撕脱力F作用点处；由梁的纯弯曲理论得到薄膜变形的控制方程为：

其中，y为薄膜在位置x处的弯曲变形，T为界面应力，E为薄膜的杨氏模量，I＝h

将步骤一中的界面应力与界面分离位移的关系带入薄膜变形的控制方程中，求得薄膜的弯曲变形y；

通过

其中，

优选地，所述步骤三中，界面强度和界面韧性为：

其中，F

优选地，所述形状因子

有益效果：

本发明的方法，利用薄膜在90度下的撕脱实验中撕脱力与撕脱位移曲线所包含三个阶段：在起始撕脱阶段，撕脱力随着撕脱位移的增大逐渐增大，当撕脱力增大到最大值时，逐渐过渡(过渡阶段)到稳态撕脱阶段(稳态阶段的撕脱力数值上等于界面韧性)；当薄膜达到稳态撕脱阶段后，撕脱力保持不变；薄膜起始脱黏阶段往往控制着界面失效，而发生在起始脱黏阶段的最大撕脱力通常与界面强度相关；由此，能够同时、定量预测薄膜-基底系统的界面强度和界面韧性，有效弥补了当前薄膜撕脱实验只能得到界面韧性的不足，为薄膜-基底系统界面优化设计提供了理论依据。

附图说明

图1为现有技术中的内聚力本构模型，(a)常应力模型，(b)线弹性模型，(c)线性-常应力模型，(d)双线性模型，(e)应力梯形分布模型。

图2为本发明中薄膜起始撕脱的示意图。

图3为最大撕脱力F

图4为β与α的变化关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种同时预测薄膜-基底系统界面强度和界面韧性的方法，能够同时、定量预测薄膜-基底系统的界面强度和界面韧性。

该方法包括以下步骤：

步骤一：建立薄膜与基底之间界面相互作用的表征关系；

界面相互作用通常用内聚力模型表征，内聚力模型表征了界面应力与界面分离位移的关系；如图1所示，目前常用的内聚力模型包括：常应力模型、线弹性模型、双线性模型、应力梯形分布模型等；

对于每一种内聚力模型，界面应力与界面分离位移的关系如下：

1、对于常应力模型，界面应力与界面分离位移的关系可表示为：

其中，T为界面应力，δ为界面分离位移，

2、对于线弹性模型，界面应力与界面分离位移的关系可表示为：

3、对于双线性模型，界面应力与界面分离位移的关系可表示为：

其中，δ

4、对于线性-常应力模型，界面应力与界面分离位移的关系可表示为：

5、对于应力梯形分布模型，界面应力与界面分离位移的关系可表示为：

其中，δ

对于不同的内聚力模型，可以定义形状因子

步骤二：求解薄膜的最大撕脱力；

当薄膜端部受到竖直方向的撕脱力作用时(90度撕脱)，随着撕脱力的增大，薄膜与基底之间的界面逐渐张开，薄膜在竖直方向的位移(挠度)等于界面的张开位移；已知，在界面内聚力区，薄膜变形可近似认为是小变形，并且薄膜可被看做为梁模型；为了便于分析，如图2所示，引入直角坐标系(x,y)，且坐标原点设置在薄膜最右端，即撕脱力F作用点处；由梁的纯弯曲理论可得薄膜变形的控制方程为：

其中，y为薄膜在位置x处的挠度，E为薄膜的杨氏模量，I＝h

任选一种界面内聚力模型表征界面相互作用，将步骤一中的界面应力分布(即界面应力与界面分离位移的关系式)带入上述薄膜变形的控制方程中，可以求得薄膜的弯曲变形(即y)；已知，当薄膜端部撕脱力作用点处界面分离位移达到界面最大分离位移时，撕脱力达到最大值，即通过

通过计算，对于不同的内聚力模型，薄膜的最大撕脱力满足统一表达关系式：

其中，β为仅与内聚力模型的形状因子α相关的系数，并且对于任意α，通过查图表，可以求得对应的β值，G

步骤三：计算薄膜的稳态撕脱力；

由经典Kendall模型可知，当薄膜在90度撕脱角下，薄膜达到稳态阶段的撕脱力数值上等于界面韧性，因此，

F

步骤四：获取界面强度和界面韧性；

由步骤二中薄膜的最大撕脱力和步骤三中薄膜的稳态撕脱力的表达式，可以同时得到界面强度和界面韧性为：

其中，F

本实施例中，薄膜的杨氏模量E和薄膜厚度h可以通过实验测得。

本实施例中，为了进一步验证步骤二中计算得到的薄膜最大撕脱力所满足的统一表达关系式的正确性，采用商业软件ABAQUS模拟薄膜撕脱过程，分别针对内聚力模型满足双线性和梯形分布进行模拟，发现无论薄膜的杨氏模量E、界面强度

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。