《Mechanics of Materials》：Bulge Testing to Analyze Adhesion of Films on Substrates
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纳米多孔金薄膜与基板界面粘附特性通过冲击管弯曲测试验证，结合有限元模型分析得出退火处理后界面粘附强度显著降低。摘要：采用冲击管弯曲测试结合有限元建模，研究纳米多孔金（NPG）薄膜与白金基板界面粘附特性，对比退火前后的NPG薄膜（细/粗晶粒结构）在高压下的弯曲变形及剥离行为，推断出界面粘附强度的下限和范围，证明该方法是评估薄韧膜-基板界面结合的有效手段。
Jasdeep Singh | Hooman Rahmani | Sean P. Cooper | Mina Tavakolzadeh | Eric L. Petersen | Michael J. Demkowicz | Ankit Srivastava
德克萨斯A&M大学材料科学与工程系，美国德克萨斯州大学城，邮编77843-3003
摘要
薄膜-基底系统在许多技术中都非常重要，其性能往往取决于薄膜与基底之间的界面粘附力。传统的粘附力测试方法在应用于薄、柔顺或延展性的薄膜-基底系统时面临重大挑战。在最近的一项计算研究中，我们证明了冲击管凸出测试原则上可以用来探测这类系统的界面粘附力。在这里，我们使用由纳米多孔金（NPG）薄膜制成的双层箔片在白金基底上进行概念验证实验来验证这种方法。NPG薄膜是通过合金化处理母合金的一个表面制成的，从而形成具有细小晶界的未合金化箔片；而经过退火处理的未合金化箔片则形成了粗化的晶界。这两种箔片都接受了相同的最大压力下的冲击管凸出测试。退火处理的箔片显示出更大的凸出变形，并发生了界面剥离。通过将测量的凸出变形与使用已知基底属性通过有限元分析得到的结果进行比较，我们推断出了未合金化NPG薄膜的屈服强度，这一结果与之前的测量结果一致。通过比较测量到的剥离面积与有限元预测的结果，我们得出了未合金化箔片的粘附力下限，并估算了退火处理箔片的粘附力。我们的结果表明，退火不仅使NPG晶界粗化并降低了其强度，还显著削弱了薄膜与基底之间的界面强度。冲击管凸出测试结合有限元建模为评估薄膜性能和薄膜-基底粘附力提供了一种有前景的方法。
引言
基底上的薄膜是一类重要的功能系统，广泛应用于微电子（Lei和Kumar，2014年）、保护涂层（Fotovvati等人，2019年）和储能设备（Guo等人，2017年）等领域。这些系统的性能和耐用性在很大程度上取决于薄膜与基底之间的界面粘附力。因此，准确评估粘附力对于理解和提高它们的性能和可靠性至关重要。
已经开发了多种实验技术来评估界面粘附力，包括剥离测试（Bartlett等人，2023年；Peng等人，2014年）、截面纳米压痕（Sánchez等人，1999年；Zhao等人，2024年）和起泡测试（Chen等人，2019年）。然而，每种方法都有其局限性。剥离测试适用于相对较厚的薄膜，但随着薄膜厚度的减小，其适用性变得困难（Bartlett等人，2023年；Li等人，2019年）。基于压痕的方法主要适用于脆性材料，因为可以在这些材料中诱导可控的裂纹（Oca?a等人，2006年）。起泡测试通过加压来量化粘附力，但需要复杂的样品制备过程，包括选择性基底蚀刻，并且经常容易发生不均匀或过早的剥离，从而影响测量的可靠性（Dahal等人，2023年；Mahan等人，2016年）。这些局限性凸显了需要能够量化薄、柔顺或延展性薄膜-基底系统粘附力的替代方法。
在最近的一项计算研究中，我们证明了凸出测试是一种有前景的方法，可用于探测薄膜-基底系统中的剥离现象（Singh等人，2025年）。具体来说，我们发现，在凸出测试过程中压力逐渐增加后，累积的动能的释放会导致样品发生贯穿厚度的等轴拉伸。更重要的是，在压力作用侧的薄膜层中存在预先存在的裂纹时，裂纹尖端会产生拉应力，从而驱动界面剥离。这些结果表明，凸出测试可以作为评估粘附力的另一种实验方法。
受这些发现的启发，我们在本工作中对白金基底上形成的纳米多孔金（NPG）薄膜进行了凸出测试，以验证预测的剥离行为（Singh等人，2025年）。了解NPG与白金之间的粘附力在技术上也非常重要。NPG由三维的、类似泡沫的纳米级晶界和孔隙网络组成（Kolluri和Demkowicz，2011年；McCue等人，2018年），这使其在催化和传感应用中具有吸引力（Koya等人，2021年；Wittstock等人，2023年）。此外，NPG还具有高能量吸收能力（Beets等人，2020年；Li等人，2021年）和高比刚度（Voyiadjis等人，2021年）以及高强度（Biener等人，2006年；Xia等人，2011年），使其可以作为晶圆级互连中的柔性粘合层（Dietrich等人，2022年；Oppermann和Dietrich，2012年）。然而，这类应用的可靠性在很大程度上取决于NPG薄膜与其基底之间的粘附力，而这一方面目前了解得还不够充分。以往的研究主要集中在单独的NPG的机械性能上，强调了晶界尺寸减小时“越小越强”的趋势（Biener等人，2006年；Farkas等人，2018年），但NPG薄膜在基底上的粘附行为却很少受到关注。
具体来说，我们通过选择性地合金化箔片的上部，直接在其母合金（白金）上合成了NPG薄膜，从而形成了一种双层结构，其中多孔NPG薄膜与未合金化的基底保持整体结合。我们研究了两种微观结构：具有细小晶界的未合金化薄膜和具有粗化晶界的合金化-退火薄膜。这两种薄膜都接受了以薄膜朝向入射压力波方向的冲击管凸出测试。NPG中自然存在的贯穿厚度裂纹在加载过程中充当了内在的起始点，为剥离提供了拉伸驱动力。我们将实验结果与有限元计算相结合，利用测量的凸出顶端变形（以及存在的剥离面积）来校准模型。这使我们能够（部分或完全）推断出薄膜的属性和界面粘附力。具体来说，在我们的冲击管实验中，对于最大施加的压力，具有粗化晶界的（退火）薄膜发生了剥离，而具有细小晶界的（未合金化）薄膜则没有。因此，无剥离情况为粘附力提供了一个下限，而退火箔片中的可测量剥离现象使我们能够估算出相应的可接受粘附力范围。
样品由商业购买的10克拉白金合金箔片制成（Hoover and Strong, Inc.）。供应商报告的主要元素（Au-Cu-Ni）的名义成分（按重量百分比计）约为41.8%的Au、30.0-35.0%的Cu和15.0-20.0%的Ni。该合金还含有8.0-9.0%的Zn和约5.0%的Ag。我们将这种材料称为母合金箔片。母合金箔片是均匀的单相材料，尺寸为20毫米×0.25毫米。
对白金箔片进行合金化处理后形成了双层结构，其中NPG层约占箔片总厚度的三分之一（约90微米），其余三分之二（约160微米）保持不变。图2(a)和2(b)显示了未合金化箔片的截面SEM显微图，图2(b)中用虚线橙色标记了薄膜与基底之间的界面。图2(c)展示了多孔NPG晶界结构的放大图像。
受Singh等人（2025年）的最新计算研究的启发，该研究表明凸出测试是一种有前景的方法，可用于探测薄膜-基底系统中的剥离现象，我们进行了概念验证实验，以研究含有纳米多孔金（NPG）薄膜的白金基底上的薄膜的剥离行为。Singh等人（2025年）的分析表明，在凸出测试过程中压力逐渐增加后，累积的动能的释放会导致样品发生贯穿厚度的拉伸。
在这项工作中，我们证明了冲击管凸出测试结合有限元建模可以用于推断含有压力作用侧薄膜中预先存在裂纹的薄膜-基底系统的机械和界面属性。具体来说，我们分析了两种微观结构状态的纳米多孔金（NPG）/白金双层箔片，它们的相对密度大致相同（约0.3）：具有细小晶界的未合金化NPG薄膜（约21纳米）和经过合金化-退火处理的薄膜。
Michael J Demkowicz：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、概念化。
Ankit Srivastava：撰写 – 原始草稿、验证、监督、方法论、正式分析、概念化。
Jasdeep Singh：撰写 – 原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析。
Hooman Rahmani：资源提供、调查、正式分析。
Sean P Cooper：资源提供。
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
数据将按需提供。
本工作得到了美国能源部国家核安全管理局的支持，授予编号为DE-NA0003857的奖项。S.P.C.部分得到了J. Mike Walker ’66机械工程系的研究生夏季研究基金和TEES涡轮机械实验室Ralph-James奖学金的支持。冲击管凸出测试在德克萨斯A&M工程实验站（TEES）涡轮机械实验室进行。作者感谢...
