涂层体系界面强度表征方法的探讨

涂层体系的涂层断裂韧性和界面结合性能是影响该种复合体系寿命的重要指标。由于涂层体系的多样性与复杂性，至今还没有形成适合于测量这类复合体系力学性能的标准方法。在众多的测量方法中，本书只讨论了一些常用的测量方法，从中可以得到以下几点结论。

（1）目前在涂层体系的界面强度指标表征中，多数情形是采用界面拉伸强度和剪切强度指标进行表征。从现有的资料来看，采用临界载荷指标的表征，似乎只有在划痕法这一种方法中出现，而在其他方法中，采用临界载荷指标来表征的情形还未见有关报道。

（2）在测量某种具体的涂层材料的界面结合性能之前，最好先确定涂层材料与基体材料的力学、热学等性能，并比较它们之间的差异，然后选择某种或几种合适的方法进行测量。从目前所取得的一些成果来看，对于脆性涂层／韧性基体这类材料体系，可以优先考虑采用横向拉伸法测量其界面的剪切强度；对于界面拉伸强度在90 MPa以下的涂层材料，可以尝试采用垂直拉伸法测量；对于较厚的涂层（通常大于200μm）可以考虑直接采用标准的剪切方法测量其界面的剪切性能；对于结合性能较弱的涂层体系，可以尝试采用弯曲法测量。这些方法的好处在于可以定量地测量出界面结合性能。在确定了界面结合性能的测量方法之后，应该根据该种方法的载荷特征和涂层与基体的力学性能，选择合理的力学分析模型，最后根据实验方法的特点和结果，选择合适的求解界面结合性能的方法，如是解析的方法还是计算的方法，或者两者可以同时采用。

（3）至于划痕法采用临界载荷指标表征与测量涂层的断裂韧性和涂层体系的界面结合性能，其合理性目前还存有争议，有人认为该方法是一种定性的方法，有人认为该方法是一种半定量的方法。其争议的部分原因来自该方法本身会带来许多与界面结合性能无关的因素，这些无关的因素会影响到界面结合性能的准确测量。

（4）从目前所掌握的资料来看，除了韧性涂层／韧性基体材料体系外，压入法可以从定量、半定量或定性的角度去评价界面结合性能。值得注意的是，在涂层表面压入法和侧面基体压入法中，在界面起裂之前涂层没有出现开裂的情形才是比较合适的，如果界面还没有开裂，涂层就出现了裂纹，这样会给理论建模和分析带来难度，也会给测量的结果带来大的误差。

（5）在测量某种具体的涂层材料的界面结合性能时，在表征和评价指标相同的情形下，可以将不同实验方法得到的结果进行对比，并且不同的实验方法所得到的界面结合性能值应该在误差范围内。如果表征指标不同，或者说要在定量、半定量和定性的表征与测量方法之间做比较，它们所表征的指标应该在表现界面强与弱的趋势上是一致的。

（6）在测量某种具体的脆性涂层的断裂韧性时，相对来说，比较成熟的方法有弯曲法，采用较多的方法有压入法等。在表征脆性涂层的断裂韧性指标中，多数情形是采用基于能量学的韧性指标，而采用临界载荷指标来表征只能说是定性的方法。(www.xing528.com)

对于在测量与评价涂层体系力学性能的方法研究中，作者认为以下几个方面将是以后研究关注的主要问题。

（1）对现有测量方法的不断修正和改善。例如对于看似简单的垂直拉伸法，采用弹性基体模型和刚性基体模型会存在着差异，又如剪切法在靠近涂层自由边界的界面处存在应力集中，为减少该处的应力集中，可以采取预制一个半圆形的凹槽，还如在测量过程中，配备各种先进的仪器设备（如声发射、光学显微镜等）来判断和观察开裂情况。

（2）对测量新方法的不断探索。针对各类涂层体系，测量其界面结合性能的新方法将会不断地涌现，如侧面基体压入法、界面压入法、激光层裂法和剥皮法等都是近些年来出现的新方法。

（3）对韧性涂层／韧性基体体系界面结合性能的测量。目前，对于脆性涂层／脆性基体、脆性涂层／韧性基体和韧性涂层／脆性基体这几类材料体系，其界面结合性能测量研究工作的报道相对较多，而对于韧性涂层／韧性基体这类材料体系，其界面结合性能测量研究工作的报道相对较少。其根本原因在于在测量这类材料体系的界面结合性能过程中，塑性较好的涂层与基体会同时发生较大的塑性变形，这会给力学建模及理论分析带来很大的难度。因此，对这类材料体系的界面结合性能的测量方法的探索和相应的力学模型的理论、计算分析也是值得发展的一个方面。

（4）对界面强结合涂层体系的界面结合性能测量方法的探索。界面结合性能越强，会给测量方法的合适选取和测得的结果分析带来的难度越大，特别是对于那些界面结合强度大于涂层本身的断裂强度而涂层本身又是非常脆的情形，给测量方法的合适选取带来了很大的挑战，如电镀铬层／钢基体材料，这类涂层与基体材料的界面结合强度大于涂层本身的断裂强度［142］。虽然这类材料的界面结合强度大于涂层本身的断裂强度，事实上，实际工程中的涂层失效的主要模式还是由于涂层与基体的界面开裂而导致涂层在基体上的剥落。在测量这类材料体系界面结合性能的过程中，其中一部分困难会表现在界面还未开裂涂层就开裂的情形，或者甚至于出现涂层和基体都断裂而界面开裂都不发生的情形。因此，能成功地测量这类材料体系的界面结合性能将是研究者们追求的目标之一。

（5）对一些测量方法建立合理的力学模型进行求解。例如划痕法，由于其牵涉到的是一个高度复杂的非线性的问题，至今还没有比较合理的力学模型去求解它。还如在侧面基体压入法和界面压入法中，压头的附近会出现非常复杂的应力状态，产生的边缘效应难以精确地计算出实际应力的大小。这些问题都需要将来有合理的力学模型去描述和求解它。