最近，中國科學(xué)院力學(xué)研究所在納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層與合金基底的界面粘結(jié)性能、納米結(jié)構(gòu)涂層的導(dǎo)熱性能和彈性性能等研究上取得了新進(jìn)展，揭示了界面粘結(jié)性能及相關(guān)力學(xué)性能的微結(jié)構(gòu)尺度效應(yīng)及其物理機(jī)制。
納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層界面粘結(jié)性能研究取得進(jìn)展（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
陶瓷涂層的介紹
陶瓷涂層由于具有良好的熱絕緣、抗氧化及耐腐蝕等優(yōu)異性能，在機(jī)械工程、化工、生物醫(yī)療、電子、航天航海等眾多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。如航空發(fā)動機(jī)的葉片由于工作溫度高達(dá)一千度以上，金屬基底上往往要沉積或涂覆上一層幾百微米厚的耐高溫的陶瓷涂層以保護(hù)內(nèi)部部件，而涂層與基底之間的界面粘結(jié)性能則關(guān)系到相關(guān)結(jié)構(gòu)和部件的可靠性與服役壽命。
一旦涂層與基底之間界面開裂，涂層剝落，暴露在高溫下的金屬基底將很快失效。因此研究涂層與基底之間的界面粘結(jié)性能、提高二者之間的界面結(jié)合強(qiáng)度一直是工業(yè)應(yīng)用的迫切需求。而納米結(jié)構(gòu)涂層作為一種新型的結(jié)構(gòu)材料，由于微結(jié)構(gòu)(晶粒)從傳統(tǒng)的微米尺度減小到百納米甚至幾十納米，比界面積急劇增大，展現(xiàn)出很多不同于傳統(tǒng)涂層及塊體材料的力學(xué)性能，如模量增加、導(dǎo)熱性降低等，那么它與基底間的界面結(jié)合強(qiáng)度怎樣呢?對這一問題的理解不僅對指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用，而且對發(fā)展微納尺度力學(xué)都具有重要意義。
什么是界面粘聚模型
界面粘聚模型(Interface cohesive model)通常用于描述界面斷裂過程中裂紋尖端的力學(xué)行為，反映了界面粘聚區(qū)原子所受應(yīng)力及分離位移的關(guān)系：界面分離應(yīng)力隨位移增加首先增加，當(dāng)達(dá)到最大應(yīng)力即界面強(qiáng)度后，應(yīng)力則隨位移增加而減小直至消失。該模型是一個宏觀唯象模型，有兩個關(guān)鍵參數(shù)：界面斷裂強(qiáng)度及界面斷裂韌度，界面韌度(即界面粘聚能)反映了界面斷裂所需的功。對實(shí)際材料宏觀體系的界面結(jié)構(gòu)，界面強(qiáng)度往往是MPa(106帕斯卡)量級，而界面開裂位移是微米(10-6米)量級;但對雙材料界面分離的原子尺度模擬顯示，界面強(qiáng)度是GPa(109帕斯卡)量級，而界面分離位移則是埃(10-10米)的量級。這種從微觀到宏觀的量級差異表明了界面性能的跨尺度現(xiàn)象，如何將界面的微觀物理機(jī)制及宏觀力學(xué)性能有機(jī)地結(jié)合起來一直是界面科學(xué)研究的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
研究人員根據(jù)界面粘聚能的熱力學(xué)定義(斷裂后形成兩個新表面的表面自由能之和減去斷裂前兩者間的界面自由能之差)、界面斷裂前后表面、界面自由能及其尺度效應(yīng)的介觀熱力學(xué)表征，結(jié)合實(shí)際陶瓷涂層/合金基底體系界面拉伸斷裂的實(shí)驗(yàn)測量，給出了界面粘結(jié)性能尺度效應(yīng)的力學(xué)模型，預(yù)測并證實(shí)了納米結(jié)構(gòu)涂層與基底之間提高近兩倍的界面強(qiáng)度(比傳統(tǒng)的微米結(jié)構(gòu)涂層與同樣基底間界面強(qiáng)度而言)，指出微結(jié)構(gòu)變化引起的涂層表面能及涂層基底間界面開裂位移的尺度效應(yīng)，是導(dǎo)致涂層體系宏觀界面強(qiáng)度改善的微觀物理機(jī)制。進(jìn)一步給出界面粘聚模型中臨界位移的物理意義對應(yīng)著界面材料的基本微結(jié)構(gòu)尺度。
