1 引言。
表面的粘附效能，無論是否符合要求，都可以作為表面處理的指標（清潔度、潤濕性、聚合狀態等）。 在開發粘接接縫、密封件或沉積保護層或裝飾層時，表面附著力尤為重要。 基材表面塗層的附著力通常通過劃痕測試來測量，而頂面的附著力通常通過“粘性”測試來測量。 奈米壓痕法是測量表面粘附效能與薄膜機械效能並行的理想選擇。 在本應用報告中，奈米壓痕將作為測量柔性和粘性薄膜和材料表面附著力的工具。 最近，我們看到人們對測量許多材料（主要是包裝和各種電子元件）的粘合效能產生了濃厚的興趣。
該領域的主要應用之一是光學透明膠粘劑。 自從觸控螢幕問世以來，OCA在手機生產中變得非常重要。 很少有方法可以確定這種膠膜的附著力和機械效能。 奈米壓痕被認為是測量粘合效能和機械效能的候選方法。 這兩種特性都取決於溫度、紫外線輻射和時間，因此測試不同型別的 OCA 薄膜非常重要。 本應用紀要介紹了一種奈米壓痕方法，用於同時測量各種材料的附著力和機械效能。 簡要介紹了附著力理論[1]，然後介紹了軟材料和OCA薄膜的典型附著力測量。
2 基本理論。
多年來，人們已經知道膠水和其他粘合劑對許多材料具有巨集觀粘附力，但對微觀粘合力及其原理的研究直到最近才開始。 現在被廣泛接受的粘附模型是由 Derjaguin、Muller 和 Toporov [2] 以及 Johnson、Kendall 和 Roberts [3] 在 20 世紀 70 年代開發的，兩者在 [1] 中都得到了很好的總結。 DMT理論更適合較硬的材料，而JKR理論更適合硬質和軟質材料的接觸。 因此，JKR理論一般適用於軟材料的壓痕。 在軟粘合材料壓痕過程中獲得的典型壓痕曲線如圖 2 和圖 3 所示。 當半徑為 r 的球面壓頭作用在模量 er 減小且表面能為 w12 的一對材料上時，具有力 f 的接觸半徑 a 由公式 （1） 給出：
由式（1）可計算出f=0時的接觸半徑：
FAD可以通過記錄整個壓頭收縮，直到與表面完全失去接觸來輕鬆確定。 FAD是在此階段實現的最小力（拉拔附著力）。 壓痕軟體分析壓痕過程中記錄的負力，並自動選擇與FAD相對應的最小力。 如果使用半徑為 r 的球面壓頭進行壓痕，則可以使用公式 （3） 計算表面能 w12。以圖3為例（FAD -102 N，半徑100 m），表面能W12約為216 mJ m2。 附著力和粘附能取決於兩種材料（材料表面和壓頭表面）的狀態。 功能化表面，髒的或髒的。
軟材料由於剛度低，在接觸時會產生較大的接觸面積。 在乾燥條件下，硬質材料的附著力通常太小，無法被當前的奈米壓痕測試儀檢測到。 3 = 12 = （3） FAD可以通過記錄整個壓頭收縮，直到與表面完全失去接觸來輕鬆確定。 FAD是在此階段實現的最小力（拉拔附著力）。 壓痕軟體分析壓痕過程中記錄的負力，並自動選擇與FAD相對應的最小力。 如果使用半徑為 r 的球面壓頭進行壓痕，則可以使用公式 （3） 計算表面能 w12。以圖3為例（FAD -102 N，半徑100 m），表面能W12約為216 mJ m2。 附著力和粘附能取決於兩種材料（材料表面和壓頭表面）的狀態。 功能化表面、骯髒或汙染的表面會導致不同的 FAD 和 W12 值。 另乙個需要考慮的事實是，粘附主要在乾燥條件下觀察到。
當樣品完全浸沒在液體中時，它就不那麼明顯了——如果有的話。 這表明粘附力與尖端-試樣介面處水蒸氣凝結產生的毛細管力有關[4]。 一旦針尖-試樣介面處於液態，這些力就不存在，因為不會發生冷凝。 還有研究表明，粘附力可以改變壓痕力-位移曲線，主要針對非常柔軟的凝膠，而赫茲模型不合適，必須使用JKR模型來計算彈性模量[5]。 當對針尖小（r < 30 m）和低負載的軟材料（例如< 50 kPa）進行壓痕測試時，表面張力也被認為是影響壓痕測試的重要因素[6]。 然而，上述接觸條件在普通的奈米壓痕實驗中很少得到滿足。
3 應用。 3.1 m 彈性體和水凝膠的測量 奈米壓痕測量附著力的第乙個應用是軟凝膠的測量（圖 4）。 這些凝膠可用於多種用途，從用軟植入物建模的人體組織凝膠到裝飾性凝膠，它們在空氣中很穩定，並且由於其高柔韌性（非常低的剛度）而易於測量粘附現象。 這些凝膠的彈性模量變化很大，從彈性模量高達 10 kPa 的最軟凝膠到彈性模量為 MPa 的最硬凝膠。 生物壓痕儀器用於測量這些凝膠，通常配備球形壓頭（半徑 100 m 至 500 m）。 因為許多凝膠非常柔軟。 因此，必須調整壓痕引數。 施加的力相對較低 （0.）。01 mn 1 mn），否則壓痕深度將太大而無法分析（通常為赫茲彈性接觸模型）。與硬質材料中的壓痕相比，壓頭接近和回縮速度可以設定得更高，測量過程更快。 要測量拔出附著力，請設定更長的回縮時間以記錄頭部移除過程中的力。 兩種裝飾性凝膠（白色和藍色）的典型PS-6C彈性體壓痕測量值如圖5所示，表1總結了從壓痕測量中獲得的特性。
附著力測試的另乙個例子是聚二甲基矽氧烷 （PDMS） 的壓痕測試，使用類似於前乙個示例的程式（半徑為 100 m 的紅寶石球形壓頭，乾燥條件）。 圖 6 繪製了 5 條壓痕曲線; 結果顯示，在曲線的壓痕部分（施加的載荷）和附著力（負力）部分都具有出色的重量。
摺疊。 需要注意的是，與凝膠相比，水凝膠的粘附力要低得多（如果有的話）。 這是因為在測量過程中，水凝膠幾乎總是浸入液體中，並且由於水分和毛細管效應而產生的粘附力大大降低。 在乾燥條件下對水凝膠進行的一些生物壓痕測量證實水凝膠正在收縮，因此即使它們沒有完全浸入液體中，它們也必須至少水合。
3.2 光學透明薄膜。
光學透明膠粘劑 （OCA） 是一種膠粘劑薄膜，用於智慧型手機行業安裝大螢幕**。 這些薄膜的粘合效能不僅重要，而且它們的機械效能也很重要，因為它們在很大程度上決定了OCA的使用方式。 安東帕的生物壓痕器已被用於測量這種膠膜。 生物壓頭可以感知附著力，還可以探測薄膜以測量其剛度（彈性模量）和瞬態（蠕變）特性（通過計算弛豫時間和蠕變模量）。 必須特別注意樣品安裝，因為膠膜可能非常柔軟，厚度從幾十微公尺到幾百微公尺不等。
對於較硬的薄膜，使用氰基丙烯酸酯膠或環氧樹脂將它們附著在堅固的支架上（例如，載玻片或平坦、光滑的鋁塊，如圖 7 所示）。 對於粘附在兩面的柔性薄膜，薄膜通常直接放在堅固的支撐物上（不需要膠水），因為它們會自動粘附。 確保薄膜牢固地附著在基材上，以避免在壓痕測量過程中由於薄膜彎曲而導致的錯誤至關重要。 在這個例子中，測試了三種不同的膠膜：彈性模量（e）為0的軟膜（a）35 MPa和兩個剛性（b，c），彈性模量分別為208 MPa和80 MPa。 由於這些薄膜的厚度較低，最大壓痕深度必須限制在薄膜厚度的 10% 到 20%，尤其是對於較硬的薄膜。
實驗中使用了半徑為500 m的球形壓頭。 然而，可以使用具有較小半直徑的壓頭，即對於必須限制穿透深度的較薄薄膜。 最大力為500 m，最大穿透深度為1 m 16 m。 以最大力保持時間 30 秒。 如果要確定蠕變特性，保持時間是必要的：蠕變模量和弛豫時間是通過擬合在此期間獲得的深度資料來計算的[7]。
圖 8 顯示了測試的三個 OCA 的三條壓痕曲線的比較。 注意： 記錄壓頭表面附近的吸附力。 為了便於材料的比較，同一樣品上的附著力和隨後的壓痕曲線非常相似。
4 結論。 雖然安東帕的奈米壓痕儀器主要用於硬質材料的壓痕測試，但該儀器（即生物壓痕儀器）也可用於測量凝膠或其他軟粘合材料的粘附效能。 奈米壓痕測量的主要優點是可以測定粘合效能（壓痕和拔痕）和機械效能（包括蠕變）。 雖然主要使用球面壓頭，但其他壓頭幾何形狀可以模擬不同的接觸條件。
除了粘合劑和機械效能外，還可以計算表面能。 由於尖端易於更換，因此還可以模擬不同的接觸條件（壓頭半徑或形狀）。 附著力測量最好使用生物壓痕儀器或 MCT3 進行，無需參考環。 對於所有其他儀器（NHT3、HIT 300、UNHT3、MCT3 參考），存在粘在參考環上的風險，這可能會導致儀器尖端在退回時損壞。 壓頭過度附著也會導致儀器損壞（這適用於所有壓痕儀器）。