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：ＡＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＡｄｈｅｓｉｏｎＳｔｒｅｎｇｔｈｏｆＦｉｌｍＢａｓｅｄｏｎＢｌｉｓｔｅｒＴｅｓｔＷＵＬｉａｎｇｌｏｎｇ，ＬＯＮＧＳｈｉｇｕｏ，ＭＡＺｅｎｇｓｈｅｎｇ，ＹＡＮＧＬｉｎＴｈｅｆｉｌｍｉｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｎｏｗ，ａｎｄｔｈｅａｄｈｅｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈｈａｓｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅａｐ－Ａｂｓｔｒａｃｔｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｉｌｍｓ．Ｔｈｅｂｌｉｓｔｅｒｔｅｓｔｉｓｏｎｅｏｆｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅｔｈｏｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅａｄｈｅｓｉｏｎｅｎｅｒｇｙｏｆｔｈｅｆｉｌｍ．ＳｏＡＢＡＱＵＳｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｂｌｉｓｔｅｒｔｅｓｔ．Ｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｂｕｉｌｔ－ｉｎｃｏｈｅｓｉｖｅｚｏｎｅｍｏｄｅｌｏｆＡＢＡＱＵＳｗａｓｕｓｅｄｔｏｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｈａｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｆｉｌｍａｎｄｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ａｔｌａｓｔｔｈｅａｄｈｅｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈｗａｓｏｂ－ｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ，ｔｈｅａｄｈｅｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈｈａｓｌｉｎｅａｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｌｏｐｅｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｈｏｌｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆａｄｈｅｓｉｏｎｓｔｂｌｉｓｔｅｒｔｅｓｔ，ａｄｈｅｓｉｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｃｏｈｅｓｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔＫｅｙｗｏｒｄｓ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性（弯曲刚度为零）、Ｊｅｎｓｅｎ模型中忽略圆孔试样基底的弹性变形引言薄膜材料已广泛应用于工程结构件和电子元件，由于薄膜与基底性能存在差异，在机械、热载荷等作用下使其产生应变失配，当薄膜材料界面结合强度不足时最终导致薄膜剥落，因此薄膜与基底之间的界面结合强度对薄膜材料的稳定性和可靠性非常重要［１］。薄膜材料的界面结合强度有两种表征方法：一种方法是大部分材料科学家采用的基于以危险点的应力达到临界应力为依据的经典失效判据，主要参照薄膜从基底剥落时所需力的大小，即薄膜与基底之间的拉伸强度和剪切强度，这种方法只考虑载荷的因素；另一...