CN104359835B - 一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤A：将柔性层状复合薄膜中硬质薄膜和柔软基体之间结合面形状制成预定宽度的长方形，步骤B：柔软基体底部两端被束缚在基座上，在柔软基体的柔性薄膜界底部中间部分加压，加压区域长度设定为预定加压长度，宽度为预定宽度，步骤C：在加压区域额边缘设定剪切面形状同样为长方形，宽度同样为预定宽度，长度为预定剪切长度，步骤D：利用柔性层状复合薄膜受到弯曲作用时硬质薄膜和柔软基体的变形不一致的特点，在加压区域施加预定压强，直至发生剪切破坏，变形过程被仪器记录下来，通过分析记录下来的图片，利用预定公式，可以计算出剪切强度。

Description

一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法

技术领域

本发明属于材料力学性能测量领域，尤其涉及到一种利用硬质薄膜和柔软基体之间在受到外力作用时变形不一致的特点，通过在柔软基体底部施加压力直到层状结构界面发生破坏的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法。

背景技术

柔性层状复合薄膜被广泛应用于生物工程，橡胶工业和柔性电子器件等领域。在生物工程中，由于羟磷灰石可以和骨质结合并吸收蛋白质这一独特的能力，将羟磷灰石薄膜沉积在高分子材料上可以制得新型医用薄膜材料。在橡胶工业中，将DLC(类金刚石)薄膜沉积在丁晴橡胶活塞表面，可以增强活塞的耐磨性，延长活塞的使用寿命。在电子工业中，将无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料基体上，制成柔性覆铜电路板，柔性电子显示器等装置，形成了柔性电子这一新兴的电子技术。

影响柔性层状复合薄膜使用性能的一个重要因素是硬质薄膜对柔软基体的粘附性能。通常人们采用剥离强度来评价这种粘附性能。

日本专利JP01185430公开了一种评价薄膜材料界面结合强度方法。该方法首先在薄膜材料表面刻蚀出一组图案，然后利用胶带粘结在图案表面，之后将胶带撕下来，通过测量图案粘结在胶带上的面积大小来评价薄膜材料的界面结合强度。这种方法简单直观，但是在实际应用时，当柔性层状复合薄膜受到外力，例如摩擦、弯曲和热应力作用时硬质薄膜和柔软基体的变形不一致，使薄膜和基体之间容易发生剪切断裂而导致结构功能失效，因此有必要知道这种结构的剪切破坏强度，以便更好地评价其界面结合性能。

采用通常的剪切强度测试方法，例如薄板粘接剪切试验、ENF方法和ELS方法，很难准确测量柔性层状复合薄膜的界面剪切强度或modeⅡ的应变能释放率。薄板粘接剪切试验是指采用夹具夹住两块粘结着的薄板的两端在平行于粘结界面的方向拉伸，并求出拉伸力的最大值，用其除以剪切面积来表征两块薄板之间的剪切强度。这种方法的优点是操作和计算比较简单，被广泛应用于界面剪切强度的测量。但是这种方法要求薄板本身在粘结界面破坏前不能有较大的屈服变形。对于柔性层状复合薄膜，由于薄膜厚度小，基体柔软，在拉伸过程中基体本身会产生较大变形，并且夹具很难夹持，因而这种测量方式不能用于柔性层状复合薄膜的界面剪切强度测量。对于ENF方法或ELS方法，与薄板粘结剪切试验相比，免去了加持装置，但是它要求薄板需要有一定的抗弯刚度，以便能得到支撑，对于柔性层状复合薄膜，由于基体材料柔软，不能提供支撑，这种测量方式同样不能用于柔性层状复合薄膜的界面剪切强度测量。

已经公开的测量界面结合强度的其他方法有：

中国专利CN103018160A公开了一种定量表征薄膜材料界面结合性能的屈曲测试方法及装置。在该发明中通过万能材料试验机对试样进行轴向的单轴压缩,并记录试样的应力应变数值,同时通过CCD相机对加载过程试样的横截面进行同步的实时观测,并实时记录屈曲过程中的临界应力,挠度以及裂纹长度等剥离特征,建立涂镀层-基体应力应变历史与剥离特征之间的关系来表征涂镀层-基体的界面结合性能。该发明具有原理简单、试样制备简单、模型清晰、易于操作等优点。但是由于柔性层状复合薄膜的基体柔软，容易出现制样困难、材料浪费、单轴压缩时破坏位置不确定、变形大、计算困难等问题。

中国专利CN101236152B公开了一种采用弹丸冲击来测试涂层/薄膜-基体界面结合强度的方法。该发明包括如下步骤：制备涂有待测涂层的平板试样；制备有涂层的弹丸,弹丸基体由声阻抗较低的材料制成；用发射装置发射弹丸,使弹丸以覆有涂层部位垂直冲击试样上的基体表面；测量弹丸与试样接触时的初速度,并通过已知的数值计算和理论分析,求得试样涂层/薄膜-基体界面应力历史；测量试样上的涂层/薄膜-基体界面剥离特征尺寸,建立涂层/薄膜-基体界面应力历史与涂层/薄膜-基体界面剥离特征尺寸的关系,以评价涂层/薄膜-基体界面结合性能。该发明具有原理简单、模型清晰；能测试强结合涂层的涂层/薄膜-基体界面结合性能及涂层/薄膜-基体界面动态性能,可操作性强等优点。但是这种方法仅适用于金属、陶瓷等硬质基体，由于柔性层状复合薄膜的基体柔软，不易夹持、高速弹丸的冲击对基体容易造成破坏，使计算出现较大偏差，甚至无法计算。

考虑到接触测量的局限性，有必要发展一种非接触测量方法，来测量这种结构的界面剪切强度。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，是利用数字散斑法的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法。具体是通过在柔性层状复合薄膜柔软基体底部加压，使其拱起变形，并采用数字散斑法测量变形程度，从而根据相关预定公式计算出界面剪切强度的柔性薄膜界面结合强度测量方法。

本发明提供的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，具有这样的特征:利用数字散斑法对柔性薄膜界面结合强度进行测量。

本发明提供的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，其特征在于，具有以下步骤：

步骤A：将柔性层状复合薄膜中硬质薄膜和柔软基体之间结合面形状制成预定宽度的长方形；

步骤B：柔软基体底部两端被束缚在基座上，在柔软基体的柔性薄膜界底部中间部分加压，加压区域长度设定为预定加压长度，宽度为预定宽度；

步骤C：在加压区域额边缘设定剪切面形状同样为长方形，宽度同样为预定宽度，长度为预定剪切长度；

步骤D：利用柔性层状复合薄膜受到弯曲作用时硬质薄膜和柔软基体的变形不一致的特点，在加压区域施加预定压强，直至发生剪切破坏，柔性层状复合薄膜的变形过程被数字散斑测量仪器记录下来，通过分析记录下来的图片，利用预定公式，可以计算出柔性层状复合薄膜的界面剪切强度。

本发明提供的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，优选的步骤A：其中，步骤A还包括：在将硬质薄膜和柔软基体之间结合面形状制成预定宽度的长方形之前，将基座的表面用丙酮擦拭干净，将柔性层状复合薄膜柔软基体一面采用萘钠处理剂处理后，清洗干净，用丙酮擦拭，风干。

本发明提供的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，优选的步骤A：其中，硬质薄膜和柔软基体的厚度比为1:12。

本发明提供的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，优选的步骤B：其中，预定宽度范围为5.2-6.2mm。

本发明提供的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，优选的步骤B：其中，预定剪切长度范围为0.3-0.8mm。

本发明提供的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，优选的步骤C：其中，预定压强为均匀加载在加压区域的液体压强。

本发明提供的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，优选的步骤D：其中，预定公式为：

${\mathrm{\τ}}_{max}=\frac{h_{max}(P-P_2)}{d},$

τmax为硬质薄膜和柔软基体分离时，可求得的界面剪切强度；

hmax为硬质薄膜和柔软基体分离时，对应的最大挠度；

P为硬质薄膜和柔软基体分离时，对应的分离压强；

P2为柔性层状复合薄膜去掉硬质薄膜后，只对柔软基体薄膜施加压强，当最大挠度为hmax时，对应的最大压强；

d为长方形剪切面的预定剪切长度。

本发明提供的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，优选的步骤D：其中，数字散斑测量仪器测量在预定压强作用下柔性薄膜变形所产生的挠度变化。

发明作用和效果

根据本发明所涉及一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，利用柔性层状复合薄膜受到弯曲作用时硬质薄膜和柔软基体的变形不一致的特点，使其在加压过程中界面发生剪切破坏，通过检测破坏时的压强和挠度，进而根据相关预定公式计算出界面剪切强度，该方法可以不和测量物体接触就可以测出物体的变形，具有精度高，并可以给出视野范围内的全场变形等优点。

附图说明

图1(a)是本发明在实施例中的柔性层状复合薄膜结构的均匀压强加载位置和薄膜形状宽度得到示意图；

图1(b)是本发明在实施例中的柔性层状复合薄膜结构的均匀压强加载位置和薄膜厚度的示意图；

图1(c)是本发明在实施例中的柔性层状复合薄膜变形前的示意图；

图1(d)是本发明在实施例中的柔性层状复合薄膜变形后的示意图；

图2(a)是本发明在实施例中的整体受力分析图；

图2(b)是本发明在实施例中的局部受力分析图；

图2(c)是本发明在实施例中的微元图；

图2(d)是本发明在实施例中的微元受力分析图；

图3是本发明在实施例中的数字散斑相关法测量离面位移的原理示意图；

图4是本发明在实施例中的数字散斑测量装置和加压装置原理示意图；

图5是本发明在实施例中的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法的流程图；

图6(a)是本发明在实施例中的样品安装位置与加载压强随时间变化曲线的加压孔形状示意图；

图6(b)是本发明在实施例中的样品安装位置与加载压强随时间变化曲线的样品安装位置示意图；

图6(c)是本发明在实施例中的样品安装位置与加载压强随时间变化曲线的加载压强和时间关系曲线；

图7(a)是本发明在实施例中的样品A1的计算结果在0.396MPa时的离面高度三维形貌图；

图7(b)是本发明在实施例中的样品A1的计算结果在0.396MPa时的俯视平面图；

图7(c)是本发明在实施例中的样品A1的计算结果在0.396MPa时的在0.361MPa时的离面高度三维形貌图；

图7(d)是本发明在实施例中的样品A1的计算结果在0.396MPa时的在0.361MPa时的俯视平面图；

图8(a)是本发明在实施例中的样品A0的计算结果在0.089MPa时的离面高度三维形貌图；

图8(b)是本发明在实施例中的样品A0的计算结果在0.089MPa时的俯视平面图；

图9(a)是本发明在实施例中的剪切破坏前后离面高度变化的样品A1；

图9(b)是本发明在实施例中的剪切破坏前后离面高度变化的样品A2；

图10(a)是本发明在实施例中的有限元模型尺寸示意图的柔性层状复合薄膜；

图10(b)是本发明在实施例中的有限元模型尺寸示意图的柔性层状复合薄膜的柔软基体薄膜；

图11(a)是本发明在实施例中的有限元分析结果的数值模拟1的真实应变分布；

图11(b)是本发明在实施例中的有限元分析结果的数值模拟2的真实应变分布；

图11(c)是本发明在实施例中的有限元分析结果的界面剪切破坏前1.775MPa时的真实应变；

图11(d)是本发明在实施例中的有限元分析结果的界面剪切破坏后1.8MPa时的真实应变；以及

图11(e)是本发明在实施例中的有限元分析结果的界面剪切破坏后2.425MPa时的真实应变。

具体实施方式

以下参照附图实及施例对本发明所涉及的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法作详细的描述。

实施例一

图1(a)是本发明在实施例中的柔性层状复合薄膜结构的均匀压强加载位置和薄膜形状宽度得到示意图。

图1(b)是本发明在实施例中的柔性层状复合薄膜结构的均匀压强加载位置和薄膜厚度的示意图。

图1(c)是本发明在实施例中的柔性层状复合薄膜变形前的示意图。

图1(d)是本发明在实施例中的柔性层状复合薄膜变形后的示意图。

如图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)所示，预定公式推导如下。

将硬质薄膜1和柔软基体2的接触面形状设定为长方形，如图1(a)所示，硬质薄膜1宽度设为w，硬质薄膜1的厚度设为m，柔软基体2的厚度设为n，满足m<<n，如图1(b)所示。

柔软基体2底部两端被紧紧束缚在钢制基座上，如图1(c)所示。在两端之间宽度为L的区域加均匀压强，使柔软基体2膨胀，如图1(d)所示，同时满足L>>m+n。

图2(a)是本发明在实施例中的整体受力分析图。

图2(b)是本发明在实施例中的局部受力分析图。

图2(c)是本发明在实施例中的微元图。

图2(d)是本发明在实施例中的微元受力分析图。

如图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)所示。

从图2(a)中可以看出，柔性层状复合薄膜在均匀压强P的作用下，发生弯曲变形，对应的挠度为h，同时在硬质薄膜和柔软基体界面处作用有，如图2(b)的局部放大图所示的水平方向的界面剪切力T1，柔软基体对变形的抵抗力T2，以及钢制基座对柔软基体的剪切作用力T。从柔软基体右侧承压表面取一微元ds，如图2(c)所示，竖直方向上的分量为dh，在水平方向上的分量为dl，图2(d)为微元ds的受力图，垂直于微元的合力F，在水平方向的分力为F2，在竖直方向的分力为F1。根据上图得到：

F＝Pds，

F₂＝Fsinθ＝Pds·sinθ＝Pdh，

对F2进行积分得：

$\&Integral;F_2={\&Integral;}_0^{h}Pdh=Ph,$

可看出：

T＝Ph

由图2(b)的局部受力分析得：

T＝T₁+T₂＝Ph (1)

当T1＝0时，即去掉硬质薄膜时，只对柔软基体施加均布压力，有：

T＝T₂＝P₂h₂ (2)

将公式(2)代入公式(1)，且当h＝h2时，得：

T₁+P₂h＝Ph (3)

设单位长度的剪切力为τ，剪切长度为d，有：

T₁＝τd (4)

将公式(4)代入公式(3)整理得：

$\mathrm{\&tau;}=\frac{Ph-P_{2}h}{d}---\left(5\right)$

当硬质薄膜和柔软基体分离时，此时对应最大高度hmax，可求得断裂剪切强度τmax为：

${\mathrm{\&tau;}}_{max}=\frac{h_{max}(P-P_2)}{d},$

其中，τmax为硬质薄膜和柔软基体分离时，可求得的界面剪切强度；hmax为硬质薄膜和柔软基体分离时，对应的最大挠度；P为硬质薄膜和柔软基体分离时，对应的分离压强；P2为柔性层状复合薄膜去掉硬质薄膜后，只对柔软基体薄膜施加压强，当最大挠度为hmax时，对应的最大压强；d为长方形剪切面的预定剪切长度。

图3是本发明在实施例中的数字散斑相关法测量离面位移的原理示意图。

如图3所示，数字散斑相关方法是通过图像采集、图像数字化、处理物体在不同变形状态或者不同变形时刻的两幅图像从而得到面内位移分量和面内位移梯度的一种非接触测量方法。知道柔性薄膜变形散斑的面内位移后，就可以由图3求得柔性薄膜变形的离面位移。图中R为散斑投影器，C为散斑接收器，两者距离为L，它们距离柔性薄膜变形前的参考平面距离为H。如果柔性薄膜没有变形，从R发出的光到达柔性薄膜上的点N后反射到接收器中，但由于柔性薄膜受压发生变形，R发出的散斑光源投射到变形后的柔性薄膜上的点O，并从O点发射到接收器中，M点为OC的延长线与参考平面的交点，MN为柔性薄膜变形的面内位移l。设柔性薄膜O点的变形为h，则从三角形相似原理△OMN≌△ORC，可以得到：

l＝MN＝Lh/(H-h)

因为h＜＜H,所以等式可以写为：

$h=\left(\frac{H}{L}\right)l=Kl$

在等式中，K为系统常数，可以由标定得出。这样就可以由系统常数K和薄膜散斑的面内位移l求得柔性薄膜的离面位移h。

图4是本发明在实施例中的数字散斑测量装置和加压装置原理示意图。

如图4所示，数字散斑测量装置，在该装置中光源依次通过制斑部件和远心镜头后将制斑部件中的散斑投影在被测样品上，之后样品上的投影散斑经过另一个远心镜头被其后面的CCD相机捕获，形成数字照片。将两幅不同变形时刻的数字照片输入到系统软件中进行比较计算，从而得到在这两幅照片的时间间隔内，样品的全场离面位移变化三维形貌图。

加压装置，可以提供一个从0.000MPa-5.000MPa稳定变化的液体压强，在该压强的作用下，柔性层状复合薄膜发生弯曲变形，其压强变化和压强对应的挠度变化可以分别被压力传感器和数字散斑测量装置同时测量并记录下来。

图5是本发明在实施例中的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法的流程图。

如图5所示，在本实施例中所采用的设备是薄膜材料力学性能鼓包测量仪。所选用的柔软基体材料为厚120微米的PVDF薄膜，并根据图2所示模型，设计了如下实验。根据公式(1)和公式(2)所示，实验分为两组进行：A组实验比较了不同剪切长度对实验结果的影响，B组实验比较了不同加压区域L对实验结果的影响，实验分组和参数如表1所示。

表1样品分组及参数

图6(a)是本发明在实施例中的样品安装位置与加载压强随时间变化曲线的加压孔形状示意图。

图6(b)是本发明在实施例中的样品安装位置与加载压强随时间变化曲线的样品安装位置示意图。

图6(c)是本发明在实施例中的样品安装位置与加载压强随时间变化曲线的加载压强和时间关系曲线。

如图6(a)、图6(b)和图6(c)所示，在实验中采用铜薄膜代替硬质薄膜，粘结在作为柔软基体的PVDF薄膜上，由于铜薄膜的厚度远小于PVDF基体薄膜的厚度，根据计算，铜薄膜的抗弯刚度为0.0285N·mm²远小于PVDF薄膜的0.9936N·mm²，因此可以忽略弯曲铜薄膜所需要的压强。实验A组所用的钢制基座中心通油孔形状如图6(a)所示，根据发明内容中L>>m+n，最大长度为8.18mm最大宽度为5.20mm。实验B组的最大宽度从5.4-6.2mm变化。

步骤A：实验前将镀铬的钢制基座的表面用丙酮擦拭干净。将PVDF薄膜样品一面采用萘钠处理剂处理后，清洗干净，裁剪为15mm×15mm的大小，用丙酮擦拭，风干,进入步骤B。

步骤B，将PVDF薄膜按图6(b)所示选用氟材料专用快干粘结剂与钢制基座粘结，使通油孔位于薄膜的中，央柔软基体底部两端被牢牢束缚在基座上，在柔软基体的柔性薄膜界底部中间部分加压，加压区域长度设定为预定加压长度15mm，宽度为预定宽度3.12mm，进入步骤C。

步骤C：按图6(b)所示,用环氧树脂慢干胶与PVDF粘结，采用慢干胶的作用是在PVDF和铜薄膜紧密结合前有时间来调整结合面形状和剪切面的长度和宽度，加压区域的边缘设定剪切面形状同样为长方形，宽度同样为预定宽度3.12mm，同时按表格1调节剪切面d的长度，将超出PVDF薄膜表面部分裁减掉，之后将PVDF表面残留的慢干胶轻轻去掉并在表面喷上一层哑白漆，以达到增强样品表面散斑对比度的效果。在室温条件下放置20分钟，待环氧树脂固化后，将样品放入薄膜材料鼓包测量仪中的样品台中，旋紧压盖片后，打开光源和步进电机开始实验，进入步骤D。

步骤D：利用柔性层状复合薄膜受到弯曲作用时硬质薄膜和柔软基体的变形不一致的特点，在加压区域施加预定压强，直至发生剪切破坏，柔性层状复合薄膜的变形过程被数字散斑测量仪器记录下来，通过分析记录下来的图片，利用预定公式，计算出柔性层状复合薄膜的界面剪切强度。实验结束后将得到的散斑图片导入系统软件中进行计算，得到全场的离面位移变化图像。

实验结果与分析

图6(c)为样品A1的加载压强和加载时间曲线，压强随时间的延长而增大，但当加载129s时，压强突然由0.396MPa下降到0.361MPa，之后又继续上升。

通过比较图片中散斑的位移变化，样品A1在压强为0.396MPa和0.361MPa的计算结果如图6所示。

图7(a)是本发明在实施例中的样品A1的计算结果在0.396MPa时的离面高度三维形貌图。

图7(b)是本发明在实施例中的样品A1的计算结果在0.396MPa时的俯视平面图。

图7(c)是本发明在实施例中的样品A1的计算结果在0.396MPa时的在0.361MPa时的离面高度三维形貌图。

图7(d)是本发明在实施例中的样品A1的计算结果在0.396MPa时的在0.361MPa时的俯视平面图。

图8(a)是本发明在实施例中的样品A0的计算结果在0.089MPa时的离面高度三维形貌图。

图8(b)是本发明在实施例中的样品A0的计算结果在0.089MPa时的俯视平面图。

图9(a)是本发明在实施例中的剪切破坏前后离面高度变化的样品A1。

图9(b)是本发明在实施例中的剪切破坏前后离面高度变化的样品A2。

如图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)、图8(a)、图8(b)、图9(a)和图9(b)所示，从图7(a)中我们可以看到由于粘结在PVDF薄膜上的铜薄膜位于通油孔的中间，从而阻碍了中间的PVDF薄膜在油压的作用下的拱起，进而使得通油孔上下两边的PVDF薄膜的拱起高度高于中间的PVDF薄膜的拱起高度，形成了类似“马鞍”的形状。当加载到0.396MPa时，白色方框区域中心位置的离面高度为134.9μm，铜薄膜和PVDF柔软基体在剪切面处发生分离，同时铜薄膜对PVDF薄膜的束缚作用消失，PVDF薄膜中心部分在油压的作用下离面高度瞬间增大,压强降低,如图7(c)所示，同时剪切面处分离的铜薄膜产生离面位移。通过比较图7(b)和图7(d)在剪切面处的离面高度变化，进而可以观察并进一步准确得到剪切长度。

从图7(b)白色方框区域图像可以看出离面高度沿x方向有明显的变化，但是沿y方向却没有明显变化，这和实验原理中描述的实验模型近似，因此根据实验原理部分所提到的计算公式，选择这部分中心位置的数据进行计算。

在样品A0的实验中选取最大离面高度与样品A1实验中134.9μm最接近的离面三维形貌图，如图7(a)所示。此时的压强为0.089MPa，通油孔中心处离面高度为135.1μm。由于没有了硬质薄膜的束缚，离面高度平面图像形状，如图8(b)所示，和加压孔的形状基本一致。

将图7(b)中白色方框区域中心处的数据和图7(d)中白色方框区域对应位置的数据比较，结果如图9(a)所示，从图中我们可以看到，在剪切破坏前后，样品有明显的高度变化，剪切面被破坏后产生的离面位移被记录后通过系统软件计算得到，样品A1的剪切长度计算测得为0.8mm，与实验前测量的一致。

图9(b)是样品A2剪切破坏前后离面高度变化曲线，剪切破坏前最大加载压强为0.182MPa，加压孔中心处最大离面高度为138.5μm，剪切破坏后加载压强下降为0.169MPa，最大离面高度变化为203.5μm，剪切长度测得为0.3mm，与实验前测得的一致。

根据发明内容中给出的计算公式(6)，A组和B组实验界面剪切强度计算结果如表2所示。从表中数据可以看出实验测得的界面剪切强度分布在0.0409-0.0532MPa之间，另外从A组实验和B组实验还可以分别看出变剪切长度d和变加压区域L对实验结果影响不大。

表2实验结果

实施例一的作用与效果

根据本实施例所涉及一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，利用柔性层状复合薄膜受到弯曲作用时硬质薄膜和柔软基体的变形不一致的特点，使其在加压过程中界面发生剪切破坏，通过检测破坏时的压强和挠度，进而根据相关预定公式计算出界面剪切强度，该方法可以不和测量物体接触就可以测出物体的变形，具有精度高，并可以给出视野范围内的全场变形等优点。

实施例二

图10(a)是本发明在实施例中的有限元模型尺寸示意图的柔性层状复合薄膜。

图10(b)是本发明在实施例中的有限元模型尺寸示意图的柔性层状复合薄膜的柔软基体薄膜。

如图10(a)和11(b)所示，采用有限元方法对发明内容部分提到的模型进行了模拟，以说明在剪切面破坏前后硬质薄膜对柔软基体变形的影响。本发明中采用有限元分析软件Abaqus 6.10，该软件是国际上最先进的有限元计算分析软件之一，具有强大的计算和模拟性能。

根据发明内容中膜厚要远小于通油孔径的原则和图2所示模型，建立两个有限元模型如图10所示，在柔软基体的中间部分施加2.5MPa压强使其拱起变形。数值模拟一，如图10(a)所示，在数值模拟二，如图9(b)所示，的基础上附着0.010mm厚的硬质薄膜，在柔软基体和硬质薄膜之间的界面采用虚拟闭合裂纹技术(VCCT)分析裂纹扩展，断裂法则采用power law，指数均设为1，参考应变能释放率GⅠ＝1，GⅡ＝1，GⅢ＝1。

模型中，根据PVDF材料和Cu材料的弹性模量和泊松比，选定了柔软基体和硬质薄膜的弹性模量和泊松比，如表3所示。考虑到是平面应变状态，所选单元类型为四节点四边形平面应变减缩积分单元(CPE4R单元)进行应力应变分析，分析结果如图10所示。

表3有限元模型材料属性

有限元模型计算结果分析

选取模拟一和模拟二在最大离面高度分别为290.315μm和290.49μm时的水平方向的真实应变(LE11)计算结果，此时对应压强分别为1.275MPa和0.275MPa，如图10(a)和图10(b)所示。从图中可以看出模拟一和模拟二的最大真实应变均在加压面的根部。模拟一和模拟二相比由于硬质薄膜的阻碍作用，变形相同的最大离面高度需要更大的压强，并且使柔软基体的水平拉伸变形区域缩小，并集中于加压区域的边缘，进而使这些位于加压区域边缘的网格的水平方向变形程度相对增大，当压强达到一定值时，由于硬质薄膜和柔软基体的变形程度非常不一致，在两种材料结合面处发生剪切破坏。

图11(a)是本发明在实施例中的有限元分析结果的数值模拟1的真实应变分布。

图11(b)是本发明在实施例中的有限元分析结果的数值模拟2的真实应变分布。

图11(c)是本发明在实施例中的有限元分析结果的界面剪切破坏前1.775MPa时的真实应变。

图11(d)是本发明在实施例中的有限元分析结果的界面剪切破坏后1.8MPa时的真实应变。

图11(e)是本发明在实施例中的有限元分析结果的界面剪切破坏后2.425MPa时的真实应变。

如图11(a)、11(b)、11(c)、11(d)和11(e)所示，图11(c)到图11(e)是图11(a)中黑色方框区域随加载压强增大，真实应变变化的局部放大图。从图中可以看出随着压强的增大，位于剪切面处的柔软基体在水平方向的真实应变也慢慢增大。当压强为1.775MPa时硬质薄膜和柔软基体之间未分开，当压强升高为1.8MPa时硬质薄膜和柔软基体的第一个结合点分开，压强为2.425MPa时第三个结合点分开，并产生较大的离面位移，根据发明内容中所提到的方法通过探测离面位移的变化便可确定剪切面的长度和范围。

实施例二的作用与效果

根据本实施例所涉及一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，利用柔性层状复合薄膜受到弯曲作用时硬质薄膜和柔软基体的变形不一致的特点，使其在加压过程中界面发生剪切破坏，通过检测破坏时的压强和挠度，进而根据相关预定公式计算出界面剪切强度，该方法可以不和测量物体接触就可以测出物体的变形，具有精度高，并可以给出视野范围内的全场变形等优点。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，其特征在于：

利用数字散斑法对柔性薄膜界面结合强度进行测量，具有以下步骤：

步骤A：将柔性层状复合薄膜中硬质薄膜和柔软基体之间结合面形状制成预定宽度的长方形；

步骤B：所述柔软基体底部两端被束缚在基座上，在所述柔软基体的底部中间部分加压，加压区域长度设定为预定加压长度，宽度为所述预定宽度；

步骤C：在所述加压区域的边缘设定剪切面形状同样为长方形，宽度同样为所述预定宽度，长度为预定剪切长度；

步骤D：利用所述柔性层状复合薄膜受到弯曲作用时所述硬质薄膜和所述柔软基体的变形不一致的特点，在所述加压区域施加预定压强，直至发生剪切破坏，所述柔性层状复合薄膜的变形过程被数字散斑测量仪器记录下来，通过分析记录下来的图片，利用预定公式，可以计算出所述柔性层状复合薄膜的界面剪切强度；

其中，所述预定公式为：

${\mathrm{\&tau;}}_{max}=\frac{h_{max}(P-P_2)}{d},$

τ_max为所述硬质薄膜和所述柔软基体分离时，可求得的所述界面剪切强度；

h_max为所述硬质薄膜和所述柔软基体分离时，对应的最大挠度；

P为所述硬质薄膜和所述柔软基体分离时，对应的分离压强；

P₂为所述柔性层状复合薄膜去掉所述硬质薄膜后，只对所述柔软基体的底部施加压强，当所述最大挠度为h_max时，对应的最大压强；

d为长方形剪切面的所述预定剪切长度。

2.根据权利要1所述的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，其特征在于：

其中，所述步骤A还包括：在将所述硬质薄膜和所述柔软基体之间结合面形状制成所述预定宽度的所述长方形之前，将所述基座的表面用丙酮擦拭干净，将所述柔性层状复合薄膜柔软基体一面采用萘钠处理剂处理后，清洗干净，用丙酮擦拭，风干。

3.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，其特征在于：

其中，所述硬质薄膜和所述柔软基体的厚度比为1:12。

4.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，其特征在于：

其中，所述预定宽度范围为5.2-6.2mm。

5.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，其特征在于：

其中，所述预定剪切长度范围为0.3-0.8mm。

6.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，其特征在于：

其中，所述预定压强为均匀加载在加压区域的液体压强。

7.根据权利要求2所述的一种柔性薄膜界面结合强度的测量方法，其特征在于：

其中，所述数字散斑测量仪器测量在所述预定压强作用下所述柔软基底变形所产生的挠度变化。