Другие разрушающие методы измерения адгезионной прочности

Рассматриваемые методы измерения адгезионной прочности не получили широкого распространения и, как правило1, используются только в отдельных случаях для конкретных систем пленка — подложка.

Метод центрифугирования. Данный метод предусматривает предварительное нанесение пленки на поверхность некоторого тела (подложку), которое совершает вращательное движение. Возникающая при этом центробежная сила стремится оторвать пленку от подложки. За меру адгезии принимается значение центробежной силы, действующей на единичную площадку границы пленка— подложка в момент отрыва. Можно показать, что центробежная сила

F = InWhpy              (47) где п — частота вращения центрифуги, с-1; R—'радиус ротора, м; р — плотность, кг • м—3; h — толщина отрываемой пленки, м.

Данное выражение справедливо только тогда, когда пленка в момент отделения от ротора разорвана на отдельные части. Ликвидировать сцепление отдельных частей пленки можно, сделав предварительные разрезы на ней параллельно оси цилиндра. В противном случае следует учитывать прочность самой пленки и тогда адгезионная прочность F может быть найдена из выражения

4«p/i = Q + F,              (48)

где Q — предел прочности пленки, Л • м~2.

В связи с тем, что сила, действующая на пленку при центрифугировании, зависит от массы отрываемо^ пленки, а масса определяется толщиной пленки, существует нижняя граница толщины, меньше которой отрыв центрифугированием невозможен.

Использование обычных центрифуг, имеющих частоту вращения не более IO4 мин-1, для измерения адгезионной прочности возможно только в случае слабого сцепления покрытия. Поэтому для реализации метода приходится применять ультрацентрифуги, у которых частота вращения доходит до IO5 мин-1. Для ускорения вращения можно подвешивать ротор в вакууме и магнитном поле. Возможно использование вращающегося магнитного поля для поворота ротора.

Этим методом исследована адгезионная прочность электро- чэсажденных на сталь хромовых пленок толщиной 250 мкм. Диаметр ротора выбирался в пределах 3,175...9,525 мм, что обеспечивало получение удельной силы, прикладываемой к пленке, равной 1,13-IO8 Па.

Если ту же методику применять для испаренных в вакууме пленок хрома, то для этого требуется центростремительное ускорение 3-1010?, что технически реализовать очень трудно. Методика измерения адгезионной прочности при помощи ультрацентри- фуги была применена для исследования электроосажденной меди и никеля, хрома и некоторых органических пленок [39]. Адгезионная прочность, определяемая центрифугированием, несколько ниже значения, полученного другими методами измерения. Предполагается, что этот эффект обусловлен явлениями ползучести, происходящими на границе раздела пленка — подложка (в случае цилиндра) .

Методика определения адгезионной прочности центрифугированием имеет следующие преимущества: отсутствие термообра- ботюи образцов и взаимодействия их с агрессивными средами, а также относительно несложный расчет удельной силы отрыва. К недостаткам относится достаточная трудоемкость метода. Кроме того, прикладываемая сила зависит от размеров отслаиваемой пленки, которые могут иметь значительный разброс. Это заставляет проводить большое число экспериментов для определения стабильных средних значений. Метод центрифугирования применяется главным образом в исследовательских целях.

Метод вибрации. Приложение к объему пленки силы инерции используется также в вибрационном методе определения адгезионной прочности.

Fotp — mj\ т — phlb; ; = 4 тА2у.

Здесь т — масса пленки, кг; р — плотность, кг*м_3, А, Ь, I — толщина, ширина и длина пленки, м; / — ускорение колебательного движения, кг-м *с-2; у — амплитуда, м; v — частота колебаний, с-1.

Максимальное ускорение пленки происходит Hia резонансной частоте, которая для случая вибрирующего цилиндра

/0 = 0951УЩ              (49)

где U — резонансная частота, с-1; I — длина цилиндра, м; E — модуль Юнга, Па; р — плотность материала, кг*м~3.

В качестве материала цилиндра обычно выбирается алюминий или магний. Образцы для измерения могут прикрепляться к торцу цилиндра. Исследуемая пленка наносится на торец цилиндра. Для отделения пленок, имеющих прочное сцепление с подложкой, приходится повышать частоту колебаний. Для этого применимы пьезокристаллы. Например, с помощью кварцевого резонатора можно получить частоту порядка 12 МГц. При частоте 10 МГц образцу обеспечивается ускорение 109g\ что достигается с помощью ультрацентрифуг. Эффективность ультразвукового метода повышается с увеличением массы (толщины) пленок.

Преимущества ультразвукового метода измерения адгезионной прочности заключаются в возможности определения удельного значения F0тр, а также в непосредственном приложении силы отрыва к пленке (без промежуточного тела). К недостаткам относится сложность метода, а также невозможность определения высоких значений адгезионной прочности. К результатам,] полученным ультразвуковым методом, следует относиться с осторожностью. Дело в том, что на пленку действует сила, направление которой меняется, т. е. периоды отрыва сменяются периодами сжатия, что может искажать истинные значения адгезионной прочности. Кроме того, вибрационный метод измерения адгезии можно 'применять только в случае, если адгезия значительно меньше прочности самих пленок.

Метод истирания. Этот метод является основным для определения долговечности покрытий, которые в процессе эксплуатации

подвергаются абразивной обработке. Замечено, что при обработке поверхности тонких пленок шкуркой сопротивление истиранию зависит главным образом не от твердости покрытия, а от прочности адгезии к подложке.! Метод истирания был применен для оценки адгезионной прочности алюминиевых пленок, напыленных на стекло.

(50)

где R — сопротивление, Ом; г — удельное сопротивление, Ом/см;

I — длина, см; а — ширина пленки, см; k — скорость истирания, см/ч; d — исходная толщина пленки, см; i — время, ч.

Различия в условиях напыления пленки и последующего отжига вызывали изменение адгезионной прочности, которое обнаруживалось с помощью данного метода.

Метод многократного изгиба. Этот метод является одним из основных для определения адгезионной прочности пленок, нанесенных на гибкие подложки. Он приобрел в последнее время/большое значение в связи с распространением гибких плат. Метод многократного изгиба определяет не только прочность адгезии, но и прочностные свойства пленки и подложки в целом. Показателем* характеризующим прочность адгезии и прочностные свойства системы пленка — подложка, является число циклов изгиба.

Результаты испытания на многократный изгиб гибкой лавсановой ленты, на которую наносили плевку толщиной I—2 мкм, представлены в [35]. Лента совершала возвратно поступательное- движение с частотой 0,05 Гц между роликами, осуществляющими изгиб. Момент отрыва фиксировался оптическим методом. При этом фиксировалось как растрескивание пленки, так и ее адгезионное отслаивание.

Если материал полимерной подложки является эластичным, то напряжения в нем релаксируются, не вызывая разрушений. Иная картина наблюдается в хрупких материалах. При многократном изгибе под действием возникающего растягивающего напряжения- на нарушаемой поверхности пленки возникают трещины. Возникнув на поверхности, трещины затем распространяются вглубь. Число циклов изгиба,' которое может выдержать система пленка — подложка, сильно зависит от толщины пленки.

Было проведено сравнение числа циклов изгиба, приводящих к отслаиванию, и адгезионной прочности, измеряемой методом

нормального отрыва. Образцы для исследований представляли собой пленки металла толщиной 3... 5 мкм, напыленные в вакууме на стальную поверхность. Изгибы осуществлялись под углом 90° при радиусе закругления I мм. Эксперименты показали, что число изгибов растет с увеличением адгезионной прочности, измеряемой методом нормального отрыва, при этом связь линейна для достаточно тонких пленок.

Таблица 4. Влияние толщйны пленки на число циклов изгиба

до разрушения

Оценка повторяемости результатов, полученных измерением адгезионной прочности методом перегиба, представлена в [35]. Эксперименты проводились с металлизированной полиэтилентере- фгалатной пленкой (основа толщиной 75 мкм). При доверительной вероятности, равной 0,99, получены данные, представленные в табл.

Термический метод. В основе метода измерения адгезионной прочности лежит следующая идея: если пленка химически страв- Таблйцаб. Результаты исследования ливается с поверхности подлож-

ки, то энергия, освобождающаяся в растворе, равна теплоте растворения за вычетом энергии связи пленки с подложкой. Это изменение при выделении тепла может быть измерено при помощи микрокалориметра. Сообщается о применении данной методики для исследования адгезии металлических пленок, напыленных на подложку из NaCl [39].

Электрохимический метод. Для оценки адгезии может быть использован следующий эффект: если пленку с подложкой поместить в электролитическую ванну и приложить к пленке отрицательный потенциал, то водород начинает диффундировать из раствора через пленку к поверхности подложки. При этом пленка начинает образовывать пузыри. Устойчивость к образованию пузырей и является мерой адгезии. Данный метод применим для оценки адгезии пленок, нанесенных только на металлические подложки.

Лазерный и электронно-лучевой методы. При обработке образца импульсами излучения лазера или электронов в твердом теле 58

возникают механические волны, состоящие из чередующихся участков сжатия и растяжения. Если 1B зону действия этих волн попадает граница между пленкой и подложкой, то может возникнуть усилие отрыва. Энергия импульсов, падающих на поверхность образца, и внутренние механические напряжения, обусловливающие отрыв, связаны между собой. Это дает возможность использовать энергию импульса в момент отрыва как меру адгезии. Имеется сообщение о применении данного метода для измерения адгезионной прочности [39].