薄復層層狀復合材料界面結合的定量評價方法

李 龍，周德敬

(銀邦金屬復合材料股份有限公司 江蘇省金屬層狀復合材料重點實驗室，江蘇 無錫 214145)

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薄復層層狀復合材料界面結合的定量評價方法

李 龍，周德敬

(銀邦金屬復合材料股份有限公司 江蘇省金屬層狀復合材料重點實驗室，江蘇 無錫 214145)

李 龍

主要針對復層厚度較薄的(如小于0.5 mm)的層狀復合材料界面結合的定量評價實驗方法進行了回顧和總結，評述了各種方法的優缺點并分析了各種方法的適用條件和應用范圍。隨著計算機技術水平的不斷提高，有限元數值模擬技術在層狀復合材料結合性能的評價分析中起到了越來越重要的指導作用。隨著人們對層狀復合材料界面結合認識的逐漸深入以及新的分析評價技術手段的不斷涌現，層狀復合材料界面結合性能檢測的精度將不斷提高，理論模型會不斷完善，層狀復合材料界面結合的評價也會逐漸向定量準確、容易解析、無損檢測、易于實現自動化和標準化的方向發展。

層狀復合材料；薄復層；界面結合；定量評價方法

1 前 言

層狀復合材料是由兩層或兩層以上性能不同的材料通過一定技術手段形成具有層狀界面結合的一種復合材料。與單一組元材料相比，經過結構設計后的層狀復合材料綜合了單一組元材料的性能優勢，不但具有較高的強度、耐腐蝕、耐磨等力學性能之外，還可以具有優良的導電和導熱等物理性能，同時具有節約合金元素、降低成本的優勢[1-2]。層狀復合材料的性能與結合界面密切相關，層狀復合材料的破壞和失效很多也是起源于界面，界面結合強度是評定復合材料結合質量的重要指標，也是進行工藝制定和優化的基礎，因此界面結合的控制已經成為開發層狀復合材料的關鍵[1]。本文作者曾對復層厚度大于0.5 mm的金屬層狀復合材料結合性能的評價方法(包括力學評價和無損檢測)進行了對比分析和評述[3]。對薄膜、涂層等廣義層狀復合材料的界面結合來說，由于復層太薄(有的小于0.1 mm甚至更薄)以及基體材料體系的多樣性與復雜性，在測量和評價上仍存在很大的難度。界面結合強度的評價方法亦需根據復層厚度、材料硬度、應用功能等特征來選定，不同的結合強度檢測方法適用于不同性質的復合材料。雖然目前各國制定了一些測量層狀復合材料界面結合強度的標準方法(見表1)，但大都是針對復層厚度較厚的材料或者是界面結合強度較低的復合材料制定的，GB/T 5270-2005雖然提出了薄復層材料附著強度的試驗方法，但均為定性評價方法。

表1 有關層狀復合材料的界面評價標準

材料研究者在涂層、薄膜等薄復層層狀復合材料界面結合機理[4-8]及結合性能評價[9-84]等方面開展了大量卓有成效的探索工作并取得了諸多研究成果。從1958年以來，人們提出了上百種評價界面結合的實驗方法[9-84]。在1967年，Davies D等[9]對金屬涂層材料界面結合性能的評價方法進行了概述，但該綜述僅對電化學方式沉積金屬涂層材料進行了總結。1976年，Mittal K L等[10]對薄膜及涂層復合界面的評價手段進行了較全面的綜述，但該工作主要針對玻璃沉積膜的界面結合進行了評述；Ting B Y等[11,12]在1985年對薄膜的半定量結合性能評價方法進行了概述，Valli J等[13]在1986年對硬質涂層結合性能的評價方法進行分析評述，Steinmann P A等[14]在1989年對薄膜結合的力學檢測技術進行了概述，之后眾多國內外的學者對涂層、薄膜等復合材料結合性能評價方法進行了概述分析[15-31]。不過這些綜述僅限于某些特定材料，也缺乏對評價方法進行明確的分類和對比分析。雖然新的評價手段也在不斷地被提出，但薄復層與基體結合強度的測定仍存在不少問題。就目前情況而言，薄復層結合強度測試與評定方法是研究者和使用者共同關注卻遠未規范與完善的一個研究方向，因此須對此開展進一步深入的研究工作。

本文主要針對復層厚度較薄(如0.01～0.5 mm)的層狀復合材料界面結合的定量評價方法進行了總結，從強度指標的角度討論層狀復合材料界面結合強度測量和評價方法，對國內外有關結合強度測試技術方面的研究進展進行了評述，并分析了各種力學方法的特點，旨在對層狀復合材料的研究及開發提供有價值的參考。

2 界面結合的定義與表征

Mittal K L[10]把界面結合分為原子(或分子)尺度上的鍵合(本征結合)、基于界面結合能的熱力學結合(可逆結合)、實驗測得的宏觀結合(結合強度)等3種尺度的結合，并提出了實驗測得的宏觀結合強度可表示為式(1)：

EA=BA-IS±MSM

(1)

式中，EA(Experimental Adhesion)—實驗測得的宏觀結合；BA(Basic Adhesion)—本征結合；IS(Internal Stress Factor)—內應力因素；MSM(Method-Specific Error in Measurement)—評價方法的影響。由于在評價界面結合時實驗本身存在誤差，因此通過實驗很難獲得界面的本征結合強度。

有效的結合強度測定方法應滿足下列條件[10,13,17]：①定量；②可重復性；③快速、簡單、易行；④易用常規設備進行；⑤非破壞性；⑥與試樣尺寸及復層厚度無關且不需要特別的試樣；⑦可用于所有材料的評價；⑧結果易于分析；⑨人為誤差小等，實際上沒有一種方法能夠滿足上述所有甚至一半的要求。實際上，有效的結合強度測定方法應滿足兩個基本條件：一是能使復層脫離基體并具有合理的評價模型；二是可以準確地測定相關力能參數[15,17,24]。而實際結合強度可通過兩種形式測得[25,27]：①力的形式：測量復層從基體上分離時所需的力；②能量的形式：測量復層從基體上分離時所需的能量。Mittal K L[10]提出可以把評價方法分為定量和定性的、有損和無損的、力學和非力學的、實測的和理論的、常規的和非常規的。此文所提到的定量評價方法可以說是一種廣義的概念，即所有通過外界加載(機械、物理、應力波等)產生應力或能量從而使復層從基體分離而進行的評價手段都可歸為此類方法。

3 定量評價方法

定量評價方法可以理解為通過實驗能夠直接或間接得出界面結合強度(或結合力)的評價方法，主要包括拉伸法[10,13,17-37]、剝離法[10,14,17]、剪切法[10,14]、劃痕法[10,13,14,17]、壓痕法[13,17]、離心力法[10,17]、激光(沖擊波)法[14,17]、超聲波法[17]等。由于測量界面結合的拉伸強度和剪切強度相對來說比較準確，因此工程實際中常常采用這兩種指標來表征界面結合的力學性能。Steinmann P A[14]根據受力狀態把界面結合性能的評價方法分為兩類，即拉應力法和剪應力法，并把垂直拉伸法、離心力法、超聲波法和沖擊波法等歸為拉應力法，把剝離法、剪切法和劃痕法等歸為剪應力法。本文就具有代表性的拉伸法、剝離法、剪切法、劃痕法、壓入法和離心力法等進行概述和對比分析。

3.1 拉伸法

拉伸法有兩種形式，一種是作用力平行于復層界面[13,14]，一種是作用力垂直于界面[10,13]。平行拉伸法是建立在彈性理論基礎之上的界面強度測試方法，通過界面剪切應力來獲得界面結合性能的一種半定量方法。平行拉伸法僅適用于復層的彈性模量大于基體的復合材料，作用力平行于復層/基體界面的拉伸試驗能否測出臨界值，取決于復層本身的強度和變形能力，當復層的變形能力大于基體時，該法無法測定復層/金屬基體界面結合強度[14]。垂直拉伸法是目前普遍采用的界面結合強度測試方法之一[10,13,21-41]，各國都制定了類似的標準，例如ASTM 633-79(美國)、DIN-50160-A(德國)、AFNOR NF A91-202-79JISH8664、JIS H8666-80(日本)等。垂直拉伸法是將復層試樣與配副試樣用粘結劑粘結起來在拉伸試驗機上進行拉伸，如圖1所示。拉伸試驗時，復層被拉脫時的載荷即為界面結合載荷F，然后通過測定試樣面積A即可由式(2)計算出界面的結合強度σ：

(2)

但該方法存在一些問題：①如果粘結劑滲入到復層材料中，所測結果會偏離實際值[10]；②不適用復層粘結性差的復合材料；③不適用于界面結合強度大于粘結強度的情況。目前，環氧樹脂的最大拉伸強度為100MPa左右，但環氧樹脂粘膠與基體粘接面的最大拉伸強度在60MPa之內，因此常規的垂直拉伸法無法評價結合強度高于60MPa的復合材料。另外，該實驗方法可能發生施力方向與軸心偏離，存在應力分布等情況，這些都會影響實驗的精度。

HanW等[32]通過對拉伸試樣長度的改進提高了測量的精度。唐建新等[35]設計了一種新的測量方法，并成功評價了結合強度超過140MPa的WC-Co涂層的結合，該方法突破了傳統方法中結合強度必須小于膠粘劑抗拉強度的限制。周偉等[36]采用機械加工方法沿界面切成對稱切口，兩邊粘結樹脂后拉伸的方法也克服了粘膠結合強度的限制，并評價了結合強度超過150MPa的Ni-Al、Ni-Cu等涂層與基體鋼的結合，但由于受到切口加工精度和應力集中的影響，測得的數值與實際存在一定的偏差，且受涂層厚度的限制，無法應用于厚度小于1.0mm涂層結合強度的評價。表2列出了通過垂直拉伸法進行界面結合評價的代表性工作，從表2中可以看出通過垂直拉伸法可評價的復層厚度范圍在0.03～1mm之間，界面結合強度在3～150MPa之間。

圖1 垂直拉伸法實驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of tension testing perpendicular to interface

No.BondmethodCladdinglayer/SubstrateThicknessofcladdinglayer,mmAdhesion,MPaReference1ChemicalVaporDepositionDiamond/WC-6%Co0.033.2-4.3[33]2SupersonicArcSpraying3Cr13stainlesssteel/45steel-60[34]3DetonationgunsprayingWC-Co/Substrate0.23-0.47100-143[35]4FlamesprayingNi-Al、Ni-Cu/Q235steel1.068-158[36]5ThermalsprayingZrO2+Ni/lowcarbonsteel0.420-50[38]6FlamesprayingBio-glasscoating/Ti6Al4V0.04-0.0538-57[39]7SupersonicflamesprayingNiCr+WC/45steel0.4-0.776-187[40]8SupersonicflamesprayingAl/Mg0.75-18[41]

3.2 剝離法

當復合材料界面結合強度大于基體的強度時，使用拉伸法就無法測出該材料的界面結合強度，此時可考慮利用剝離的方法來評價。剝離法[42-45]是把復層從基體上剝離下來，通過測定剝離力F和試樣寬度L，由式(3)計算出該復層的剝離強度：

(3)

式中：p-剝離強度，N/mm；F-剝離負荷，N；L-試樣寬度，mm。

剝離后獲得的強度單位為N/mm，而非真正的以Pa為單位的強度值，不過根據傳統本文仍采用“剝離強度”來表征界面的剝離性能。剝離法又分為180°剝離法和90°剝離法，Sundhal R C等[42]通過90°剝離法成功獲得了Pd及Au薄膜在三氧化二鋁基體上的剝離強度。顏學柏等[43]通過剝離法評價了鈦/鋁的剝離強度為25 N/mm。由于剝離法測定的是單位長度上的力，因此剝離強度無法直接和其它結合強度進行比較。Madaah-Hosseini H R等[44]提出了一種方法來計算剝離過程中瞬時的剝離面積，從而可以獲得以Pa為單位的真正的剝離強度。實際上剝離力由兩部分組成：一部分是界面的結合力，另一部分是在剝離過程中復層變形帶來的力。當進行180°的剝離試驗時，試樣易于產生彎曲[45]；另外，當復層太薄或復層的強度低于界面結合強度時此方法并不適用。復層厚度越厚，測定的界面結合力也越大[14]，測量結果就越不真實。為此劉歡等[45]設計了一種剝離測量銅/鋁復合板結合強度裝置，部分解決了由于銅層過厚導致測量過程中試樣變形的問題。實際上，剝離實驗中的剝離速度、剝離角度、復層厚度、復層寬度及復層與支撐件接觸情況都對剝離的結果影響很大，這些影響因素的作用有待進一步研究。

3.3 剪切法

由于操作簡便，試樣制備容易，剪切試驗法已經成為測定各類層狀復合材料界面結合較為廣泛的方法之一，根據受力方式主要分為壓縮剪切強度[46-48]和拉伸剪切強度[3]。試驗時記錄試樣被剪斷之前的最大力，用剪切強度表示在受剪切方向應力時單位面積上的最大斷裂載荷，剪切強度按式(4)進行計算：

(4)

式中：τ-抗剪強度，MPa；F-剪切切斷負荷，N；A-試樣剪切面面積，mm2。

標準GB/T 6396-2008、ASTM A264及YS/T485-2005中規定了拉剪強度的測試方法和測試裝置。但拉剪法只適合復層相對較厚的情況，當復層厚度較薄時(如厚度小于0.2 mm)，很容易在復層最薄弱的位置發生彎曲和斷裂，影響測試精度，甚至失敗。另外，拉剪法會產生力矩，導致測試結果小于實際值。美國標準ASTM Standard C633和中國標準GB/T13222-1991(后被YS/T550-2006取代)對復層較薄的涂層復合材料的壓剪試樣尺寸和檢測方法進行了規定，但在實際檢測過程中由于試樣尺寸、變形及摩擦等問題使得結合強度的測量誤差較大。對剪切實驗過程進行有限元評價發現[48]，界面上并不完全處于純剪切狀態，剪應力分布并非均勻，在局部區域存在較大的法向張應力，且復層的破壞是在最大剪應力和最大法向應力的共同作用下產生的，當復層在交界面上的最大應力處產生破壞時，交界面的其它部分還遠沒有達到其實際的結合強度，這給評價結果帶來了較大的誤差。

Era H[46]等對常規的壓剪方法進行了改進，評價了厚度為0.3 mm陶瓷涂層的界面抗剪強度，并通過有限元分析證實了該種方法的有效性和可靠性。井玉安等[48]開發了一種層狀復合材料壓剪強度的測試裝置，采用該裝置能夠相對準確地測試出銅基體上噴涂鎳的抗壓剪強度值(其中復層厚度為0.2 mm)。由于受試樣尺寸精度及剛度等因素的影響，難以通過壓剪實驗來對更薄復層(如小于0.1 mm)的結合強度進行評價。

3.4 壓入法

壓入法可分為復層表面壓入法(正壓)和界面壓入法(楔壓)兩種，其中復層表面壓入法受基體硬度影響較大，破壞方式也不確定，目前仍處于研究探索階段。界面壓入法可以評定復層與基體之間的界面強度，是一種較為常用的方法[47,49-61]，其原理是用壓頭以一定載荷壓在復層與基體界面上使界面開裂，根據界面處裂紋萌生的力來評價界面結合強度。

自20世紀60年代開始，Marshall D B等[49]開始定量地研究陶瓷材料在壓入過程中裂紋萌生和擴展規律，之后Hutchinson J W等[51]對裂紋產生和擴展規律進行了研究分析，這些結果為后續界面結合強度的表征提供了理論和實驗基礎。對薄膜(涂層)/基體復合體系在壓入過程中的復雜彈塑性力學行為進行簡化處理之后，國外眾多學者相繼提出了不同的壓入法測定界面結合強度的模型[49-61]。易茂中[52]等開發了一種涂層壓入儀，通過力學分析與實驗結合的方法獲得了涂層的結合應力值。韋習成等[54]提出了測量涂層界面結合強度的接觸應力公式，并測量了TiN涂層界面的結合強度。Malzbender J[55]、朱其芳[56]、Yamazaki Y[57]等利用壓入法結合能量理論獲得了涂層界面的斷裂韌性。李河清等[58]對Chian模型和Evans模型進行了探討并給出了其應用范圍。朱其芳等[61]用楔形加載法評價了高強度涂層材料與基體的結合強度。該方法利用楔形壓頭置于有楔形槽的試樣中，使楔形壓頭中心線與界面重合，施加載荷直至界面開裂，如圖2所示。根據楔形加載法試樣受力的邊界條件，界面結合強度由式(5)計算[61]：

(5)

式中，σ-結合強度，MPa；k-系數；Pmax-界面開裂載荷，N；W-試樣寬度，mm；h1-試樣缺口部高度，mm；θ-楔口角度，°；L0-試樣長度，mm；h2-試樣無缺口部高度，mm。

圖2 楔形加載法示意圖[61]Fig.2 Schematic diagram of wedge loading method[61]

壓入法克服了粘膠結合強度的限制，可對高結合強度的層狀復合材料界面進行評價。但其加載模型受力復雜，影響因素較多，在一定程度上限制了其應用范圍。

3.5 劃痕法

劃痕法的基本原理是用一個半球型金剛石壓頭在復層表面劃動，當壓力增加一定值時，復層開始破裂，其中裂紋萌生的載荷，稱為臨界載荷，把這一臨界載荷作為界面結合的判據。劃痕法是建立在壓痕法的基礎之上，其動載力學模型的分析經歷了全塑性理論、彈性應變能釋放模型理論之后，人們將造成復層破壞的應力分為壓痕分量、內應力分量和摩擦力分量3部分，再以這3部分對摩擦因數的影響來分別考慮它們的影響[62-74]。通過劃痕法獲得的界面結合強度一般有4種形式[20]，其中一種是Benjamin和Weaver等[63]推導出的，可用剪應力表示如式(6)：

(6)

式中：τ-抗剪強度；k-系數(0.2-1.0)；P-復層分層的臨界載荷；H-基體材料硬度；r-劃針尖端半徑；a-接觸圓弧半徑。

另外，黃林國等[70]利用單擺沖擊劃痕法測定的界面單位面積所消耗的能量定量表征了膜基界面結合強度。殷蘇民等[74]對利用紅外激光劃痕后的涂層熱應力應變進行了理論分析，建立了涂層熱應力理論模型和應變公式。實際上劃痕法影響的因素較多，也較為復雜，很難用簡單的模型或理論來全面表征界面的結合，偏差都超過10%[13]。非界面因素如基復層硬度、復層厚度、復層應力、表面粗糙度、加載速率、壓頭半徑、壓頭和復層之間的摩擦系數等對劃痕的失效形式及臨界載荷具有較大影響。劃痕導致的失效也很復雜，臨界載荷實際上反映了復層、基體的綜合承載能力，因此不同復合材料體系的結合狀態很難直接對比[71-73]，對復層、基體均具有良好塑性的金屬層狀復合材料的評價難度較大。因此，只有結合聲發射圖譜、摩擦力曲線與劃痕形貌等來綜合評定，才能使結果更加準確可信[71-73]。

不過劃痕法對測量硬質薄膜/基體的界面結合有著較強的優勢，并且該方法可以測定其它方法無法測定的小面積的結合，同時在一定程度上模擬實際工況等優點，已被許多國家所采用，國內也已陸續引進、研制和生產了多種劃痕試驗機。中科院蘭州化學物理研究所和大連理工大學起草制定了《氣相沉積薄膜與基體附著力的劃痕實驗法》(JB/T8554-1997)等標準。

3.6 離心力法

離心力法的原理是使試樣在磁場下高速旋轉產生離心力來獲得復層與基體的結合強度[10,13,14]，通過離心力法獲得的結合強度可以表示為式(7)[14]：

(7)

式中：F-法向力，N；A-面積，mm2；N-頻率，rad/s；r-圓柱體半徑，mm；ρ-復層的密度，103g/mm3；d-復層的厚度，mm；a-向心加速度，m/s2。

該方法的特點是不需用粘接，但復層材料、復層厚度及加速度的影響規律并不十分清楚。另外，該方法難以適用于大尺寸試樣及板狀試樣的測定；當復層厚度小于10μm時，要求加速度非常大，對設備的要求非常高；對結合強度很高且復層為塑性的金屬層狀復合材料幾乎難以評價。

3.7 其它方法

其它定量的方法有激光層裂法(LaserSpallationTechnique)[76-78]、應力波法(StressWave)[79]、內脹鼓泡法(BlisterTest)[10,80]、彎曲法(BendingTest)[68,81]等，同時人們還開發了一些動態評價方法，如單擺沖擊劃痕法(SinglePassPendulumScratchingTest)[70]、撞擊法(BulletTest)[82]、接觸滾動磨損法(ContactRolling)[83]等。由于在評價層狀復合材料中存在定量難、影響因素多、精度低、無法動態監測等原因使應用受到一定的限制。另外，對疲勞磨損等動態方法而言，由于應力計算的模型均采用彈性力學方法，所以它只適于測定硬質復層和硬基體之間的結合。總體來說，這些新方法的測量原理有較大的創新，表征方法也有了很好的突破，但測量的準確性、實效性有待考證，在此不再一一贅述。

近年發展起來的超聲波法是一種非破壞性的檢測方法，它主要利用超聲波的反射強度或超聲波在試樣中的傳播速度來評價界面的結合。目前發展起來的超聲波法已經在涂層結合強度測試方面獲得了應用[21]。這方面的工作還有待大量的實驗數據積累，但可望成為一種有發展前途的界面定量評價方法。

4 討 論

界面結合強度是反映組元材料界面的一種特性，它指的是抵抗界面機械分離的能力，由于材料和復合工藝的不同，復層附著形式通常都有多種類型，大致可分為機械結合、擴散結合、冶金結合等。因此，表征層狀復合材料界面的結合強度主要包括有：范德華力、化學鍵力和靜電力等[18,25]。然而，材料之間的復合現象是一個非常復雜的物理和化學問題，很難單純地用上述物理量來進行表征。在復層從基體分離的過程中，由于大量的能量可能消耗在復層或基體的彈塑性變形過程中，即使界面結合能遠小于外界做功時，也不會發生分離。因而，盡管過去用界面化學鍵能解釋結合能，但是并不能精確、全面地解釋其界面結合強度。盡管人們提出了多種評價方法，但由于應力狀態不同，同時受設備精度的影響，不同方法所得的結果無法直接對比。各種評價測試方法各有其優缺點，而且也各有其適用范圍，因此應根據具體情況來選擇合適的評價檢測方法。

拉伸法 通過正應力下的結合強度來對界面結合進行表征。由于受到加載方式、試樣尺寸等因素的影響，試驗結果分散度較高，但通過該方法可以較直觀地獲得界面的結合強度，利用改進的拉伸法可以評價界面結合強度較高的層狀復合材料。主要優點：可直接獲得界面的結合強度。主要缺點：①常規拉伸法只適用于界面結合強度低于粘膠與復層結合力的層狀材料(改進的方法可評價結合強度較高的界面)；②塑性變形時界面存在不均勻的應力分布，可能會有剪應力存在，對試樣尺寸敏感；③出現混合型斷裂時的結合強度包含了復層的強度，而非界面真實的結合強度。

剝離法 該方法較為直觀，可通過力學解析研究界面分層機制，但只能通過單位長度上的力來對界面結合進行表征。主要缺點：①結合強度需低于粘膠與復層的結合力，復層的強度需要高于界面結合強度；②復層厚度、復層變形及剝離角度的影響較大；③該方法無法評價單位面積上的結合力。

剪切法 通過剪應力下的結合強度來對界面結合進行表征。主要優點：可獲得接近純剪應力狀態下界面的抗剪強度。主要缺點：①對試樣加工精度要求高；②拉剪時復層強度需高于界面結合強度；③難以評價復層厚度較薄的材料(如<0.2mm)。

壓入法 通過臨界載荷來對界面結合進行表征。雖然需建立合適的物理模型，尋求合適的結合強度表征參量，但優點是壓頭行程短，受力情況簡單，摩擦力作用小，使用方便，容易實施，亦可在實際工件上進行無損檢測，可望成為一種廣泛應用的工程方法。主要優點：可根據復層開裂或分離方式建立有針對性的失效判據。主要缺點：①結合強度高或者復層的硬度低，使復層和基體協調變形不易破壞，則不產生界面剝落，從而無法測得臨界值；②應力狀態不同則失效形式不同，理論解析較為復雜；③壓頭附近應力狀態復雜，難以精確地計算出實際應力的大小，加載、卸載過程中的變形行為還缺乏在線監測。

劃痕法 通過臨界載荷來對界面結合進行表征。雖然受許多非界面等外部因素的影響，失效形式復雜，但重復性好、監測手段有多種形式、并已有商品化儀器，是目前相對最為成熟的試驗方法。主要缺點：①反映的是局部區域內界面結合性能；②影響因素多，壓頭應力狀態和失效形式復雜，測得的數據實際上包含了復層和基體彈塑性能的貢獻，力學模型建立困難；③不適用于結合強度高且復層和基體具有良好塑性的材料。

離心力法 通過正應力下的結合強度來對界面結合進行表征。主要缺點：①需要專用的試樣和專用設備；②復層不能太薄；③結果解析需考慮溫升的影響。

彎曲法 通過剪應力下的抗剪強度來對界面結合進行表征。可通過力學分析建立計算模型，結合實驗可確定出拉應力或剪應力值。但主要缺點為：①界面分層的檢測及判定較為困難；②力學模型均是建立在基體彈性應變條件下，而分層可能發生在基體塑性應變范圍，定量結果并不完全可靠；③對界面結合強度較高的韌性/韌性材料及結合強度大于復層本身斷裂強度的材料不適合。

激光法 通過正應力下的結合強度來對界面結合進行表征。該方法可排除材料硬度差及表面狀態等因素的影響。但由于設備昂貴、操作復雜，難以成為一種工程實用方法。

5 結 語

隨著材料科學技術的快速發展，新型層狀復合材料的研究和開發必將對其界面結合強度的表征和評價方法提出更新、更高的要求。這也是促進界面結合評價方法不斷深入與完善的動因之一。因此，開發定量準確、設備簡單、容易解析、重復性高、無損檢測、易于實現自動化和標準化的評價方法是今后發展的主要方向。人們對層狀材料界面結合機理的認識在逐漸地深入，隨著計算機技術水平的提高，有限元數值模擬技術在層狀復合材料的結合性能評價中起到越來越重要的指導作用[85]。將來更多的工作可能集中在：

(1)建立不同測試評價方法之間的內在關系，拓展評價方法在不同材料中的應用范圍。從結合機理、力學解析、實驗數據、有限元模擬等方面綜合入手建立考慮多種因素影響的耦合模型。

(2)研究探索高結合強度的評價方法。界面結合強度越高，選取測量方法及解析測量結果的難度越大，特別是當界面結合強度大于復層本身的斷裂強度時尤其如此，因此，如何評價該類材料體系的界面結合應是將來努力的方向之一。

(3)開發韌性/韌性材料體系界面評價方法。目前的界面結合評價方法主要是針對膜基和涂層復合材料，而對韌性/韌性材料體系而言，其界面結合強度的評價研究工作相對較少。對復層較薄的金屬/金屬復合材料(如電站空冷用鋁/鋼層狀復合材料)而言，由于鋁包覆層很薄(小于0.1mm)，很難采用上述方法進行界面結合的定量評價，亟待開發一種實用性較高的定量方法。對這類材料體系的界面結合強度的評價方法探索和相應的力學模型建立也是今后發展的一個主要方向。

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(編輯 惠 瓊)

Quantitative Evaluation on Interface Bonding of Layered Materials with Thin Cladding Layer

LI Long,ZHOU Dejing

(Yin Bang Clad Material Co.,Ltd.,Jiangsu Province Key Laboratory for Clad Materials,Wuxi 214145,China)

This paper briefly offers various methods of quantitatively evaluating the bonding quality of layered materials with cladding layer thickness less than 0.5 mm.Each evaluation method has its advantage,disadvantage and applicable conditions and scopes.As the continuous improvement of computer technology,finite element numerical simulation technology has played a more and more important role in analysis of evaluating interface bonding of layered materials.With the deepening understanding of interface and along with the advance of other technologies,testing accuracy and theoretical models will continuously be improved.In the future,the interface bonding evaluation will gradually move forward to quantitative,nondestructive,easy to realize automation and standardization direction.

layered materials; thin cladding layer; interfacial bonding; quantitative evaluation methods

2015-05-27

國家“863”計劃項目(2013AA031301)；國家國際科技合作專項項目(2013DFB50170)；江蘇省重點實驗室資助項目(BM2014006)

李 龍，男，1977年生，博士，高級工程師，Email：lichen040928@163.com

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.11.08

TG335.8

A

1674-3962(2016)11-0863-09