微納米結構塗層/基底體系界面力學性能的表征及測量

《微納米結構塗層/基底體系界面力學性能的表征及測量》是依託中國科學院力學研究所，由梁立紅擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微納米結構塗層/基底體系界面力學性能的表征及測量
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：梁立紅
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

塗層/基底體系在微電子、航空航天等領域有廣泛套用，塗層與基底之間的界面強度和韌性等力學性能對相應器件的穩定性有重要影響，同時微納米結構塗層/基底體系為研究界面力學行為的尺度效應提供了良好的契機。因此本項目擬對微納米結構塗層/基底體系的界面力學性能展開研究。基於界面粘聚區模型，擬對反映界面性能的兩個重要參量：界面粘聚能（即斷裂韌度）和界面結合（斷裂）強度的尺度效應進行理論表征和實驗測量。根據界面粘聚能與界面斷裂前後的界面能、表面能的關係，以及表界面能尺度效應的熱力學模型，建立尺度依賴的界面粘聚能的物理方程。通過粘結拉伸方法測量微、納米結構塗層/基底樣品的界面結合強度，比較兩者考察界面強度的尺度效應。結合界面粘聚力的函式表達及界面斷裂位移的宏、微觀表征，發展跨尺度的界面粘聚模型。並通過實時原位的三點彎實驗，考察塗層/基底體系受載時界面及塗層的斷裂損傷特徵，計算界面斷裂韌性及應力，印證理論模型。

結題摘要

塗層／基底體系在微電子、化工、航空、航天等許多領域有廣泛套用，塗層與基底之間的界面強度和斷裂韌度等力學性能對相應器件的穩定性有重要影響，而微納米結構塗層體系的界面力學性能表征則為研究力學行為的尺度效應提供了很好的平台。因此本項目針對微納米結構塗層／基底的界面力學性能展開了系統研究。首先基於表面能和界面自由能的熱力學表達，建立了界面斷裂能（即本徵界面斷裂韌度）及其尺度效應的物理模型，預測了納米結構陶瓷塗層比傳統微米結構塗層與同樣合金基底間的界面斷裂能減小約三分之一；並對微納米結構塗層／基底樣品開展了標準的界面拉伸實驗測量，研究發現納米結構塗層比傳統塗層與同樣基底間的界面強度提高約一倍；進一步刻劃了塗層／基底的界面粘聚本構，指出界面臨界分離位移這一界面粘聚模型中力學參數的物理意義，對應了界面材料微結構的特徵尺度。在此基礎上，建立了含界面粘聚模型的塗層／基底體系三點彎的有限元模型，表征了塗層／基底體系斷裂模式的厚度依賴特徵：薄塗層拉伸主導，塗層呈現多條橫向裂紋的失效方式；厚塗層界面剪下主導，塗層與基底之間界面開裂失效；並設計了不同塗層厚度的陶瓷塗層／合金基底樣品，在掃描電鏡下開展了相應的原位三點彎實驗，實驗結果與有限元模擬結果一致。另外還建立了微納米結構塗層在熱震載荷下的總勢能方程，分析了納米結構塗層具有較高抗熱震性的機制，是由於其較大的界面比例為沿微觀界面斷裂提供了能量條件，足以耗散在熱震過程中產生的彈性應變能。