基于鼓包法的薄膜材料界面结合能的测定.docx

基于鼓包法的薄膜材料界面结合能的测定 ＊武 良 龙 ，龙 士 国 ，马 增 胜 基于鼓包法的薄膜材料界面结合能的测定 ＊ 武 良 龙 ，龙 士 国 ，马 增 胜 ，杨 林 （湘潭大学材料与光电物理学院 ，低维材料及其应用技术教育部重点实验室 ，湘 潭 ４１１１０５） 摘 要 薄膜材料的应用范围越来越广泛 ，薄膜材料的界面结合能对其使用过程具有重 要 影 响 。 鼓 包 法 是 测 量 薄膜材料界面结合能的一种重要的 方 法 。 通过有限元软件 ＡＢＡＱＵＳ 模 拟 鼓 包 实 验 ，并 用 ＡＢＡＱＵＳ 中 的 内 聚 力 模 型表征薄膜与基底之间的界面性能 ，最终得到薄膜材 料 的 界 面 结 合 能 。 计 算 结 果 表 明 ：薄膜开裂时的压强和挠度的 乘积与界面结合能呈线性关系 ，且斜率随鼓包模型的 孔 径 变 化 而 变 化 。 通 过 不同孔径下的模拟最后得到 Ｎｉ薄 膜 界 面结合能的表达式 ，且表达式中的参数在实验过程中简单易测 。 关 键 词 鼓 包 法 界 面 结 合 能 内 聚 力 中 图 分 类 号 ：ＴＢ３０１ 文 献 标 识 码 ：Ａ ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＡｄｈｅｓｉｏｎＳｔｒｅｎｇｔｈｏｆＦｉｌｍ ＢａｓｅｄｏｎＢｌｉｓｔｅｒＴｅｓｔ ＷＵ Ｌｉａｎｇｌｏｎｇ，ＬＯＮＧＳｈｉｇｕｏ，ＭＡＺｅｎｇｓｈｅｎｇ，ＹＡＮＧ Ｌｉｎ （ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＬｏｗ ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＭａｔｅｒｉａｌ＆ ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＸｉａｎｇｔａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ４１１１０５） Ｔｈｅｆｉｌｍｉｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｎｏｗ，ａｎｄｔｈｅａｄｈｅｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈｈａｓｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅａｐ－ Ａｂｓｔｒａｃｔ ｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｉｌｍｓ．Ｔｈｅｂｌｉｓｔｅｒｔｅｓｔｉｓｏｎｅｏｆｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅｔｈｏｄｔｏ ｍｅａｓｕｒｅｔｈｅａｄｈｅｓｉｏｎｅｎｅｒｇｙｏｆｔｈｅｆｉｌｍ．Ｓｏ ＡＢＡＱＵＳｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｂｌｉｓｔｅｒｔｅｓｔ．Ｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｂｕｉｌｔ－ｉｎｃｏｈｅｓｉｖｅｚｏｎｅ ｍｏｄｅｌｏｆＡＢＡＱＵＳ ｗａｓ ｕｓｅｄｔｏｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｈａｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｆｉｌｍａｎｄｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ａｔｌａｓｔｔｈｅａｄｈｅｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈ ｗａｓｏｂ－ ｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ，ｔｈｅａｄｈｅｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈｈａｓｌｉｎｅａｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔ ｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｌｏｐｅｃｈａｎｇｅｓ ｗｉｔｈｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｈｏｌｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆａｄｈｅｓｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈｆｏｒＮｉｆｉｌｍｔｈｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅｌｗａｓｄｅｒｉｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｔｈｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗｅｒｅｅａｓｙｔｏｇｅｔｉｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． ｂｌｉｓｔｅｒｔｅｓｔ，ａｄｈｅｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｃｏｈｅｓｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ 合 实 际 情 况［２，３］。 界 面 结 合 能 的常用测量方法有剥离法和鼓包法 。 剥 离 法是通过施加 与薄膜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 ，该 方 法 在 确 定 金属薄膜力学性能方面存在 着 薄 膜 与 基 底 分离困难的问题 ， 对于脆性薄膜 材 料 体 系 ，剥 离 过 程中则可能出现薄膜断裂 ， 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［４］。 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 ，并 结 合 理 论 模 型 推 算 薄 膜／基底体系的界面结合 能［５］。 鼓 包 实验中的理论模型一般选用 Ｇｅｎｔ模 型 、Ｊｅｎｓｅｎ 模 型 或 Ｗａｎ模 型 ，但是这些模型在推导过程中存在假设且只 能在特定条件下使用 ，如 Ｇｅｎｔ模 型中假设薄膜绝 对 柔