專利名稱：一種涉及靜壓鼓泡試驗(yàn)精細(xì)加載控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一 種采用鼓泡試驗(yàn)(blister tests)法研究包衣薄膜(coating films)與基層(substrates)之間的界面粘附強(qiáng)度(adhesion energy)的方法，尤其涉及一 種采用流體靜壓加載的鼓泡試驗(yàn)中，對包衣薄膜的精細(xì)加載控制、以及鼓泡尺寸的精細(xì)控 制的方法。
背景技術(shù)：
薄膜技術(shù)已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如保護(hù)性涂層、裝飾性涂層以及微電子行業(yè)和 光電行業(yè)中的薄膜器件。對于保護(hù)性涂層或者裝飾性涂層，即包衣薄膜一基層結(jié)構(gòu)，膜一基 系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、壽命等需要對薄層結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為有一個更好的了解。采用剝皮 試驗(yàn)(peel tests)法、或者鼓泡試驗(yàn)(blister tests)法研究膜一基系統(tǒng)的界面粘附強(qiáng)度 (adhesion energy),是目前國際上較為流行的做法。然而剝皮法通常難于精確的力學(xué)建模 及求解，因此具有軸對稱特征的鼓泡試驗(yàn)法被更多地寄予了關(guān)注。鼓泡試驗(yàn)(blister tests)的基本原理如圖1所示。制作一塊包衣薄膜一基層結(jié) 構(gòu)的試件，然后在膜一基系統(tǒng)的基層(圖1中“2”)上開一個小孔，這樣就形成了一個試驗(yàn) 所需要的待檢測樣品。通過基層上的小孔對粘附在基層上的包衣薄膜(圖1中“1”)施加 荷載，使包衣薄膜與基層分離，從而形成一個鼓泡?？刂扑┖奢d的大小，則可以獲得一個 半徑適當(dāng)?shù)墓呐荩鐖D1所示。逐步增加所施荷載，包衣薄膜將緩慢與基層分離，鼓泡將會 由小變大。測量所施荷載做的功，并計算出包衣薄膜的彈性應(yīng)變能。那么，二者之差則為 包衣薄膜脫離基層的斷裂能。因此這樣一個加載構(gòu)造，可以等效為一個周邊加夾緊的圓薄 膜的軸對稱變形問題的力學(xué)模型。世界各國的學(xué)者們，都希望通過對這些力學(xué)模型的精確 求解，研究膜一基系統(tǒng)的力學(xué)性能。所施加的使包衣薄膜與基層分離的荷載，可以是流體靜 壓(hydrostatic pressure),例如氣體或液體；也可以是集中荷載(concentrated load), 例如通過一個軸(shaft)加載。前者形成靜壓鼓泡試驗(yàn)(pressurized blister tests)，如 圖Ia所示；后者稱之為軸載鼓泡試驗(yàn)(shaft-loaded blister tests)，如圖Ib所示。歷史上，從靜壓鼓泡試驗(yàn)到軸載鼓泡試驗(yàn)，經(jīng)歷了這樣一個緣由通過膜一基系統(tǒng) 基層上的小孔，對粘附在基層上的包衣薄膜施加荷載，由于流體靜壓通常只能按照某一個 確定值施加，例如1牛頓每平方米，或者2兆帕。但是包衣薄膜與基層之間的粘附強(qiáng)度存在 一個極限值。對研究中的膜一基系統(tǒng)，一旦所施加的流體靜壓荷載大于這個極限值，則會造 成包衣薄膜與基層之間的分層失控！從而造成精心制作的試驗(yàn)樣品的破壞，試驗(yàn)失??！此 夕卜，無論是氣體還是液體，一旦接觸到包衣薄膜，則有可能產(chǎn)生所采用的氣體或液體，與包 衣薄膜或者膜一基界面的粘接材料(膠)之間的溶解、潮濕等問題，從而改變了薄層結(jié)構(gòu)的 力學(xué)性質(zhì)，影響著研究結(jié)果的正確性，這也是以往采用流體靜壓加載方法的不如意之處。而 軸載鼓泡法解決了以上這些問題，故而得以倡導(dǎo)。然而事實(shí)是，對于圓薄膜軸對稱變形問題，迄今為止，只有兩個精確解可以利用 一個是由德國科學(xué)家Hencky給出的，周邊夾緊的圓薄膜在均布載荷作用下的精確解，這一解適用于流體靜壓加載構(gòu)造，即靜壓鼓泡試驗(yàn)(pressurized blister tests)；另一個 是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Alekseev和中國學(xué)者孫俊貽給出的，中心帶有一個剛性板的周邊夾緊 圓薄膜，在中心集中力作用下的精確解，這一解適用于夾緊圓柱沖加載構(gòu)造，即夾緊柱沖 鼓泡試驗(yàn)(clamped punch-loaded blister tests)。而對于圖lb所示的軸載鼓泡試驗(yàn) (shaft-loaded blister tests),盡管世界各國學(xué)者做了不少的努力，但所給出的解，都是 基于某些不嚴(yán)謹(jǐn)假設(shè)的粗糙解。解的精確度嚴(yán)重影響了所研究成果的正確性。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足之處，本發(fā)明提供了一種適用于靜壓鼓泡試驗(yàn) (pressurized blister tests)的精細(xì)加載控制方案，該方案既實(shí)現(xiàn)了方便的精細(xì)加載控 制和鼓泡尺寸控制，又解決了以往流體靜壓加載方法中的溶解、潮濕等問題，還可以利用精 確解提高研究結(jié)果的精度和正確性?？傮w而言，是否能夠獲得加載構(gòu)造的精確解，應(yīng)該是選擇鼓泡試驗(yàn)加載方式 的重要依據(jù)！本發(fā)明著眼于利用精確的Hencky解，同時解決以往流體靜壓加載方法 中的加載和鼓泡尺寸控制困難等問題，以及溶解、潮濕等不足之處。解決這些問題 的具體技術(shù)措施如圖2所示。制作兩個帶有刻度尺的有機(jī)玻璃容器(內(nèi)半徑分別為 馬和A2 ,且禺《Α2)，用一根較細(xì)的連通管將兩個容器連接起來，將制作好的待檢測樣品
的基層與小容器的上頂牢固粘接，使得小容器上部空間密閉，然后向大容器中緩慢注入帶 有顏色的液體(顏色只起醒目作用)，由于重力的原因，液體將通過連通管流入到小容器中， 引起小容器中的空氣被壓縮，產(chǎn)生一個空氣壓力(即均布荷載)，均布荷載作用在包衣薄膜 上(Hencky問題，如圖3所示)，引起包衣薄膜變形，從而形成一個鼓泡。只要精細(xì)控制液體 的注入速度(緩慢注入，以便減少動力效應(yīng)影響)和注入量，則可以達(dá)到精細(xì)加載控制的目 的，以實(shí)現(xiàn)包衣薄膜與基層間的分層控制，即鼓泡尺寸控制。這樣既實(shí)現(xiàn)了方便的精細(xì)加載 控制和鼓泡尺寸控制，又避免了液體與包衣薄膜的直接接觸(僅與空氣接觸，避免了溶解、 潮濕等問題)，還可以利用精確的Hencky解，從而解決了以往流體靜壓加載方法中所存在的 所有問題。實(shí)際上，本發(fā)明所給出的流體靜壓加載方案，既實(shí)現(xiàn)了軸載鼓泡試驗(yàn)的初衷(解決 加載精細(xì)控制、鼓泡尺寸控制、以及溶解、潮濕等問題)，又能保證獲得精確的力學(xué)解(這是 軸載鼓泡試驗(yàn)?zāi)壳八荒苓_(dá)到的)。此外，這一技術(shù)方案所采用的技術(shù)措施，非常簡單、容易 實(shí)施。


圖1(a)為靜壓鼓泡試驗(yàn)(pressurized blister tests)加載構(gòu)造示意圖； 圖1(b)為軸載鼓泡試驗(yàn)(shaft-loaded blister tests)加載構(gòu)造示意圖； 圖中1包衣薄膜一基層結(jié)構(gòu)中的基層，2包衣薄膜一基層結(jié)構(gòu)中的包衣薄膜，q轟
示流體靜壓，廠表示集中荷載.
圖2為本發(fā)明流體靜壓加載的鼓泡試驗(yàn)加載裝置示意圖中1包衣薄膜一基層結(jié)構(gòu)中的基層，2包衣薄膜一基層結(jié)構(gòu)中的包衣薄膜，3為帶有刻度尺的有機(jī)玻璃容器(半徑分別為馬)，4為帶有刻度尺的有機(jī)玻璃容器(半徑分別為
M2) 5連通管，6帶有顏色的液體(水位線)，7被壓縮的空氣(均布荷載ff)。圖3為周邊夾緊的圓薄膜在均布載荷作用下的力學(xué)模型(Hencky問題)。
具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如圖2所示，制作兩個帶有刻度尺的有機(jī)玻璃容器，內(nèi)半徑分別為馬和馬，且
民《置(取為/馬>10則可滿足一般試驗(yàn)需要)，為方便待檢測樣品的基層與小容器(半徑
為馬)上頂?shù)睦喂陶辰?密閉)，要求小容器壁厚大于0. 02米，大容器(半徑為馬)壁厚為 0. 01米則可。用一根內(nèi)徑為0. 01米的連通管(圖2中“5”)將兩個容器在底部連接起來 (如圖2所示)。將制作好的待檢測樣品的基層(圖2中“2”，待測樣品的制作超出本發(fā)明內(nèi) 容)與小容器的上頂牢固粘接，使得小容器上部空間密閉(也可以考慮采用其他固定辦法， 只要能起到密閉作用即可)，然后向大容器中緩慢(減少動力效應(yīng)影響！)注入帶有顏色的液 體(顏色只起醒目作用)，由于重力的原因，液體將通過連通管流入到小容器中，引起小容器 密閉空間中的空氣被壓縮，產(chǎn)生一個空氣壓力(即均布荷載 )，依據(jù)靜力平衡條件，可求得 均布荷載ff的大小』碑2 =Z^flrI《，則ff = Pgii2Z^2jRi ,諱ι丨ι於為液體的密度、容為重
力加速度、M為兩個容器中的液面之差，所有參量均采用國際單位。均布荷載 作用在包 衣薄膜上(Hencky問題，如圖3所示)，引起薄膜變形，從而形成一個鼓泡。由以上可知，作 用在包衣薄膜上的均布荷載f的大小，僅取決于所注入的液體量(對應(yīng)于兩個容器中的液 面之差好)。因此，在觀察到包衣薄膜有變形趨勢后，只要精細(xì)控制液體的注入速度和注入 量，讓每注入一滴液體的時間間隔大于1分鐘，則可以精細(xì)控制被壓縮的空氣的壓力值，以 達(dá)到精細(xì)加載控制的目的，從而精細(xì)控制包衣薄膜與基層之間的分層尺寸(即鼓泡尺寸)， 實(shí)現(xiàn)包衣薄膜與基層間的分層控制(即鼓泡尺寸控制)。這樣既實(shí)現(xiàn)了方便的精細(xì)加載控制 和鼓泡尺寸控制，又避免了液體與包衣薄膜的直接接觸(僅與空氣接觸，避免了溶解、潮濕 等問題)，還可以利用精確的Hencky解(如何利用Hencky解，超出本發(fā)明內(nèi)容)，從而解決了 以往流體靜壓加載方法中所存在的所有問題。
權(quán)利要求
一種涉及靜壓鼓泡試驗(yàn)精細(xì)加載控制的方法，其特征在于制作兩個帶有刻度尺的有機(jī)玻璃容器,內(nèi)半徑分別為和，且，用一根連通管將兩個有機(jī)玻璃容器連接起來，將待檢測樣品的基層與半徑為的有機(jī)玻璃容器的上頂牢固粘接, 使得半徑為的有機(jī)玻璃容器的上部空間密閉，然后向半徑為的有機(jī)玻璃容器中緩慢注入帶有顏色的液體，液體將通過連通管流入到半徑為的容器中，引起半徑為的容器中的空氣被壓縮，產(chǎn)生一個作用在包衣薄膜上的空氣壓力，在觀察到包衣薄膜有變形趨勢后，精細(xì)控制液體的注入速度和注入量, 每注入一滴液體的時間間隔大于1分鐘，以便精細(xì)控制被壓縮的空氣的壓力值，從而精細(xì)控制包衣薄膜與基層之間的分層尺寸。2010105101373100001dest_path_image001.jpg,759614dest_path_image002.jpg,2010105101373100001dest_path_image003.jpg,220682dest_path_image001.jpg,837477dest_path_image001.jpg,16786dest_path_image002.jpg,980325dest_path_image001.jpg,623796dest_path_image001.jpg
全文摘要
本發(fā)明公開了一種涉及靜壓鼓泡試驗(yàn)精細(xì)加載控制的方法用一根連通管將兩個帶有刻度尺的有機(jī)玻璃容器(內(nèi)半徑分別為和，且)連接起來，將待檢測樣品的基層與小容器的上頂牢固粘接,使得小容器上部空間密閉，然后向大容器中注入帶有顏色的液體，由于重力的原因，液體將通過連通管流入到小容器中，引起小容器中的空氣被壓縮，產(chǎn)生一個作用在包衣薄膜上的空氣壓力(即均布荷)，精細(xì)控制液體的注入速度和注入量，則可以達(dá)到精細(xì)加載控制的目的，以實(shí)現(xiàn)包衣薄膜與基層間的分層控制(即鼓泡尺寸控制)。本發(fā)明解決了以往流體靜壓加載方法中所存在的加載控制難，以及由于流體與包衣薄膜的直接接觸而引起的溶解、潮濕等問題，并能利用精確的力學(xué)解。
文檔編號G01N3/02GK101957292SQ20101051013
公開日2011年1月26日 申請日期2010年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月18日
發(fā)明者何曉婷, 孫俊貽, 朱海橋, 胡建力, 許勁, 鄭周練 申請人:重慶大學(xué)