Адгезія й адгезійна міцність плівок. Особливості кількісної оцінки адгезійної міцності плівок

Необхідно чітко розділяти адгезію та адгезійну міцність.

Під адгезією розуміється дійсна або рівноважна адгезія.

При відриві плівок певна величина адгезійної міцності (або сила зчеплення), що не дорівнює адгезії.

Адгезійна міцність плівок – це величина, що вимірюється при порушенні зв'язку між адгезивом (плівка) і субстратом (поверхня, підложка).

Адгезія плівок кількісно визначається за допомогою методів, заснованих на відриві плівок. Але зовнішні зусилля, що обумовлюють відрив плівок витрачаються не тільки на подолання адгезії, але й на інші побічні процеси. Це означає, що дійсну адгезію плівок виміряти існуючими методами не представляється можливим (дуже важко). При відриві плівок певна величина адгезійної міцності (або сила зчеплення), що не дорівнює адгезії. Отже, варто чітко розмежовувати адгезію й адгезійну міцність. Під адгезією розуміється дійсна або рівноважна адгезія.

Адгезійна міцність плівок - це величина, що вимірюється при порушенні зв'язку між адгезивом (плівка) і субстратом (поверхня, підложка).

Рівноважна адгезія виникає при контакті двох тіл, а адгезійна міцність безпосередньо виміряється при відриві плівок і не дорівнює рівноважної адгезії. Рівноважна адгезія може бути оцінена за допомогою сили або роботи, між якими існують певні співвідношення.

При роз'єднанні контактуючих тіл – покриття й основи – витрачається певна робота зовнішніх сил, спрямованих на подолання адгезійної взаємодії. Робота адгезії плівок витрачається на утворення нової границі розподілу фаз.

Ця робота дорівнює сумі поверхневих натягів двох раніше контактуючих ті за винятком поверхневого натягу цих тіл, тобто:

W_a = W _т1т2 = s_т1г + s_т2г – s_т1т2 (10.14)

При контакті двох твердих тіл вільна поверхнева енергія дорівнює міжфазній енергії (), а після роз'єднання тіл (або до контактування) вона стає рівній сумі s_т1г+s_т2р. Різниця між цими величинами і є робота адгезії. Рівняння (10.14) справедливо для рівноважного, зворотного процесу.

При контакті плівки із твердою поверхнею виникають зв'язки, які обумовлюють утримання плівки на поверхні твердого тіла. Кількісно ці зв'язки на одиницю площі контакту дотичних поверхонь визначають силу адгезії, що виміряється в Па (кгс/см² або дин/см²).

Рівняння (10.14) справедливе для рівноважного зворотного процесу, відбиває тільки рівноважну частину адгезійної взаємодії, не може служити характеристикою адгезійної міцності. Робота адгезії за рів.10.14 визначається з розрахунку на одиницю площі контакту тіл.

Для одержання рівноважної роботи адгезії стосовно плівки, тобто до всієї площі контакту W_aп, необхідно це значення роботи помножити на площу контакту S:

W^п_а =W_a.S

Якщо поверхневі натяги твердих тіл рівні, а s_т1т2 у багато разів менше s_тг, то робота, що йде на подолання адгезійної взаємодії, у відповідність із формулою (10.14) дорівнює

W^п_а =2s_тг S (10.15)

Зв'язок між роботою й силою адгезії в умовах рівноважного процесу, коли сила відриву дорівнює силі адгезії, представляється у вигляді

(19.16)

У спрощеному виді сила зчеплення розплаву виражається рівнянням

F _тр = W _тр /H (10.17)

де F_a – сила адгезії; Н – зазор між контактуючими поверхнями.

Зі збільшенням зазору між контактуючими поверхнями сила адгезії зменшується від F_a до нуля. Для встановлення зв'язку між роботою й силою адгезії необхідно знати закономірності, що визначають зменшення сил адгезії з ростом зазору Н, а також граничний розмір цього зазору, вище якого взаємодія між плівкою й поверхнею зникає.

На практиці у випадку твердих покриттів, за рахунок виникаючих напруг τ, міцність адгезії зменшується:

F _тт = (W _тт /Н) – f(t) (10.18)

Величина f(t) є складною функцією від величини напруг у шарі покриття. При високих значеннях f(t) величина F _тт може знизитися до нуля або навіть виявитися негативною. Тоді покриття мимовільно відколюється під впливом внутрішніх що зрізують і відривають сил.

Таким чином, після формування плівки в ній можуть виникнути внутрішні напруження й розвитися деформація. У результаті в плівці акумулюється енергія, що буде протидіяти адгезійній взаємодії й сприяти відриву плівки.

Значення енергії, що виникає в результаті внутрішніх напружень у покритті можна підрахувати за формулою:

W _вн = (s _вн ²/2Е)Sh (10.19)

Тут W _вн– значення енергії, що виникає в результаті внутрішніх напружень; s_вн – внутрішнє напруження плівки, Па; h – товщина плівки, м; S – площа контакту; Е – модуль Юнга, Па.

Дорівнюючи між собою рівноважну роботу адгезії й енергію, що перешкоджає адгезійної взаємодії, тобто рівняння (10.15) і (10.19) одержимо вираження для мінімально граничної товщини плівки, при якій внутрішні напруження в плівці не в змозі викликати її мімовільне відшаровування

(10.20)