基于数字散斑柔性薄膜界面结合强度与研究

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1、基于数字散斑的柔性薄膜界面结合强度研究孙继亮，龙士国，王子菡(湘潭大学低维材料及其应用技术教育部重点实验室,湘潭411105)摘要:数字散斑技术作为一种非接触测量方法被广泛地应用于微小变形的测量。在本文中利用数字散斑方法对铜（Cu）/聚偏氟乙烯（PVDF）基底柔性层状复合薄膜的界面结合强度进行了研究。利用铜薄膜和PVDF基底之间在受到外力作用时变形不一致的特点，通过在PVDF基底上施加压力直到层状结构界面发生破坏。用这种方法，计算出界面破坏时的剪切强度稳定分布在40.9-53.2kPa之间。采用Abaqus有

2、限元软件分析了实验模型中应变分布和发生破坏时界面处应变变化，有限元结果进一步验证了本文中实验方法的有效性。关键词:柔性层状复合薄膜；数字散斑；剪切强度；界面破坏中图法分类号：TB301文献标识码：A0引言近年来，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[1]。在橡胶工业中，将类金刚石(DLC)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

3、[2]。在电子工业中，将无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料基底上，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[3-5]。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性基底的粘附性能[6]。通常人们采用剥离强度[7-9]来评价这种粘附性能，而在实际应用时，当这种结构受到外力，例如摩擦、弯曲和热应力作用时硬质薄膜和柔软基底的变形不一致，使薄膜和基底之间容易发生剪切断裂而导致结构功能失效[10]，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

4、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[11]，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，基底柔软，在拉伸过程中基底本身会产生较大变形，并

5、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，由于基底材料柔软，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。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。数字散斑技术[12]作为一种可以测量全场位移变化的非接触测量手段被广泛地应用于实验力学中微小变形的测量。其优点在于可以不

6、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。在本文中将铜薄膜和PVDF基底薄膜通过环氧树脂粘接在一起，制成柔性层状复合薄膜，利用这种结构变形时铜薄膜和PVDF基底薄膜变形不一致的特点，将柔软基底两端固定，中间施加压强使其弯曲并采用数字散斑这种非接触测量方法测量弯曲的离面位移，当压强升高到一定值时柔性层状复合薄膜的界面发生剪切破坏，记录此时的压强和离面位移，通过相关计算从而得出这种结构的界面剪切强度。1实验1.1实验原理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

7、底的变形不一致的特点，设计了一种方法来测量柔性层状复合薄膜的界面剪切强度。实验所采用的柔性层状复合薄膜结构如图1所示。将硬质薄膜和柔软基底的接触面形状设定为长方形，如图1(a)所示，硬质薄膜宽度设为w。硬质薄膜的厚度设为m柔软基底的厚度设为n，满足m<>m+n。(a)宽度示意图(b)厚度示意图(c)变性前(d)变形后图1柔性层状复合薄膜结构和均匀压

8、强加载位置示意图Fig.1theshapeofflexiblelaminarcompositefilmandthelocationoftheuniformpressure图2是柔性层状复合薄膜在加压后的受力分析图，其中硬质薄膜左侧发生剪切破坏的长度设为d。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，同时在薄膜和基底界面处作用有，如图2(b)的局部放大图