CN101957292A - 一种涉及静压鼓泡试验精细加载控制的方法 - Google Patents

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Abstract

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R1和R2，且
Figure 201010510137.3_AB_0
)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。

Description

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－基层结构，膜－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－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－基层结构的试件，然后在膜－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。控制所施荷载的大小，则可以获得一个半径适当的鼓泡，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－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1a所示;后者称之为轴载鼓泡试验（shaft-loaded blister tests），如图1b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－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－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！此外，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－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1b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                                               和
Figure 12591DEST_PATH_IMAGE004
，且
Figure 29088DEST_PATH_IMAGE006
），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。
 
附图说明
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－基层结构中的基层，2包衣薄膜－基层结构中的包衣薄膜， q表示流体静压，F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；
图中1包衣薄膜－基层结构中的基层，2包衣薄膜－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
Figure 714016DEST_PATH_IMAGE002
），4为带有刻度尺的有机玻璃容器（半径分别为），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）。 
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
Figure 941976DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 232143DEST_PATH_IMAGE004
，且
Figure 361642DEST_PATH_IMAGE006
（取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
Figure 157877DEST_PATH_IMAGE002
）上顶的
Figure 318862DEST_PATH_IMAGE012
牢固粘接（密闭），要求小容器壁厚大于0.02米，大容器（半径为）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
Figure 295225DEST_PATH_IMAGE008
），依据静力平衡条件，可求得均布荷载
Figure 706484DEST_PATH_IMAGE008
的大小：，则
Figure 990015DEST_PATH_IMAGE016
，其中为液体的密度、
Figure 47850DEST_PATH_IMAGE020
为重力加速度、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
Figure 416383DEST_PATH_IMAGE008
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
Figure 543739DEST_PATH_IMAGE008
的大小，仅取决于所注入的液体量（对应于两个容器中的液面之差
Figure 131978DEST_PATH_IMAGE022
）。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。

Claims (1)

1.一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                                                
Figure 2010105101373100001DEST_PATH_IMAGE001
和，且
Figure 2010105101373100001DEST_PATH_IMAGE003
，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
Figure 220682DEST_PATH_IMAGE001
的有机玻璃容器的上顶牢固粘接, 使得半径为
Figure 837477DEST_PATH_IMAGE001
的有机玻璃容器的上部空间密闭，然后向半径为
Figure 16786DEST_PATH_IMAGE002
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
Figure 980325DEST_PATH_IMAGE001
的容器中，引起半径为
Figure 623796DEST_PATH_IMAGE001
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。
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