1 引言。
表面的粘附性能，无论是否符合要求，都可以作为表面处理的指标（清洁度、润湿性、聚合状态等）。 在开发粘接接缝、密封件或沉积保护层或装饰层时，表面附着力尤为重要。 基材表面涂层的附着力通常通过划痕测试来测量，而顶面的附着力通常通过“粘性”测试来测量。 纳米压痕法是测量表面粘附性能与薄膜机械性能并行的理想选择。 在本应用报告中，纳米压痕将作为测量柔性和粘性薄膜和材料表面附着力的工具。 最近，我们看到人们对测量许多材料（主要是包装和各种电子元件）的粘合性能产生了浓厚的兴趣。
该领域的主要应用之一是光学透明胶粘剂。 自从触摸屏问世以来，OCA在手机生产中变得非常重要。 很少有方法可以确定这种胶膜的附着力和机械性能。 纳米压痕被认为是测量粘合性能和机械性能的候选方法。 这两种特性都取决于温度、紫外线辐射和时间，因此测试不同类型的 OCA 薄膜非常重要。 本应用纪要介绍了一种纳米压痕方法，用于同时测量各种材料的附着力和机械性能。 简要介绍了附着力理论[1]，然后介绍了软材料和OCA薄膜的典型附着力测量。
2 基本理论。
多年来，人们已经知道胶水和其他粘合剂对许多材料具有宏观粘附力，但对微观粘合力及其原理的研究直到最近才开始。 现在被广泛接受的粘附模型是由 Derjaguin、Muller 和 Toporov [2] 以及 Johnson、Kendall 和 Roberts [3] 在 20 世纪 70 年代开发的，两者在 [1] 中都得到了很好的总结。 DMT理论更适合较硬的材料，而JKR理论更适合硬质和软质材料的接触。 因此，JKR理论一般适用于软材料的压痕。 在软粘合材料压痕过程中获得的典型压痕曲线如图 2 和图 3 所示。 当半径为 r 的球面压头作用在模量 er 减小且表面能为 w12 的一对材料上时，具有力 f 的接触半径 a 由公式 （1） 给出：
由式（1）可计算出f=0时的接触半径：
FAD可以通过记录整个压头收缩，直到与表面完全失去接触来轻松确定。 FAD是在此阶段实现的最小力（拉拔附着力）。 压痕软件分析压痕过程中记录的负力，并自动选择与FAD相对应的最小力。 如果使用半径为 r 的球面压头进行压痕，则可以使用公式 （3） 计算表面能 w12。以图3为例（FAD -102 N，半径100 m），表面能W12约为216 mJ m2。 附着力和粘附能取决于两种材料（材料表面和压头表面）的状态。 功能化表面，脏的或脏的。
软材料由于刚度低，在接触时会产生较大的接触面积。 在干燥条件下，硬质材料的附着力通常太小，无法被当前的纳米压痕测试仪检测到。 3 = 12 = （3） FAD可以通过记录整个压头收缩，直到与表面完全失去接触来轻松确定。 FAD是在此阶段实现的最小力（拉拔附着力）。 压痕软件分析压痕过程中记录的负力，并自动选择与FAD相对应的最小力。 如果使用半径为 r 的球面压头进行压痕，则可以使用公式 （3） 计算表面能 w12。以图3为例（FAD -102 N，半径100 m），表面能W12约为216 mJ m2。 附着力和粘附能取决于两种材料（材料表面和压头表面）的状态。 功能化表面、肮脏或污染的表面会导致不同的 FAD 和 W12 值。 另一个需要考虑的事实是，粘附主要在干燥条件下观察到。
当样品完全浸没在液体中时，它就不那么明显了——如果有的话。 这表明粘附力与尖端-试样界面处水蒸气凝结产生的毛细管力有关[4]。 一旦针尖-试样界面处于液态，这些力就不存在，因为不会发生冷凝。 还有研究表明，粘附力可以改变压痕力-位移曲线，主要针对非常柔软的凝胶，而赫兹模型不合适，必须使用JKR模型来计算弹性模量[5]。 当对针尖小（r < 30 m）和低负载的软材料（例如< 50 kPa）进行压痕测试时，表面张力也被认为是影响压痕测试的重要因素[6]。 然而，上述接触条件在普通的纳米压痕实验中很少得到满足。
3 应用。 3.1 m 弹性体和水凝胶的测量 纳米压痕测量附着力的第一个应用是软凝胶的测量（图 4）。 这些凝胶可用于多种用途，从用软植入物建模的人体组织凝胶到装饰性凝胶，它们在空气中很稳定，并且由于其高柔韧性（非常低的刚度）而易于测量粘附现象。 这些凝胶的弹性模量变化很大，从弹性模量高达 10 kPa 的最软凝胶到弹性模量为 MPa 的最硬凝胶。 生物压痕仪器用于测量这些凝胶，通常配备球形压头（半径 100 m 至 500 m）。 因为许多凝胶非常柔软。 因此，必须调整压痕参数。 施加的力相对较低 （0.）。01 mn 1 mn），否则压痕深度将太大而无法分析（通常为赫兹弹性接触模型）。与硬质材料中的压痕相比，压头接近和回缩速度可以设置得更高，测量过程更快。 要测量拔出附着力，请设置更长的回缩时间以记录头部移除过程中的力。 两种装饰性凝胶（白色和蓝色）的典型PS-6C弹性体压痕测量值如图5所示，表1总结了从压痕测量中获得的特性。
附着力测试的另一个例子是聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 的压痕测试，使用类似于前一个示例的程序（半径为 100 m 的红宝石球形压头，干燥条件）。 图 6 绘制了 5 条压痕曲线; 结果显示，在曲线的压痕部分（施加的载荷）和附着力（负力）部分都具有出色的重量。
折叠。 需要注意的是，与凝胶相比，水凝胶的粘附力要低得多（如果有的话）。 这是因为在测量过程中，水凝胶几乎总是浸入液体中，并且由于水分和毛细管效应而产生的粘附力大大降低。 在干燥条件下对水凝胶进行的一些生物压痕测量证实水凝胶正在收缩，因此即使它们没有完全浸入液体中，它们也必须至少水合。
3.2 光学透明薄膜。
光学透明胶粘剂 （OCA） 是一种胶粘剂薄膜，用于智能手机行业安装大屏幕**。 这些薄膜的粘合性能不仅重要，而且它们的机械性能也很重要，因为它们在很大程度上决定了OCA的使用方式。 安东帕的生物压痕器已被用于测量这种胶膜。 生物压头可以感知附着力，还可以探测薄膜以测量其刚度（弹性模量）和瞬态（蠕变）特性（通过计算弛豫时间和蠕变模量）。 必须特别注意样品安装，因为胶膜可能非常柔软，厚度从几十微米到几百微米不等。
对于较硬的薄膜，使用氰基丙烯酸酯胶或环氧树脂将它们附着在坚固的支架上（例如，载玻片或平坦、光滑的铝块，如图 7 所示）。 对于粘附在两面的柔性薄膜，薄膜通常直接放在坚固的支撑物上（不需要胶水），因为它们会自动粘附。 确保薄膜牢固地附着在基材上，以避免在压痕测量过程中由于薄膜弯曲而导致的错误至关重要。 在这个例子中，测试了三种不同的胶膜：弹性模量（e）为0的软膜（a）35 MPa和两个刚性（b，c），弹性模量分别为208 MPa和80 MPa。 由于这些薄膜的厚度较低，最大压痕深度必须限制在薄膜厚度的 10% 到 20%，尤其是对于较硬的薄膜。
实验中使用了半径为500 m的球形压头。 然而，可以使用具有较小半直径的压头，即对于必须限制穿透深度的较薄薄膜。 最大力为500 m，最大穿透深度为1 m 16 m。 以最大力保持时间 30 秒。 如果要确定蠕变特性，保持时间是必要的：蠕变模量和弛豫时间是通过拟合在此期间获得的深度数据来计算的[7]。
图 8 显示了测试的三个 OCA 的三条压痕曲线的比较。 注意： 记录压头表面附近的吸附力。 为了便于材料的比较，同一样品上的附着力和随后的压痕曲线非常相似。
4 结论。 虽然安东帕的纳米压痕仪器主要用于硬质材料的压痕测试，但该仪器（即生物压痕仪器）也可用于测量凝胶或其他软粘合材料的粘附性能。 纳米压痕测量的主要优点是可以测定粘合性能（压痕和拔痕）和机械性能（包括蠕变）。 虽然主要使用球面压头，但其他压头几何形状可以模拟不同的接触条件。
除了粘合剂和机械性能外，还可以计算表面能。 由于尖端易于更换，因此还可以模拟不同的接触条件（压头半径或形状）。 附着力测量最好使用生物压痕仪器或 MCT3 进行，无需参考环。 对于所有其他仪器（NHT3、HIT 300、UNHT3、MCT3 参考），存在粘在参考环上的风险，这可能会导致仪器尖端在退回时损坏。 压头过度附着也会导致仪器损坏（这适用于所有压痕仪器）。