专利名称：一种涉及静压鼓泡试验精细加载控制的方法
技术领域：
本发明涉及一 种采用鼓泡试验(blister tests)法研究包衣薄膜(coating films)与基层(substrates)之间的界面粘附强度(adhesion energy)的方法，尤其涉及一 种采用流体静压加载的鼓泡试验中，对包衣薄膜的精细加载控制、以及鼓泡尺寸的精细控 制的方法。
背景技术：
薄膜技术已广泛应用于许多领域，如保护性涂层、装饰性涂层以及微电子行业和 光电行业中的薄膜器件。对于保护性涂层或者装饰性涂层，即包衣薄膜一基层结构，膜一基 系统的可靠性、稳定性、寿命等需要对薄层结构的力学行为有一个更好的了解。采用剥皮 试验(peel tests)法、或者鼓泡试验(blister tests)法研究膜一基系统的界面粘附强度 (adhesion energy),是目前国际上较为流行的做法。然而剥皮法通常难于精确的力学建模 及求解，因此具有轴对称特征的鼓泡试验法被更多地寄予了关注。鼓泡试验(blister tests)的基本原理如图1所示。制作一块包衣薄膜一基层结 构的试件，然后在膜一基系统的基层(图1中“2”)上开一个小孔，这样就形成了一个试验 所需要的待检测样品。通过基层上的小孔对粘附在基层上的包衣薄膜(图1中“1”)施加 荷载，使包衣薄膜与基层分离，从而形成一个鼓泡。控制所施荷载的大�。蚩梢曰竦靡桓� 半径适当的鼓泡，如图1所示。逐步增加所施荷载，包衣薄膜将缓慢与基层分离，鼓泡将会 由小变大。测量所施荷载做的功，并计算出包衣薄膜的弹性应变能。那么，二者之差则为 包衣薄膜脱离基层的断裂能。因此这样一个加载构造，可以等效为一个周边加夹紧的圆薄 膜的轴对称变形问题的力学模型。世界各国的学者们，都希望通过对这些力学模型的精确 求解，研究膜一基系统的力学性能。所施加的使包衣薄膜与基层分离的荷载，可以是流体静 压(hydrostatic pressure),例如气体或液体；也可以是集中荷载(concentrated load), 例如通过一个轴(shaft)加载。前者形成静压鼓泡试验(pressurized blister tests)，如 图Ia所示；后者称之为轴载鼓泡试验(shaft-loaded blister tests)，如图Ib所示。历史上，从静压鼓泡试验到轴载鼓泡试验，经历了这样一个缘由通过膜一基系统 基层上的小孔，对粘附在基层上的包衣薄膜施加荷载，由于流体静压通常只能按照某一个 确定值施加，例如1牛顿每平方米，或者2兆帕。但是包衣薄膜与基层之间的粘附强度存在 一个极限值。对研究中的膜一基系统，一旦所施加的流体静压荷载大于这个极限值，则会造 成包衣薄膜与基层之间的分层失控！从而造成精心制作的试验样品的破坏，试验失败！此 夕卜，无论是气体还是液体，一旦接触到包衣薄膜，则有可能产生所采用的气体或液体，与包 衣薄膜或者膜一基界面的粘接材料(胶)之间的溶解、潮湿等问题，从而改变了薄层结构的 力学性质，影响着研究结果的正确性，这也是以往采用流体静压加载方法的不如意之处。而 轴载鼓泡法解决了以上这些问题，故而得以倡导。然而事实是，对于圆薄膜轴对称变形问题，迄今为止，只有两个精确解可以利用 一个是由德国科学家Hencky给出的，周边夹紧的圆薄膜在均布载荷作用下的精确解，这一解适用于流体静压加载构造，即静压鼓泡试验(pressurized blister tests)；另一个 是由前苏联科学家Alekseev和中国学者孙俊贻给出的，中心带有一个刚性板的周边夹紧 圆薄膜，在中心集中力作用下的精确解，这一解适用于夹紧圆柱冲加载构造，即夹紧柱冲 鼓泡试验(clamped punch-loaded blister tests)。而对于图lb所示的轴载鼓泡试验 (shaft-loaded blister tests),尽管世界各国学者做了不少的努力，但所给出的解，都是 基于某些不严谨假设的粗糙解。解的精确度严重影响了所研究成果的正确性。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷和不足之处，本发明提供了一种适用于静压鼓泡试验 (pressurized blister tests)的精细加载控制方案，该方案既实现了方便的精细加载控 制和鼓泡尺寸控制，又解决了以往流体静压加载方法中的溶解、潮湿等问题，还可以利用精 确解提高研究结果的精度和正确性。总体而言，是否能够获得加载构造的精确解，应该是选择鼓泡试验加载方式 的重要依据！本发明着眼于利用精确的Hencky解，同时解决以往流体静压加载方法 中的加载和鼓泡尺寸控制困难等问题，以及溶解、潮湿等不足之处。解决这些问题 的具体技术措施如图2所示。制作两个带有刻度尺的有机玻璃容器(内半径分别为 馬和A2 ,且禺《Α2)，用一根较细的连通管将两个容器连接起来，将制作好的待检测样品
的基层与小容器的上顶牢固粘接，使得小容器上部空间密闭，然后向大容器中缓慢注入带 有颜色的液体(颜色只起醒目作用)，由于重力的原因，液体将通过连通管流入到小容器中， 引起小容器中的空气被压缩，产生一个空气压力(即均布荷载)，均布荷载作用在包衣薄膜 上(Hencky问题，如图3所示)，引起包衣薄膜变形，从而形成一个鼓泡。只要精细控制液体 的注入速度(缓慢注入，以便减少动力效应影响)和注入量，则可以达到精细加载控制的目 的，以实现包衣薄膜与基层间的分层控制，即鼓泡尺寸控制。这样既实现了方便的精细加载 控制和鼓泡尺寸控制，又避免了液体与包衣薄膜的直接接触(仅与空气接触，避免了溶解、 潮湿等问题)，还可以利用精确的Hencky解，从而解决了以往流体静压加载方法中所存在的 所有问题。实际上，本发明所给出的流体静压加载方案，既实现了轴载鼓泡试验的初衷(解决 加载精细控制、鼓泡尺寸控制、以及溶解、潮湿等问题)，又能保证获得精确的力学解(这是 轴载鼓泡试验目前所不能达到的)。此外，这一技术方案所采用的技术措施，非常简单、容易 实施。
图1(a)为静压鼓泡试验(pressurized blister tests)加载构造示意图； 图1(b)为轴载鼓泡试验(shaft-loaded blister tests)加载构造示意图； 图中1包衣薄膜一基层结构中的基层，2包衣薄膜一基层结构中的包衣薄膜，q轰
示流体静压，厂表示集中荷载.
图2为本发明流体静压加载的鼓泡试验加载装置示意图中1包衣薄膜一基层结构中的基层，2包衣薄膜一基层结构中的包衣薄膜，3为带有刻度尺的有机玻璃容器(半径分别为馬)，4为带有刻度尺的有机玻璃容器(半径分别为
M2) 5连通管，6带有颜色的液体(水位线)，7被压缩的空气(均布荷载ff)。图3为周边夹紧的圆薄膜在均布载荷作用下的力学模型(Hencky问题)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细地描述。如图2所示，制作两个带有刻度尺的有机玻璃容器，内半径分别为馬和馬，且
民《置(取為/馬>10则可满足一般试验需要)，为方便待检测样品的基层与小容器(半径
为馬)上顶的牢固粘接(密闭)，要求小容器壁厚大于0. 02米，大容器(半径为馬)壁厚为 0. 01米则可。用一根内径为0. 01米的连通管(图2中“5”)将两个容器在底部连接起来 (如图2所示)。将制作好的待检测样品的基层(图2中“2”，待测样品的制作超出本发明内 容)与小容器的上顶牢固粘接，使得小容器上部空间密闭(也可以考虑采用其他固定办法， 只要能起到密闭作用即可)，然后向大容器中缓慢(减少动力效应影响！)注入带有颜色的液 体(颜色只起醒目作用)，由于重力的原因，液体将通过连通管流入到小容器中，引起小容器 密闭空间中的空气被压缩，产生一个空气压力(即均布荷载 )，依据静力平衡条件，可求得 均布荷载ff的大小』碑2 =Z^flrI《，则ff = Pgii2Z^2jRi ,讳ι丨ι於为液体的密度、容为重
力加速度、M为两个容器中的液面之差，所有参量均采用国际单位。均布荷载 作用在包 衣薄膜上(Hencky问题，如图3所示)，引起薄膜变形，从而形成一个鼓泡。由以上可知，作 用在包衣薄膜上的均布荷载f的大�。鋈【鲇谒⑷氲囊禾辶�(对应于两个容器中的液 面之差好)。因此，在观察到包衣薄膜有变形趋势后，只要精细控制液体的注入速度和注入 量，让每注入一滴液体的时间间隔大于1分钟，则可以精细控制被压缩的空气的压力值，以 达到精细加载控制的目的，从而精细控制包衣薄膜与基层之间的分层尺寸(即鼓泡尺寸)， 实现包衣薄膜与基层间的分层控制(即鼓泡尺寸控制)。这样既实现了方便的精细加载控制 和鼓泡尺寸控制，又避免了液体与包衣薄膜的直接接触(仅与空气接触，避免了溶解、潮湿 等问题)，还可以利用精确的Hencky解(如何利用Hencky解，超出本发明内容)，从而解决了 以往流体静压加载方法中所存在的所有问题。
权利要求
一种涉及静压鼓泡试验精细加载控制的方法，其特征在于制作两个带有刻度尺的有机玻璃容器,内半径分别为和，且，用一根连通管将两个有机玻璃容器连接起来，将待检测样品的基层与半径为的有机玻璃容器的上顶牢固粘接, 使得半径为的有机玻璃容器的上部空间密闭，然后向半径为的有机玻璃容器中缓慢注入带有颜色的液体，液体将通过连通管流入到半径为的容器中，引起半径为的容器中的空气被压缩，产生一个作用在包衣薄膜上的空气压力，在观察到包衣薄膜有变形趋势后，精细控制液体的注入速度和注入量, 每注入一滴液体的时间间隔大于1分钟，以便精细控制被压缩的空气的压力值，从而精细控制包衣薄膜与基层之间的分层尺寸。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
本发明公开了一种涉及静压鼓泡试验精细加载控制的方法用一根连通管将两个带有刻度尺的有机玻璃容器(内半径分别为和，且)连接起来，将待检测样品的基层与小容器的上顶牢固粘接,使得小容器上部空间密闭，然后向大容器中注入带有颜色的液体，由于重力的原因，液体将通过连通管流入到小容器中，引起小容器中的空气被压缩，产生一个作用在包衣薄膜上的空气压力(即均布荷)，精细控制液体的注入速度和注入量，则可以达到精细加载控制的目的，以实现包衣薄膜与基层间的分层控制(即鼓泡尺寸控制)。本发明解决了以往流体静压加载方法中所存在的加载控制难，以及由于流体与包衣薄膜的直接接触而引起的溶解、潮湿等问题，并能利用精确的力学解。
文档编号G01N3/02GK101957292SQ20101051013
公开日2011年1月26日 申请日期2010年10月18日 优先权日2010年10月18日
发明者何晓婷, 孙俊贻, 朱海桥, 胡建力, 许劲, 郑周练 申请人:重庆大学
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