薄膜/涂层材料界面结合强度评价方法研究进展

摘要

薄膜/涂层与基体间的结合强度作为评价膜层质量的关键指标之一,是保证膜层满足力学、电学、光学以及磁学等使用性能的根本前提。薄膜/涂层材料界面结合性能的表征是表面科学与工程领域的重要组成部分,亦是研判和预防界面失效的基本依据。近年来,新材料、新装备、新技术和新工艺的不断涌现,加剧了界面微观结构的复杂性和结果的不可预测性,同时对膜/基界面结合强度的评价也提出了更高的要求。目前,用于膜/基界面结合强度的评价方法种类繁多,测试原理各异,适用范围不同,且尚无一种方法适用于所有的材料体系。准确评价膜/基界面结合强度对界面性能的控制、改善,以及对膜层的服役行为和寿命的预估具有重要指导意义。首先,简要介绍了界面结合强度的物理含义,明晰了“本征结合强度”与“实际结合强度”间的差异,并从断裂力学的角度描述了界面结合强度的表征模型。然后,将当前常用的评价方法按照加载方式划分为静态加载方法(包括拉伸法、剥离法、划痕法、压入法、鼓泡法、弯曲法等)和动态加载方法(往复划痕法、冲击法、循环压入法、接触疲劳法等),并进行了分类评述。系统梳理了各种评价方法的基本原理、技术特点、力学模型,概括了不同评价方法的优势及不足。此外,归纳了适用的涂层材料体系和涂层厚度范围,综述了薄膜/涂层材料界面结合强度评价方法的研究现状。在静态评价方法中,划痕法和表面压入法因具有测试简单、耗时少、试样无需特殊处理,且有专业商用化设备可供使用等优点,是目前最为常用的膜基结合强度测试方法。相较于静态方法,采用动态方法来评价界面结合强度更加贴近服役工况,可为薄膜/涂层材料失效提供更为准确的预判。在动态评价方法中,滚动接触疲劳法和循环压入法具有对界面因素敏感、可定量化和可动态化监测等优点,在膜基结合强度评价上展示出良好的应用前景。最后,展望了界面结合强度评价方法未来的发展方向,未来应当开发更加高效、准确的评价方法,构建统一的评价标准和表征参量,建立完整的界面安全和失效评价体系,以期为膜/基界面结合强度的合理及准确评价提供参考,拓展薄膜/涂层材料在新领域和新方向上的应用广度和深度。